книги из ГПНТБ / Селезнев В.П. Инерциальная навигация летательных аппаратов
.pdf
В. П. СЕЛЕЗНЕВ
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В уче&ном пособии рассмотрены элементы теории и уст ройства инерциальных систем навигации, а также принципы построения комплексных систем навигации, которые могут быть применены на самолетах и ракетах.
Главное внимание в книге уделяется систематическому изложению теории гироинерциальных и астроинерциальных систем, которые могут явиться основным средством автоном
ной навигации летательных аппаратов. Устройство инерциаль ных систем навигации дается на примере принципиальных ки
нематических схем, а не конкретных образцов техники.
Книга является учебным пособием для слушателей ВВИА имени проф. Н. Е. Жуковского. Содержание его может быть полезно также для работников авиационной и оборонной промышленности, ВВС и студентов авиационных втузов.
Гбс. публичная
' н й учм о - т о 'ч е •' |
.*> |
-УI Irt ЧЛ-Г?"."» I |
|
бнбоютега' |
|
ЭиЗСМГГ."'" ЧИТАЛЬНОГО С ■*ЛА
В В Е Д Е Н И Е
Для того чтобы провести летательный аппарат по заданной
траектории и в заданное время, надо знать в процессе полета его текущие навигационные параметры:
-- координаты местонахождения, скорости, ускорения и на правление полета в избранной системе координат и в каждый рас сматриваемый момент времени;
■- внешние условия полета: скорость и направление ветра, тем пературу воздуха, условия видимости поверхности земли, воздуш ных целей и небесных светил. Измерение этих параметров осущест вляется сложным комплексом навигационной аппаратуры, вклю чающим в себя измерительные приборы и автоматические устройства. Для выполнения той или иной навигационной задачи используется не только бортовая, но и наземная аппаратура (например, радиотех ническая и светотехническая). На многоместных самолетах, управ ляемых летчиком, требующиеся измерения и вычисления навигаци онных параметров выполняет штурман, на одноместных самоле тах — пилот. Беспилотные летательные аппараты оборудованы автоматическими системами навигации.
Навигация как паука рассматривает методы навигации, теоре тические основы и практическое применение навигационных систем. При этом учитываются также условия полета (метеорологические, географические и др.) и особенности работы навигационных систем в этих условиях. Навигационные системы могут работать в индика торном режиме и в режиме управления. В первом случае получаемая от них информация используется только в целях общей ориентиров ки. Во втором случае навигационная информация используется опе ратором для управления летательным аппаратом вручную или эта информация сообщается в систему автоматического управления
полетом.
В зависимости от дальности полета различают ближнюю нави гацию, обеспечивающую полеты в районе аэродрома и посадку лета тельного аппарата на землю, дальнюю навигацию, применяемую при полетах на маршрутах значительной протяженности и охваты вающих практически всю поверхность земного шара, и космическую навигацию, используемую при полетах космических летательных аппаратов вокруг Земли и в межпланетном пространстве. В зави симости от того, какими средствами и откуда получается навигацион ная информация, все навигационные системы можно разделить на два вида: автономные и неавтономные. Автономные навигационные системы располагаются на летательном аппарате и их работа не за
з
висит от работы наземных радиотехнических средств. В неавтоном ных навигационных системах часть средств также располагается на летательном аппарате, но навигационная информация получается от наземных радиотехнических и других средств. Благодаря развитию в последние годы радиотехники, неавтономные навигационные си стемы достигли высокого уровня совершенства и широко исполь зуются как для ближней, так и для дальней навигации.
Неавтономные системы навигации отличаются весьма высокой точностью измерения навигационных параметров при малых удале ниях от наземных, радиостанций, в связи с чем эти системы удобно применять для ближней навигации. Для выполнения дальних поле тов, охватывающих территории ряда стран, морей или материков, используются радионавигационные "системы навигации (например, гиперболические системы дальней навигации типа «Лоран», «Декка» и др.). Существенным недостатком неавтономных систем навигации является возможность нарушения их работы действием атмосферных электрических помех и особенно организованных радиопомех. Одна ко в мирных условиях, когда причин для создания организованных радиопомех не имеется, радионавигационные системы могут служить одним из основных средств навигации для Гражданского Воздушно го Флота.
