Сарайский Ю. Н., Алешков И. И. Аэронавигация. Часть 2_СПб ГУГА_2013. Аэронавигация часть II. Радионавигация в полете по маршруту

такое-то вполне определенное численное значение, то это означает что ВС сейчас находится не где угодно, а может находиться только в одной из множества тех точек пространства, в которых значение параметра именно такое. Если, путешествуя пешком по стране и заблудившись, Вы обнаружили, что у вас под ногами асфальт (да еще с нанесенной на него дорожной разметкой), то это означает, что вы находитесь не в поле, не в лесу, не в болоте, а на какой-то дороге. На какой именно дороге и в каком ее месте
Вы, конечно, не знаете, но множество точек на карте, в которых вы в принципе могли бы находиться, существенно уменьшилось. В этом примере роль навигационного параметра играет вид подстилающей поверхности.
Если в какой-то точке пространства навигационный параметр имеет какое-то определенное значение, то это не вовсе не значит, что в других точках его значения должны быть обязательно другие. Наверняка точно такое же значение параметр имеет и во многих других точках. Например, точки, в которых наклонная дальность равна 100 км находятся и к северу, и к востоку от радиостанции, и кверху от нее, вообще в любом направлении.
Таких точек бесконечно многого. Но, как правило, точки с одинаковым численным значением навигационного параметра выстраиваются в пространстве, образуя некоторую поверхность.
Поверхность положения – геометрическое место точек в пространстве с одинаковым значением навигационного параметра (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Поверхность и линия положения
Обычно для каждого вида навигационного параметра поверхность положения имеет свою определенную форму. Для параметра наклонная
дальность поверхность положения имеет форму сферы с центром в точке расположения радиостанции (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Поверхность положения для навигационного параметра наклонная дальность
Ведь сфера и есть геометрическое место точек, одинаково удаленных от некоторой точки, называемой центром сферы. Поэтому, если в полете измерено, что наклонная дальность до радиомаяка составляет 237 км, то это означает, что ВС сейчас расположено в одной из точек сферы радиусом 237 км с центром в точке расположения радиомаяка. Поэтому поверхность и называется поверхностью положения. ВС не может находиться ни внутри, ни снаружи этой сферы, потому что тогда значение параметра (дальности) было бы другим.
Каждому численному значению навигационного параметра соответствует своя поверхность положения, поэтому для каждого вида навигационного параметра существует целое семейство поверхностей
положения, отличающихся значением параметра. Так, для параметра наклонная дальность это семейство представляет собой бесконечное множество сфер разного радиуса с общим центром в точке расположения радиомаяка. И когда в полете при измерении наклонной дальности бортовыми приборами определяется численное значение этой дальности, то и становится ясным, на какой именно из этого множества сфер (поверхностей положения) в данный момент находится ВС.
Поверхность положения может пересекаться с земной поверхностью.
При пересечении этих поверхностей образуется линия, в каждой точке которой, конечно, такое же значение параметра, как и на всей поверхности положения. Эта линия называется линией положения.
Линия положения – геометрическое место точек на земной
поверхности с одинаковым значением навигационного параметра.
Если навигационный параметр является геометрической величиной, то обычно каждому его виду соответствует своя геометрическая форма линии положения (окружность, ортодромия, гипербола и т.д.). Изменяя значение

навигационного параметра можно получить целое семейство линий положения, каждая из которых соответствует своему значению параметра.
Определение места самолета. Если в полете с помощью приборов измерить значение навигационного параметра в точке нахождения ВС и построить на карте линию положения, соответствующую этому значению параметра, то очевидно, что МС может находиться только в одной из точек этой линии. Ведь только на ней значение параметра именно такое, какое было измерено. Но в какой именно точке этой линии находится ВС, конечно, неизвестно. Однако можно измерить какой-либо другой параметр и также проложить на карте соответствующую ему линию положения. Поскольку ВС находится одновременно и на первой, и на второй линии положения, то очевидно, что оно находится в точке их пересечения. Собственно в этом и заключается идея обобщенного метода линий положения (рис. 2.12).
В традиционной навигации линии положения действительно прокладывают на карте, и место самолета получают графическим путем. Но в принципе это не обязательно. Ведь каждая линия положения описывается определенным уравнением в географической системе координат. Если в уравнения, описывающие две линии положения, подставить численные значения измеренных параметров, то получится система из двух уравнений, неизвестными в которой будут являться координаты точки, в которой измерены эти параметры. А это и есть широта и долгота самолета. Таким образом, решив эту систему уравнений, можно определить место самолета.
Рис.2.12. Определение места самолета по двум линиям положения
К сожалению, из-за сферичности Земли эти уравнения имеют достаточно сложный вид и решить их в полете «вручную» вряд ли возможно.
Однако, при наличии на борту навигационного вычислителя (компьютера), входящего в состав пилотажно-навигационного комплекса, это вполне возможно. Например, в полете непрерывно измеряются дальности до двух радиомаяков, которые поступают в вычислитель. В памяти вычислителя хранятся географические координаты этих радиомаяков.
По запрограммированным алгоритмам вычислитель непрерывно решает численными методами упомянутую систему из двух уравнений и выдает экипажу текущие значения широты и долготы самолета. В данном случае

