Виды навигационных систем

Б.  Линии положения.

Визированием небесного светила  навигатор может определить лишь линию, проходящую через его местоположение. Чтобы определить свои координаты места, ему нужно визировать второе светило  и установить вторую линию положения. Тогда его местоположение будет  представлено точкой пересечения этих двух линий. Однако эти измерения  не дают навигатору точных координат  места. При визировании светила  он принимает собственную оценку этих координат. Вычислив МЧУ визированного  им небесного светила, навигатор  с учетом склонения и часового угла последнего, пользуясь специальными таблицами, может вычислить высоту рассматриваемого небесного светила  в предположении, что он находится  в принятой им точке. Разность вычисленной  высоты и измеренной при визировании  секстантом укажет ему величину и  направление смещения истинного  местоположения от принятой точки. Каждая угловая минута этой разности соответствует  одной морской миле (1,85 км).

 

Астрономические навигационные устройства и системы предназначены для  автоматического или полуавтоматического  измерения курса и координат  места ЛА. К ним относятся: дистанционные  автоматические астрокомпасы типа ДАК-Б, ДАК-ДБ (ДАК-ДБ-5В), ДАК-И и звездно-солнечные  ориентаторы типа БЦ-63, а также  визуальные астрокомпасы АК-53П, АК-59П.

 

Астрономические компасы. Астрономические компасы измеряют истинный или ортодромический курсы ЛА путем пеленгации небесных светил с учетом вращения Земли и координат места.

 
Рис. 1 Структурная электрическая  схема астрокомпаса ДАК-ДБ: 
СД-1 - сельсин-датчик; Д-2 - двигатель отработки; Г - генератор; М - кренокорректор; Д-4 - двигатель пеленгаторной головки; R2 - потенциометр; ДС - дифференциальный сельсин; У - широта; l - долгота; d - склонение светила; t_Гр- гринвичский угрл светила; ЧМ - часовой механизм; ПК - путевой корректор; СП-1 - сельсин-приемник; ДМ - дифференциал механический; Д-1 - двигатель отработки; ПД - потенциометрический датчик; Д-3 - двигатель отработки; СД-2 - сельсин-датчик; ПДК-45 - датчик курса

 

По принципу измерения курса  астрономические компасы разделяются  на горизонтальные ДАК-ДБ (Рис. 1), ДАК-И  и экваториальные АК-53П, АК-59П, ДАК-Б (рис. 2).

Рис. 2 Принципиальная электрическая  схема астрокомпаса ДАК-Б: 
ЭДЧУ - электродвигатель часового угла; ЭДГУК - электродвигатель горизонтальной установки кардана; ПК - потенциометр курса; ЭП - электропереключатель; ЭДК - электродвигатель курса; ПШ - потенциометр широты; ЭДШ - электродвигатель широты; РЧ и К_н - регулятор чувствительности и кнопка

В горизонтальных компасах решается уравнение 

где f_и - истинный курс самолета; А - азимут светила; КУ_с - курсовой угол светила.

Азимут светила вычисляется  с помощью специального кинематического  вычислителя - сферанта (рис. 3), воспроизводящего в пространстве параллактический треугольник: полюс мира P_м, зенит Z, место светила С.

Рис. 3 Упрощенная кинематическая схема  сферанта горизонтального астрокомпаса: 
1 - часовой механизм; 2, 5, 7 - скобы; 3 - кольцо; 4 - крест; 6 - потенциометр; - угловая скорость вращения Земли

 
Для определения курса с помощью  экваториального астрокомпаса необходимо знать широту f и долготу l места  ЛА, а также гринвичский часовой  угол t_Гр светила.

При вводе в астрокомпас этих величин визирная система компаса  поворачивается на местный часовой  угол светила , шкала t_м-t_Гр-l, часовых углов наклоняется на угол 90°-f к горизонтальной плоскости. При визировании светила, что выполняется автоматически датчиком курса, имеющим фотоголовку, стрелка указателя покажет истинный курс ЛА.

Визуальные астрокомпасы (АК-59П, АК-53П) построены по экваториальной схеме  и предназначены для определения  истинного курса самолета по любому, светилу днем, ночью и в сумерки. Астрокомпас содержит три вида визирных устройств: визирное устройство для  пеленгации Солнца, визирные системы  для пеленгации звезд, Луны и планет и поляризационное визирное устройство для пеленгации Солнца в поляризованном свете.

Прибор имеет механизмы и  шкалы для установки широты f и  долготы l места ЛА, склонения d и  гринвичского часового угла светила t_Гр.

