Методы задания и реализации траектории полета. Основные алгоритмы процесса навигации летательных аппаратов

Основа реализации заданной траектории полета — определение фактических координат ЛА. В широко применяемой частноортодромической системе координат программная траектория задается (навигационная задача ставится) координатами I пространственного положения ЛА в функции времени

Z₃ = Z₃(T); S₃=S₃(T); H₃ = H₃(T),

где S₃(T), Z₃(T), H₃(Т) — заданные (программные) ортодромические координаты пространственного места ВСв заданный момент времени Т.

Обеспечение наиболее точного совпадения фактической траектории полета с программной — главное в теории и практике вождения ЛА. Для этого в любой момент времени необходимо выполнение условий

Z(T)→ 0
∆ _s(T)=[S(T)-S₃(T)]→ 0;

∆ _H(Т) = [Н(Т)-Н₃ (Т)]→ 0,

где S(T), Z(T), H(T) — текущие координаты ЛА, определяющие вектор его состояния.

В данных выражениях в любой момент времени координата Z(T) указывает только наличие линейно-бокового уклонения от линии заданного пути; ∆ _S(Т) информирует о несоблюдении временной программы полета, ∆ Н(Т) — уклонение от заданного профиля полета.

Такое разделение переменных удобно для дифференциации каналов навигации и пилотирования по направлению, дальности высоте.

Методы решения основано задачи воздушной навигации —выполнение условий (1) — зависят от состава и характеристик пилотажно-навигационного оборудования ВС. Но во всех случаях основе вождения ЛА лежит определение его местоположения счислением пути и комплексное применение технических средств и способов решения навигационных задач. Счисленные координаты периодически должны корректироваться. Экипаж обязан выбирать для решения задач вождения ВСтакие средства и способы, имеющиеся в его распоряжении, которые в данных условиях полёта обеспечат наибольшую точность следования по программной траектории и безопасность полета.

На ВС оснащенных навигационными комплексами, при введенной в ЭВМ программе и включении системы автоматического управления обеспечивается автоматизированный полет по линии заданного пути с выдерживанием Z(T)=0 Выполнение ∆ _S(Т)=0 достигается изменением скорости полета в соответствии с результатами контроля пути по дальности. При включенной САУ эшелон полета выдерживается автоматически, т.е. ∆ Н(Т)=0. Об отклонении от заданного эшелона экипаж оповещается автоматически системой сигнализации.

Основным условием автоматизированного управления полетом ВС является алгоритмизация навигационного процесса, т. е. представление его в виде определенной последовательности этапов преобразования и использования навигационной информации.

В качестве основных алгоритмов процесса навигации можно назвать о назвать определение пространственного местоположения ВС, определение параметров фактического навигационного режима полёта (скорости полёта, направления и д. р.) и выполнение полёта по заданному маршруту (по координатам точек, заданных относительно ВС.

Алгоритмы процесса навигации ВС выражаются навигационными уравнениями, которые в основном отображают две важнейшие взаимосвязанные математические процедуры: преобразование пространственных координат и определение (счисление)параметров движения ВС, — координат, скоростей, направлений. Таким образом, эти уравнения описывают взаимосвязь первичных геометрических параметров, измеряемых с помощью технических средств навигации, со вторичными, полученными в результате счисления первичной навигационной информации.

Следует отметить, что математические методы обработки навигационной информации основываются на использовании результатов теории вероятностей, математической статистики и теории статистического оценивания. Алгоритмы обработки информации, основанные на одних и тех же математических методах, могут быть реализованы с помощью различных технических средств — аналоговых вычислителей, бортовых цифровых ЭВМ, которые выполнены непосредственно человеком (навигатором).

Цифровые ЭВМ в состоянии реализовывать практически любые алгоритмы обработки, если они не требуют чрезмерно большого объема памяти и быстродействия.

Навигационные вычислители аналогового типа обладают существенно более низкими точностью и быстродействием, в них затруднены реализация логических операций и организация памяти. Непосредственно человеку (навигатору) под силу осуществить в приемлемое время только простейшие вычислительные операции, но зато он сравнительно легко проверяет логические условия.

Определение пространственного места ВС — наиболее сложная задача процесса навигации. При ее решении вычисляются значения координат ВС в каждый текущий момент времени. Для определения места ВС в бортовых навигационных комплексах используют два метода: счисления пути и позиционный.

Метод счисления пути основан на измерении, и интегрировании по времени составляющих вектора скорости ВС относительно земной поверхности. В любой системе координат формулы счисления пути (основные уравнения счисления) имеют следующий вид:

где η, ξ -координаты ВС в текущий момент времени; η _0, ξ ₀-координаты в момент счисления (t=0), или полученные в процессе коррекции;

V_Пη , V_Пξ — составляющие путевой скорости по осям используемой координатной системы.

Автоматизированное счисление координат места ДА производится бортовой вычислительной системой навигационного комплекса в наиболее приемлемой системе отсчета. В практике современной навигации такой системой отсчета оказалась плоская частная ортодромическая система координат Osz, в которой ось Os совмещают с линией заданного пути участка маршрута, а ось Oz строят перпендикулярно первой оси. Счисление пути в частноортодромической системе координат (ЧОСК) на этапе полета между промежуточными пунктами маршрута иллюстрируется рис.3.2.

