Авиагоризонты, информационно-измерительные системы связанные с вертикалью

 

Проблема определения вертикали места имеет важное значение в автономных системах инерциальной навигации и приизмерении угловой ориентации ЛА в пространстве.

Для определения угловой ориентации в пространстве используются системы координат согласно ГОСТ – 20058-80 (рис. 8).

 

1. Рис. 8. Угловая ориентация самолета относительно Земли (углы тангажа , крена γ и рыскания ψ) и относительно набегающего потока воздуха (углы атаки α и скольжения β). На опорные направления для измерения этих углов принимаются: для измерения углов тангажа – плоскость местного горизонта, перпендикулярная местной гравитационной вертикали, для измерения угла крена – гравитационная вертикаль места, для угла курса (угла рыскания) – северное направление местного меридиана. Основополагающими для определения угловой ориентации являются следующие оси координат, предусмотренные ГОСТ – 20058 – 80: а) – связанная система координат (OXYZ), начало координат которой расположено в центре масс ЛА – то есть в той точке, относительно которой ЛА, если считать его абсолютно твердым телом, вращается. Продольная ось OX ориентирована вдоль продольной строительной оси ЛА вперед по полету, ось OY перпендикулярна оси OX и лежит в плоскости симметрии ЛА и направлена вверх, ось OZ направлена перпендикулярно плоскости симметрии вдоль правого полукрыла. Начало координат скоростной системы координат OX_aY_aZ_a и полусвязанной системы координат OX_eY_eZ_e также располагается в центре масс (б). Главная ось скоростной системы направлена по вектору скорости полета ЛА относительно воздуха, то тесть навстречу набегающему потоку воздуха, определяя угол атаки α и угол скольжения β как углы поворота осей скоростной системы координат самолета относительно связанной. Отличие полусвязанной системы заключается в том, что ее главная ось OX_e лежит в плоскости симметрии ЛА и представляет собой проекцию оси OX_a скоростной системы координат. Угловая ориентация самолета относительно местной вертикали определяется как углы поворота осей связанной системы координат относительно осей земной нормальной системы координат O_oX_gY_gZ_g и нормальной системы координат OX_gY_gZ_g (в). Центр масс земной нормальной системы координат расположен на поверхности Земли в точке с географическими координатами места ЛА, начало координат нормальной системы координат OX_gY_gZ_g перемещается вместе с центром масс ЛА. Нормальные оси обеих систем координат имеют одно направление - вверх по местной вертикали. Две другие оси обеих систем координат лежат в местной горизонтальной плоскости, а их ориентация выбирается в соответствии с решаемой задачей. Поворот осей связанной системы координат OXYZ относительно осей нормальной системы координат OX_gY_gZ_g измеряется углами тангажа , крена γ и рыскания ψ. Эти углы характеризуют угловую ориентацию ЛА в пространстве.

Рис. 8

Авиагоризонты – это неотъемлемая часть пилотажно-навигационного оборудования. Они служат для измерения и отображения экипажу ЛА параметров его пространственной ориентации (Рис. 9).

Рис. 9 Авиагоризонты – указатели углов крена и тангажа. Авиагоризонты относятся к важнейшим авиационным приборам, позволяющим летчику не потерять пространственную ориентировку в полете, особенно, при полете, когда не наблюдается видимый горизонт Земли. Измерителями углов крена и тангажа служат гироскопические приборы. Принцип действия гироскопических приборов заключается в особых свойствах быстро вращающегося ротора, установленного в рамках карданова подвеса, которые способны поворачиваться друг относительно друга (а). Первое главное свойство ротора гироскопа заключается в том, что он сохраняет в неизменной свою ориентация в мировом пространстве: сориентированный в начальным момент, гироскоп поддерживает свою исходную ориентацию. Другое важное свойство – свойство прецессии – свойство гироскопа изменять ориентацию ротора при воздействии механических моментов, приложенных к рамкам подвеса. В простейших гироскопических авиагоризонтах используются гироскопы с вертикальным расположением оси вращениия ротора, размещенного в рамках карданова подвеса (а). Более сложные приборы состоят из датчика и указателя (дистанционные авиагоризонты). Однако резервные авиагоризонты по-прежнему включают в себя гироскопический датчик (б). Датчиками крена и тангажа на многих современных самолетах являются системы курса и вертикали, инерциальные курсовертикали, инерциальные навигационные системы платформенного или бесплатформенного типа. Современные комбинированные резервные приборы с каналом гиромагнитных параметров ППКР СВС АГ (в) измеряют углы крена и тангажа на основе первичных измерений угловых скоростей вращения самолета относительно цента масс и реализации принципов бесплатформенных инерциальных курсовертикалей. На рисунке (г) типичная ситуация разворота самолета с правым креном (около 30⁰) перед заходом на посадку или после взлета. Экипаж наблюдает видимый горизонт Земли. Это существенно упрощает процесс пилотирования. Однако представим себе ситуацию, когда экипаж маневрирует в облаках – тогда без авиагоризонтов не обойтись. Без авиагоризонта человек, к сожалению, теряет пространственную ориентировку вне видимости Земли

Рис. 9

Принцип инерциальной навигации применительно к платформенной инерциальной навигационной системе (ИНС) иллюстрирует рис. 10.

