3. Пилотажно-навигационный комплекс (пнк)

Ги­ро­ско­пи­че­ские пи­ло­таж­но-на­ви­га­ци­он­ные при­бо­ры.

Авиа­ци­он­ные ги­ро­ско­пи­че­ские при­бо­ры пред­на­зна­че­ны для из­ме­ре­ния про­стран­ст­вен­но­го по­ло­же­ния и уг­ло­вых ско­ро­стей ЛА, уг­ло­вых ско­ро­стей не­ко­то­рых бор­то­вых уст­ройств (на­при­мер, при­це­лов), про­стран­ст­вен­ной ста­би­ли­за­ции ря­да уст­ройств на бор­ту ЛА (аэ­ро­фо­то­ап­па­ра­тов, ан­тенн пе­лен­га­то­ров и др.). Ги­ро­ско­пы при­ме­ня­ют­ся так­же в ка­че­ст­ве ба­зо­вых эле­мен­тов инер­ци­он­ных на­ви­га­ци­он­ных сис­тем и ком­плек­сов.

Ги­ро­скоп пред­став­ля­ет со­бой (рис. 5, а) сим­мет­рич­ный бы­ст­ро вра­щаю­щий­ся ро­тор Р, ус­та­нов­лен­ный в кар­да­но­вом под­ве­се, со­стоя­щем из внут­рен­ней (ВР) и на­руж­ной (НР) ра­мок. Оси внут­рен­ней и внеш­ней ра­мок ус­та­нов­лены на под­шип­ни­ках. Карданный под­вес обес­пе­чи­ва­ет вра­ще­ния ро­то­ра во­круг глав­ной оси OZ (ось соб­ст­вен­но­го вра­ще­ния) и осей OX и OY. Та­кой ги­ро­скоп на­зы­ва­ет­ся трех­сте­пен­ным. Ес­ли от­сут­ст­ву­ет од­на из ра­мок, то ги­ро­скоп на­зы­ва­ет­ся двух­сте­пен­ным (рис. 5, б).

Рис. 5. Схемы, поясняющие устройство: а – трехстепенного гироскопа;

б – двухстепенного гироскопа

В ги­ро­при­бо­рах ро­тор и внеш­няя рам­ка объ­е­ди­не­ны в од­но уст­рой­ст­во, ко­то­рое на­зы­ва­ет­ся ги­ро­мо­то­ром (ГМ). В ка­че­ст­ве ГМ ис­поль­зу­ют­ся трех­фаз­ные дви­га­те­ли, пи­тае­мые на­пря­же­ни­ем 36 В 400 Г_ц.

Ос­нов­ны­ми свой­ст­ва­ми трех­сте­пен­но­го ги­ро­ско­па яв­ля­ют­ся:

1. Ус­той­чи­вость к им­пульс­ным на­груз­кам и

2. Пре­цес­си­он­ное дви­же­ние под дей­ст­ви­ем мо­мен­та внеш­них сил.

При от­сут­ст­вии мо­мен­тов внеш­них сил глав­ная ось ги­ро­ско­па со­хра­ня­ет не­из­мен­ным свое по­ло­же­ние в инер­ци­он­ном про­стран­ст­ве. Это свой­ст­во по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить с по­мо­щью ги­ро­ско­пов по­ло­же­ние ЛА по от­но­ше­нию к плос­ко­стям ме­ст­но­го го­ри­зон­та и ме­ри­диа­на.

В двух­сте­пен­ном ги­ро­ско­пе глав­ная ось с дву­мя сте­пе­ня­ми сво­бо­ды по­во­ра­чи­ва­ет­ся в на­прав­ле­нии си­лы, дей­ст­вую­щей от­но­си­тель­но оси рам­ки, кро­ме то­го эта ось стре­мит­ся со­вмес­тить­ся по крат­чай­ше­му пу­ти с век­то­ром уг­ло­вой ско­ро­сти вра­ще­ния ос­но­ва­ния, на ко­то­ром он ус­та­нов­лен. С по­мо­щью двух­сте­пен­но­го ги­ро­ско­па мож­но оп­ре­де­лить на­прав­ле­ние раз­во­ро­та и уг­ло­вые ско­ро­сти вра­ще­ния ЛА.

