Л е к ц и я: 2 принципи на построяване и характеристики на радионавигационните устройства и системи

Л Е К Ц И Я: 2

ПРИНЦИПИ НА ПОСТРОЯВАНЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАДИОНАВИГАЦИОННИТЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМИ

Ц.Карагьозов

1. НАВИГАЦИОННИ КООРДИНАТНИ СИСТЕМИ.

- решаване на навигационните задачи с необходимата точност;

- обхващане на достатъчна по площ територия, позволяваща използването на единна координатна система;

- нагледна информация за местоположението на ПО относно линията на зададения път (ЛЗП) или основни точки от нея;

- получаване на възможно по – прости аналитични зависимости;

- загуба на минимално време за програмиране на зададената траектория на полета на ПО.

- местни;

- глобални;

- космически.

*Към групата на местните координатни системи се отнасят всички тези, началото на които е свързано с определена точка от повърхността на Земята. Те се използват при навигация на сравнително неголеми разстояния. При тях закръглението на Земята се пренебрегва, защото не внася голяма грешка, а повърхността и се счита за плоска. По своята форма те могат да бъдат декартова (правоъгълна), цилиндрична или сферична.

*Глобалните координатни системи са твърдо свързани със Земята и се използуват за навигация, обхващаща значителна или цялата част от земната повърхност. Съществува голямо разнообразие от глобални координатни системи, но най-голямо приложение са намерили: географската (или геодезичната), геоцентричната и ортодромичната системи.

B географската координатна система се използва земния геоид, а за основна плоскост на отчитане е приета екваториалната плоскост. Под повърхност на геоида се разбира повърхността от потенциала на силите на тежестта, съвпадаща с повърхността на световния океан в спокойно състояние. Направлението на силите на тежестта са перпендикулярни във всяка точка от повърхността на геоида. Положението на всяка точка от повърхността на геоида се определя с астрономични широчина и дължина. Повърхността на геоида обаче се оказва неудобна за решаване на навигационните задачи, т.к. не съществуват аналитични зависимости за изчисляване разстоянието между две точки.

С цел опростяване се използва елипсоид, получен от въртенето на елипса около една от осите си, като най-подходящ модел на формата на Земята. В някои страни се използува при навигационните изчисления елипсоид, получен при въртене на елипса с голяма и малка полуоси съответно равни: а=6378245m и в=6356863m.

Положението на точките от повърхността на елипсоида се определят с геофизичните координати – геодезични широчина В и дължина L. Геодезичната ширина на точка С се нарича ъгълът заключен между плоскостта на екватора и нормалата, спусната от тази точка, показана с пунктирна линия на фиг.1.

Ширината В се отчита от плоскостта на екватора към полюсите и и заема стойности от 0 до 90. Знакът е положителен, когато отчитането се извършва към северния полюс , а минус – към южния полюс .

Фиг.1.Геодезична (географска) координатна система

На аеронавигационните и топографските карти са нанесени меридианите и паралелите в геодезична координатна система, поради което положението на всяка точка от земната повърхност се определя с геодезичните си координати.

Повърхността на използувания елипсоид има точно математично описание, което позволява да се изведат формули за решаване на навигационните задачи. В редица случаи, където не се изисква толкова висока точност за навигация, моделът на Земята може да се представи със сфера.

*При използване геоцентрична (сферична) координатна система Земята се приема за сфера с радиус R=6371110m. Геоцентричната координатна система се отличава от геодезичната по начина на отчитане на ширината. Отчитането на геоцентричната ширина се извършва между екваториалната плоскост и направлението на радиус-вектора, преминаващ през съответната точка (C) на фиг.2. Отчитането на геоцентричната дължина се извършва както в геодезичната координатна система. Стойностите, приемани от и са същите като стойностите на В и L.

Формулите, получени за решаване на навигационните задачи очевидно ще се опростят, но въпреки това са сложни, защото в тях влизат не непосредствено и , a техните тригонометрични функции.

Фиг.2. Геоцентрична (сферична) координатна система

Желанието за използване на опростени формули при решаване на навигационните задачи встрани от екватора е довело до използване на произволна сферична координатна система, наречена ортодромична.

За основна плоскост на отчитане в ортодромичната координатна система се приема плоскостта на големия кръг, която се нарича плоскост на условния екватор. Формата на Земята се приема за сферична.

По същество определянето координатите на точките се извършва както в геоцентричната система, само че трябва да се има предвид, че екватора и оста на полюсите сключват ъгъл със земния екватор. В навигацията се използва лява и дясна ортодромични координатни системи.

