Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РОЗДІЛ І. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ НАВІГАЦІЇ І НАВІГАЦІЙНИХ СИСТЕМ
1.1. Поняття та визначення
Термін „навігація” зародився у мореплавстві (походить з від слів „navis”- корабель і „agere” - управляти) і спочатку означав лише способи водіння морських суден. У теперішній час цей термін поширюється на способи і засоби водіння таких рухомих об’єктів (РО) як літаки, вертольоти, космічні кораблі, а також сухопутні транспортні засоби. Отже, зараз цьому терміну можна дати наступне визначення: навігація – це наука про способи і засоби водіння РО по встановленим просторово-часовим траєкторіям.
У зв’язку із специфічними особливостями керування морськими, повітряними, космічними та наземними РО в навігації як у науці виділилися відповідні напрямки: морська навігація, повітряна (аеронавігація), космічна і наземна (сухопутна).
Основна задача навігації – виведення РО по оптимальній за існуючих умов траєкторії в задану точку (або область) простору в заданий момент часу. Вирішення цієї загальної задачі поділяють на ряд часткових задач, що різняться за характером і методами рішення. До часткових задач навігації відносять:
1) Вибір і розрахунок оптимальної траєкторії і часових характеристик руху об’єкту;
2) Вимірювання навігаційних параметрів РО, визначення його повного вектору стану (включає координати, швидкість, напрямок руху (курс) об’єкту на кожний момент часу);
3) Порівняння результатів вимірів навігаційних параметрів з їх розрахунковими значеннями і наступне формування корегуючих (управляючих) впливів та команд, які забезпечують рух об’єкта, необхідний для рішення навігаційної задачі.
Навігаційний параметр (НП) – величина (фізична, геометрична), що визначається навігаційною апаратурою шляхом виміру і обробки навігаційного сигналу та дозволяє оцінити координати й параметри руху РО.
Навігаційний орієнтир (НО) – це стаціонарний або мобільний об’єкт з відомими координатами (законом руху), відносно якого проводяться навігаційні виміри і визначаються невідомі координати РО в єдиній системі просторово-часового відліку.
Азимут (пеленг) РО відносно НО – це кут () у горизонтальній площині між північним напрямком меридіану, що проведений у точці НО, і прямою, що з’єднує РО і НО (рис.1.1). І навпаки азимут (пеленг) НО відносно РО – це кут () у горизонтальній площині між північним напрямком меридіану, що проведений у точці РО, і прямою, що з’єднує РО і НО (рис.1.1). Азимути відкладаються за годинниковою стрілкою.
У випадку повітряної та комічної (супутникової) навігації, коли взаємне розташування НО і РО оцінюється у тривимірному просторі, доцільно також визначити такий параметр як кут місця (узвишшя) – це кут у вертикальній площині між площиною обрію у точці місцезнаходження РО і прямою, що з’єднує РО і НО (рис. 1.2). Кут місця змінюється у межах .
Рис.1.1. До визначення азимутів РО і НО.
Для визначення напрямку руху об’єктів використовується параметр під назвою курс. Він оцінюється кутом у горизонтальній площині між північним напрямком меридіану, що проведений через центр ваги РО, і повздовжньою віссю РО (рис.1.3).
Навігаційна система (НС) – це набір технічних засобів, призначений для вирішення задач навігації. Розрізняють багатопозиційні (БНС) і комплексні (КНС) навігаційні системи. БНС розглядається як мережа просторово рознесених навігаційних засобів (РНО і апаратури РО), що використовують однакові фізичні принципи та вирішують однакові цільові задач. Вона може складатися або з однотипних структур НС (наприклад, різницево-далекомірна РНС), або різнотипних (групи далекомірних, кутомірних, кутомірно-далекомірних, допплерівських радіонавігаційних систем).
КНС (або навігаційний комплекс) являє собою сукупність навігаційних засобів та систем, заснованих на різних фізичних принципах (див. наст. підрозділ) територіально розподілених і працюючих на борту РО або у диспетчерському пункті при використанні засобів збору, обробки, передачі та відображення інформації.
До складу БНС (КНС), як правило, входять групи просторово рознесених випромінювачів навігаційних сигналів (рис.1.4). Причому на РО з різними закономірностями їхнього відносного переміщення в просторі можуть встановлюватись пристрої, як випромінювання сигналів, так і прийому.
Рис. 1.4. Узагальнена структурна схема КНС.