 

 

1. Рис. 10 Влияние гравитационного поля на измерение ускорения в инерциальных навигационных системах. Основной принцип инерциальной навигации заключается в измерении вектора линейного ускорения движения центра масс подвижного объекта, и в последующем двукратном интегрировании вектора ускорения (по отдельным его составляющим) по времени. При этом первое интегрирование позволяет вычислить вектор путевой скорости, а второе интегрирование – уже пройденный путь относительно начальных координат – начальных условий интегрирования определенного интеграла.

 

 

Рис. 10

 

Чувствительные элементы инерциальных навигационных систем - датчики линейных ускорений - акселеро­метры. Акселерометры которые воспринимают не только ускорение движения ЛА, но и напряженность гравитационного поля Земли - ус­корение свободного падения, ориентированное по вертикали места (рис. 11).

 

Рис. 11 Элементарное представление принципа действия датчика линейного ускорения, имеющего только одну ось чувствительности можно получить из рисунка. Здесь чувствительным элементом, реагирующим на ускорение, с которым движется корпус датчика, является инерционная масса, перемещающаяся вдоль направляющей оси. Известно, что согласно известным законам И.Ньютона эта масса, во-первых, будет стремиться сохранить свое положение неизменным, и во-вторых, при наличии ускорения движения корпуса прибора масса будет воздействовать на ограничивающие движение пружины с силой, которая, если пренебречь рядом факторов, будет равна произведению массы на ускорение. Именно эта сила будет сжимать одну пружину и растягивать другую. Очевидно, величина линейного перемещения инерционной массы относительно корпуса датчика будет прямо пропорциональна массе и ускорению и обратно пропорциональна жесткости пружин. Преобразование этого линейного перемещения в электрический сигнал может быть выполнено разнообразными способами

Рис. 11

Акселерометры оказываются чувствительными не только к измеряемому ускорению, но и к гравитационному ускорению. То есть в том случае, если ось чувствительности акселерометра ориентирована не перпендикулярно гравитационному ускорению g, прибор будет обладать методическими погрешностями измерения (рис. 12).

1. Рис. 12 Влияние гравитационного ускорения на измерение линейного ускорения. Представленный на рис. 11 датчик имеет одну ось чувствительности. Предположим, в отсутствие линейного ускорения объекта мысленно развернем ось чувствительности вертикально, по гравитационной вертикали. Тогда инерционная масса переместится вниз под действием силы тяжести. Теперь наклоним ось чувствительности под некоторым углом, например, под углом тангажа. Теперь наш акселерометр будет измерять не только горизонтальную составляющую, направленную в плоскости симметрии ЛА, но и составляющую от ускорения земного тяготения, пропорциональную синусу угла тангажа. Следовательно, необходимая для навигации горизонтальная составляющая ускорения будет измеряться с погрешностью (ошибкой), вызванной наклоном оси чувствительности относительно горизонта. Что нужно сделать для устранения этой погрешности? Возможны несколько способов. Первый из них – расположить оси чувствительности акселерометров на специальной платформе, которая должна постоянно поддерживаться в местной горизонтальной плоскости (платформенные инерциальные навигационные системы). При этом горизонтальной ориентации акселерометров недостаточно. Необходимо, чтобы один из них был ориентирован в плоскости меридиана, а другой – в плоскости параллели. Но меридианы сходятся на полюсах Земли, и Земля имеет суточное вращение вокруг свой оси. Кроме того, движение ЛА по своей траектории вокруг Земли, которую можно представить сферой, эллипсоидом или даже геоидом, да еще имеющим гравитационные аномалии (отвес в разных точках Земли может быть направлен не в одну, в различные точки), приборостроители должны предусмотреть непрерывное управление ориентацией платформы для учета всех этих факторов. Примерно так функционируют платформенные инерциальные навигационные системы полуаналитического типа и инерциальные курсовертикали – датчики углов крена, тангажа и рыскания. Второй способ – расположить оси чувствительности акселерометров вдоль осей связанной с летательным аппаратом системы координат. Один акселерометр – вдоль продольной строительной оси, другой – перпендикулярно первому в плоскости симметрии, а третий – перпендикулярно плоскости симметрии. Для компенсации погрешностей от измерения акселерометрами гравитационного ускорения при произвольной ориентации ЛА необходимо измерять углы крена, тангажа и рыскания и путем вычислений, использующих тригонометрические функции этих углов, находить проекции измеренных ускорений вдоль осей чувствительности, на местную горизонтальную плоскость. В таких системах, называемых бесплатформенными, в наше время в качестве датчика угловой ориентации используется бесплатформенная курсовертикаль, в основе которой находятся лазерные гироскопы (оптические квантовые интерферометры) – датчики угловой скорости вращения ЛА относительно центра масс и специальный вычислитель. Таким образом, в инерциальных навигационных системах - автономных средствах навигации подвижных объектов (самолетов, вертолетов, ракет, кораблей, подводных лодок, подводных автоматических аппаратах и других) важное значение имеют знания о фигуре Земли, об особенностях гравитационного поля нашей планеты.

