раткий очерк истории отечественной аэронавигации

екция № 1

Тема лекции: «Аэронавигация и её становление»

План лекции

1.1. Аэронавигация как процесс, наука, учебная дисциплина;

1.2. Краткий очерк истории отечественной аэронавигации.

Литература:

1. Ю.Н.Сарайский, И.И.Алешков Аэронавигация. Часть1. Основы навигации и Применение геотехнических средств. Учебное пособие – Санкт-Петербург, 2010

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

Содержание лекции

Аэронавигация как процесс управления. Слово «аэронавигация» произошло от латинского «navigatio», что дословно издавна означало «мореплавание», причем в самом широком значении этого слова. Но довольно скоро оно приобрело и более узкий смысл: деятельность (и, конечно, изучающая эту деятельность наука) по выполнению точного и безопасного плавания судов. Определение местоположения, курса и скорости судна, предотвращение попадания на мель или рифы, выбор наилучшего пути – эти и другие задачи морской навигации, которую сейчас чаще называют судовождением, понятны даже неспециалистам. По мере того, как люди стали передвигаться и в других средах, появилась воздушная навигация (аэронавигация), а также навигация космическая, наземная и даже подземная. Основное содержание любой из них одно и то же – определение местоположения объекта и параметров его движения, управление его движением по желаемой траектории. Наравне с термином «аэронавигация» в разное время использовались, да и продолжают порой использоваться, термины «воздушная навигация» и «самолетовождение».

Термины «аэронавигация» и «воздушная навигация» полные синонимы, поскольку греческое «aer» и означает воздух. Но использовать слово «аэронавигация» явно предпочтительнее. Во-первых, короче, во-вторых, полностью соответствует аналогичным иноязычным терминам (английское «airnavigation», французское «navigation aerienne»), а в-третьих, появился этот термин исторически раньше. Термин «самолетовождение», под которым понимают не только вождение самолетов, но и вертолетов, и других летательных аппаратов, произошел, по-видимому, по аналогии со словом «судовождение».

Иногда используются слова «радионавигация», «астрономическая навигация», «инерциальная навигация» и тому подобное. Это не отдельные виды навигаций, а та же навигация (воздушная, морская, космическая), но осуществляемая с использованием технических средств определенного вида (радиотехнических, астрономических и т.п.). Если говорить об аэронавигации как науке или учебной дисциплине, то это ее разделы, рассматривающие вопросы применения определенных видов навигационного оборудования.

Вместе с тем, слово «аэронавигация» достаточно часто используется и в изначальном, более широком значении, как полеты вообще. В таких, например, словосочетаниях, как «осенне-зимняя навигация», «аэронавигационная информация», «аэронавигационная комиссия ИКАО» и т.п.

Термин «аэронавигация», рассматриваемый в узком смысле, имеет два взаимосвязанных значения:

- некий протекающий в реальности процесс или деятельность людей по достижению определенной цели;

- наука или учебная дисциплина, изучающая эту деятельность.

Для первого из этих значений можно дать следующее определение.

Аэронавигация – управление траекторией движения ВС, осуществляемое экипажем в полете.

Под управлением вообще понимается приведение объекта управления (того, чем управляют) в желаемое положение, состояние и т.п. В навигации воздушное судно (ВС) рассматривается как точка, перемещающаяся в пространстве и описывающая при этом линию – траекторию полета. Экипаж в полете управляет как движением этой точки, то есть ее перемещением в пространстве, так и траекторией в целом - ее формой, длиной и т.п. Преследуемые при этом цели управления могут быть разными, например, в гражданской и военной авиации. Если для гражданских ВС необходимо добиться возможно более близкого совпадения фактической траектории с заданной, то для военных самолетов заданной траектории может не быть вообще, а основной задачей будет являться, например, точный выход на цель в заданное время.

В общем случае под «траекторией» в данном определении понимается не просто линия в пространстве, а пространственно-временная траектория, то есть линия, на которой каждая точка соответствует определенному моменту времени. Это дает возможность отнести к навигационным задачам такие традиционные задачи, как обеспечение выхода в заданную точку в назначенное время, обеспечение полета по расписанию и т.д. Казалось бы, определяя понятие аэронавигации, достаточно говорить об управлении ВС как точкой и нет необходимости говорить об управлении

траекторией. Но есть ряд задач, традиционно навигационных, штурманских, касающихся именно траектории, поскольку траектория в целом имеет и другие свойства, не присущие отдельной ее точке. Например, длина траектории, израсходованное за время полета топливо зависят от всей траектории, являются, как говорят математики, ее функционалами. Поэтому решаемая штурманом задача выбора наилучшей с точки зрения расхода топлива траектории является навигационной задачей.

Осуществляет управление движением ВС его летный экипаж. Специалисты сходятся на том, что как бы ни совершенствовались самолеты, в обозримом будущем человек, по крайней мере, при пассажирских перевозках, все равно будет находиться в их кабинах. Но, разумеется, экипаж осуществляет навигацию с широким использованием различных технических средств. Эти средства снимают с экипажа значительную часть его нагрузки, а на наиболее совершенных ВС оставляют за человеком лишь функции контроля и принятия решений при непредвиденных ситуациях.

Место аэронавигации в иерархии процессов управления полетом.

Если задать вопрос «кто управляет движением ВС?», то трудно получить на него однозначный ответ. Слишком многоуровневое, иерархическое это понятие. Конечно, самолетом управляет пилот, воздействуя на органы управления. Но делает он это так, чтобы выдержать курс, скорость и высоту, задаваемую ему штурманом, который, следовательно, тоже управляет полетом. Штурман в свою очередь рассчитал эти параметры в соответствии с указаниями диспетчера (например, о выходе в заданный пункт на заданной высоте), значит, и диспетчер управляет ВС. Но и он задает траектории не произвольно, а в соответствии установленными в данном районе схемами движения – трассами, коридорами, эшелонами. Получается, что органы организации воздушного движения, которые сформировали эти схемы, тоже участники управления полетом. Эту иерархическую лестницу управления ВС можно и дальше продолжать вверх. Но можно продолжить и вниз, заметив, что на самом деле управляют самолетом рулевые машинки автопилота. Где же в этой иерархии аэронавигация? Она там и тогда, когда ВС можно рассматривать как точку в пространстве, перемещением которой нужно управлять. И разграничить этот процесс со смежными ступенями иерархии управления достаточно просто. Как только мы начинаем рассматривать ВС не как точку, а как объект, имеющий размеры и, следовательно, угловую ориентацию (курс, крен, тангаж), начинается пилотирование – управление угловым движением. А как только появляется хотя бы два ВС и, как следствие, возникают новые задачи (эшелонирование,

предотвращение опасных сближений) - начинается управление воздушным движением.

