АЭРОНАВИГАЦИЯ - совокупность методов и средств для определения действительных и желаемых положения и движения летательного аппарата, рассматриваемого как материальная точка. Термин "навигация" чаще применяется к длительным маршрутам (суда, самолеты, межпланетные станции). Для быстротечных маршрутов (ракеты, управляемые снаряды), в особенности с нестационарным пунктом назначения, более употребителен термин "наведение". Средства аэронавигации бывают астрономическими, светотехническими, геотехническими и радиотехническими. Астрономические средства навигации позволяют определить местоположение и курс движения летательного аппарата по измеренным угловым координатам небесных светил. Астронавигационные системы работают автономно и не накапливают навигационных ошибок в процессе движения. Однако зависимость от метеоусловий ограничивает возможности применения астронавигационных средств в авиации. Важную роль они продолжают играть в навигации космических летательных аппаратов и кораблевождении.
См. НАВИГАЦИЯ;
КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ. Светотехнические средства навигации основаны на использовании стационарных (наземных) источников света и применяются для ближней аэронавигации - главным образом при посадке летательного аппарата в сложных метеорологических условиях или ночью.
См. также ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ;
АЭРОПОРТ. К геотехническим средствам аэронавигации относятся разнообразные навигационные приборы и системы, основанные на измерении и использовании параметров геофизических полей Земли (гравитационного, геомагнитного, атмосферного, топографического и др.). В эту группу входят гравиметры, магнитные компасы, барометрические высотомеры, измерители воздушной скорости, навигационные карты и пр. Широко распространены гироинерциальные средства, обеспечивающие автономность навигации; они основаны на использовании гироскопического эффекта для определения параметров движения и ориентации летательного аппарата.
См. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ;
ГИРОСКОП;
АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ. Наиболее обширную и важную группу аэронавигационных средств образуют радиотехнические средства, располагаемые на борту, на Земле и на других летательных аппаратах. Обычно в аэронавигации приборы и системы, основанные на упомянутых выше различных принципах, используются комплексно, поскольку каждой группе аэронавигационных средств присущи свои достоинства и недостатки. Понятие аэронавигации охватывает три процесса: 1) определение положения и скорости летательного аппарата в опорной системе координат; 2) сравнение измеренных значений с расчетными для данного момента времени; 3) пересчет результатов сравнения в команды управления, обеспечивающие такое изменение параметров движения, которое обеспечивало бы выполнение маршрута полета и достижение цели. Основное внимание при рассмотрении навигации в данной статье будет уделено вопросам определения положения и скорости.
СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ПУТИ
В тех случаях, когда информация от внешних источников недоступна, для оценки положения и скорости движения самолета может быть использована процедура счисления пути. Так, самолет, летящий в густом тумане и лишенный радиосвязи, может прокладывать свой маршрут, используя показания измерителя воздушной скорости, магнитного компаса, часов и оценки параметров ветра. Исходя из данных о текущем положении и имея карту, можно удерживать самолет на вычисленном курсе, регулируя воздушную скорость с учетом скорости и направления ветра. Изменение местоположения и скорости самолета в земной системе координат определяется по истекшему времени и оценке путевой скорости. Счисление пути не обеспечивает высокой точности; тем не менее этот метод имеет фундаментальное значение для навигации. На счислении пути основаны инерциальные навигационные системы.
Инерциальные навигационные системы. Это автономные бортовые системы, в которых компьютер и гироскопы используются для создания опорной системы координат, а акселерометры, измеряя ускорения по соответствующим осям, позволяют определить соответствующие скорости движения. Результаты измерений гироскопов и акселерометров обрабатываются компьютером, который выдает сигналы на входы систем автоматического управления полетом и на навигационные индикаторы пилотов. В прошлом гироскопы и акселерометры располагали на гиростабилизированной платформе. С развитием вычислительной техники стали использовать бесплатформенные инерциальные системы, в которых поддержание опорной системы координат и большой объем навигационных вычислений выполняет бортовой компьютер. После начальной выставки инерциальных приборов с использованием местной вертикали и направления на Север инерциальные системы обеспечивают автоматическое определение данных о местоположении, скорости, ускорении, направлении полета и других характеристик. Вследствие интегрирования сигналов акселерометров ошибки инерциальных систем с течением времени нарастают. Для инерциальных систем гражданского назначения допускается накапливающаяся погрешность в определении местоположения до 3 км за каждый час полета. Системы инерциальной навигации особенно важны в условиях, когда не приходится рассчитывать на помощь со стороны (например, при полете ракет, а также длительных полетах самолетов над территориями, где нет адекватной сети наземных радиостанций); по своим функциональным возможностям они хорошо дополняют радионавигационные средства.
