2.18 Аппаратура навигации, топопривязки и ориентирования

Определение азимутов и дирекционных углов.

Азимуты и дирекционные углы.

Положение какого-либо объ­екта на местности чаще всего определяют и указывают в по­лярных координатах, то есть углом между начальным (задан­ным) направлением и направлением на объект и расстоянием до объекта.

В качестве начального выбирают направление гео­графического (геодезического, астрономического) меридиана, магнитного меридиана или вертикальной линии координатной сетки карты (рис.77). За начальное может быть принято и на­правление на какой-нибудь удаленный ориентир.В зависимости от того, какое направление принято за начальное, различают географический (геодезический, астрономический) азимутА, магнитный азимутА_м, дирекционный уголи угол положения.

Географический (геодезический, астрономический) азимут— это двугранный угол между плоскостью астрономического меридиана данной точки и вертикальной плоскостью, проходящей в данном направлении, отсчитываемый от направления на север по ходу часовой стрелки.

Магнитный азимут А_м– горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления магнитного меридиана по ходу часовой стрелки.

Дирекционный угол —это угол между проходящим через данную точку направлением и линией, параллельной оси абсцисс, отсчитываемый от северного направления оси абсцисс по ходу часовой стрелки.

Все вышеперечисленные углы могут иметь значения от 0 до 360°.

Угол положения – измеряют в обе стороны от направ­ления, принятого за начальное. Прежде чем назвать угол по­ложения объекта (цели), указывают, в какую сторону (вправо, влево) от начального направления он измерен.

Измерение по карте дирекционных углов и геодезических азимутов выполняют транспортиром, артиллерийским кругом или хордоугломером.

Сближение меридианов.

Сближение меридианов  — это угол в данной точке между ее меридианом и линией, парал­лельной оси абсцисс или осевому меридиану (рис. 78).

Направлению геодезического меридиана на топографической карте соответствуют боковые стороны ее рамки, а также прямые линии, которые можно провести между одноименными минут­ными делениями долгот.

Счет сближения меридианов ведется от геодезического ме­ридиана.

Сближение меридианов считается положительным, ес­ли северное направление оси абсцисс отклонено к востоку от геодезического меридиана, и отрицательным, если это направление отклонено к западу.

Величина сближения меридианов, указанная на топографи­ческой карте в левом нижнем углу, относится к центру листа карты.

Сближение меридианов равно нулю, если точка находится на осевом меридиане зоны или на экваторе. Для любой точки в пределах одной координатной шестиградусной зоны сближение меридианов по абсолютной величине не превышает 3°.

Геодезический азимут направления отличается от дирекционного угла на величину сближения меридианов (рис. 79).

Магнитное склонение.Свойство магнитной стрелки занимать определенное положение в данной точке пространства обуслов­лено взаимодействием ее магнитного поля с магнитным полем Земли.

Направление установившейся магнитной стрелки в горизон­тальной плоскости соответствует направлению магнитного мери­диана в данной точке. Магнитный меридиан в общем случае совпадает с геодезическим меридианом.

Магнитное склонение  – угол между геодезическим меридианом данной точки и ее магнитным меридианом, направленным на север, называется или магнитным склонением (рис. 80.).

Магнитное склонение считается положительным, если север­ный конец магнитной стрелки отклонен к востоку от геодезичес­кого меридиана (восточное склонение), и отрицательным, если он отклонен к западу (западное склонение).

Магнитное склонение изменяется из года в год. Поэтому существует понятие годовое изменение склонения. Таким образом, чтобы рассчитать магнитное склонение в нынешнем году необходимо умножить величину годового изменение склонения на количество лет карты.

Переход от магнитного азимута к дирекционному углу.

На местности при помощи компаса (буссоли) измеряют магнитные азимуты направлений, от которых затем переходят к дирекционным углам на карте (рис.81). На карте, наоборот, измеряют дирекционные углы и от них переходят к магнитным азимутам направлений на мест­ности. Для решения этих задач необходимо знать величину от­клонения магнитного меридиана в данной точке от вертикаль­ной линии координатной сетки карты.

Поправка направления (ПН).– угол, образованный вертикальной линией координатной сетки и магнитным меридианом, представляющий собой сумму сбли­жения меридианов и магнитного склонения.

Он отсчитывается от северного направления вер­тикальной линии координатной сетки и считается положитель­ным, если северный конец магнитной стрелки отклоняется к востоку от этой линии, и отрицательным при западном отклоне­нии магнитной стрелки.

Поправку направления и составляющие ее сближение меридианов и магнитное склонение приводят на карте под южной стороной рамки в виде схемы с пояснительным текстом.

