«НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Ульяновск 2012 УДК 629.7.05 (076) ББК 32я7 Ш 55 Рецензент доцент кафедры Электроснабжение энергетического факультета Ульяновского государственного технического университета ...»

В. Н. Шивринский

НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Ульяновск

2012

УДК 629.7.05 (076)

ББК 32я7

Ш 55

Рецензент доцент кафедры «Электроснабжение» энергетического

факультета Ульяновского государственного технического

университета кандидат технических наук А. Е. Усачев

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета Шивринский, В. Н.

Ш 55 Навигационные системы летательных аппаратов : конспект лекций / В. Н. Шивринский. – Ульяновск : УлГТУ, 2012. – 148 с.

Данное пособие знакомит студентов с устройством различных навигационных систем, основами теории, принципами построения и применения, методами расчета и проектирования.

Приведенный материал предназначен для студентов направления 20010062 и специальности 20010365; может быть полезен студентам других специальностей при изучении аналогичных дисциплин и выполнении учебных научно-исследовательских работ.

Работа выполнена на кафедре измерительно-вычислительных комплексов.

Печатается в авторской редакции УДК 629.7.05 (076) ББК 32я Шивринский В. Н., Оформление. УлГТУ, Предисловие Конспект лекций составлен на основе одноименного курса, читаемого автором. Лекции подготовлены по материалам, изложенным в литературе [1-22]. Учебным планом по дисциплине предусмотрено 68 часов аудиторных занятий, из них лекции – 34 часа, лабораторные работы – 34 часа, 112 часов для самостоятельной работы, зачет в седьмом семестре, экзамен в восьмом семестре.

Предполагается, что студенты знакомы с теоретическими основами и средствами измерительной, вычислительной техники, языками программирования, теорией автоматического управления, цифровыми и аналоговыми электронными устройствами, авиационными приборами и измерительно-вычислительными комплексами.

Теоретические основы навигации, системы астронавигации, радиотехнические измерители навигационных параметров, системы счисления пути, инерциальные, обзорно-сравнительные и спутниковые системы подробно рассмотрены в конспекте лекций «Бортовые вычислительные комплексы навигации и самолетовождения» [22], изданным УлГТУ в 2010 г.

В данном конспекте лекций рассматриваются радиомаячные системы инструментальной посадки самолетов, командно-пилотажные навигационные системы, магнитные компасы, курсовые системы, пилотажнонавигационные системы воздушных сигналов (централи скорости и высоты), а также особенности проектирования навигационных систем летательных аппаратов.

Приводятся тестовые задания и основные использованные понятия по читаемому курсу.

Методические указания предназначены студентам для глубокой самостоятельной проработки, а также преподавателям, ведущим занятия по аналогичным дисциплинам.

Глава 1. Особенности проектирования навигационных систем летательных аппаратов Основные этапы проектирования систем В нашей стране приняты следующие основные стадии разработки проекта: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация.

Техническое задание должно содержать: основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, стадии разработки, принятые в данном проекте, и их состав, включая программное, методическое и метрологическое обеспечение, а также специальные требования к системе. К основным техническим характеристикам информационных измерительных систем (ИИС) относятся метрологические (динамический и частотный диапазоны, погрешность, быстродействие, чувствительность, порог чувствительности), а также общетехнические (надежность, сложность, габариты, масса и т. д.). В ТЗ должны быть приведены критерии оценки этих характеристик.

Следующей основной стадией проектирования, является разработка технического предложения на проектируемую информационно-измерительную систему. При разработке технического предложения предусматривается выполнение следующих этапов:

1. Подбор патентных материалов, определение патентоспособности проектируемой ИИС, анализ материалов по существующим системам, наиболее близким к проектируемой по назначению и характеристикам.

2. Предложение возможных вариантов реализации системы, удовлетворяющих ТЗ, сравнительная оценка этих вариантов и обоснование выбора наилучшего варианта. Варианты системы могут различаться по алгоритмам сбора и обработки информации, техническим и программным средствам, видам используемого интерфейса, модуляции сигналов. Сравнительная оценка вариантов должна выполняться с учетом критериев оценки показателей качества, определенных в ТЗ.

3. Разработка и анализ структурной схемы и алгоритма работы.

4. Выбор функциональных блоков проектируемой системы. Для создания ИИС целесообразно использовать готовые, выпускаемые промышленностью функциональные блоки, объединяемые в систему с помощью стандартного интерфейса. При проектировании системы не всегда удается обеспечить ее всеми необходимыми стандартными функциональными блоками. В этом случае в проекте разрабатываются такие блоки.

5. Решение принципиальных вопросов метрологического, программного и методического обеспечения проектируемой ИИС.

6. Рассмотрение и утверждение технического предложения, при этом должен быть обоснован целесообразный путь реализации ТЗ.

Стадия эскизного проектирования предусматривает создание документации, содержащей принципиальные конструктивные решения, которые дают общее представление об устройстве и принципе работы изделия.

В необходимых случаях изготавливаются и испытываются макеты изделий. Эскизный проект после согласования и утверждения служит основой для разработки технического проекта или рабочей документации.

Стадия технического проектирования связана с созданием документации, содержащей окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемой системы.

Завершающей является стадия создания рабочей документации на проектируемую ИИС. Она включает в себя разработку конструкторской документации на опытный образец системы, изготовление опытного образца, проведение государственных, межведомственных или других испытаний опытных образцов, последующие корректировки рабочей документации, подготовку рабочей документации и изготовление установочной серии, массовый выпуск ИИС.

При разработке навигационного устройства требуется, чтобы оно наиболее полно соответствовало тактико-техническим задачам объекта, условиям его применения и эксплуатации, а также удовлетворяло информационным, эксплуатационным и экономическим критериям оценок. Разработка навигационного устройства происходит не на пустом месте и не с позиции «черного ящика», а в условиях сложившегося приборостроительного производства, при наличии многообразных прототипов устройств аналогичного назначения. Процесс разработки навигационного устройства содержит много индивидуальных особенностей, обусловленных степенью сложности и новизны схемного и технического решения, условиями проектирования и создания конструкции. Можно выделить некоторые общие этапы разработки навигационного устройства:

1) составление задания на проектирование навигационного устройства и анализ исходных данных;

2) уточнение данных для проектирования;

3) выбор вариантов навигационных устройств, наиболее полно отвечающих заданию;

4) синтез навигационных устройств с оптимальными параметрами;

5) использование скрытых структурных резервов;

6) использование скрытых информационных резервов;

7) расчет параметров измерительных схем и цепей;

8) расчет конструктивных параметров элементов конструкции;

9) разработка конструкции навигационного устройства;

10) изготовление конструкции.

При составлении задания на разработку навигационного устройства определяют его назначение, диапазон измерения, информационные свойства, условия работы, требования эксплуатации, технические требования и условия питания. Кроме того, устанавливают начальные и наиболее общие критерии оценки качества навигационного устройства и намечают перспективы его применения и развития.

В назначение навигационного устройства обычно включают наименование измеряемого параметра, вид объекта и способ использования устройства. Диапазоны измерения, устанавливаемые для навигационного устройства, должны охватывать возможные предельные изменения измеряемых параметров, взятые с некоторым запасом.

Значение измеряемого параметра зависит от многих случайных условий полета и изменений характеристик объекта. Если Xmax – математическое ожидание максимального значения измеряемого параметра, а x – среднее квадратическое значение его случайного изменения, то диапазон измерения Xдиап можно принять равным здесь N обычно берут в пределах 34.

В ряде случаев значение Xmax может быть задано исходя из тактикотехнических характеристик объекта. Тогда значение Nx принимают как некоторую часть от Xmax, т. е.

здесь может быть порядка 0,050,1.

Информационные свойства навигационного устройства, которые должны быть заданы, включают:

1) режимы навигационных измерений (взлет, маршрутный полет, посадку);

2) уровень автономности и помехозащищенности измерений;

3) точность и надежность измерений;

4) уровень избыточности информации;

5) степень автоматизации процессов измерений;

6) особенности взаимодействия навигационного устройства с человеком (способ отображения информации, возможность настройки и коррекции);

7) виды информации, получаемой от навигационного устройства для систем автоматического управления полетом и других потребителей.

Заданные условия работы разделяются на внешние и внутренние.

Внешние условия работы, в зависимости от назначения навигационного устройства, включают высоту и скорость полета, географические районы возможного местонахождения, времена года и суток.

Кроме того, могут быть заданы вероятность и интенсивность возможных организованных помех работе навигационного устройства, а также некоторые виды естественных помех.

Внутренние условия работы навигационного устройства характеризуются диапазонами возможного изменения давления, температуры и влажности окружающей среды, а также значениями возможных вибраций и перегрузок. Для серийного оборудования внутренние условия работы регламентируются соответствующими нормалями.

Заданные требования эксплуатации могут включать сведения:

1) о способах использования навигационного устройства в полете;

2) о характере обслуживания на Земле;

3) об уровне автоматизации процессов настройки и контроля состояния навигационного устройства;

4) о времени готовности навигационного устройства к нормальной Заданные технические требования могут включать допустимый вес и объем конструкции навигационного устройства, а также некоторые регламентации по монтажу и размещению устройства на объекте. Однако окончательное решение о месте установки навигационного устройства на объекте может быть принято после учета внутренних условий работы, особенностей его использования в полете и уровня надежности конструкции.

К числу заданных следует отнести условия питания или энергетического обеспечения навигационного устройства: виды токов (постоянный, переменный), напряжения и частоты источников питания и их стабильность. Если характеристики источников питания не позволяют обеспечить нормальную работу навигационного устройства, то могут быть предусмотрены автономные источники питания с соответствующими данными.

Некоторые из этих требований носят вероятностный характер (например, надежность, живучесть, помехозащищенность) и могут быть заданы количественно как вероятности выполнения соответствующего требования (в пределах от 0 до 1). Некоторые другие требования могут быть заданы только качественно. Например, уровень автоматизации процессов измерения или контроля может быть задан в виде градаций: неавтоматический, полуавтоматический, автоматический или комбинированный.

