Тема: Теоретические основы навигации

Конспект лекций

по дисциплине

«Бортовые вычислительные комплексы навигации и самолетовождения

 

Курс, семестр, уч. год:		5, весенний, 2013/2014.
Специальности:		7.07010203 – Системы аэронавигационного обслуживания 8.07010203 – Системы аэронавигационного обслуживания 7.05110302 – Системы управления летательными аппаратами и комплексами 8.05110302 – Системы управления летательными аппаратами и комплексами
Руководитель обучения:		Профессор, к.т.н. Суббота Анатолий Максимович

 

 

Харьков – 2013

Содержание

Лекция №1-3………………………………………………………………………
Тема: Теоретические основы навигации……………………………..………….
	1. Введение…………………………………………………………..………….
	2. Геонавигационная информация…………………………………………….
	3. Небесная сфера……………………………………………………………….
Лекция №4-7……………………………………………….……………………...
Тема:Системы астронавигации……………………………………………….…
	1. Астрокомпасы…………………………………………………………..…...
	2. Принцип действия горизонтального астрокомпаса………………………..
	3. Астрономический компас ДАК-ДБ, назначение, технические данные, устройство………………………………………………………………………
	3.1	Структурная схема астрокомпаса ДАК-ДБ…………………………….
	3.2	Фотоследящая система астрокомпаса………………………………….
	3.3	Схема выработки креновой поправки………………………………….
	3.4	Схема выработки истинного курса………………..……………………
	3.5	Принцип действия экваториального астрокомпаса……………………
	3.6	Астрономический компас АК-59П……………………………………..
	4. Методы астрономической ориентировки…………………………………..
	5. Автоматические секстанты………………………………………………….
	6. Астроориентаторы горизонтальной системы координат………………….
	7. Методические и инструментальные погрешности астрокомпасов и астроориентаторов……………………………………………………………...
	Лекция №8-13………………………..……………………………………………
	Тема: Радиотехнические измерители навигационных аппаратов
	1. Введение
	2. Радиодальномеры…………………………………………………………….
	2.1	Фазовый радиодальномер……………………………………………….
	2.2	Частотный радиодальномер……………………………………………..
	2.3	Импульсный радиодальномер…………………………………………..
	2.4	Разностно-дальномерные гиперболические навигационные устройства ……………………………………………………………………….
	3. Радионавигационные устройства определения углового положения ЛА..
	3.1	Фазовый радиомаяк……………………………………………………...
	3.2	Фазовый радиопеленгатор………………………………………………
	3.3	Амплитудные радиопеленгаторы………………………………………
	3.4	Амплитудно-фазовые радиопеленгаторы……………………………...
	4. Амплитудно-дальномерная система ближней навигации………………...
	4.1	Дальномерный канал…………………………………………………….
	4.2	Угломерный канал……………………………………………………….
	5. Доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса……………….
	5.1	Навигационный треугольник скорости………………………………...
	5.2	Методы построения ДИСС……………………………………………...
	Лекция№14-16……………………………………………………………………..
тема: Системы счисления пути…………………………………………………..
	1. Аэрометрические вычислительные комплексы…………………………...
	2. Погрешности навигационных автоматов…………………………………..
	2.1	Погрешности, вызванные неполным учетом параметров ветра……...
	2.2	Погрешности навигационных автоматов, вызванные погрешностями определения вектора истинной воздушной скорости…………………
	2.3	Погрешности навигационных автоматов, вызванные погрешностями определения курса……………………………………………………….
	2.4	Инструментальные погрешности навигационных автоматов………...
	3. Доплеровские вычислительные комплексы…………………………….....
Лекция №17-18……………………………………………………………………
тема: Инерциальный системы навигации……………………………………….
	1. Основные принципы инерциальной навигации…………..……………….
	2. Понятие вертикали Земли…………………………………………………...
	3. Основные вопросы практического осуществления системы инерциальной навигации…………………………………………………………………..
	4. Построение вертикали на подвижном объекте. Маятник Шулера……….
	5. Полуаналитическая ИНС……………………………………………………
	6. ИНС полуаналитического типа……………………………………………..
	7. БИНС связанного типа………………………………………………………
	8. БИНС полусвязанного типа(локально свободная)………………………...
	9. Перспективы развития ИНС………………………………………………...
Лекция №19………………………………………………………………………..
тема: Обзорно-сравнительные навигационные комплексы……………………
	1. Общие сведения……………………………………………………………...
	2. Классификация обзорно-сравнительных методов измерения ……………
	3. Навигационное содержание обзорно-сравнительных методов измерения
	4. Обзорно-сравнительные системы навигации
	4.1	Телевизионные системы………………………………………………...
	4.2	Инфракрасные системы…………………………………………………
	4.3	Радиолокационные системы…………………………………………….
	4.4	Астрономические системы……………………………………………...
	4.5	Корреляционно-экстремальные системы………………………………
	4.6	Интегральные обзорно-сравнительные комплексные системы………
Лекция №20………………………………………………………………………..
	тема: Спутниковые системы навигации…………………………………………
	1. Назначение и типы спутниковых радионавигационных систем……………………………………………………………………..................
	2. Принципы навигационных измерений с помощью искусственных спутников Земли……………………………………………………………………..
	3. Факторы, влияющие на точность спутниковых радионавигационных систем……………………………………………………………………………