Разглежда се лява ортодромична координатна система, която е показана на фиг.3.

Фиг.3.Ортодромична (произволна сферична) координатна система

Положението на коя и да е точка С от повърхността на сферата се определя с условни (ортодромични) ширина х и дължина у. Условната ширина х се определя като дължина на дъга от условния меридиан, от условния екватор до точка С. Тя може да се изрази и в ъглови единици

В (1) и (2) R e радиусът на земната сфера.

Положението на лява ортодромична координатна система на земната повърхност обикновено се задава по два начина:

- указват се геодезичните координати и на началната точка О и направлението на главната ортодромия в тази точка с ъгъла ;

- указват се геодезичните координати и на началната точка О и съответните координати на коя да е точка А () лежаща на главната ортодромия.

В дясна ортодромична координатна система в отличие от лявата направлението на оста ОХ е разположено в дясно от положението на направлението ОY под същия ъгъл от .

Освен описаните основни координатни системи, използвани при решаване на навигационните задачи се използват и някои други частни системи, зависещи от приложението на конкретните радиотехнически и нерадиотехнически измерватели (полярни, хиперболични и др.). При извършване на навигационни измервания широко се използват правоъгълни координатни системи, чието начало е свързано с центъра на масата на ПО.

2.СПОСОБИ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА МЕСТОПОЛОЖЕНИЕТО НА ПО

- обзорно-сравнителен (визуална ориентировка; сравняване на телевизионни, радиолокационни и други изображения на местността със съответни предварително съставени карти; корелационно-екстремална навигация по физичните полета на Земята ;

- позиционен - с използване метода на повърхностите (линиите) на положение (с използване на радиотехнически, астрономични и др. системи) ;

-способ на изчисляване на пътя (инерциално, въздушно и доплерово изчисляване на пътя и тяхната комбинация ).

Средноквадратичната грешка при определяне местоположението на ПО при визуална ориентировка е от (1-3)кm при отдалечение на ориентирите на (5-15)km и на един порядък по-малка при прелитане над ориентирите. При това под навигационни ориентири се разбират естествени или изкуствени, добре отделящи се на общия фон обекти (заводски комин, път, река, населено място и др.) с точно известни координати на местоположение.

Точността на обзорно-сравнителния способ значително се повишава с използване на РЛС за обзор или други визири.

Този способ, имайки предвид развитието на корелационно-екстремалните системи, се явява перспективен, защото е напълно автономен, слабо влияние оказват шумовете и не се натрупва грешка от времето на полета при определяне местоположението на обекта.

При навигация близо до повърхността на Земята, задачата за определяне местоположението на ПО в пространството се свежда към задачата за определяне местоположението на ПО в равнината, ако >10H. Тук с е означена наклонената далечина от ПО до ориентира, а с Н - височината на полета на ПО. При използването на позиционния метод в качеството на ориентир се използват радионавигационни станции, разположени в места с точно известни координати и се наричат радионавигационни точки (РНТ). Станциите на РНС могат да се разполагат и на подвижни обекти, ако законът им на движение е известен ( примерно, на изкуствени спътници на Земята).

Способът на линиите (повърхностите) на положението е получил широко разпространение в навигацията. Основно предимство на способа се явява местоопределянето без знанието на прелетения по-рано път. Недостатък на способа се явява дискретността във фиксирането (определянето) на местоположението на ПО и неавтономността; определя се местоположението на ПО само в работната зона на РНС.

Способът на изчисляване на пътя се заключава в определяне координатите на местоположението на ПО посредством изчисляване на прелетения път относно известно начално положение на ПО. За изчисляване на пътя е необходимо да се разполага с данни за направлението на движение на ПО, а така също за неговото ускорение или скорост на движение относно Земята. При това прелетеният път от ПО се получава след двукратно или еднократно интегриране съответно на ускорението или скоростта му във времето. Основно предимство на метода се явя­ва високата шумоустойчивост и автономността. Недостатък на способа на изчисляване на пътя се явява натрупването (нарастването) на грешката на местоопределянето във времето, за сметка на неточността на интегрирането.

На практика разгледаните три способа често се използват и съвместно.

1. 
   В. В. Шкирятов. Радионавигационные системы и устройства. М., „Радио и связь”, 1984.
   
2. 
   Радиотехнические системы. Под ред. Ю. М. Казаринова. М., „Академия”, 2008.