Назад к описанию ЛСП

Сравнительный анализ лазерных курсоглиссадных

 систем посадки воздушных судов.

Эффективное применение воздушных судов (ВС) различного назначения днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях невозможно без качественного функционирования системы радиотехнического обеспечения (РТО) полетов авиации, основу которой составляют средства и комплексы, развертываемые на гражданских аэродромах и аэродромах Вооруженных Сил Российской Федерации.

Системы РТО полетов авиации являются  для экипажей ВС важным источником объективной информации о своем местоположении на земле и в воздухе,  а   для  групп  руководства  полетами (ГРП) - основным источником  информации о воздушной обстановке в зоне ответственности. Значимость данных систем обусловлена еще и тем, что большинство авиационных происшествий и катастроф происходят в аэродромной зоне, поскольку именно на этапах взлета и посадки наивысшая напряженность, связанная  с  близостью  земли,   сочетается с дефицитом времени на принятие правильного решения по управлению ВС.

Применение с этой целью приложений спутниковых навигационных систем (СНС) возможно только  путём оснащения бортовой аппаратурой СНС

всего парка воздушных судов коммерческой и государственной авиации России и развёртывания в районах расположения аэродромов локальной сети контрольно-корректирующих станций, без которых не обеспечивается требуемая точность позиционирования воздушного судна на посадке с использованием СНС.

Неоднократные случаи тяжёлых лётных происшествий при выполнении захода на посадку воздушных судов (в том числе иностранных) на аэродромах России свидетельствуют о насущной необходимости оснащения аэропортов (аэродромов, вертолётных площадок) современными средствами обеспечения посадки в сложных метеорологических условиях при установленном минимуме погоды и в условиях метеоминимумов категорий ИКАО.

Фактически все посадки выполняются по визуальным ориентирам независимо от того, выполнялся ли начальный этап захода на посадку по правилам визуального полета или же завершение полета происходило по правилам полетов по приборам. В конце концов  пилот визуально наблюдает ВПП  и сажает самолет по визуальным ориентирам

Чем раньше наступает визуальный контакт с огнями подхода и с ВПП, тем большим временем лётчик располагает для устранения погрешностей захода. Это особенно важно для скоростных и тяжёлых воздушных судов, отличающихся высокими скоростями подхода к началу выравнивания и высокой инертностью.

Наиболее эффективным путем решения задачи повышения безопасности посадки летательных аппаратов, расширения возможности летной эксплуатации самолетов днем и ночью, в том числе, в условиях плохой видимости и радиоэлектронных помех, является построение визуальных оптических систем на основе внедрения современных лазерно-радиотехнических технологий на новейшей элементной базе отечественного производства.

Основными свойствами лазерного излучения, определяющими предпочтительность его использования в средствах визуальной навигации, являются высокая спектральная яркость, малая угловая расходимость пучка излучения и повышенная проникающая способность в условиях плохой видимости (туман, дождь, снегопад, плотная дымка) в сравнении с излучением традиционных источников

В процессе эксплуатации  визуальных  лазерных  систем  посадки (ВЛСП) должна  обеспечиваться  медико-биологическая  безопасность летного состава и инженерно-технического  состава авиации аэродромной службы от лазерного излучения.

  Лазерные курсоглиссадные системы посадки воздушных судов

Работы по созданию лазерных курсоглиссадных систем посадки в нашей стране проводятся с  начала 70-х годов. В настоящее время известны несколько типов отечественных визуальных  лазерных  систем посадки (ВЛСП), которые условно можно разделить по принципу использования лазерного излучения на системы визуализации с использованием рассеянного лазерного излучения и системы, основанные  на видении прямого лазерного излучения. 

К системам  посадки первого  типа  относятся лазерные курсоглиссадные   системы,   в   которых   используется   эффект   рассеяния узконаправленного  лазерного луча в атмосфере  на  молекулах  газов, аэрозольных  частицах, на  неоднородностях, вызванных турбулентным движением воздуха,  за счет которого пилот воздушного судна, заходящего на посадку, видит лазерный луч в виде вытянутого прямолинейного жгута, выделяющегося  на  фоне  окружающего воздушного пространства. Это позволяет летчику однозначно  определить  положение  самолета  на  посадочной  траектории. 