Заданные начальные критерии оценки качества разрабатываемого навигационного устройства должны охватывать его основные и наиболее общие характеристики: точность, надежность, живучесть, приспособленность к условиям эксплуатации, экономичность и общую эффективность.

Разработка навигационного устройства с учетом перспективы развития, как объекта, так и измерительной техники имеет большое практическое значение. При этом могут быть учтены предполагаемые изменения тактико-технических характеристик объекта, а также предусмотрены унификация конструкции навигационного устройства и расширение области его применения на объектах другого назначения.

Уточнение данных для проектирования навигационного устройства Чтобы выявить принцип построения и функциональную структуру навигационного устройства, необходимо уточнить ряд положений, а именно:

1) определить необходимую и возможную избыточность информации об измеряемом параметре, которую можно создать на объекте, и оценить характер ее использования;

2) определить способы преобразования информации в различные системы координат;

3) выявить способы отображения выходной информации с учетом назначения и функций оператора;

4) определить способы обеспечения надежности и живучести навигационного устройства.

Кроме того, возникает необходимость в уточнении условий полета, характеристик внешних и внутренних помех работе прибора на объекте.

Степень избыточности информации определяется количеством датчиков n, измеряющих m параметров. В зависимости от того, является ли n > m или n < m, в измерительном комплексе создается избыточность или недостаточность информации.

Если разрабатываемое навигационное устройство будет применяться на объекте в условиях избытка информации (n > m), то в схеме устройства могут быть предусмотрены динамические фильтры связи для уменьшения погрешностей и улучшения динамических характеристик.

При информационной недостаточности (n < m) в навигационном устройстве могут быть применены программные устройства, системы памяти, каналы автокомпенсации и другие средства, позволяющие в данных условиях улучшить качество навигационного устройства.

Определение способа преобразования информации из одной системы координат в другую существенно отражается на принципе построения навигационного устройства. Могут быть использованы следующие варианты взаимосвязи навигационного устройства с датчиком угловой ориентации:

1) стабилизация чувствительных элементов с помощью датчиков угловой ориентации;

2) размещение чувствительных элементов на повторителе датчиков угловой ориентации;

3) размещение чувствительных элементов на корпусе объекта и преобразование информации из связанной системы координат в систему координат, моделируемую датчиками угловой ориентации.

Способы отображения выходной информации влияют на принцип построения навигационного устройства. Для повышения наглядности, информационной производительности и надежности отображения выходной информации в навигационном устройстве используются элементы преобразования и дистанционной передачи сигналов, устройства индикации.

Для реализации заданной надежности и живучести навигационного устройства, еще на начальной стадии проектирования должны быть предусмотрены технические средства осуществления контроля работоспособности и технических характеристик.

Такими средствами могут быть элементы встроенного контроля, дублирующие элементы и измерительные цепи, автоматы надежности, системы коррекции от внешних источников информации.

При уточнении условий полета и особенностей внешних и внутренних помех могут быть выявлены их статистические характеристики и корреляционные взаимосвязи. Эти данные могут быть учтены при обеспечении «памяти» навигационного устройства в период действия интенсивных помех и при формировании передаточных функций фильтров.

При разработке системы возникает проблема создания такой ее внутренней структуры, которая наиболее полно отвечает поставленной задаче.

Во внутреннюю структуру входят как ее составные элементы (методы измерений, чувствительные элементы, преобразователи сигналов, дистанционные передачи, вычислительные устройства, системы памяти, задатчики априорной информации), так и каналы взаимосвязи, цепи коррекции и динамические фильтры.

Общий синтез навигационного устройства можно разделить на два этапа. На первом этапе осуществляется синтез «в большом», включающий подбор наиболее совершенных элементов внутренней структуры и организацию эффективного взаимодействия между ними.

На втором этапе производится синтез «в малом», сводящийся к определению оптимальных в определенном смысле (например, по точности, надежности) параметров передаточных функций элементов структуры и связей между ними.

Рассмотрим особенности первого этапа синтеза, который включает:

1) сбор, анализ и обобщение научных, технических и патентных материалов, относящихся к тематике исследуемого вопроса;

2) разработку классификации возможных видов построения структур;

3) установление критериев оценки качества для каждого признака;

4) отбор элементов структуры и видов связей, отличающихся наивысшими оценками качества, и разработку вариантов построения структур навигационного устройства;

5) статистическую оценку степени совершенства разработанных вариантов структур навигационного устройства.

При сборе и анализе материалов особое внимание уделяют патентам, научным статьям и отчетам, а также техническим описаниям устройств, способных измерять заданный навигационный параметр.

В результате анализа выделяются особенности методов измерения, области их применения, физические ограничения и методические погрешности, возможности реализации.

Обобщение позволяет выявить основные физические явления, которые могут быть положены в основу классификации. Физические особенности, используемые для классификации, должны характеризовать наиболее существенные свойства навигационного устройства, от которых в значительной мере зависят его принцип действия, функциональная и структурная схемы, состав конструкции, динамические и информационные свойства.

Для каждого классификационного признака и совокупности альтернатив устанавливаются частные критерии оценки качества. Выбор критериев зависит от того, насколько эффективно использование того или иного признака и альтернативы для построения навигационного устройства применительно к заданному объекту, внешним и внутренним условиям работы, а также его тактико-техническим характеристикам.

Для оценки качества вариантов построения структур применяются общие критерии оценок, которые позволяют определить эффективность использования навигационного устройства для заданных режимов полета.

В качестве такого общего критерия оценки удобно использовать степень совершенства структуры навигационного устройства.

Среди многочисленных возможных вариантов построения структуры навигационного устройства отбирают для дальнейшего исследования только те, которые имеют наивысшую оценку совершенства.

Навигационная информационная система состоит из набора компонентов, выполняющих определенные функции по отношению к внешнему окружению.

Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и передавать ее во внешнее окружение, система должна быть связана с внешним окружением, т. е. должна иметь входы и выходы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общее представление навигационной системы Система состоит из аппаратных компонентов и программного обеспечения. Первый шаг цикла проектирования включает определение набора требований пользователя и построение функциональной спецификации.

Следующим шагом является проектирование системы на основе функциональной спецификации. Необходимо определить аппаратную и программную конфигурации, из каких частей должна состоять система и как эти части должны быть взаимосвязаны.

Проектирование аппаратной части может быть выполнено с использованием стандартной методологии проектирования аппаратуры.

Проектирование программного обеспечения лучше всего может быть выполнено с использованием языка проектирования.

Программное обеспечение строится путем преобразования конструкций языка проектирования в язык программирования ЭВМ. Оно тестируется и одновременно с аппаратурой объединяется в единое целое, после чего оцениваются эксплуатационные характеристики системы.

Цикл проектирования системы показан на рис. 1.2. Две части системы часто разрабатываются параллельно.

Одним из основных средств снижения сложности программного обеспечения до приемлемого уровня является использование методологии системного проектирования. Кроме использования языка проектирования, системная методология включает использование методов нисходящего и модульного проектирования.

ЭВМ должна иметь возможность проверять значение каждого входа, а также устанавливать каждый из выходов в определенное значение. На уровне языка проектирования для операций проверки и установки используются простые конструкции:

ПРОВЕРИТЬ ВХОД... И ХРАНИТЬ ЕГО ЗНАЧЕНИЕ

УСТАНОВИТЬ ЗНАЧЕНИЕ ВЫХОД... РАВНО...

Необходимо также иметь возможность проверять условия, которым удовлетворяют хранимые значения каждого из входов. С этой целью используется условная конструкция:

ЕСЛИ УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»

ТО ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО

ИНАЧЕ ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО ДРУГОЕ

Необходима такая операция, которая позволила бы выполнять другие операции языка проектирования бесконечное число раз. Для этой цели используется конструкция:

ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО

НЕПРЕРЫВНО

КОНЕЦ, должен повторяться без конца.

Конструкции цикла могут быть следующего вида:

ВЫПОЛНИТЬ

ВЫПОЛНИТЬ ДЛЯ КАЖДОГО... НАБОРА ПРЕДМЕТОВ

ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»

Для выполнения операций присваивания применяются конструкции:

Для вызова процедур используется следующая конструкция:

ВЫЗОВ: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)

Для составления процедур используется конструкция вида:

ПРОЦЕДУРА: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ;

ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

В заголовке между первой строкой процедуры и строкой НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ помещается дополнительная документальная информация:

1) идентификационный номер процедуры;

2) имя проектировщика;

3) дата проектирования;

4) имена всех, кто вносил изменения в проект;

5) дата внесения изменений в проект;

6) краткие сведения о том, что делает процедура, если имени процедуры недостаточно для этих целей;

7) имя модуля, которому принадлежит процедура;

8) имена всех процедур, которые вызывает данная процедура;

9) имена всех процедур, которые вызывают данную процедуру;

10) описание каждой структуры данных и параметров, которые обрабатываются данной процедурой;

11) пояснения о назначении каждого параметра в структуре данных, если это не ясно из контекста.

Каждая подсистема, модуль, процедура, структура данных и параметр имеют имя. Полезно использовать список имен, в который вносится любое имя сразу после того, как оно определено.

При составлении программ на языке проектирования рекомендуется использовать смещение строк. Необходимо подчеркнуть, что язык проектирования является полностью однозначным без смещения строк. Смещение строк обеспечивает читаемость, особенно когда несколько конструкций являются вложенными. Ниже приводятся правила выполнения смещения, иллюстрированные примерами:

1) все скобки, такие как НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ... КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ и ВЫПОЛНЯТЬ... КОНЕЦ, выравниваются;

ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)

ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НЕ ВКЛЮЧЕН

ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)

2) все основные операции, содержащиеся внутри пары скобок, смещаются на одинаковые расстояния;

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

ВЫЗОВ: ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ АППАРАТУРЫ (;)

ВЫЗОВ: ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ (;)

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

3) слова ТО и ИНАЧЕ условной конструкции располагаются на разных строках и смещаются по отношению к слову ЕСЛИ на одинаковые расстояния; если внутри части ТО или ИНАЧЕ условной конструкции появляется отдельная операция, то она располагается на той же строке, что и слово ТО или ИНАЧЕ;

ЕСЛИ ВСЕ ЗАПИСИ КРОМЕ ПОСЛЕДНЕЙ ВЫБРАНЫ

ТО ВОЗВРАТ

ИНАЧЕ ВЫБИРАЕТСЯ СЛЕДУЮЩАЯ ЗАПИСЬ В ФАЙЛЕ

4) если внутри части ТО или ИНАЧЕ условной конструкции содержится более одной операции, то эти операции следует заключить в скобки ВЫПОЛНИТЬ... КОНЕЦ, причем слово ВЫПОЛНИТЬ располагается на той же строке, что и слово ТО или ИНАЧЕ.