Згідно наведеної вище схеми до складу КНС входять:
1.2. Класифікація технічних засобів навігації
Для визначення навігаційних параметрів РО застосовують різні технічні засоби, які можна розділити на 5 груп в залежності від фізичних принципів, що в них покладені:
1. Астрономічні засоби навігації, що базуються на використанні закономірної зміни взаємного положення Землі та різних небесних світил. До цієї групи відносяться астрономічний компас, авіаційний сектант, автоматичний астроорієнтатор. Застосування вказаних астрономічних засобів можливо лише при достатній візуальній видимості небесних світил.
2. Світлотехнічні та інші візуальні засоби навігації, до яких відносяться світлові маяки, посадкові вогні, бортові вогні, прожектори, кольорові сигнальні знаки (полотнища), сигнальні ракети. Ці засоби вирішують обмежене коло навігаційних задач (є допоміжними) і, як астрономічні, можуть бути використані лише в умовах достатньої видимості. Незважаючи на це, світлотехнічні та візуальні засоби навігації набули широкого використання на транспорті, зокрема на мореплавстві (маяки) та при організації дорожнього руху (дорожня розмітка, світловідбиваючі знаки і електронні табло).
3. Геотехнічні засоби, що базуються на використанні різних фізичних властивостей Землі та її атмосфери (геофізичні поля, зміни атмосферного тиску із зростанням висоти, залежності тиску повітря від швидкості руху тощо). До цієї групи відносяться магнітні й гіроскопічні компаси, барометричні висотоміри, датчики швидкості та інш. Ці засоби достатньо прості та надійні у роботі, проте призначені для вирішення обмеженого коло навігаційних задач і не завжди забезпечують високу точність, а тому застосовуються переважно у комплексі з іншими засобами навігації.
4. Інерційні засоби навігації базуються на вимірюванні прискорень мобільних об’єктів, що викликані силами негравітаційного походження (тяга двигунів, сила опору атмосфери, підйомна й відцентрова сили). Інтегрування прискорень, виміряних на борту РО, дозволяє визначити його швидкість і напрямок руху, а наступне інтегрування швидкостей – пройдений шлях. Головними перевагами інерційних засобів є їх повна автономність, простота і надійність роботи. Недоліком цих засобів є поступове накопичення похибок розрахунку швидкості і пройденого шляху. У зв’язку з цим інерційні засоби, як правило, використовують у комплексі з іншими більш точними навігаційними засобами, що дозволяють періодично корегувати накопичені похибки інтегрування. У доповнення до інерційних, як правило, використовують засоби зчислення пройденого шляху. Найбільш відомим є пристрій одометр ( від грецького )
5. Радіотехнічні засоби навігації базуються на використанні властивостей і закономірностей поширення у просторі електромагнітних хвиль радіотехнічного діапазону (радіохвиль). Основними з цих властивостей і закономірностей є: прямолінійність поширення і постійність швидкості переміщення хвиль в однорідному середовищі, відбиття радіохвиль від земної поверхні та інших об’єктів (у тому числі рухомих), ефект зсуву частоти сигналів, що приймаються відносно частоти сигналів, що випромінюються, який виникає при взаємному переміщенні джерела та приймача радіохвиль (відомий як ефект Доплера).
До радіотехнічних засобів відносяться радари, далекоміри і кутоміри, спостерігачі частот, а також їх комбіновані варіанти реалізації. Кожний з цих засобів призначений для вимірювання конкретного радіонавігаційного параметра (РНП), за яким в ході подальшої просторово-часової обробки розраховуються повний вектор стану РО.
Перевагою радіотехнічних засобів навігації є те, що вони дозволяють розв’язувати навігаційну задачу в умовах відсутності візуального контакту з НО, що є обов’язковим для астрономічних і світлотехнічних засобів. Крім цього радіотехнічні засоби навігації володіють високою точністю виміру навігаційних параметрів, широкою зоною дії, зазвичай не потребують додаткових навігаційних пристроїв (як у випадку інерційних засобів) та комплексно вирішують навігаційну задачу. Проте обмеження зони радіозв’язку (радіовидимості) через недостатню потужність сигналів, або за наявності перешкод на шляху їх поширення, може призвести до невірного розв’язання навігаційної задачі. У зв’язку з цим останнім часом разом з радіотехнічними засобами у складі комплексних навігаційних систем (КНС) використовують інерційні навігаційні системи (ІНС), що дозволяє автономно вимірювати навігаційні параметри РО у випадку відсутності радіозв’язку з НО.
