книги из ГПНТБ / Каменский, А. М. Теория астрономической коррекции
.pdf
А. М. КАМЕНСКИЙ
ТЕОРИЯ
АСТРОНОМИЧЕСКОЙ
КОРРЕКЦИИ
Москва-
«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И' В»-
19 7 4
К 18 УДК 629.7.05.001.2
^ - ЪХ^Н
Каменский А. М. Теория астрономической коррекции. М., «Машинострое
ние», 1974, 220 с.
В книге изложена теория линейной астрономической коррекции навига ционно-пилотажных параметров движения летательного аппарата. Основное внимание уделено рассмотрению уравнений пеленгации небесных светил, во просам наведения астрономического пеленгатора на светило, а также методам астрономической коррекции навигационно-пилотажных параметров движения летательного аппарата.
Получены уравнения ошибок рассматриваемых методов астрономической коррекции, позволяющие оценить влияние погрешностей астрономических и других средств на точность астрономической коррекции текущих координат места летательного аппарата и параметров, определяющих его ориентацию в пространстве.
Рассмотрена кинематика дополнительных поворотов астрономическогс пеленгатора при проведении коррекции.
В книге впервые сделана попытка изложить теорию астрономической кор рекции навигационно-пилотажных параметров с применением метода компен сирующих поворотов.
Книга рассчитана на инженеров и научных работников авиационного и морского приборостроения, занимающихся проектированием и разработкой автономных навигационно-пилотажных систем. Она будет полезна студентам высших учебных заведений соответствующих специальностей.
Табл. 8, ил. 51, список лит. 24 назв.
Рецензент д-р техн. наук В. Н. Почукаев
К |
31808—187 |
187—74 |
|
|
038(01)—74 |
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие авиационной техники выдвигает требования авто номности и высокой точности к навигационно-пилотажным си стемам летательных аппаратов, совершающих длительные полеты. В то же время современные автономные навигационно пилотажные средства определения местоположения и направле ния движения летательного аппарата, а также его пространствен ной ориентации имеют, как правило, нарастающие со временем погрешности. Поэтому для автономной коррекции нави гационно-пилотажных систем в настоящее время используют астрономические корректирующие устройства, точность кото рых, как известно, не зависит от продолжительности их работы.
Однако развитию теории астрономических устройств, осо бенно разработке теории астрономической коррекции навига ционно-пилотажных параметров, уделяется недостаточное вни мание. В литературе, как правило, приведены материалы, посвя щенные отдельным астрономическим устройствам.
В настоящей книге сделана попытка осветить теорию астро
номической коррекции навигационно-пилотажных |
параметров, |
а также систематически изложить основные методы |
пеленгации, |
небесных светил и использования астрономической информации. Коррекция навигационно-пилотажных параметров с помощью астрономических средств производится по результатам пеленга ции небесных светил.’ При изложении теории пеленгации принят метод, основанный на принципе пеленгации светила некоторой плоскостью. Этот метод предложен Л. П. Сергеевым при разра ботке им теории астрономических курсовых приборов. Л. М. Во робьев применил его для измерения различных навигационных
параметров.
Внастоящее время этот метод получает все большее распро странение при исследовании работы астрономических навига ционных средств. Это объясняется главным образом тем, что применение принципа пеленгации небесных светил плоскостями позволяет найти наиболее приемлемые их ориентации при изме рении тех или иных параметров, получить дифференциальные формулы, определяющие характер изменения координат пелен гуемых светил в полете.
Вкниге при изложении теории пеленгации уточнены основ ные свойства плоскостей пеленгации и методы их ориентации,,
показана взаимосвязь между методами ориентации плоскостей
965 |
3- |
пеленгации и способами подвеса астрономического пеленгатора, получены более простые уравнения пеленгации.