 

Специальность:		· Системы аэронавигационного обслуживания
Дисциплина:		Системы навигации объектов АРКТ
Курс, семестр, уч. год:		5, весенний (10), 2013/2014
Кафедра:		301 – СУЛА.
Руководитель обучения:		Профессор, к.т.н. Суббота Анатолий Максимович

Лекция №1-3

Тема: Теоретические основы навигации

План лекции:

Ведение

Геонавигационная информация

Форма Земли

Движение Земли

Основные географические точки, линии и круги на земном шаре

Направления на земной поверхности

Ортодромия и локсодромия

Системы земных координат

Курс летательного аппарата

Небесная сфера

Экваториальная система небесных координат

Кульминация светил

Измерение времени по движению небесных светил

3.4 Преобразование небесных координат

Введение

Навигация используется для получения информации о местонахождении и особенностях движения организмов или механических объектов относительно окружающего материального мира. В процессе эволюционного развития человек развивал свои навигационные способности в зависимости от потребностей повседневной жизни. Особенно сложные задачи возникали при движении в безориентирной местности и при вождении кораблей в морских просторах.

Постепенно накапливался опыт судовождения, который и получил название навигации (от лат. navigato – мореплавание, navis – корабль). В современных условиях человек использует навигацию для вождения объектов, движущихся под водой, на воде, по суше, в воздухе и космическом пространстве.

Для осуществления навигации необходимо располагать определенными средствами получения первичной информации, устройствами для ее обработки, некоторым объемом памяти, достаточным запасом сведений об окружающем пространстве и о методах выполнения навигационных измерений. Суть навигационного процесса заключается в том, что с помощью приборов первичной информации измеряются различные физические параметры, зависящие от положения и движения относительно предметов или физических полей. Устройства для обработки информации на основании полученных данных определяют навигационные элементы, характеризующие скорость и координаты местонахождения объекта относительно принятой системы отсчета.

Измеренные навигационные параметры сравниваются с намеченной программой движения. Всякие отклонения от программы преобразовываются в сигналы команд на систему управления движением объекта. Благодаря этому объект может двигаться по заданной траектории с небольшими отклонениями от нее.

Для осуществления управляемого полета на борту летательного аппарата (ЛА) необходимо иметь навигационные устройства, определяющие такие навигационные элементы, как координаты места, значение и направление вектора скорости полета в избранной системе координат, направление на цель, расстояние и длительность полета до нее. Эта информация содержит минимальное количество элементов, необходимых для проведения ЛА по заданной траектории в назначенное время.

Во многих случаях для управляемого полета на борту летательного аппарата необходимо иметь большой объем навигационной информации, включающей дополнительно сведения о форме Земли, о ее магнитном и гравитационном полях, данные о среде, в которой происходит полет (в атмосфере Земли – скорость и направление ветра, температура и давление воздуха и т.д.), об условиях видимости Земли, воздушных целей, небесных светил, о наличии искусственных и естественных помех в работе навигационных устройств.

 

Рисунок 1 Обобщенная структура субкомплекса

На рис. 1 приведена структура субкомплекса, на основе которой могут строиться отдельные навигационные устройства и приборы первичной информации летательных аппаратов. Наличие сопряжения с внешними стандартными интерфейсами позволяет объединять такие приборы в сложные информационные системы.

Воздушная и космическая навигация – наука о методах и технических средствах, обеспечивающих вождение летательных аппаратов из одной точки в другую по траекториям, обусловленным характером задачи и временем ее выполнения, а также условиями и обстановкой полета

Основой успешного самолетовождения является комплексное применение технических средств, когда используется информация не одного какого-либо средства, а нескольких. При этом результаты навигационных измерений, полученных с помощью одних средств, уточняются с помощью других. Экипаж должен выбирать такое сочетание навигационных устройств, которое в данной обстановке обеспечит наибольшую тонность и надежность самолетовождения. Для правильного решения вопросов комплексного применения технических средств самолетовождения необходимо знание принципов работы этих устройств, их возможностей и способов использования для решения различных навигационных задач.

