Основы Навигации: Определения и География

Навигация: Определение и Задачи

• Навигация - область, занимающаяся получением данных о движении управляемого объекта.
• Задачи навигации включают: определение координат и скорости объекта, выбор безопасного маршрута, следование этому маршруту с использованием приборов, и анализ возможных ошибок.
• Навигационные системы предоставляют координаты местоположения, вектор скорости, направление к цели, расстояние до цели, данные о Земле, окружающей среде и видимости.

Форма Земли и Основные Географические Объекты

• Земля по форме близка к геоиду, но в навигации используется эллипсоид Красовского для математической точности.
• Основные точки: Северный (Рс) и Южный (Р,) полюса.
• Большой круг образуется пересечением сферы плоскостью через центр Земли.
• Меридиан - большой круг, проходящий через полюса.
• Экватор - большой круг, перпендикулярный оси вращения Земли.
• Параллель - малый круг, перпендикулярный оси вращения Земли.
• Широта - угол от экватора до параллели места (0-90 градусов).
• Долгота - угол между начальным меридианом и меридианом точки (0-180 градусов).

Направления на Земной Поверхности

• Азимут - угол от северного направления меридиана до направления на ориентир (0-360 градусов).
• Путевой угол - угол от северного направления меридиана до направления полета (0-360 градусов), определяет фактическое движение самолета.
• Курс - угол между северным направлением меридиана и продольной осью самолета, определяет направление носа самолета.
• Пеленг - угол между северным направлением меридиана и направлением на радиостанцию.
• Ортодромия - кратчайшее расстояние между двумя точками на Земле.
• Локсодромия - линия, пересекающая меридианы под одинаковым углом.

Системы Земных Координат

• Географическая система определяет положение широтой и долготой.
• Ортодромическая система использует две ортодромии, главную и условный меридиан.
• Прямоугольная система: начало в центре Земли, ось z по оси вращения, x и y в плоскости экватора.
• Полярная система: радиус-вектори два угла (азимут и угол места).

Курс Летательного Аппарата

• Истинный курс(ИК) угол между северным направлением истинного меридиана и продольной осью самолета(0-360)
• Магнитный курс (МК) угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана
• Компасный курс (КК) угол, заключенный между северным направлением компасного меридиана
• Курсовой угол(КУ) угол, заключенный между продольной осью самолета и направлением на ориентир.

Астронавигация и Астрокомпас

• Астрокомпас измеряет истинный курс через пеленгацию небесных светил.
• Недостатки: чувствительность к засветке, радиоэлектронной борьбе, погрешности из-за ИК излучения.
• Принцип: вычисляется азимут по координатам ЛА, измеряется курсовой угол светила, вычисляется истинный курс (ИК=A-КУ).
• Задачи: определение истинного курса по произвольной линии пути или при полете по ортодромии.

Фотоследящая Система Астрокомпаса

• Фотоследящая система обеспечивает ориентацию на Солнце при произвольном стартовом положении.
• Принцип: разность ЭДС фотоэлементов преобразуется в сигнал переменного тока, управляющий поворотом пеленгаторной головки.

Выработка Креновой Поправки в Астрокомпасе

• Производится компенсация креновой погрешности с помощью маятникового корректора.
• Уравнение креновой поправки (ДКУ=sini*tgh, i- угол крена, h - высота светила) решается потенциометрическим устройством.

Определение Истинного Курса в Астрокомпасе

• Азимут и высота светила определяются решением полярного треугольника.
• Алгоритм: вычисление часового угла, формирование значения сигнала, определение высоты светила, вычисление азимута.

Радиотехнические Измерители

• Радиотехнические измерители дополняют информацию о навигационных параметрах.
• Недостатки: зависимость от радиолинии с Землей, помехи, дальность и точность зависят от условий распространения радиоволн.
• Достоинства: независимость от погоды, высокая точность и большая дальность.
• Принцип действия: излучение радиосигнала с информацией о параметре, характеризующем электромагнитное поле.

Радиодальномеры

• Радиодальномер измеряет линейные координаты.
• Принцип: измерение времени прохождения сигнала от передатчика к приемнику (Д=(t2-t1)c=tc).
• Необходима синхронность передатчика и приемника.
• Ошибка измерения расстояния ограничена изменением скорости радиоволн.

