Бортовая радиолокационная система безопасной посадки вертолета

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Основной задачей посадки вертолета в условиях плохой видимости является поиск посадочной площадки (ПП), удовлетворяющей требованиям летного регламента. Так, одной из основных причин аварий вертолетов является недостаточность сведений о посадочной площадке. Это может быть связано с плохими погодными условиями, недостаточной видимостью по причине посадки в темное время суток, а также общей запыленности или заснеженности посадочной поверхности. По результатам исследований организаций США Joint Aircraft Survivability (JAS) Program Office и Naval Aviation Center for Rotorcraft Advancment (NACRA) было получено, что порядка 80% аварий вертолетов происходит по причине плохой визуальной видимости посадочной площадки при заходе на посадку, что приводит к жертвам и огромным затратам на потерянное оборудование [1, 2].

На сегодняшний день, можно выделить два основных направления исследований в данной области [3 - 7]. Первое - применение лазерных локаторов в системах безопасной посадки вертолета (СБПВ). Достигается высокая детализация рельефа, информация о рельефе ПП выводится на экран в кабине пилота. Основными недостатками лазерных СБПВ являются сильная зависимость от погодных условий, т.е. невозможность проведения съемки поверхности ПП в условиях дождя, тумана, снега, а также высокая стоимость по сравнению с радиолокационными системами. Второе - применение радиолокационных систем в сочетании со специальной обработкой сигналов, отраженных от ПП. Применяются как непрерывные, так и импульсные системы со сложными сигналами. Известно несколько методов, позволяющих выделить из радиолокационных данных информацию о возвышениях рельефа поверхности: стереоскопический, интерферометрический, клинометрический и поляриметрический. Стереоскопический и интерферометрический методы требуют двух снимков одного и того же участка поверхности с разных позиций, клинометрический работает только с одним снимком, а поляриметрический метод требует набора изображений, сделанных с разными поляризациями сигнала.

В силу ряда особенностей этих методов, а также требований летного регламента [8], говорящих о необходимости обязательного облета предполагаемой зоны посадки с нескольких сторон, практическое использование при оценивании рельефа поверхности находит сочетание стереоскопического и интерферометрического метода.

При известных характеристиках антенной системы и геометрии облучения задача обработки сигналов, отраженных от посторонних объектов на ПП и от элементов рельефа поверхности решается с использованием алгоритма радиолокационной интерферометрической съемки, обеспечивая наглядную визуализацию поверхности ПП. Зондирующий радиоимпульс взаимодействует с земной поверхностью, частично поглощается, а частично отражается в сторону бортовой РЛС. Именно отраженный сигнал поступает на две интерферометрические антенны и далее осуществляется соответствующая обработка для получения разностного радиолокационного изображения. Из радиолокационного изображения можно извлечь разность фаз, обусловленную разницей фазовых набегов до каждой из антенн и амплитуду, характеризующую яркость поверхности по причине того, что оно является комплексным.

Для получения высококачественного изображения ПП с характерным рельефом, отражающем наличие уклонов, оврагов и холмов, а также показывающего наличие посторонних объектов в зоне посадки, таких как автомобили, предполагается применение интерферометрической съемки путем измерения разности фаз сигналов, отраженных от ПП и приходящих на две антенны.

При этом возможны три варианта реализации интерферометрической съемки:

1. «C “мягкой” базой» ? предполагается съемка одной и той же области поверхности с однопозиционной РЛС на двух или более последовательно следующих пролетах с некоторым временным интервалом.

2. «C “жесткой” базой» ? при данном варианте расстояние между антеннами фиксировано и реализовано на одном носителе, при этом одна из антенн работает на излучение и прием, а другая только на прием.

3. «С переменной базой» ? в данном варианте база сформирована из однопозиционных РЛС на разных носителях, находящихся на синхронно - связанных траекториях полета.

В данной статье рассмотрен метод получения информации об уклонах, а также опасных неровностях ПП с помощью интерферометрической обработки сигналов от антенной системы, связанной "жесткой базой" и установленной на борту вертолета.

