Принцип инерциального счисления пути - раздел Образование, Системы координат, применяемые в навигации сферическая, полярная, ортодромическая Инерциальные Навигационные Системы (Инс) Основаны На Измерении Ускорений...
Инерциальные навигационные системы (ИНС) основаны на измерении ускорений ВС по осям системы координат. Ускорения измеряются устройствами, называемыми акселерометрами. Принцип действия акселерометра основан на свойстве инерции. В упрощенном виде акселерометр представляет собой трубку с расположенным внутри нее грузом в виде шарика (рис. 8.15). Если трубка движется с ускорением, направленным по ее оси, то груз вследствие своей инерции смещается в сторону, противоположную ускорению. Смещение тем больше, чем больше ускорение. Если ускорение прекращается, пружина возвращает груз в нулевое положение. Таким образом, измеряя смещение, можно измерять ускорение.
Современные акселерометры обладают высокой чувствительностью и могут измерить ускорение, составляющее одну миллионную от ускорения свободного падения. Если бы тело из состояния покоя начало движение с таким ускорением, то оно сдвинулось бы на один миллиметр лишь через 15 секунд.
Рис. 8.15. Акселерометр
Два акселерометра расположены в горизонтальной плоскости и ориентированы на север-юг и восток-запад. Они предназначены для измерения ускорений по этим направлениям. Третий расположен вертикально (рис. 8.16).
Из физики и математики известно, что ускорение является производной от скорости, то есть характеризует быстроту ее изменения. Соответственно, скорость – это производная расстояния. Операцией, обратной дифференцированию (взятию производной), является интегрирование. Следовательно, если значение производной (измеренное ускорение) известно, то после его интегрирования получим скорость, а после интегрирования скорости получим пройденное расстояние (рис. 8.17).
Рис. 8.16. Счисление в сферической системе координат
Пусть aN и aE – измеренные ускорения по направлениям на север и восток, WN и WE – составляющие путевой скорости, SN и SE – пройденные расстояния по этим же направлениям. Тогда
(8.4)
(8.5)
Современные ИНС осуществляют счисление в географической системе координат, то есть определяют широту и долготу. Если принять Землю за сферу, то текущие широта φ и долгота λ (в радианах) могут быть определены как:
(8.6)
где R – радиус Земли,
φ0, λ0 – начальные координаты ВС.
Интегрирование и все прочие расчеты выполняются входящими в состав ИНС цифровыми вычислителями (микропроцессорами).
Таким образом, как бы ни был ориентирован самолет в пространстве, то есть, какими бы ни были курс, крен и тангаж, для счисления пути должны использоваться ускорения в системе координат, жестко связанной с Землей. В зависимости от того, каким образом обеспечивается выполнение этого условия, ИНС можно разделить на две группы:
- основанные на использовании гироплатформы (будем их называть традиционными ИНС),
- бесплатформенные ИНС.
Первыми в 40-е годы ХХ века были разработаны и на протяжении пятидесяти лет совершенствовались традиционные ИНС. В этих системах акселерометры установлены на основе, называемой гироплатформой. Гироплатформа на протяжении всего полета должна располагаться строго горизонтально и ориентирована по направлению меридиана. В этом случае акселерометры независимо от поворотов ВС всегда ориентированы по осям системы координат, связанной с Землей − один акселерометр ориентирован на север, второй на восток и третий вверх.
Гироплатформа удерживается в нужном положении с помощью гироскопов – в принципе таких же, которые рассматривались в главе о гироскопических курсовых приборах, но гораздо более точных, имеющих малый собственный уход.
В последней четверти прошлого века стали развиваться бесплатформенные ИНС, которые не совсем корректно называют системами на лазерных гироскопах. В этих системах акселерометры жестко закреплены на самолете, ориентированы по его строительным осям и, естественно, вращаются вместе с ним, измеряя ускорения вдоль осей самолета. Значения же ускорений по осям земной системы координат получаются расчетным путем.
Для наглядности в данной главе работа инерциальных систем будет рассмотрена на примере традиционных ИНС, имеющих в своем составе гироплатформу. Бесплатформенные ИНС будут рассмотрены далее.
Инерциальные навигационные системы обладают рядом достоинств и преимуществ перед другими навигационными системами.
1. Автономность. ИНС не требуют для своей работы установки какого-либо наземного оборудования. Все, что необходимо для счисления пути, находится на борту.
2. Широкая область возможного применения. ИНС, в отличие от некоторых других систем, могут использоваться практически над всей территорией земного шара, включая и полярные районы, а также под водой и в космосе.
3. Абсолютная помехозащищенность. Поскольку ИНС основана на использовании свойства инерции тел, не существует естественных и невозможно создать искусственные помехи работе системы. Современная наука пока не знает способа, которым можно было бы заставить акселерометр на летящем ВС измерить неправильное ускорение.
