2.3. Автономные средства навигации: астронавигация

Астронавигация позволяет определить местоположение и курс движения летательного аппарата по измеренным угловым координатам небесных светил.

Астрономические методы навигации основаны на определении положения известных небесных светил относительно выбранной системы координат. На этом принципе работают авиационные секстанты, астрономические компасы, радиосекстанты и астроориентиры. Для астронавигационных приборов характерны автономность измерения, ограничиваемая только видимостью небесных светил (в приземной области), и высокая точность определения координат места, не зависящая от длительности, дальности, высоты и скорости движения. Поскольку основная задача навигации заключается в проведении объекта по заданной траектории в заданное время, учет хода времени является обязательной составной частью навигационных измерений.

Положение светил на небе определяется аналогично тому, как определяется положение точки на земной поверхности, – долготой и широтой. Вводится вспомогательная небесная сфера с центром в центре Земли, и все светила проецируются на нее. Принимается, что все светила расположены на этой сфере, вращающейся вокруг Земли. Небесный экватор рассматривается как проекция земного экватора на небесную сферу, и точно так же получаются Северный и Южный полюсы мира – как проекции земных полюсов.

К преимуществам астрономических средств относятся их свойства автономности, абсолютной помехозащищенности, возможности применения в любой точке Земли. К недостаткам относится то, что они требуют условий наблюдаемости небесных светил (за исключением радиосекстантов) и, следовательно, не могут быть использованы при полетах в облаках или под ними.

2.4. Автономные средства навигации: навигация методом счисления пути

Навигация методом счисления пути заключается в определении относительных координат местоположения воздушного судна на основе решения (графического или аналитического) кинематических уравнений, описывающих движение центра масс воздушного судна.

Аналитический способ счисления в большинстве случаев применяется в вычислительных устройствах различных навигационных систем и производится автоматически. Графическое же счисление, называемое прокладкой линии фактического пути, выполняется на полетной карте. В обоих случаях определяется приращение пройденного расстояния за время, прошедшее после последнего уточнения (коррекции) места воздушного судна.

Методы счисления пути используются при невозможности или нецелесообразности непрерывного получения абсолютных координат с помощью источников позиционной информации. Счисление пути может осуществляться и непрерывно, но накопление погрешностей счисленных координат требует периодического их уточнения (коррекции счисленных координат) с помощью внешних источников информации.

2.5. Автономные средства навигации: инерциальная навигационная система

Из всех навигационных систем инерциальные навигационные системы (INS – Inertial Navigation System) являются единственными, которые удовлетворяют целому комплексу таких важных требований как универсальность, полная автономность, помехозащищенность и помехоустойчивость.

Инерциальная навигация относится к такому способу определения местоположения в пространстве, при котором не используются данные каких-либо внешних источников. Все чувствительные элементы находятся непосредственно на борту транспортного средства. Инерциальные измерители линейных ускорений - акселерометры установлены на так называемой гиростабилизированной платформе. Эта платформа, используя свойства гироскопа - сохранять неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей чувствительности акселерометров (с точностью до единиц угловых секунд). Измеренные ускорения дважды интегрируются, и, таким образом, получается информация о приращении местоположения подвижного объекта. Объединенные общей задачей определения координат подвижного объекта, гироскопы и акселерометры образуют инерциальную навигационную систему. Помимо этой задачи инерциальная навигационная система поставляет информацию об угловой ориентации объекта: углах крена, тангажа и рыскания (курса) и о скорости объекта. Конструкция современной инерциальной навигационной системы вобрала в себя последние достижения точной механики, теории автоматического управления, электроники и вычислительной техники.

В соответствии с обычной практикой, перед вылетом воздушного судна в бортовую систему управления полетом вводится информация о местоположении воздушного судна, которое определяется с высокой степенью точности. На основе заранее запрограммированного ряда точек пути система наводит воздушное судно вдоль заданной линии пути. Точки маршрута, как правило, программируются до вылета, однако новые точки можно ввести в систему в любое время.

Основным недостатком INS является накопление погрешностей в определении относительных координат места воздушного судна с течением времени после последней коррекции информации, при этом допускается линейный увод воздушного судна от запланированных значений местоположения порядка 2,8 – 3,7 км (1,5 – 2 м. мили) на час полета (хотя на практике зачастую обеспечивается значительно более высокая точность).

Поэтому в комплект навигационного комплекса должны входить средства коррекции, например радиотехнические. Многие системы INS имеют сложное автоматическое оборудование коррекции информации, использующее вожные сигналы двух станций DME и/или VOR. В наиболее сложных системах используется устройство автонастройки, обеспечивающее проверку и ипостоянную коррекцию информации по данным нескольких станций DME, в пределах зоны действия которых находится воздушное судно.

Также необходимо отметить, что значительное число воздушных судов оснащено тремя INS, и, как правило, они работают в так называемом триплексном режиме, обеспечивающем осреднение данных о местоположении, выдаваемом тремя независимыми системами INS. Обычно этот принцип позволяет более точно рассчитать местоположение воздушного судна, поскольку, если данные одной из трех систем значительно отличаются от информации, выдаваемой двумя другими системами INS, эти данные могут быть исключены из процесса осреднения.

Наибольшего эффекта от применения INS удается достичь при совместном использовании INS и спутниковой навигационной системы (об этом будет сказано ниже).