Виды навигационных систем

Министерство образования РФ

Пермский Научно-Исследовательский  Политехнический Университет

Кафедра ИВК ЛА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на самостоятельное  изучение  на тему:

«Виды навигационных  систем»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2011

Оглавление

 

1. Не инерциальные навигационные системы. 3

2. Астрономические навигационные системы. 6

3. Спутниковые навигационные системы. 12

4. Угломерные радиотехнические системы. 17

5. Радиодальномеры 20

6. Разностно-дальномерные системы. 21

7. Обзорно-сравнительные навигационные комплексы. 23

8. Комплексирование навигационных систем 26

9. Схемы комплексирования радионавигационных и автономных систем 28

10. Радионавигационные системы. 30

11. Радиотехнические системы ближней навигации. 33

12. Радиотехнические системы дальней навигации. 35

13. Принцип навигации по геофизическим полям 36

14. Особенности проектирования БВК 38

Список литературы 39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Не инерциальные навигационные системы.

 

1. Сущность метода  счисления пути основана на непрерывном измерении вектора ускорения или скорости движения объекта, интегрировании этого вектора до получения приращений координат (вектор ускорения интегрируется дважды), которые суммируются с координатами начальной точки маршрута. Исходными данными в методе счисления пути являются координаты начальной точки маршрута. Измерительная информация – информация о параметрах движения центра масс объекта и его движении относительно центра масс. Алгоритм решения навигационной задачи основан на алгоритмах динамики твердого тела.

Системы навигации, реализующие  метод счисления пути, в отличие  от рассмотренных ранее систем являются автономными системами навигации, так как для них не требуется  никакой внешней информации. На борту  подвижного агрегата размещается измеритель вектора ускорения (скорости) движения. Измерение вектора предусматривает  измерение величины параметра и  его направление в заданной системе  координат. Практически это означает известную ориентацию входных осей измерителей на протяжении всего  периода функционирования системы  навигации.

Практическая реализация метода счисления пути требует решения  следующих задач:

• определение исходных данных для системы навигации в начальной точке маршрута;
• непрерывное измерение во время движения скорости и направления движения объекта;
• вычисление координат текущего местоположения объекта.

Преимуществом систем счисления  пути является их автономность. Этим свойством  не обладают системы навигации, реализующие  позиционный и обзорно-сравнительный  методы навигации. Основной недостаток систем счисления пути – нарастание погрешностей в определении координат  пропорционально пройденному агрегатом  пути. Это обусловлено тем, что  координаты каждой последующей точки  определяются от координат предыдущей точки. В этом случае к погрешностям из-за ошибок в измерении текущих  параметров движения добавляются погрешности  в определении координат предыдущей точки.

1.2 Принцип построения неинерциальных автономных наземных навигационных систем

1.2.1 Математические модели неинерциальных наземных навигационных систем

Выше был рассмотрен принцип  действия систем счисления пути на примере простейшего прямолинейного движения. Рассмотрим далее общий  случай - систему на произвольном маршруте, приведенном в прямоугольной  системе координат на рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 - К выводу уравнений неинерциальной навигации

Разобьем весь маршрут произвольной конфигурации на прямолинейные отрезки 0 - 1; 1 - 2; 2 - 3; … i - i + 1; …n - 1 - n. Обозначим длину (горизонтальная составляющая) каждого отрезка как , а дирекционные углы направлений с начальной точки каждого отрезка на конечную как . Координаты точек перегиба обозначены как . Согласно принципу счисления пути, в котором координаты последующей точки определяются через координаты предыдущей точки и приращения координат между ними

Полученные уравнения  показывают, что реализация метода счисления пути предполагает, что  перед началом движения определяются начальные данные, а во время движения измеряются пройденный агрегатом путь и курс движения. Технически реализовать  указанные задачи не представляет особых трудностей за исключением измерения  на подвижном агрегате текущего значения курса движения. Существующие компасы (магнитные и гироскопические) обладают рядом особенностей, которые требуют  применения специальных технических  и алгоритмических мер по устранению погрешностей курсоуказания, вызванных  различного рода девиациями (магнитными, скоростными, баллистическими и  т.п.). Наиболее полно эти проблемы решены в морской навигации, в  том числе и за счет увеличения массогабаритных характеристик  измерителей.

Более простой  способ решения указанной проблемы основан на отказе от измерения во время движения непосредственно  курса (азимута или дирекционного  угла), и измерения только углов  поворота агрегата – приращений курса  по отношению к его первоначальному  значению. В данном способе отпадает необходимость определять во время  движения направление на Север, что  и составляет основу рассмотренной  технической проблемы. Полный курс движения агрегата применительно к  значениям дирекционных углов определяется

,

где  - значение дирекционного продольной оси агрегата, указывающей направление движения, перед маршем (начальное значение дирекционного угла);

- текущее значение приращения  дирекционного угла продольной  оси движущегося агрегата по  отношению к начальному значению.

Тогда основные уравнения  неинерциальной навигации принимают  вид

.

Полученные уравнения – дискретные уравнения, которые не обладают полной универсальностью. Приведем их к аналоговому  виду. При этом вспомним, что величина пути DS – это горизонтальная составляющая пути. Для перехода к реальному пути DS_р, пройденному по поверхности Земли, необходимо составить уравнение проекции с учетом угла уклона дороги

Увеличивая количество отрезков, и  устремляя их число к бесконечности, что приводит к уменьшению отрезков пройденного пути до бесконечно малых  величин, и, определяя данные отрезки  пути через скорость агрегата V и малые интервалы времени dt

,

получаем аналоговое выражение, где операция суммирования заменяется операцией интегрирования

Последние выражения определяют решение навигационной задачи в  аналитическом виде.