4. Возможность измерения всех основных параметров, необходимых для навигации.
Перечисленные достоинства и определили широкое использование ИНС на воздушных и морских судах, космических аппаратах, баллистических и крылатых ракетах.
Разумеется, у ИНС имеются и недостатки, большая часть которых, впрочем, свойственна не только инерциальным, но и любым системам счисления пути. К ним относятся необходимость знания начальных координат, возрастание погрешностей счисления со временем полета и вытекающая отсюда необходимость коррекции координат.
Еще 15-20 лет назад применительно к традиционным ИНС можно было бы отметить в качестве недостатков невысокую точность счисления, сложность и низкую надежность системы, громоздкость и высокую стоимость. Эти недостатки были связаны с необходимостью использования высокопрецизионных, дорогих и сложных гироскопов, с помощью которых гироплатформа должна удерживаться в заданном положении.
Но с появлением бесплатформенных ИНС ситуация быстро изменилась. ИНС стали меньше по размерам, проще, дешевле. А со временем они обогнали традиционные ИНС и по точности.
Погрешности ИНС. Как и любая система счисления пути ИНС имеет погрешности, вызванные, с одной стороны, неточной установкой начальных координат, а с другой, – неточным измерением параметров движения. Как и у любой системы счисления погрешности определения координат возрастают на протяжении полета.
Казалось бы, основной причиной неточности ИНС должны быть погрешности измерения акселерометрами ускорений. Но, как уже отмечалось, современные акселерометры достаточно точны и вовсе не они являются основной проблемой. В традиционных ИНС наибольший вклад в общую погрешность вносит собственный уход гироскопов, стабилизирующих платформу. Этот уход гораздо меньше собственного ухода гироскопических курсовых приборов и составляет доли градуса в час, однако и это приводит к существенным погрешностям. Ведь в результате такого ухода оси акселерометров оказываются неточно направленными по осям системы координат (по меридиану и параллели), и измеренные ускорения не соответствуют фактическим ускорениям по этим направлениям. Чем дольше длится полет, тем больше уходит гироплатформа, тем больше погрешности измерения ускорений, а, следовательно, и скоростей, и координат.
Но у погрешностей ИНС, в отличие от других систем счисления, есть характерная интересная особенность – погрешности возрастают неравномерно. Рассмотрим, почему это происходит.
Допустим, что при горизонтировании гироплатформа была выставлена неточно и составляла угол ν к плоскости горизонта (рис. 8.22).
Рис.8.22. Погрешность из-за неточного горизонтирования
В этом случае вместо фактического ускорения a будет измерена его проекция на ось акселерометра aизм. Следовательно, ускорение будет измерено с погрешностью Δa=aизм− a.
Из-за этой погрешности после интегрирования измеренного ускорения с погрешностью ΔW будет рассчитана скорость, а после интегрирования скорости и пройденное расстояние будет рассчитано с погрешностью ΔS.
Но ведь с помощью этого расстояния, как было показано, определяется угол θ, на который необходимо довернуть гироплатформу для приведения ее в правильное положение. Следовательно, и этот угол будет рассчитан неточно, платформа будет повернута не на тот угол, на который необходимо. Угол ν, под которым первоначально гироплатформа была наклонена к горизонту, изменится. Соответственно изменится и погрешность измерения ускорения, расчета скорости, пройденного расстояния, что снова приведет к изменению угла установки платформы ν. Получается замкнутый круг, в котором изменение всех величин взаимосвязано.
Процесс изменения в полете угла ν может быть описан дифференциальным уравнением, которое здесь не приводится. Решением этого уравнения является периодическая синусоидальная функция. Это означает, что наклон гироплатформы к горизонту будет в процессе полета меняться по синусоиде, то есть становиться то больше, то меньше. Период этой функции составляет Tш=84,4 минуты и называется периодом Шулера в честь немецкого инженера Максимиллиана Шулера (1882-1972). Величина периода Шулера является константой для нашей планеты, поскольку она зависит только от радиуса Земли и ускорения свободного падения g. Если представить себе маятник с нитью длиной, равной радиусу Земли, то он имел бы период колебаний Tш. Такой же период обращения имел бы искусственный спутник Земли, если бы его удалось пустить на нулевой высоте над самой поверхностью планеты. На самом деле это сделать, конечно, невозможно из-за наличия атмосферы.
С таким же периодом Шулера, с которым меняется угол наклона гироплатформы, будут изменяться и погрешности измерения ускорений, скоростей, расстояний. Таким образом, погрешности будут возрастать из-за ухода гироскопов, но также иметь и периодическую составляющую (рис. 8.23).
