УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ ВЕРТОЛЕТА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ ВЕРТОЛЕТА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Разработчик (Авторы)	Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	148641
Дата регистрации	23.04.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Полезная модель относится к пилотажно-навигационной технике и может быть использовано для обеспечения безопасности полета вертолетов на малых высотах, а именно для предупреждения пилотов вертолетов об опасности столкновений с высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП).

Известно устройство для осуществления способа предупреждения столкновений вертолета с высоковольтными линиями электропередач (см. патент на изобретение РФ №2176400, МПК G01S 13/93), заключающегося в приеме всенаправленной антенной широкополосных сигналов, излучаемых проводами ЛЭП, выделении низкочастотных составляющих принятых сигналов, селекции по амплитуде выделенных низкочастотных составляющих принятых сигналов и, в случае превышения уровня порогового значения U0, осуществлении анализа частоты принятого сигнала за счет последовательной перестройки частоты фильтра в диапазоне значений i=1, 2, …n, где n=ΔF/Δf, где ΔF - низкочастотная часть ширины спектра, Δf - полоса пропускания фильтра, осуществлении повторной селекции сигнала по амплитуде, сравнении полученных значений спектра с заданными значениями и, в случае соответствия спектров, выдачи сигнала о наличии линии ЛЭП.

Недостатком данного устройства является невозможность определения углового положения линии электропередач в вертикальной плоскости, отсутствие данной информации может привести к столкновению вертолета с линией электропередач.

Известно устройство для осуществления способа предотвращения столкновений вертолета с высоковольтными линиями электропередач (см. патент на изобретение РФ №2156985, МПК G01S 13/93, G08G 5/04), заключающегося в том, что с помощью приемного устройства, размещаемого на вертолете, принимают электромагнитные колебания, излучаемые высоковольтными линиями электропередач в диапазоне радиоволн, сравнивают значения принятых сигналов с опорными и по результатам сравнения принимают решение по корректировке направления полета вертолета, при этом прием электромагнитных колебаний ведут с различных направлений с помощью нескольких приемных антенн, максимумы диаграмм направленности которых ориентированы в разных угловых секторах плоскости полета вертолета, и по наличию сигнала в одной из приемных антенн определяют угловое положение проводов высоковольтной линии электропередачи относительно корпуса вертолета.

Недостатком данного устройства является невозможность определения углового положения линии электропередач в вертикальной плоскости, отсутствие данной информации может привести к столкновению вертолета с линией электропередач.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередачи (см. патент на полезную модель РФ №136193, МПК G01S 13/93), позволяющее определить положение линии электропередач по создаваемому магнитному полю с помощью магнитометрических датчиков, расположенных на борту вертолета. Устройство включает блок из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе объекта магнитометров, гироскоп направления, гировертикаль, первый вычислитель, причем выходы блока магнитометров, гироскопа направления и гировертикали соединены с входом первого вычислителя, при этом дополнительно включены второй вычислитель, третий вычислитель, полосовой фильтр-детектор, блок сравнения и сумматор, причем выход блока магнитометров дополнительно соединен с входом второго вычислителя и полосового фильтра-детектора, выход первого вычислителя соединен с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гировертикали соединены с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гироскопа направления и второго вычислителя соединены с входом сумматора, выход которого соединен с входом блока сравнения, выходы полосового фильтра-детектора соединены с входами третьего вычислителя, выходы которого соединены с входами блока сравнения.

Недостатком устройства является невысокая чувствительность устройства, сложность выделения слабого полезного сигнала от магнитного поля ЛЭП на большом расстоянии от линии и, как следствие, малая дальность обнаружения ЛЭП и малое время, оставляемое летчику для принятия решения и выполнения маневра уклонения.

Задача настоящей полезной модели заключается в увеличении дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета.

Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач, которое включает в себя блок из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета магнитометров для измерения продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля вертолета на оси связанной с летательным аппаратом системы координат, гироскоп направления для определения гироскопического курса летательного аппарата, гировертикаль для определения углов крена и тангажа летательного аппарата, первый вычислитель для определения в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта коэффициентов Пуассона и компонент постоянного магнитного поля летательного аппарата, причем выходы блока магнитометров по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата, гироскопа направления по углу гироскопического курса летательного аппарата и гировертикали соединены с входом первого вычислителя, второй вычислитель для определения текущего значения собственного магнитного поля вертолета, третий вычислитель для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля, блок сравнения и сумматор, причем выходы блока магнитометров по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата дополнительно соединены с входом второго вычислителя, выход первого вычислителя соединен с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, причем первый вычислитель задействован только в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта, выходы гировертикали по углам крена и тангажа летательного аппарата соединены с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гироскопа направления по углу гироскопического курса летательного аппарата и второго вычислителя соединены с входом сумматора, выход которого соединен с входом блока сравнения, выходы которого по текущим значениям горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля соединены с входами блока сравнения, в котором осуществляется сравнение оцениваемых/вероятностных значений горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту вертолета значениями горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля, а выход блока сравнения, представляющий собой сигнал об опасной близости линии электропередач, подается в пилотажно-навигационный комплекс как световой и/или акустический сигнал, свидетельствующий об опасной близости по курсу линии электропередач, на основе которого пилот принимает решение об облете препятствия, что для увеличения дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета введены генератор опорного сигнала, умножитель и фильтр нижних частот, причем выход генератора опорного сигнала соединен с входом умножителя, выходы блока магнитометров по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата дополнительно соединены с входом умножителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а выход которого по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата соединен с входом третьего вычислителя для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства. Позициями на чертеже обозначены:

1 - блок магнитометров;

2 - гироскоп направления;

3 - гировертикаль;

4 - первый вычислитель;

5 - второй вычислитель;

6 - умножитель;

7 - третий вычислитель;

8 - блок сравнения;

9 - сумматор;

10 - генератор опорного сигнала;

11 - фильтр нижних частот.

Устройство включает в себя блок из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе объекта (летательного аппарата) магнитометров 1 для измерения продольной (T_x), поперечной (T_z) и нормальной (T_y) составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта на оси связанной с летательным аппаратом (ЛА) системы координат OXYZ. Устройство содержит гироскоп направления 2 для определения направления гироскопического курса (φ_г) подвижного объекта. Устройство содержит гировертикаль 3 для определения углов крена (γ) и тангажа (υ) подвижного объекта, выполненную, например, по MEMC-технологии. Устройство содержит первый вычислитель 4 для определения в процессе предстартовой подготовки либо сразу после старта коэффициентов Пуассона и компонент постоянного магнитного поля подвижного объекта (летательного аппарата), причем выходы блока 1, блока 2 и блока 3 соединены с входом первого вычислителя 4. Вход первого вычислителя, кроме того, соединен, например, с потенциометром ручной выставки стартовых значений горизонтальной (T_г0) и вертикальной (T_в0) составляющих вектора напряженности геомагнитного поля и угла магнитного наклонения (Θ), измеренные, например, с помощью дефлектора и инклинатора. Устройство содержит второй вычислитель 5 для определения текущего значения собственного магнитного поля вертолета, третий вычислитель 7 для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля, генератор опорного сигнала 10, умножитель 6 и фильтр нижних частот 11, блок сравнения 8 и сумматор 9, причем выход блока 1 дополнительно соединен с входом второго вычислителя 5, выход блока 4 соединен с входами второго вычислителя 5 и третьего вычислителя 7, причем первый вычислитель 4 задействован, только в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта, выходы блока 3 соединены с входами второго вычислителя 5 и третьего вычислителя 7, выходы блока 2 и второго вычислителя 5 соединены с входом сумматора 9, выход которого соединен с входом блока сравнения 8, выходы блока 6 соединены с входами третьего вычислителя 7, выходы которого соединены с входами блока сравнения 8, на входы которого с пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) поступают данные о времени полета (t_п) и скорости полета (V_п) летательного аппарата, выход генератора опорного сигнала 10 соединен с входом умножителя 6, выходы блока магнитометров 1 по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата дополнительно соединены с входом умножителя 6, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот 11, а выход которого (по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата соединен с входом третьего вычислителя 7 для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля, а выход блока 8, представляющий собой сигнал об опасной близости линии электропередач, поступает на приборную панель для индикации (световой и звуковой) летчику для принятия решения. Также может быть предусмотрена возможность автоматического набора высоты - маневра в вертикальной плоскости.

Устройство функционирует следующим образом.

По сигналам блока из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе объекта магнитометров 1 для измерения продольной (T_x), поперечной (T_z) и нормальной (T_y) составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта на оси связанной с летательным аппаратом (ЛА) системы координат OXYZ, гироскопа 2 направления гироскопического курса (φ_г) подвижного объекта, гировертикали 3 для определения углов крена (γ) и тангажа (υ) подвижного объекта, выполненных, например, по MEMC-технологии, первый вычислитель 4 определяет в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта во время набора высоты на вираже, коэффициенты Пуассона и компоненты постоянного магнитного поля подвижного объекта по соотношениям 6,12,16 (см. патент RU №136193.) характеризующие собственное магнитное поле подвижного объекта. В процессе полета объекта 2 вычислитель 5 по соотношениям (32-34 см. патент RU №136193) определяет текущее значение магнитного курса подвижного объекта φ_м; третий вычислитель 7 по соотношениям (28-31 см. патент RU №136193) определяет текущие значения горизонтальной T_г и вертикальной T_в компонент вектора T^- напряженности геомагнитного поля. Во время маловысотного полета значения компонент T_X, T_Y, T_Z - проекций вектора результирующего магнитного поля объекта на его оси OX, OY, OZ при приближении к высоковольтным линиям электропередач получают дополнительные составляющие, изменяющиеся с промышленной частотой f=50 Hz.