Геонавигационная информация

Форма Земли

 

В настоящее время при решении навигационных задач, не требующих высокой точности, Землю принимают за шар радиусом с длинной окружности экватора . Для более точных навигационных измерений форму Земли приближенно представляют как сплюснутый сфероид (геоид). Точное математическое описание Земли с практической точки зрения неудобно.

Для такой модели длина окружности экватора составляет . сжатие Земли у полюсов незначительное. Поэтому для упрощенного решения задач самолетовождения Землю принимают за шар, равновеликий по объему эллипсоиду Красовского. Возникающие при этом ошибки не превышают в определении расстояний и в определении углов.

 

Рисунок 2 Эллипсоид Красовского

В практике картографирования и навигации применяются различные модели Земли. В США используется эллипсоид Кларка, в европейских странах – эллипсоид Бесселя. В России за модель Земли принят эллипсоид Красовского (рис. 2) со следующими размерами: большая полуось (экваториальный радиус) , малая полуось (полярный радиус) , эллиптичность (сжатие) .

 

Движение Земли

 

Земля совершает суточное вращение относительно инерциального пространства с угловой скоростью в час. Затем совершает годовое движение вокруг Солнца по эллиптической орбите. Полный оборот вокруг Солнца происходит в течении звездного года продолжительностью суток.

Плоскость земного экватора наклонена к плоскости орбиты на угол . Земля представляет собой гигантский гироскоп, ось которого медленно прецессирует в инерциальном пространстве. Земная ось движется по образующей конуса в западную сторону. Угол, составляемый образующей конуса с перпендикуляром к плоскости орбиты, равен .

Период обращения земной оси по конусу прецессии составляет около лет. Кроме прецессии наблюдаются нутационные колебания оси вращения Земли с амплитудой и периодом года.

Земля вместе с Солнечной системой совершает спиралевидное движение в пределах Галактики, производя один оборот вокруг центра Галактики за миллионов лет с тангенциальной скоростью около .

 

Ортодромия и локсодромия

 

Путь самолета между двумя точками на карте может быть проложен по ортодромии или локсодромии. Ортодромией называется дуга большого круга, являющаяся кратчайшим расстоянием между двумя точками и на поверхности земного шара (рис. 6). Ортодромия пересекает меридианы под различными углами вследствие схождения меридианов у полюсов. Экватор и меридианы являются частными случаями ортодромии. Через две точки на земной поверхности можно провести только одну ортодромию.

 

Рисунок 6 Ортодромия и локсодромия

Условились путь самолета по ортодромии указывать ортодромическим путевым углом (), заключенным между северным направлением меридиана и линией заданного пути в начальной точке ортодромии. Полет по ортодромии с помощью магнитного компаса выполнять нельзя, так как в этом случае необходимо было бы изменять направление полета самолета от меридиана к меридиану, что осуществить практически невозможно. Поэтому такой полет выполняется с помощью специальных курсовых приборов – гирополукомпаса или курсовой системы.

 

В качестве исходных данных для математического расчета длины ортодромии служат географические координаты ее исходного и конечного пунктов (точки и на рис. 6). Эти координаты определяются с точностью до минуты по соответствующим справочникам. Длина пути по ортодромии (в градусах дуги) рассчитываются по формуле

 

,

(3)

 

где и – координаты исходной точки ортодромии;

и – координаты конечной точки ортодромии.

Чтобы получить длину пути ортодромии в километрах, нужно полученной по формуле (3) результат выразить в минутах дуги и умножить на . Ортодромический путевой угол (направление ортодромии в исходной точке маршрута) рассчитывается по формуле

 

,

(4)

 

где – ортодромический путевой угол.

Полет из одной точки в другую по магнитному компасу удобно выполнять с постоянным путевым углом, то есть локсодромии. Локсодромией называется линия, пересекающая меридианы под одинаковыми путевыми углами. Путь самолета по локсодромии называется локсодромическим. Постоянный угол, под которым локсодромия пересекает меридианы, называется локсодромическим путевым углом.

