Получение непозиционной информации обеспечивает автономность навигации или повышает степень ее автономности. К методам непозиционной навигации относят:
• метод счисления пути;
• обзорно-сравнительные методы.
Возможны нерадиотехнические и радиотехнические средства реализации всех этих методов. Широкое распространение получили, в частности, средства инерциальной навигации: гироскопы, акселерометры, многофункциональные датчики. Остановимся на последних подробнее.
Метод счисления пути
Средства и особенности инерциальной навигации. Текущую позицию объекта навигации устанавливают косвенно по его начальной позиции и результату двукратного интегрирования вектора ускорения или однократного интегрирования вектора скорости. Для этого необходимо:
> измерять указанные векторы или один из них с помощью акселерометров или ДИСС;
> сохранять информацию о начальной ориентации объекта.
Информацию получают:
• непосредственно от позиционных гироскопов -датчиков угловых отклонений;
• в результате интегрирования угповых скоростей, выдаваемых скоростными гироскопами - датчиками угловых скоростей.
Позиционные механические гироскопы. Выполняются в виде маховиков, быстро вращающихся в воздухе или жидкости со скоростью до 105 об/мин. Раскручивание маховиков требует при этом затрат времени и энергии. Прикрепленный к объекту тройной подвес обеспечивает длительное сохранение первоначальной ориентации оси вращения гироскопа при различных эволюциях объекта - тем большее, чем выше качество подшипников рамок гироскопа. Позиционные гироскопы с тремя степенями свободы часто заменяют парами аналогичных гироскопов с двумя степенями свободы, облегчая съем информации. Так, некоторые варианты гироскопов, например, сохраняют первоначальное положение вертикальной оси объекта, а значит, и горизонтальной плоскости, нормальной к этой оси. Другой вариант гироскопа сохраняют тогда первоначальную ориентацию в этой плоскости.
Скоростные гироскопы. Выдают информацию об угловых скоростях изменения ориентации объектов навигации в заданных плоскостях.
Показатели качества механических гироскопов. Недостаточными в известной мере считают, однако, диапазон измеряемых гироскопами угловых скоростей и их надежность. Чрезмерными считают время приведения в готовность, энергопотребление, массу, размеры и, наконец, стоимость гироскопов при высоких точностных характеристиках. Разрабатываются поэтому аналоги механических гироскопов, не содержащие быстровращающихся механических элементов. К их числу принадлежат кольцевые лазерные и волоконно-оптические гироскопы.
Кольцевой лазерный гироскоп. Представляет собою лазер, активное вещество которого расположено в резонаторе в виде замкнутого кольцевого волновода. Для пояснения его работы обратимся к кольцевому световоду, по которому в противоположных направлениях распространяются оптические колебания от общего источника. Осевое вращение кольца с угловой скоростью Q приведет к ярко выраженному на высоких частотах эффекту Доплера. Знак доплеровского изменения частоты противоположен для волн, распространяющихся в разные стороны. Разность частот этих волн пропорциональна частоте Q в любой точке кольца. После введения в кольцо активного вещества образованный при этом лазер генерирует колебания двух частот, разность которых пропорциональна угловой скорости П. Интеграл от разностной частоты определяет угловое смещение объекта относительно оси гироскопа. Для повышения добротности колебательной системы кольцевого лазерного гироскопа используют ее трех-зеркальную или четырехзеркальную конструкцию. Возможную нечувствительность к малым угловым скоростям устраняют путем дополнительного периодического «закручивания» лазера с частотой порядка 100 Гц.
Волоконно-оптический гироскоп. Дополнительного «закручивания» не требует. Работает в режиме распространения в противоположных направлениях вынужденных колебаний, возбуждаемых от отдельных лазеров со своими резонаторами. Для измерения угловой скорости используют возникновение разности фаз колебаний, распространяющихся по спирали в противоположных направлениях, которая обусловлена эффектом Доплера. Достоинством волоконно-оптических гироскопов являются их малые стоимость, габаритные размеры, масса, энергопотребление. Ожидают быстрого повышения показателей их качества по мере совершенствования технологии волоконно-оптической связи.