Разработанная в 70-х годах по ТЗ МО СССР лазерная систем посадки такого типа - «Глиссада» и в 80-х годах ее модификация - «Координата-Л» были признаны удовлетворительными по многим параметрам, кроме основных параметров связанных  с низкой  эффективностью и надежностью газоразрядных лазеров.  В 2004 г. система была модернизирована (заменена элементная база) и получила название - “Глиссада-М“. В настоящее время она проходит опытную эксплуатацию в аэропорту  города Саратова.

Для дальнейшей  реализации проекта «Лазерная курсоглиссадная система посадки» решением советов директоров Красногорского завода им. С.А.Зверева и ЗАО «Межрегиональный центр инновационных технологий» (ЗАО МЦИТ) г. Самара  было создано ОАО «Зенит - Центр инновационных технологий» («ЗЕНИТ - ЦИТ») по техническому заданию которого научно-техническим центром Красногорского завода разработан технический проект лазерной курсоглиссадной системы (ЛКГСП) под шифром “Cталкер-ЛКГСП“.

Ко второму типу лазерных систем относится визуальная лазерная система  посадки разработки НПП «Гамма» г. Фрязино, основанная на видении прямого лазерного излучения полупроводниковых  лазеров с электронной накачкой (ПЛЭН) производства ФГУП НИИ «Платан» г. Фрязино. 

Рис.1  Импульсный  лазер с электронной  накачкой

 В 1995 г. в НИИ «Платан» был  создан 3-х цветного импульсный лазер с электронной накачкой (ИПЛЭН), предназначенный для мобильных систем посадки ВС на необорудованные площадки,  позволяющий  формировать  три  последовательные  цветовые зоны ( глиссаду)  с заданными пространственными координатами  на длинах волн  излучения - 0,52, 0,57, 0,62 мкм.

Экспериментальный образец ВЛСП, который был разработан и изготовлен НПП “ Гамма “  в 1988 году в ЛИИ им.М.М.Громова  и  в 1990 г.  на  комплексе  “Нитка “  в Крыму прошел летные испытания  целью которых  было  определение в дневных и ночных условиях дальности обнаружения  лучевого  коридора,  создаваемого  лазерным  источником  излучения, при заходе на посадку в простых и  сложных  метеоусловиях.  В 1997 г.  был  запатентован   в   РФ  ( патент   №2083444       от 10. 07.97.)   и в  1998 году  отмечен  Золотыми   медалями на 46-ом Всемирном Салоне инноваций и  изобретений  “Брюссель-Эврика-97 “ и на Международном Салоне  инноваций и изобретений  в  г. Женеве,  Швейцария.

Рис.2  Лазерный маяк на основе сканирующего полупроводникового лазера с электронной накачкой.

       В 2003  году был разработан в НПП “ Гамма и прошел  заводские  испытания экспериментальный   лазерный  маяк  на основе сканирующего полупроводникового лазера с электронной накачкой (СПЛЭН), разработанного  в НИИ “Платан“ (см. Рис. 2).

В  2005 году  на  лазерный  маяк  с  источником излучения на СПЛЭН  был получен  патент  РФ № 2248299  с  приоритетом от 02.12.2002 года.

Оценка  эффективности  лазерных  систем  посадки

Система  посадки, которая учитывает более ранний, максимально информативный и действительный переход от пилотирования по приборам к пилотированию по визуальным ориентирам, придает  уверенность в успешном завершении полёта и снижает  психофизиологическую нагрузку  на  летчика .