Поправку направления в общем случае можно выразить фор­муллой

ПН=(d) – (±g)

Если на карте измерен дирекционный угол направления, то магнитный азимут этого направления на местности

А_м = a – ( ПН)

Измеренный на местности магнитный азимут какого-либо на­правления переводится в дирекционный угол этого направле­ния по формуле

a = А_м+ (± ПН)

Чтобы избежать ошибок при определении величины и знака поправки направления, нужно пользоваться помещаемой на кар­те схемой направлений геодезического меридиана, магнитного меридиана и вертикальной линии координатной сетки.

При точных измерениях переход от дирекционных углов к магнитным азимутам и обратно выполняется с учетом годового изменения магнитного склонения. Сначала определяют склоне­ние магнитной стрелки на данное время (указанное на карте годовое изменение склонения магнитной стрелки умножают на число лет, прошедших после создания карты), затем получен­ную величину алгебраически суммируют с величиной склонения магнитной стрелки, указанной на карте. После этого переходят от измеренного дирекционного угла к магнитному азимуту по приведенным выше формулам.

Назначение и типы наземной навигационной аппаратуры.Принцип ее работы

Назначение и типы наземной навигационной аппаратуры

Ориентирование путем постоянного сличения карты с местностью в горах, пустыне, лесисто-болотистой и степной местности, где мало ориентиров, затрудненно и требует много времени. Кроме того, ориентирование затрудняют ограниченный обзор местности из боевой машины, слабая освещенность карты, стесненные ус­ловия, Поэтому возрастает роль технических средств ориентирования, автоматизирующих этот процесс. К техническим средствам ориентирования относится наземная навигационная аппаратура, которой оснащены многие виды боевых и специаль­ных машин. Она используется главным образом при действиях подразделений в бою и совершении марша на местности, бедной ориентирами, в условиях ограниченной видимости и ночью.

Кроме ориентирования навигационная аппаратура в комплек­се с имеющимися в машине угломерным устройством и дально­мером позволяет осуществлять топогеодезическую привязку боевых позиций, определять координаты целей, наносить на карту не обозначенные на ней дороги, колонные пути, границы районов разрушений, завалов, участков радиоактивного и химического заражения, районов затоплений и пожаров на местности.

Современную наземную навигационную аппаратуру по уст­ройству подразделяют на три типа:

• гирополукомпасы,

• координаторы

• курсопрокладчики.

Название типа навигационной аппа­ратуры происходит от имеющегося в ней счетно-решающего уст­ройства. Гирополукомпастакого устройства не имеет. В аппара­туре, второго типа оно называетсякоординатором, в аппаратуре третьего типа —курсопрокладчиком.

Гирополукомпас (ГПК)предназначен для выдерживания направления движения.

Координатор предназначендля непрерывной автомати­ческой выработки прямоугольных координат местоположения машины и курса ее движения, а также направления на конечный пункт движения и расстояния до него. Координатор является одним из основных приборов танковой навигационной аппара­туры (ТНА) различных модификаций.

Курсопрокладчикпредназначен для непрерывной ав­томатической выработки координат местоположения машины, курса ее движения, а также для вычерчивания на топографиче­ской карте пройденного машиной пути. Курсопрокладчик имеет несколько модификаций.

В топогеодезических подразделениях широкое при­менение получили специальные машины, основное оборудование которых составляет навигационная аппаратура с курсопроклад­чиком. Такие машины называются топопривязчиками. Они пред­назначаются прежде всего для выполнения топогеодезической привязки по карте стартовых и огневых позиций, пунктов, пос­тов и позиций технических средств разведки. Топопривязчики могут также использоваться для вождения колонн войск ночью и других условиях, трудных для ориентирования.

Принцип работы навигационной аппаратуры

Воснове рабо­ты навигационной аппаратуры использовано свойство сохранять неизменным направление оси вращения в пространстве быстро-вращающегося тела, масса которого равномерно распределена относительно оси вращения. Этим свойством обладает гиро­скоп— один из важнейших узлов навигационной аппаратуры.

Простейшим примером гироскопа является волчок. При быстром вращении ось волчка остается неподвижной. С уменьшением скорости вращения волчка его ось начинает совершать колеба­ния.

Устройство гироскопа (рис.82). Гиро­скоп состоит из ротора 1 и карданного подвеса. При работе гироскопа его ротор (тяжелый симметричный махо­вик) с большой скоростью вра­щается вокруг оси X, закреплен­ной на подвижной внутренней рамке 2. Эта рамка, в свою оче­редь, может вращаться вокруг осиY, закрепленной на наруж­ной рамке 3, Наружная рамка вместе с внутренней рамкой и ротором может вращаться вокруг осиZ, которая прикреплена на шарикоподшипниках к основанию 4. Таким образом, ротор ги­роскопа имеет возможность сво­бодно вращаться вокруг трех осей, то есть имеет три степени свободы вращения. Такой гиро­скоп называется трехстепенным.