На поверхности земного шара локсодромия имеет вид пространственной логарифмической спирали, которая огибает земной шар бесконечное число раз, и с каждым оборотом постепенно приближается к полюсу, но никогда не достигает его (рис. 6). Путь по локсодромии всегда длиннее пути по ортодромии. Только в частных случаях, когда полет происходит по меридиану или по экватору, длина пути по локсодромии и ортодромии будет одинаковой. Если пункты перелета не очень удалены друг от друга, то разность пути по ортодромии и локсодромии незначительна. Разность также мала и при больших расстояниях полета, если маршрут проходит под углом не более к меридиану. При больших расстояниях между пунктами перелета, и особенно при направлении маршрута, близким к или , разность между расстояниями по ортодромии и локсодромии достигает больших значений.

2. 6 Системы земных координат

 

Основными навигационными системами координат являются:

· географическая;

· ортодромическая;

· прямоугольная;

· полярная.

Географическая система координат рассмотрена выше. Она является частным случаем географической, когда полюсы системы совпадают с географическими полюсами земного эллипсоида.

Ортодромическая система координат также является сферической системой, но с произвольным расположением полюсов. Она применяется в качестве основной системы координат в автоматических навигационных устройствах. В этой системе за основные оси координат приняты две ортодромии, что и определило ее название. Ортодромия, совмещенная с линией заданного пути (или с осью маршрута), называется главной и принимается за ось . Она является как бы условным экватором.

– ортодромическая широта; – ортодромическая долгота; – геоцентрический радиус-вектор – геоцентрическая широта; – геоцентрическая долгота полюса ортодромии

– гринвичский меридиан; – экватор; – ортодромия; – начальный ортодромический меридиан; – точка нахождения ВС; – полюс ортодромии; , – северный и южный географические полюсы

Другая ортодромия, перпендикулярная главной, проводится через точку начала отсчета координат и принимается за ось . Эта ортодромия представляет собой условный меридиан. Положение любой точки на земном шаре в этой системе указывается двумя ортодромическими координатами и , которые обычно выражаются в километрах.

Прямоугольная система координат является плоской системой. координаты оси и этой системы представляют собой две взаимно перпендикулярные прямые, относительно которых определяется положение любой точки на плоскости. Небольшие сферические участки Земли практически совпадают с плоскостью, касательной к точке этого участка.

Полярная система координат является сферической системой. В этой системе положение точки в пространстве определяется тремя величинами:

· расстояние от точки, принятой за начало отсчета ; · углом между вертикалью и направлением радиус-вектора, идущего к точке ; · углом в горизонтальной плоскости между исходным направлением и проекцией радиус-вектора на эту плоскость .

 

Курс летательного аппарата

 

Курсом самолета называется угол, заключенный между северным направлением меридиана, проходящего через самолет и продольной осью самолета. Курс отсчитывается в горизонтальной плоскости от северного меридиана до продольной оси воздушного судна по ходу часовой стрелки от до (рис. 7, рис. 8).

Курс может быть: истинным, магнитным, компасным в зависимости от меридиана, от которого отсчитывается.

Курс ВС определяется и выдерживается с помощью магнитного или астрономического компаса.

 

Рисунок 7 Курсы самолетов

Рисунок 8 Правило пересчета курсов

 

Различают:

· истинный курс () – угол, отсчитанный от плоскости географического меридиана;

· магнитный курс () – угол, отсчитанный от плоскости магнитного меридиана;

· компасный курс () – угол, отсчитанный от плоскости компасного меридиана;

· – угол, отсчитанный от произвольно выбранной плоскости.

Связь между этими углами определяется уравнениями:

 

; ; .

(5)

 

где – магнитное склонение;

– магнитная девиация.

В аэронавигации, помимо понятия курса, существует понятие курсового угла (), которым называется угол, отсчитанный по часовой стрелке (от до ) от горизонтальной проекции продольной оси летательного аппарата до горизонтальной проекции линии, соединяющей летательный аппарат с наблюдаемым с него объектом.

Перевод курсов.

Магнитный компас определяет направление от магнитного и компасного меридианов. На карте направления определяют от истинного меридиана. Правила перехода осуществляют переход либо графически (рис. 9) либо аналитически.

 

Рисунок 9 Графический перевод курсов	Аналитический перевод курсов
;
;
;
;
;
;
;
.

 

Небесная сфера

 

Вспомогательная воображаемая сфера бесконечно большого радиуса называется небесной сферой. В зависимости от предназначения небесной сферы ее центр может совпадать с глазом наблюдателя, с центром Земли, с центром Луны, Солнца, планет. Небесная сфера (рис. 10) имеет ряд характерных точек, линий, кругов.