никакие линии положения на карте, конечно, не строятся. Задача решается аналитическим путем, по формулам. Но суть от этого не меняется. Это также реализация обобщенного метода линий положения.
Следует отметить некоторое различие терминологии в воздушной навигации и морской навигации (судовождении). В.В.Каврайский, сформулировавший обобщенный метод линий положения, под линией положения понимал не саму линию с одинаковым значением параметра (ее он называл изолинией), а касательную к ней в точке счисленного местоположения судна. Такой терминологии моряки до сих пор и придерживаются.
2.3. Основные виды линий положения
В принципе в качестве навигационных параметров могут выступать самые разные величины. Но для того, чтобы их использовать для определения МС, на борту ВС должны иметься приборы, способные измерять эти параметры. Например, магнитное склонение в принципе является навигационным параметром, но на самолете нет оборудования, которое позволило бы его непосредственно измерить, поэтому ΔМ как навигационный параметр не используется для определения МС (по крайней мере пока). Разумеется, это не отменяет возможность использования ΔМ для решения разных навигационных задач, в том числе, для вычисления значений других навигационных параметров (например, истинного пеленга самолета).
В навигации чаще всего используются навигационные параметры, которые являются геометрическими величинами, то есть расстояниями, углами и пр. В этом случае каждому виду навигационного параметра
соответствует своя геометрическая форма линии положения.
Рассмотрим те навигационные параметры и соответствующие им линии положения, которые в настоящее время применяются в навигации.
1. Навигационный параметр – горизонтальная дальность D. Под горизонтальной дальностью (далее будем называть ее просто дальностью) понимается кратчайшее расстояние от произвольной точки (места самолета) до некоторой фиксированной точки (радиомаяка) по поверхности Земли..
Этому параметру соответствует линия положения, называемая линией равных
расстояний (ЛРР). На плоскости эта линия имеет форму окружности, в центре которой располагается радиомаяк. На земной сфере ЛРР также имеет вид окружности (малого круга), каждая точка которой одинаково удалена от радиомаяка. Расстояние, конечно, также измеряется по линии кратчайшего расстояния на сфере, то есть по дуге большого круга (ортодромии).

Рис. 2.13. Линия равных расстояний
Каждому численному значению дальности соответствует своя ЛРР. Все они являются окружностями с общим центром в точке расположения радиомаяка, образуя семейство ЛРР для данного радиомаяка
2. Навигационный параметр – пеленг самолета П
с
. Напомним, что пеленг самолета – это угол, заключенный между северным направлением меридиана, проходящего через радиостанцию, и направлением на самолет.
Параметру «пеленг самолета» соответствует линия положения, называемая
линией равных пеленгов самолета (ЛРПС).
Когда мы говорим о направлении от радиостанции на самолет, мы имеем в виду, конечно, направление по линии кратчайшего расстояния, а не по какой-то извилистой кривой. На плоскости линией кратчайшего расстояния является прямая линия, а на сфере – это дуга большого круга. В какой бы точке этой линии ни находился самолет, пеленг на него от данной радиостанции будет один и тот же. Следовательно, ЛРПС имеет форму ортодромии (дуги большого круга), рис. 2.14.
Рис. 2.14. Линия равных пеленгов самолета на плоскости и на сфере

