Задачи решаемые доплеровскими навигационными системами - ДНС

Как правило, доплеровские измерители применяются в комплексе с навигационными вычислителями и системой автоматического управления (САУ). Автономные доплеровские системы навигации и управления призваны обеспечить прибытие воздушного судна (ВС) к пункту с известными координатами. При решении этих задач доплеровские устройства и системы могут использоваться как в полёте ВС по маршруту (самолёты, вертолёты и другие ВС), так и для осуществления режимов висения и посадки ВС (вертолёты, космические аппараты).

Рассмотрим применение доплеровских систем в полёте ВС по маршруту. Координатами пункта назначения могут быть, например, широта и долгота в географической системе координат либо дальность вдоль ортодромии и боковое отклонение от неё (рис. 2.1) в условной прямоугольной (ортодромической) системе координат. Ортодромия кратчай-шее расстояние между двумя точками земной поверхности (дуга большого круга).

Движение ВС по отношению к земной поверхности происходит в результате взаимодействия силы тяги двигателей, аэродромических сил и сил до тяжести, вызывающих перемещение ВС со скоростью V по отношению к воздушной массе, и в результате действия ветра, вызывающего перемещение воздушной массы вместе с ВС со скоростью W. Результирующий вектор полной скорости V_П определяет скорость движения ВС по отношению к земной поверхности. Горизонтальные составляющие векторов полной скорости, воздушной скорости и скорости ветра - V_П, V, W - образуют так называемый навигационный треугольник скоростей (рис. 2.1), где V_П = V + W_. Горизонтальная составляющая вектора полной скорости ВС,учитываемая при счислении пути, пройденного ВС вдоль земной поверхности, называется вектором путевой скорости ВС. Модуль этого вектора называется путевой скоростью W, угол между продольной осью ВС и этим вектором W называется углом сноса α, а угол между горизонтальной составляющей воздушной скорости V и вектором путевой скорости V_П называется углом сноса ветром α_B.

В полёте ВС по маршруту доплеровское бортовое устройство позволяет измерить две величины: путевую скорость и угол сноса или продольную (по оси ВС) и поперечную составляющие вектора путевой скорости. Эти данные достаточны для ответа на вопрос о том, с какой скоростью относительно Земли перемещается ВС, но не дают ответа на вопрос о направлении его полёта. С этой целью необходимо учесть сумму курса ВС (К) и угла сноса α (рис. 2.1). Следует отметить, что ДИСС измеряет угол между продольной осью ВС и вектором путевой скорости, т. е. сумму угла аэродинамического скольжения α_ск и угла сноса ветром α_B (рис. 2.1). Поэтому здесь и в дальнейшем, говоря об измерении с помощью ДИСС угла сноса α ВС, имеем в виду сумму углов

α_B + α_ск.

Если курс и воздушная скорость ВС известны, то ДИСС позволяет учесть суммарное влияние на движение ВС ветра и аэродинамического скольжения. Если воздушная скорость неизвестна или не может быть измерена с необходимой точностью, то ДИСС позволяет учесть как ветер и скольжение, так и воздушную скорость. Однако ДИСС не может сам по себе учесть курс ВС. Это объясняется тем, что доплеровская аппаратура определяет на борту ВС направление вектора путевой скорости по отношению к продольной оси ВС, т. е. в системе координат, связанной с ВС. Для определения же направления полёта ВС по отношению к странам света, т. е. в системе координат, связанной с Землей, необходимо знание курса ВС, определяющего переход по направлению от подвижной системы координат к неподвижной.

Итак, для того чтобы ответить на вопросы, в каком направлении и с какой скоростью летит ВС, необходимо наличие как доплеровского устройства, измеряющего угол сноса и путевую скорость, так и курсовой системы. Интегрирование получаемых данных о перемещении ВС с помощью так называемого навигационного вычислителя координат и учёт координат начального пункта маршрута позволяет ответить на вопрос, где находится ВС, т. е. каковы координаты его места. Для того чтобы решить задачу, в каком направлении и сколь долго лететь до пункта назначения, необходимо сопоставить информацию о действительном местоположении ВС с заданными координатами пункта назначения (рис. 2.2).

Приходим к следующим выводам.

Во-первых, определение координат ВС с помощью автономных допплеровских систем навигации основано на совместном использовании допплеровской информации об угле сноса и путевой скорости ВС и информации о его курсе.