Экспериментальные исследования по замерам напряженностей создаваемых магнитных полей реальными ЛЭП и уточнение на их основе математических моделей для расчета магнитных полей реальных ЛЭП [Скрипкин А.А., Аврясова О.С, Емельянов С.Д. Магнитное поле высоковольтной воздушной линии электропередач на большом расстоянии от линии. // Техническая электродинамика и электроника: Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 32-36; Скрипкин А.А., Сивяков Б.К., Аврясова О.С. Анализ возможности обнаружения воздушных высоковольтных линий электропередач по создаваемому магнитному полю. Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 41-45] показало, что значения параметров магнитного поля, полученные по теоретическим соотношениям на расстояниях более 100 (м) от ЛЭП дают практически точный результат, который совпадает с результатами проведенных экспериментальных замеров.

Поскольку полученные результаты - в частности, на расстоянии 600 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 2…14 нТл; на расстоянии 300 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 5…56 нТл, то поэтому в предлагаемое устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач для повышения чувствительности устройства, устойчивого выделения слабого полезного сигнала от магнитного поля ЛЭП на большом расстоянии от линии, повышения дальности обнаружения ЛЭП, увеличения времени, оставляемого летчику для принятия решения и выполнения маневра уклонения введены генератор опорного сигнала 10, умножитель 6 и фильтр нижних частот 11, совместная работа которых реализует принцип синхронно-фазового детектирования, позволяющий уверенно выделять полезный сигнал, даже в случае, если его величина ниже уровня помех и повышать чувствительность устройства в среднем на 1-2 порядка [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 3-х томах. Том 1-3. (The Art of Electronics.) Монография. Издание 4-е, пер. и доп. Пер. с анг. М.: Мир, 1993].

Теоретическое обоснование, позволяющее реализовать предлагаемое устройство приведено в патенте RU №136193. Ниже приведены некоторые теоретические положения, поясняющие принцип синхронного детектирования, который основан на операции умножения сигналов.

Допустим, что на входы умножителя 6 подаются два гармонических сигнала: так называемый опорный сигнал с генератора опорного сигнала 6 с постоянными частотой и амплитудой r(t)=Rsin(ω_Rt) и сигнал s(t)=T_isin(ωt+φ), (i=x, y, z,). Тогда выходной сигнал умножителя 6 будет иметь вид:

где: 

В результате умножения появляются гармонические составляющие на суммарной (ω+ω_R) и разностной (ω-ω_R) частотах. При синхронном детектировании используется составляющая на разностной частоте, которую выделяет фильтр нижних частот 11, включенный на выходе умножителя 6. Фильтр 11 пропускает сигналы с частотами ниже частоты среза фильтра ω_C и подавляет более высокочастотные сигналы. Частота среза устанавливается намного меньшей, чем опорная частота ω_R. Поэтому ненулевой отклик на выходе фильтра 11 дадут лишь те сигналы, частоты которых близки к опорной частоте (отличаются от опорной частоты на величину, не превышающую частоту среза фильтра низких частот).

В случае, когда частота сигнала точно равна опорной частоте (сигналы на входах умножителя синхронны), в результате умножения появится составляющая с нулевой разностной частотой, то есть, постоянная составляющая. На выход фильтра 11 пройдет только эта постоянная составляющая. Для фильтра с коэффициентом передачи в полосе пропускания, равным единице, выходной сигнал будет равен:

Таким образом, выход фильтра нижних частот 11 пропорционален амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига относительно опорного сигнала.

Умножение сигналов в устройстве для синхронного детектирования производится с помощью электронных устройств с управляемыми параметрами, например, с помощью усилителя, коэффициент усиления которого изменяется под действием опорного сигнала. Для этого могут использоваться также специальные интегральные микросхемы аналоговых умножителей сигналов, выполняющие операцию умножения с высокой точностью [например, микросхемы типов AD532LD "Analog Devices" IC Trimmed Multiplier / Div 14-Dip (USA); 4214BP "Texas Instruments" IC Multiplier - Divider 14-Dip (USA) и др.].

В сумматоре 9 происходит стандартная для курсовой гиромагнитной системы процедура осреднения гироскопического курса (φ_г) и магнитного курса (φ_м) подвижного объекта [Шивринский В.Н. Навигационные системы летательных аппаратов. Ульяновск, УлГТУ, 2012 г., 148 с.], в результате который с выхода сумматора 9 снимается полностью скорректированный сигнал курса подвижного объекта (φ_к), поступающий затем в блок 8 устройства и в ПНК ЛА.