Семейство ЛРПС, соответствующих разным значениям пеленга, представляет собой множество ортодромий, выходящих по всем возможным направлениям из точки расположения радиомаяка.
3. Навигационный параметр – пеленг радиостанции П
р
. Пеленг радиостанции (радиомаяка) – это угол, заключенный между северным направлением меридиана, проходящего через самолет и направлением на радиомаяк. Линия положения, в каждой точке которой значение пеленга данной радиостанции является одинаковым, называется линией равных
пеленгов радиостанции (ЛРПР).
Разумеется, и в этом случае имеется в виду направление на радиостанцию по кратчайшему расстоянию, то есть, на сфере – по ортодромии.
Рассмотрим, какую форму на сфере имеет ЛРПР. Первое, что приходит в голову, это что ЛРПС и ЛРПР являются одной и той же линией. Ведь пеленг самолета – это направление на самолет от радиостанции, а пеленг радиостанции – направление на радиостанцию от самолета. В обоих случаях направление соответствует линии кратчайшего расстояния, ортодромии.
Казалось бы, вся разница только в том, что П
с соответствует направлению
«туда». а П
р
– направлению «обратно». И поскольку ЛРПС является ортодромией, она же одновременно должна являться и ЛРПР. На самом деле это вовсе не так.
Принципиальная разница между двумя видами параметров и соответствующими линиями положения заключается в том, от какого именно меридиана отсчитывается параметр (пеленг). Пеленг самолета всегда отсчитывается от одного и того же меридиана – меридиана радиостанции, независимо от того в какой точке находится самолет. А пеленг радиостанции измеряется каждый раз от разных меридианов, а именно – от меридиана самолета.
Рассмотрим рис. 2.15. На нем линия ортодромического направления на радиостанцию от самолета обозначена пунктиром. В любой ее точке линия направления на радиостанцию совпадет с самой этой пунктирной линией. Но значение Пр в каждой точке будет разным, поскольку, как известно. ортодромия пересекает меридианы под разными углами. Следовательно,
сама эта ортодромия не является ЛРПР, поскольку не обладает свойством сохранения постоянного значения параметра.
Но ЛРПР все же существует, однако проходит по-другому. А именно таким образом, чтобы в каждой ее точке угол (П
р
) между меридианом этой
точки и ортодромическим направлением от нее на радиостанцию был одинаков (см. рис. 2.15).

Рис. 2.15. Линия равных пеленгов радиостанции
ЛРПР на сфере имеет сложную форму, которая называется сферической лемнискатой Бернулли. Свойства этой кривой более подробно рассматриваются в курсе «Геоинформационные основы навигации».
Различие между ЛРПР и ЛРПС объясняется наличием угла схождения меридианов δ
сх радиостанции и самолета. Чем он меньше, тем ближе друг к другу проходят ЛРПР и ортодромическая ЛРПС.
4. Навигационный параметр – разность расстояний от самолета до двух радиостанций. Этому параметру соответствует линия положения, называемая линией равных разностей расстояний (ЛРРР).
Пусть самолет (рис. 2.16) находится в некоторой точке, расстояния от которой до двух известных радиостанций составляют соответственно D
1
и
D
2
. Допустим, что сами эти дальности на борту не измеряются, но в любой момент времени может быть измерена их разность
Технически измерить разность расстояний не измеряя самих расстояний вполне возможно, причем даже несколькими способами. Как именно это делается будет рассмотрено в главе о разностно-дальномерных системах.
Поскольку сами дальности являются навигационными параметрами, то есть их значения зависят от места самолета, то и их разность ΔD также является навигационным параметром. Линия положения для этого параметра
(ЛРРР) имеет форму гиперболы. Из математики известно, что гипербола обладает следующим свойством: разность расстояний от любой точки гиперболы до двух фиксированных точек, называемых фокусами гиперболы, является постоянной. В нашем случае этими фокусами и являются две радиостанции. Попутно заметим, что похожим свойством обладает и другая кривая второго порядка – эллипс, для каждой точки которого сумма
расстояний до двух фокусов эллипса одинакова.

На плоскости ЛРРР является обычной гиперболой, ветви которой уходят в бесконечность, а на земной сфере – сферической гиперболой, которая является замкнутой кривой (рис. 2.17).
Рис. 2.16. Линии равных разностей расстояний на плоскости
Рис. 2.17. Линии равных разностей расстояний на сфере
Каждому значению параметра ΔD соответствует своя гипербола, а все множество этих гипербол составляет семейство этих линий положения.
Каждая гипербола является симметричной относительно линии базы, то есть прямой, проходящей через обе радиостанции. Чем больше ΔD по абсолютной величине, тем круче изогнута гипербола (наибольшая крутизна имеет место вблизи линии базы). И наоборот, чем меньше ΔD, тем больше распрямляются ветви гиперболы. В частном случае, когда ΔD=0, то есть расстояния до обеих радиостанций одинаковы, гипербола, если рассматривать ее на плоскости,