Разумеется, нет иного пути изменить траекторию полета, кроме как путем пилотирования. Пилот создает крен и аэродинамические силы заставляют ВС изменить траекторию. Навигация осуществляется посредством пилотирования и эти две составляющие управления неразрывно связаны. Если в составе экипажа есть штурман, то решение навигационных задач возлагается на него, хотя, конечно, и командир ВС (пилот) не упускает этот процесс из под контроля. Задачей же пилота является выполнение команд штурмана, обеспечивающих управление траекторией. Если в составе экипажа штурмана нет, то пилот осуществляет и навигацию и пилотирование одновременно.

Требования к аэронавигации. Целью полета гражданского ВС является, как правило, перевозка пассажиров или груза, из одного пункта в другой, либо выполнение определенного вида работ (строительно-монтажных, аэросъемки, поисково-спасательных операций и т.д.). При осуществлении этих целей к аэронавигации, как правило, предъявляются определенные требования.

1) Безопасность аэронавигации. Это основное требование. Действительно, нет смысла предъявлять к аэронавигации какие-либо требования еще, если существует угроза жизни экипажа и пассажиров, если нет уверенности, что ВС долетит до пункта назначения.

2) Точность. Это требование важно для гражданских ВС, поскольку они выполняют полеты по заданным траекториям. Точность аэронавигации – это степень приближения фактической траектории к заданной. От точности зависит и безопасность, и экономичность полета. Поскольку заданные траектории строят так, чтобы они были безопасными (не пересекались с препятствиями, другими траекториями), то чем точнее их выдерживает ВС, тем меньше риск. С другой стороны, заданные траектории, как правило, устанавливаются по возможности более короткими. Следовательно, чем точнее выполняется полет, тем короче траектория и меньше время полета.

3) Экономичность. Чем меньше время полета, тем, как правило, меньше себестоимость полета, включающая в себя все сопутствующие затраты – от заработной платы персонала до стоимости израсходованного топлива.

4) Регулярность. Полеты в общем случае должны выполняться по расписанию. Задержка с вылетом или прилетом не только приносит неудобства пассажирам, но может повлечь и значительные экономические потери. Так, на аэродромах с высокой интенсивностью движения опоздание с прибытием в контрольную точку начала захода на посадку может привести к тому, что ВС отправят в зону ожидания, где оно будет ждать освобождения временного «окна» для захода на посадку, расходуя понапрасну топливо.

Основные задачи аэронавигации. Процесс аэронавигации включает в себя решение трех основных задач:

- формирование (выбор) заданной траектории;

- определение местоположения ВС в пространстве и параметров его движения;

- формирование навигационного решения (управляющих воздействий для вывода ВС на заданную траекторию).

Формирование заданной траектории начинается до полета, обычно задолго до него, когда устанавливается сеть воздушных трасс, заданных высот. В этом случае данную задачу относят не к самой аэронавигации, а к аэронавигационному обеспечению полетов. Но формирование траектории может происходить и оперативно, в полете, когда диспетчер, а иногда и сам экипаж, выбирает в какую точку или по какой линии пути должно следовать ВС. Выбранная тем или иным способом заданная траектория, то есть траектория, по которой необходимо лететь, должна быть и безопасной и экономичной, в частности не должна не пересекаться с наземными препятствиями и должна быть по возможности короче. Определение местоположения ВС в пространстве – одна из основных и настолько важных составляющих навигации. на выполнение которой обычно и направлены основные усилия экипажа, что некоторые отождествляют ее с навигацией в целом, то есть считают, что навигация это только и есть определение местоположения ВС. Действительно, значительная часть бортового и наземного навигационного оборудования предназначена для определения координат самолета и до настоящего времени, за исключением разве что спутниковых навигационных систем, работа с ним занимает значительную часть времени работы штурмана или пилота. Но помимо координат необходимо знать параметры движения ВС, то есть скорость и направление перемещения ВС, а иногда его ускорения – без этого невозможно выдержать заданную траекторию. После того, как местоположение ВС определено и выяснилось, что оно не находится на заданной траектории (а в подавляющем большинстве случаев так и бывает), необходимо определить величину отклонения и принять навигационное решение: каким именно образом должна быть изменена фактическая траектория полета, чтобы ВС вышло на заданную траекторию. Это навигационное решение может иметь вид, например, значений заданного курса, крена или вертикальной скорости, которые штурман передает пилоту. Пилот их реализует (например, разворачивает самолет на заданный курс) и ВС, изменяя свою фактическую траекторию, приближает ее к заданной. И такая последовательность действий периодически повторяется на протяжении всего полета. На ВС, на которых процесс аэронавигации в той или иной степени автоматизирован, определение местоположения ВС, да и вывод на заданную траекторию, могут осуществляться автоматически. Навигационным решением штурмана (или пилота, при отсутствии штурмана в составе экипажа) является выбранный режим автоматической работы бортового оборудования. Режимов работы может быть несколько в зависимости, например, от того, по техническим средствам какого вида определяются координаты и параметры движения ВС.

Технические средства навигации. Полеты ВС выполняются и в темное время суток, и над облаками, когда земли не видно, и осуществлять визуальную ориентировку невозможно. Поэтому определение местоположения ВС и параметров его движения осуществляется главным образом с помощью приборов, которые называют в целом техническими средствами навигации. Человек, в отличие от птиц, которые способны сами ориентироваться при дальних перелетах, не имеет органа чувств, который позволил бы ему без приборов определить свое местоположение в пространстве в условиях невидимости земли. Аэронавигация осуществляется с использованием технических средств, которые разделяются на следующие группы:

Геотехнические средства. Это средства, принцип действия которых основан на использовании физических полей Земли (магнитного, гравитационного, поля атмосферного давления), либо использовании общих физических законов и свойств (например, свойства инерции). К этой большой и самой древней группе относятся барометрические высотомеры, магнитные и гироскопические компасы, механические часы, инерциальные навигационные системы и т.п.