Уг­ло­вое по­ло­же­ние ЛА от­но­си­тель­но го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти ха­рак­те­ри­зу­ет­ся уг­ла­ми кре­на , тан­га­жа  и рыс­ка­ния . Из­ме­ре­ние уг­лов кре­на и тан­га­жа про­из­во­дит­ся с по­мо­щью ги­ро­вер­ти­ка­лей (на­при­мер, авиа­го­ри­зон­тов), а уг­ла рыс­ка­ния - ги­ро­по­лу­ком­па­сов.

Авиа­го­ри­зонт пред­став­ля­ет со­бой ги­ро­вер­ти­каль с ука­за­ни­ем по­ло­же­ния ЛА от­но­си­тель­но плос­ко­сти го­ри­зон­та.

Авиа­го­ри­зонт со­сто­ит из ги­ро­дат­чи­ка и од­но-двух ука­за­те­лей го­ри­зон­та. Ги­ро­дат­чик пред­став­ля­ет со­бой трех­сте­пен­ной ги­ро­скоп с вер­ти­каль­но рас­по­ло­жен­ной глав­ной осью и ма­ят­ни­ко­вой кор­рек­ци­ей. В слу­чае на­ру­ше­ния пер­пен­ди­ку­ляр­но­сти ме­ж­ду глав­ной осью и осью на­руж­ной рам­ки в дат­чи­ке воз­ни­ка­ет сиг­нал рас­со­гла­со­ва­ния. Под дей­ст­ви­ем это­го сиг­на­ла дви­га­тель-ге­не­ра­тор раз­вер­нет сле­дя­щую рам­ку вме­сте с на­руж­ной рам­кой до вос­ста­нов­ле­ния ука­зан­ной пер­пен­ди­ку­ляр­но­сти. На­пря­же­ния, про­пор­цио­наль­ные уг­лам кре­на и тан­га­жа, сни­ма­ют­ся с со­от­вет­ст­вую­щих сель­син-дат­чи­ков и по­сту­па­ют на ин­ди­ка­тор.

Для удер­жи­ва­ния глав­ной оси по ли­нии ме­ст­ной вер­ти­ка­ли ис­поль­зу­ет­ся сис­те­ма ма­ят­ни­ко­вой кор­рек­ции.

Ги­ро­по­лу­ком­пас ис­поль­зу­ет­ся для ви­зу­аль­но­го из­ме­ре­ния уг­ла рыс­ка­ния ЛА (уг­ла от­кло­не­ния от за­дан­но­го на­прав­ле­ния по­ле­та) и вы­да­чи ин­фор­ма­ции о его ве­ли­чи­не на ука­за­тель.

Ос­но­вой ги­ро­по­лу­ком­па­са яв­ля­ет­ся трех­сте­пен­ный кор­рек­ти­руе­мый ги­ро­скоп с осью на­руж­ной рам­ки, па­рал­лель­ной нор­маль­ной оси ЛА. Для удер­жа­ния глав­ной оси ги­ро­ско­па в плос­ко­сти го­ри­зон­та ис­поль­зу­ет­ся ма­ят­ни­ко­вая кор­рек­ция.

Для оп­ре­де­ле­ния уг­лов на­прав­ле­ния раз­во­ро­та ЛА от­но­си­тель­но нор­маль­ной (вер­ти­каль­ной) оси и уг­лов сколь­же­ния ис­поль­зу­ют­ся элек­три­че­ские ука­за­те­ли, со­стоя­щие из ги­ро­ско­пи­че­ско­го ука­за­те­ля по­во­ро­та и ма­ят­ни­ко­во­го ука­за­те­ля сколь­же­ния.