Преимущества лазерных средств зрительной навигации по сравнению со  средствами  основанными  на  традиционных источниках  света хорошо известны:

        - узкая спектральная полоса лазерного излучателя благодаря более  высокой контрастности (средняя полуширина спектра газовых лазеров составляет 10^-3…10^-4 нм, твердотельных - 0.1…0.01 нм, полупроводниковых – 15…50 нм) значительно увеличивает заметность излучения на фоне ярко освещенной поверхности земли и других огней;

       – высокая спектральная яркость обеспечивает большую дальность видимости, особенно днем, в сумерках и при других неблагоприятных условиях.

       – малая угловая расходимость пучка излучения обеспечивает требуемую точность зрительной ориентации;

Лазерные системы первого типа

Задачей лётчика, выполняющего заход на посадку с использованием лазерных систем  относящихся  к  первому типу,  (“Координата-Л“,  “Глиссада-М“, “Сталкер-ЛКГСП“), является  удержание воздушного судна в пределах глиссадного коридора между боковыми глиссадными лучами, строго над курсовым лучом. При этом положение боковых лучей системы гарантирует попадание воздушного судна на ВПП при отсутствии видимости самой ВПП.  

Рис.3.  Принцип построения ЛКГСП «Сталкер”.

Визуально наблюдаемое положение лучей облегчает процесс пилотирования поскольку лётчик, «войдя в лазерную глиссаду», переносит наибольший объём внимания за пределы кабины, а в кабине осуществляет контроль, в основном, только за показаниями скорости и оборотами двигателя.

Такая система существенно упрощает заход на посадку в простых и сложных метеоусловиях  в  сумерки и ночью. К недостаткам лазерной системы такого типа следует отнести невозможность её использования при заходе на посадку днём, особенно при солнечной погоде на фоне ярко освещенной поверхности земли (из-за потери контрастности), а также в сложных метеорологических условиях в облаках и в ливневых осадках (лазерное излучение, особенно рассеиваемое на неоднородностях, значительно ослабляется при попадании в водянистую среду). Этим объясняется необходимость обязательного применения данной системы в комплексе с радиолокационной системой посадки (РСП).

Рис.4. Вид с самолета на землю при различных положениях относительно курса и глиссады.

Другим существенным недостатком лазерной системы  посадки такого типа является сама концепция построения системы, основанная на 3-х точечной, разнесённой схеме размещения источников лазерного излучения.

        В процессе выполнения захода на посадку в условиях метеоминимума лётчик переходит с приборного пилотирования на визуальное только после выхода под нижний край облачности. При этом, подход к ВПП на больших углах атаки, в сочетании с пологой глиссадой (наклон 2⁰40')  и не просматриваемым пространством за кабиной выводит из поля зрения лётчика курсовой излучатель, располагающийся  в створе ВПП на удалении 100 и более метров от ближнего её торца  уже при высоте нижней границы облаков 100 м и ниже.

        Более того, одним из принципов распределения внимания лётчика на посадке, согласно методическим требованиям к технике пилотирования в условиях захода на посадку при минимуме погоды, является непреложное правило – «не искать ВПП». Пилотировать по приборам и только непосредственно при подходе к земле переносить периферийный взгляд за кабину, вперёд и влево по полёту. При этом в поле зрения пилота может находится только левый глиссадный излучатель. Из-за дефицита времени физической возможности перенести взгляд на другой глиссадный излучатель, находящийся по правому борту воздушного судна, у лётчика нет. Таким образом, курсовой и правый глиссадный излучатели оказываются вне поля зрения лётчика и влияния на процесс захода на посадку и посадку в сложных метеоусловиях при установленном минимуме погоды не оказывают. Чем ниже нижний край облачности  (т.е. чем ниже метеоминимум захода на посадку) тем менее  эффективна данная система, а для категории минимумов ИКАО  (60 на 800 м и ниже) она практически не применима.

Такое положение особенно характерно для одноместных боевых самолётов, поскольку лётчику не приходится рассчитывать на помощь членов экипажа, а высокие скорости захода на посадку и плохой обзор из кабины в переднюю полусферу  существенно  ограничивают посадочный минимум лётчика  (не  ниже  100 на 1000 м.)