Рис. 8.23. Период Шулера
Вследствие возрастания погрешностей инерциальные системы, как и любые системы счисления пути, требуют периодической коррекции счисленных координат с помощью более точных технических средств.
У современных ИНС средняя квадратическая погрешность определения координат составляет 3-4 морских мили за 10-11 ч полета (без коррекции).
Рис Полярная система координат... Дальность расстояние от начала системы координат до объекта точки...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Принцип инерциального счисления пути
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Навигационные и пилотажные элементы.
Пилотажные элементы. Навигация и пилотирование являются процессами управления движением ВС. Чтобы описывать это движение, используются величины, называемые навигационными и пилотаж
Ветер и его характеристики. Эквивалентный ветер.
Воздушные массы атмосферы практически всегда находятся в движении, которое вызвано различием температуры и давления в различных районах земной поверхности. Причины и характер такого движения изучае
Принципы измерения курса и виды курсовых приборов.
Курс характеризует направление продольной оси ВС в горизонтальной плоскости, то есть показывает, куда направлен «нос» самолета. Он имеет большое значение для навигации, поскольку одновременно являе
Девиация, её виды, учёт в полёте.
Очевидно, что в одной и той же точке пространства не могут одновременно существовать два магнитных поля, два вектора напряженности – Земли (H) и самолета (F). Эти
Практические рекомендации по применению магнитных компасов.
1. Следует помнить, что в полярных районах, где велико магнитное наклонение и, следовательно, мала горизонтальная составляющая магнитного поля Земли, магнитные компасы работают неустойчиво и могут
Ортодромичность курсового гироскопа
Теперь после анализа поведения курсового гироскопа на неподвижном самолете рассмотрим, как он будет вести себя в случае, когда ВС перемещается по ортодромической линии пути. Общий случай – п
Опорный меридиан и ортодромический курс. Преобразование курсов.
Ось гироскопа в начале полета может быть выставлена по абсолютно любому направлению. Пилоты привыкли, что курс 0° – это на север, 90° – на восток и т.д. Поэтому, чтобы численные значения гир
Режим магнитной коррекции
Как уже отмечалось, в режиме «ГПК» курсовая система работает аналогично обычному гирополукомпасу, поэтому этот режим не требует дополнительного отдельного рассмотрения.
Рассмотрим работу к
Понятие о радиовысотомерах
Радиовысотомер (РВ) является автономным радиотехническим устройством. Это означает, что для его работы используются радиоволны и не требуется какого-либо оборудования на земле.
Разл
Погрешности барометрического высотомера
Барометрический высотомер имеет ряд погрешностей, различающихся по вызывающим их причинам. Погрешности, вызванные разными факторами, складываются, образуя одну общую погрешность – разность между пр
Уровни начала отсчета барометрической высоты
В принципе, путем установки давления на шкале барометрического высотомера пилот может сам выбрать уровень, от которого он желает отсчитывать высоту. Но с точки зрения безопасности полетов необходим
Однострелочные указатели скорости
В уравнение Бернулли входят плотности воздуха ρ в обоих сечения струйки. Для небольших скоростей (до 400-450 км/ч) и высот полета (до 4000-5000 м) воздух можно считать несжимаемым
Комбинированные указатели скорости
На больших скоростях и высотах разность истинной и приборной скоростей становится уже значительной. Кроме того, на больших скоростях и высотах начинает заметно сказываться сжимаемость воздуха. Поэт
Погрешности указателей скорости
Инструментальные погрешности ΔVи возникают из-за несовершенства конструкции прибора и неточности его регулировки. Каждый экземпляр прибора имеет свои значения инструментальны
Понятие о счислении
При выполнении любого полета члены летного экипажа должны в любой момент времени знать текущее местонахождение ВС. Определение места самолета – одна из основных задач аэронавигации. В аэронавигации
Графическое счисление пути
Полная прокладка. Целью полной прокладки является определение текущего МС и поэтому она, конечно, выполняется во время полета. Не следует думать, что в каждом полете пилот или штурман выполн
ДИСС. Курсодоплеровское и курсовоздушное счисление.
Доплеровский измеритель скорости и сноса (ДИСС) – бортовое радиотехническое устройство, позволяющее измерять на борту ВС его путевую скорость и угол сноса.
ДИСС основан на использов
Основные правила аэронавигации. Контроль пути и его виды.
На протяжении всего полета экипаж обязан выполнять следующие основные правила аэронавигации.
1) Контроль выдерживания заданной траектории полета с периодичностью, необходимой для обеспечен
Визуальная ориентировка.
Визуальная ориентировка – способ определения МС, основанный на сличении карты с пролетаемой местностью.
Для визуальной ориентировки используются ориентиры.
Навигационный ориентир
Поверхность и линия положения.
