Комплексные системы дальней навигации (КСДН).

Назначение решаемые задачи и состав (КСДН). Комплексная система дальней навигации предназначена для обеспечения навигации ЛА при дальнем самолетовождении в автоматическом, директорном и ручном режимах управления. Типовая КСДН решает следующие задачи:

· непрерывное автоматическое определение местоположения ЛА по данным инерциально-доплеровского или воздушно-доплеровского КИМС с выдачей информации экипажу, в САУ ЛА и в сопрягаемые системы в соответствующей системе координат.

· непрерывное автоматическое определение других навигационных параметров (высота, путевая скорость, воздушная скорость) и выдача их для индикации;

· определение данных для построения маршрута, профиля и графика полета;

· автоматическая коррекция местоположения, скорости и курса ЛА, измеренных с помощью автономных навигационных систем и устройств, с помощью радиотехнических систем ближней и дальней навигации;

· обеспечение автоматического, директорного или ручного пилотирования ЛА при полете по заданному маршруту (например, на этапах набора высоты, полета на заданной высоте);

· обеспечение возврата на аэродром вылета или запасные аэродромы, начиная с любого момента полета.

С учетом решаемых задач можно сформулировать следующие основные требования, которым должна удовлетворять КСДН:

· обеспечение заданной точности и надежности навигационных измерений, за счет совместной обработки измерений комплексируемых навигационных систем и устройств;

· обеспечение заданной дальности действия;

· оперативное выполнение сбора и обработки навигационной информации практически в реальном масштабе времени;

· обеспечение решения навигационных задач на базе БЦВМ:

· обеспечение возможности ориентирования ЛА относительно Земли, удобство доступа к справочным данным относительно опорных пунктов маршрута, радиомаяков и других наземных радиотехнических станций

· обеспечение удобной и наглядной индикации.

Основу современных КСДН составляют рассмотренные нами ранее инерциально-доплеровские или воздушно-допплеровские КИМС, корректируемые по сигналам радиотехническим систем ближней (РСБН) или дальней (РСДН) навигации. Основу РСБН составляют угломерно-дальномерные радионавигационные системы. Основу РСДН составляют разностно-дальномерные радионавигационные системы.

Особенность КСДН, во многом определяемая теми разнородными требованиями, которые предъявляются к подобным системам, обусловлена применением в них нескольких систем координат.

Обмен информацией по радиоканалу «Земля-борт» с учетом требований диспетчерской службы проводится в географической системе координат. В этой же системе координат вводятся исходные данные в БЦВМ. При этом программа полета задается географическими координатами ППМ, ориентиров и.т.д.

Использование ИНС в структуре КСДН вызывает необходимость использования СК, связанной с ГСП. При этом, определение координат местоположения ЛА с учетом коррекции РИД КИМС с помощью РСБН или РДС осуществляется в ортодромической СК.

Специфика работы радиотехнических измерителей требует рассмотрения ещё нескольких типов систем координат: связанной (для ДИСС), полярной для (РСБН), гиперболической для РДС. Рассмотрим принцип функционирования и основные системы координат, используемые в инерциально-доплеровских КСДН.

6.10 Системы координат, используемые в КСДН.

Ортодромическая СК. Определение координат местоположения ЛА в КСБН осуществляется в ортодромической СК (ОСК), которая задается следующим образом: ортодромический экватор проходит через два соседних заданных промежуточных пункта маршрута (ППМ_i и ППМ_i+1); Р0 - полюс ОСК; F - восходящий узел ортодромии, то есть точка пересечения линии ортодромии с экватором. jв - широта восходящего узла; О- центр масс ЛА. Положение ЛА в ОСК характеризуется ортодромической долготой L, широтой F и радиус вектором r=R+H. Значения ортодромической широты и долготы определяются длинами дуг ОМ и MF соответственно.