Для летательных аппаратов, которые должны летать на любое расстояние в сложных метеорологических условиях и при наличии организованных радиопомех, автономные системы навигации имеют первостепенное значение.
Такие системы во многих случаях не имеют ограничений в даль ности действия, отличаются высокой точностью измерения навига ционных параметров и неуязвимостью в отношении к радиопоме хам. Так, например, астрономические системы навигации не умень шают своей точности при увеличении дальности полета и могут обеспечивать навигацию не только в пределах земного шара, но и в межпланетном пространстве. Для повышения качества и надеж ности автономных систем навигации и расширения области их при менения в них объединяются отдельные различные по принципу действия и свойствам навигационные системы в общую комплекс ную систему.
При объединении стремятся скомпенсировать недостатки одних систем достоинствами других. В результате увеличивается точность и надежность навигационной информации и автоматизируются все процессы измерений. Уровень автоматизации комплексных систем может быть настолько высок, что совершенно исключается участие человека в управлении летательным аппаратом.
Предметом данной книги как раз и является изложение теоре тических основ и устройства автономных систем навигации. Авто номные навигационные системы в зависимости от метода навига ции, положенного в их основу, разделяются на следующие:
— системы воздушного счисления пути, основанные на измере нии величины и направления истинной воздушной скорости и полу
4
чении координат местонахождения летательного аппарата путем интегрирования скорости полета по времени. Измерение скорости и направления ветра, действующего во время полета, производится с помощью других систем навигации;
системы допплеровского радиолокационного счисления пути, использующие эффект Допплера для измерения скорости полета относительно поверхности земли;
системы астрономической навигации, базирующиеся на опре делении координат местонахождения летательного аппарата путем измерения направлений на небесные светила и направления местной вертикали, с учетом вращения Земли;
— гироинерциальные системы навигации, основанные на изме рении ускорений движения летательного аппарата, интегрирование которых по времени дает его скорость полета и координаты место нахождения;
- астроинерциальные системы навигации, использующие аст рономические измерения и измерения ускорений движения летатель ного аппарата с последующим интегрированием по времени, для получения его скорости и координат местонахождения.
Кроме перечисленных, принципиально возможны другие методы навигации, например изодинамный метод, основанный на определе нии одной линии положения путем измерения напряженности маг нитного поля Земли при известном распределении . этого поля на географических картах.
Навигация по воздушному счислению пути использовалась с мо мента зарождения авиации, возникновение же автоматизированной астрономической навигации и особенно гироинерциальной и астроинерциальной навигации относится к началу 50-х годов. Гироинерци альные и астроинерциальные системы навигации получили свое развитие в связи с появлением летательных аппаратов (самолетов, ракет и космических летательных аппаратов), обладающих высоки ми скоростями, высотами и дальностями полета. В условиях высоких скоростей и высот полета особенно ценны такие положительные качества инерциальных систем навигации, как автономность, воз можность работы при любых скоростях и ускорениях, высокая точ ность и большой объем навигационной информации. Так, например, в существующих инерциальных системах измеряются ускорения, скорости полета, координаты местонахождения, направление мест ной вертикали и курс. Астрономические и астроинерциальные си стемы навигации отличаются от других тем, что погрешности этих систем не накапливаются с течением времени или пройденным лета тельным аппаратом расстояние, в то время как системы воздушного, допплеровского и инерциального счисления пути характеризуются накоплением погрешностей и требуют периодического введения по правок. Несмотря на явные преимущества инерциальных систем по сравнению с другими системами навигации, их практическая реали зация оказалась возможна только в последние годы благодаря зна чительным успехам в области гироскопической техники и радиоэлек
5
троники. Объясняется это тем, что для получения приемлемой инерциальной системы требуется чрезвычайно высокое качество гироскопов и счетно-решающих устройств. Так, например, сравни тельно хороший по своему качеству гироскоп, обладающий уходом 1° за час, вызывает среднюю погрешность гироинерциальной систе мы навигации в измерении скорости, равную ПО км/час. В связи с потребностями инерциальной навигации в последние годы были предприняты в ряде стран, особенно в США и Англии, значительные работы по созданию прецизионных гироскопов и счетно-решающих устройств. В результате этих работ оказалось возможным получить поплавковые гироскопы с весьма высокими характеристиками (на пример, с уходом 0,°1 за час и менее), что поставило проблему со здания инерциальных систем навигации на реальную основу. Ис пользование инерциальных систем связано с рядом трудностей. Перед вылетом необходимо задавать в инерциальную систему на чальные условия: начальные абсолютную скорость полета (с учетом вращения Земли) и координаты места. Погрешности в задании на чальных условий вызывают появление погрешностей в измерении скорости и координат местонахождения летательного аппарата, ко торые меняются по гармоническому закону и не затухают с тече нием времени.
