Лабораторная работа: «Астрономический компас»

Цель работы - изучить основы астрономического метода измерения курса и устройство астрокомпаса.

Общие сведения

Астрономические компасы измеряют истинный или ортодромический курс самолета путем пеленгации небесных светил с учетом вращения Земли и координат места. С помощью астрокомпасов можно измерять курсы в любых районах Земли, на любых скоростях полета. Астрокомпасы применяются самостоятельно или в той или иной форме входят в комплект курсовой системы либо бортовой навигационной системы. Они могут применяться как эталонные курсовые приборы.

Географические координаты на 3емле

Географическими координатами местоположения летательного аппарата на земной поверхности являются широта φ и долгота λ. Через ось вращения Земли проводят систему плоскостей, пересекающих земную поверхность по окружностям больших кругов, называемых меридианами. Система плоскостей, перпендикулярных земной оси, пересекает поверхность Земли по окружностям малых кругов, называемых параллелями. Экватор (параллель, плоскость которой проходит через центр Земли) принят за нулевую параллель. За нулевой меридиан принят меридиан, проходящий через астрономическую обсерваторию в Гринвиче близ Лондона.

Угол или дуга экватора между меридианом данной точки и нулевым меридианом является координатой точки, называемой долготой λ. Долгота отсчитывается к востоку и западу от гринвичского меридиана от 0 до 180°. Восточную долготу принято считать положительной, западную - отрицательной.

Дуга меридиана (или соответствующий угол) между экватором и параллелью данной точки называется широтой точки φ. Широта отсчитывается к северу (положительная шрота) от экватора и к югу (отрицательная широта). Значение широты изменяется от 0 до 90º.

Небесная сфера. Основные точки, углы и плоскости

Применение сферических систем небесных координат предусматривает необходимость введения некоторой вспомогательной сферы бесконечного большого радиуса - небесной сферы. За ее поверхность спроектированы все небесные светила независимо от их расстояния от Земли. Центр сферы расположен "в глазу наблюдателя". На рис. 2.1 представлен вид небесной сферы.

Небесная сфера имеет ряд характерных точек, линий, кругов.

Линия, по которой устанавливается свободно подвешенный отвес, называется отвесной линией. Точки пересечения отвесной линии наблюдателя с небесной сферой называют зенит Z и надир Z΄. Зенит находится над головой наблюдателя.

Точки пересечения оси вращения Земли с небесной сферой называют полюсами мира: Р_N - северным и Р_S - южным. Соединяющая их линия называется осью мира. Видимое суточное вращение небесной сферы происходит в сторону, обратную суточному вращению Земли со скоростью ~15º/ч.

Большой круг небесной сферы, проходящий через точки ZSZ΄N, называет небесным меридианом наблюдателя.

Большой круг, по которому горизонтальная плоскость (перпендикулярная линии ZZ΄) пересекается с небесной сферой NESW, называют истинным горизонтом.

Ближайшую к северному полюсу мира точку пересечения небесного меридиана с истинным горизонтом называют точкой севера истинного горизонта, а ближайшую к южному полюсу мира - точкой юга. Линия, проходящая через центр небесной сферы и точки N и S истинного горизонта, называется полуденной линией. Большой круг, по которому плоскость, перпендикулярная оси мира, пересекается с небесной сферой QEQ΄W, носят название небесного экватора. Точки пересечения истинного горизонта с небесным экватором называются точками востока и запада. Плоскости небесного экватора и истинного горизонта наклонены друг к другу под углом 90º – φ (дуга QS).

Большой круг P_NCP_S, проходящий через светило и ось мира, называется кругом склонения (плоскостью склонения) или кругом часовых углов, а большой круг ZСZ' , проходящий через зенит, светило и надир, - вертикалом светила.

Положение светила или летательного аппарата на небесной сфере определяется двумя сферическими координатами. На практике применяют различные системы сферических небесных координат.

Изучаемый астрокомпас называют экваториальным, поскольку в его работе используется экваториальная система небесных координат, основными плоскостями которой являются плоскость небесного экватора и плоскость склонения светила (Солнца).

Соответствующими сферическими координатами, определяющими место положения светила, будут склонение светила (угол δ) и местный часовой угол t_м (дуга MQ). Склонение светила за счет видимого суточного вращения небесной сферы не изменится, так как светило при этом остается в плоскости суточной параллели (q'Сq).

Местный часовой угол определяет взаимное расположение плоскости небесного меридиана (меридиана наблюдателя) и плоскости склонения. Он отсчитывается от точки Q на запад от 0 до 360°.

