Бесплатформенные инерциальные навигационные системы - раздел Образование, Системы координат, применяемые в навигации сферическая, полярная, ортодромическая На Протяжении Многих Десятилетий Усилия Инженеров, Разрабатывавших Традиционн...
На протяжении многих десятилетий усилия инженеров, разрабатывавших традиционные ИНС, были направлены на уменьшение собственного ухода гироскопов, удерживающих гироплатформу в заданном положении. Непрерывное совершенствование конструкции, меры по уменьшению трения в осях кардановых подвесов и даже изобретение новых видов гироскопов (ядерных, с жидкостным ротором и др.) делали ИНС все дороже и сложнее, но не приводили к существенному повышению их точности.
В начале 60-х годов был изобретен принцип работы так называемых лазерных гироскопов, широкое внедрение которых (спустя 20-30 лет) позволило решить многие проблемы. «Лазерный гироскоп» − не корректное название, поскольку это устройство вовсе не является гироскопом, в нем нет быстровращающихся частей. Называется он так только потому, что предназначен для решения той же задачи, для которой предназначен гироскоп в традиционной ИНС, – определения направлений в пространстве (верх-низ, север-юг, восток-запад) независимо от углового положения ВС.
ИНС, основанные на использовании лазерных гироскопов, называют бесплатформенными инерциальными системами (БИНС), поскольку в них отсутствует гироплатформа, которую необходимо удерживать в требуемом положении. Акселерометры в таких системах жестко закреплены на самолете и направлены по его строительным осям (вперед, вправо, вверх).
Кольцевой лазерный гироскоп представляет собой сложный квантовый оптико-механический прибор, включающий в себя лазер, систему зеркал и управляющие электронные системы.
Оптический квантовый генератор или лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation − усиление света посредством вынужденного излучения), — это устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного излучения для создания когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. В отличие от обычного источника света, излучающего обычно целый спектр частот, лазер излучает на строго определенной частоте.
Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника (рис. 8.24).
Рис. 8.24. Лазерный гироскоп
По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться, причем, тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Таким образом, с помощью лазерного гироскопа можно измерить угловую скорость вращения. В БИНС используется три таких лазерных гироскопа, измеряющих угловые скорости вращения вокруг трех перпендикулярных осей (рис. 8.25).
Рис. 8.25. Моноблок из трех взаимно перпендикулярных треугольных лазерных гироскопов
Поскольку в любой момент времени известна угловая скорость, то в любой момент можно рассчитать угол, на который повернулась система по сравнению с первоначальным положением. Ведь угловая скорость – производная (скорость изменения) угла поворота. Следовательно, сам угол можно определить путем интегрирования угловой скорости. Осуществляется как бы счисление угла поворота. Эту задачу непрерывно решает вычислитель БИНС.
Если в начальный момент времени было известно, как направлены строительные оси ВС и ориентированные по ним акселерометры по отношению к земной системе координат (к горизонтальной плоскости, к направлению на север), то по рассчитанным углам поворота можно определить их ориентацию в любой текущий момент времени. Остается только пересчитать измеренные ускорения в связанную с Землей и повернутую относительно ВС прямоугольную систему координат. Таким образом, как и в традиционных ИНС, оказываются известными значения ускорений по направлениям север-юг, восток-запад, верх-низ.
Отсутствие в БИНС гироплатформы, вращающихся гироскопов и связанных с ними проблем позволило сделать это устройство более компактным (рис. 8.26). Дальнейшее совершенствование техники и технологии сделали БИНС и более дешевыми, и более точными. Достижение еще более высокой точности лазерных гироскопов сдерживается пока явлением «захвата лучей», то есть взаимодействием встречных лучей, которое приводит к рассеиванию света.
Вполне вероятно, что стремительное развитие научно-технического прогресса приведет к внедрению новых систем, основанных на пока не используемых в авиации принципах. Например, уже разработаны компактные датчики ускорений и вращений, основанные на применении электрически заряженной жидкости с ферромагнитными свойствами (рис. 8.27).
Рис. 8.26. Отечественный лазерный гироскоп КМ-11-1А
(фактический диаметр около 1,3 см)
Рис. 8.27. Датчик ускорений и углов поворота по трем осям
Типы задач:
Все темы данного раздела:
Системы координат, применяемые в навигации (сферическая, полярная, ортодромическая).
Если очень высокая точность решения навигационных задач не требуется, то Землю можно рассматривать как сферу. В этом случае используется нормальная сферическая система координат, полюсы кото
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
Навигационный треугольник скоростей. Зависимость путевой скорости и угла сноса от угла ветра.