Радиотехнические средства. В настоящее время представляют собой самую большую и самую важную группу средств, являющихся в современной аэронавигации основными для определения как координат ВС, так и направления его движения. Они основаны на излучении и приеме радиоволн бортовыми и наземными радиотехническими устройствами, измерении параметров радиосигнала, который и несет навигационную информацию.

Астрономические средства. Методы определения местоположения и курса корабля с помощью небесных светил (Солнца, Луны и звезд) использовались еще Колумбом и Магелланом. С появлением авиации они были перенесены и в аэронавигационную практику, разумеется, при использовании специально сконструированных для этого технических средств – авиационных компасов, секстантов и ориентаторов. Однако точность астрономических средств была низка, а время, необходимое для определения с их помощью навигационных параметров, достаточно велико, поэтому с появлением более точных и удобных радиотехнических средств астрономические средства оказались за рамками штатного оборудования гражданских ВС, оставаясь лишь на самолетах, выполняющих полеты в полярных районах.

Светотехнические средства. Когда-то, на заре авиации, световые маяки, наподобие морских маяков, устанавливали на аэродромах с тем, чтобы ночью пилот издалека смог его увидеть и выйти на аэродром. По мере того, как полеты все больше стали проходить по приборам и в сложных метеоусловиях, такая практика стала сокращаться. В настоящее время светотехнические средства используются главным образом при заходе на посадку. Различные системы светотехнического оборудования позволяют экипажу на конечном этапе захода обнаружить взлетно-посадочную полосу (ВПП) и определить положение ВС относительно нее.

Аэронавигационное обеспечение полетов. О том, чтобы аэронавигация соответствовала предъявляемым к ней требованиям, необходимо позаботиться задолго до полета. Для этого должны быть построены безопасные и экономичные заданные траектории полета по маршруту и в

районе аэродрома, экипаж должен быть обеспечен необходимой информацией, произведены все необходимые предполетные расчеты и т.д. Решение всех этих задач объединяется в область деятельности, которая в последние годы получила название аэронавигационного обеспечения полетов(АНО).

Аэронавигационное обеспечение полетов – комплекс мероприятий, проводимых на этапах организации, подготовки и выполнения полетов и направленных на создание условий для точной, безопасной и экономичной аэронавигации.

Эта деятельность осуществляется различными службами аэропортов, авиакомпаний, центральных руководящих органов отрасли. Она включает в себя установление заданных траекторий полета (воздушных трасс, схем маневрирования в районе аэродрома и т.п.), обеспечение экипажей и других потребителей аэронавигационной информацией, подготовку данных для бортовых и наземных автоматизированных систем, выполнение предполетных расчетов, предполетное консультирование экипажей по вопросам аэронавигации и многое другое. По мере того как процесс аэронавигации становится все более автоматизированным, все больше возрастает роль АНО.

Аэронавигация как наука и учебная дисциплина. Термином «аэронавигация» обозначается не только процесс траекторного управления ВС, но и наука, а также и учебная дисциплина, изучающие этот процесс.

Аэронавигация – прикладная наука о точном, надежном и безопасном вождении ВС из одной точки в другую, о методах применения технических средств навигации.

Как наука аэронавигация тесно связана с другими науками, в первую очередь с АНО.

Еще не так дано, вопросы, относящиеся сейчас к АНО, включались в курс аэронавигации. Но в настоящее время круг задач АНО настолько возрос, а задачи настолько усложнились, что их целесообразно рассматривать в отдельной дисциплине. Основой для аэронавигации как науки в первую очередь являются математика и физика. Но также тесно связаны с аэронавигацией такие специальные дисциплины как авиационная картография и геодезия, авиационные радиотехнические средства, авиационная метеорология. Значение аэронавигации как дисциплины велико, хотя, конечно, и различно для разных специалистов. Разумеется, штурман, который и осуществляет аэронавигацию в полете, а также специалист по АНО, который навигацию обеспечивает, должны знать данную дисциплину очень хорошо и в полном объеме. Практически на таком же уровне должен знать ее и пилот даже при наличии штурмана в составе экипажа. Во-первых, командир ВС является пилотом и отвечает за полет в целом, работу всех членов экипажа, в том числе штурмана, поэтому он обязан контролировать осуществление аэронавигации в полете и принимать в ней активное участие. Во-вторых, на все большем количестве типов ВС в нашей стране (а за рубежом практически на всех) штурман отсутствует в штатном составе экипажа. Аэронавигацией на таких ВС занимается пилот, и знать он ее должен, разумеется не хуже штурмана.

Диспетчер по обслуживанию воздушного движения (ОВД) должен знать аэронавигацию в несколько меньшем объеме. Ведь он не занимается ею непосредственно на борту ВС и, значит, не должен знать подробно различные методы применения бортовых навигационных средств. Но диспетчер должен четко знать возможности экипажа по осуществлению аэронавигации, уметь оказать ему помощь, передать необходимую аэронавигационную информацию. Невозможно представить себе диспетчера, не знакомого с аэронавигацией, как и инспектора ГАИ, не знающего как управлять автомобилем.