Система двух подвижных рамок и закрепленной в них оси вращения ротора образует карданный подвес. Ось X, вокруг которой вращается ротор, называется главной осью гиро­скопа, а оси подвесаYиZ— соответстведно осями чувст­вительности и прецессии. Неподвижная точка О на­зывается точкой подвеса. В современных гироскопах ис­пользуется, как правило, ротор специального электрического двигателя — гиромотора.

Свободный гироскоп при быстром вращении ротора приобре­тает два важных свойства:

1. Главная ось свободного гироскопа стремится сохранит заданное ей направление в пространстве. Будучи направленной на какую-либо звезду, главная ось некоторое время не изменя­ет этого направления при перемещении основания гироскопа. Это свойство называется свойством стабилизации. Оно положено в основу при создании гирокомпаса — прибора, пред­назначенного для автономного определения астрономических азимутов ориентирных направлений. Гирокомпасы используют­ся при работе с навигационной аппаратурой.

2. Главная ось гироскопа под действием внешней силы от­клоняется (прецессирует) в плоскости, перпендикулярной к на­правлению приложенной силы, Это свойство называется свой­ством прецессии.

С

II

вободный гироскоп удерживает свою главную ось неподвиж­ной в заданном направлении лишь в инерциальном простран­стве, то есть по отношению к звездам. Относительно ориентиров на земной поверхности главная ось гироскопа вследствие вращения Земли постоянно смещается. Это смещение обычно называ­юткажущимся уходом гироскопа, так как в действительности основание гироскопа вместе с Землей вращается относительно неподвижной в пространстве оси гироскопа.

Рассмотрим это явление более подробно. Пусть в начальный момент времени ось гироскопа горизонтальна и расположена в плоскости экватора, то есть ориентирована в направлении вос­ток— запад (рис.83, положение I). Земля вследствие суточ­ного вращения через некоторый промежуток времени повернет­ся на определенный уголβ. Главная ось гироскопа по его пер­вому свойству (свойству стабилизации) останется параллельной своему первоначальному положению, но с плоскостью го­ризонта она составит уголβ.

Рассмотрим случай, когда гироскоп установлен на Северном полюсе (рис. 83,. положение II). Главная ось гироскопа го­ризонтальна и направлена на какой-нибудь ориентир. Через оп­ределенный промежуток времени, вследствие вращения. Земли ориентир переместится на определенный угол и займет другое положение. Положение главной оси гироскопа по свойству ста­билизации останется неизменным. Следовательно, азимут на­правления на ориентир будет постоянно возрастать и за 24 ч изменится на 360°, а главная ось гироскопа относительно пло­скости горизонта сохранит свое первоначальное положение.

Когда гироскоп находится между полюсом и экватором, с течением времени изменяются азимут направления главной оси гироскопа и ее положение относительно плоскости горизонта. На величину изменений кроме суточного вращения Земли влия­ют также несбалансированность гироскопа и трение в подшип­никах.

Свойства гироскопа проявляются тем лучше, чем больше его марса и скорость вращения ротора. Ось вращения в таком слу­чае более устойчиво сохраняет заданное направление в прост­ранстве. Поэтому при изготовлении гироскопов стремятся обес­печить возможно большее число оборотов ротора в единицу вре­мени.

При решении навигационных задач главная ось гироскопа должна не только быть неподвижной в пространстве, но и со­хранять заданное направление относительно наземных ориенти­ров, то есть она должна отклоняться (прецессировать) с угловой скоростью, равной вертикальной составляющей скорости враще­ния Земли на данной широте места гироскопа.

В навигационной аппаратуре это достигается специальными корректирующими устройствами: азимутальным— для устранения ухода глав­ной оси гироскопа по азимуту игоризонтирующим— для удержания ее в плоскости горизонта.

Преимущество гироскопа по сравнению с магнитной стрел­кой компаса заключается в том, что он не подвержен влиянию магнитного поля Земли и устойчиво работает в машине, райо­нах магнитных аномалий и на больших широтах, где часто про­исходят магнитные бури.

Понятие о гироскопическом ориентировании

При работе с навигационной аппаратурой важное значение имеет точное определение дирекционного угла продольной оси машины на исходной и промежуточных точках маршрута. Даже незначительные погрешности определения дирекционного угла приводят к существенным ошибкам в координатах.

Дирекционный угол может быть определен различными спо­собами. Одним из наиболее перспективных является гироскопи­ческий способ. Поэтому в некоторых комплектах навигационной аппаратуры имеются специальные приборы —гирокомпасы, ис­пользуемые в качестве вспомогательных приборов для опреде­ления на местности дирекционных углов направлений.