Использование плоской системы координат предполагает, во-первых, плоскую (а не сферическую) поверхность Земли, что допустимо лишь при Smax—Zmax≤ 500 км, и, во-вторых, определение только текущих координат S и Z. Положение ВСвертикальной плоскости (третья координата — высота) при этом не определяется. В плоской ЧОСК все вычисления выполняются по формулам прямолинейной тригонометрии, что существенно упрощает алгоритмы счисления и коррекции и снижает требования к навигационному вычислительному устройству.

Рисунок 3.2. К счислению пути в плоской частноортодромической системе координат (ЛЗП — линия заданного пути; ЛФП — линия фактического пути)

В ЧОСК, координаты ЛА, определяемые с использованием бортового навигационного комплекса:

где S'_О — длина первой частной ортодромии; Vns — составляющая вектора путевой скорости ЛА в направлении частной ортодромии; V _ПZ — составляющая вектора путевой скорости перпендикулярная к направлению частной ортодромии

Аналогичные уравнения могут быть записаны и для других частных ортодромий, направления которых задаются с помощью ортодромического путевого угла (ОПУ) или угла карты (УК). Угол карты отсчитывается от северного направления меридиана, проходящего через ИПМ, до направления ортодромии.

При счислении в ЧОСК величины V _ПZи Vaz формируются по-разному в зависимости от используемых датчиков навигационной информации. Обычно датчиком скорости служит доплеровский измеритель скорости и сноса или инерциальный измеритель скорости. Система счисления пути в первом случае называется доплеровской навигационной системой, а во втором — инерциальной навигационной системой.

При курсодоплеровском счислении координат ВС S_ЛА и Z_ЛАиспользуется информация о путевой скорости и угле сноса от ДИСС, курсе полета от курсовой системы (КС) и угле карты, вручную вводимом оператором. Согласно рис.6.17 составляющиевектора путевой скорости в формулах (1.3) могут быть представлены в следующем виде:

V_П5=V_псоs(ИК+УС-УК); V _ПZ= V_П *sin(HK+УC—УК)

Для определения текущих координат ВС S_ЛА и Z_ЛАв вычислитель вводят координаты S₀, Z₀ начального пункта, с момента пролета которого начинается счисление пути.

При курсовоздушном способе счисления координат S_ЛА, Z_ЛА используется информация от датчика курса и системы воздушных сигналов (СВС), а также угол карты и параметры ветра, заполненные НВУ или вручную введенные оператором. Перечисленные навигационные параметры позволяют получить составляющие воздушной скорости V и скорости ветра U в той же ЧОСК (см. рис. 3.2)

Vns= V_scos (ИК—УК) + U_Scos (HB—УК);

V _ПZ =V_Zsin(HK—УK) + U_Zsin(HB—УК).

В результате путь может счисляться безпрямого измерения путевой скорости и угла снос.

Следует отметить, что курсовоздушный режим работы бортового навигационного комплекса используется при отказе или неустойчивой работе ДИСС.

Особенностью систем счисления пути является автономность получения в них всей необходимой информации. Эти системы не нуждаются в линиях радиосвязи с наземными пунктами и обеспечивают скрытность движения ВС. Bместе с тем ошибка определения местоположения ВС из-за накопления (интегрирования) погрешностей возрастает с течением времени. Эти погрешности вызваны прежде всего неверным измерением курса, скорости, путевого угла и угла сноса, а также использованием прямоугольной системы координат вместо географической и формул элементарной тригонометрии вместо сферической. Поэтому счисленные координаты нуждаются в периодической коррекции с использованием позиционных средств. Сущность коррекции заключается в периодической замене счисленных координат координатами, которые определены с помощью позиционной радионавигационной системы.

Позиционный метод основан на определении местоположения ЛА путем засечек, представляющих собой точку пересечения двух или более линий положения относительно известных ориентиров. Координаты местоположения ВСявляются определенной функцией от навигационных параметров. Как уже отмечалось, чаще всего навигационными параметрами РНУ и РНС являются расстояние, разность расстояний, угол и др. Достоинство метода линий положения состоит в том, что определение местоположения ЛА происходит без учета и даже без знания пройденного им ранее пути.

Позиционный метод определения местоположения ВСнаиболее точный, что позволяет применять позиционные системы для коррекций систем счисления пути. Наибольшее распространение в радионавигации получили следующие методы определения местоположения ВСна плоскости: дальномерный (местоположение определяется при пересечении двух окружностей), угломерно-дальномерный (местоположение определяется при пересечении прямой с окружностью) и разностно-дальномерный (местоположение определяется при пересечении двух гипербол). На борту высота полета определяется самостоятельным прибором — высотомером, что упрощает задачу нахождения местоположения ВС.
Недостатками позиционного метода являются дискретность ВС фиксации местоположения ВС, и возможность определения его координат только в зоне действия РНС и РНУ (т. е. не автономность метода).