Точность определения курса  по солнечному и звездному визирным устройствам составляет ≈2°, а по поляризационному устройству ≈3°. Дистанционный  автоматический астрокомпас ДАК-Б  построен по экваториальной схеме и  предназначен для автоматического  определения истинного курса  по Солнцу и выдерживания его в  полете. Курс ЛА определяется как угол между смоделированной (приборной) полуденной линией и продольной осью ЛА.

Астрокомпас имеет шкалы и электромеханизмы для установки широты, долготы  места ЛА и гринвичского часового угла Солнца.

Компенсация вращения Земли осуществляется часовым механизмом посредством  вращения плоскости пеленгации вокруг оси мира в направлении, видимого суточного движения светил. Компенсация  продольного крена ЛА в пределах ≈8° производится с помощью специального жидкостного уровня с электрическим  переключателем. Поиск и визирование  Солнца осуществляются автоматически  с помощью электропривода, управляемого фотоэлементом. Максимальная погрешность  определения истинного курса  не превышает 2 - 4° при высоте Солнца от +1 до +68,5°. Во время полета производится регулировка чувствительности фотоэлектрической  следящей системы в зависимости  от высоты Солнца и условий погоды. Недостаточная чувствительность вызывает большие углы застоя у пеленгаторной  головки и замедленную отработку  фотоследящей системы. Высокая чувствительность приводит к перерегулированию в  фотоследящей системе и появлению  автоколебаний.

Дистанционный автоматический астрокомпаа  ДАК-ДБ построен по горизонтальной схеме  и предназначен для автоматического  определения истинного курса  ЛА по Солнцу и выдерживания его  при полетах по заданной локсодромии  или ортодромии, а также для  определения истинного курса  ЛА ночью по любому светилу совместно  с перископическим секстантом СП-1. Астрокомпас ДАК-ДБ (ДАК-ДБ-5В) может  служить датчиком истинного курса  для навигационного индикатора.

Компенсация суточного вращения Земли  осуществляется автоматически с  помощью часового механизма и  сферанта, преобразующего изменение  часового угла в изменение азимута  светила. Компенсация кренов ЛА осуществляется с помощью специального маятникового корректора, вырабатывающего поправку по курсу. Предусмотренная в астрокомпасе связь с перископическим секстантом позволяет вручную визировать Луну, планеты и звезды, при этом астрокомпас  автоматически определяет истинный курс ЛА.

Исходными данными для астрокомпаса, вводимыми в вычислитель вручную, являются: широта f, долгота l, места  ЛА, гринвичский часовой угол светила t_Гр и склонение светила d. 
 
Работа фотоследящей системы может в полете контролироваться с помощью кнопки на панели вычислителя. При нажатии кнопки стрелка указателя компаса начинает вращаться, после отпускания кнопки показания курса на указателе восстанавливаются.

Астрокомпас измеряет курс с инструментальной погрешностью ≈2°. Измерение истинного  курса в полете производится следующим  образом. Включается питание компаса  и 4 - 5 раз нажимается кнопка "Подзавод" часового механизма. На шкалах вычислителя  координат устанавливаются исходные данные. На шкалах путевого корректора устанавливаются нулевые значения пройденного расстояния и путевой скорости. После установки переключателя в положение "ДКУ" производится отсчет истинного курса по шкале указателя.

При подготовке к полету у астрокомпасов  проверяется внешнее состояние  и работоспособность. При этом показания  астрокомпаса (при наличии Солнца) сличаются со значением стояночного  курса ЛА.

При периодических видах обслуживания основные агрегаты астрокомпасов снимаются  с самолета, и у агрегатов и  приборов проверяются технические  характеристики на соответствие их требованиям  технических условий.

Проверка комплекта и агрегатов  астрокомпасов типа ДАК-ДБ и ДАК-Б  в лаборатории производится с  помощью установок УПАК-ДБ и УПАК-1) соответственно.

 

Звездно-солнечный ориентир БЦ-63 предназначен для определения истинного и ортодромического курсов ЛА и его географических и ортодромических координат при пеленгации двух светил. В дневном полете при автоматическом или ручном вводе координат ЛА БЦ-63 используется как горизонтальный астрокомпас для измерения курса ЛА.

Исходными данными для применения БЦ-63 при полетах ночью являются: географические координаты ЛА в момент настройки, склонения и прямые восхождения  пеленгуемых светил, гринвичское  звездное время в момент включения.

В дневном полете для измерения  истинного курса ЛА на вычислителе  БЦ-63 устанавливаются географические координаты места ЛА, склонение .и  прямое восхождение Солнца.

Для определения навигационных  элементов полета астроориентатор  измеряет высоту и курсовой угол Солнца, а ночью ≈ высоты и курсовые углы двух звезд. Измеренные координаты светил используются для расчета  географических координат долготы  и широты места и истинного  курса ЛА.