Для устранения погрешностей, вызванных ненулевыми началь ными условиями, необходимо иметь их демпфирование. Эта задача может быть решена при комплексном использовании инерциальных систем навигации совместно с системами навигации, основанными на других методах измерений.
Благодаря комплексному использованию различных средств на вигации, удалось значительно снизить требования к качеству эле ментов конструкции инерциальных систем .и тем самым упростить их производственную реализацию.
Развитие летательных аппаратов позволяет осуществить в бли жайшие годы управляемые межпланетные полеты. Поэтому вполне своевременным является освещение некоторых вопросов автоном ной космической навигации, основанной на использовании астро номических и гироинерциальных методов. Автор весьма признате лен Л. В. Кондратьеву за ряд ценных замечаний и советов, использованных в работе.
Г л а в а 1
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ
§ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Инерциальные системы навигации основаны на измерении ве личины и направления ускорения движения летательного аппарата и получения его скорости и пройденного расстояния путем интегри рования ускорений по времени.
Поскольку измеряемым параметром являются только ускорения движения летательного аппарата, вызванные действием на него внешних сил, то все возмущения и сигналы другой природы, напри мер, радиоизлучения, световые излучения, магнитные поля и т. п.г не воспринимаются инерциальной системой навигации.
Благодаря этому обеспечивается практически абсолютная авто номная навигация летательных аппаратов.
В состав инерциальных систем навигации входят:
а) акселерометры, предназначенные для измерения ускорений движения летательного аппарата;
б) стабилизатор, предназначенный для ориентации акселеромет ров в определенном положении относительно мирового пространства; в) счетно-решающее устройство, выполняющее математические операции интегрирования ускорений и скоростей по времени, вычис ление координат местонахождения, компенсации погрешностей идр. Кроме этого, в состав инерциальных систем навигации могут входить указатели выходных параметров (скорости, местонахожде ния и др.), задатчики исходных величин и начальных значений параметров, органы управления, источники электроэнергии и другие
элементы конструкции.
В основу классификации инерциальных систем навигации мо жет быть взята принятая для построения ориентатора навигацион ная система координат.
По виду навигационной системы координат инерциальные ориентаторы разделяются на две группы:
1)ориентаторы, осуществляющие навигацию в инерциальной системе координат;
2)ориентаторы, осуществляющие навигацию относительно зем
ных систем координат.
Кроме этого, имеются частные отличительные признаки. К та ким признакам относятся:
7
—метод ориентации акселерометров;
—метод ориентации стабилизатора; способ стабилизации осей систем координат;
—способ отсчета координат 'Местонахождения.
Существуют второстепенные отличительные признаки, такие, как способ компенсации погрешностей, способ демпфирования ко лебаний вертикали и др.
Ориентаторы первой группы осуществляют измерение ускорений движения, составляющих скоростей и координат местонахождения летательного аппарата по направлениям осей инерциальной системы координат.
Ориентаторы второй группы осуществляют измерение ускоре ний, скоростей полета и координат местонахождения по направле ниями осей земной горизонтальной системы координат. Эта систе ма координат характеризуется тем, что две ее оси располагаются в горизонтальной плоскости, а третья ось совпадает с направлением местной вертикали.
