Основные средства навигации. Геотехнические средства навигации.

2.2.1. Геотехнические средства навигации - основаны на использовании различных физических свойств Земли и ее атмосферы - зависимости атмосферного давления от высоты полета, и скорости полета, наличие магнитного поля земли и т. д.

Зависимость давления от высоты определена стандартной атмосферой, которая является условным законом изменения величин, характеризующих физическое состояние атмосферы с высотой, отсчитываемой относительно уровня моря. Стандартная атмосфера характеризуется следующими величинами:

- статическим давлением воздуха p_ст (мм.рт.ст., кГ/м²или мм. вод. ст. )

- абсолютной температурой Т (град. абс. нуля)

- весовой плотностью или удельным весом воздуха γ кГ/м³или массовой плотностью воздуха ρ =( γ / g) kГ * cek² / м⁴;

где g =9,81 м / сек² – ускорение свободного падения;

- газовой постоянной R = 29,27 м / ⁰ С;

- температурным градиентом высоты α (для умеренных широт α = 6,5⁰С на каждые 1000м или 0,0065⁰С/м)

Параметры стандартной атмосферы:

- статическое давление р₀ = 760 мм рт. ст.

- абсолютная температура Т₀ = 273⁰ + 15⁰ = 288⁰ ;

- весовая плотность воздуха γ₀ = 1,2255 кГ / м³ ;

- массовая плотность воздуха ρ₀ = 0,125 кГ* сек² / м⁴

Изменение атмосферного давления в барометрическом высотомере измеряется с помощью анероидной коробки. Ее деформации, происходящие при изменении высоты полета, механическим способом передаются на стрелку прибора - так упрощенно можно объяснить работу барометрического высотомера.

К геотехническим средствам навигации также относятся приборы использующие свойства гироскопа:

Гироскопом называется тело (ротор), вращающееся вокруг своей оси и обладающее большим кинетическим моментом.

На Рис. 3.1. представлена схема гироскопа с тремя степенями свободы. Ротор 1 гироскопа расположен в карданном подвесе, который имеет внутреннюю 2 и внешнюю 3 рамы. Ось внешней рамы может вращаться относительно корпуса 4 прибора (основания).

Рис. 2.1. Схема гироскопа с тремя степенями свободы.

При вращении ротора гироскопа вокруг своей оси развиваемые им силы (моменты)обеспечивают (при отсутствии воздействия внешних сил ) сохранение положения этой оси неизменным относительно мирового пространства.

Гироскоп обладает следующими свойствами:

1. Ось ротора гироскопа не изменяет своего положения в пространстве при вращении карданного подвеса относительно осей x, y, z

2. Момент, приложенный к внешней раме гироскопа, вызывает вращение оси ротора относительно оси внутренней рамы и наоборот.

3. Угловая скорость прецессии гироскопа тем больше, чем больше внешний момент.

4. Угловая скорость прецессии возникает и устанавливается практически мгновенно (скачком) при приложении момента и также исчезает при снятии его.

Гироскоп, как было указано выше, имеет свойство сохранять неименным направление оси вращение ротора относительно мирового пространства. Поэтому вращение Земли и перемещение воздушного судна вызывает кажущийся уход оси ротора гироскопа относительно первоначального положения.

2.2.2. Астрономические средства навигации - основаны на использовании закономерного изменения взаимного положения Земли и различных небесных светил. Рассмотрим основные элементы:

В астрономии звездное небо изображается в виде окружающей наблюдателя вращающейся небесной сферы произвольного радиуса, на внутренней поверхности которой расположены звезды. Отвесная линия пересекает сферу в точках Z (зенит) и Z₁ (надир). Плоскость, перпендикулярная отвесной линии Z Z₁, называется истинным горизонтом.

Рис. 2.2. Системы небесных координат: а – горизонтальная; h – высота светила; А – азимут светила;

б – экваториальная система координат; δ - склонение светила; t – часовой угол светила; α – прямое восхождение светила:

Небесная сфера вращается вокруг оси мира РР₁ точки Р и Р₁ – северный и южный полюсы мира. Большой круг PZPZ₁ называется небесным меридианом. Он пересекает истинный горизонт в двух точках: N – точке севера и S – точке юга. Точки E и W – точки востока и запада.