СК, связанная с ИНС. В большинстве случаев в ИНС используется прямоугольная СК Оx’h’z’, начало которой совмещается с центром масс ЛА. Ось Оz’ направлена вверх по местной вертикали; оси Оx’, Оh’ лежат в плоскости перпендикулярной оси Оz’ и неподвижны относительно абсолютного пространства. По осям Оx’, Оh’ ориентируются оси акселерометров ИНС. Такая система координат называется свободной в азимуте СК, так как она не вращается в плоскости азимута относительно абсолютного пространства. В системе координат Оx’h’z’ производится измерение составляющих абсолютной скорости ЛА Va (V_ax’, V_ah’). Под абсолютной скоростью понимается скорость относительно инерциальной СК, то есть системы координат, неподвижной относительно инерциального пространства.

Горизонтальная, связанная СК. Горизонтальная связанная СК представляет собой прямоугольную СК Оxhz. Её начало совмещено с ц.м. ЛА. Ось Оz совпадает с осью Оz’. Ось Оx направлена по касательной к ортодромической параллели, ось Оh по касательной к ортодромическому меридиану.

Для полета ЛА от ППМ_i до ППМ_i+1 положение оси Оh по отношению к географическому меридиану (то есть в азимуте) характеризуется углом схождения географического и ортодромического меридианов d _i+1. Взаимное положение осей координат Оh, Оh’ определяется ортодромическим азимутом гироплатформы ИНС qг, который зависит от времени.

qг_i+1=qг_(i+1)H + ò w_x(t)dt

- qг_{(i+1)H -} начальный ортодромический азимут ГСП для этапа полета ЛА; w_x(t) - абсолютная угловая скорость вращения ортодромического меридиана. Для вычисления начального ортодромического азимута ГСП на практике пользуются следующим выраженнием:

qг_(i+1)H =qгс +å Dj

qгс - ортодромический азимут ГСП в точке старта; Dj - поправка, обусловленная изменением ортодромической СК при смене ППМ (D1=0)

Инерциально-доплеровские КСДН. Инерциальный навигационный треугольник скоростей. Основу определения местоположения ЛА в ИД КСДН составляет так назыаемый инерциальный треугольник скоростей, образованный векторами Va, W, Vз. Вектор Vз характеризует переносную скорость, обусловленную вращением Земли. Он лежит в горизонтальной плоскости, направлен на восток и равен:

Vз= wrcosj

w- угловая скорость вращения Земли; r - радиус вектор ЛА; j – географическая широта ЛА. Вектор Va определяется на основе измерений ИНС, вектор W – земная скорость ЛА. Связь указанных скоростей описыается векторным соотношением:

Va =W + Vз.

Следовательно, для определения путевой скорости ЛА Wп, необходимой для вычисления координат местоположения можно воспользоваться векторным выражением:

Wп = Vaг - Vз.

Приведенное соотношение представляет собой основу определения координат местоположения ЛА в инерциально-доплеровской КСДН. Определение координат основано на интегрировании составляющих вектора путевой скорости Wп. Для определения путевой скорости необходимо из вектора Vaг, определяемого на основе измерений ИНС вычесть вектор переносной скорости Vз. Значение вектора Vaг в вде двух составляющих V_ax’, V_ah’ рассчитывается в ИНС путем интегрирования составляющих ускорения, измеренных акселерометрами. Переносная скорость рассчитывается в БЦВМ по значению широты самолета. Вычисленная на основе информации от ИНС путевая скорость корректируется по сигналам ДИСС. Далее откорректированные значения путевой скорости используются для определения координат местоположения ЛА.

В последующем для компенсации накапливающихся ошибок определения координат в КСДН рассчитанные с помощью инерциально-доплеровского измерителя координаты корректируются по данным РСБН или РСДН.

В некоторых типах КСДН определение координат производится по алгоритмам, основанным на использовании угловых скоростей вращения центра масс ЛА. В этом случае векторное соотношение описывающие инерциальный навигационный треугольник скоростей имеет вид:

w_a = w_W +w_з.