ВС движется относительно воздушной массы с истинной воздушной скоростью V, воздушная масса относительно земли со скоростью U,и скорость перемещения ВС относительно
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
Гироскопический принцип измерения курса. Выставка оси гироскопа, горизонтальная и азимутальная коррекция.
Гироскоп (от древнегреческих «вращать» и «смотреть») – это в принципе любое вращающееся тело. В современной технике гироскоп представляет собой достаточно массивный ротор с большой скоростью
Гирополукомпас ГПК-52. Ортодромичность гирополукомпаса.
Гирополукомпас ГПК-52. Принцип работы гироскопических курсовых приборов рассмотрим на примере одного из простейших устройств такого рода− гирополукомпаса ГПК-52.
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
Основные сведения о курсовых системах. Режим магнитной коррекции.
Каждый из двух рассмотренных принципов измерения курса – магнитный и гироскопический – имеет свои достоинства и недостатки.
Магнитный компас обладает тем достоинством, что позволяет именно
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
Принцип работы, устройство и погрешности барометрического высотомера.
По принципу своего устройства барометрический высотомер по сути представляет собой барометр-анероид с тем лишь отличием, что его шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах выс
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
Правила установки давления на шкале барометрического высотомера
Рассмотрим порядок установки давления при полете по ППП.
Традиционная технология, принятая в нашей стране, предусматривает, что перед вылетом все члены экипажа на своих высотомерах
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
Принцип автоматизированного счисления частноортодромических координат.
Счисление – это расчет текущих координат, поэтому основной частью любой автоматизированной системы счисления пути является навигационный вычислитель. Он может быть аналоговым, то есть основа
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
Обобщённый метод линий положения. Навигационный параметр, поверхность и линия положения.
Навигационный параметр. Место самолета можно определить с помощью различных технических, в том числе радионавигационных средств и разными методами. Но как показал профессор В.В
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
Виды погрешностей. Средняя квадратическая погрешность.
Виды погрешностей. Практически всегда погрешность включает в себя две составляющие ее части: систематическую и случайную.
Δa= Δaсист + Δaслуч .
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 направлению с помощью АРК при полёте на и от РНТ.
Условие контроля пути по направлению.
Существует общий термин «радионавигационная точка» (РНТ), которым можно обозначать любое наземное радионавигационное средство: ОП
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
Радиомаячная система VOR и её применение для полёта по ЛЗП, определение МС.
Принцип действия VOR. Радиомаячная угломерная система VOR (Very High Frequency Omni-directional Range) включает в себя наземное оборудование – радиомаяк VOR, и бортовое оборудо
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
Принцип действия дальномерных систем. Наклонная и горизонтальная дальности.
Характеристика DME. Дальномерная радионавигационная система (ДРНС) включает в себя наземное оборудование (дальномерный радиомаяк) и бортовое оборудование (самолетный дальномер)
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
Навигационная характеристика наземных РЛС и их применение для контроля и исправления пути.
Понятие о радиолокации. Под радиолокацией (от «радио» и location (лат.) – определять местоположение) в широком смысле слова понимают способы определения местоположения и характ
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,
Способы определения МС с помощью БРЛС (угломерный, дальномерный, угломерно-дальномерный).
С помощью БРЛС можно определить МС гораздо точнее, чем обзорно-сравнительным способом. Для этого на экране локатора нужно измерить курсовой угол и дальность до ориентира.
Курсовой угол ори
Обзорно-сравнительный способ ориентировки по БРЛС и определение с её помощью путевой скорости и угла сноса.
Благодаря тому, что на экране БРЛС формируется изображение пролетаемой местности, пилот может вести ориентировку путем сопоставления радиолокационного изображения с полетной картой, наподобие того,
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
Принцип инерциального счисления пути
Инерциальные навигационные системы (ИНС) основаны на измерении ускорений ВС по осям системы координат. Ускорения измеряются устройствами, называемыми акселерометрами. Принцип действия
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
Расчёт курса, скорости и времени по известному ветру.
Рассмотрим порядок решения задачи на примере со следующими исходными данными:
V = 400;
ЗМПУ =232;
δ =290;
U = 70;
S = 164;
ΔМ= –4.
Определение ветра в полёте.
Дано:
V=680;
W=590;
МК=312;
УС=+8;
ΔМ= –4.
Найти: δн , δ, U.
Расчёт истинной скорости по широкой стрелке.
Истинная скорость по показанию широкой стрелки КУС рассчитывается по формуле:
Vи = Vпр + ΔVи + ΔVa + ΔVсж + ΔV
Новости и инфо для студентов