В блоке сравнения 8 при полете подвижного объекта постоянно производится сравнение оцениваемых/вероятностных значений горизонтальной  и вертикальной T*_в компонент вектора T^- напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту подвижного объекта значениями горизонтальной T_г и вертикальной T_в компонент вектора T^- напряженности геомагнитного поля.

Логические соотношения в блоке сравнения 8 основаны на следующих теоретических положениях: исходя из структуры магнитного поля Земли в первом приближении в районе магнитного экватора можно считать T=T_г≈55000 нТл, T_в=0, угол магнитного наклонения Θ=0°; при движении по меридиану примерно через 10000 км в районе магнитного полюса T=T_в≈55000 нТл, T_г=0, угол магнитного наклонения Θ=90°; поэтому для определения в первом приближении оцениваемых/вероятностных значений горизонтальной  и вертикальной T*_в компонент вектора T^- напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту подвижного объекта значениями горизонтальной T_г и вертикальной T_в компонент вектора T^- напряженности геомагнитного поля воспользуемся следующими соотношениями:

где: V_п - скорость полета и t_п - время полета вертолета;

при полете при 

где исходя из реальных значений величин магнитных полей, создаваемых ЛЭП, δ_г≈δ_в≈3…5 нТл, в блоке сравнения 8 формируется и подается в пилотажно-навигационный комплекс световой и/или акустический сигнал, свидетельствующий об опасной близости по курсу ЛЭП, на основе которого пилот принимает решение об облете препятствия. Также возможна автоматическая корректировка высоты полета при получении такого сигнала от блока сравнения 8.

Математическое моделирование подтверждает принципиальную возможность обнаружения линий ЛЭП в режиме маловысотного полета магнитометрическими методами.

При моделировании рассматривались широко распространенные промежуточная одноцепная свободностоящая опора типа П-110-3 при напряжении U=110 kV с проводом AC 120/19 и током I=390 А, а также опора типа У=220-1 при напряжении U=220 kV с проводом AC 300/66 и током I=690 А. Для моделирования использовались средства математического пакета MatLab. По результатам моделирования следует, что в частности, на расстоянии 600 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 2…14 нТл; на расстоянии 300 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 5…56 нТл; что при средней скорости полета вертолета в режиме маловысотного полета V_п≈200 км/час (50 м/сек) оставляет пилотам в среднем от 6 до 12 (сек) для принятия решения и изменения высоты полета.

Указанное время является вполне достаточным для совершения пилотом при получении сигнала об опасной близости с ЛЭП маневра в вертикальной плоскости (например, набор высоты и вираж).

В качестве трехкомпонентного магнитометра, который может быть установлен на летательном аппарате, может быть использован, например, высокочувствительный малогабаритный гетеромагнитный электронный модуль 3Д HM-3D, разработанный и выпускаемый на ОАО «Тантал» г. Саратов, (www.oao-tantal.ru), имеющий чувствительность в единицы 1…3 (нТл) и малые габаритные размеры.

В качестве гироскопических датчиков для определения курса и вертикали могут быть использованы малогабаритные высокоточные датчики, выполненные по MEMC-технологии, например, блокам MEMS типа SFIM300, SFIM210, SFIM202 и др. Fa. Sensonor Technologies, Norway (www.sensonor.com).

Технико-экономическое обоснование предлагаемого устройства заключается в увеличении дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета.

Предложенные зависимости для определения во время полета магнитного курса объекта, горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля могут быть реализованы вычислительным путем в бортовой центральной вычислительной машине.

Формула полезной модели

Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач, включающее в себя блок из трех ортогональных магнитометров, гироскоп направления, гировертикаль, первый вычислитель, причем выходы блока магнитометров, гироскопа и гировертикали соединены с входом первого вычислителя, второй вычислитель, третий вычислитель, блок сравнения и сумматор, причем выходы блока магнитометров соединены с входом второго вычислителя, выход первого вычислителя соединен с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гировертикали соединены с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гироскопа направления и второго вычислителя соединены с входом сумматора, выход которого соединен с входом блока сравнения, выходы третьего вычислителя по текущим значениям горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля соединены с входами блока сравнения, а блок сравнения имеет выход, отличающееся тем, что дополнительно включает генератор опорного сигнала, умножитель и фильтр нижних частот, причем выход генератора опорного сигнала соединен с входом умножителя, выходы блока магнитометров дополнительно соединены с входом умножителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом третьего вычислителя.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ ВЕРТОЛЕТА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ" (Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога