Метод підвищення безпеки польотів та навігації повітряних суден у складних метеорологічних умовах

Abstract

Головенський В.В. Метод підвищення безпеки польотів та навігації повітряних суден у складних метеорологічних умовах. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.22.13 «Навігація та управління рухом» (05 – Технічні науки). – Льотна академія Національного авіаційного університету, Кропивницький, 2018. Дисертаційна робота присвячена дослідженню можливостей створення та технічної реалізації додаткового високоефективного каналу спостереження променевих аеродромних сигналів в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні електромагнітних хвиль (ЕМХ) для супроводу повітряних суден та їх посадки в складних метеорологічних умовах. Метою дисертаційної роботи є науковометодичне обґрунтування можливості та доцільності створення способу спостереження сигналів від злітно-посадкової смуги. Наявність візуального контакту повітряного судна зі злітно-посадковою смугою сприяє стабілізації психоемоційного стану членів екіпажу, прийняттю ними адекватних, виважених рішень та здійсненню безаварійної посадки. Проте, існуючі навігаційні пристрої (радіомаяки, радіолокаційні системи GPS), забезпечуючи високу точність визначення координат повітряного судна, принципово не призначені для візуалізації обстановки на злітно-посадковій смузі. З високою якістю це може здійснити променевосигнальна система з аеродромним базуванням ІЧ-джерел та бортовим електронно-оптичним приймачем, що працює в кількох діапазонах ІЧ-хвиль з наступною комп’ютерно-цифровою обробкою, синтезом інформації та виводом її на єдиний монітор. Така система робототехнічного зору з комплексуванням робочих каналів є перспективною в обслуговуванні електронного візуального польоту з наступним переходом на дійсно візуальний. В дисертаційній роботі на основі проведеного критичного аналізу великого масиву даних щодо функціонування існуючих світлосигнальних систем та досягнень в LED-технологіях одержання конструктивних елементів електроннооптичної техніки, запропоновано ідею створення додаткового до існуючого світлового каналу – променевосигнального каналу ІЧ-діапазону електромагнітних хвиль. Така ідея синтезує переваги по потужності випромінювання активних джерел, розміщених на аеродромі, та переваги пасивного прийому (без підсвічування з борту повітряного судна) сигналів електронно-оптичним приймачем типу тепловізора. З метою оцінки ефективності запропонованого ІЧ-каналу проведено дослідження впливу на основні техніко-експлуатаційні характеристики його мультиплікативних складових. Для обґрунтованого вибору найбільш енергоефективного джерела ІЧвипромінювання запропоновано експресну методику оцінки енергетичного коефіцієнта корисної дії. Одержано аналітичні вирази для оцінки енергоефективності джерел випромінювання високої точності. Показано, що напівпровідникові діоди сучасного промислового виробництва інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі в максимумі спектру 0,94 мкм у 2 – 3 рази перевищують енергоефективність ламп розжарювання різних номіналів, що традиційно використовуються на аеродромах. Для подальшої розробки конструктивних елементів променевосигнального комплексу в роботі проведено математичне моделювання процесу поширення ІЧвипромінювання у водноаерозольному середовищі з різними мікроструктурними параметрами. З метою формування фізичної картини взаємодії електромагнітного випромінювання із середовищем різної мутності та функціонального аналізу процесу розсіювання, одержано аналітичні вирази в рамках теорії аномальної дифракції Ван де Хюлста. Вперше показано, що на переваги по дальності дії довгохвильового випромінювання над короткохвильовим не впливає концентрація водноаерозольних частинок. Показано, що критичним в цьому плані є радіус сферичних крапель. Одержано аналітичний вираз для визначення критичного розміру водяних частинок аерозолю, при якому дальність дії ЕМХ різної довжини однакова. Для порівняння з дальністю дії світлосигнальних систем одержано вираз для усередненого по світловому діапазону хвиль фактору розсіювання та об’ємного коефіцієнту розсіювання. Показано, що для світла коефіцієнт розсіювання перестає залежати від довжини ЕМХ і визначається площею геометричного перерізу частинок, починаючи з радіусу ~ 1 мкм, і, більше того, є поділяючою межею переходу від хвильової до геометричної оптики. В роботі вперше вказано на наближеність формули Алларда для складного немонохроматичного випромінювання, вказано умови найбільшої похибки при розрахунках дальності видимості вогнів аеродрому. Одержано аналітичний