Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы радиолокации и радионавигации. Учебное пособие.pdf
Проекция траектории полёта на земную поверхность называется ли-
нией пути (маршрутом).
Проекция траектории полёта на вертикальную плоскость называется
профилем полёта.
Точка земной поверхности, над которой находится ЦМ ЛА в теку-
щий момент времени, называется его местоположением (МП ЛА).
В настоящее время при характеристике самолётовождения различают
двухмерную, трёхмерную и четырёхмерную навигацию.
Для двухмерно
й навигации характерно задание и выдерживание
только маршрута полёта.
В трёхмерной навигации – задание и контроль траектории полёта.
Для четырёхмерной навигации необходимы жёсткая «привязка» траектории ко времени и контроль текущего времени прохождения точек
маршрута.
Основной задачей воздушной навигации является вывод ЛА по оптимальной траектории в заданную точку или область пространства в заданный моме
нт времени. Решение этой общей задачи подразделяется на
ряд частных задач:
– выбор и расчёт оптимальной траектории ЛА и временных характеристик движения;
– измерение основных навигационных параметров (НП) ЛА;
– сравнение результатов определения навигационных параметров с
заданными или расчётными значениями и выработка корректирующих
команд (сигналов), обеспечивающих движение ЛА, с целью решен
ия ос-
новной навигационной задачи;
– непосредственное воздействие на органы управления ЛА.
Для определения навигационных параметров в процессе полётов ЛА
применяют различные технические средства навигации, которые в соответствии с используемыми в них физическими принципами работы можно
условно разделить на четыре основные группы.
1.
Геотехнические средства, использующие геофизические поля
Земли (магнитное поле, гравитационное поле, изменение атмосферного
давления с высотой, зависимость давления воздуха от скорости полёта
и т.д.). К этой группе относятся магнитные компасы, барометрические
высотомеры, указатели воздушной скорости, гироскопические навигационные приборы, инерциальные системы, определённые типы корреляционно-экстремальных навигационных систем и т.п.
2.
Радиотехнические средства, основанные на использовании зако-
номерностей и свойств распространения в пространстве радиоволн. К ним
относятся дальномерные, угломерные, угломерно-дальномерные, разностно-дальномерные системы, бортовые радиолокационные станции (РЛС),
доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДИСС) и т.п.
51
3. Астрономические средства, использующие световое или радиоизлучение небесных тел, закономерное изменение взаимного положения Земли и различных небесных светил. Они включают в свой состав астрокомпасы, секстанты, астроориентаторы, радиоастрономические приборы и др.
4.
Светотехнические и другие визуальные средства обеспечения
воздушного движения, к которым относятся световые маяки, посадочные
огни, прожекторы, бортовые огни, цветовые сигнальные знаки (полотнища), сигнальные ракеты, лазерные системы посадки (СП) и др.
Каждая из перечисленных групп имеет свои особенности, положительные и отрицательные свойства, поэтому они используются, как правило, в комплексе. Ко
мплексное использование различных средств навигации позволяет компенсировать недостатки одних преимуществами других средств.
В радиотехнических средствах навигации решение задач навигации
основывается на использовании электромагнитных полей и определённых
закономерностей распространения электромагнитных волн радиотехнического диапазона в пространстве и времени, а именно:
– скорость распространения радиоволн в свободном пространстве
постоянна и равна
с = 299 961 км/с;
– радиоволны распространяются прямолинейно в свободном про-
странстве и однородных средах, а вдоль поверхности Земли в дальней зоне – по ортодромии;
– радиоволны при своём распространении, встречая препятствия и
неоднородности, отражаются от них или рассеиваются во все стороны.
Изменения параметров радиосигнала радиотехнических средств навигации, а именно фазы, амплитуды, частоты, вре
менного интервала, информируют о навигационных параметрах, например: дальности до объекта, его угловом положении, скорости и ускорении перемещения, которые
в дальнейшем используются для решения различных задач навигации.
Радиотехнические методы и средства навигации можно классифици-
ровать:
1) по типу определяемого навигационного параметра;
2) по типу измеряемого (информативного) параметра радиосигнала,
используемого для оп
ределения НП;
3) по назначению;
4) по способу определения МП ЛА.
По типу определяемого навигационного параметра радионавигационные методы и средства подразделяют на угломерные (пеленгационные),
дальномерные, разностно-дальномерные, измерители линейных (радиальных) и угловых скоростей и комбинированные (позволяющие совместно
определять различные навигационные параметры).
По типу измеряемого (информативного) параметра радиосигнала
различают фазовые, амплитудные, частотные и вр
еменные методы и ра-
диотехнические средства навигации.
