Лекция 14 комплексные системы навигации, определяющие место самолета в единой системе координат

Ввиду большого количества первичных датчиков, определяющих навигационные параметры в различных условиях полета, необходимости анализа и обобщения результатов измерения этих параметров и обеспечения автоматического управления полетом на современных самолетах применяются комплексные системы навигации, создаваемые на базе центральных вычислителей. Эти системы обеспечивают централизацию процесса измерения, обработки и выдачи информации экипажу или в систему автоматического управления самолетом.

Навигационные устройства определяют место самолета в различных системах координат (географических, ортодромических, полярных и др.), что неудобно при использовании единых навигационных систем. Поэтому объединение различных устройств в комплексные навигационные системы производится на базе единой системы координат.

Приведем формулы, позволяющие производить перерасчет координат точек из одной системы в другую. На рис. 43 изображены различные системы координат для определения места самолета. За одну из осей Xвыбрана ортодромия АЦ, гдеА(с координатамиφ_А,λ_А)—точка вылета; Ц (φ_Ц,λ_Ц)— точка цели. Место самолета — точка К (φ,λ) в ортодромической системе координат

определяется координатами X, Y, гдеY— боковое уклонение от главной ортодромии АЦ. Полюс главной ортодромии находится в точкеР₀(φ₀, λ₀). ТочкаР_N— Северный полюс Земли.

Рис. 43. Схема перерасчета координат места самолета.

Полет самолета из точки К в точку Ц может выполняться через промежуточные пункты маршрута, например, по ортодромии КМ₁в точку M₁(X₁,Y₁). При этом на самолете должны определяться полярные или, как их иногда называют, этапные координаты: дальностьLпо ортодромии и уголΔψ_ДОВдоворота на заданную точку ортодромии.

В точке С(φ_C, λ_C)расположена средняя станция навигационной радиотехнической гиперболической системы, а в точкахС₁иС₂— боковые станции. Гиперболические координаты места самолета, находящегося в точке К, естьρ_Гиα.Точка М представляет собой географическое место светила.

Формулы связи географических координат φ, λместа самолета:

а) с небесными координатами светил

б) с гиперболическими координатами, определяемыми при использовании разностно-дальномерной системы

в) с ортодромическими координатами

г) с полярными («этапными») координатами

Как видно из зарубежной печати, навигационные системы современных летательных аппаратов, создаваемые на базе центральных вычислительных математических машин, должны быть связаны с системой управления летательного аппарата и обеспечивать выдачу сигналов в командные пилотажно-навигационные указатели для ручного управления пилотируемых самолетов. Для определения располагаемого времени полета до цели и располагаемой дальности навигационные системы могут быть связаны с измерительными устройствами топливных систем самолетов.

Включение в навигационную систему вычислительных устройств, способных выполнять некоторые логические операции, позволяет сопоставлять результаты измерения навигационных параметров, получаемых от различных устройств, оценивать их достоверность и назначать некоторые средние значения, имеющие наибольшую вероятность совпадения с истинными величинами. Применение в навигационных системах цифровых вычислительных машин значительно упрощает навигационные датчики первичной информации — каждый из них лишается специализированных вычислителей; например, автоматический астрономический секстант, определяющий место самолета по высотам двух светил, представляет собой в этом случае всего лишь датчик высот этих светил. Возможная блок-схема такой комплексной навигационной системы в самом общем виде представлена на рис. 44.

Центральный вычислитель комплексной схемы навигации позволяет централизовать процесс измерения и обработки информации, получаемой от различных первичных датчиков, и выдать экипажу или в систему автоматического управления летательным аппаратом информацию в наиболее удобной форме на базе принятой единой системы координат.

Примерная блок-схема комплексной навигационно-пилотажной системы с центральным вычислителем приведена на рис. 45. Такая система позволяет определять и выдерживать заданную траекторию и режим полета самолета и периодически контролировать и корректировать их. Кроме того, она дает возможность определять пространственную ориентировку самолета, обеспечивать безопасные условия полета, а также контролировать положение органов управления и приземления самолета.