ЕСЛИ ТАЙМЕР В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ

ТО ВЫПОЛНИТЬ

УСТАНОВИТЬ ПРОДОЛЖЕНИЕ

ВОЗВРАТ

Одним из наиболее важных факторов добросовестного проектирования системы является хорошая документация. Под хорошей понимается четко организованная, легко читаемая и усваиваемая документация, сжатая, но полная, допускающая внесение изменений.

Организация документации для полного цикла проектирования показана на рис. 1.3. Первый уровень документации содержит описание требований пользователя и функциональной спецификации.

Полный набор документации второго уровня включает в себя:

1) иерархический список имен подсистем, модулей и процедур; для этой цели может служить список имен, который включает также имена структур и параметров;

2) дерево вызова процедур;

3) определения структур данных для каждой структуры данных, используемых в системе;

4) описание каждой процедуры на языке проектирования;

5) дополнительную информацию, необходимую для понимания системы на уровне проектирования; эта информация может быть размещена либо в заголовке модуля или процедуры, либо в отдельных документах.

Третий уровень документации состоит из описания процедур и модулей системы в виде программ на языке программирования. Поскольку описание документации в виде программ содержит описание на языке проектирования в виде комментариев, второй уровень документации содержится в третьем.

Четвертый уровень документации включает в себя план объединения, а также календарные сроки выполнения проекта. План объединения состоит из подробного описания каждого этапа процесса объединения и определяет, какая часть системы должна быть работоспособной в конце каждого этапа.

Описание этапа объединения должно указывать, какие процедуры (модули или подсистемы) должны быть проверены и какие функции должна выполнять система после завершения этапа объединения. Кроме того, должны быть определены проверочные значения для тех параметров, которые должны меняться во время этапа объединения.

Пятый и шестой уровни включают документацию по аппаратным средствам и план отладки аппаратных средств.

Требования пользователя и функциональная спецификация Требования пользователя определяют, что пользователь хочет от системы и что она должна делать. Требования пользователя могут быть определены путем изучения рынка сбыта на основе спроса покупателей.

Функциональная спецификация определяет, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса между системой и окружением.

Так как система проектируется на основе информации, содержащейся как в требованиях пользователя, так и в функциональной спецификации, важно, чтобы функции, отображающие требуемое поведение системы, были описаны достаточно подробно.

Прежде чем начать детальное проектирование программных и аппаратных средств, необходимо определить, какие функции лучше выполняются с помощью программного обеспечения ЭВМ, а какие – с помощью аппаратных средств. Во время детального проектирования аппаратных и программных средств часто становится очевидным, что некоторые аппаратные функции могут быть лучше выполнены с помощью программных средств и наоборот. Таким образом, во время последующих стадий процесса проектирования может иметь место модификация предварительного проектного решения.

Общая модульная структура аппаратных средств показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Общая модульная структура аппаратных средств Система разбита на модули, которые соответствуют функциям ВХОД, ВЫХОД, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА, ЭВМ, КОМБИНИРОВАНННАЯ АППАРАТУРА. Модули преобразования входного и выходного сигналов содержат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней средой. Примерами таких компонентов являются аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Модули интерфейса ввода, ЭВМ и интерфейса вывода содержат ЭВМ и ее компоненты, а также интерфейсные компоненты, необходимые для связи ЭВМ с другими модулями системы. Модуль комбинированной аппаратуры содержит компоненты, необходимые для реализации остальных функций системы. Это как раз те функции, которые могут быть реализованы с помощью как аппаратных, так и программных средств.

Проектирование системы может быть расчленено на несколько функциональных уровней. Высший функциональный уровень проектирования является наиболее общим, а низший – наиболее детализированным.

Высший уровень проектирования для аппаратных средств состоит из блочных схем, обозначающих приближенное разбиение. Это может быть уровень подсистем, в случае больших систем, или уровень модулей для не очень больших систем. Последующие уровни проектирования аппаратуры содержат все более детальное разбиение. Разбиение продолжается до тех пор, пока не будет достигнут уровень таблиц или монтажных схем.

Например, следующий уровень модулей преобразования сигнала (рис. 1.4) может включать аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, а также другие устройства.

Проектирование программного обеспечения Высший уровень проектной документации программного обеспечения состоит из функционально-модульной структуры системы. Модули высшего уровня содержат наиболее общие, а низшего – наиболее детализированные функции программного обеспечения.

Каждый модуль содержит набор процедур, реализующих специфические функции данного модуля. На нижних уровнях детализации программные модули более тесно связаны с аппаратными модулями системы.

В качестве примера проектной документации программного обеспечения рассмотрим функционально-модульную структуру автоматизированной системы охранной сигнализации [18].

Предположим, что необходимо разработать автоматизированную систему охранной сигнализации. Попытаемся определить набор требований пользователя к этой системе. Вопросы, которые задают в первый момент, должны быть связаны только с тем, что должна делать система охранной сигнализации. В частности, необходимо получить ответы на следующие вопросы:

1. Какие типы нарушений необходимо обнаруживать?

2. Какие действия требуются при обнаружении нарушителя?

3. Какие другие действия необходимо предусмотреть?

Из ответов на эти вопросы можно сделать вывод относительно того, что будут собой представлять требования пользователя. Разрабатываемая система должна выполнять следующие действия:

1) обнаруживать, когда открывается дверь или окно;

2) обнаруживать движение внутри охраняемой зоны;

3) иметь возможность предупредить нарушителя и вызвать помощь;

4) обеспечить возможность восстановления в случае забывчивости 5) быть несложной в управлении;

6) минимизировать число ложных тревог.

Далее разрабатывается функциональная спецификация, которая должна давать ответы на следующие вопросы: Какие средства необходимо предусмотреть для:

1) обнаружения несанкционированного открытия окна или двери?

2) обнаружения движения?

3) предупреждения нарушителя и вызова помощи?

4) восстановления системы в случае забывчивости оператора?

5) управления системой?

6) предотвращения ложных тревог?

В рассматриваемой системе для обнаружения несанкционированного открытия двери или окна должны использоваться контактные датчики.

Для обнаружения движения должен использоваться ультразвуковой датчик движения. С целью предупреждения ложной тревоги движение должно контролироваться в течение не менее пяти секунд, после чего считается, что обнаружен нарушитель. Предупреждение оператора о том, что он обязан восстановить систему, осуществляется с помощью визуального сигнала. Если система не восстановлена в течение шестидесяти секунд, для предупреждения нарушителя и вызова помощи включается сигнал звуковой тревоги. Для управления системой и ее восстановления должен использоваться кнопочный переключатель.

Если распределить информацию по категориям ВХОДЫ, ВЫХОДЫ, ФУНКЦИИ, можно изобразить функциональную спецификацию в виде, представленном на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Функциональная спецификация системы охранной сигнализации ЭВМ является последовательным устройством, которое выполняет операции одну за другой. Поэтому на высшем уровне модульной структуры программных средств должна находиться управляющая функция, обеспечивающая последовательное исполнение системой других функций.

Будем называть эту управляющую функцию исполнительной процедурой, которая содержится в исполнительном модуле.

Из рассмотрения функциональной спецификации рис. 1.5 видно, что система может быть разделена на три части: ВХОД, ВЫХОД, ФУНКЦИИ. Для части спецификации, которую назвали ФУНКЦИИ, можно выделить четыре различных модуля:

1) все процедуры, выполняющие проверку состояния контактного датчика и датчика движения, а также определяющие, какие действия должны быть предприняты по результатам проверки, необходимо сгруппировать в модуль проверки;

2) все процедуры, выполняющие проверку состояния переключателя и реализующие функцию ожидания изменения его состояния, необходимо сгруппировать в модуль ожидания;

3) процедуры, реализующие функции таймера, входят в модуль таймера;

4) если результат проверки одной из процедур модуля проверки указывает на то, что обнаружен нарушитель, должна быть вызвана процедура для включения визуального сигнала, запуска таймера на шестьдесят секунд и включения звукового сигнала после окончания работы таймера; эта процедура должна содержаться в модуле обнаружения нарушителя.

Дополнительно к этим четырем модулям необходим пятый модуль.

Когда система включается впервые или восстанавливается с помощью переключателя, она должна быть инициализирована, а все сигналы и таймер восстановлены в первоначальное состояние. Процедуры, реализующие указанные функции, необходимо сгруппировать в модуль восстановления.

Каждый из рассмотренных модулей размещается на одном из четырех уровней нисходящей иерархии. Известно, что исполнительный модуль должен находиться на самом верхнем уровне, а входной, выходной и таймера – на самом нижнем. Резонно предположить, что модуль обнаружения нарушителя должен находиться на более низком уровне по отношению к модулю проверки. Более точно уровень каждого модуля определится только после того, как будут полностью определены все процедуры, входящие в модули, и их взаимосвязи.

Полная модульная структура системы охранной сигнализации, включающая процедуры для каждого модуля, показана на рис. 1.6.

Завершается предварительное проектирование системы составлением иерархического списка процедур. Этот список, или дерево процедур, указывает порядок вызова процедур системы.

Рис. 1.6. Модульная структура системы охранной сигнализации На дальнейших стадиях проектирования программного обеспечения производится разработка каждой процедуры на языке проектирования, трансляция описания системы на языке проектирования в язык ЭВМ. Полученный набор процедур составляет программное обеспечение, которое придает ЭВМ функциональные свойства, требуемые системой.

Разработка структурной, функциональной, принципиальной схем навигационной системы Элементы системы взаимодействуют между собой самым различным образом: механическим, электрическим, информационным и т. д. В зависимости от вида взаимодействия содержание структуры будет различным для одной и той же системы. Информация об одной и той же структуре может выражаться в различной форме: в виде графических изображений, совокупности числовых данных, таблиц и т. д. В зависимости от того, какие действия с информацией о структуре предполагается производить, выбирается тот или иной вид формализации.