Фазовый Радиодальномер

• Определяет параметры по фазе принимаемого сигнала (по фазе несущей или модулирующего сигнала).
• В режиме амплитудной модуляции ответчик изменяет частоту ответного сигнала.

Фазовый Радиомаяк

• Радиомаяк - передающее устройство, характеристики излучаемого сигнала которого зависят от направления излучения.
• Ограничение: при ф > 2л значения повторяются, что ограничивает однозначный диапазон измерений.
• Фазовый радиомаяк передает несущую частоту, промодулированную по частоте или фазе.

VOR (Всенаправленный Азимутальный Радиомаяк)

• Угломерная радионавигационная система, часть системы ближней навигации (с DME), принятой ICAO.
• Азимутальный сигнал передаётся с вращающейся антенной, опорный – ненаправленной антенной.
• ДНА VOR с частотой 30 Гц, фаза зависящая от азимута самолёта.
• VOR работает в УКВ-диапазоне, погрешность 1–3,5°.

TACAN (Американская Система Ближней Навигации)

• Двухканальный метод измерения азимута для повышения точности.
• Частота 9-периодной функции азимутального угла.

Азимутально-Дальномерная Cистема Ближней Навигации (РСБН)

• Автоматизированная система высокой точности в полярной системе координат, измеряющая расстояние и азимут.
• Состоит из наземного и бортового оборудования.
• Решает задачи определения местоположения, параметров навигации, захода на посадку и наблюдения.
• Наземный радиомаяк оснащён вращающейся и ненаправленной антеннами, используется двухлепестковая диаграмма направленности.

Дальномерный Канал РСБН

• Импульсный радиодальномер измеряет время прохождения сигнала до ответчика.
• Генератор на самолёте запускает передатчик, измеритель времени фиксирует ответный сигнал.
• Система использует импульсные сигналы для определения дальности несколькими самолетами.

Угломерный Канал РСБН

• Определяет азимут с помощью вращающейся направленной антенны и опорных импульсов.
• Наземный радиомаяк состоит из направленной и ненаправленной антенн.

Небесная Сфера

• Воображаемая сфера большого радиуса для определения положения объектов.
• Зенит Z и надир Z'- точки пересечения отвесной линии.
• Истинный горизонт- пересекает небесную сферу на плоскости, перпендикулярной отвесной линии.
• Полюса мира (Рс и Рѕ) - точки пересечения оси вращения Земли.
• Небесный меридиан- проходит через полюсы мира, зенит и надир.
• Небесный экватор- круг, перпендикулярный оси мира.
• Круг склонения светила- проходит через полюсы мира и светило.
• Вертикал светила-проходящий через зенит, светило и надир.
• Суточные параллели-малые круги, по которым движутся светила, их плоскости параллельны плоскости небесного экватора.
• Точка севера истинного горизонта-ближайшая к северному полюсу.
• Эклиптика- видимый путь Солнца относительно звёзд.

Горизонтальная Система Координат

• Положение определяется азимутом (А) и высотой (h).
• Азимут измеряется от севера на восток (0-360°).
• Высота измеряется от горизонта (0 до 90°, -90°)
• Зенитное расстояние (z) - угол между линией отвеса и направлением на светило: h + z = 90°.
• Горизонтальные координаты изменяются суточным вращением небесной сферы

Экваториальная система координат

• Описывает положение светила прямым восхождением (α) и склонением (δ).
• Прямое восхождение - измеряется против часовой стрелки (0-360°).
• Склонение - угол между небесным экватором и светилом (от -90° до +90°).
• Местный часовой угол (t)- от точки Q на запад (0-360°).
• Положение публикуется в ежегодниках, изменяется из-за движения, прецессии и нутации.

Навигационный Треугольник Скоростей

• Самолёт движется с воздушной скоростью (V) и скоростью ветра (U), путевая скорость (W) - сумма.
  • Wr, Vr, Ur - горизонтальные проекции скоростей.
  • ИК - истинный курс, бн - направление ветра, УС - угол сноса, УВ - угол ветра.
  • ПУ - путевой угол.
• Формулы связывают эти углы и скорости.

Радиотехнический Метод Измерения Скорости

• Основан на эффекте Доплера - изменение частоты из-за движения относительно передатчика.
• Измеряется радиальная скорость, затем путевая скорость и угол сноса.
• Используется радиолокационная станция на самолете, формула для доплеровского смещения частоты.
• Вычисляется путевая скорость с помощью формулы.