Кроме того, принципы пеленгации использованы и при полу чении уравнений углового наведения астрономического пеленга тора, при исследовании погрешностей работы системы в этом режиме, а также при выводе уравнений астрономической кор рекции навигационно-пилотажных параметров. При этом сде лана попытка рассмотреть методы астрономической коррекции с помощью введения малых компенсирующих поворотов, обеспе чивающих при проведении коррекции навигационно-пилотажных параметров совмещение плоскостей пеленгации с направле ниями на пеленгуемые светила.
В зависимости от количества плоскостей пеленгации и их ориентации информация об их отклонениях от направлений на светила используется для коррекции различных параметров.
Пеленгация одного небесного светила широко используется в астрономических компасах и корректорах курса. Одновремен ная пеленгация двух небесных светил тремя и четырьмя плоско стями получила широкое применение в астрономических ориентаторах и астроинерциальных системах, в которых астрономиче ская информация об отклонениях плоскостей пеленгации от направлений на пеленгуемые светила используется для опреде ления или коррекции текущих координат места и курса летатель ного аппарата.
При одновременной пеленгации двух небесных светил тремя или четырьмя плоскостями требуется по крайней мере два астро номических пеленгатора на борту летательного аппарата, yciaнавливаемых либо на общей платформе, либо на двух дистан ционно связанных платформах. Такое конструктивное решение приводит к заметному увеличению габаритных размеров и мас сы аппаратуры.
Поэтому в работе рассмотрены основные методы астрономи ческой коррекции навигационно-пилотажных параметров, позво ляющие использовать только один астрономический пеленгатор, поочередно пеленгующий небесные светила. Возможность использования одного астрономического пеленгатора, пооче редно пеленгующего небесные светила, вытекает из того, что на растание погрешностей в навигационно-пилотажных парамет рах, подлежащих коррекции, как правило, носит монотонный, плавный характер, и на относительно коротких промежутках времени погрешность практически постоянна.
Книга состоит из четырех частей, в которых соответственно рассмотрены пеленгация небесного светила плоскостями, наве дение астрономического пеленгатора на выбранное небесное светило, а также методы коррекции навигационно-пилотажных параметров при пеленгации одного светила одной и двумя пло скостями, двух небесных светил одновременно тремя и четырьмя плоскостями и, наконец, при поочередной пеленгации светил.
4
При изложении методов коррекции исследуются погрешности и кинематика дополнительных движений пеленгатора.
Рассмотрение кинематики дополнительных движений астро номических пеленгаторов при проведении коррекции оказалось весьма полезным для понимания структуры уравнений астроно мической коррекции. Кроме того, это позволяет уточнить требо вания к астрономическим пеленгаторам.
Методы коррекции и анализ ошибок излагаются в книге
врамках линейной теории. В целях компактности запись ведется
восновном в матричной форме. Конечные результаты, как пра вило, приводятся в скалярной форме.
Примеры, касающиеся конкретных схем, приведены по мате риалам открытой советской и зарубежной печати.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодар ность кандидатам техн. наук О. А. Богуславцеву, Г. И. Василье ву-Люлину, Е. П. Новодворскому, инж. М. И. Тихомировой и канд. физ.-мат. наук В. В. Чугаеву за рекомендации и советы,
сделанные на разных этапах работы над книгой.
Автор благодарен также рецензенту д-ру техн. наук В. Н. Почукаеву, сделавшему ряд ценных замечаний.
Отзывы и замечания по книге просьба направлять по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, издательство «Машино строение».
ВВЕДЕНИЕ
Развитие теории навигации и совершенствование навига ционного оборудования происходят в последние годы особенно быстро. Основным направлением этого развития является ком плексная автоматизация решения задач навигации и управле ния полетом летательного аппарата.
Для решения той или иной навигационной задачи исполь зуются не только устройства, находящиеся на борту летатель ного аппарата, но и наземная аппаратура. В зависимости от того, какими техническими средствами получают исходную ин формацию, все устройства можно разделить на два вида: авто номные и неавтономные. Автономные навигационные устройства дают информацию без привлечения наземных средств, а в не автономных навигационных устройствах информацию получают на основе их взаимодействия с наземной аппаратурой.