Чув­ст­ви­тель­ным эле­мен­том ука­за­те­ля по­во­ро­та яв­ля­ет­ся двух­сте­пен­ной ско­ро­ст­ной ги­ро­скоп, спо­соб­ный реа­ги­ро­вать на уг­ло­вую ско­рость вра­ще­ния ос­но­ва­ния.

Двух­сте­пен­ные ги­ро­ско­пы ис­поль­зу­ют­ся так­же в ка­че­ст­ве дат­чи­ков уг­ло­вых ско­ро­стей (ДУС), вы­ра­ба­ты­ваю­щих элек­три­че­ские сиг­на­лы, про­пор­цио­наль­ные уг­ло­вым ско­ро­стям тан­га­жа, кре­на и рыс­ка­ния.

Для обес­пе­че­ния за­дан­ной ори­ен­та­ции ря­да уст­ройств в про­стран­ст­ве слу­жат ги­ро­ста­би­ли­за­то­ры. Ста­би­ли­зи­руе­мое уст­рой­ст­во (ан­тен­на, аэ­ро­фо­то­ап­па­рат и др.) раз­ме­ща­ет­ся на ги­ро­ста­би­ли­зи­руе­мой плат­фор­ме. За­дан­ная ори­ен­та­ция плат­фор­мы обес­пе­чи­ва­ет­ся ги­ро­ско­па­ми.

Сис­те­мы элек­трон­ной ав­то­ма­ти­ки. Сис­те­мы элек­трон­ной ав­то­ма­ти­ки обес­пе­чи­ва­ют по­лу­ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­ное и ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­ное управ­ле­ние по­ле­том ЛА. К сис­те­мам элек­трон­ной ав­то­ма­ти­ки от­но­сят­ся:

• кур­со­вые сис­те­мы, оп­ре­де­ляю­щие по­ло­же­ние ЛА в го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти;

• сис­те­мы кур­са и вер­ти­ка­ли, оп­ре­де­ляю­щие по­ло­же­ние ЛА от­но­си­тель­но Зем­ли;

• на­ви­га­ци­он­ные сис­те­мы, вы­чис­ляю­щие те­ку­щие ко­ор­ди­на­ты ме­сто­по­ло­же­ния ЛА;

• сис­те­мы ав­то­ма­ти­че­ско­го управ­ле­ния, обес­пе­чи­ваю­щие уг­ло­вую ста­би­ли­за­цию ЛА и управ­ле­ние дви­же­ни­ем его цен­тра масс и др.

В со­став со­вре­мен­ных сис­тем элек­трон­ной ав­то­ма­ти­ки ЛА, как пра­ви­ло, вхо­дят ЭВМ.

Кур­со­вые сис­те­мы и сис­те­мы кур­са и вер­ти­ка­ли. Кур­со­вые сис­те­мы слу­жат для оп­ре­де­ле­ния кур­са ЛА. Кур­сом на­зы­ва­ет­ся угол ме­ж­ду не­ко­то­ры­ми на­прав­ле­ния­ми в го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти и про­ек­ци­ей на эту плос­кость про­доль­ной оси ЛА. В за­ви­си­мо­сти от вы­бо­ра на­ча­ла от­сче­та раз­ли­ча­ют сле­дую­щие ви­ды кур­са (рис. 6):

ис­тин­ный (_и), от­счи­ты­вае­мый от се­вер­но­го на­прав­ле­ния гео­гра­фи­че­ско­го ме­ри­диа­на;

маг­нит­ный (_м), от­счи­ты­вае­мый от се­вер­но­го на­прав­ле­ния маг­нит­но­го ме­ри­диа­на;

ги­ро­ско­пи­че­ский (_г), от­счи­ты­вае­мый от глав­ной оси не­кор­рек­ти­руе­мо­го ги­ро­по­лу­ком­па­са.