Методы Измерения Угла Сноса (при постоянной путевой скорости)

• Метод Максимума: поворот антенны для максимальной частоты, угол равен углу сноса.
• Метод Минимума: поворот антенны на 90°+УС, частота равна нулю.
• Метод Сравнения Частот: две антенны под углами ±Ѳ, вычисляются путевая скорость и угол сноса.

Аэрометрические Cистемы Счисления Пути

• Координаты определяются по пройденному пути от начальной точки с учётом направления и скорости.
• Проекции путевой скорости на оси меридиана и параллели вычисляются через истинную скорость, курс и скорость ветра(dSm=Wmdt и dSp=Wpdt)

Курсограф

• Путевая скорость разбивается на проекции по оси меридиана и параллели, суммируются данные для построения траектории.
• Навигационный автомат преобразует расстояния в углы(широту и долготу) с учетом размеров Земли.
• Датчик скорости вычисляет истинную скорость, используется условная система координат(где ось ХОУ повернута относительно географической системы на угол карты Шк) и специальные электронные схемы

Инерциальные системы навигации

• Действуют на основе законов классической механики, в частности, 1-го закона Ньютона.
• Инерциальная система отсчёта позволяет однозначно определять ускорение объектов. Ключевые особенности
• Объекты подчиняются механическим законам (инерции, динамики).
• Инерциальными являются системы, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

Принцип работы ИНС

• Зная начальные положения и скорости, а также действующие силы, вычисляется последующее положение объекта

Практическая реализация ИНС

• В системе используются акселерометры, вычислительные устройства для интеграции этих данных.
• Автономна от внешних факторов (видимости). Основные задачи
• Создание точной вертикали с преодолением сложностей от ускорений и инерции.
• Материализация и сохранение неподвижной системы координат.

Понятие вертикали Земли

• Геоцентрическая вертикаль- через центр Земли, гравитационная вертикаль - направление силы тяготения, и угол между еёнаправлением И плоскостью экватора называется гравитационной широтой.
• Связь выражена уравнениями.
• φ1 углол. φ2 географическая широта (угол между линией отвеса и плоскостью экватора)
• C эллиптичность (сжатие) Земли

Классификация инерциальных навигационных систем

• По типу датчиков: однородные(одинаковые датчики), разнородные(разные датчики)
• По ориентации датчиков: аналитические, полуаналитические, геометрические, связанные (бесплатформенные) и полусвязанные (локально свободные)
• По системе координат: прямоугольная, сферическая, цилиндрическая, косоугольная, криволинейная
• По назначению : общей ориентировки, траекторные, полярные, перехвата

Условие невозмущаемой вертикали

• Создание возможно лишь при условии совмещения процессов измерения ускорений и построения точной вертикали.

Построение вертикали на подвижном объекте

• Платформа с акселерометром вращается вокруг оси, гироскоп\терлескоп. -Условие dy/dt=(1/R)Sadt выполняется
• Эффект маятника период 84,4 минуты связан с радиусом Земли (6371 км).
• Маятник всегда в равновесии, из-за точности установки и идеальным элементам

Обзорно-сравнительные навигационные комплексы

• Основана на сравнении наблюдаемой местности\изображений, корректируют навигационные датчики и являются важным Преимущества
• Высокая точность и избыточность информации Недостаток
• Зависимость от видимости.

Виды обзорно-сравнительных систем навигации

• По Типу сигналов: оптические, инфракрасные, радиационные, радиотехнические.
• Активности измерителя: пассивные используют естественные сигналы и активные
• Автономности: ограниченно-автономные использую природные ориентиры и неавтономные зависит от искусственных оиентирах
• Способу отображения\ Числу ориентиров ориениров автоматизации.

Спутниковые системы навигации

• Определяют местоположения с диапазоне 1,5-1,6 ГГца
• Принцип
• Системы - І класса определяют местоположение на борту .ІІ класса- ЛА.
• Активные.Паррсивные.

ИНС основные задачи решаемые ИНС

• Создание точной вертикали. на летательном апарате
• Материализация и сохранение неподвижной (инерциальной) системы.

Классификация инерциальных навигационных систем.

Типы инерциальных навигационных систем Однородные- разные акселерометры

• Разнородные -разные датчики.

Навигационные измерения ИСЗ

• Координаты вычисляються наземные станции.
• Методы навиг
• Дальномерные
• Разностнольные - высокие