Во-вторых, время основными частями автономной допплеровской системы навигации и управления являются доплеровский измеритель угла сноса и путевой скорости, курсовая система навигационный вычислителькоординат ВС и сигналов управления. Совместное использование доплеровских измерителей и различных навигационных устройств и систем позволяет автоматизировать процесс счисления пройденного пути и определения места нахождения самолёта (его координат - долготы и широты), а также автоматизировать выдерживание самолёта на линии заданного пути при подаче с выхода навигационного вычислителя на автопилот самолета управляющего сигнала, выработанного вычислителем на основе информации, полученной от доплеровского измерителя.

Доплеровские измерители могут использоваться в комплексе с другими навигационными устройствами и системами как радиотехническими, так и не радиотехническими, например, инерциальными, для коррекции данных, получаемых с помощью этих устройств и систем. Совместное использование доплеровских измерителей и различных навигационных устройств и систем позволяет значительно улучшить технические показатели навигационных комплексов. Следует отметить, что доплеровские измерители могут использоваться не только для самолетовождения, но и для автономного управления беспилотными летательными аппаратами.

5.1.3. Взаимодействие структурных элементов доплеровской навигационной системы (рис. 2.2.)

Данные о путевой скорости путевой скорости V_П и угле сноса α, полученный при помощи доплеровского измерителя, вводятся в навигационный вычислитель непрерывного или дискретного типа. На который также поступают от курсовой системы (точной курсовой системы) или, в простейшем случае, от магнитного компаса) о курсе самолёта. Кроме того, в навигационный вычислитель заблаговременно вводят координаты пунктов вылета к прилёта или координаты выбранных промежуточных пунктов маршрута, вводят значение заданного путевого угла, величину магнитного склонения на данном этапе маршрута и некоторые другие данные. На основе всех этих данных навигационный вычислитель определяет курс следования на выбранный пункт маршрута, определяет текущие координаты самолёта (долготу и широту или же путь, пройденный по ортодромии и боковое уклонение от лиши заданного пути), вычисляет оставшееся расстояние и время полёта до выбранного пункта маршрута, определяет поправку в курс для вывода самолёта на линию заданного пути при наличия бокового уклонения; если это необходимо, вычисляет направление и скорость ветра (W) и, наконец, вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на вход автопилота для автоматического управления полётом самолёта по заданной линии пути. Вычисленные навигационные величины с выхода вычислителя подаются на соответствующие указатели.

Данные доплеровского измерителя такжеиспользуются:

- непосредственно экипажем ВС для навигационного обеспечения полёта независимо от оптической видимости;

- системой автоматического управления (САУ) полётом самолёта для автоматической стабилизации направления самолёта на заданной линии пути.

 

Эффект Доплера

Общие сведения

Христиан Доплер - австрийский физик и астроном (I803-1853), открывший в 1842году рассматриваемый эффект, изучая звуковые волны. Впервые экспериментальная проверка эффекта Доплера для света в лабораторных условиях произведена русским физиком А.А.Белопольским (1900). И только после освоения СВЧ - диапазона pадиоволн появилась возможность использования эффекта Доплеpа для pешения pяда пpактических задач.

Эффект Доплеpа заключается в изменении частоты пpинимаемых pадиоволн, возникающем пpи взаимном пеpемещении пеpедатчика и пpиёмника. Пpи сближении пеpедатчика и пpиёмника частота пpинимаемых колебаний больше частоты излучаемых, а пpи удалении - меньше.

Для возникновения эффекта Доплеpа безpазлично, пpиближается ли пеpедатчик к пpиёмнику или наобоpот, пpиёмник к пеpедатчику.

5.2.2.Основные физические сообpажения

Физическую сущность эффекта Доплеpа можно пояснить на следующем пpимеpе: пусть РЛС и цель неподвижны (pис. 2.3). Тогда излучаемые антенной РЛС колебания с частотой f₀ удаляются от антенны со скоpостью света с и, пpоходя цель, воздействуют на неё. За одну секунду поверхность цели пронизывают f₀ - фpонтов волны. Следовательно, частота колебаний индуктиpованных на поверхности цели будет такой же, как и частота излучения, то есть эффект Доплеpа возникать не будет.

Тепеpь пpедположим, что РЛС неподвижна, а цель движется к РЛС со скоpостью Vп. В этом случае, за счёт встpечного движения цели относительно поля РЛС, её поверхность пронизывают в одну секунду больше, чем f₀ - количество фpонтов, и на ней будут индуктиpоваться колебания, частота котоpых выше f_0. Очевидно, что пpи удалении цели от РЛС в ней индуктиpуются колебания с частотой ниже f₀.

Следует отметить, что эффект Доплеpа вызывает только та составляющая скоpости, вектоp котоpой лежит на пpямой, соединяющей РЛС и цель.