По своему принципу действия ВЛСП  такого  типа  обеспечивают заход и расчет на посадку только ночью в ПМУ и  в  СМУ до метеоминимума 300х3000м при ее применении в комплексе с аэродромными посадочными радиотехническими средствами.

Лазерная система такого типа является чисто информационной системой и не обеспечивает сопряжение с бортовой системой управления воздушного судна. Автоматизация захода на посадку, а также контроль с земли за заходящим на посадку воздушным судном с помощью такой системы невозможен.

Вероятность кратковременного ослепления лётчика при выходе под облака и случайном попадании в лазерный луч, в условиях минимума погоды возрастает, поскольку лазерный коридор в такой системе по мере приближения к порогу ВПП сужается, а интенсивность лазерного излучения растёт (а это не лазерная указка!). В экстремальных условиях минимума погоды, вблизи земли это недопустимо по условиям обеспечения безопасности полета. Системе данного типа присущи и другие недостатки.

Лазерные системы второго типа

Концепция  применения посадочных систем прямого  видения с различными цветовыми секторами, обозначающими определение положения воздушного судна на глиссаде, проверена годами успешной эксплуатации в России и за рубежом  систем  с  огнями  высокой  интенсивности  (PAPI,  T VASI  и  AT VASI). Такая лазерная система основана на видении прямого лазерного излучения, она обеспечивает высокий контраст по сравнению с рассеянным лазерным излучением систем первого типа при одинаковой мощности и одинаковой яркости фона в любое время суток. Основным элементом лазерной системы посадки прямого видения является сканирующий полупроводниковый лазер с электронной накачкой, обеспечивающий одновременное высвечивание трехцветной курсоглиссады в виде пространственного управляемого светового коридора и оптическую локацию в каждой цветовой зоне глиссады.

Рис. 5.  Иллюстрация   принципа формирования  глиссады    на основе СПЛЭН.

Прямое лазерное излучение обладает повышенной проницаемостью через поглощающие и рассеивающие среды, по сравнению с обычными источниками света. Дальность обнаружения такого излучения превышает метеорологическую дальность видимости в 3-4  и более раз, а дальность обнаружения огней высокой интенсивности систем посадки, применяемых в современных аэропортах, в  разы.

Кроме повышенной дальности видимости излучатель на  СПЛЭН  позволяет достигать  следующих параметров системы, которые невозможно получить другими средствами:

     –   возможность одновременного излучения на нескольких длинах волн путем размещения на мишени различных полупроводниковых кристаллов;

     -  возможность формировать световые пучки заданной конфигурации путём простого преобразования оптической системой пространственного распределения излучения (заданного геометрией излучающих площадок) в угловое распределение;

    - возможность в реальном масштабе времени управлять размерами и позиционированием  цветовых зон в пространстве средствами  телевизионной и цифровой техники, позволяющей  осуществлять  автоматическую  юстировку;

    – возможность модуляции любой части световой зоны, что является дополнительной информацией для летчика о местоположении ВС внутри цветовой зоны;

    –   возможность осуществления оптической локации ВС внутри любой зоны с визуализацией ВС на экране оператора с определением расстояния до ВС, его местоположения в цветовой зоне и скорости;

    –  возможность передачи информации о местоположении ВС  на борт ВС по оптическому ( глиссадному или курсовому ) каналу, исключающему воздействие естественной или преднамеренной радиоэлектронной помехи;

    –   возможность управления яркостью излучения в реальном масштабе времени для обеспечения минимально-вредного воздействия на глаза летчика;

    - возможность обнаружения лазерного излучения на фоне яркой подстилающей поверхности за счет высокой контрастности, определяемой узким спектральным диапазоном для каждой рабочей длины волны, обеспечивающей выполнение посадки при ослеплении яркой солнечной засветкой на фоне снежной подстилающей поверхности, когда огни высокой интенсивности бесполезны («тонут в море света») особенно  при полётах в условиях заполярья;

    - возможность круглосуточного применения системы для посадки в сложных метеоусловиях и по минимуму категорий ИКАО;

    – возможность работы лазерного модуля в системах посадки ВС на авианесущие корабли и вертолетов на корабли одиночного базирования благодаря высокой устойчивости к ударным и вибрационным нагрузкам ;

    – возможность использования лазерного модуля для обеспечения посадки ВС на необорудованные площадки и обеспечение десантирования благодаря автономному питанию, малым габаритам  и весу.