1.3 Методи навігаційних визначень
Методи навігаційних визначень можна поділити на дві основні групи. Перша включає методи оцінки місцезнаходження об’єктів, що базуються на використанні поверхонь та ліній положення (ЛП) РО в координатному просторі і враховують геометричні зв’язки між координатами. До цієї групи відносяться:
Друга група методів базується на використанні поверхонь і ліній постійності НП у просторах швидкостей і прискорень. У методах цієї групи використовуються диференціально-геометричні зв’язки між складовими прискорення, швидкості і координатами місцезнаходження РО. Методи, що відносяться до другої групи є універсальними так як дозволяють визначати параметри руху об’єктів без будь-яких обмежень на характер руху. Однак, зважаючи на більш складний математичний апарат, ця група методів не одержала широкого поширення. Вони знайшли застосування у супутникових системах першого покоління, системах пошуку і рятування потерпілих, а також у деяких КНС.
Найбільше поширення в навігації одержала перша група методів, зокрема позиційний метод. Цей метод базується на визначенні місцезнаходження РО шляхом перетину двох або більше ліній (поверхонь у просторі) положення (ЛП), побудованих відносно радіонавігаційних орієнтирів (РНО). В залежності від використовуваних ЛП і відповідних їм радіонавігаційних засобів позиційний метод має наступні варіанти реалізації: далекомірний (рис.1.5), кутомірний (пеленгаційний) (рис.1.6), різницево-далекомірний (рис.1.7) і кутомірно-далекомірний (рис.1.8).
Рис.1.5. Далекомірний метод Рис.1.6. Кутомірний метод
При використанні далекомірного методу місце розташування об'єкта визначається перетином трьох кіл у точці РО. Кола звуться лініями рівних відстаней (ЛРВ), які будуються по відстанях Ri до кожного РНО. Цей варіант позиційного методу (зокрема його трьохвимірна реалізація) успішно використовується у сучасних супутникових радіонавігаційних системах.
Кутомірний (пеленгаційний) метод оцінки місця розташування РО припускає використання двох ліній рівних пеленгів (ЛРП), що будуються за вимірами, одержаними від двох кутомірних РНО (рис. 1.6). Оскільки на порівняно малих відстанях (300...400 км) ЛРП можуть бути з достатнім ступенем точності замінені прямими лініями, визначення місця розташування РО за цим методом значно спрощується, що і обумовлює його широке практичне застосування. Цей метод використовується у системах наземної навігації (система OMEGA).
Рис.1.7. Різницево-далекомірний метод Рис.1.8.Кутомірно-далекомірний
метод
Різницево-далекомірним методом оцінюють місце розташування РО у результаті перетинання двох гіпербол, що будуються за результатами вимірів різниць відстаней між парами РНО і РО. При цьому необхідно використовувати не менш двох пар наземних РНО, один з яких є спільним для обох пар (рис. 1.7). Це можна вважати основним недоліком різницево-далекомірного методу, що обумовлює його обмежене використання. Різницево-далекомірний метод знайшов практичне застосування у наземних радіонавігаційних системах Чайка і Loran C.
Кутомірно-далекомірний метод дозволяє визначити місце розташування об’єкта шляхом перетину двох різних ЛП: ЛРП і ЛРВ, тобто точка РО визначається на площині за допомогою двох вимірів: дальності і азимута або дальності та кута місця (рис. 1.8). Характерна риса цього методу — можливість однозначно з високою точністю визначати місце розташування об'єкта використовуючи лише один РНО, що є великою перевагою в порівнянні з іншими методами.
Загалом позиційні методи (особливо далекомірний варіант) одержали широке застосування в навігації завдяки високій точності оцінки місця розташування РО і відсутності необхідності обліку пройденого шляху при проведенні обчислень. Недоліками усіх позиційних методів є дискретність навігаційних вимірів і можливість визначення координат РО тільки в зоні дії РНО.
PAGE 17
НO
N
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
N
РО
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
НO2
O1
РО
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
N
Рис. 1.3. До визначення курсу РО.
Рис.1.2. До визначення кута місця космічного НО відносно наземного РО.
АРО
НО1
НО2
НО3
СНІ
ЦКО
НОn
НОi
РНІ
ЛРП2
ЛРП1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
РНО1
РНО2
РО
N
N
ЛРВ3
ЛРВ1
ЛРВ2
РНО1
РНО3
РНО2
R3
R1
R2
РО
В2
В1
В3
ЛРРВ1-2
ЛРРВ1-3
РО
РНО3
РНО1
РНО2
ЛРВ
ЛРП
N
РО
РНО
EMBED Equation.3
ЛРП
R