Где w_W – земная (относительная) угловая скорость вращения центра масс ЛА. Она равна w_W = W/r; w_з - переносная угловая скорость вращения центра масс ЛА вокруг центра Земли; w_а - абсолютная угловая скорость вращения центра масс ЛА вокруг центра Земли: w_а = Vа/r; На основании ранее записанного векторного выражения для скоростей можно записать вкторное выражение для горизонтальных проекций перечисленных угловых скоростей:

w_WП = w_аГ -w_зГ

w_WП, w_аГ, w_зГ – горизонтальные проекции угловых скоростей. Вектор w_зГ направлен вдоль географического меридиана на север, его значение равно w_зГ =w_з cosj.

Значение w_аГ вычисляется на основе информации ИНС и корректируется по данным ДИСС.. Переносная угловая скорость w_зГ рассчитывается в БЦВМ по значению широты ЛА, поэтому угловую скорость w_WП в КСДН удается рассчитывать с высокой точностью.

Инерциально-доплеровские КСДН. Принцип функционирования.

Рассмотренные соотношения позволяют сформулировать принципы определения координат ЛА в КСДН. Составляющие абсолютной скорости определяются в ИНС интегрированием сигналов акселерометров а_x’, а_h’

V_ax’ = V_ax’0 + ò а_x’(t)dt

V_ah’ = V_ah’0 + ò а_h’ (t)dt

Обычно эту операцию осуществляют вычислители, входящие в состав ИНС. По известным составляющим V_ax’, V_ah’ в БЦВМ рассчитываются угловые скорости w_ax’ w_ah’ то есть рассчитываются составляющие абсолютной угловой скорости w_a по осям x’ h’

w_ax’ = V_ax’/r

w_ah’ = V_ah’/r

В вычисленных значениях w_ax’ w_ah’ имеются погрешности, поэтому эти величины в КСДН корректируются прежде всего сигналами ДИСС. В простейшем варианте коррекция сводится к внесению поправок в выходные сигналы ИНС. Полученные от ИНС значения w_ax’ w_ah’ складываются с сигналами коррекции угловой скорости вычисленными по информации ДИСС Dw^р_x’ D w ^р _h’

w^к_ax’ = w_ax’ +Dw^р_x’

w^к_ah’ = w_ah’+D w ^р _h’

Скорректированные составляющие абсолютной угловой скорости пересчитываются в горизонтальную связанную СК Оxhz.

w_ax = (w_ax’ +Dw^р_x’)cos qг +(w_ah’+D w ^р _h’) sin qг

w_ah =- (w_ax’ +Dw^р_x’) sin qг +(w_ah’+D w ^р _h’) cos qг

Учитывая связь горизонтальной связанной и ортодромической СК можно записать соотношения для проекций переносной угловой скорости w_з на оси Оx, Оh:

w_зx = -w_зг sin d _i+1

w_зh = w_зг cosd _i+1

d _i+1 - угол схождения географического и ортодромического меридианов.

Тогда значения проекций угловой путевой скорости на оси Оx, Оh равны:

w_Wx = w_ax - w_зx

w _{W h}=w_ah - w_зh

Уравнения движения центра масс ЛА в ортодромической СК имеют вид:

dF/dt= W_F= -w_Wx

dL/dt= W_L=(1/cosF)w_Wh

1/cosF- поправка на пересчет угловой скорости W_L для ортодромического экватора в угловую скорость для ортодромической широты.

Тогда ортодромические координаты местоположения ЛА, определенные на основе информации от ИНС и ДИСС равны:

L =L₀ + ò W_L(t)dt

F= F₀ + ò W_F(t)dt

L₀, F₀ - ортодромические координаты точки старта ЛА

С учетом коррекции координат по сигналам от РСДН уравнения для определения ортодромических координат имеют вид:

L =L₀ + ò (W_L(t)- DW_LР(t))dt

F= F₀ + ò (W_F(t)-DW_FР(t))dt

DW_LР, DW_FР - сигналы коррекции от РСДН.

Аналогично осуществляется коррекция инерциально-доплеровской КСБН по сигналам от РСБН.