вираз для метеорологічної дальності видимості в сильно мутному середовищі через параметри водного аерозолю. Показано, що при фіксованій величині метеорологічної дальності видимості на практиці може реалізуватись неоднозначність у співвідношенні дальностей виявлення електромагнітних сигналів різної довжини хвилі, а саме, довгохвильове випромінювання в залежності від розмірів розсіюючих частинок, може мати як більшу, так і меншу дальність, ніж короткохвильове випромінювання. Зроблено висновок про те, що метеорологічна дальність видимості не може бути орієнтиром при виборі робочої довжини хвилі променевосигнальної системи. Доведено, що при цьому потрібно орієнтуватись на довгохвильову границю обраного “вікна прозорості” атмосфери та геометричні розміри розсіюючих водяних частинок аерозолю, в якому планується робота ІЧ-каналу. В роботі запропоновано нормований узагальнюючий техніко-економічний критерій оцінки ефективності всієї променевосигнальної системи, що виражений через інтегральні характеристики основних топологічних складових каналу зв’язку. Проведена порівняльна оцінка критерію для сигнальних систем з конструктивними елементами серійного промислового виробництва показала явну експлуатаційну перевагу запропонованого ІЧ-каналу. Так, відношення сигнал/шум, що припадає на 1 Вт споживчої потужності, навіть при неоптимальній узгодженості спектру фоточутливості приймача і спектру випромінювання ІЧ напівпровідникового діода в 14 разів більший, ніж для ідеальної вольфрамової нитки розжарювання без теплових втрат. На основі аналітичних розрахунків та аналізу параметрів ІЧ-сигнальної системи в дисертаційній роботі намічено шляхи максимізації ефективності, які полягають в наступному: – використати високомонохроматичні джерела люмінесцентного випромінювання LED-технологічного виготовлення з максимально можливою енергетичною ефективністю та енергетичним коефіцієнтом корисної дії в смузі випромінювання; – робочу довжину ЕМХ встановити максимально можливою в заданому “вікні прозорості” атмосфери; – максимізувати коефіцієнт використання випромінювання, абсолютно узгодивши спектр випромінювання джерела і спектр фоточутливості матричного приймача; – матеріал матричного елементу використовувати з максимально можливою питомою виявною здатністю на робочій довжині ЕМХ. На основі проведених аналітичних досліджень в роботі запропоновано спосіб спостереження ІЧ-променевих сигналів під час супроводу повітряного судна при посадці у складних метеорологічних умовах і сформульовані його базові складові: – для позначення злітно-посадкової смуги, вогнів наближення та горизонту використовувати, крім прожекторів видимого діапазону, прожектори ІЧ-діапазону випромінювання; – для досягнення максимальної дальності проникнення ІЧ випромінювання у складних метеорологічних умовах необхідно узгодити довжини хвиль ІЧпрожекторів з відповідними “вікнами прозорості” атмосфери. Для розробки світлосигнальних пристроїв, які б максимально використовували “вікна прозорості” атмосфери, необхідні джерела світла з вузьким спектром випромінювання, який повинен повністю співпадати з відповідним “вікном прозорості” атмосфери. Такими джерелами світла можуть бути високоефективні прожектори, в яких випромінюючі вузли використовують ІЧ-світлодіоди, що мають майже квазімонохроматичне випромінювання в діапазонах 0,95 - 1,05 мкм, 3,3 - 4,2 мкм та 8 - 13 мкм; – повітряне судно обладнується приладами реєстрації ІЧ-випромінювання. Чутливі матриці для сприйняття ІЧ-випромінювання також треба налаштувати на відповідне “вікно прозорості” атмосфери, тобто на 0,95 - 1,05 мкм, 3,3 - 4,2 мкм та 8 - 13 мкм. Також запропоновано конструкцію світло- та променеводіодних прожекторів аеродромного базування з регульованою індикатрисою випромінювання. На відміну від прожекторів, що використовуються в світлосигнальних системах з мембранним механізмом регулювання індикатрисою випромінювання, в запропонованій конструкції світлодіоди розміщуються на сегментах-ламелях, які мають геометрію, спеціально розраховану таким чином, що зміна ширини індикатриси відбувається при повній відсутності аберації. Комутація світлодіодів спеціально розрахована так, що вихід зі строю навіть десятків з них, не загрожує відмовою роботи прожектора. Розроблені та запропоновані конструктивні винаходи підтверджені трьома авторськими свідоцтвами. Holovenskyi V.V. Method of improving safety and navigation of aircraft in adverse weather conditions Ph.D. thesis in Engineering Science on the specialty 05.22.13 – «Navigation and traffic control». (05 – Engineering Science). – Flight Academy of the National