Рис. 6. Схема, поясняющая виды курса

Ос­нов­ным из­ме­ри­те­лем кур­со­вой сис­те­мы яв­ля­ет­ся ги­ро­по­лу­ком­пас. Объ­е­ди­не­ние в од­ну сис­те­му не­сколь­ких раз­но­род­ных дат­чи­ков по­зво­ля­ет по­вы­сить точ­ность из­ме­ре­ния кур­са и на­дежность ра­бо­ты сис­те­мы в це­лом.

На вы­со­ко­ма­нев­рен­ных ЛА с не­ог­ра­ни­чен­ным диа­па­зо­ном уг­лов кре­на и тан­га­жа на­хо­дит при­ме­не­ние кур­со­вая сис­те­ма се­рии КСИ. Эта сис­те­ма по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить курс ЛА, кур­со­вые уг­лы и пе­лен­ги ра­дио­стан­ций, а так­же вы­дать сиг­на­лы кур­са и от­кло­не­ний от за­дан­но­го кур­са по­тре­би­те­лям.

Сис­те­ма КСИ мо­жет ра­бо­тать в од­ном из трех ре­жи­мах: ги­ро­по­лу­ком­па­са (ГПК), маг­нит­ной кор­рек­ции (МК) и ас­тро­но­ми­че­ской кор­рек­ции (АК). Ос­нов­ным яв­ля­ет­ся ре­жим ГПК. В этом ре­жи­ме уход ги­ро­ско­па по ази­му­ту не пре­вы­ша­ет 2 за 30 ми­нут по­ле­та.

На тя­же­лых ЛА ис­поль­зу­ют­ся кур­со­вые сис­те­мы ти­па ТКС-П. Так как уг­лы тан­га­жа ма­ло­ма­нев­рен­ных тя­же­лых ЛА не пре­вы­ша­ют 10-15, то ухо­ды ги­ро­ско­пов не пре­вы­ша­ют 0,5-0,8 гра­ду­са в час.

Сис­те­мы кур­са и вер­ти­ка­ли (СКВ) слу­жат для из­ме­ре­ния трех уг­лов про­стран­ст­вен­но­го по­ло­же­ния ЛА: кре­на, тан­га­жа и кур­са. Эти уст­рой­ст­ва вы­пол­ня­ют функ­ции как кур­со­вых сис­тем, так и ги­ро­вер­ти­ка­лей (авиа­го­ри­зон­тов).

На­ви­га­ци­он­ные сис­те­мы.

На­ви­га­ци­он­ные сис­те­мы слу­жат для вы­чис­ле­ния те­ку­щих ко­ор­ди­нат ЛА. Ли­ния дви­же­ния ЛА в про­стран­ст­ве на­зы­ва­ет­ся тра­ек­то­ри­ей, а про­ек­ция тра­ек­то­рии на по­верх­ность Зем­ли - мар­шру­том по­ле­та.

В на­стоя­щее вре­мя за­да­чи на­ви­га­ции ре­ша­ют­ся в ос­нов­ном по­зи­ци­он­ным спо­со­бом и спо­со­бом счис­ле­ния пу­ти.

Сущ­ность по­зи­ци­он­но­го спо­со­ба за­клю­ча­ет­ся в оп­ре­де­ле­нии ме­сто­по­ло­же­ния ЛА и из­вест­ных то­чек (ра­дио­мая­ков, све­тил, ори­ен­ти­ров и др.). На этом ме­то­де ос­но­ва­ны сис­те­мы ра­дио­тех­ни­че­ской и ас­тро­но­ми­че­ской на­ви­га­ции и ви­зу­аль­ной ори­ен­ти­ров­ки.

Сущ­ность спо­со­ба счис­ле­ния пу­ти со­сто­ит в вы­чис­ле­нии те­ку­щих ко­ор­ди­нат ЛА по из­ме­ре­ни­ям ве­ли­чи­ны и на­прав­ле­ния ско­ро­сти дви­же­ния и ко­ор­ди­нат ис­ход­но­го пунк­та мар­шру­та (ИПМ).