Процесс навигации сводится к переработке и обобщению навигационных элементов, измеряемых отдельными устройст вами. Эту переработку и обобщение выполняют оператор (штур ман, летчик) или автоматическое устройство, объединяющее первичные источники информации при помощи вычислителя, логических элементов и схем связей в общую комплексную систему. Каждое навигационное устройство дает наиболее точ ную и надежную информацию только в определенных условиях.
Взаимодействие между навигационными устройствами уста навливается так, чтобы непрерывно работающие средства выполняли роль «памяти» комплексной системы, а дискретно ра ботающие системы — роль корректоров, устраняющих накоплен ные погрешности. Благодаря этому комплексные системы нави гации, как правило, обладают повышенной точностью, меньше зависят от внешних условий полета, обеспечивают необходимое дублирование и контроль работы устройств, а также непрерыв ную выдачу информации.
В качестве автономных средств, обеспечивающих непрерыв ность выдачи информации, в настоящее время находят широкое применение курсо-доплеровские и инерциальные устройства счисления пути. Однако точность навигационных данных, выра батываемых с помощью этих устройств, при сравнительно про должительных полетах часто оказывается недостаточной.
В отличие от автономлых средств счисления пути высокую точность измерений, как правило, обеспечивают неавтономные
6
радиотехнические устройства, хотя они подвержены помехам и имеют ограниченный радиус действия. Поэтому неавтономные радиотехнические устройства используют периодически, напри мер, для точной коррекции результатов счисления пути. В то же время с помощью используемых в настоящее время радиотехни ческих средств нельзя определить, а следовательно, и откоррек тировать один из важных навигационных параметров — курс летательного аппарата. Астрономические навигационные уст ройства лишены указанных недостатков. Они не имеют ограни чений по дальности и продолжительности полета, обладают вы сокой автономностью работы, не подвержены помехам и позво ляют определять как координаты летательного аппарата, так
иего курс.
Вто же время астрономические навигационные устройства имеют и ограничения их использования, вытекающие главным
образом из метеорологических условий полета. Но несмотря на эти ограничения астрономические навигационные устройства достаточно широко используются в авиации.
Авиационная астрономия восприняла основные методы астрономических навигационных определений от мореходной астрономии, соответственно переработав их для условий полета. Так, в 1922 г. в СССР было разработано устройство для опреде ления места самолета по данным астрономических наблюдений без последующих вычислений. Для полетов в арктических рай онах, где магнитные компасы работают плохо, уже в 1923 г. был разработан первый солнечный указатель курса. В 1933—1934 гг. был создан солнце—лунный—звездный указатель курса, кото рый успешно использовался при полете на Северный полюс и при перелетах в 1937 г. через Северный полюс в США.
В послевоенные годы широко применяются в авиационной навигации астрономические методы определения координат летательного аппарата по измеренным высотам двух небесных светил и методы определения курса, использующие вычислен ный азимут с измеренным курсовым углом светила, а также ме тод, основанный на моделировании небесной сферы.
Для измерения высот светил используются ручные секстанты ИАС-1М с искусственным горизонтом и интегрирующим меха низмом, а также перископические, секстанты СП-1 и СП-1М, измеряющие одновременно высоту и курсовой угол светила. Для определения курса разработаны также астрокомпасы АК-53,
АК-59П [5].
За рубежом используется перископический секстант фирмы Колсмен [19], [20].
Для сокращения вычислительных работ на борту летатель ного аппарата при определении курса и координат по данным астрономических измерений разрабатываются автоматические средства пеленгации небесных светил и специальные вычисли
7
тельные устройства. Такими астрономическими приборами яв ляются курсовые приборы типа ДАК-ДБ, ДАК-Б, ДАК-И и астрономический ориентатор типа БЦ-63 [5].
В США применяется в различных модификациях автомати ческий астрокомпас KS-50, разработанный фирмой IBM [22].