Aviation University. City of Kropyvnytskyi, 2018. The thesis research is devoted to the study of the possibilities of creation and technical implementation of an additional highly effective channel of observation of aerodrome beam signals in the infrared (IR) range of electromagnetic waves (EMW) for following up the aircraft and their landing in adverse meteorological conditions. The purpose of the thesis research is to provide scientific and methodological substantiation of the possibility and feasibility of creating a method for signals observation from the runway. The presence of the visual contact of the aircraft with the runway promotes stabilizing the psycho-emotional state of the crew members, making adequate, wellconsidered decisions and the implementation of the accident-free landing. However, existing navigation devices (radio beacons, radar GPS systems), providing high positional accuracy of an aircraft, are not fundamentally intended to visualize the situation on the runway. With high quality, this can be done by a beam-signal system with aerodrome location of IR sources and an onboard electron-optical receiver operating in several ranges of infrared waves, followed by computer-digital processing, information fusion and readout. Such system of robotic vision with the integration of operating channels is advanced in maintaining an electronic visual flight with the subsequent transition to a truly visual. The thesis research, on the basis of the conducted critical analysis of a large array of data on the functioning of existing lighting systems and achievements in LED technologies for the acquisition of structural elements of opto-electronic technology, contains the idea of creating – in addition to the existing light channel – the beam-signal channel of the IR range of electromagnetic waves. Such idea synthesizes the advantages on the radiation power of active sources located on the aerodrome, and the advantages of passive reception (without illumination from the aircraft) of signals by an electronoptical receiver sort of thermal imager. In order to assess the efficiency of the proposed infrared channel, a study of the impact on the main technical and operational characteristics of its multiplicative components has been carried out. For reasonable choice of the most energy-efficient source of infrared radiation, an express method for assessment of the energy efficiency factor is proposed. The analytical expressions for assessment of energy efficiency of radiation sources of high accuracy have been obtained. It is shown that semiconductor diodes of the modern industrial production of infrared radiation with a wavelength at a maximum of 0.94 micron spectrum in 2-3 times exceed the energy efficiency of the various incandescent lamps traditionally used at the aerodromes. For further development of the structural elements of the beam-signal complex, the mathematical modeling of the process of infrared radiation transfer in a wateraerosol medium with different microstructural parameters have been carried ou tin the thesis research. In order to form a physical picture of the interaction of electromagnetic radiation with a medium of varying turbidity and a functional analysis of the scattering process, the analytical expressions in the framework of Van de Hulst theory of abnormal diffraction have been obtained. It has been shown for the first time that the concentration of water-aerosol particles does not affect the advantages on the range of long-wave radiation over shortwave one. It is shown that the radius of spherical droplets is critical in this regard. An analytical expression has been obtained for determining the critical size of aerosol water particles, in which the range of action of electromagnetic waves of different lengths is the same. For comparison with the range of lighting systems, the expression for the wavelength range-averaged scattering factor and the volume scattering coefficient has been obtained. It is shown that for the light, the scattering factor ceases to depend on the length of the electromagnetic waves and is determined by the area of the geometric cross section of the particles, starting with a radius 1 μm, and moreover, it is the dividing threshold for the transition from wave to geometric optics. It is shown for the first time in the thesis research that the Allard formula is approximate for a complex non-monochromatic radiation; the conditions of the greatest error in calculations of the range of visibility of the aerodrome lights have been indicated. The