Применение горизонтальной системы координат позволяет использовать только два акселерометра вместо трех, ориентирован ные по направлениям горизонтальных осей. При этом навигация осуществляется в двухмерном пространстве: измеряются координаты местонахождения (например, широта и долгота). Высота полета может быть измерена с большей точностью другими методами из мерений.
Оси чувствительности акселерометров, по направлениям кото рых измеряются ускорения, ориентируются параллельно ос*ям нави гационной системы координат. В соответствии с этим применяется
ориентация акселерометров параллельно осям инерциальной и гори зонтальной систем координат. Сигналы, снимаемые с акселеро метров, соответствуют проекциям вектора ускорения движения на их оси чувствительности.
Методика ориентации стабилизатора аналогична ориентации акселерометров. Стабилизаторы имеют три степени свободы относи тельно летательного аппарата, обеспечиваемые трехстепенным кар данным подвесом.
Системы координат, связанные с акселерометрами и стабили затором, могут совпадать и различаться.
Устойчивость стабилизатора относительно инерциальной или горизонтальной системы координат достигается применением ги роскопов или фотоэлектрических следящих систем за небесными светилами.
По способу отсчета координат местонахождения инерциальные системы навигации разделяются на следующие группы:
а) системы, основанные на счислении пути; б) системы, использующие угломерные измерения;
в) смешанные системы, включающие счисление пути и угломер ные измерения.
Инерциальное счисление пути основано на получении пройден ного расстояния и координат местонахождения путем интегрирова-
»
ния во времени ускорений и скоростей по направлениям осей чувст вительности акселерометров.
Инерциальные угломерные измерения предполагают, что в инерциальной системе навигации определяется направление мест ной вертикали. Устройство, определяющее направление местной вер тикали, носит название «инерциальной вертикали».
Измерение координат местонахождения летательного аппарата определяется как изменение угла поворота инерциальной вертикали
относительно начального положения.
Инерциальная вертикаль может обозначаться геометрически, когда акселерометры ориентируются по осям горизонтальной системы координат, и аналитически, если акселерометры ориентиру ются по осям параллельно инерциальной системе координат.
§ 1.2. НАВИГАЦИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ
Акселерометры измеряют ускорения в горизонтальной плоско сти. Интегрирование по времени этих ускорений дает две составляю щие скорости полета и две координаты местонахождения (широта — долгота или другие виды координат). Третья координата (высота по лета) измеряется инерциальной системой в случаях, когда на лета тельном аппарате имеется дополнительная информация о высоте или вертикальной скорости, получаемая от барометрических или радиотехнических измерительных систем.
Для удержания акселерометров в горизонтальной плоскости применяются гироскопические или астрономические стабилизаторы.
Характерной особенностью является то, что акселерометры со храняют горизонтальное положение автономным способом: выход ные сигналы акселерометров используются для управления угловы ми положениями акселерометров относительно стабилизатора.
Наличие автономной инерциальной вертикали является важным положительным качеством горизонтальных инерциальных систем навигации. Инерциальная вертикаль может быть использована как точный измеритель направления местной .истинной вертикали, необ ходимый для управления угловыми положениями летательного аппа рата. Оси чувствительности горизонтальных акселерометров распо ложены перпендикулярно друг другу и образуют навигационную систему координат.
Стабилизация акселерометров в азимуте осуществляется курсо выми стабилизаторами или курсовыми системами. В качестве курсо вых систем могут быть использованы свободные в азимуте гироско пы, астрономические компасы и единые курсовые системы.
Принцип действия горизонтальных инерциальных систем на вигации в элементарном виде можно показать на примере работы одного канала ориентатора (фиг. 1.1). К гироскопическому стаби лизатору 1, сохраняющему неизменным свое угловое положение от носительно мирового пространства, прикреплена платформа 3 с аксе лерометром 4. Ось чувствительности совпадает с горизонтальной осью координат х. Платформа 3 может поворачиваться относитель
9