метод измерения ускорения судна или летательного аппарата и определения его скорости, положения и расстояния, пройденного им от исходной точки, при помощи автономной системы. Системы инерциальной навигации (наведения) вырабатывают навигационную информацию и данные для управления на борту самолетов, ракет, космических аппаратов, морских судов и подлодок.

Теоретические основы. Ускорение есть быстрота изменения скорости, а скорость - быстрота изменения положения. Измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость. Интегрированием же скорости можно определять текущее местоположение (координаты) летательного аппарата или судна. Таким образом, система инерциальной навигации есть система счисления пути.

Ускорение является векторной величиной, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Акселерометр измеряет величину. Информацию о направлении дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.

Акселерометры, измеряя фактическое ускорение, скажем, летательного аппарата, в то же время реагируют на гравитационное поле. Для компенсации этого ускорения система инерциальной навигации вычитает из выходных данных акселерометров вычисленное значение g. Величина g вычисляется как функция местоположения (координат), в частности долготы и широты.

Итак, система инерциальной навигации измеряет кажущееся ускорение, в которое входит ускорение свободного падения. Затем она, дважды интегрируя эту величину, находит местоположение. И наконец, исходя из этого вычисленного местоположения, вычисляет величину g, которая вычитается из кажущегося ускорения. Такая система с обратной связью второго порядка (рис. 1) ведет себя, как генератор колебаний очень низкой частоты в двух ортогональных горизонтальных направлениях. Период колебаний на уровне моря равен 84 мин; они называются колебаниями Шулера по имени немецкого изобретателя М.Шулера, запатентовавшего в 1908 первый практически пригодный гирокомпас.

Варианты системы. В прежних системах инерциальной навигации опорная система координат обеспечивалась установкой акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такой подвес изолировал платформу от поворотов летательного аппарата или судна. Это позволяло удерживать акселерометры в неизменной ориентации относительно Земли при движении объекта.

В современных системах инерциальной навигации применяются компьютеры, следящие за ориентацией акселерометров. Такие системы называются бесплатформенными. Выходные данные гироскопов поступают непосредственно на компьютер, который вычисляет мгновенное направление акселерометров в опорной системе координат и соответствующие корректирующие сигналы.

Инерциальные приборы. Основными приборами системы инерциальной навигации являются акселерометры и гироскопы. Акселерометр наиболее распространенного вида представляет собой чувствительную массу, связанную с корпусом пружиной того или иного рода. Пружина может быть механической, но чаще всего это электрическое (электромагнитное, электростатическое или пьезоэлектрическое) устройство, которое создает противодействующую силу. При отклонении корпуса (относительно массы), вызванном приложенным ускорением, появляется сигнал. Электронный усилитель, усилив этот сигнал, создает соответствующую ускорению противодействующую силу пружины (приложенную к массе), которая в системе обратной связи сводит сигнал рассогласования к нулю (рис. 2).

В системах наведения баллистических ракет и космических летательных аппаратов, где точность определения скорости является критически важной, в качестве противодействующей силы ранее использовалась реакция гироскопа, а ускорение автоматически интегрировалось для нахождения скорости. В обычном механическом гироскопе посредством вращающегося ротора, подобного юле, поддерживается фиксированное направление в пространстве. Чтобы прибор был достаточно стабилен для целей инерциальной навигации, должны быть исключены трение и другие возмущающие воздействия. Поэтому огромное значение имеют точные расчеты и тщательность изготовления гироскопических приборов. Тем не менее, основной причиной возникновения ошибки в механическом гироскопе является трение в движущихся частях.

В последнее время механические гироскопы все чаще заменяются оптическими. Последние особенно подходят для бесплатформенных систем инерциальной навигации. Оптические гироскопы основаны на принципе Саньяка, названном по имени французского физика С.Саньяка, который в 1913 построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения.

Лазерный гироскоп (рис. 3) представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам треугольника или квадрата. Два лазерных пучка, генерируемые в самой системе, проходят по резонатору в противоположных направлениях. Интерферируя, они дают картину из светлых и темных пятен. Эта картина сохраняет свое положение в пространстве, и при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприемник регистрирует поворот, считая пробегающие по нему пятна.