52
По назначению радиотехнические средства навигации подразделяют
на системы:
– посадки;
– предупреждения столкновения;
– глобальные, т.е. неограниченной дальности действия, позволяю-
щие определять место ЛА в любой точке земного шара или в околоземном
пространстве;
– дальней навигации – для полётов ЛА на расстояние до 2500...3000 км
от радионавигационных точек (РНТ), относительно которых определяются пространственно-вр
еменные координаты ЛА;
– ближней навигации – для полётов ЛА на расстояние до 350... 450 км
от РНТ.
По способу определения МП ЛА РТСН подразделяются на три типа:
1)
РТСН, с помощью которых МП ЛА определяется способом линий
(поверхностей) положения;
2)
РТСН, обеспечивающие определение МА ЛА способом счисле-
ния пути;
3)
РТСН, обеспечивающие МП ЛА обзорно-сравнительными спосо-
бами.
РТСН характеризуются тактико-техническими характеристиками.
Тактическими называют характеристики системы, определяющие её
функциональные возможности при практическом применении.
К основным тактическим характеристикам относят:
– зону (область) действия или рабочую зону системы, заданную
сектором обзора (поиска) по измеряемым параметрам объекта;
– время обзора (поиска) заданного сектора или ско
рость обзора;
– определяемые параметры (координаты), их число и точность измерения;
– разрешающую способность;
– пропускную способность;
– помехозащищённость;
– надёжность.
Зоной действия или рабочей зоной системы называют область пространства, в которой она надёжно выполняет свои функции, соответствующие её назначению. Одним из параметров, определяющих рабочую
зону, является дальность действия системы. Под да
льностью действия
системы понимают максимальное расстояние, на котором обеспечивается
получение заданных показателей системы.
Временем обзора (поиска) называют время, необходимое для одно-
кратного обзора заданной зоны действия системы.
Точность системы характеризуется погрешностями при измерении
координат и параметров движения объекта. Причинами погрешностей являются несовершенство применяемого метода измерения и аппаратуры,
влияние внешних усло
вий и радиопомех, субъективность оператора.
53
Разрешающей способностью системы называют способность раздельного измерения параметров двух или нескольких близко расположенных в пространстве объектов. Различают разрешающую способность по
дальности, угловым координатам и по соответствующим составляющим
скорости.
Пропускная способность характеризуется числом объектов, обслуживаемых системой одновременно или в единицу времени.
Помехозащищённость – способность РТСН надёжно выполнять заданные функции в усло
виях воздействия непреднамеренных и организованных помех. Помехозащищённость определяется скрытностью работы
системы и её помехоустойчивостью.
Под скрытностью системы понимают показатель, характеризующий
трудность обнаружения её работы и измерения основных параметров излучаемого радиосигнала, а следовательно, и создания специально организованных (прицельных) помех.
Надёжность – свойство объекта сохранять во времени в определённых пре
делах значения всех параметров, характеризующих способность
выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
К основным техническим характеристикам радиосистемы относятся
параметры, непосредственно определяющие её тактические характеристики. Основными техническими характеристиками РТСН являются:
– метод обзора и измерения координат и параметров движения
объекта;
– раб
очие частоты, стабильность, мощность, вид модуляции, шири-
на спектра излучаемых колебаний;
– форма, ширина, коэффициент направленности антенны;
– чувствительность и полоса пропускания приёмного устройства;
– вид и параметры устройств отображения и съёма информации;
– габариты и масса устройств, составляющих систему, потребляе-
мая ими энергия от источников питания.
В процессе выполнения полёта ЛА необхо
димо определять навигационные элементы (НЭ). В зависимости от физической сущности навигационные элементы (параметры) делятся на четыре группы.
К первой группе относятся НП, характеризующие положение и перемещение центра масс ЛА относительно различных систем отсчёта: координаты ЛА, его линейная скорость и ускорение.
Ко второй группе относятся НП, определяющие перемещение ЛА
отн
осительно его центра масс. Например, угловые координаты объекта в
горизонтальной системе координат (крен, тангаж, рысканье, курс), угловые координаты ЛА относительно вектора скорости (углы атаки, скольжения, сноса и т.п.).
54
К третьей группе относятся НП, определяющие состояние окружающей среды. Например, параметры атмосферы (температура, давление,
скорость ветра), параметры магнитного поля Земли и т.п.
К четвёртой группе относятся НП, характеризующие положение
и перемещение ЛА относительно других объектов (ориентиров, приводных радиостанций, радиомаяков, других воздушных и космических объектов и т.п.).
1.2. НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ
Для определения местоположения ЛА и изучения характера его движения необходимо проанализировать положение ЛА и перемещение относительно другого тела или связанной с ним системы координат.