Если в какой-то точке пространства навигационный параметр имеет какое-то определенное значение, то это не вовсе не значит, что в других точках его значения должны быть обязательно другие. Наверняка
Виды линий положения.
В навигации чаще всего используются навигационные параметры, которые являются геометрическими величинами, то есть расстояниями, углами и пр. В этом случае каждому виду навигационного параметра соот
Навигационная характеристика радиокомпасной системы.
Радиокомпасная система включает в себя наземную радиостанцию и бортовой пеленгатор, называемый автоматическим радиокомпасом (АРК). В качестве радиостанций могут использоваться специально установлен
Принцип работы АРК и порядок его настройки.
Принцип работы радиокомпаса основан на направленном приеме радиоволн. АРК включает в себя следующие основные составные части:
– поворотную рамочную антенну;
– ненаправленную (шлей
Способы полёта на РНТ (пассивный, курсовой, активный).
Способы полета на или от радиостанции. Как показано ранее, КУР не является навигационным параметром, поскольку в одной и той же точке пространства может иметь любое значение в
Контроль пути по дальности с помощью АРК.
Контроль пути по дальности – это определение пройденного или оставшегося расстояния до ППМ. Для его выполнения также можно использовать АРК и ОПРС. Но для этого ОПРС, конечно, должна находиться не
Расчёт ИПС и определение МС по двум радиостанциям.
Для решения некоторых навигационных задач, например, для определения МС, необходимо проложить на карте ЛРПС. Для этого необходимо сначала определить пеленг самолета. Поскольку на любой карте нанесе
Определение места самолета по двум радиостанциям
Определение места самолета – это полный контроль пути, поскольку если известно место самолета, то можно определить и уклонение от ЛЗП (контроль пути по направлению), и пройденное или оставшееся рас
Исправление пути с выходом в ППМ и с углом выхода.
Исправление пути с выходом в ППМ. Исправление пути это действия по выводу ВС на заданную траекторию после того, как отклонение от нее обнаружено.
Один из способов испр
Исправление пути с углом выхода
Ранее в главе 1 уже был рассмотрен один из способов исправления пути – с выходом в ППМ. Но такой способ в гражданской авиации применим главным образом при небольших линейных уклонениях, например, н
Указатели типа РМИ и УГР. Полёт по ЛЗП с их использованием.
Наиболее распространены так называемые радиомагнитные индикаторы (РМИ). По-английски они называются точно так же – Radio Magnetic Indicator (RMI). В некоторых типах отечественных навигационных комп
Полет в створе радиостанций
Если полет должен выполняться по ЛЗП, на которой установлены две радиостанции, то говорят о полете в створе радиостанций. Если ВС летит между РНТ (одна впереди, а другая сзади), то створ называется
Минимальная и максимальность действия РНС.
Минимальная дальность действия. В вертикальной плоскость диаграмма направленности большинства наземных радионавигационных средств (радиостанций, радиомаяков) выглядит примерно
Навигационная характеристика радиопеленгаторной системы.
Характеристика радиопеленгаторной системы. Радиопеленгаторная система является в первую очередь средством управления воздушным движением (УВД). С ее помощью диспетчер УВД на зе
Определение места самолета по одной радиостанции
В соответствии с обобщенным методом линий положения для определения МС необходимо два навигационных параметра и две соответствующие им линии положения. Казалось бы, что если радиостанция только одн
Угломерно-дальномерные системы. Навигационная характеристика РСБН.
Угломерно-дальномерными радионавигационными системами (УДРНС) называют такие системы, которые позволяют одновременно измерить два навигационных параметра – пеленг и дальность. С помощью УДРНС можно
Понятие о зональной навигации.
Навигационное наведение. Невозможно понять, что такое зональная навигация, да и современная навигация вообще, если не иметь представления о таком понятии, как навигационное нав
Принцип работы бортовой РЛС. Органы управления БРЛС «Гроза».
Бортовая радиолокационная станция (БРЛС) является автономным радиотехническим средством, позволяющим наблюдать радиолокационное изображение пролетаемой местности и окружающей воздушной обстановки,
Определение путевой скорости и угла сноса по БРЛС
Определение путевой скорости. Все ориентиры на экране по мере движения ВС перемещаются в сторону, противоположную направлению движения ВС, то есть, на экране примерно вниз. Име
Параметры, определяемые с помощь ИНС. Бесплатформенные ИНС.
Параметры, определяемые с помощью ИНС.Инерциальные системы предназначены для определения координат места самолета. Но в процессе их определения можно получить значения многих д
Бесплатформенные инерциальные навигационные системы
На протяжении многих десятилетий усилия инженеров, разрабатывавших традиционные ИНС, были направлены на уменьшение собственного ухода гироскопов, удерживающих гироплатформу в заданном положении. Не
Новости и инфо для студентов