Ортодромические координаты ЛА X, Y и  истинный путевой угол ортодромии Y_ПУ определяются в вычислителе астроориентатора пересчетом географических координат на основе решения сферического треугольника.

Истинный и ортодромический  курсы определяются по формулам:

где А ≈ азимут светила.

Астроориентатор решает задачу по определению  местоположения и курса ЛА, работает последовательно в режиме наведения  на светило и слежения.

На рис. 4 приведена функциональная схема работы астроориентатора в  режиме наведения на светило.

Рис. 2.31. Функциональная схема работы астроориентатора в режиме наведения  на светило: 
АС₁, АС₂ - астрономические секстанты; ЭЧ-1, ЭЧ-2 - электронные части; n - тангаж; g -крен; КУ₁, КУ₂ - курсовые углы; h₁, h₂ - высота светила; А₁, А₂ - азимуты светил; X, Y - ортодромические координаты; ПУ - пульт управления; ОК (ИК) - ортодромическии (истинный) курс; b - истинный путевой угол ортодромии; a₁, a₂ -прямые восхождения светил, s₁, s₂ - склонения светил; S_гр - звездное гринвичское время; Ф, L - географические координаты полюса ортодромии; f - широта места; l - долгота места; КС-6А - курсовая система; ЦГВ-5 -центральная гировертикаль; ИЭ-41 - индикатор электронный; НУ - навигационное устройство

 

Автоматические секстанты  астроориентатора устанавливаются на фюзеляже ЛА, где им обеспечен круговой обзор, при изменении высоты светила от 0° до +70°. Плата секстанта в горизонтальном полете должна быть параллельна плоскости истинного горизонта. На плате наносится линия, параллельная продольной оси ЛА. На корпусе секстанта нанесена стрелка, которая при установке его на ЛА должна быть направлена к носу ЛА и быть параллельной линии, нанесенной на плате. 
Стеклянные колпаки секстантов обдуваются чистым" сухим воздухом под давлением 0,15≈1,0 атм, имеющим температуру 50 - 70°С. 
В процессе эксплуатации астроориентатора производится чистка защитных колпаков автоматических секстантов снаружи и изнутри гигроскопической ватой, смоченной спиртом-ректификатом. Производятся также продувка воздухом двигателей типа ДП для очистки от щеточной пыли и промывка коллекторов бензином; чистятся контакты часового механизма, барабаны ламельных устройств, смазываются червячные зацепления и редукторы. Для проверки исправности астроориентатора применяется комплект контрольно-измерительных установок типа КПА-БЦ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Спутниковые навигационные системы.

Общий принцип работы СНС.

Спутниковые навигационные  системы являются радиотехническими навигационными системами. Принцип работы СНС заключается в определении местоположения любого объекта на основе тригонометрических соотношений по измеренным расстояниям от него до нескольких навигационных спутников (НС). Определяя расстояние до трех НС мы можем свести возможное местоположение в пространстве до двух точек. Для решения задачи неопределенности (в какой из двух точек мы находимся) можно произвести измерение расстояния до четвертого НС или учесть некоторые дополнительные условия [12],[58].

 Обычно одна из двух точек  – это неправдоподобное решение.  Она либо располагается слишком  далеко от земной поверхности,  либо имеет неправдоподобно большую  скорость. Также для исключения  неправдоподобного решения можно  воспользоваться дополнительной (априорной)  информацией о местоположении (МП), полученной от других средств  (инерциальной системы ИНС, ПУИ). Вычислители приемников СНС снабжены  различными средствами, автоматически  выделяющими истинное МП из  двух возможных.

Расстояние  от объекта до НС вычисляется по измеренному СНС времени прохождения  радиосигнала от НС до объекта - , где - скорость распространения радиоволн (около 300000 км/сек). При этом необходимо  точно определить момент времени, в который НС начал передачу, и момент времени когда аппаратура на объекте получила его сообщение (рассинхронизация сигнала в 10нс приводит к дополнительной ошибке в определении МП до 10-15м.). Для повышения точности производится синхронизация спутников и приемников таким образом, чтобы они генерировали один и тот же бинарный код точно в одно и то же время, сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника.

Проблема синхронизации решается аппаратно – программным путем: на  спутниках устанавливаются "атомные" 4 комплекта часов с суточной относительной нестабильностью не более (1...5)*10^-14 , а в навигационной аппаратуре потребителей СНС (НАП СНС) используются более дешевые и менее точные часы, в НАП СНС при этом  производится измерение дальности до еще одного спутника и дополнительное измерение помогает исключить ошибку часов приемника. Можно показать, что если три точных измерения времени распространения сигналов спутников определяют положение точки в трехмерном пространстве, то четыре неточных позволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника, вызвавшее эту неточность.