Например, для получения информации об основных свойствах структуры, характере ее сложности и рассредоточенности удобно представление структуры в виде изображения. Для синтеза и анализа структуры удобна формализованная запись в соответствии с определенными правилами. Для хранения всех сведений может оказаться удобным представление структуры в виде массива данных.

Описание структуры различными видами формализованной записи становится эффективным инструментом анализа и синтеза тогда, когда установлены правила перехода от одного вида записи к другому.

При соблюдении этого условия виды описания одной структуры становятся дополнительными по отношению друг к другу, и все вместе дают полное описание структуры. Таким образом, наиболее полную и удобную для использования информацию о взаимодействии элементов системы можно представить как совокупность взаимодополняющих описаний.

При рассмотрении информационных измерительных систем можно выделить конструктивные, энергетические и информационные структуры.

Структура конструкции системы содержит информацию о механическом взаимодействии элементов системы (компонентов, плат, модулей, блоков, каркасов, стоек). Эта структура отражена в комплекте рабочих чертежей системы и соответствующей документации.

Структура энергетических связей содержит информацию об источниках и потребителях электрической энергии. Эта структура отражена в схеме соединений элементов системы, но иногда выделяется как отдельное описание, объясняющее специфику источников и приемников энергии и связывающих их линий передачи.

Структура информационных связей содержит сведения о том, каким образом происходит обмен информацией. Она является первичной по отношению к другим структурам. Основными условиями, определяющими внутреннюю структуру ИИС, должны быть условия информационного обмена системы с персоналом и объектом, содержащие сведения о структуре, мощности и других особенностях информационных потоков.

Эти общие условия распадаются на ряд частных требований, связанных с количественными и качественными характеристиками отдельных источников информации, организацией информационного взаимодействия элементов системы, их рассредоточенностью в пространстве, а также с алгоритмами обработки и представления информации персоналу.

Для системного обмена информацией первым важнейшим условием является организация таких информационных связей, которые обеспечивали бы с определенным запасом, при заданных временных характеристиках и надежности, прохождение всех информационных потоков в системе.

Решение этой задачи осуществляется: 1) выбором эффективных протоколов обмена информацией между элементами системы, 2) определением оптимальной структуры информационных связей, 3) выбором алгоритмов и средств обработки информации, позволяющих уменьшить интенсивность информационных потоков.

Вторым важнейшим условием является обеспечение качества информации на всех стадиях получения, обмена, обработки и представления.

Выполнение этого условия также связано как с выбором способов обмена, определяющих необходимую подробность дискретизации по времени и значению, так и с алгоритмами и средствами получения и обработки информации.

Если рассматривать ИИС как материальный объект, через который проходит двунаправленный поток информации, то можно выделить следующие общие характеристики: 1) количество источников и потребителей информации, 2) расположение источников и приемников в пространстве, 3) мощность потоков информации, поступающих и уходящих из системы (или устройства), 4) зависимость мощности информационных потоков от времени и т. д. Эти характеристики определяют количественную сторону обмена информацией.

Описание свойств системы или ее части, содержащее сведения о потоках информации и отражающее взаимодействие этих потоков, является структурой информационного взаимодействия. Наиболее распространенным способом представления структур информационного взаимодействия является структура информационных связей между аппаратными средствами ИИС.

Такая структура изображает каждое устройство, входящее в состав ИИС и участвующее в обмене информацией, в виде прямоугольника, внутри которого имеется название или условное обозначение этого устройства. Двойными линиями со стрелками показываются информационные связи, по которым идет обмен дискретными сигналами, а одинарными – связи, по которым происходит обмен аналоговыми сигналами.

Достоинством этих структур является их наглядность, позволяющая отождествить каждый материальный объект, входящий в ИИС, с его функциональным назначением в информационном обмене.

Возможны различные виды выполнения информационных связей между компонентами ИИС. Наибольшее распространение получили каскадные (цепочные, кольцевые), радиальные и магистральные структуры (рис. 1.7), а также их комбинации.

Рис. 1.7. Типовые структуры ИИС: а) каскадные, б) радиальные, в) магистральные; ЦВМ – центральная вычислительная машина (устройство управления); 1, 2, 3 – компоненты ИИС Каскадные (цепочные) структуры – это системы с децентрализованным управлением. Здесь сигнал состояния предшествующего модуля является управляющим для последующего. Структура имеет жесткий характер, однако может быть перепрограммирована в процессе работы. Такие структуры просты для исполнения и с их помощью достигаются наилучшие временные характеристики измерительного эксперимента.

Радиальная структура имеет централизованное управление. Обмен сигналами между компонентами ИИС осуществляется через ЦВМ, которая может изменять режимы работы модулей, изменять конфигурацию и параметры измерительного тракта, производить необходимую обработку данных. Сигналы подаются к каждому модулю по индивидуальным шинам. Структура имеет ограничения по наращиванию числа модулей, определяемые возможностями ЦВМ.

Магистральная структура имеет централизованное управление, каждый сигнал передается по общей для всех модулей шине – магистрали.

Адресная информация показывает, к какому блоку относятся передаваемые данные. Такая структура позволяет наращивать число блоков в системе и программным путем менять структуру измерительного тракта.

Структурная схема прибора является отображением его принципиальной схемы и дает представление о видах и порядке физических преобразований, осуществляемых данным прибором в процессе измерения.

Каждый вид преобразования условно изображается на структурной схеме отдельным звеном, являющимся элементарным преобразователем физических величин. При использовании метода косвенных измерений преобразование, отвечающее данному методу, отображается на структурной схеме в виде специального звена.

Звенья могут соединяться между собой одним из трех типовых способов: последовательно (рис. 1.8, а) параллельно (рис. 1.8, б) и встречнопараллельно (рис. 1.8, в).

Рис. 1.8. Типовые соединения звеньев: а) последовательное;

б) параллельное; в) встречно-параллельное; 1, 2,... n – звенья Для встречно-параллельного соединения (рис. 1.8, в) звено 2, расположенное во встречной цепи, называют обратным преобразователем. Выходной сигнал X2 обратного преобразователя может суммироваться с входным сигналом Х с тем же знаком (положительная обратная связь) или с обратным знаком (отрицательная обратная связь).

Схемы, в которых звенья соединены последовательно или параллельно, являются разомкнутыми; схема со встречно-параллельным соединением является замкнутой. В общем случае структурная схема прибора может содержать различные виды соединений звеньев и быть замкнутой не полностью, а на отдельных участках.

Примером прибора с последовательным преобразованием сигналов служит термоэлектрический термометр (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Структурная схема термоэлектрического термометра Структурная схема содержит четыре последовательно соединенных звена: 1 – термопара (преобразует температуру в термоЭДС е); 2 – электрическая цепь (преобразует термоЭДС е в силу тока I); 3 – магнитоэлектрический измерительный механизм (преобразует силу тока I во вращающий момент М); 4 – упругая подвижная система (преобразует момент М в угловое перемещение, являющееся выходным сигналом прибора).

Другим примером прибора, построенного по методу последовательного преобразования, является барометрический высотомер (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Структурная схема барометрического высотомера В структурной схеме высотомера перед чувствительным элементом включено условное звено 1, отображающее преобразование высоты H в давление P1 в соответствии с уравнениями, лежащими в основе метода косвенного измерения высоты.

Чувствительным элементом 2 служит анероидная коробка, преобразующая давление P1 в линейное перемещение s, которое преобразуется в угловое перемещение с помощью кривошипной передачи (звено 3), связанной с указателем. Угол служит выходным сигналом прибора.

Структурная схема прибора, построенного по компенсационному методу, приведена на рис. 1.11, которая является замкнутой на участке между выходом чувствительного элемента У1 и выходом прибора У.

Рис. 1.11. Структурная схема компенсационного прибора Замыкание схемы осуществляется на входе звена 2 с помощью отрицательной обратной связи (выходной сигнал У0 обратного преобразователя подается на вход звена 2 с обратным знаком). На схеме рис. 1.11 звено 1 отображает чувствительный элемент; звено 2 – нуль-орган; звено 3 – интегрирующий элемент; звено 4 – обратный преобразователь. Нуль-орган вырабатывает сигнал У2, пропорциональный разности (У1 – У0), а интегрирующий элемент 3 осуществляет интегрирование У2 и наращивает выходной сигнал У, а вместе с ним (через обратный преобразователь) и сигнал обратной связи У0 до тех пор, пока разность (У1 – У0) не станет равной нулю; при этом система приходит в состояние равновесия.

Схема метода последовательного преобразования проще. С помощью же компенсационного метода может быть получена более высокая точность, так как в условие равновесия практически не входят параметры всех остальных преобразующих элементов, кроме чувствительного элемента и обратного преобразователя. Приборы с погрешностями, превышающими 1% от диапазона измерения, строят по методу последовательного преобразования, менее 0,1% – по компенсационному методу, при погрешностях от 0,1 до 1% используют как тот, так и другой методы.

Как уже указывалось, проектирование системы может быть расчленено на несколько функциональных уровней. Высший уровень проектирования состоит из структурных схем. Это может быть уровень подсистем, в случае больших систем, или уровень модулей для не очень больших систем. Последующие уровни проектирования аппаратуры содержат все более детальное разбиение. Разбиение продолжается до тех пор, пока не будет достигнут уровень таблиц или монтажных схем.

Так, следующим уровнем после структурной схемы является функциональная схема, где часть блоков структуры раскрыта до уровня принципиальной схемы. Принципиальная электрическая схема содержит в себе условные обозначения всех элементов и их электрические соединения.

В наиболее общем виде задачу синтеза навигационной системы сводят к нахождению структурной схемы и определению ее параметров, обеспечивающих оптимальные (т. е. удовлетворяющих определенному критерию оптимальности) свойства проектируемого устройства. Точное решение задачи синтеза в ряде случаев приводит к сложным и трудно реализуемым структурным схемам. Поэтому синтез основывается на приближенных методах решения задачи, позволяющих получить структуры навигационных систем близкие к оптимальным, но вполне реализуемые на практике.