В систему входят центральные датчики первичных параметров: высоты и скорости полета, курса и места самолета, основанные на различных принципах действия. Кроме того, в комплексную систему поступает информация от измерителей топливной системы самолета. Сигналы этих приборов позволяют привести самолет точно в заданный пункт и в заданное время с минимальным расходом горючего.

В этой системе возможно осуществить взаимную коррекцию навигационных систем и получить наиболее достоверный результат при определении места самолета и курса его следования (или путевого угла).

Центральный вычислитель в этой системе выдает сигналы не только на командные навигационно-пилотажные приборы, но и непосредственно связан с автопилотом. Кроме того, вычислитель выдает сигналы в датчики первичной навигационной информации, необходимые для их нормального функционирования, например, сигналы вертикали — в курсовую систему, автоматический астрономический секстант, доплеровскую систему измерения скорости; значения координат места — в автоматический астрономический секстант, инерциальную систему.

Цифровые вычислительные машины, используемые в качестве центральных вычислителей, работают как счетчики. Входные данные задаются в виде цифр, над которыми производятся арифметические действия согласно определенному алгоритму (правилу), заранее разработанному. Результат вычисления выдается также в цифровой форме. Для работы цифровой машины нужны преобразователи непрерывных (аналоговых) величин в дискретные, а также выходные преобразующие устройства для преобразования дискретных величин в непрерывные. Цифровые вычислительные машины выдают результаты вычислений в виде последовательных значений выходной величины через малые, но конечные интервалы времени. При низком быстродействии выход будет отставать от входа. В связи с этим возникает задача интерполяции и экстраполяции выходных величин.

При использовании цифровой машины в комплексных системах навигации можно повысить инструментальную точность передачи сигналов от первичных датчиков (повышение этой точности теоретически не ограничено и определяется принятым числом двоичных разрядов) и, главным образом, уменьшить величину переменной составляющей ошибки первичных датчиков, что осуществляется в результате оптимальной обработки входной информации. Известно, что параметры, по которым в системах навигации производится счисление пути, являются, вообще говоря, случайными функциями времени, поэтому их обработкой — оптимальным сглаживанием — можно повысить точность счисления.

Если истинное значение какой-либо случайной величины будет X, а результаты ее измерения в моменты времениt₁, t₂, . . . , t_nбудут f_Х(t₁), f_X(t₂), . . . , f_X(t_n),то приближенное значение случайной величины будет

где n— число интервалов, на которое разбито время наблюдения;

A_k — весовые коэффициенты.

Известно, что минимальная дисперсия (σX)²_minопределения величиныX,равная(σX)²_min=M(ΔX)²=[X-Х₀]2М, будет наблюдаться в том случае, если ошибкаΔХ=Х-X₀ не коррелирована со всеми результатами измерения случайной величины. При этом M[(Х-X₀)f_X(t_k)]=0 или

Последнее выражение позволяет получить n+1линейных алгебраических уравнений для определения весовых коэффициентов с помощью вычислительной машины.

Естественно, что (σX)_min=f_σX(n, Т), поэтому можно определить такие значенияnиТ, при которых отношение(σX)_min к средней квадратической ошибке при непрерывном решении задачи достаточно мало и медленно изменяется при дальнейшем увеличенииnиТ; иными словами, отношение

близко к единице.

Оптимальная обработка информации с помощью вычислительной машины, например, при использовании доплеровского измерителя путевой скорости, существенно увеличивает точность счисления по сравнению с обычным непрерывным интегрированием путевой скорости.

