Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы (2005)

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системыв направления подготовки «Радиотехника» Издательство «Радиотехника» Москва 2006 УДК 621.396 Б19 ББК 32. 95 Учебник Рецензенты Козлов А. И. — докт техн. наук, проф., зав. «афенюй «Аанацнонные раднозлектронные он«темы» МГТУГА; Ярлыков М. С. - докт. техн. наук, проф. кафедры Ка 41 ВВИА нм. Н. Е. Жуковского Бакулев П. А., Сосновский А.

А. Б19 Радионавигационные системы. Учебник длд вузов. — Мз Радиотехника, 2005. — 224 с., ил. 1БВР! 5-88070-056-9 С единых позиций изложены принципы построения традиционных н перспектнвных средств раднонавнгацнн. Рассмотрены методы измерения коордннат объектов, используемые сигналы н нх обработка Показаны пути повышения точносгн раднонавнгацнонных систем н устройспь Для студентов радиотехни « если« еле екав ьн остей вузов.

18 ВР! 5-88070-056-9 УДК 621. 396 ББК 32, 95 Учебное издание Петр Александрович Бакулев Андрей Ананьевич Сосновскнй Радиоиавигаииоииые системы Зав. Редаконей И. Г. Волкова Реда«тор.оператор С. А. Дымкова Изд. Зй 14. Сдано в набор 19.01.2005. Подпнсано в печать 15 06 2005. Формат 60«90! Л 6 Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс Печать газетная. Печ. л. 14 Тираж! 000 экэ. Зак. Зй 3168. Издательство «Раднотехннка». 107031, Москва, К-31, Кузнецкий мост, л, 20/6. Телзфакс: 921-48-37; 925-78-72, 925-»2-41. Отпечатано в ООО ПФ «Полаграфкст» 160001, г. Вологда, ул. Челюскинцев, д. 3 Предисловие Учебник предназначен для изучения студентами высших учебных заведений дисциплины «Радионавигационные системы» специальности 201б00 «Радиоэлектронные системы».

Книга написана в полном соответствии с программой н Государственным образовательным стандартом по направлению «Радиотехника» 6542000, утвержденными Министерством образования Российской Федерации. При создании учебника авторы использовали многолетний опыт преподавания дисциплин, излагающих теорию и технику радионавигации, радионавигационных систем и устройств на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов (ЛА) Московского авиационного института (Государственного технического университета). Радиоэлектронные средства, используемые для целей навигации объектов называются радионавигационньпии системами(РНС) и устройствами (РНУ). Навнгацией называется управление движением обьектов из одной точки пространства в другую по заданной траектории.

Выбор траектории движения зависит от назначения и типа объекта (космический корабль, самолет или вертолет, морское нли речное судно, наземный транспорт и т.д.) и от решаемой нм задачи (перевозка пассажиров или груза, разведка или мониторинг земной и морской поверхности и т.п.). Основная задача навигации заключается в безопасном и экономичном по затратам времени и топлива выводе объекта в заданную точку пространства (земной поверхности) в определенный момент времени с установленной точностью. Решение этой задачи, например в авиации, предполагает знание координат, характеризующих пространственное местоположение (МП) самолета или вертолета, а также направления н скорости движения(навигационных элементов полета).

Для получения такой информации используют, главным образом, РНС и РНУ. Поэтому радионавигационные средства обеспечения полета на современном самолете, например, по массе и стоимости составляют несколько процентов от массы и стоимости пустого самолета. Заметим, что стоимость самолетов доходит до нескольких десятков миллионов долларов. Для обеспечения безопасности полеты ЛА выполняются по так называемым воздушным коридорам, расстояния между которыми строго регламентируются международными правилами.

Стандартизировала также и ширина этих коридоров, в наиболее тяжелых случаях (в областях с высокой плотностью воздушного движения) не превышающая 1О км. Эти коридоры разделены и в вертикальной плоскости и располагаются друг над другом с интервалом в несколько сотен метров. Кроме того, правилами полетов предусмотрено минимальное расстояние между ЛА, следующими в одном коридоре, составляющее единицы или десятки километров. Чем выше плотность воздушного движения, тем меньше указанные расстояния и тем выше требуемая точность определения местоположения ЛА в пространстве. Обычно задача определения местоположения ЛА возлагается на бортовые навигационные системы самолета нли вертолета, причем в основном на РНС. Для контроля движения ЛА используют наземные радиолокаторы служб управления воздушным движением (УВД).

При отсутствии радиолокационного контроля, например, при полетах над океаном, решение этой задачи усложняется. Поэтому можно выделить две характерные ситуации: полет над территориями, оборудованными наземными средствами, и полет над пустынной местностью и океаном, где такие средства не всегда досзупны экипажу ЛА.