СРЕДСТВА РАДИОНАВИГАЦИИ
При радионавигации несущую частоту излучаемых электромагнитных волн модулируют речевыми или закодированными сигналами таким образом, чтобы передаваемую информацию можно было легко использовать. Кроме того, используется направленность радиолуча и то обстоятельство, что излучаемая волна распространяется в пространстве с известной скоростью. Распространение излучения зависит от его частоты
(см. РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИЕ).
При аэронавигации обычно используются частоты от 50 кГц до более 300 МГц. Для повышения эффективности передачи и приема целесообразно применять остро настроенные резонансные схемы, рассчитанные на единственную хорошо стабилизированную несущую частоту.
См. также АНТЕННА.
Системы посадки по приборам. В системах посадки по приборам обычно используется сочетание сигнальных полей излучателей с определенными диаграммами направленности, благодаря которым указатели зоны нулевого отсчета могут индицировать отклонение самолета вправо или влево от осевой линии взлетно-посадочной полосы (ВПП), а также вверх или вниз от глиссады, ведущей к точке касания ВПП. Система посадки по приборам может быть автоматизирована путем подачи сигналов нулевого отсчета на бортовую систему управления полетом.
См. также ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ. Измерения с использованием эффекта Доплера. В тех случаях, когда наземные средства недоступны, направление и путевую скорость можно определить бортовыми радиосредствами, используя эффект Доплера (рис. 1). Непрерывный радиосигнал, посылаемый с самолета, встречает на своем пути препятствие и частично отражается обратно на бортовой приемник. Частота принимаемых колебаний отличается от частоты передаваемых на число длин волн, которые самолет пролетел за один период сигнала. Этот доплеровский сдвиг частоты можно обнаружить и измерить. На практике направление и скорость полета самолета определяются по доплеровскому сдвигу частоты с помощью гиростабилизированной антенной решетки, формирующей несколько лучей.
См. также ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ.
Рис. 1. ДОПЛЕРОВСКИЙ СДВИГ ЧАСТОТЫ используется для определения курса и путевой скорости.
Радиопеленгация. Радиокомпас. В течение многих лет направления и азимуты в аэронавигации обычно определяли с помощью специальных бортовых приборов, принимающих сигналы всенаправленных наземных радиостанций. Один из таких приборов - радиокомпас. Рисунок 2 иллюстрирует принцип действия радиокомпаса. Антенной служит рамка с вертикальными боковыми сторонами, а вместо приемника подключен измерительный прибор. Если плоскость рамки ориентирована в направлении передающей станции, то напряжения в вертикальных ее элементах различаются по фазе, поскольку требуется некоторое время, чтобы волна преодолела расстояние между ними. Разность напряжений, наведенных на этих элементах, поступает на вход измерительного прибора. На практике направление определяют, когда напряжение на выходе рамки принимает нулевое значение, т.е. когда плоскость рамки перпендикулярна направлению на передатчик. При плохих погодных условиях помехи на низких частотах бывают неприемлемо большими, поэтому всеобщей практикой стала работа на высокочастотных каналах.
Рис. 2. РАДИОКОМПАС с рамочной антенной используется для определения направления на радиопередающую станцию.
Всенаправленная радиосистема. Всенаправленное (ненаправленное) бортовое радиооборудование функционирует на частотах в диапазоне 112-118 МГц и обеспечивает пеленгацию в любом азимутальном направлении без проблем, создаваемых источниками электростатических и других помех. Такое оборудование работает по принципу создания разности фаз между двумя сигналами звуковой частоты. Ненаправленная антенна излучает опорный сигнал, а четыре антенны, питаемые радиочастотной энергией, промодулированной частотой 30 Гц, - сигнал с переменной фазой, которая зависит от направления на передающую радиостанцию. Бортовой радиокомпас автоматически измеряет разность между фазами опорного и фазопеременного сигналов, а полученная разность соотносится с углом направления на Север. Всенаправленное пеленгационное радиооборудование УКВ-диапазона применяется очень широко.
Радиолокация. В радиолокации используются радиоволны очень высоких частот. Такие волны распространяются по линиям визирования и испытывают отражение от твердых тел и жидкостей. Радиолокационные сигналы генерируются в виде последовательности коротких импульсов с синусоидальным заполнением. Специальная антенна концентрирует передаваемую энергию в узкий луч. Когда посланный импульс встречает на своем пути какой-либо объект, часть его энергии возвращается к антенне, с которой он был послан, а приемник измеряет время, затраченное импульсом на путь туда и обратно, что позволяет определить расстояние (рис. 3).
Рис. 3. РАДИОЛОКАТОР по отраженным радиоволнам определяет местоположение объекта (в данном случае - горы). Расстояние до объекта вычисляется по времени, которое прошло от момента излучения импульса радиолокатором (а) до момента получения приемником его отражения (б).