При синтезе большое значение имеют критерии оптимальности, которые выбираются исходя из выполняемых навигационным устройством функций и условий его работы. В соответствии с этим различают следующие типы оптимальных систем:

1) равномерно-оптимальные системы, наилучшим образом выполняющие свои функции лишь в конкретных и заранее предусмотренных условиях;

2) минимально-оптимальные, проявляющие наилучшие по сравнению с другими системами качества лишь в наихудших (экстремальных) условиях работы;

3) статистически-оптимальные системы, выполняющие наилучшим образом свои функции для средних условий работы, носящих случайный характер.

Условия работы навигационных устройств весьма разнообразны и случайны. Поэтому при проектировании таких устройств следует ориентироваться, кроме особых случаев, на статистически-оптимальные системы. При этом наибольшее применение получил критерий минимума среднеквадратической выходной погрешности X:

На базе этого критерия разработаны достаточно простые и решаемые до конца методы статистического синтеза.

Существуют две постановки задачи синтеза:

1) структура системы задана и требуется найти оптимальные значения 2) структура системы неизвестна и требуется определить ее структурную схему и значения параметров.

При синтезе навигационных устройств нашли применение методы, использованные при разработке оптимальных систем автоматического управления.

В сложных навигационных устройствах применяют различные операционные фильтры связи, позволяющие улучшить динамические и информационные свойства систем. Передаточные функции фильтров связи, удовлетворяющие определенным критериям качества систем, могут быть громоздкими и неудобными для технической реализации.

Их можно значительно упростить, если использовать основные структуры самих навигационных устройств. Каждое навигационное устройство имеет собственную основную структуру, включающую различные усилительные, дифференцирующие, интегрирующие и другие звенья, необходимые для преобразования измеряемой величины в выходной сигнал.

Схему фильтра связи целесообразнее выполнять комбинированной, чтобы в ее состав вошло максимальное число звеньев из собственной структуры навигационных устройств и некоторое минимальное число дополнительных звеньев с простейшей структурой. При построении схем таких комбинированных фильтров необходимо, чтобы дополнительные связи и звенья не нарушали функциональных свойств навигационного устройства.

Использование информационных резервов Дополнительная информация о навигационном процессе может быть получена не только за счет традиционного увеличения количества датчиков первичной информации и соответствующего усложнения комплекса навигационного оборудования, но и путем использования скрытых резервов информации. Резервы информации могут быть:

1) в полезном входном сигнале;

2) в помехах, сопровождающих полезный сигнал;

3) в цепях преобразования и обработки полезных сигналов;

4) в цепях коррекции погрешностей;

5) в системах отображения выходной информации;

6) в рассогласованиях между показаниями приборов, измеряющих один и тот же параметр.

Способы выявления и использования резервов информации зависят от вида навигационного устройства и особенностей его схемы.

Полезный входной сигнал может иметь сложную структуру (спектры амплитуд, частот, фаз, скоростей распространения), компоненты которой являются определенными функциями навигационных параметров объекта.

Однако многие навигационные устройства используют только часть полезной информации, содержащейся во входном сигнале.

Среди многочисленных примеров такого рода устройств можно указать на астрономические и радиокомпасы, которые определяют только направление распространения сигнала от небесного светила или радиомаяка.

При этом не используются измерения доплеровских смещений частоты сигналов для определения относительной скорости и изменений уровня сигнала для определения расстояний до их источников.

Основной смысл использования резервов информации в полезном входном сигнале заключается в том, чтобы определить компоненты сигнала, содержащие дополнительную навигационную информацию, и применить в схеме навигационного устройства вспомогательные фильтры, позволяющие выделить эту информацию и представить ее в виде исходных сигналов. На первый взгляд помехи являются всегда вредными сигналами. Однако в ряде случаев помеха, поступающая вместе с полезным сигналом, может содержать полезную информацию об изменении внешних условий, о работе источников помех (естественных и искусственных), о появлении новых источников навигационной информации.

Поэтому обнаружение сигнала помехи и выявление его информационного содержания может быть использовано для ограничения вредного воздействия самих помех, для перехода на другие режимы измерения и перестройки контуров навигационного устройства, для включения других измерительных устройств, использующих сигналы помехи в качестве полезного сигнала. Полезный сигнал, проходя от чувствительного элемента до указателя выходной информации, претерпевает различные преобразования и изменения. Использование сигналов, проходящих через различные цепи измерительной схемы, особенно содержащие дифференцирующие и интегрирующие ячейки, дает возможность получить на выходе данные не только об основном параметре, но и об его производных или интегралах во времени, а также другие функциональные зависимости, необходимые для навигации.

С этой точки зрения особый интерес представляют сигналы, проходящие через цепи электродвигателей следящих систем, а также токи в динамических фильтрах и другие сигналы. Среди многочисленных примеров такого рода можно указать на барометрический высотомер, у которого электрический ток в электродвигателе следящей системы используется для получения данных о вертикальной скорости.

В цепях коррекции проходят сигналы, характеризующие различные виды погрешностей. Обработка этих сигналов позволяет установить их основные статистические характеристики и обеспечить более эффективную коррекцию погрешностей. Эти сигналы могут быть использованы для самонастройки навигационного устройства с целью увеличения точности и надежности измерений в сложных нестационарных условиях работы.

Системы отображения обладают определенной информационной производительностью, увеличение которой может быть осуществлено за счет наглядности представления измеряемых процессов, более полного учета свойств оператора. Рассогласования в показаниях приборов, измеряющих один и тот же параметр различными методами, содержит полезную для навигации информацию. В частности, такие рассогласования позволяют выявить неисправности или отказы отдельных приборов, обнаружить появление значительных методических погрешностей, обеспечить совместную обработку сигналов совокупности датчиков.

В результате синтеза сложных измерительных схем получают в основном только значения оптимальных параметров их передаточных функций. Чтобы перейти от структурных схем к физическим (механическим, электрическим) схемам, включающим измерительные и преобразующие элементы, требуется определить многие неизвестные параметры.

Предположим, что один из найденных параметров характеризует передаточное отношение какой-либо измерительной цепи, которая, в свою очередь, состоит из m последовательно включенных звеньев, так что Некоторые передаточные отношения звеньев kij могут быть заданы, так как элементы конструкции выбираются с известными характеристиками (например, стандартные электродвигатели, сельсины, усилители).

Другие передаточные отношения kij могут быть подобраны на основании следующих требований.

1. Обеспечения заданной чувствительности здесь Xmin и Уmin – минимальные допустимые входные и выходные сигналы, которые может воспринять и преобразовать звено kij.

Условие (1.5) должно выполняться для каждого последовательно включенного звена.

2. Обеспечение необходимой кратности усиления сигнала здесь Уmax – максимальное значение сигнала на выходе звена.

Значение kкр должно соответствовать заданному диапазону измерения сигнала, проходящего через последовательно включенные звенья.

3. Обеспечения диапазона скорости изменения сигнала выходного сигнала.

4. Обеспечения диапазона изменения ускорения сигнала 5. Согласования значения и физической природы сигналов, передаваемых от одного звена к другому здесь Уj (j = 1, 2,..., m-1) – выходные сигналы 1, 2,..., m-1 звеньев;

Хk (k = 2, 3,..., m) – входные сигналы 2, 3,..., m звеньев.

Если последовательно соединенные звенья основаны на одинаковой физической природе и используют одни и те же виды сигналов, то согласование носит только количественный характер (1.9). В случае различной физической природы звеньев и разнородности сигналов для согласования используются преобразователи, например, механических величин в электрические или одного вида электрических сигналов в другие.

6. Обеспечение заданной стабильности передаточных отношений здесь kij – значение приращения передаточного отношения kij, вызванного внешними и внутренними условиями работы;

k0ij – идеальное значение передаточного отношения.

Поскольку kij (j = 1, 2,..., m) являются случайными и, как правило, некоррелированными величинами, их допустимые значения можно найти из следующих соотношений:

здесь ki и kij – средние квадратические значения случайных величин ki и kij соответственно.

Значение ki может быть задано. Тогда, основываясь на принципе равнопрочности (kij/k0ij одинаковые для всех звеньев), получим значение допустимой стабильности для передаточного отношения j-го звена:

Стабильность может быть обеспечена за счет подбора материалов, из которых изготовлены элементы конструкции звеньев, и применения специальных компенсаторов.

7. Обеспечения необходимой механической и электрической прочности элементов конструкций, а также достижения заданного уровня их надежности и живучести.

После того как определены параметры измерительных схем и цепей, производят расчет конструктивных параметров элементов и конструкции навигационного устройства в целом.

При этом определяют:

1) статические и динамические характеристики;

2) прочность и деформативность элементов конструкции;

3) параметры электрических и магнитных полей;

4) инструментальные погрешности и способы их уменьшения;

5) элементы настройки, ввода начальных данных и устройства регулировки;

6) параметры устройств ввода и вывода полезных сигналов и элементов питания.

Методика расчетов зависит от принципа действия навигационного устройства и особенностей его технической реализации. При разработке конструкций учитываются опыт создания аналогичных приборов, а также экспериментальные исследования по подбору оптимальных конструктивных материалов и разработке схем конструкций. При проектировании используются соответствующие стандарты, технические условия и правила, регламентирующие содержание разработки конструкций.

В микропроцессорных навигационных устройствах обработка информации имеет алгоритмический, упорядоченный характер, по этой причине при ее описании широко применяются алгоритмические языки.

Алгоритмический язык должен удовлетворять следующим требованиям: обеспечить возможность полного описания любых процедур; описание функционирования и структуры устройства; простоту анализа навигационного устройства; иметь систему формальных правил, обеспечивающих решение задач проектирования.

Перечисленным требованиям удовлетворяет язык операторных схем алгоритмов, который имеет три формы записи: графическую (граф-схемы алгоритмов), строчную (логические схемы алгоритмов), матричную (матричные схемы алгоритмов).