Акселерометры. Являются датчиками линейных ускорений объектов навигации по отношению к некоторым характерным осям. Чувствительным элементом является «пробная» масса т, отклоняющаяся под действием ускорения от нейтрального положения. Это отклонение Ах ограничивается противодействием пружин. Оно пропорционально составляющей а, вектора ускорения вдоль оси пружин. Датчик Д переводит отклонение Ах в электрический ток. Акселерометры обычно располагают на стабилизированной гироплатформе. Составляющие вектора ускорения измеряются при этом в стабилизированной системе координат. Ошибки акселерометров постоянно снижаются. Считают, что они не должны превышать 0,05...0,1 % измеряемой величины для акселерометров средней точности и 0,02...0,05 % для акселерометров высокой точности; снижаются зоны нечувствительности. Видоизменяются и конструкции акселерометров. В стержневых кварцевых акселерометрах массу и пружину заменяют кварцевым стержнем с «пробной» массой. Длина стержня изменяется при воздействии ускорения на эту массу. При этом изменяется резонансная частота изгибных колебаний стержня. Изменяется и легко контролируемая частота колебаний генератора, в котором стержень заменяет колебательный контур.
Твердотельные многофункциональные датчики. Малогабаритны и представляют собой комбинации кварцевых стержневых акселерометров и лазерных гироскопов. Сочетание таких датчиков и микроЭВМ позволяет отказаться от гироплатформ.
Ошибки инерциальной навигации. Возрастают с течением времени в отсутствие корректировок. Считают, что при использовании механических гироскопов и акселерометров круговая вероятная ошибка местоопределения и вероятная ошибка измерения скорости доходят до 0,5...2 км и 0,5... 1 м/с за 1 ч навигации соответственно. Для фиксированных дальностей навигации ошибка местоопределения меньше для быстродвижущейся ракеты, чем для более медленно движущегося самолета. При небольших скоростях и больших дальностях данные средств инерциальной навигации приходится корректировать, используя для этого методы позиционной радионавигации или обзорно-сравнительные методы непозиционной навигации.
Обзорно-сравнительные методы навигации
Обеспечивают уточнение текущего положения объекта путем сопоставления результатов обзора местности, акватории или небосвода, магнитного или барометрического поля и рельефа Земли с хранящимися в памяти характеристиками. Так, периодические радиолокационные измерения высоты полета и обзор местности позволяют корректировать траекторию полета беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов с инерциальными системами навигации независимо от метеоусловий. Наряду с радиолокационными могут использоваться оптико-локационные датчики, инфракрасного диапазона в том числе. Чем точнее работают гироскопы и акселерометры, тем меньшая обзорно-сравнительная информация требуется для вождения объекта по заданной траектории. Астроинерциальные системы навигации. Получают дополнительную информацию в процессе обзора и сравнения наблюдаемых положений астрономических объектов относительно объекта навигации с ожидаемыми. Могут использоваться на морских судах, стратосферных или космических летательных аппаратах. Секторы автоматического наблюдения астрономических объектов обычно сужают до единиц градусов на основе предшествующей навигационной и астрономической информации. Вновь получаемые данные снижают влияние ошибок, возникающих вследствие дрейфа гироскопов и их колебаний из-за гравитационных аномалий и эллипсоидальности Земли. В отсутствие оптической видимости наблюдение излучений небесных тел в оптическом диапазоне заменяется наблюдением их излучений в радиодиапазоне. Модульное построение облегчает дополнение средств инерциальной навигации астронавигационными датчиками.
Комплексирование навигационных средств
Противоречивость ряда требований к навигационной аппаратуре и невысокое качество информации, выдаваемой отдельными средствами, заставляют в ряде случаев комплексировать их на объектах навигации.
В результате комплексирования могут решаться задачи различной степени общности и сложности:
• выбор наиболее эффективного в данный момент навигационного средства из имеющихся;
• компенсация недостатков одного из навигационных средств за счет другого;
• оптимальное использование совокупной навигационной информации.
Остановимся на этих задачах.
Выбор наиболее эффективного навигационного средства из имеющихся. Проводился ранее в отсутствие микроЭВМ и других вычислительно-логических средств. Вся совокупная информация выносится при этом на приборную доску и выборочно используется оператором.