В зависимости от масштабов перемещений ЛА системы отсчёта могут быть местными, глобальными и космическими.
Местные системы координат используются в качестве систем отсчёта при ср
авнительно небольших перемещениях. По своей форме они могут быть прямоугольными, цилиндрическими и сферическими. Такие системы координат находят широкое применение при счислении пути на расстояния десятков и сотен километров (≤ 1000 км), при управлении ЛА в
период взлёта и посадки, при определении местоположения относительно
ориентиров, целей, промежуточных пунктов маршрута (ППМ) и т.п.
Начало (то
чка
О) системы координат OXYZ (рис. 1.2) располагают
в точке установки радионавигационной аппаратуры. Данную точку называют радионавигационной точкой (РНТ). Направление оси
OX совмещают
с северным направлением (Север) меридиана, проходящего через радионавигационную точку, в которой установлена наземная радионавигационная аппаратура. Ось
водят в горизонтальной плоскости перпендикулярно осям
OY направляют по местной вертикали, а ось OZ про-
OY и OХ таким
образом, чтобы образовалась правая ортогональная система координат.
Местоположение ЛА в местной сферической системе координат определяется дальностью Д, азимутом θ и углом возвышения (места) β, а в прямоугольной системе – координатами
положение ЛА определяется координатами Д, θ,
x, y, z. В цилиндрической системе место-
у (высотой полёта Н).
В навигации ЛА также используются следующие прямоугольные
системы координат (рис. 1.3):
– нормальная земная система координат (НЗСК)
– нормальная система координат (НСК)
– связанная система координат (ССК)
OXgYgZ
OXYZ.
O0XgYgZ
;
g
;
g
Начало нормальной земной системы координат фиксировано по от-
ношению к Земле, ось
O0 Z
направляются в горизонтальной плоскости в соответствии с решае-
g
O0Y
проходит по местной вертикали, а оси O
g
0 Xg
мой задачей.
,
55
Рис. 1.2. Горизонтальная прямоугольная,
сферическая и цилиндрическая системы координат
Y
g
Y
g
Y
γ
ϑ
X
ϑ
O
ψ
Z
O
0
Z
g
Рис. 1.3. Нормальная земная, нормальная и связанная системы координат
γ
g
ψ
X
g
Z
X
g
Начало нормальной системы координат обычно совмещают с цен-
тром масс ЛА. Оси НСК (
OXgYgZ
) направляются параллельно осям НЗСК.
g
Начало связанной системы координат обычно совмещают с центром
масс ЛА. Оси
ОХ и OY ССК, называемые соответственно продольной и
нормальной осями, лежат в плоскости симметрии самолёта (ЛА), а боковая ось
OZ – перпендикулярно этой плоскости, образуя правую ортого-
нальную систему координат.
56
ССК используется при измерениях, например скорости и угловых
γ
координат навигационными устройствами. НСК является опорной при
определении угловых положений осей ЛА (курса ψ, крена
, тангажа ϑ)
(рис. 1.3).
Глобальные системы координат жёстко связаны с Землёй и применяются для навигации, охватывающей всю или значительную часть земной поверхности. Наиболее распространёнными глобальными системами
координат являются: географическая (или геодезическая), геоцентрическая (геосферическая), а также левая и правая ортодромические системы
координат.
В географической (геодезической) системе координат (рис. 1.4) за
поверхность Земли пр
инимают поверхность эллипсоида вращения. В качестве такого эллипсоида в нашей стране Постановлением Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 г. принят эллипсоид Красовского. Малая полуось эллипсоида Красовского составляет 6 356 863 м, а большая (экваториальный радиус Земли) – 6 378 245 м.
Положение точки
ется геодезическими координатами – геодезической широтой ϕ
зической долготой λ
С на поверхности эллипсоида вращения определя-
и геоде-
г
(рис. 1.4). Геодезической широтой точки называется
г
угол между плоскостью экватора и нормалью к поверхности эллипсоида в
этой точке. Для поверхности в виде эллипсоида вращения нормаль пересекает плоскость экватора в общем случае не в центре. Широта отсчитывается от плоскости экватора к северному (
90° соответственно.
0 до ±
Р
) и южному (РS) полюсам от
N
Геодезической долготой называют двугранный угол, заключённый
между плоскостями Гринвичского (начального) меридиана и местного
меридиана точки
С. Долгота измеряется либо центральным углом в плос-
кости экватора, либо дугой экватора в пределах от 0 до 360°. Долгота, отсчитываемая в восточном направлении, имеет знак плюс, а в западном –
минус.