Применение и роль радионавигационных средств обеспечения полетов можно рассмотреть на примере полета гражданского самолета по трансокеанскому маршруту (допустим из США в Европу или наоборот). Полет такого самолета состоит из следующих основных этапов: взлет, набор высоты с выходом на начальный пункт маршрута (НПМ), крейсерский полет, выход к аэродрому посадки, снижение и приземление. В настоящее время радионавигационные средства аэропорта вылета при взлете самолета обычно не используются.

Экипаж начинает работу с радионавигационными средствами при выходе на НПМ, когда с помощью радиосистем ближней навигации (или соответствующих радионавигационных устройств, например, радиокомпаса) определяется направление полета на установленный в НПМ радиомаяк. Прн необходимости экипаж на этом этапе определяет местоположение своего ЛА по сигналам радиосистемы ближней навигации(РСБН).

При этом, самолет находится под постоянным радиолокационным контролем служб УВД. Указанные средства позволяют ЛА двигаться по выделенному воздушному коридору н выдерживать требуемый интервал между соседнимн самолетами. Следует иметь в виду, что большая плотность воздушного движения над территориями Америки и Европы требует использования систем предупреждения столкновений ЛА в воздухе, с'помощью которых возможно обнаружение и предотвращение критических ситуаций, возникающих иногда из-за технических причин или ошибок служб УВД. С момента выхода самолета на НПМ начинается этап крейсерского полета, когда ЛА летит в воздушном коридоре в наиболее экономичном режиме по траекториям, близким к прямой линии, соединяющим отдельные находящиеся на маршруте контрольные пункты и ориентиры. Большие расстояния между контрольными пунктами, отсутствие посто- ляного радиолокационного контроля полета, а также удаление самолета от наземных радиомаяков РСБН, расположенных в лучшем случае на берегу океана, требует применения автономных средств навигации, основными и широко применяемыми из которых являются системы счисления пути (координат), вычисляющие пройденное ЛА расстояние путем интегрирования измеренного на ЛА вектора скорости.

Для коррекции этой системы, точность которой сннжается по мере увеличения времени работы системы, применяют те средства радионавигации, сигналы которых доступны на больших расстояниях от центров УВД. В качестве таких средств применяют радиосистемы глобальной или дальней навигации, на первое место среди которых выдвигаются спутниковые навигационные системы. Эти системы в перспективе должны заменить и часть радиосредств ближней навигации. Заключительная часть крейсерского полета в рассматриваемом примере проходит над территорией густонаселенных стран в условиях большой плотности воздушного движения (как и на начальном этапе полета).

Экипаж переходит к использованию радиосредств ближней навигации, с помощью которых самолет выводят к аэродрому пункта назначения, а затем и в зону действия радиосистемы посадки. Снижение н приземление самолета контролирует радиосистема посадки, указывая экипажу траекторию, по которой самолет должен следовать на завершающем этапе полета.

Изложение материала учебника ведется в соответствии с вышеизложенными этапами движения ЛА по заданному маршруту. Следует отметить, что область применения рассматриваемых в учебнике РНС и РНУ не ограничена навигацией ЛА. Ряд таких систем и устройств с успехом используется в космической навигации, при мореплавании и при вождении наземного транспорта.

Содержание учебника, охватывает основные вопросы теории и техники радионавигационных систем и состоит из одиннадцати глав. В гл. 1 и 2 рассматриваются физические основы радионавигации, анализируются виды радионавигации, приводятся принципы и методы построения радионавигационных систем и устройств. Даются алгоритмы определения местоположения объектов. Рассматривается влияние атмосферы и подстилающей поверхности на точность определения местоположения.

Гл. 3 и 4 содержат основы построения радионавигационных систем дальнего действия, а также систем, обеспечивающих глобальные зоны навигационного обслуживания. Особое внимание уделяется спутниковым радионавигационным системам, которые в перспективе могут заменить большинство радиосистем не только глобального и дальнего действия, но и систем, работающих в пределах прямой видимости. Радиосистемы ближней навигации и посадки обьедннаот гл. 5 — 7. Рассматриваются принцип действия, особенности используемых сигналов„вопросы обработки этих снгнвюв и основные факторы, влияющие на точность азимугально-дальномерных и угломерных систем ближней навигации и посадки ЛА. Гл. 8 — 11 включают вопросы, связанные с принципами построения, особенностями используемых отраженных от земной поверхности сигналов и точностью автономных радионавигационных систем, основанных на применении в качестве датчиков радиовысотомеров и доплеровских измерителей скорости.

Представлены также алгоритмы обработки сигналов в комплексных навигационных системах, отличающихся высокими точностью и надежностью. Приведены примеры навигационных комплексов современных гражданских самолетов Особенностями учебника являются лаконичность изложения материала и богатый иллюстративный материал. Книга создает базу для освоения дисциплин специализаций, курсового и дипломного проектирования. Авторы надеются, что учебник будет полезен аспирантам для подготовки к сдаче кандидатского минимума и инженерам, проходящим переподготовку.