Согласно летному регламент [8], для обеспечения посадки безопасности вертолета при заходе на посадку необходимо, чтобы размер ПП был не менее 2-3 диаметров несущего винта вертолета. В данном случае размер ПП выбран м. Высота полета при этом постоянная и контролируется по данным бортового радиовысотомера. Траектория облета и схема ПП представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Траектория полета вертолета при обзоре места посадки

В данной работе рассматривается случай посадки вертолета при скорости захода на посадку W ? 15 м/с. Обнаружение производится с высоты 75 м. Необходимо обнаружить крупные неровности ПП, а также уклоны более 15 градусов, предоставляющие особую опасность при посадке летательного аппарата (ЛА).

Выбор параметров бортовой РЛС обусловлен особенностями посадки вертолета в сложных погодных условиях, а также не неподготовленную ПП. Рабочая частота выбирается таким образом, чтобы минимизировать габариты и массу используемой антенны. Это связано с тем, что крепление производится непосредственно на ЛА, где данные параметры являются критическими.

Разрешающая способность РЛС обуславливается рабочей частотой. Чем выше частота зондирующего сигнала, тем выше разрешающая способность РЛС, что в данной задаче является важным фактором, так как фактически производится картографирование ПП. С другой стороны повышение частоты приводит к росту потерь на распространение в таких неоднородных средах как дождь - гидрометеоры - и пылевое облако. Минимальные потери в подобных условиях достигаются при использовании РЛС миллиметрового диапазона радиоволн [9]. В результате рабочая частота системы выбрана равной 35 ГГц, которая находится в окнах прозрачности атмосферы.

Антенная система РЛС включает в себя две антенны, направленные на один и тот же участок ПП. Первая антенна А1 является приемопередающей, а вторая А2 - приемной. Обе антенны являются волноводно-щелевыми решетками, связанными "жесткой" базой. Размер базы равен В. Антенны укреплены параллельно на хвостовой балке вертолета и движутся вдоль оси Y со скоростью W, как показано на рис. 2.

Координаты фазовых центров антенн A1 и A2 бортовой РЛС при горизонтальной ориентации базы соответствуют (x1, y0, z1) и (x2, y0, z1). Соотношение линейной длины антенны la и длины радиоволны л позволяет формировать узкий луч в азимутальной плоскости Дy. Ширина диаграмм направленности антенн (ДНА) A1 и A2 в угломестной плоскости идентична и охватывает диапазон углов, определяемый размером ПП при выбранной высоте полета H.

Рис. 2. (а) Интерферометрическое радиолокационное визирование элемента разрешения на ПП; (б) Геометрия облучения ПП с борта вертолета

Основные параметры бортовой РЛС представлены в таблице 1.

радиолокационный посадочный вертолет

Таблица 1. Параметры бортовой РЛС

Здесь полоса частот приёмного тракта ?f согласована со спектром зондирующего сигнала. Фактор шума и коэффициент усиления антенны заданы на частоте 35 ГГц.

Период повторения зондирующих импульсов определяется в первую очередь технически реализуемым быстродействием наносекундного передатчика радиолокационной системы. При формировании короткого наносекундного радиоимпульса огибающая обычно имеет гауссову форму.

Высокая разрешающая способность по дальности обеспечивается использованием зондирующего радиосигнала наносекундной длительностью фи = 5 нс, ?x = c/(2?fsinи), где и = arccos(H/R). Так как ширина ДНА в угломестной плоскости обеих антенн идентична и охватывает размеры, определяемые ПП в диапазоне углов от 30° до 60° (см. рисунок 2. (б)), что дает величину наклонной дальности от Rmin = 85 м до Rmax = 150 м при выбранной высоте полета H = 75 м.

С учетом разрешающей способности ?x ? 0,72...1,25 м по дальности и ?y ? 0,8 м по азимуту, обеспечивается малый элемент разрешения площадью ?Sп = ?x?y ? 0,58 м2...1 м2 и высокая детальность получаемой информации.

Антенны выполняются в виде линейных волноводно-щелевых решеток, размеры которых выбраны, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Габаритный чертеж антенны

В волноводе щели смещены относительно центральной линии для регулировки уровня начальных боковых лепестков. Расстояние между соседними щелями равно лв/2, длина каждой щели - л/2 = 4,3 мм, где лв = 13 мм - длина волны H10 в прямоугольном волноводе.