 На аэродромах постоянного базирования лазерная система посадки может  применяться в  качестве  светотехнического  оборудования  для посадки и  взлёта  ВС  в  сложных  метеорологических  условиях, при минимуме погоды по II и III категориям ИКАО.

 При выполнении захода на посадку по курсу и по установленной глиссаде, лётчик будет наблюдать зелёные курсовые и глиссадные огни.

При уходе под глиссаду по углу места менее 2°30' цвет двух внешних глиссадных маяков слева и справа от ВПП изменится на красный. При дальнейшем уходе за пределы угла места менее 2° 10', цвет двух внутренних глиссадных маяков слева и справа от ВПП изменится на красный.  При уклонении ВС выше глиссады за пределы угла места 2°50' два внешних излучателя слева и справа от ВПП переходят из зелёной цветовой зоны в жёлтую. При дальнейшем уклонении цвет внутренних излучателей меняется на жёлтый. Таким образом, лётчик получает информацию об отклонении последовательной сменой цветовых зон внутренних и внешних глиссадных маяков. Кроме того, положение ВС на глиссаде по курсу контролируется по видимому взаимному положению глиссадных и курсовых излучателей, расположенных слева и справа от ВПП.

Система такого типа обеспечивает визуальный заход и посадку в сложных метеоусловиях и при минимуме погоды на неподготовленных аэродромах при оперативном перебазировании любых типов воздушных судов.

Излучатель потребляет минимум электроэнергии (питание автономное от аккумуляторной батареи), не требует охлаждения, имеет значительный ресурс и обслуживается всего одним человеком.

        Система такого типа может применяться в тех районах, где, например, нет электроснабжения, где ведутся боевые действия или в труднодоступных районах, в тайге, на заполярных трассах ночью и днём. Такая лазерная система, как мобильное посадочное средство, будет востребована и частными владельцами воздушных судов. Она не требует регулировки и облёта перед применением, поскольку разделение цветовых секторов лазерного излучателя задано в заводских условиях и после установки изменено быть не может.

Рис. 6. Вид курсоглиссадных маяков с самолета на стационарном аэродроме.

Рис. 7. Варианты  положения  самолета  на  курсоглиссаде

        Варианты формирования цветовых зон и размещения лазерных излучателей могут меняться, в зависимости от условий применения (типа ВС, класса аэродрома, характера местности и т.д.).

        Отличительной особенностью лазерной системы  прямого  видения   является создание вокруг глиссады секторов лазерного подсвета, цвет которых соответствует определённому положению воздушного судна относительно глиссады. Лётчик, выполняя заход на посадку, удерживает самолёт (вертолёт) в цветовом секторе, который соответствует положению на глиссаде. Отклонение от глиссады приводит к уходу воздушного судна в другой цветовой сектор. Контроль места воздушного судна в заданном секторе может производится и за счёт применения проблескового режима с различной частотой мигания достаточной для её распознавания.