Отмечается, что применение в комплексной навигационной системе цифровой машины позволяет придать всей системе ряд новых качеств, а именно:

1) включить в систему элементы «памяти», т. е. при измерении текущего значения параметра сохранить его предшествующее значение;

2) ввести элементы проверки, позволяющие сопоставлять имеющиеся в «памяти» значения навигационных параметров с вновь измеренными значениями, и по величине их изменения косвенно определять достоверность результата для исключения грубых ошибок, автоматического определения необходимых моментов коррекции, выбора наилучших средств коррекции, автоматического определения неисправности какого-либо датчика, перехода к использованию данных другого датчика и т. п.;

3) включить элементы сравнения, позволяющие сопоставить между собой результаты измерения данного параметра различными методами;

4) ввести элементы выбора, позволяющие с учетом степени доверия к тому или иному методу измерения в данных условиях выбрать наиболее достоверное из полученных значений параметра для индикации или выдачи на автопилот.

Блок-схема такой системы приведена на рис. 46. Результаты измерений соответствующего параметра, определенные с помощью основного устройства 1, погрешности которого с течением времени возрастают, и с помощью корректирующих устройств 2, погрешности которых не зависят от времени и пройденного расстояния, через блоки 3 контроля исправности поступают в блоки сравнения 4 и анализа 5. При заданной разнице тех и других измерений осуществляется коррекция основного навигационного устройства.

Последовательность и частота сравнения данных основного и корректирующего устройств определяется специальной программой, вводимой перед взлетом в блок анализа 5. Выбор корректирующего устройства, а также определение момента внесения поправки осуществляется блоком сравнения 4 путем отключения одного из корректирующих устройств и подключения другого. Блок проверки выдает сигналы о неисправности и, когда это необходимо, отключает соответствующие элементы.

Для важнейших параметров, при измерении которых наряду с основными устройствами используются корректирующие, должны быть предусмотрены дополнительные визуальные указатели, подключаемые к корректирующим устройствам и позволяющие сопоставить показания основного и корректирующих устройств, обоснованно решить вопрос о необходимости введения коррекции и выбора корректирующего устройства. Кроме того, иногда необходима система сигнализации о неисправностях различных устройств и ручного выбора средств измерения.

Примером комплексной пилотажно-навигационной системы является система AN/ASQ-42фирмы Сперри (рис. 47), устанавливаемая на стратегическом бомбардировщике В-58 (США). В системуAN/ASQ-42входит инерциальный и доплеровский датчики, астроориентатор, радиолокационный визир (бомбоприцел), радиовысотомеры, индукционный магнитный компас и другие навигационные устройства. Система позволяет определять текущие координаты летательного аппарата, а также курс, путевую скорость, путевой угол, истинную воздушную скорость, высоту и выдает необходимую информацию на автопилот и на бомбардировочную подсистему.

В системе AN/ASQ-42предусмотрена возможность применения не только географической, но и ортодромической систем координат, что позволяет использовать ее в высоких широтах.

В основе системы AN/ASQ-42лежит навигационное вычислительное устройство непрерывного действия, куда поступают данные от доплеровской, астрономической и инерциальной аппаратуры и где непрерывно рассчитываются курс и место самолета, периодически корректируемые с помощью радиолокационного визира (прицела).В комплексной системеAN/ASQ-42решаются следующие задачи:

а) определение места самолета;

б) непрерывное определение путевой скорости (с помощью доплеровской и инерциальной аппаратуры);

в) полуавтоматическая коррекция места самолета;

г) полуавтоматическая коррекция приборных значений высоты и воздушной скорости;

д) автоматическое использование астроориентатора для коррекции места и курса самолета;

е) автоматическое вождение самолета по заданным ортодромическим траекториям в любых широтах;

ж) автоматическая коррекция с помощью радиолокационного визира (прицела);

з) автоматическое фотографирование экрана радиолокационного визира (прицела);

и) расшифровка ориентиров (целей) с помощью карт совмещения;

к) выявление и исправление в полете ошибок в работе отдельных агрегатов системы.

Система состоит из постоянных функционально связанных между собой частных систем и сменной системы. Сменная система зависит от назначения самолета и может предназначаться или для бомбометания, или для разведки, или для радиопротиводействия и т. п.