1.2.2 Функциональный состав неинерциальных наземных навигационных систем

Анализ основных уравнений  неинерциальной навигации показывает, что их техническая реализация предполагает решение следующих задач:

• определение перед началом движения начальных данных для системы навигации: координат начальной точки маршрута и дирекционного угла продольной оси агрегата , находящегося на начальной точке;
• измерение во время движения текущих значений приращений дирекционного угла продольной оси агрегата по отношению к начальному значению;
• измерение во время движения пройденного агрегатом горизонтальной составляющей пути или скорости движения ;
• вычисление текущих значений координат и других навигационных параметров, а также наглядное отображение местоположения движущегося агрегата.

Для технического решения  каждой из названных задач введем соответствующую группу приборов. Функционально  неинерциальная система навигации  счисления пути должна содержать  следующие группы приборов:

• приборы начального ориентирования (ПНО);
• приборы курсовой системы (КС);
• приборы путевой системы (ПС);
• приборы обработки и отображения навигационной информации (ПООНИ).

Обобщенная функциональная схема системы навигации счисления  пути представлена на рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 - Обобщенный функциональный состав неинерциальных систем навигации счисления пути

В состав неинерциальной системы навигации счисления  пути принципиально входят четыре группы приборов, из которых три являются измерительными системами (ПНО, КС, ПС) и одна - вычислительной системой (ПООНИ).

ПНО предназначены для  начального ориентирования систем навигации, то есть для определения перед  началом движения и передачи в  приборы обработки и отображения  навигационной информации начальных  данных.

КС предназначена для  измерения во время движения изменений  курса движения агрегата – приращений дирекционного угла продольной оси  агрегата по отношению к начальному значению.

ПС предназначена для  измерения во время движения горизонтальной составляющей пройденного агрегатом  пути.

ПООНИ предназначены для  вычисления по представленной измерительной  информации координат текущего местоположения агрегата и наглядного отображения  на специальном терминальном устройстве его положения на местности. Дополнительно  ПООНИ могут предоставлять информацию и о других навигационных параметрах (величина пройденного пути, текущее  значение курса движения, углы продольного  и поперечного наклонов агрегата и др.).

Еще раз подчеркнем, что  здесь представлен принципиально  необходимый состав систем навигации, реализующих метод счисления  пути. В конкретных системах представленные группы приборов могут быть построены  по различным принципам, иметь отличия  в решаемых задачах и функциях, отличаться по названиям. Приборный состав конкретных групп приборов будет рассмотрен в дальнейшем.

2. Астрономические навигационные системы.

 

Астрономические методы навигации  основаны на определении положения  известных небесных светил относительно выбранной системы координат. Эти  методы реализуются при помощи астрономических  оптических и оптико-электронных  навигационных приборов. Для астронавигационных приборов характерны автономность измерения, ограничиваемая только видимостью небесных светил (в приземной области), и  высокая точность определения координат  места, не зависящая от длительности, дальности, высоты и скорости движения. Поскольку основная задача навигации  заключается в проведении объекта  по заданной траектории в заданное время, учет хода времени является обязательной составной частью навигационных  измерений.

 

Небесная сфера

Положение светил на небе определяется аналогично тому, как определяется положение точки на земной поверхности, – долготой и широтой. Вводится вспомогательная  небесная сфера с центром в  центре Земли, и все светила проецируются на нее. Принимается, что все светила  расположены на этой сфере, вращающейся  вокруг Земли. Небесный экватор рассматривается  как проекция земного экватора на небесную сферу, и точно так же получаются Северный и Южный полюсы мира – как проекции земных полюсов.

 

Широта на небесной сфере называется склонением и может быть северной или южной относительно экватора, как и на Земле. Небесная долгота  выражается звездным часовым углом (ЗЧУ), гринвичским часовым углом (ГЧУ) или местным часовым углом (МЧУ) светила

 

Небесные часовые углы

Небесный меридиан, проходящий через  точку весеннего равноденствия, называемую также первой точкой Овна ( ), считается нулевым. ЗЧУ светила отсчитывается к западу от нулевого небесного меридиана в пределах от 0 до 360° и указывается в угловых градусах.

Поскольку небесная сфера равномерно вращается вокруг Земли с востока  на запад, всякая задача астронавигации требует соотнесения часового угла наблюдаемого светила с нулевым, т.е. гринвичским, меридианом на Земле. Угол между гринвичским меридианом и светилом называется гринвичским  часовым углом светила. ГЧУ тоже измеряется к западу от 0 до 360°.

Местный часовой угол (МЧУ) светила  есть угол между небесным меридианом наблюдателя и положением светила. МЧУ всегда измеряется в градусах к западу от меридиана наблюдателя. Чтобы найти МЧУ светила, нужно  из его ГЧУ вычесть гринвичский  угол наблюдателя. Если результат оказывается  отрицательным, то нужно абсолютную величину этого результата вычесть  из 360°. Следует учитывать, что долгота на Земле измеряется также к востоку от гринвичского меридиана до 180°.

1. Приборы.

Географические координаты места  объекта можно определить, измерив  высоты двух светил над горизонтом. Вычисления координат могут осуществляться оператором или автоматическими  астронавигационными системами. Высота же светила измеряется секстантом. Авиационные секстанты снабжаются искусственным горизонтом в виде жидкостного уровня (или гироскопа). После определения по шкале секстанта высоты светила над горизонтом вносятся небольшие поправки на погрешность градуировки прибора и на параллакс – отклоняющее действие земной атмосферы на проходящий сквозь нее свет. В авиационных секстантах предусматриваются автоматическая регистрация показания по завершении визирования, а также усреднение показаний в процессе быстрого многократного визирования. Космические секстанты на один-два порядка величины точнее морских и авиационных.