Трёхмерную систему прямоугольных координат
OXYZ (рис. 1.4)
применяют для решения глобальных задач. Она задаётся тремя ортогональными осями, сориентированными в правой системе координат. Координатные оси
X, Y и Z исходят из одной точки 0, находящейся в начале
системы координат. Система координат связанна с центром Земли и вращается вместе с ней. Ось
ное направление оси
Z совпадает с осью вращения эллипса, а положитель-
X проходит через точку с координатами ϕ
= 0, λг = 0.
г
Хотя поверхность эллипсоида имеет строгое математическое описание, однако формулы, описывающие решение задач воздушной навигации, оказываются сложными. Поэтому модель Земли упрощают, представляя её в виде шара радиусом 6 371 110 м.
57
Рис. 1.4. Географическая (геодезическая) система координат
Рис. 1.5. Геоцентрическая (геосферическая) система координат
Модель Земли, в которой Земля представляется в виде шара, называ-
ется геоцентрической (геосферической) (рис. 1.5). Отсчёт геоцентрической широты (ϕ) производится между плоскостью экватора и направлением радиус-вектора. Способ отсчёта геоцентрической долготы (λ) совпадает со способом отсчёта географической долготы. Для модели поверхности
Земли в виде шара нормаль к поверхности в то
чке С пересекает плоскость
экватора в центре Земли.
Полёты ЛА обычно осуществляются по трассам, представляющим
собой ломаные линии, проходящие через последовательно расположенные исходные (ИПМ), промежуточные (ППМ) и конечный (КПМ) пункты
маршрута (рис. 1.6). Прокладку маршрута между ИПМ, ППМ и КПМ производят по ортодромиям, проходящим, как правило, через ИПМ и КПМ.
58
Рис. 1.6. Главная (OХ0Y0) и частная (O1SZ)
ортодромические системы координат
В соответствии с этим различают частные (ЧОСК) и главную (ГОСК) ортодромические системы координат. Начало ГОСК (точка 0 на рис. 1.6) совмещается с КПМ.
В ЧОСК начало координат 0
совмещается с ППМ, находящимся в
1
конце каждого этапа маршрута. На рисунке 1.6 показана ЧОСК для второго этапа маршрута, между ППМ1 и ППМ2. Ось
ортодромией, проходящей от ППМ1 к ППМ2, а ось
О1S совпадает с частной
О1Z – с перпендику-
лярной к ней ортодромией (частным ортодромическим меридианом).
МП ЛА (точка
М) определяется координатами хМ y
в ГОСК и s
М
– в ЧОСК.
М zМ
1.3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
Для определения местоположения ЛА в навигации применяются сле-
дующие методы:
– позиционные, т.е. методы линий (поверхностей) положения (ЛП);
– методы счисления пути;
– обзорно-сравнительные.
Поверхностью положения называется геометрическое место точек
положения ЛА в пространстве, определяемых постоянным значением одного из измеряемых навигационных параметров.
При полёте с фиксированным расстоянием Д от ЛА до наземно
дионавигационной точки поверхностью положения будет полусфера
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
(рис. 1.7). Если зафиксировать высоту полёта
Н, то пересечение плоскости
равных высот с полусферой даст линию положения. Спроектировав эту
кривую на земную поверхность, получим линию равных расстояний (ЛРР).
й ра-
59
Рис. 1.7. Поверхности и линии равных расстояний
Полёт с сохранением одинаковой разности расстояний до неподвижных наземных радионавигационных точек будет совершаться по поверхности гиперболоида (рис. 1.8,
ностью даёт гиперболу (Д
а), пересечение которого с земной поверх-
– ДВ = const) (рис. 1.8, б).
А
В настоящее время используются следующие основные линии положения ЛА: ортодромия, локсодромия, линия равных пеленгов (ЛРП), линия равных углов (ЛРУ), линия равных расстояний (ЛРР), линия равных
разностей расстояний (ЛРРР).
Ортодромией называется линия кратчайшего расстояния между двумя точками на поверхности земного шара. Она является дугой окружности большого круга земного ша
ра и совпадает с линией пеленга.
Локсодромией называется линия, пересекающая меридианы земной
поверхности под одинаковыми углами α
(рис. 1.9). Она представляет со-
А
бой линию положения, вдоль которой при безветрии летит самолёт, если
выдерживается постоянный курс.
ЛРП называется такая линия, в каждой точке которой направление на
определённую РНТ составляет постоянный угол α
с меридианом (рис. 1.10).
0
ЛРУ называется линия, в каждой точке которой угол между направлениями на две неподвижные РНТ является величиной постоянной.
ЛРР есть линия на земной поверхности, все точки которой равноудалены от фиксированной точки
60
О с координатами ϕ
, λ0.
0