Применяются две системы небесных координат: горизонтальная и экваториальная.

В горизонтальной системе координатами светила С являются высота светила h и азимут светила А.

Из рисунка 3.2.а видно, что высота светила h есть угловое расстояние светила С от горизонта. Вследствие вращения небесной сферы каждое светило описывает малый круг вокруг оси мира в течении суток. Эти круги называются небесными параллелями.

Особенностью горизонтальных координат является то, что они непрерывно и притом неравномерно изменяются в течении суток.

В экваториальной системе координатами светила С является склонение светила δ и часовой угол светила t.

На рис.3.2.б показана экваториальная система координат. Плоскость проходящая через центр сферы и перпендикулярная оси мира, называется небесным экватором. Большой круг, проходящий через ось мира и светило, называется кругом склонения светила.

Как уже отмечалось, видимое движение светил по небесной сфере происходит с востока на запад по небесным параллелям.

При измерении времени различают звездное и солнечное время.

Звездным временем называется часовой угол точки весеннего равноденствия. Единицей звездного времени являются звездные сутки, которые равны промежутку времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия. Звездное время отсчитывается от южной точки небесного экватора к западу вдоль экватора. Звездное время обозначается буквой S и равняется S=a + t. где a – прямое восхождение звезды, а t – часовой угол светила. Звездное время позволяет определять положение всех небесных светил относительно небесного меридиана места и горизонта.

В обыденной жизни людям удобнее пользоваться солнечным временем, т.к. оно связано с чередованиями дня и ночи.

Солнечными (истинным) временем называется часовой угол Солнца. Истинными солнечными сутками является промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца. За начало истинных солнечных суток принимается полдень.

Непостоянство продолжительности истинных суток не позволяет использовать их в качестве единицы времени. Поэтому на практике пользуются солнечным средним временем, которое измеряется часовым углом «среднего Солнца», т.е. в предположении равномерного движения Солнца по небесному экватору в том же направлении, в котором «истинное Солнце» движется по эклиптике. Началом средних суток местного времени условились считать полночь. Так как местное время меняется от меридиана к меридиану, то во всех странах принят поясной счет времени.

К этой группе средств навигации относятся -астрономические компасы (ДАГ-ДБ), секстанты и т. д. Которые применяются только при визуальной видимости светил.

2.2.3. Светотехнические средства навигации- автономно или вместе с радиотехническим оборудованием предназначены для обеспечения конечного этапа захода на посадку, посадку и взлет ВС ночью и днем при установленных для данного аэропорта минимумах погоды, а также для обеспечения руления и регулирования движения ВС по аэродрому.

Огни светосигнальных систем должны указывать пилоту направление на продольную ось взлетно-посадочной полосы (ВПП), удаление до ВПП,

на плоскость горизонта, концевую полосу безопасности, обозначение ВПП, оптимальное место приземление, направление пробега после посадки, а также направление разбега перед взлетом. По расположению и интенсивности огней пилот должен иметь возможность во время захода на посадку при выходе из облачности определить направление на ВПП и крен самолета.

Для облегчения экипажу определения местоположения ВС по отношению к ВПП каждая подсистема огней должна излучать свет определенного цвета и отличаться от других подсистем огней своим расположением.

Основными факторами, влияющими на дальность видимости световых сигналов, являются: сила света источника, состояние атмосферы, величина пороговой освещенности (минимальная величина освещенности ниже которой человеческий глаз не реагирует на свет ) и яркость фона, на котором наблюдается световой сигнал.

Для эффективного использования огней светосигнальных систем в различных метеорологических условиях их сила света должна регулироваться с учетом метеорологической дальности видимости (МДВ)

Сила света – I измеряется в канделах и представляет собой количество единиц светового потока F (в люменах ), приходящееся на единицу телесного угла ω (в стерадианах)

I = F / ω

В зависимости от силы света источника различают огни малой интенсивности (I < 10000 кд) и огни высокой интенсивности (I > 10000кд).