В последние годы навигационные астрономические устройства применяются в качестве автоматических автономных корректи рующих средств систем счисления пути таких, как курсо-допле ровские и инерциальные системы. При этом в качестве датчика искусственного горизонта (вертикали) используются гиро скопические вертикали с маятниковой и интегральной коррек цией, а также гиростабилизированные платформы инерциаль ных систем. Для повышения точности стабилизации астрономи ческого пеленгатора по отношению к текущему направлению вертикали гиростабилизированные платформы и подвесы астро номических пеленгаторов конструктивно объединяют в общее устройство либо с непосредственной механической установкой пеленгатора на платформе, либо с дистанционной связью его с платформой при помощи электромеханических и оптических следящих систем.
При таком построении системы наведение астрономических пеленгаторов производится автоматически на основе вычислен ных . угловых горизонтальных координат небесных светил (например, высот и азимутов) по известным счисленным значе ниям координат местоположения летательного аппарата и вре мени. Отклонения линий визирования астрономических пеленга торов после завершения процесса их наведения от направлений на пеленгуемые светила используются для коррекции курса и координат местонахождения летательного аппарата или для коррекции углового положения гиростабилизированной плат формы. В качестве примеров использования астрономических средств для коррекции навигационно-пилотажных параметров могут служить разработанная в США фирмой Колсмен астро навигационная система для сверхзвуковых самолетов [21] и раз работанная фирмой Литтон астроинерциальная доплеровская система AN/ASN-58 [19], [23], [24].
Комплексное использование астрономических навигацион ных устройств и средств счисления пути, а также разработка автоматических астрономических пеленгаторов, способных визи ровать звезды в дневных условиях, создают предпосылки к более широкому применению астрономических средств в навигацион ных комплексах оборудования летательных аппаратов.
Разработка астрономических навигационных устройств пред ставляет собой сложную научно-техническую задачу и требует одновременной проработки большого круга взаимосвязанных вопросов из области астрономии, светотехники, оптики, фою-
электроники, точной механики, теории обработки навигационных измерений и комплексирования систем.
Группа вопросов, касающаяся проектирования собственно астрономического пеленгатора, достаточно подробно изложена в работах [1], [9], [11], [15] и др. Там же освещены и некоторые методы использования астрономической информации при реше нии навигационных задач.
В то же время использование навигационных астрономиче ских устройств в качестве корректирующих средств в комплексе бортового навигационного оборудования современных летатель ных аппаратов требует разработки и применения различных методов обработки данных астрономических измерений. Оста новимся кратко на этих вопросах.
В процессе измерения или коррекции того или иного пара метра происходит пеленгация небесного светила или светил с помощью некоторых плоскостей пеленгации. Совмещение пло скостей пеленгации с направлением на светило производится путем сведения к нулю сигналов рассогласования, вырабаты ваемых чувствительными элементами при отклонениях линии визирования от направления на светило. При этом плоскостям пеленгации придаются некоторые компенсирующие вращения воздействием на измеряемый или корректируемый параметр. Эти воздействия на измеряемые параметры, представляющие собой дополнительные компенсирующие повороты, в дальнейшем будем (называть астрономической коррекцией измеряемого пара метра.
С помощью астрономических средств могут быть откорректи рованы как навигационные, так и пилотажные параметры. Дей ствительно, имея на борту летательного аппарата, например, горизонтальную платформу, точно воспроизводящую направле ние истинной вертикали, можно посредством пеленгации двух небесных светил откорректировать навигационные параметры — координаты места и курс летательного аппарата. В том случае, когда на борту летательного аппарата известны точные значения координат места, можно откорректировать путем уточнения углового положения горизонтальной платформы пилотажные па раметры— углы крена и тангажа. В обоих случаях процедура формирования корректирующих поправок может быть одной и той же.
Методы астрономической коррекции навигационно-пилотаж ных параметров можно разделить на три группы.
К первой группе можно отнести методы астрономической коррекции, когда количество корректируемых параметров равно числу используемых плоскостей пеленгации. Например, при коррекции курса используется одна плоскость, пеленгующая одно светило. При коррекции координат используются две плос кости, которые пеленгуют либо одно, либо два небесных светила.
9