Для формирования ДНА в угломестной плоскости к волноводу добавлен двухсторонний рупорный раскрыв, как показано на рисунке 3. Для получения ширины ДНА по уровню половинной мощности 30 градусов, взята ширина раскрыва b = 2л = 17,2 мм.

Для того чтобы допустимая фазовая ошибка в угломестной плоскости на краю раскрыва не превышала 90о, взята разность хода Дd = л/4. Геометрия рупора представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Геометрия двухгранного рупора

При заданных условиях оптимальная длина рупора равна Ropt = 1,6 см.

Соотношение длины линейной антенны la = 0,8 м и длины радиоволны излучения л = 8,6 мм позволяет формировать узкий луч в азимутальной плоскости ?б. Однако, при выбранных высотах полета вертолета и размерах ПП, работа РЛС в азимутальной плоскости происходит в промежуточной зоне антенн, поэтому угловые ДНА в азимутальной плоскости идентичны и одинаковым образом формируются на всем интервале изменения наклонной дальности.

Вид и характеристики электромагнитного поля линейных и плоских раскрывов в зоне Френеля достаточно хорошо проанализированы в [10,11,12]. Здесь ограничимся лишь утверждением, что в промежуточной зоне поле имеет сложный характер и в ней присутствуют все компоненты поля. Электромагнитное поле в зоне Френеля можно описать с помощью формулы [1]

, (1)

где Ф(y) - нелинейное фазовое распределение в апертуре антенны, RL = R0/l ? нормированное расстояние от цента апертуры до точки наблюдения в долях полураскрыва, с(y) - амплитудное распределение в апертуре антенны.

Квадратичные фазовые искажения приводят к заплыванию лепестков ДНА, уменьшению коэффициента усиления (КУ) системы. Таким образом, введение компенсирующего квадратичного фазового распределения (ККФР) позволит оптимально сфокусировать раскрыв в промежуточной области облучения ПП и приблизить пространственную зависимость поля в зоне Френеля к зависимости, характерной для поля, сформированного в дальней зоне. Особенность работы в дальней зоне заключается в том, что поле в ней представлено сформировавшейся электромагнитной волной. Напряженности и изменяются во времени синфазно, а в пространстве сдвинуты друг относительно друга на р/2.

Таким образом, искажения поля в зоне Френеля объясняются различием расстояний от точек раскрыва антенны до точек фокусировки и имеют квадратичную зависимость. Формирование квадратичных искажений со знаком, обратным (1), позволяет скомпенсировать возникающие искажения в этой зоне

, (2)

где C2 ? коэффициент Фурье при ортогональном полиноме второго порядка, P2(y) = a22y2 + a21y + a20 ? полином второго порядка.

Используя (1) и (2), получаем соотношение для определения коэффициента C2:

 (3)

Из (3) можно найти коэффициент C2

. (4)

Из (4) следует, что коэффициент Фурье C2 при второй гармонике зависит не только от расстояния до точки наблюдения RL, но и от угла в. Это означает, что полной компенсации квадратичных искажений, обусловленных характером поля в зоне Френеля, возможно добиться лишь в единственной точке в = 0 или в точке ориентации главного максимума в = вmax. Поля всех источников в этой точке будут складываться синфазно.

В приближении Френеля для малых углов в пределах в ? 15_ возможна качественная компенсация фазовых искажений. Для подобных углов полагаем sin2в ? 2в. В [13] доказывается, что в фокальной плоскости вблизи оси нормали к раскрыву электрическое поле сфокусированной апертуры имеет все свойства дальнего поля. Для рассматриваемой задачи приведен расчет характеристик электромагнитного поля линейного раскрыва. Здесь принято, что длина полураскрыва одной антенны l = 0,4м, длина волны л = 8,6 мм, а также взят линейный раскрыв длиной kl = 93р. Амплитудное распределение в апертуре антенны - равномерное.

С учетом выбранной высоты полета вертолета H и размера ПП выбираем расстояние прямой видимости до объекта R0 = 100 м. Тогда RL = 250. Из формулы (4) получаем коэффициент Фурье второй гармоники C2 = 8,43·10-4.

На рис. 3. представлены графики поля сфокусированного на расстоянии R0 = 100 м и ДН той же антенны.