В определенном объеме представления об аэронавигации нужны и другим авиационным специалистам: инженерам и техникам по работе с навигационным оборудованием, сотрудникам по обеспечению полетов и т.п. Иногда у будущих пилотов и штурманов возникает вопрос: а зачем

нужно так хорошо знать аэронавигацию, если на современных ВС она в значительной степени автоматизирована? Действительно, достаточно ввести в бортовой компьютер программу полета и он сам доведет ВС до аэродрома назначения. Что ж, в идеальном случае, может, и доведет. Но задайте себе вопрос: хотели бы вы быть пассажирами самолета, экипаж которого не умеет им управлять, а только знает, как включить и выключить бортовой компьютер? Во-первых, программу полета для компьютера нужно подготовить, проверить и в любой момент времени быть готовым при необходимости изменить. Во-вторых, может оказаться, что эта программа содержит ошибку – нужно уметь ее своевременно обнаружить и исправить. В-третьих, могут произойти (и происходят!) отказы отдельных технических средств навигации, сбои компьютерных программ. Никакая программа не в состоянии предусмотреть все возможные ситуации и только человек может в такой обстановке принять правильное решение. В-четвертых, современные навигационные автоматизированные системы имеют несколько возможных режимов работы, выбрать из которых наилучший должен именно экипаж исходя из текущей аэронавигационной обстановки. Разумеется, по мере совершенствования и автоматизации бортовых навигационных средств они берут на себя все большую часть навигационной работы экипажа, поэтому специальный член экипажа, занимающийся навигацией (штурман) перестает быть необходимым на борту. Но исключить его из состава экипажа можно только при условии, что пилоты (а именно они берут на себя его функции) хорошо владеют средствами и методами навигации, глубоко понимают сущность протекающих процессов и в состоянии принять правильное навигационное решение даже в самой сложной и нестандартной навигационной обстановке. Аэронавигация является процессом сугубо техническим, но иногда и она выходит в область социальных отношений, экономики и даже политики. Выбор оптимальных траекторий, высот и режимов полета, являясь задачей технической, может привести к существенной экономии топлива и времени полета. А иногда аэронавигационные проблемы приводят и к политическим конфликтам и потрясениям. Достаточно вспомнить сбитый в начале восьмидесятых годов южнокорейский Боинг, отклонившийся от маршрута из-за навигационной ошибки. Да и вообще, безопасность людей – вопрос социальный и гуманитарный.

Аэронавигация как учебная дисциплина по содержанию своего материала не является, по-видимому, столь сложной, как например, физика или математика. Но у нее есть важная особенность, отличающая ее от большинства других дисциплин. Если при решении задачи по физике допущена ошибка, то, заглянув в учебник, ее можно исправить. Если же в полете допущена навигационная ошибка, в результате которой ВС, например, столкнулось горой, то исправлять ее будет некому. Отсюда следует, что все навигационные задачи экипаж должен уметь решать безошибочно, точно и быстро и, конечно, без помощи учебников и шпаргалок. Для того, чтобы добиться этого, недостаточно заучить формулы и правила. Нужно хорошо понимать смысл протекающих в полете процессов, представлять себе общую картину полета, то есть иметь, как говорят авиационные психологи, навигационных образ полета. Для этого нужно иметь пространственное воображение, хорошую кратковременную память, иметь прочные навыки устного счета хотя бы на уровне сложения-вычитания двух или -трехзначных чисел.

Приобретение таких навыков само по себе не представляет большой сложности, но оно не может быть выполнено мгновенно, требует последовательной постепенной работы. Как невозможно за три дня до зачета по физкультуре научиться подтягиваться двадцать раз, так и невозможно овладеть навигацией, если не заниматься ею систематически.

раткий очерк истории отечественной аэронавигации

Сложные навигационные системы и комплексы, установленные на современных самолетах, появились не на пустом месте. Они явились результатом долгого и тернистого пути разработки все новых и все более совершенных технических средств навигации и методов их применения. Полная история отечественной аэронавигации пока еще ждет своего исследователя. В данной главе очерчены лишь основные вехи развития навигационной науки и техники. 12 июля (30 июня) 1804 г. академик Российской Академии наук Яков Дмитриевич Захаров произвел первый в мире полет на воздушном шаре с научной целью. Полет над окрестностями Петербурга продолжался 3 часа 45

минут на высоте, достигавшей 2000 м. В полете Я.Д.Захаров пользовался приборами – компасом и вертикальной зрительной трубой, проведя целый ряд наблюдений и проложив на карте маршрут полета. Так было положено начало новой науке аэронавигации. До изобретения летательных аппаратов тяжелее воздуха постепенно совершенствовалась аэронавигация воздушных шаров. Первоначально ориентировка осуществлялась по местным предметам на земной поверхности с помощь топографических карт (масштаба 3 или 10 верст в дюйме). Но при полете над однообразной местностью ориентиров не хватало. Поэтому для определения местонахождения воздушного шара было предложено измерять скорость и направление его движения, а затем прокладывать на карте расстояния, пройденные за известные промежутки времени. Прибор дл яизмерения скорости и направления полета был изобретен в 1897 г. М.М.Поморцевым. Он был основан на использовании компаса и оптической трубы с визирными нитями и явился предком навигационных визиров. Необходимость использования в полете навигационных приборов была осознана давно. Уже на первом в мире, хотя и не оторвавшемся от земли, самолете А.Ф.Можайского в 1878 г были предусмотрены магнитный компас, высотомер, часы и навигационный планшет.

В первые годы после появления самолетов (первый в мире полет на самолете был осуществлен в 1903 г. братьями Райт) летчику больше приходилось полагаться на собственные ощущения, чем на приборы. Режим работы мотора определялся на слух, скорость полета – по свисту стяжек, направление полета – по солнцу.

В 1911-1912 г.г. навигационное оборудование самолетов состояло из компаса, высотомера (он часто пристегивался летчику на руку или колено), указателя скорости, часов и планшета с картой. Причем карта и была главным средством навигации. Первая в России специальная полетная карта

была издана в 1910г. для перелета Петербург-Москва. В наше время, когда навигация без приборов практически немыслима, интересно узнать, что в «Памятке летчика», изданной в 1912 г., было сказано: «Главной особенностью ориентировки с аэроплана является то, что в большинстве случаев компасом в полете не пользуются, а ориентируются по местным предметам».

В конце 20-ых годов типовое оборудование самолетов навигационными приборами, утвержденное Управлением ВВС, включало в себя: компас, указатель скорости, высотомер, часы с секундомером, визир, пеленгатор, ветрочет, термометр наружного воздуха. Также в кабине должен был иметься планшет для карт, графики и таблицы поправок к приборам. В 1933-1934 г.г. перечень этого оборудования пополнился вариометром и авиагоризонтом. В 1935 г. советскими изобретателями был сконструирован новый оригинальный прибор – гиромагнитный компас.