Граф-схемы алгоритмов. Существуют кодированные и функциональные граф-схемы. Основными символами, используемыми при записи кодированных граф-схем алгоритмов (ГСА), являются операторы Ai, логические условия Pi и стрелки (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Элементы кодирования граф-схем алгоритмов: а) оператор начала алгоритма; б) оператор конца алгоритма; в) оператор действия; г) логические условия; д) условие перехода от оператора А или к оператору А Оператор А0, рассматривается как «пустой» оператор, символизирующий начало работы алгоритма, а оператор Ak – конец алгоритма. Остальные операторы Ai (i = 1, 2,..., n) обозначают определенные действия по реализации алгоритма. В операторы Ai (i 0) могут входить несколько Aj и Pj стрелок, но выходит всегда только одна стрелка.

Особенность изображения логического условия состоит в том, что оно может иметь несколько входящих стрелок и только две выходящие, помеченные словами «нет» и «да». Условия перехода оператора А используются в случае продолжения граф-схемы на этой или другой странице.

На рис. 1.13 приведен пример граф-схемы, содержащей логические условия, в том числе условия, обеспечивающие циклическую реализацию алгоритмов.

Рис. 1.13. Граф-схема алгоритма, содержащая логические условия и цикл Последовательность выполнения операторов в алгоритме зависит от значений логических условий, а в случае изменения логических условий – от последовательности их наборов. Для определения последовательности выполнения операторов при чтении и анализе ГСА, содержащей цикл, необходимо знать число повторений оператора или группы операторов в цикле. Пусть на рис. 1.13 логическое условие имеет вид В данном случае вместо P2 в ромб вписывают условие = n. Возможны два варианта реализации алгоритма: при P1 = 1 имеем последовательность операторов A0A1A2Ak; при P1 = 0, P2 = 0 имеем циклическую последовательность A0A1A3A1A3...(A1A3)... Из этой последовательности возможны два выхода: A2Ak, если на каком-то шаге условие P1 стало равным 1 и...A3Ak, если выполнено предельное число циклов n (P2 = 1).

Граф-схемы широко применяются в практике проектирования и описания алгоритмов, программ и микропрограмм благодаря наглядности, простоте преобразований и анализа. Наряду с кодированными часто применяют функциональные ГСА, в которых операторы указывают не арифметические, а логические условия – на логические операции над входными величинами.

Логические схемы алгоритмов. Основным достоинством логических схем алгоритмов (ЛСА) является возможность записи алгоритма в строчку, что позволяет исключить процесс вычерчивания различных фигур.

Основными элементами ЛСА являются операторы и логические условия.

Для указания взаимосвязи между ними используются левая и правая полускобки с индексами, в необходимых случаях вводится символ «0» – тождественно ложное условие (КОНСТАНТА нуль). Функции полускобок аналогичны функциям стрелок в ГСА: левая полускобка с индексом – начало стрелки, правая полускобка с тем же индексом – конец стрелки.

Матричные схемы алгоритмов. Наряду с ГСА и ЛСА используется матричная форма записи алгоритмов (МСА):

Здесь ij – логические условия; равенство ij = 1 означает, что после оператора Ai должен выполняться оператор Aj.

В качестве примера на рис. 1.14 приведена граф-схема алгоритма вычисления высоты и азимута светила (по методике, изложенной в работе [22], уравнения 2.5–2.8, таблица 2.1). Операторы начала и конца алгоритма опущены.

Рис. 1.14. Граф-схема алгоритма вычисления высоты и азимута светила Разработка программного обеспечения навигационной системы производится по функционально-модульному принципу, рассмотренному в данной главе в разделе «Проектирование программного обеспечения».

Приведем листинг программы для работы с ЭВМ измерительно-вычислительного комплекса нижнего уровня через интерфейс RS-232, подготовленной в среде программирования Турбо Паскаль.

k, n, w:integer;

dat:array [1..16] of byte;

a:array [1..8] of integer;

d:array [1..8] of real;

z:array [1..8] of char;

Procedure Inp_N;

write('Введите количество датчиков [1..7] k = ');

Procedure InZ;

var i, j:integer;

port[$2fB]:=$80;

port[$2f9]:=$00;

port[$2f8]:=$0C;

port[$2fB]:=$03;

port[$2f9]:=$00;

Procedure Zap;

var s:byte;

s:=port[$2f8];

port[$2f8]:=$00;

Function Input_Port : byte;

var Status : byte; Inp_D : byte;

begin Status := port[$2fd];

until Status = 1;

Inp_D := port[$2f8];

Input_Port := Inp_D;

end;

Procedure Inp_Arr;

var i:integer;

begin end;

Procedure Ras1;

var t, i:integer;

d2, zn:array [1..8] of real;

begin while (in+1) do d2[t]:=((dat[i] shr 5) and 3)*256;

while (in+2) do d[t]:=((dat[i]+d2[t])-1)/100;

If zn[t]=1 then d[t]:=0-d[t];

end;

Procedure Ras2;

var t, i:integer;

d2, zn:array [1..8] of real;

begin while (in+2) do t:=1; i:=1;

while (in+1) do d[t]:=((dat[i]+d2[t])-1)/100;

if zn[t]=1 then d[t]:=0-d[t];

end;

Procedure Preob;

var t1:real;

begin t1:=(dat[1] shr 0) and 7;

if t1=1 then Ras else Ras2;

end;

Procedure Ind;

var i, j:integer;

begin write(d[i]:7:2);

writeln;

for i:=1 to 1100 do end;

Procedure Prod;

write('Продолжить работу? (1 - Да)');

Процедура InZ осуществляет инициализацию порта СОМ2; процедура Zap посылает в СОМ2 байт 00 для запуска измерительно-вычислительного комплекса нижнего уровня; с помощью функции Input_Port считывается байт данных из СОМ2; процедура Inp_Arr формирует массив данных, полученных с помощью функции Input_Port.

Глава 2. Радиомаячные системы посадки самолетов Радиомаячной системой инструментальной посадки самолетов называют комплекс наземного и бортового оборудования, обеспечивающий пилота информацией, необходимой для управления самолетом на этапе посадки. Различают системы I, II, III категорий.

Система I категории обеспечивает управление самолетом при заходе на посадку до высоты 60 м над поверхностью Земли при видимости на взлетно-посадочной полосе (ВПП) не менее 800 м.

Система II категории предназначена для управления самолетом при заходе на посадку до высоты 30 м при видимости на ВПП не менее 400 м.

Цифры 60 и 30 м определяют высоту принятия решения, до достижения которой пилот самолета, заходящего на посадку, должен установить уверенный визуальный контакт со светотехническими средствами аэродрома и принять решение: продолжать снижение для завершения посадки, или уйти на второй круг.

Система III категории должна обеспечить посадку с приземлением при значительном ограничении или отсутствии видимости Земли.

Регламентированы три группы этой категории: системы посадки группы А должны обеспечить посадку при видимости на ВПП 200 м;

группы В – 50 м; группы С – при полном отсутствии видимости.

Основное оборудование для захода самолетов на посадку выдает информацию: о траектории посадки в горизонтальной плоскости, т. е. о расположении курсовой линии – канал курса; о траектории посадки в вертикальной плоскости, т. е. о расположении глиссады – канал глиссады;

о расстоянии до начала ВПП при пролете фиксированных точек на оси ВПП – маркерный канал. Наземная аппаратура состоит из курсового (КРМ), глиссадного (ГРМ) и маркерного (МРМ) радиомаяков, комплекса контрольно-поверочных приборов, имитаторов и вспомогательного оборудования. Самолетная аппаратура состоит из приемных устройств, выдающих информацию на индикаторы или на вычислительные устройства при автоматизации посадки самолетов.

На рис. 2.1 показано размещение объектов системы СП-50 относительно ВПП. Антенную систему курсового радиомаяка устанавливают на продолжении оси ВПП на расстоянии 4001100 м от конца ВПП (если смотреть со стороны посадки). Аппаратура радиомаяка должна быть отрегулирована таким образом, чтобы линия курса находилась в вертикальной плоскости, содержащей ось ВПП.

Глиссадный радиомаяк устанавливают на расстоянии 230320 м от начала ВПП и сдвигают на 150 м от оси ВПП в сторону, противоположную рулежным дорожкам.

Расстояние от ГРМ до начала ВПП выбирают таким, чтобы спрямленная часть глиссады, проходила над началом ВПП на высоте, обеспечивающей безопасный заход самолета на посадку и успешную посадку с учетом препятствий в районе ВПП.

Рис. 2.1. Размещение объектов радиомаячной системы относительно ВПП Местонахождение глиссадного радиомаяка относительно ВПП определяется опорной точкой курсо-глиссадной системы и углом глиссады.

Опорной точкой курсо-глиссадной системы называют точку, которая расположена вертикально над пересечением оси и торца ВПП и через которую проходит спрямленная часть глиссады. Высота опорной точки должна быть возможно ближе к оптимальной, равной 15 м, с допуском для системы I категории 3 м.

В системе СП-50М используют два маркерных маяка. Первый из них, называемый ближним радиомаркером (БРМ), устанавливают на оси ВПП на расстоянии 1000 м от начала ВПП по направлению захода на посадку.

Второй – дальний радиомаркер (ДРМ) – устанавливают также на продолжении оси ВПП на расстоянии 4000 м от начала ВПП.

В системах ILS (Instrument Landing System – инструментальные системы приземления) используются три маркерных радиомаяка (МРМ), которые называются внешним, средним и внутренним (или ближним).

Внешний МРМ устанавливается на расстоянии 7400 м от порога ВПП, а его сигналы модулируются с частотой 400 Гц и манипулируются непрерывной последовательностью тире (2 тире/с).

Средний МРМ размещается на расстоянии 1050 м от начала ВПП, его сигналы модулируются с частотой 1300 Гц и манипулируются последовательностью чередующихся точек и тире (6 точек/с и 2 тире/с).

Внутренний МРМ устанавливается на удалении 75450 м от порога ВПП, в нем используется частота модуляции 3000 Гц и манипуляция в виде последовательности точек (6 точек/с).

Аппаратура глиссадных, курсовых и маркерных радиомаяков имеет 100% горячий резерв. Не резервируют только антенно-фидерные системы и элементы дистанционного управления.