Заключение

Оценивая состояние и перспективы развития курсоглиссадных систем посадки с применением различных лазерных источников света, можно сделать следующее заключение:

ВЛСП первого типа - на основе использования свойств рассеяния лазерного излучения  на  неоднородностях   атмосферы  («Глиссада-М», «Сталкер-ЛКГСП»):

·                могут эффективно применяться  ночью  в качестве визуальной системы посадки в ПМУ и под облаками, с обязательным использованием в комплексе с РСП;

·                выполнение посадок в сложных метеоусловиях при низкой облачности, а также по метеоминимумам категории ИКАО система не обеспечивает, в том числе и по условиям безопасности из-за возможного кратковременного ослепления лётчика;

·                выполнение оперативного маневра подразделений авиации с использованием необорудованных аэродромов в сложных метеоусловиях ВЛСП такого типа не обеспечивает;

·                система не позволяет руководителю полётов получать информацию о положении (отклонении от глиссады) заходящего на посадку воздушного судна;

ВЛСП  второго типа - на основе  прямого лазерного излучения полупроводниковых лазеров с электронной накачкой:

·                может применяться круглосуточно;

·                обеспечивает заход на посадку в сложных метеоусловиях при минимуме погоды и по метеоминимумам  по II и III категориям ИКАО,что  снижает  существующие метеоминимумы аэродромов;

· позволяет осуществлять скрытный оперативный маневр подразделений авиации (независимо от типа воздушного судна) в сложных метеоусловиях с использованием необорудованных аэродромов;

·                может применяться в тех районах, где нет электроснабжения, где ведутся боевые действия, или в труднодоступных районах, в тайге, на заполярных трассах;

·                может использоваться на вертолётных  площадках (в том числе расположенных на крышах зданий и на малотоннажных морских судах), вблизи естественных препятствий  и в условиях городской инфраструктуры а также применятся, как мобильное посадочное средство частными владельцами воздушных судов;

·                позволяет в автоматическом режиме, на основе лазерной локации, получать информацию о положении (отклонении от глиссады) заходящего на посадку воздушного судна;

·                может входить в состав автоматизированной системы управления воздушным движением в районе аэроузла. вблизи естественных препятствий  и в условиях городской инфраструктуры существенно

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Нормы годности к эксплуатации аэродромов государственной авиации. Аэродромы для базирования самолетов и авиационных частей. (НГЭАГосА.А. Аэродромы для самолетов). Приложение  к приказу Министра обороны РФ от 02.11.2006г. 130 с.

2. Ю.Г.Басов. Светосигнальные устройства. Москва. Транспорт.1993г.

3. Отчет по результатам опытной эксплуатации лазерной визуальной системы посадки «Координата-Л». Липецк, в/ч 62632, 1985.

4. Научно- технический акт №1819-88-1Х  по  результатам  летных  испытаний  импульсного  лазерного  светового  маяка на аэродроме “Казбек”,  Москва, 1988г.  

5.  Научно-технический акт №31-91-ХVI  по  результатам летных  испытаний  оптических  систем  посадки  на комплексе “Нитка”, Москва, 1990г.

6. Технический  отчет № 2138-58 по ОКР «Создание 3-х цветного ИПЛЭН», шифр «Монарх», 1995 г.

7. Патент РФ № 2063097 от 1994.03.22 «Лазер».

8. Патент РФ № 2083444 от 07.10.1997. «Оптическое навигационное устройство».

9.  Олихов И.М.  ИПЛЭН.  Новое поколение приборов квантовой электроники. Электроника: НТБ, 1998, № 3-4.

10. Олихов И.М., Косовский Л.А. Мобильная лазерная трехцветная навигационная система. Надежность в экстремальных ситуациях. - Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1999, № 3, с. 46-49.

11. Патент РФ № 2248299 от 03.20. 2005г. «Лазерный маяк».

12. Информационный документ ФГУП «НИИ «Экран»: Визуальная лазерная система посадки летательных аппаратов «Глиссада», Самара, 2008.

13. Пояснительная записка к эскизному проекту «Разработка лазерной подсистемы  посадки  летательных  аппаратов» ЗАО НПП «Гамма»,  Фрязино, 2009,  116 стр.

14. Пояснительная записка к техническому проекту “Отработка  методов использования лазерной системы  посадки  с  учетом  обеспечения  медико-биологической безопасности  летного  состава  и  инженерного  состава  аэродромной  службы.“ ЗАО НПП «Гамма»,  Фрязино, 2010г.,  75 стр.