В 1935 г. на ТБ-3 осуществлен перелет в запломбированной кабине с использованием АПР-1 и РК-1 в сложных метеоусловиях по маршруту Ейск-Москва с посадкой по РК-1 в Москве.

В 1935-36 г.г. большие самолеты гражданского воздушного флота оборудовались радиополукомпасами РПК-2, которые применялись не только для вывода ВС на радионавигационную точку, но и для определения местоположения ВС по линиям положения, для захода на посадку. Издавались карты с нанесенными на них линиями положения от радиомаяков, а также инструкции по «пробиванию облачности» по приборам. 20-22 июля 1936 г. был осуществлен перелет на самолете АНТ-25 (В.П.Чкалов, Г.Ф.Байдуков, А.В.Беляков) по маршруту Москва-Северный Ледовитый океан-Камчатка- Николаевск на Амуре- о.Удд протяженностью 9374 км, длившийся 56 ч.20 мин. 18-20 июня 1937 г. этот же экипаж выполнил героический перелет через Северный полюс из Москвы в Ванкувер (9130 км за 63 час. 16 мин), а 12-14 июля 1937 М.М.Громов, А.Б.Юмашев, С.А.Данилин выполнили перелет по маршруту Москва-Северный полюс-Сан-Джасинто (США), протяженностью 11500 км за 62 ч 17мин. При перелете через полюс штурманы А.В.Беляков и С.А.Данилин пользовались радиомаяками, установленными на мысе Желания и острове Рудольфа. Их сигналы они принимали и после пролета полюса.

ЛЕКЦИЯ № 2

Тема лекции: «Основные линии и точки. Фигура Земли и географическая система координат»

План лекции

1. Основные линии и точки

2. Фигура Земли и географическая система координат

Литература

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

одержание лекции.

сновные линии и точки.

ВС представляет собой тело с определенными, порой весьма внушительными, размерами. При решении большинства задач аэронавигации его рассматривают как точку, в качестве которой берут, как правило, центр масс ВС. ВС движется и эта точка перемещается в пространстве. В связи с этим можно ввести несколько простых, но важных понятий (см. рис. 2.1).

Рис 2.1. Траектория и линия пути

Пространственное место самолета (ПМС) – точка в пространстве, в которой в данный момент времени находится центр масс ВС.

Место самолета (МС) - проекция ПМС на земную поверхность.

Траектория – линия, описываемая ПМС при его движении.

Линия пути – линия, описываемая МС при его движении (проекция траектории на земную поверхность).

На английском языке используется следующая терминология: место самолета – present position, траектория – path, линия пути – track.

Обратите внимание, что траектория и ПМС в общем случае находятся в пространстве (в воздухе), а линия пути и МС - всегда на земной поверхности. Здесь под земной поверхностью понимается не реальный физический рельеф со всеми его неровностями, а усредненная земная поверхность, о которой речь будет идти ниже. Траектория и линия пути могут быть заданными (по которым надо лететь) и фактическими (по которым на самом деле летит самолет). Линия заданного пути (ЛЗП) - это линия по которой должно перемещаться МС в соответствии с планом полета, а линия фактического пути (ЛФП) – по которой оно перемещается на самом деле в данном полете.

Соответственно на английском языке ЛЗП - desired track, ЛФП - actual track. К сожалению, ЛФП никогда точно не совпадает с ЛЗП вследствие многих причин. Основные из них – погрешности навигационных измерений и влияние внешней среды (ветра). Но основная задача штурмана и пилота – обеспечить максимальную близость ЛФП и ЛЗП, пролететь как можно точнее.

Из-за неточного измерения и выдерживания высоты фактическая траектория также не совпадает с заданной. Но в траектории, вообще говоря, содержится далеко не вся информация о движении. Действительно, если траектории движения двух ВС пересекаются, это еще не значит, что ВС столкнутся – может быть, они пролетели точку пересечения в разные моменты времени.

В случае, когда для каждой точки траектории задано, в какой момент ее должно пролететь ВС, говорят о заданной пространственно-временной траектории полета (ЗПВТ), а навигацию в этом случае называют четырехмерной навигацией, понимая под четвертой координатой время.

В гражданской авиации ЗПВТ устанавливается не часто. Как правило, не возникает необходимости требовать от ВС, чтобы оно пролетало какие-либо пункты именно в заданное, назначенное время. Наоборот, обычно экипаж, исходя из фактической скорости полета, рассчитывает и передает диспетчеру расчетное время впереди лежащих пунктов, а диспетчер учитывает эту информацию при управлении воздушным движением. Однако в районах аэродромов с высокой интенсивностью полетов диспетчеру порой приходится назначать экипажу точное время выхода в пункт, с которого начинается заход на посадку. Несвоевременный выход на этот пункт, непопадание в выделенное для посадки временное «окно», приведет к направлению ВС в зону ожидания. По мере повышения интенсивности движения и требований к точности аэронавигации четырехмерная навигация получит все большее распространение.

2. Фигура Земли и географическая система координат

Для определения местоположения ВС и других пунктов нужна система координат на земной поверхности. Свойства системы координат зависят от формы поверхности, на которой она задана. Поэтому необходимо выяснить, какую форму имеет Земля как планета.

Любое тело имеет форму, имеет ее и Земля. Поверхность, ограничивающая Землю как физическое тело, называется физической поверхностью Земли. Разумеется, эта поверхность носит сложный нерегулярный характер, обусловленный неровностями рельефа: горами, равнинами, впадинами. Любой человек может немного изменить физическую поверхность Земли, например, выкопав яму. Очевидно, что на такой поверхности ввести какую-либо приемлемую для практики систему координат невозможно. Необходимо эту поверхность каким-то образом «сгладить». Для этого используется понятие уровенной поверхности.

Уровенная поверхность это поверхность, во всех точках перпендикулярная направлению силы тяжести (отвесной линии). Уровенных поверхностей бесконечно много, они проходят на разных высотах, не пересекаются между собой и практически параллельны. Разумно выбрать в качестве сглаженной фигуры Земли форму уровенной поверхности, совпадающей с физической поверхностью в морях и океанах, где нет неровностей рельефа. Такая фигура получила название геоида. Геоид(geoid) – это фигура, образованная уровенной поверхностью, совпадающей в морях и океанах с их средней поверхностью. В районах материков поверхность геоида проходит под уровнем рельефа местности.