превращается в прямую, проходящую через середину линии базы перпендикулярно к ней. При дальнейшем уменьшении ΔD (параметр будет уже отрицательным) ветви ЛРРР загибаются уже в противоположную сторону. Семейство ЛРРР расположено симметрично относительно перпендикуляра к середине базы.
Теоретически можно рассмотреть линии положения, соответствующие и любым другим навигационным параметрам. Например, в качестве параметров можно рассматривать сумму расстояний до двух радиостанций, разность пеленгов двух радиостанций и т.п. Каждому из них будет соответствовать линия положения определенной формы. Здесь же нами рассмотрены только те навигационные параметры, которые фактически могут быть определены на борту современного ВС.
2.4. Классификация радионавигационных средств
Радионавигационное средство (радиотехническое средство навигации)
– это устройство, расположенное на борту, на земле или даже в космосе, основанное на использовании радиоволн и предназначенное для решения навигационных задач.
Радионавигационные средства делятся на автономные и неавтономные.
Автономное средство расположено на борту ВС и не требует для своей работы никакого дополнительного оборудования, расположенного на земле или в космическом пространстве.
Автономными являются все геотехнические средства навигации, а из радиотехнических средств к ним можно отнести доплеровский измеритель скорости и сноса (ДИСС), радиовысотомер, бортовую радиолокационную станцию (БРЛС).
Большинство используемых в настоящее время радионавигационных средств являются неавтономными. Например, на земле установлен радиомаяк
(радионавигационное средство), а на борту – какое-либо оборудование (тоже радионавигационное средство), принимающее сигналы от этого радиомаяка и определяющее пеленг или дальность радиомаяка. Понятно, что по отдельности ни радиомаяк без бортового оборудования, ни бортовое оборудование без радиомаяка обеспечить получение навигационной информации (измерение пеленга или дальности) не могут. Они работают только совместно и образуют радионавигационную систему.
Радионавигационная система (РНС) – это совокупность бортовых и наземных (а иногда и спутниковых) радионавигационных средств, совместно обеспечивающих получение навигационной информации.
Классифицировать РНС можно по самым разным признакам. В радиотехнике их делят на классы по частотам, на которых они работают, по способу модуляции сигнала и пр.
В аэронавигации, которая занимается не столько изучением устройства средств, сколько способами их применения, принято классифицировать радионавигационные средства и системы по виду измеряемого ими

навигационного параметра. Ведь именно от вида параметра зависит форма линии положения, с помощью которой будет определено место самолета.
Классификация радионавигационных средств приведена на рис. 2.18.
Как уже отмечалось, к автономным средствам относятся ДИСС, радиовысотомер, бортовая радиолокационная станция. Они не требуют для своей работы установки на земле какого-либо оборудования.
Рис. 2.18. Классификация радионавигационных средств
Неавтономные средства входят в состав РНС, которые делятся по виду измеряемого навигационного параметра на угломерные, дальномерные, угломерно-дальномерные и разностно-дальномерные. Любая РНС включает в себя бортовое и наземное средство.
В табл. 2.2. приведены примеры наиболее распространенных РНС, которые более подробно будут рассмотрены в последующих главах.
К угломерным радионавигационным системам (УРНС) относятся такие, в которых измеряемым навигационным параметром является угловая величина (пеленг самолета, пеленг радиостанции, курсовой угол радиостанции). В свою очередь УРНС традиционно делятся на три вида: радиокомпасные, радиопеленгаторные и радиомаячные. Радиокомпасная система включает в себя наземную радиостанцию и бортовой радиопеленгатор, называемый автоматическим радиокомпасом. В состав радиопеленгаторной системы входит наземный автоматический радиопеленгатор (АРП), а на борту требуется обычная связная радиостанция.
В радиомаячных системах наземным средством является радиомаяк, излучающий радиоволны специального вида. Соответственно на борту должно быть установлено средство, способное принимать такие радиоволны и определять значение навигационного параметра (как правило, пеленга самолета).

Таблица 2.2
Радионавигационные системы
Обозначение
РНС
Примеры бортового оборудования
Измеряемый параметр
Диапазон волн
ОПРС
АРК
Курсовой угол радиостанции
*
ДВ, СВ
VOR
КУРС МП
Магнитный пеленг самолета
(радиал)
УКВ
(метровые)
АРП
Связная УКВ- радиостанция
Прямой и обратный пеленги
УКВ
(метровые)
DME
Самолетный дальномер
Наклонная дальность УКВ
(дециметровые)
TACAN
Магнитный пеленг самолета и наклонная дальность
УКВ
(дециметровые)
РСБН
Бортовое оборудование
РСБН
Истинный пеленг самолета и наклонная дальность
УКВ
(дециметровые)
Наземная РЛС
Связная радиостанция
Пеленг самолета. наклонная дальность
УКВ
(дециметровые, сантиметровые)
Спутниковая навигационная система
Приемник
СНС
Псевдодальность
УКВ
(дециметровые)
*) Курсовой угол радиостанции сам по себе не является навигационным параметром, но он используется для определения пеленгов
Дальномерные радионавигационные системы (ДРНС) включают в себя наземный радиомаяк и бортовое оборудование (самолетный дальномер).
Угломерно-дальномерные радионавигационные системы (УДРНС) позволяют одновременно измерять два навигационных параметра разного вида: угловую величину (пеленг) и дальность.
Разностно-дальномерные системы (РДРНС) измеряют разность расстояний до двух радиостанций.

перейти в каталог файлов