 

 

Рис. 12

В высокоточных инерциальных навигационных системах не­обходимо компенсировать гравитационную составляющую измеряемого ускорения. Это обеспечивается аналитическим путем по специальным алго­ритмам, запрограммированным в компьютере и моделирующим форму Земли референц-эллипсоидом.

Более полные сведения о форме Земли, о ее рельефе, который образуется складками местности в виде холмов, возвышенностей, гор, оврагов, впадин, равнинных участков, рек, озер, других водоемов. Информация об искусственных наземных сооружениях в виде строений, вышек и других объектов так же необходим в комплексах бортового оборудования. Сложный рельеф поверхности Земли разведывается и используется в обзорно-сравнительных системах навигации ряда крылатых ракет, пилотажно-навигационные комплексы которых включают в себя экстремально-корреляционные обзорно-сравнительные системы, построенные на основе сканирующих радиовысотомеров рельефа местности.

 

 

2. Рис. 13 Рельеф местности и его учет в экстремально-корреляционных системах навигации. Всем хорошо понятен обзорно-сравнительный метод навигации, когда сравнивая видимый образ с тем, что мы хотели бы в этот момент времени наблюдать, мы определяем величину отклонения от ожидаемого места. Образ может быть различным по физической сути. Он может быть видимым (например, в визуально наблюдаемом человеком или электронно-оптическими средствами диапазоне длин волн), или в каком-либо из радиолокационных диапазонов длин волн. На рисунке показан принцип действия навигационных систем Terrain Contour Matching (TERCOM) и Digital Scene Matching Area Correlation (DSMAC) американских крылатых ракет воздушного запуска ALCM-B и BGM-109 "Tomahawk" корабельного базирования. Первая из этих систем основана на радиолокационном сканировании подстилающей поверхности в таких районах, где могут быть обнаружены характерные образы, которые достаточно просто будут распознаваться средствами вычислительной техники и сравниваться с эталонными образами, хранящимися в памяти специального цифрового вычислителя. Сравнение образов, точнее – определение линейного сдвига между ними – позволяет вычислить отклонение от заданной траектории, образы контрольных точек которой заранее введены в память вычислителя. Из этого следует, что система TERCOM – это средство периодической коррекции траектории ЛА, которая отклонилась от программной траектории вследствие погрешностей автономной инерциальной навигационной системы. По сообщениям прессы, возможности вычислителя позволяют сохранять в памяти образы до 100 участков предварительно разведанного с помощью авиационных и космических средств рельефа поверхности (10 маршрутов по 10 участков).

В систему управления и наведения стратегических КР с обычной боевой частью BGM-109C и D включена также электронно-оптическая корреляционная подсистема DSMAC (Digital Scene Matching Area Correlator), которая позволяет существенно повысить точность стрельбы (круговой вероятное отклонение - до 10 м). В ней используются цифровые картины предварительно отснятых районов местности по маршруту полета КР. DSMAC начинает работать на конечном участке траектории полета ракеты после последней коррекции по подсистеме TERCOM. С помощью оптических датчиков производится осмотр районов, прилегающих к цели. Полученные изображения в цифровой форме вводятся в ЭВМ. Она сравнивает их с эталонными цифровыми картинами районов, заложенными в ее память, и вырабатывает корректирующие маневры ракеты.

 

 

Рис. 13

 

3. Рис. 14. Рельеф местности и его учет в системах предупреждения столкновения с Землей. Рельеф местности и его учет в системах предупреждения столкновения с Землей имеет жизненно важное значение для повышения безопасности полетов. Это системы GPWS (Ground Proximity Warning System), TAWS (Terrain Awareness Warning System), усовершенствованные системы Enhanced Ground Proximity Warning System (EGPWS), а также отечественные системы СППРЗ. Это новое поколение предупреждения столкновения с Землей, в котором используется глобальная база данных о рельефе земной поверхности, о высотных искусственных сооружениях, о рельефе в зоне маневрирования самолета в районе аэродромов, а также спутниковая навигационная система GPS и система визуальной индикации и речевого предупреждения. Эти системы особенно эффективны в горной местности (а). Если старые системы предупреждения об опасном снижении к Земле, основанные на радиовысотомере малых высот (0 – 800 м), измеряющем высоту под самолетом, сигнализировали в зависимости от вертикальной скорости снижения. Но новое поколение систем способно прогнозировать появление горы перед самолетом (б) и заранее выдать предупреждение и предложить способ уклонения от столкновения (в).

 

Глобальная база данных о земной поверхности используется современных системах предупреждения о столкновении с Землей, а также при создании виртуальной внешней обстановки, имитирующей внешнюю обстановку на комплексных и пилотажных авиационных тренажерах.