Эту поверхность и называют средним уровнем моря, от которого отсчитывают высоту рельефа и другие высоты. В России за начало уровня отсчета высот принято нулевое деление футштока (мерной линейки), установленной в Обводном канале г.Кронштадт. Поверхность геоида хотя и является гладкой по сравнению с физической поверхностью Земли, но все же имеет неправильную форму. Это вызвано неравномерным расположением гравитационных масс в теле Земли, вследствие чего происходит отклонение отвесных линий. Поэтому на геоиде невозможно задать удобную систему координат (сетку меридианов и параллелей) и значит решать задачи, связанные с расчетом расстояний и направлений на поверхности земли.

Рис.2.2. Геоид и эллипсоид

Для точного решения навигационных задач фигуру Земли аппроксимируют эллипсоидом вращения (ellipsoid). Эллипс это плоская фигура, которая относится к кривым второго порядка. Имеет большую a и малую b полуоси. Основное свойство эллипса – сумма расстояний от любой точки эллипса до двух фиксированных точек F1 и F2, называемых фокусами, есть величина постоянная. Эллипс - это сжатая окружность или окружность, на которую «смотрят» не перпендикулярно ее плоскости. Степень сжатия может быть выражена величиной α, которая так и называется - сжатие (compression ratio), или эксцентриситетом e.

Эксцентриситет – отношение расстояния от центра эллипса до фокуса к длине большой полуоси.

В предельных случая, когда e =0, эллипс превращается в окружность, а когда e =1 он «сплющивается» в прямую линию.

Если эллипс вращать вокруг его малой оси, получится объемное тело – эллипсоид вращения. Конечно, его параметры a, b α и e будут такие же, как у эллипса.

Рис. 2.3. Эллипс и его параметры

Каждое государство старается выбрать такие параметры эллипсоида и так его разместить в теле Земли, чтобы его поверхность как можно ближе подходила к поверхности геоида на территории данного государства (при этом в других частях Земли отклонения могут быть большими). Поэтому существует много референц-эллипсоидов, принятых в разных странах и в разные годы. В России на протяжении многих лет используется эллипсоид Ф.Н.Красовского (a = 6378,245 км, b = 6356,86301877 км).

На эллипсоиде задается система геодезических координат (сетка меридианов и параллелей) и координаты любой точки определяются геодезическими координатами (широтой B и долготой L).

Геодезическая широта В это угол, заключенный между плоскостью экватора и нормалью к поверхности эллипсоида в данной точке. Геодезическая долгота – двугранный угол, заключенный между плоскостями начального меридиана и меридиана данной точки. Поскольку координаты (широты и долготы, latitudes and longitudes) задаются на поверхности референц эллипсоида, одна и та же точка на Земле будет иметь разные координаты в разных странах.И наоборот, одни и те же численные значения B и L будут соответствовать разным точкам на картах разных стран. Это создает сложности для международной аэронавигации, поэтому ИКАО приняло решение с 1 января 1998 г. публиковать в документах аэронавигационной информации координаты пунктов в единой для всего мира системе координат, называемой WGS-84 (World Geodetic System).

Рис. 2.4. Геодезические координаты

Если очень высокая точность решения навигационных задач не требуется, то Землю можно рассматривать как сферу. В этом случае используется нормальная сферическая система координат, полюсы которой совпадают с географическими полюсами нашей планеты, т.е. точками, в которых оси вращения Земли пересекает ее поверхность. Система координат на сфере строится с помощью больших кругов. Большим кругом (Great Circle, G/C) называется окружность, образующаяся в результате сечения сферы плоскостью, проходящей через центр сферы.

Радиус большого круга равен радиусу самой сферы. Он называется большим, поскольку на сфере нельзя нарисовать окружность с радиусом еще большим. Все другие круги на сфере называются малыми.

Экватор (equator)- большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси вращения Земли.

Меридиан(meridian) – большой круг, плоскость которого проходит через ось вращения Земли.

Параллель(parallel) – малый круг, плоскость которого перпендикулярна оси вращения (параллельна экватору).

Экватор на Земле один, а меридианов бесчисленное множество – ведь через каждую точку можно провести свой меридиан. Все они одинаковы и равноправны, поэтому условно один из них выбирают в качестве начального.

Широтой φ (сферической широтой) точки на поверхности земной сферы называется угол, заключенный между плоскостью экватора и направлением из центра сферы в данную точку.

Широта изменяется от 90° южной широты до 90° северной широты. При расчетах по формулам северную широту можно считать положительной, а южную отрицательной. На экваторе широта равна нулю, а на географических полюсах ±90°.

Долготой λ (сферической долготой) точки на поверхности сферы называется двугранный угол, заключенный между плоскостями начального меридиана и меридиана данной точки. Этот угол можно показать как плоский в плоскости экватора (рис.2.5). В качестве начального меридиана используется гринвичский меридиан (Greenwich meridian), который когда-то проходил через расположенную вблизи Лондона Гринвичскую обсерваторию (сейчас обсерватория переехала на другое место, но меридиан сохранился). В XIX веке в разное время в качестве начального использовали и другие меридианы (Парижа, острова Ферро в Атлантическом океане, Пулковской обсерватории под Петербургом).

Рис. 2.5. Сферические координаты

Долгота изменяется от 180° западной долготы до 180° восточной. При расчетах по формулам им также можно приписывать знаки соответственно минус и плюс (или наоборот, как это принято, например в США). Единицами измерения широты и долготы являются угловые градусы, минуты и секунды, а иногда и их десятичные доли (десятые, сотые и т.д.). За рубежом используются следующие буквенные обозначения: N (north) – север, S (south) – юг, E (east) – восток, W (west) – запад.

Моряки используют эти же обозначения, но не на английском, а на голландском языке для обозначения основных направлений по сторонам света, - соответственно норд, зюйд, ост и вест.