Поскольку в радиолокации используются короткие волны, передающие и приемные антенны имеют приемлемые размеры. На единичное измерение дальности до объекта уходит мало времени, так что антенну можно вращать и отображать принимаемые отраженные сигналы на экране электронно-лучевой трубки с большим послесвечением, что дает достаточно хорошие изображения местности. Транспортные и пассажирские самолеты обычно имеют на борту радиолокаторы, излучение которых отражается от облаков, дождя и атмосферных возмущений, сопровождающих бури и штормы. Такие метеорологические РЛС позволяют самолету избегать опасных ситуаций. Определить местоположение самолета можно с помощью радиолокационной системы высокой точности "Шоран". Сигнал самолетного импульсного радиолокатора запускает две наземные станции, находящиеся на известном расстоянии друг от друга. Время, прошедшее с момента передачи пусковых импульсов до приема ответных, пересчитывается бортовыми приборами в расстояния от самолета до каждой станции. Этого достаточно, чтобы определить положение самолета в момент измерений. Радиолокаторы - это "глаза" современного аэропорта. Непрерывный поиск в зоне обслуживания позволяет персоналу службы управления воздушным движением обнаруживать самолеты и руководить их полетами в своей зоне с целью обеспечить безопасность движения и посадки при любых погодных условиях.
См. также РАДИОЛОКАЦИЯ; АЭРОПОРТ. Дальномерное радиооборудование. Оборудование для измерения расстояний дополняет возможности ненаправленных приемопередатчиков. В комплект такого оборудования входят бортовой запросчик и ответчик с индикатором, а также наземный радиомаяк (рис. 4). Бортовой запросчик посылает импульсы, а наземный радиомаяк, находящийся в пределах его досягаемости, переизлучает ответные импульсы. По времени прохождения импульсов определяется расстояние от самолета до радиомаяка, а пилоту обеспечивается непрерывная визуальная индикация этого расстояния.
Рис. 4. РАДИОДАЛЬНОМЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ состоит из самолетного запросчика с индикатором и наземного маяка с ответчиком. Время от момента посылки сигнала запроса (а) до момента приема сигнала ответа (б) пересчитывается в расстояние между самолетом и радиомаяком.
ОНЧ-радионавигационные системы. Некоторые авиационные радионавигационные системы работают на очень низких частотах (ОНЧ). Самая распространенная из них - "Омега" - ведет передачи с восьми станций, расположенных в Австралии, Японии, Норвегии, Либерии, Аргентине, на о.Реюньон, в штате Северная Дакота и на Гавайях. ОНЧ-радиопередачи распространяются на очень большие расстояния, следуя кривизне поверхности земного шара. Названные восемь станций обеспечивают глобальный охват. Каждая станция передает сигналы на четырех фиксированных частотах в восьми временнх интервалах на отрезке времени 10 с. У каждой станции набор интервалов имеет собственную структуру, а работа станций синхронизируется посредством атомных часов. Приемник системы "Омега", установленный на самолете (или на корабле), определяет свое местонахождение, используя известные координаты передающих станций и измеренные фазовые углы принятых сигналов. Первоначально необходимо использовать сигналы по меньшей мере трех станций. Далее достаточно сигналов двух станций. Система ОНЧ-навигации позволяет определить текущее местонахождение транспортного средства при условии, что его первоначальное положение известно из какого-либо другого источника.
Спутниковая радионавигация. Навигацию можно осуществлять с очень высокой точностью, пользуясь СВЧ-радиосигналами со спутников. Спутниковая навигационная система NAVSTAR обслуживает военную и гражданскую авиацию и ряд наземных пользователей. Для решения навигационных задач обычно необходимы сигналы четырех спутников. (Сигналов трех спутников было бы достаточно для определения местоположения, если бы отсутствовали погрешность хода часов приемника и другие ошибки. Сигнал четвертого спутника позволяет их скорректировать.) Каждый спутник (всего их 24) передает сигналы, указывающие его точное местоположение. Используя эту информацию и расстояния до спутников (определенные по времени прохождения сигнала), можно определить местоположение самолета. Перед определением времени прохождения сигнала выполняется синхронизация очень точных часов навигационного приемника самолета с еще более точными атомными часами на спутниках.
См. также СПУТНИК СВЯЗИ;
АВИАЦИЯ ГРАЖДАНСКАЯ;
АВИАЦИЯ ВОЕННАЯ;
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ;
ПРОТИВОВОЗДУШНАЯ ОБОРОНА.
ЛИТЕРАТУРА
Духон Ю.И. и др. Справочник по связи и радиотехническому обеспечению полетов. М., 1979 Вдовиченко Н.С. и др. Системы связи воздушных судов гражданской авиации. М., 1988 Воздушная навигация. М., 1988 Авиационная радионавигация. М., 1990