Линия, в которой устанавливается свободноподвешенный отвес, называется отвесной линией. Точки пересечения отвесной линии с небесной сферой называются зенит () и надир (). Зенит находится над головою наблюдателя. Большой круг (плоскость круга проходит через центр сферы), по которому происходит пересечение плоскости, перпендикулярной отвесной линии (горизонтальной плоскости) с небесной сферой , называют истинным горизонтом. Верхняя часть полусферы называется надгоризонтной, нижняя – подгоризонтной.

 

 

Рисунок 10 Небесная сфера

 

Точка пресечения оси вращения Земли с небесной сферой называются полюсами мира: – северным и – южным. Линия, соединяющая полюсы мира, называется осью мира. Вокруг оси мира происходит видимое суточное вращение небесной сферы, являющееся отражением действительньного суточного вращения Земли вокруг своей оси. Большой круг, по которому происходит пересечение плоскости, перпендикулярной оси мира, с небесной сферой носит название небесного экватора. Небесный экватор делит небесную сферу на северную и южную полусферы.

Большой круг , проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называются небесным меридианом или меридианом наблюдателя. Ближайшая к северному полюсу мира точка пересечения небесного меридиана с истинным горизонтом называется точкой севера истинного горизонта , а ближайшая к южному полюсу мира – точкой юга .

Линия, проходящая через центр небесной сферы и точки севера и юга истинного горизонта, называется полуденной линией. В полдень по местному солнечному времени Солнце находится над этой линией.

Точка пересечения истинного горизонта с небесным экватором называются точками востока и севера .

Большой круг небесной сферы , проходящей через полюсы мира и светило, называется кругом склонения светила, а большой круг , проходящий через зенит, светило и надир – вертикалом светила.

Суточное движение светил происходит по малым кругам, плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора. Эти круги называют суточными параллелями.

Видимый путь Солнца относительно звезд называется эклиптикой.

Эклиптика пересекается с небесным экватором в точках (Овен) и (Весы). Точка , в которой Солнце бывает 21 марта, называется точкой весеннего равноденствия. Точка , в которой Солнце бывает 23 сентября, называется точкой осеннего равноденствия.

Положение светила (или летательного аппарата) на небесной сфере определяется двумя сферическими координатами.

 

Рисунок 11 Видимый путь Солнца относительно звезд – эклиптика

Рисунок 12 Горизонтальные координаты светила – угол скорости вращения небесной сферы

 

Горизонтальные координаты светил – высота и азимут – в течение суток изменяются непрерывно и неравномерно.

Азимут светила – двугранный угол между плоскостью небесного меридиана и плоскостью вертикала светила. Азимут измеряется дугой истинного горизонта , отсчитывается от точки севера на восток от до . Иногда азимут светила отсчитывается от точки севера на запад, в том случае азимут светила называют западным и обозначается . Для одного и того же светила в один тот же момент времени

 

.

(6)

 

Высота светила – угол между плоскостью истинного горизонта и направлением из центра небесной сферы на светило. Высота может принимать значение от до в надгоризонтной полусфере и от до в подгоризонтной полусфере. Иногда вместо высоты пользуются зенитным расстоянием светила угол между отвесной линией и направлением из центра небесной сферы на светило. Зенитное расстояние измеряется дугой вертикали и может принимать значение от до .

Зенитное расстояние дополняет высоту светила до , то есть

 

.

(7)

 

Горизонтальные координаты светила изменяются вследствие видимого суточного вращения небесной сферы и изменения положения наблюдателя в пространстве.

 

Кульминация светил

Явление прохождения светилом небесного меридиана называется кульминацией светила. Различают нижнюю и верхнюю кульминации светила. В верхней кульминации высота светила наибольшая, а в нижней – наименьшая.

 

Высоту светила в момент его верхней кульминации рассчитывают по формуле: . Здесь знак минус перед скобкой берется в том случае, если светило кульминирует между полюсами и зенитом, а знак плюс берется, если светило кульминирует к югу от зенита. – верхняя кульминация светила; – нижняя кульминация светила.

Формула показывает, что если измерить высоту светила в момент верхней кульминации, то зная его склонение, можно получить из этой формулы широту места наблюдателя.

.

Высота светила в момент его нижней кульминации вычисляется по формуле

.

 

Часовой угол светила в момент верхней кульминации , а в момент нижней кульминации .

Промежуток времени между верхней и нижней кульминациями составляет полсуток.

Момент верхней кульминации Солнца называется истинным полднем. Момент нижней кульминации Солнца называется полуночью. Каждая звезда кульминирует всегда на одной и той же высоте над горизонтом. На какой именно это высоте зависит от ее положения на небесной сфере и от широты места наблюдателя.

 

Лекция №4 – 7

Астрокомпасы

Автоматические секстанты

Астр