Включение, выключение радиомаяка и выбор рабочего комплекта аппаратуры осуществляют дистанционно с командно-диспетчерского пункта аэродрома. Курсовой радиомаяк может работать на одном из шести фиксированных частотных каналов, глиссадный – на одном из трех каналов.

Если на аэродроме оборудовано несколько направлений посадки, то на каждом направлении устанавливается указанный комплект оборудования посадочной полосы. В нашей стране применяются системы посадки СП-50М, СП-68, СП-70, СП-75. Система СП-50М принадлежит к I категории, СП-68 – ко второй, СП-75 – либо к I, либо к II, а система СП-70 по своим потенциальным возможностям – к III категории.

Маркерный канал Маркерный канал работает на частоте 75 МГц. Антенна маркерного радиомаяка имеет диаграмму в виде направленной вверх воронки и излучает высокочастотные колебания, которые модулируются напряжением с частотой 400, 1300 или 3000 Гц и манипулируются последовательностью точек или тире, либо комбинацией точка-тире.

Частота модуляции и код манипуляции выбираются в зависимости от места установки маркерного радиомаяка (дальний, средний, ближний).

Маркерный радиоприемник МРП-3П предназначен для совместной работы с маркерными радиомаяками систем СП-50М и ILS, имеет три канала. Выходные цепи приемника обеспечивают получение световой и звуковой сигнализации и селекцию модулирующих частот маркерного радиомаяка. Функциональная схема маркерного приемника МРП-3П приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Функциональная схема маркерного приемника МРП-3П: 1 – смеситель;

2 – гетеродин; 3 – усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 4 – детектор;

5 – автоматическая регулировка усиления (АРУ); 6 – усилители низкой частоты; 7 – телефон; 8 – фильтры; 9 – спусковые схемы; 10 – схемы выключения звонка; 11 – звонок; 12 – сигнальные лампы Приемник собран по супергетеродинной схеме. Для предупреждения перегрузки УПЧ охвачен системой АРУ. Продетектированные сигналы усиливаются и поступают на телефонный канал, предназначенный для опознавания маяков по коду манипуляции, а также на три фильтра низкой частоты, обеспечивающие разделение каналов приемника. Спусковые схемы, включенные на выходах фильтров, срабатывают от прошедшего через фильтр сигнала и включают световую и звуковую сигнализацию в момент пролета самолета над маркерным радиомаяком.

Канал курса Канал курса работает на частоте около 110 МГц. Курсовой радиомаяк относят к категории радиомаяков с «опорным напряжением», принцип действия которых основан на методе минимума глубины амплитудной модуляции. Антенная система маяка одновременно формирует в пространстве две диаграммы направленности. Одна диаграмма [fц(), рис. 2.3] создается на несущей частоте, промодулированной по амплитуде колебаниями поднесущей частоты 10 кГц. Поднесущая, в свою очередь, имеет частотную модуляцию низкочастотным напряжением частоты 60 Гц (сигнал постоянной фазы).

Другая диаграмма создается на боковых частотах спектра высокочастотного колебания, балансно-модулированного напряжением с частотой 60 Гц, и имеет в горизонтальной плоскости два главных лепестка с нулевым излучением вдоль линии курса и сдвигом фазы поля в одном лепестке на 180O относительно фазы в другом [fб(), рис. 2.3].

Рис. 2.3. Диаграммы направленности антенн курсового радиомаяка с «опорным напряжением» (в горизонтальной плоскости) Сравнение амплитуд и фаз сигналов постоянной фазы и переменной фазы на частоте 60 Гц обеспечивает указание стороны и значения отклонения от линии курса на борту самолета.

Диаграммы напряжений сигналов в канале курса представлены на рис. 2.4. Положение линии курса совпадает с направлением минимума диаграммы направленности боковых облучателей fб(). На входе приемника (при сложении полей центрального и боковых облучателей) образуются амплитудно-модулированные колебания, глубина модуляции которых зависит от значения бокового отклонения точки приема от линии курса, а фаза огибающей – от знака этого отклонения.

В результате детектирования амплитудно-модулированных колебаний в приемном устройстве выделяется сигнал переменной фазы, представляющий собой колебания с частотой 60 Гц, амплитуда и фаза которых зависит от значения и направления указанного углового отклонения.

Сигнал переменной фазы после усиления подают на фазовый детектор, нагруженный на стрелочный индикатор положения линии курса относительно точки приема. Опорным сигналом при фазовом детектировании служит сигнал постоянной фазы.

Рис. 2.4. Диаграммы напряжений сигналов в канале курса: 1 – сигналы, излучаемые боковыми лепестками диаграммы направленности; 2 – сигнал, излучаемый центральным лепестком; 3 – суммарный сигнал на входе самолетного приемника при различных направлениях захода на посадку; 4 – продетектированный сигнал на выходе самолетного приемника (сигнал переменной фазы);

5 – опорный сигнал (сигнал постоянной фазы); 6 – выходное напряжение фазового детектора самолетного приемника; 7 – показания индикатора положения Курсовой радиомаяк КРМ-2М имеет следующие основные параметры:

– зона действия в горизонтальной плоскости 15;

– максимальная дальность действия в секторе 8 – 45 км;

– модуляция несущей – поднесущая частота 100,1 кГц, глубина амплитудной модуляции поднесущей 305%, девиация поднесущей 1100100 Гц, частота балансной модуляции 602 Гц;

– максимально допустимый сдвиг между сигналами постоянной и переменной фазы в границах сектора курса 10 град.

На рис. 2.5 представлена упрощенная функциональная схема курсового приемника КРП-100П (а также навигационного устройства УН-1П).

Рис. 2.5. Упрощенная функциональная схема курсового приемника КРП-100П и навигационного устройства УН-1П: 1 – высокочастотная часть и детектор;

2, 3 – фильтры (60 Гц, 10 кГц); 4 – усилитель; 5 – фазовый детектор; 6 – ограничитель; 7 – частотный детектор (выделяет сигнал постоянной фазы) Курсовой приемник КРП-100П предназначен для приема сигналов курсовых радиомаяков систем СП-50М и ILS, а также для приема сигналов радиомаяка типа VOR. Приемник имеет 100 частотных каналов и собран по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты.

Управление приемником дистанционное.

Навигационное устройство УН-1П предназначено для преобразования сигналов, поступающих с курсового приемника КРП-100П и содержащих информацию о положении самолета относительно ВПП или радиомаяка VOR, в напряжение переменного тока частоты 30 Гц, используемое в индикаторе азимута ИКУ-1, или в постоянное напряжение, подаваемое на индикаторы системы посадки и на директорные системы захода на посадку. Навигационное устройство может работать в трех режимах: посадка по системе СП-50М; посадка по системе ILS; навигация по всенаправленному маяку VOR. В режиме ILS сигнал с КРП-100П представляет собой сумму сигналов с частотами 90 и 150 Гц. Эти сигналы обрабатывают так же, как соответствующие сигналы глиссадного радиомаяка.

Канал глиссады Канал глиссады работает в диапазоне частот порядка 300 МГц. В системе СП-50М применяется глиссадный радиомаяк, в котором формируются балансно-модулированные сигналы. Верхняя антенна ГРМ (рис. 2.6) питается током Jв = Jmв sin '2 t, а нижняя – током с амплитудой Jн = Jmн sin '1 t, где частоты модуляции F'1 = 75 Гц, F'2 = 45 Гц.

Рис. 2.6. Диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости и сигналов глиссадного равносигнального радиомаяка Глиссада находится на линии пересечения диаграмм направленности верхней и нижней антенн в вертикальной плоскости.

Этой линии соответствует условие здесь Emв, Emнf() – напряженности полей верхней и нижней антенн.

Когда самолет попадает в пределы зоны действия ГРМ, на нагрузке детектора приемного устройства возникают колебания с частотами 2F'1 = F1 = 150 Гц и 2F'2 = F2 = 90 Гц. Амплитуды колебаний с частотами 150 и 90 Гц на нагрузке детектора соответственно будут здесь а – коэффициент, зависящий от параметров приемного устройства.

Для глиссадных маяков, излучающих балансно-модулированные колебания, разность глубин модуляции (РГМ) вычисляется по сигналам на выходе фильтров приемника согласно выражению:

На глиссаде РГМ = 0. Отклонение стрелки индикатора глиссады на самолете пропорционально РГМ. Для глиссадных радиомаяков системы СП-50М частота балансно-модулированных колебаний, питающих верхнюю антенну, равна 45 Гц, а нижнюю антенну – 75 Гц. Перекрытие диаграмм направленностей антенн обеспечивает получение линии глиссады.

Выше глиссады преобладает сигнал нижней антенны, а ниже – верхней.

Глиссадный радиомаяк имеет следующие основные параметры:

– зона действия а) в горизонтальной плоскости (сектор относительно линии курсора) б) в вертикальной плоскости ограничивается углами относительно линии горизонта – выше глиссады не менее 1,75 0, ниже глиссады не менее 0,3 0, где 0 – угол наклона линии глиссады;

– минимальная дальность действия в направлении захода на посадку 18 км;

– пределы установки угла глиссады 0 органами регулировки 24;

– максимальное суммарное отклонение угла наклона линии глиссады из-за влияния дестабилизирующих факторов 0,075 0;

– максимальная относительная нестабильность частот модуляции 3,2%.

Глиссадный приемник ГРП-20П собран по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты, обеспечивает дистанционный выбор любого из 20 частотных каналов. Функциональная схема приемника приведена на рис. 2.7. Преселектор приемника имеет полосу пропускания 7,5 МГц, достаточную для приема сигналов любого из 20 каналов. Избирательность приемника обеспечивает фильтр сосредоточенной селекции в канале второй промежуточной частоты, имеющий полосу пропускания около 160 кГц.

Детектор приемника снабжает постоянным напряжением систему автоматической регулировки усиления (АРУ), обеспечивающую нормальную работу приемника при изменении выходного сигнала от 75 до 105 мкВ, и переменными напряжениями с частотами 90 и 150 Гц – усилитель низкой частоты. Сигналы с фильтров выпрямляют и подают на индикаторы положения самолета относительно глиссады. При отсутствии напряжений на выходе выпрямителей блок сигнала отказа выдает напряжение на бленкер, установленный на шкале прибора.