Рассмотрим основные частные системы. Система центральном вертикали дает ориентировку самолета в пространстве и предназначается для получения данных о продольных и поперечных кренах и курсе, а также для расчета путевой скорости, истинной воздушной скорости и ветра. Информацию об ориентировке самолета в пространстве выдает инерциальная система с горизонтальной платформой, относительно которой и измеряются крены и курс самолета; от той же системы поступают данные о путевой скорости.

Погрешности измерения путевой скорости, накапливающиеся в инерциальной системе, уменьшаются в результате сравнения значений путевой скорости с данными, поступающими от доплеровского измерителя.

Навигационная система вырабатывает географические и ортодромические координаты текущего места самолета. Расчет осуществляется счетно-решающим устройством, куда поступают значения путевой скорости (от системы центральной вертикали) и истинного курса (от курсовой системы). Вектор скорости раскладывается на северную и восточную составляющие в обеих системах координат. Эти составляющие затем интегрируются во времени. Счетно-решающее устройство обеспечивает возможность плавного перехода от одной системы координат к другой. Курсовая система определяет истинный курс самолета в географической и ортодромической системах координат. Система непрерывно рассчитывает курс к пункту назначения (к цели) по данным, получаемым от центральной вертикали. При этом для того, чтобы отсчет курса производился от северного направления меридиана, учитывается текущее значение долготы места самолета и влияние вращения Земли. Полученное значение курса непрерывно корректируется астроориентатором, который измеряет курсовые углы и высоты звезд ночью и Солнца — днем. Разница между вычисленными и измеренными курсовыми углами светил используется для коррекции выдаваемого системой значения курса. Система рассчитывает также ортодромический курс в любом направлении, вырабатывая сигнал ошибки вождения, равный разнице между рассчитанным и фактическим курсами самолета.

Система индикации содержит органы регулировки и индикации элементов, определяемых в главной навигационной системе. Здесь же вырабатывается сигнал, определяющий момент сбрасывания бомб, и выполняются расчеты для других систем; в частности, определяется путевая скорость и путевой угол, а также оставшееся до пункта назначения ортодромическое расстояние. Высота над уровнем моря получается в результате коррекции сигналов от барометрического высотомера по показаниям радиовысотомера.

Курсовые углы и высоты светил, которые должны определяться астроориентатором, рассчитываются в системе по информации, полученной от визирной и курсовой систем. Визирный блок уточняет расчетное место самолета, обеспечивает возможность автоматического совмещения карт по экранному изображению и формирует данные для других подсистем. Рассчитанное место уточняется радиолокационным визиром (прицелом), с помощью которого определяют азимут и наклонную дальность до ориентира. Штурман может уточнить расчетное место, совмещая перекрестие на экране до его совпадения с ориентиром. Автоматическое совмещение карт с экранным изображением осуществляется с помощью вспомогательного радиовизира и экранного фотоаппарата. Последний позволяет при последовательных съемках с экрана ориентиров, расположенных вдоль линии пути, получать карту в виде сплошного изображения полосы вдоль маршрута.

Блок обнаружения и исправления ошибок помогает обнаружить неправильную работу отдельных агрегатов главной, навигационной системы и перейти от ошибочного к правильному способу измерения. Ошибки вскрываются сравнением текущих показаний различных индикаторов с их нормальными показаниями и контролированием выходных данных выбранных устройств.

При неправильной работе астроориентатора курс определяется с помощью индукционного компаса, а при выходе из строя блока центральной вертикали в действие вводится блок вспомогательной вертикали.

Примерами автоматизированных навигационных комплексов с цифровыми вычислителями являются: Ольха, Пижма, Жасмин, КСЦПНО.

Вопросы студентам:

1. Для чего производится перерасчет координат МС?

2. Объясните работу блок-схемы комплексной НПС с ЦВМ.

3. В чем заключается оптимизация обработки информации в НПК с ЦВМ?

4. Опишите особенность комплекса AN/ASQ-42?