К светотехническим средствам навигации относятся: световые маяки, огни подхода, глиссадные огни, посадочные огни, рулежные огни, посадочные прожекторы, бортовые огни, сигнальные ракеты и т.д. (ОМИ, ОВИ, ЛУЧ и т.д.)

Светотехнические средства навигации решают ограниченный круг навигационных задач и являются вспомогательными.

Рис. 2.3.Схемы размещения огней светосигнальных систем.

2.2.4. Инерциональные средства навигации - основаны на измерении ускорений ВС, вызванных силами негравитационного происхождения (тяга двигателей, силы сопротивления атмосферы, подъемная сила).

Интегрирование ускорений, измеренных на ВС - позволяет определить его скорость, а двойное интегрирование скоростей - пройденный путь.

Рис. 2.4. Принцип действия инерциальной системе.

Принцип действия инерциальных средств состоит в следующем:

Линейный акселерометр, представляющий собой массивный грузик m

удерживаемый двумя пружинами в направлении корпуса, ориентирован по оси Х самолета. Если самолет получает ускорение Х, то грузик mсмещается и сдвигает щетку потенциометра с электрической нейтрали. В результате на входе усилителя У появляется напряжение U= КХ. После усиления и двойного интегрирования этого напряжения в интегрирующих устройствах получается значение Х пройденного пути за это время полета.

При использовании трех акселерометров, каждый из которых ориентирован по одной из трех осей пространственных координат, можно измерять вектор путевой скорости и координаты объекта относительно неподвижной (инерциальной) системы координат. Подобные координаты (с тремя акселерометрами) используются на космических аппаратах.

Для определения координат воздушного судна относительно земной поверхности необходимо иметь два акселерометра, измеряющих ускорение по двум взаимно перпендикулярным осям расположенным в горизонтальной плоскости.

Площадка, на которой установлены акселерометры, также должны быть строго стабилизирована в этой плоскости. Нарушение этого условия вызовет погрешность измерений ускорения самолета (например, отклонение площадки от плоскости горизонта на 1 минуту вызовет погрешность в определении пути за один час полета, равную 1900м.) В зависимости от способа стабилизации платформы с акселерометрами различают гироинерциальные, астроинерциальные и гироастроинерциальные системы.

Эти средства навигации автономны, однако за время полета воздушного судна при счислении скоростей и пройденного пути - накапливается погрешность. При этом возникает необходимость вводить коррекцию.

2.2.5. Радиотехнические средства навигации - основаны на использовании закономерностей и свойств распространения в пространстве электромагнитных волн. Они позволяют осуществлять вождение воздушных судов в условиях отсутствия видимости земли.

Основные свойства электромагнитных волн:

- прямолинейность распространения,

- постоянство скорости,

- отражение от земной и других поверхностей (объектов),

- эффект сдвига частот принимаемых сигналов относительно излучаемых, возникающий при взаимном перемещении источника и приемника радиоволн (эффект Доплера).

Эти средства обладают высокой точностью измерения, решают комплекс разнообразных навигационных задач. В настоящее время радиотехническим средствам навигации отводится основнаяроль в управлении воздушным движением и безопасности полетов. К ним относятся; приводные радиостанции; маркерные радиомаяки; радиомаячные системы посадки; радиотехнические системы ближней навигации; радиотехнические системы дальней навигации; автоматические радиопеленгаторы; радиодальномеры; вторичные радиолокаторы; спутниковые навигационные системы: ( ОСП; ILS; РСБН; РСДН; ДМЕ; VOR; АРП; ВРЛ; РЛС; РВ; ДИСС; СНС; и т. д.)

Наука о радиотехнических методах и средствах, используемых в навигации, и их применение для вождения воздушных судов - называется РАДИОНАВИГАЦИЕЙ.

Вопросы для самоконтроля.

1.Какие существуют средства навигации.

2.На чем основаны геотехнические средства навигации.

3.На чем основаны астрономические средства навигации.

4.На чем основаны светотехнические средства навигации.

5.На чем основаны инерциальные средства навигации.

6.На чем основаны радиотехнические средства навигации.

7.Свойства гироскопа.

8.Понятие радионавигации.

9.Какие свойства радиоволн используются в радиотехнических средствах навигации.

10.Параметры стандартной атмосферы.

11.Системы небесных координат.