Компенсация недостатков одного из навигационных средств за счет другого. Эффективно проводится в настоящее время при использовании вычислительных средств. В качестве примера сошлемся на навигационную систему TERCOM крылатых ракет США, в которой недостатки инерциальной системы навигации компенсируются за счет обзорно-сравнительного метода навигации.
РНС TERCOM. Обеспечивает процедуры:
• программного вывода ракеты в заданные районы коррекции траектории;
• коррекции траектории по данным корреляционно-экстремальной системы навигации, т.е. системы навигации обеспечивающей максимум нормированной корреляционной функции между измеренным и ожидаемым двумерным распределением навигационного параметра, в данном случае высоты элементов местности.
Поддержание заданной высоты полета и проведение коррекций траектории осуществляют с использованием датчиков высоты полета. Основным датчиком является радиовысотомер, непрерывно оценивающий истинную высоту ракеты над поверхностью Земли. Второй, барометрический датчик оценивает усредненное значение текущей высоты полета относительно уровня моря. Разности оценок барометрического датчика и высотомера, вычисляемые в районах коррекции траектории, характеризуют высоты участков местности над уровнем моря вдоль маршрута полета ракеты. Аналогичные высоты заложены в память ЭВМ. Сравнение текущей и заложенной в память информации позволяет уточнить положение ракеты в момент коррекции и исправить дальнейший ее курс. Используется так называемое корреляционное сравнение, 24.10-24.15 метод поиска максимума корреляционной функции называют при этом корреляционно-экстремальным. В качестве признака района коррекции наряду с признаком характера колебаний рельефа может учитываться его средняя высота над уровнем моря. Исходную информацию, закладываемую в память ракеты, можно получать с помощью фотоприборов, установленных на разведывательных ИСЗ. Оптимальное использование совокупной навигационной информации. Является наиболее общей и сложной задачей комплексирования, решаемой на основе вычислительной техники.
Особенности гидроакустической навигации
Средства инерциальной и радионавигации не могут решать ряда общих задач подводного судовождения, обеспечения безопасности надводного и подводного, гражданского и оборонного судовождения. В связи с расширением поиска подводных нефтяных и рудных месторождений развивается техника надводного и, особенно, подводного позиционирования, позволяющая возвращаться с буровыми устройствами к ранее выявленным участкам морского дна. В перечисленных случаях средства радионавигации дополняются гидроакустическими навигационными средствами, основанными, как и гидролокационные, на использовании распространения акустических колебаний в водной среде. Навигационные эхолоты. Определяют глубину по запаздыванию гидроакустического эхо-сигнала. Работают на несущих частотах 20...50 кГц для измерения больших глубин и на частотах 100...200 кГц для измерения малых глубин. Ошибки измерения глубины в последнем случае около долей метра. Навигационные гидроакустические лаги. Измеряют абсолютную скорость судна относительно дна. Сходны по принципу действия с доплеровскими радионавигационными измерителями путевой скорости и угла сноса ДИСС. Число лучей в измерителях подобного типа может снижаться до двух, один из которых направлен вниз по ходу судна, а второй также вниз, но против хода судна. Гидроакустические маяки. Предназначены для определения места судна относительно определенных участков дна, снабженных маяками. Различают две разновидности маяков: запросные маяки - транспондеры и беззапросные - пингеры. Транспондеры, экономя энергию по сравнению с пингерами, позволяют непосредственно и достаточно точно измерять дальность. Системы позиционирования с короткой базой могут включать три приемных гидрофона на интервале 5...20 м, работающих по одному придонному транспондеру. Использование фазометрии позволяет сократить этот интервал в системах со сверхкороткой базой до 0,2...0,3 м. В системах позиционирования с длинной базой используется несколько придонных транспондеров на интервалах до 10... 15 км. Гидроакустические средства подледного плавания. Позволяют измерять расстояние от горизонта подводного судна до нижней границы ледового покрова, а также глубину под килем. При измерении расстояния от горизонта подводного судна до нижней границы ледового покрова используют несущие частоты около 80 кГц. При измерении глубины используется вдвое меньшие частоты. Сходны с ГЛС. Эхоайсбергомеры. Это специализированные ГЛС для наблюдения за льдом по курсу судна.