Рис. 5. Поле антенны с введённым ККФР при R0 = 100 м (штрих) и ДН антенны (сплошной)

Сравнивая графики поля раскрыва, сфокусированного на расстоянии 100 м, и его ДН, представленные на рисунке 5, видно, что они практически совпадают.

На рисунке 6 вычислены пространственные фазовые характеристики с введенным в раскрыв ККФР и без компенсации.

Рис. 6. Фазовые характеристики при R0 = 100 м с введённым ККФР (сплошной) и без (штрих)

Из рисунка 6 видно, что в пределах ширины ДН антенны по уровню половинной мощности дополнительная фазовая ошибка пренебрежимо мала.

Была предложена антенная система бортовой РЛС безопасной посадки вертолёта. Необходимость монтажа системы непосредственно на борту ЛА ставит ограничение на варианты выбора параметров антенной системы. Также требования к системе обуславливаются использованием метода интерферометрической съемки ПП. Антенны в системе связаны «жёсткой базой».

При заходе вертолета на посадку и также минимально возможных размерах ПП, которые определяются размером несущего винта рассматриваемого ЛА, оказалось, что работа РЛС в азимутальной плоскости происходит в промежуточной зоне антенн. Работа в промежуточной зоне приводит к значительным искажениям ДНF в азимутальной плоскости, которые необходимо учесть для правильного восстановления рельефа поверхности. Был предложен метод введения ККФР. После введения данного коэффициента было показано, что раскрыв сфокусирован в промежуточной области облучения ПП наилучшим образом, а пространственная зависимость поля в зоне Френеля была наилучшим образом приближена к полю, сформированному в дальней зоне.

Литература

1. Rotary-Wing Brownout Mitigation: Technologies and Training // A Technical Report by NATO Science and Technology Organization, 2012.

2. Анализ состояния безопасности полетов в гражданской авиации Российской Федерации в первом полугодии 2016 года. Управление инспекции по безопасности полетов Федерального агентства воздушного транспорта Российской Федерации, 2016.

3. F. Previc, W. Ercoline. Nonvisual Spatial Orientation Mechanisms // Spatial Disorientation in Aviation. Progress in Astronautics and Aeronautics, 2004, vol. 203,pp. 37-94

4. Cross J.; Schneider J., Cariani P. MMW radar enhanced vision systems: the Helicopter Autonomous Landing System (HALS) and Radar-Enhanced Vision System (REVS) are rotary and fixed wing enhanced flight vision systems that enable safe flight operations in degraded visual environments // Proc. SPIE 8737, Degraded Visual Environments: Enhanced, Synthetic, and External Vision Solutions, 16 May 2013

5. Sykora B. BAE systems brownout landing aid system technology (BLAST) system overview and flight test results // Proc. SPIE 8360 Airborne Intelligence, Surveillance, Reconnaissance (ISR) Systems and Applications IX, 83600M, 1 May 2012.

6. 6.Savage J.; Harrington W.; McKinley A.R.; Burns H.M.; Braddom S., et al. 3D-LZ helicopter lidar imaging system // Proc. SPIE 7684 Laser Radar Technology and Applications XV, 768407, Апрель 29, 2010.

7. Murray J.T., Seely J., Plath J; Gotfreson E., Engel J., et al. Dust-Penetrating (DUSPEN) “see-through” lidar for helicopter situational awareness in DVE // Proc. SPIE 8737, Degraded Visual Environments: Enhanced, Synthetic, and External Vision Solutions 2013, 87370H, 16 May 2013.

8. Руководство по лётной эксплуатации вертолёта Ми-8. - М.: Департамент воздушного транспорта министерства транспорта РФ, 1996 г.

9. Кулёмин Г.П., Разсказовский В.Б. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью земли под малыми углами. Киев:: Наукова Думка, 1990. - 229 с.

10. Уолтер К. Антенны бегущей волны. М.: Энергия, 1970.

11. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн / Пер. с англ., М.: Сов. Радио, 1970.

12. Гусевский В.И. Анализ и методы расчета амплитудно-фазовых характеристик антенных устройств бортовых фазометрических радиосистем//Кандидатская диссертация. Московский энергетический институт, 1968.

13. Sherman J.W. Properties of Focused Aperture in the Fresnel Region. // IEEE Trans. Antennas and Propagation, 1962. T. 10, № 4. - C.399-408.

Размещено на Allbest.ru