Рис. 2.7. Функциональная схема глиссадного приемника ГРП-20П:

1 – преселектор; 2 – смесители; 3 – усилители промежуточных частот;

4 – гетеродин; 5 – механизм перестройки; 6 и 7 – удвоитель и утроитель частоты; 8 - задающий генератор; 9 – фильтр сосредоточенной селекции;

10 – детектор; 11 – усилитель низкой частоты; 12 – автоматическая регулировка усиления; 13 – фильтры частот 90 и 150 Гц; 14 – выпрямители;

15 – каскад сигнала отказа; 16 – к комбинированному посадочному прибору Недостатки систем посадки метрового диапазона Используемые в настоящее время системы посадки метрового диапазона волн (МВ) обладают некоторыми недостатками и ограничениями:

1) несоответствие возможностей этих систем летно-техническим характеристикам перспективных летательных аппаратов, поскольку они задают единственную прямолинейную посадочную траекторию, фиксированную относительно земной поверхности;

2) малые размеры сектора, в пределах которого обеспечивается пропорциональная зависимость информационного сигнала от смещения самолета относительно посадочной траектории, что уменьшает возможности предпосадочного маневрирования и ограничивает пропускную способность аэропорта;

3) большие габаритные размеры антенных систем;

4) значительное влияние земной поверхности на качество работы;

5) высокая стоимость строительно-монтажных работ и эксплуатации;

6) малое число частотных каналов.

Эти недостатки являются препятствием к расширению использования систем посадки диапазона метровых волн, в частности на летательных аппаратах местных воздушных линий.

Основные тенденции развития посадочных систем учитывают:

1) стремление к созданию единой системы посадки для авиации всех стран, ведомств и типов ЛА;

2) потребность для ряда новых ЛА сложных, криволинейных траекторий захода на посадку с целью повышения пропускной способности аэропорта и снижения уровня шума от ЛА;

3) необходимость обеспечения высокой точности, надежности и независимости работы от внешних условий (рельефа местности и сооружений на ней, метеоусловий).

В настоящее время осуществляется переход на более направленное излучение сигналов, повышение стабильности параметров систем, увеличение надежности, стремление удовлетворить требованиям мобильных систем и гибкости задаваемых траекторий посадки.

Радиомаячные системы посадки сантиметрового диапазона Радиомаячные системы посадки сантиметрового диапазона предназначены для получения на борту ЛА информации об углах отклонения летательного аппарата от заданной траектории посадки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, дальности до расчетного места приземления, метеоусловиях, состоянии ВПП, категории метеоминимума обслуживания. Основной принципиальный вопрос при выборе путей развития систем посадки – обоснование частотного диапазона.

Для полного удовлетворения перспективных требований был выбран диапазон 5 ГГц (длины волн 6 см). В этом диапазоне можно обеспечить заданную дальность действия (около 50 км) в любых метеорологических условиях и получение точной информации на всех этапах посадки, включая выравнивание до полного приземления. Такие системы получили наименование микроволновых систем посадки MLS (Microwave Landing System). В состав MLS входит наземное и бортовое оборудование.

Наземное оборудование предназначено для создания зон, в пределах которых информативные параметры принимаемых сигналов зависят от углового положения точки приема в горизонтальной или вертикальной плоскостях, а также для определения расстояния до точки приземления.

Комплект наземного оборудования MLS (рис. 2.8) состоит из угломерной и дальномерной подсистем. Угломерная подсистема состоит из четырех угломерных каналов (два для измерения углов в азимутальной плоскости и два в угломестной).

Рис. 2.8. Схема размещения радиомаяков MLS В состав каждого из угломерных каналов входит один из следующих наземных радиомаяков:

– азимутальный радиомаяк АРМ-1, предназначенный для определения углового положения самолета относительно курса посадки ПК;

– азимутальный радиомаяк АРМ-2, предназначенный для определения углового положения самолета относительно курса посадки при уходе ЛА на второй круг, т. е. при повторении неудавшейся по тем или иным причинам посадки (радиомаяк обратного курса посадки);

– угломестный радиомаяк УРМ-1, предназначенный для определения угла в вертикальной плоскости при снижении ЛА;

– угломестный радиомаяк УРМ-2, предназначенный для определения угла в вертикальной плоскости при выравнивании ЛА.

Угломерные радиомаяки работают поочередно. Сигналы, синхронизирующие работу радиомаяков, вырабатываются аппаратурой, устанавливаемой на контрольно-диспетчерском пункте.

Эта же аппаратура преобразует дополнительные данные в модулирующие сигналы, передаваемые на борт ЛА. В число таких данных входят: отметка момента начала отсчета (стартовый сигнал); обозначение функции, выполняемой радиомаяком; информация о метеоусловиях; координаты антенн радиомаяков; тест для проверки бортовой аппаратуры.

В состав дальномерной подсистемы входит дальномерный радиомаяк ДРМ (ответчик дальномера). В упрощенных MLS вместо дальномерной подсистемы может использоваться маркерный канал ILS.

Бортовое оборудование предназначено для измерения углов относительно оси ВПП в горизонтальной и относительно поверхности Земли в вертикальной плоскости, дальности до точки приземления и формирования заданной на борту траектории полета.

Бортовое оборудование MLS состоит из вычислителя и аппаратуры угломерной и дальномерной подсистем, в состав последних входят:

– антенно-фидерные устройства и элементы предварительного усиления сигналов;

– устройства преобразования, декодирования и обработки угломерных, дальномерных и дополнительных сигналов;

– запросчик дальномера; индикаторные устройства.

В зависимости от вида информативного параметра сигнала MLS можно разделить на временные (или импульсные) и частотные. Представителями этих групп являются системы TRSB и DMLS.

Система TRSB (Time Reference Scanning Beam) основана на использовании радиомаяков с узкой сканирующей диаграммой направленности антенны (ДНА). В системе применяется временное кодирование информации. Система DMLS (Dopler Microwave Landing System) основана на использовании доплеровского сдвига частоты, пропорционального измеряемому углу. Дальномерная подсистема MLS использует модернизированное оборудование DME (Distanse Measurement Equipment – оборудование для измерения дальности) радиосистемы ближней навигации VOR/DME.

Основные эксплуатационные требования и характеристики систем посадки сантиметрового диапазона Системы посадки сантиметрового диапазона разрабатываются на основе решения ICAO (International Civil Aviation Organization – Международная организация гражданской авиации), принятого в апреле 1972 г.

В качестве международной принята система TRSB.

Система посадки MLS должна обеспечивать:

1) на этапе захода на посадку информацию об угле в азимутальной плоскости относительно оси ВПП, угле места и дальности, а на этапе взлета и при уходе на второй круг – об угле в азимутальной плоскости относительно оси ВПП и дальности;

2) требуемый уровень безопасности посадки различных видов ЛА, в том числе с вертикальным и укороченным взлетом и посадкой и вертолетов, при метеоминимумах I, II и III категорий;

3) высокую точность, надежность и практическую независимость угломерной и дальномерной информации от внешних условий (рельефа местности, сооружений аэропорта, метеоусловий);

4) независимость получаемой от системы информации от режима полета при скорости ЛА не более 370 км/ч, угле крена не более 40 и углах тангажа в пределах от –10 до +25;

5) формирование криволинейных траекторий полета с целью повышения пропускной способности аэропорта и снижения уровня шума от ЛА;

6) модульный принцип построения систем с единым форматом сигнала для различных типов ЛА и классов аэропортов.

Основные тактические характеристики систем MLS Зона действия MLS (рис. 2.9):

– область с курсом посадки, ограниченная в горизонтальной плоскости углом относительно оси ВПП (углы и расстояния отсчитываются от расчетной точки приземления) 40;

– в вертикальной плоскости углом – 15; – расстоянием – 37 км;

– область, включающая ВПП и ограниченная в горизонтальной плоскости расстоянием от оси ВПП 45 м;

– в вертикальной плоскости высотой на ВПП – 600 м;

– область с обратным курсом, ограниченная в горизонтальной плоскости углом (углы и расстояния отсчитываются от расчетной точки остановки ЛА после пробега) 20;

– в вертикальной плоскости высотой над ВПП – 1500 м;

– расстоянием – 9 км.

Погрешность выдачи информации (2): азимутального, а также угломестного каналов снижения и выравнивания – 0,05; дальномерного канала – 30 м. Количество одновременно обслуживаемых ЛА – 200.

Рис. 2.9. Зона действия маяка MLS: а) в горизонтальной плоскости;

б) в вертикальной плоскости; 1 – захода на посадку; 2 – пробега Принцип действия угломерных каналов системы TRSB Определение углового положения ЛА основано на измерении в бортовом устройстве временных интервалов t, t между двумя импульсами И-А и И-Б (рис. 2.10), появляющимися на выходе приемника при облучении ЛА узконаправленной антенной радиомаяка во время прямого и обратного хода луча этой антенны. Угол в горизонтальной плоскости равен в вертикальной плоскости равен здесь T0 – временной интервал между импульсами И-А и И-Б при нахождении ЛА в вертикальной плоскости, содержащей ось ВПП;

T0 – временной интервал между импульсами И-А и И-Б при нахождении ЛА на выбранной экипажем глиссаде;

M и M – масштабные, равные половине скорости сканирования луча антенны.

Рис. 2.10. К принципу действия системы TRSB: а) зона сканирования луча антенны (заштрихованы границы зоны); б) временная диаграмма сканирования луча; в) отсчет времени в бортовом устройстве Отсчет времени в бортовом устройстве начинается с момента приема стартового импульса И-0. Стартовый импульс передается ненаправленной антенной радиомаяка во время излучения так называемой преамбулы, предшествующей началу сканирования луча в прямом направлении.

На борту фиксируется также момент tц, соответствующий середине цикла сканированию луча. Интервал времени Tц между И-0 и моментом tц не зависит от углового положения ЛА и называется кодовым интервалом.

Определенное значение кодового интервала позволяет опознать принадлежность принятой бортовым устройством информации (азимут с прямым курсом посадки, азимут с обратным курсом посадки, угол места при снижении или при выравнивании).