Основой гирокомпаса служит маятниковый двухстепенной гироскоп, центр тяжести которого совмещен с вертикальной осьюZи расположен ниже точки подвеса. В отличие от трехстепен­ного двухстепенной гироскоп имеет одну ось подвеса и лишен механической свободы вращения вокруг горизонтальной осиY.

Система, состоящая из гироскопа и маятникового устройства, называется чувствительным элементом гирокомпаса. В качестве подвеса чувствительного элемента используют токопроводящую и незамерзающую жидкость или торсион (стальную нить). В положении I(рис. 84) ось гироскопа горизонтальна и находится в плоскости экватора. Линия, проходящая через точ­ку подвеса и центр тяжести С, совпадает с отвесной линией в точке расположения гирокомпаса. Реакция подвеса и сила тя­жести Р находятся на одной прямой и направлены в противо­положные стороны, то есть не образуют момента вращения. Че­рез некоторый промежуток времени вследствие вращения Земли чувствительный элемент займет положениеII. В этом случае возникает маятниковый момент, который вызывает прецессию главной оси гироскопа вокруг вертикали, так как вертикальная линия, проходящая через точку подвеса, не будет совпадать с направлением силы тяжести.

Таким образом, главная ось гироскопа будет поворачивать­ся в горизонтальной плоскости в направлении север — юг, стре­мясь к плоскости астрономического меридиана. При этом угло­вая скорость прецессии будет прямо пропорциональна внешнему моменту

Когда главная ось гироскопа будет проходить через плос­кость астрономического меридиана данной точки, угол β, составленный этой осью и плоскостью горизонта, будет максимальным, следовательно, будут максимальными внешний момент и скорость прецессии.

Когда один из концов главной оси гироскопа окажется по другую сторону астрономического меридиана, угол βначнет уменьшаться, вызывая уменьшение угловой скорости прецессии. При определенном значении углаβ, которое называется компен­сирующим, скорость прецессии становится равной скорости вра­щения Земли. В этот момент главная ось гироскопа будет не­подвижна относительно земных ориентиров. С последующим уменьшением скорости прецессии видимое движение гироскопа станет обратным, то есть главная его ось начнет сближаться с астрономическим меридианом. По мере сближения уголβуве­личивается, следовательно, станет увеличиваться и скорость прецессии.

Таким образом, сила тяжести и суточное вращение Земли вызывают незатухающие гармонические колебания главной оси маятникового гироскопа, симметричные относительно плоскости астрономического меридиана.

Крайние точки, в которых наблюдается прекращение дви­жения и главная ось гироскопа изменяет направление движения на противоположное, называются точками реверсии. Вре­мя, в течение которого совершается одно полное колебание оси гироскопа, называется периодом колебания. Период колебания в основном зависит от географической широты места (по мере удаления от экватора период колебания увеличивается). Это объясняется тем, что масса тела изменяется в зависимости от географической широты и по мере удаления от экватора увеличивается.

Устройство навигационной аппаратуры с координатором

Навигационная аппаратура с координатором состоит из курсовой системы, датчика пути, координатора и курсоуказателя. В некоторых ее модификациях имеются индикаторный планшет и координатор цели. В комплект навигационной аппа­ратуры входят также вспомогательные приборы и инструменты.

Курсовая система состоит из гироскопического курсоуказателя, пульта управления и преобразователя тока.

Гироскопический курсоуказательпредназначен для измере­ния углов поворота машины. Основу его составляют трехсте­пенной вакуумный гироскоп, устройства азимутальной и гори­зонтальной коррекции и двухканальный сельсин-датчик следя­щей системы передачи величины дирекционного угла в коорди­натор.

Компенсация ухода главной оси гироскопа относительно зем­ных ориентиров вследствие вращения Земли в гирокурсоуказателе осуществляется устройством азимутальной коррекции. На­пряжение, подаваемое на обмотку корректора, вызывает пре­цессию наружной рамки гироскопа относительно оси Z, по ве­личине и направлению противоположную фактическому уходу главной оси гироскопа.

С изменением географической широты места изменяется и крутящий момент. Он создается электродвигателем в гирокурсоуказателе автоматически после широтной балансировки, осу­ществляемой с пульта управления.

Устройство горизонтальной коррекции состоит из жидкост­ного маятникового переключателя и моментного электродвига­теля горизонтальной коррекции.

Ротор сельсина-датчика жестко связан с наружной рамкой гироскопа, а статор — с корпусом машины. Это обеспечивает измерение углов поворота машины.

Для обеспечения стабильности электрических и механичес­ких параметров в гирокурсоуказателе имеется система обогре­ва, которая автоматически включается при температуре ни­же 0⁰ С.