Одни и те же значения широты и долготы в документах аэронавигационной информации, при выполнении различных навигационных расчетов могут быть представлены по-разному:

37° 23′ 12′′ с.ш. = N37° 23.2′ = +37.38667°.

134° 45′ 45′′ з.д. = W134° 45.75′ = -134.7625°.

На картах нанесена сетка меридианов и параллелей, с помощью которой можно определить координаты точки или найти точку с известными координатами. Для того, чтобы это можно было сделать точнее, на обрезах карты, а на аэронавигационных картах – и на самих меридианах и параллелях, сделаны промежуточные деления (рис. 2.6).

Ни направление нормали к поверхности эллипсоида, ни направление к центру Земли непосредственно приборами измерены быть не могут, поэтому не могут быть непосредственно измерены ни геодезическая, ни сферическая широты. Непосредственно можно определить лишь направление отвесной линии. В связи с этим используется также астрономическая система координат, в которой астрономическая широта – угол, заключенный между плоскостью экватора и отвесной линией в данной точке. Различия между геодезическими, нормальными сферическими и астрономическими координатами невелико – не более нескольких угловых минут. Поэтому, когда различие между этими системами координат не грает роли, их объединяют общим названием географических координат.

Кроме особо оговоренных случаев, в данном учебном пособии будем принимать Землю за сферу и в качестве географических использовать сферические широту и долготу. Длина дуги большого круга (в частности экватора и меридиана) протяженностью в 1° в среднем равна 111,2 км. Именно в среднем, потому, что на самом деле меридиан является не окружностью, а эллипсом и длина дуги в 1° различна на разных широтах. Соответственно, длина дуги в одну минуту составляет в среднем 1,853 км, а секунды – около 31 м. Длина параллели, которая является не большим, а малым кругом, уменьшается по мере приближения к полюсу, т.е. с увеличением широты. Длина дуги в 1° на параллели с широтой ϕ составляет 111,2cos ϕ

Рис.2.6. Определение широты и долготы по карте

ЛЕКЦИЯ № 3

Тема лекции: «Ортодромия и локсодромия»

План лекции

1. Ортодромия

2. Локсодромия

Литература

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

одержание лекции.

ртодромия.

Ортодромией (Great Circle) в навигации называют дугу большого круга, проходящую через две заданные точки. Ортодромия в навигации имеет очень большое значение, поскольку на сфере она играет такую же роль, как прямая линия – на плоскости. Ортодромия является линией кратчайшего расстояния между двумя точками на поверхности сферы. Попасть из одного пункта в другой более коротким путем можно только прокопав между ними тоннель под землей, то есть,выйдя за пределы поверхности сферы.

Если на глобусе натянуть нитку между двумя точками, то она как раз ляжет по ортодромии.

Меридианы и экватор являются частными случаями ортодромии. Через любые две точки, не лежащие на противоположных концах одного и того же диаметра сферы, можно провести только одну ортодромию.

Ортодромия в общем случае пересекает меридианы под разными углами, называемыми путевыми углами ортодромии (β). Исключениями являются экватор и, конечно, сами меридианы. Зная сферические координаты пунктов, можно рассчитать путевой угол и длину ортодромии по формулам сферической тригонометрии. Путевой угол β1 ортодромии, проходящей из первой точки (φ1, λ1) во вторую (φ2, λ2), и измеренный относительно меридиана первой точки можно определить с помощью формулы:

Рис.3.1. Ортодромия

Длина ортодромии S рассчитывается с помощью соотношения:

Величина S будет выражена калькулятором, разумеется, в угловой мере (в градусах или радианах). Это угол между направлениями на первую и вторую точки из центра сферы. Для перевода S из угловой меры в линейную можно поступить одним из двух способов. Если S выражена в градусах, перевести в угловые минуты (с учетом того, что градус содержит 60′). и умножить на среднюю длину одной минуты (1,853 км).

Если S выражена в радианах, можно просто умножить на радиус земной сферы.

Выдающийся русский ученый В.В.Каврайский показал, что при замене земного эллипсоида сферой целесообразно принять радиус сферы равным 6372,9 км (так называемая сфера Каврайского), при этом геодезические широты В необходимо пересчитать в сферические ϕ по формуле φ=B-8,6'sin 2B.

Тогда по приведенным выше формулам можно рассчитать путевой угол ортодромии с погрешностью не более 0.1°, а расстояние с относительной погрешностью не более 0,08% от самого расстояния.

оксодромия.

Локсодромией (Rumb Line) называется кривая, пересекающая меридианы под постоянным углом.

Локсодромия как линия пути появилась сначала в морской навигации, потому, что с помощью самого древнего вида компаса – магнитного – измеряется и ведерживается курс относительно текущего меридиана, на котором в данный момент находится корабль или самолет. Поэтому, при выдерживании постоянного курса и происходит движение по локсодромии.

В общем случае, при произвольном путевом угле, локсодромия имеет вид спирали, «наматывающейся» на полюса, но никогда их не достигающей (рис. 3.2). В частных случаях, когда она совпадает с меридианом или параллелью (в том числе, с экватором) локсодромия превращается в окружность. Экватор и меридианы являются частными случаями как локсодромии, так и ортодромии.

Рис. 3.2 Общий вид локсодроми

Разумеется, никто не летает по ортодромии вокруг всего земного шара, а по локсодромии не пытается прилететь на полюс. В навигации идет речь, как правило, о небольших отрезках этих кривых (максимум до нескольких сотен километров) между двумя пунктами маршрута. Также полезно запомнить, что локсодромия всегда проходит ближе к экватору, чем ортодромия, то есть, выгнута в его сторону.

Путевой угол отодромии в каждой точке маршрута разный, а у локсодромии, разумеется, одинаковый. Можно заметить, что примерно посередине участка путевые углы ортодромии и локсодромии совпадают, так как эти линии идут параллельно друг другу. Этот факт может быть использован при определении локсодромического путевого угла на карте.

ЛЗП задается в виде ортодромии, поэтому при полете по локсодромии ВС заведомо уклоняется от ЛЗП и на участках даже не очень большой протяженности может из-за этого оказаться за пределами ширины трассы.