Для наблюдателя, находящегося на гринвичском меридиане, местный часовой угол называют гринвичским часовым углом t_гр.

За счет видимого суточного вращения небесной сферы часовой угол изменяется равномерно, поэтому его можно выражать не только в угловой мере, но и в единицах времени (часы, минуты, секунды). Если известна долгота наблюдателя λ, то местный часовой угол может быть выражен следующим соотношением:

в котором знак определяется знаком долготы. Величина гринвичского часового угла t_гр может быть взята из соответствующих таблиц Астрономического Ежегодника.

Определение истинного курса в экваториальном компасе

Этот принцип измерения курса основан на моделировании небесной сферы. Известными исходными данными являются географические координаты летательного аппарата φ и λ и гринвичский часовой угол Солнца t_гp, соответствующие местоположению самолета и времени измерения курса.

Пусть на летательном аппарате имеется модель небесной сферы, созданная механическим построителем датчика компаса. Установим прибор по уровню, тем самым его истинный горизонт и отвесную линию совместим с истинным горизонтом и отвесной линией реальной небесной сферы.

Оси вращения плоскости пеленгации модели, сформированной при помощи фоточувствительных элементов, дадим наклон, соответствующий широте места самолета. Таким образом, мы создали на модели небесной сферы ось мира и перпендикулярную ей площадку, являющуюся моделью небесного экватора.

Установим плоскость пеленгации относительно приборного меридиана на угол, равный местному часовому углу t_м Солнца.

Вращая всю модель относительно отвесной линии, добиваемся совмещения плоскости пеленгации с направлением на светило. При этом плоскость пеленгации становится моделью плоскости склонения. Одновременно с этим все остальные плоскости, линии и точки модели совмещаются с соответствующими плоскостями, линиями и точками реальной небесной сферы. Приборная полуденная линия (приборный меридиан) также будет совмещена с реальной полуденной линией, дающей направление меридиана и положение точки севера. Таким образом, в приборе будет смоделировано направление меридиана, что позволит получить курс самолета как угол между северным направлением полуденной линии и продольной осью самолета, для чего необходимо данный прибор (построитель модели небесной сферы) строго ориентировать относительно продольной оси самолета.

Упрошенная электрокинетическая схема экваториального компаса

На рее. 2.2 представлена упрощенная схема компаса.

В блок «Задатчик координат» (ЗК) (см. рис. 2.2 и установку с собранным комплекте» компаса ДАК-Б) вводятся географические координаты φ и λ , а также величина . ЗК связан с датчике курса дистанционными передача:

• следящей системой часового угла - для передачи в датчик курсе местного часового угла t_M, который устанавливается в ЗК как сумма

Электрический сигнал, соответствующий значению t_M , отрабатывается двигателем для поворота плоскости пеленгации относительно приборного меридиана (по­строение модели плоскости склонения). В следящую систему заключен часовой механизм, который корректирует начальное значение t_rf б соответствии с суточным вращением Земли;

Рис 2,2

• дистанционной. передачей широты - для ввода в датчик курса широты местонахождения самолета. Нажатием ключа широты в ЗК включается двигатель , отрабатывающий построение издали плоскости экватора наклоном ее на 90 - φ. Величина введённой -шроты φ контролируется по шкале указывавшего прибора в ЗК, получающего сигнал от датчика угла широта НУ*.;

- следящей системой курса - для слежения за Солнцем. Эта си­стема является фотоэлектрической следящей системой, работающей в режиме автоматического слежения, и содержит в ceбe визирную систему. Нажатием «кнопки поиске» подается напряжение на двигатель, который осуществляет поисковое вращение фотоголовки до момента визирования светила, а далее система переходят в режим автоматического слежения.

Угол курса измеряется потенциометрическим датчиком курса и дистанционно передамся в указатель, установленная на приборной доска пилота.

В комплект астрокомпаса ДАК-Б входят (си. комплект прибора):

1. Датчик курса

2. Задатчик координат.

3. Усилитель.

4. Распределительная коробка.

5. Регулятор чувствительности с кнопкой поиска Солнца.

6. Указатель типа ЦДК-49 (2 шт.).

7. Преобразователь типа ПГ-1Ф.

Основные технические характеристики ДАК-Б

Рабочий диапазон широт +45...+SCP

Рабочий диапазон высот до 17000 и

Диапазон температур -50.. .+50°2

Питание:

постоянный ток 29 В ±10%

переменный ток 36 В, 400 Гц ±10%

Потребляемая мощность не более 150 Вт

Инструментальная погрешность в измерении истинного курса не более 2-4°

Масса комплекта не более 11,5 кг