Оп­ре­де­ле­ние ско­ро­сти дви­же­ния ЛА мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся из­ме­ри­те­ля­ми воз­душ­ной ско­ро­сти (ИВС), до­п­ле­ров­ски­ми из­ме­ри­те­ля­ми ско­ро­сти (ДИСС) и инер­ци­он­ны­ми на­ви­га­ци­он­ны­ми сис­те­ма­ми (ИНС). На­прав­ле­ние дви­же­ния ЛА мо­жет оп­ре­де­лять­ся кур­со­вы­ми при­бо­ра­ми.

В за­ви­си­мо­сти от ис­поль­зуе­мых из­ме­ри­те­лей раз­ли­ча­ют кур­со-воз­душ­ные, кур­со-до­п­ле­ров­ские и инер­ци­аль­ные сис­те­мы на­ви­га­ции.

В кур­со-воз­душ­ных и кур­со-до­п­ле­ров­ских сис­те­мах счис­ле­ния пу­ти про­из­во­дит­ся ин­тег­ри­ро­ва­нием пу­те­вой ско­ро­сти по­ле­та ЛА от­но­си­тель­но Зем­ли. Пу­те­вая ско­рость вы­чис­ля­ет­ся как гео­мет­ри­че­ская сум­ма ис­тин­ной воз­душ­ной ско­ро­сти и ско­ро­сти вет­ра или оп­ре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью доплеровского измерителя скорости и угла сноса.

Сущ­ность инер­ци­аль­но­го ме­то­да на­ви­га­ции за­клю­ча­ет­ся в оп­ре­де­ле­нии ско­ро­сти ЛА для ал­го­рит­мов счис­ле­ния пу­ти пу­тем ин­тег­ри­ро­ва­ния со­став­ляю­щих век­то­ра ус­ко­ре­ния цен­тра масс ЛА, из­ме­ряе­мых с по­мо­щью ак­се­ле­ро­мет­ров. Прин­цип дей­ст­вия ак­се­ле­ра­то­ра ос­но­ван на за­ко­нах клас­си­че­ской ме­ха­ни­ки Нью­то­на.

Про­стей­ший ак­се­ле­ро­метр со­сто­ит из гру­за мас­сой m, ко­то­рый кре­пит­ся к пру­жи­не. Дру­гой ко­нец пру­жи­ны при­кре­п­лен к ос­но­ва­нию при­бо­ра. При дви­же­нии ос­но­ва­ния в на­прав­ле­нии оси пру­жи­ны с ус­ко­ре­ни­ем к гру­зу бу­дет при­ло­же­на си­ла инер­ции =m . В ре­зуль­та­те че­го груз бу­дет пе­ре­ме­щать­ся в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном век­то­ру . Од­на­ко на груз бу­дет дей­ст­во­вать об­рат­ная си­ла пру­жи­ны _пр = С_пр _x (С_пр - ко­эф­фи­ци­ент же­ст­ко­сти пру­жи­ны, _x - ве­ли­чи­на пе­ре­ме­ще­ния гру­за), ко­то­рая урав­но­ве­сит си­лу инер­ции. При этом пе­ре­ме­ще­ние _x бу­дет про­пор­цио­наль­но из­ме­ряе­мо­му ус­ко­ре­нию. Ве­ли­чи­на _x мо­жет быть пре­об­ра­зо­ва­на в элек­три­че­ский сиг­нал.

Для уст­ра­не­ния влия­ния зем­но­го ус­ко­ре­ния ак­се­ле­ро­мет­ры ус­та­нав­ли­ва­ют­ся на ги­ро­ста­би­ли­зи­ро­ван­ных плат­фор­мах.

Доцент кафедры

Д. Корабейников