Локсодромия, конечно, длиннее ортодромии, но при обычной протяженности участков не настолько, чтобы это играло существенную роль для навигации.

ЛЕКЦИЯ № 4

Тема лекции: «Угол схождения меридианов»

Литература

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

одержание лекции.

Значение угла схождения меридианов δсх в навигации очень велико, поскольку он используется при решении различных задач, связанных как с применением курсовых приборов, так и с определением МС с помощью угломерных радионавигационных систем.

Название этой величины может ввести в заблуждение. Складывается впечатление, что, поскольку все меридианы сходятся у полюсов, то углы между ними в полюсе и есть δсх. На самом деле эти углы, не что иное как разность долгот этих меридианов, а углом схождения меридианов называется другая величина.

Углом схождения меридианов δсх в двух точках на земной поверхности называется разность путевых углов ортодромии, проходящей через эти точки

Рис. 4.1. Путевые углы ортодромии

Если известны путевые углы ортодромии в обеих точках, то рассчитать δсх очень просто исходя из приведенного определения:

δсх=β2 – β1.

Но при решении многих задач часто сами путевые углы не нужны, а нужна только их разность δсх. Зная координаты пунктов, ее можно рассчитать по формуле

Для расстояний, не превышающих нескольких сотен километров, можно пользоваться формулой, которая хотя и вляется приближенной, но обеспечивает вполне достаточную для практики точность.

Как следует из приведенных формул, δсх имеет знак. В северном полушарии, когда вторая точка восточнее первой, он положителен. Если же, наоборот, ортодромия идет на запад, то отрицателен. В южном полушарии картина обратная, поскольку широта имеет отрицательный знак.

Угол схождения меридианов равен нулю, если обе точки находятся на одном меридиане, или обе на экваторе, или их средняя широта равна нулю. По-английски рассмотренный угол схождения меридианов называется earth convergence или просто convergence. Следует иметь в виду, что на карте угол меридианами (chart convergence) может быть другим по величине в зависимости от вида проекции карты.

ЛЕКЦИЯ № 5

Тема лекции: «Траектория полёта»

Литература

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

одержание лекции.

Полеты ВС выполняются не произвольно, а по заданным траекториям. Эти траектории могут быть установлены заранее и опубликованы в документах аэронавигационной информации, либо оперативно заданы диспетчером ОВД в полете.

Заданная траектория полета является пространственной линией. Она задается отдельно в горизонтальной плоскости в виде маршрута полета и в вертикальной плоскости в виде профиля полета.

Маршрут полета (route) –это ЛЗП, заданная с помощью опорных точек, над которыми должено пролететь ВС.

Точка, в которой начинается маршрут, называется исходным пунктом маршрута (ИПМ), в которой заканчивается – конечным пунктом маршрута (КПМ), а все остальные – поворотными пунктами маршрута (ППМ).

Рис. 5.1. Маршрут полета

Иногда ППМ называют просто пунктами маршута (ПМ), а при использовании зональной навигации применяется термин «точка пути» (WP, waypoint).

ЛЗП между двумя смежными пунктами маршрута является ортодромией. Каждая такая ортодромия со своим начальным и конечным пунктом маршрута называется участком маршрута.

Пункты маршрута на картах обозначаются кружочками, но иногда они могут обозначаться треугольниками или звездочками в зависимости от назначения карты и вида маршрута. Любой ППМ является концом одного участка и началом другого, то есть лежит на обеих ЛЗП. ВС, как правило, выполняют полеты с большими скоростями и не могут мгновенно развернуться над ППМ и продолжать следовать по ЛЗП следующего участка. В связи с этим различают поворотные пункты флай-бай (fly-by) и флай-овер (fly-over). Если пункт флай-овер, то разворот начинается при пролете ППМ, а после его завершения ВС должно вписаться в ЛЗП следующего участка. Если точка флай-бай, то

разворот должен быть начат до пролета точки, с тем, чтобы после его завершения самолет как раз оказался на новой ЛЗП. В этом случае ВС на самим ППМ фактически не пролетает. В России при полетах вне района аэродрома, как правило, используются точки флай-бай, а на аэродромных схемах могут использоваться точки обоих видов.

Рис. 5.2 Точки флай-бай (а) и флай-овер (б)

Необходимо обратить внимание, что маршрут – это линия именно заданного пути, над которой должно пролететь ВС. Называть маршрутом, как это делается в обыденной жизни, линию фактического пути, по которой ВС летит на самом деле, неправильно.

К сожалению, из-за погрешностей навигационных средств, воздействия внешней среды и других факторов ЛФП никогда точно не совпадает с ЛЗП. Поэтому для обеспечения безопасного полета ВС выделяется не просто линия заданного пути (ЛЗП), а коридор воздушном пространстве, называемый воздушной трассой (ВТ) и оборудованный средствами навигации (рис.5.2).

По оси этого коридора проходит ЛЗП, а ширина его в России составляет, как правило, 10 км (вправо и влево от ЛЗП по 5км).

По-английски воздушная трасса - airway. Для полетов на малых высотах устанавливают аналогичные, но более узкие коридоры, называемые местными воздушными линиями. Воздушные трассы и местные воздушные линии устанавливаются органами организации воздушного движения и публикуются в документах аэронавигационной информации. Для выполнения полетов вне сети воздушных трасс и местных воздушных линий экипаж может выбрать и согласовать с органами ОВД специальный установленный маршрут для выполнения данного полета.

Рис.5.3. Воздушная трасса шириной 10 км

Заданный профиль полета – проекция заданной траектории на вертикальную плоскость, проходящую через развернутый в прямую линию маршрут полета.

Рис.5.4 Профиль полета

Профиль полета задается указанием, на какой высоте необходимо пролететь тот или иной пункт маршрута. Изображается профиль полета, как правило, на схемах захода на посадку в документах аэронавигационной информации.

ЛЕКЦИЯ № 6

Тема лекции: «Системы координат, применяемые в навигации»

План лекции

1. Географическая, ортодромическач, частноортодромическая системы координат

2. Полярная система координат

Литература

2. В.П. Бабак та ін. Безпека авіації – К.: «Техніка» - 2004

одержание лекции.