analytical expression for the meteorological range of visibility in a strongly turbid medium through the parameters of a water aerosol has been obtained. It is shown that in the fixed value of the meteorological range of visibility practically the ambiguity in the ratio of the range of detection of electromagnetic signals of different wavelengths can be realized, namely, the long-wavelength radiation, depending on the size of the scattering particles, may have both a greater and lesser range than shortwavelength radiation. The conclusion is drawn that the meteorological range of visibility can not be a marker when choosing the operating wavelength of the beamsignal system. It is proved that at the same time it is necessary to focus on the longwave boundary of the chosen atmospheric transparency window and the geometric dimensions of the scattering aerosol water particles, in which the work of the infrared channel is planned. The thesis research proposes a standardized generalized technical and economic criterion for assessment of efficiency of the entire beam-signal system, expressed through the integral characteristics of the main topological constituents of the communication channel. A comparative assessment of the criterion for signal systems with constructive elements of serial industrial production has shown a clear operational advantage of the proposed infrared channel. So, the signal-to-noise ratio that falls at 1 W of consumer power, even with a non-optimal coherence of the spectrum of the photosensitivity of the receiver and the radiation spectrum of the IR semiconductor diode, is 14 times greater than for an ideal tungsten filament without heat loss. On the basis of analytical calculations and analysis of the parameters of the infrared signal system, there are ways to maximize efficiency in the thesis research, which are as follows: – to use high-monochromatic sources of luminescent radiation of LEDtechnological production with the maximum possible energy efficiency in the radiation band; – to set the maximum possible operating length of the electromagnetic waves in the given atmospheric transparency window; – to maximize the radiation use efficiency, by absolutely agreeing on the radiation spectrum of the source and the photosensitivity spectrum of the matrix receiver; – to use the material of the matrix element with the maximum possible specific detecting power at the operating length of the electromagnetic waves. On the basis of the conducted analytical researches, the method of observation of infrared beam signals during the following up the aircraft during landing in adverse meteorological conditions is proposed in the thesis research and its basic components are defined: – to use in addition to the visible range floodlights, infrared floodlights to indicate the runway, approach lights and horizon; – in order to achieve the maximum infrared radiation penetration, range in adverse meteorological conditions, it is necessary to coordinate the wavelengths of infrared floodlights with the corresponding atmospheric transparency windows. For the development of lighting devices that make maximal use of the atmospheric transparency windows, light sources with a narrow spectrum of radiation are required, which must fully coincide with the corresponding atmospheric transparency window. Such light sources can be highly efficient floodlights, in which radiating elements use infrared light-emitting diodes having almost quasi-monochromatic radiation in the ranges from 0.95 to 1.05 microns, 3.3 to 4.2 microns, and 8 to 13 microns; – the aircraft is equipped with devices for registration of infrared radiation. Sensitive matrices for the perception of infrared radiation must also be adjusted to the appropriate atmospheric transparency window, namely, from 0.95 to 1.05 microns, from 3.3 to 4.2 microns and from 8 to 13 microns. Also, the design of light and radiation led floodlights of airdrome location with a adjustable indicatrix of radiation is proposed. In contrast to the floodlights used in lighting systems with the membrane adjustment mechanism of the indicatrix of radiation, in the proposed design, the LEDs are placed on segments-lamellae that have a specially designed geometry such that the change in the width of the indicatrix occurs in the absence of aberration. The switching of LEDs is specially designed so that the breakdown of even dozens of them does not threaten the failure of the floodlight. Designed and proposed constructive inventions are supported by two copyright certificates.