Работе лазерного гироскопа вредит обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и на молекулах газа, встречающихся на пути луча. Обратное рассеяние нарушает картину пятен таким образом, что она поворачивается вместе с корпусом. Устранение и сведение к минимуму обратного рассеяния требуют высочайшей точности при проектировании и изготовлении лазерных гироскопов. См. также ЛАЗЕР
.

Волоконно-оптический гироскоп (рис. 4) действует по принципу интерферометра Саньяка. Свет в нем направляется по замкнутому пути с помощью оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно-оптическом гироскопе используется внешний лазерный источник света. И здесь обратное рассеяние остается серьезной проблемой.

Достоинства и недостатки. Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность (не генерируют электромагнитного излучения, выдающего присутствие летательного аппарата).

Одним из недостатков систем инерциальной навигации является то, что их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат (но только не в том случае, когда объект находится на Южном или Северном полюсе; в этом случае направление вертикали коллинеарно оси земного вращения и система не может определить азимут). Процесс выставки занимает несколько минут или более. Общее правило таково, что чем меньше время выставки, тем ниже чувствительность и точность системы.

Большим недостатком системы инерциальной навигации является то, что ее ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. Благодаря обратной связи по ускорению свободного падения нарастание ошибки происходит лишь в пределах одного периода колебаний Шулера (84 мин). Однако для баллистических ракет и это много. Кроме того, из-за многочисленных малых погрешностей измерения амплитуда этих колебаний со временем увеличивается. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления при измерении кажущегося ускорения и ускорения свободного падения, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок.

Вспомогательные навигационные средства. Если накопленная ошибка становится слишком большой, ее можно корректировать с помощью внешних вспомогательных средств. Конечно, тогда система становится неавтономной. К внешним навигационным средствам относятся доплеровские радиолокационные станции, системы астроориентации, радиолокационные средства определения местоположения, навигационные спутники и различные электронные системы наземного базирования ("Такан", "Лоран", "Омега").

Для оптимального использования данных, поступающих от внешних вспомогательных средств, нужно, чтобы тщательно учитывались характеристики и погрешности этих и бортовых навигационных средств. Оптимальное объединение данных разных источников обеспечивает "обобщенный фильтр Калмана", названный по имени американского математика венгерского происхождения Ф.Калмана, опубликовавшего в 1961 свой метод фильтрации. Эта вычислительная процедура представляет собой алгоритм, допускающий компьютерную реализацию. Он применяется почти во всех инерциальных навигационных системах. См. также АЭРОНАВИГАЦИЯ; АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ; ГИРОСКОП; НАВИГАЦИЯ.

метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов. Обычные методы решения задач навигации основываются на использовании внешних ориентиров или сигналов (например, звёзд, маяков, радиосигналов и т. п.). Эти методы в принципе достаточно просты, но в ряде случаев не обладают необходимой точностью, особенно при больших скоростях движения (например, при полёте в космосе), и не всегда могут быть осуществлены из-за отсутствия видимости или наличия помех для радиосигналов и т. п. Необходимость создания навигационных систем, свободных от этих недостатков, явилась причиной возникновения И. н.

Разработка основ И. н. относится к 30-м гг. 20 в. Большой вклад в неё внесли в СССР Б. В. Булгаков, А. Ю. Ишлинский, Е. Б. Левенталь, Г. О. Фридлендер, а за рубежом - немецкий учёный М. Шулер и американский - Ч. Дрейпер. Принципы И. н. базируются на сформулированных ещё Ньютоном законах механики, которым подчиняется движение тел по отношению к инерциальной системе отсчёта (См. Инерциальная система отсчёта) (для движений в пределах Солнечной системы - по отношению к звёздам).

Сущность И. н. состоит в определении с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств ускорения объекта и по нему - местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости, пройденного пути и др., а также в определении параметров, необходимых для стабилизации объекта и автоматического управления его движением. Это осуществляется с помощью: 1) акселерометров, измеряющих ускорения объекта; 2) вычислительных устройств (ЭВМ), которые по ускорениям (путём их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и др. параметры движения; 3) гироскопических устройств (См. Гироскопические устройства), воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота н наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением.

Практическая реализация методов И. н. связана со значительными трудностями, вызываемыми необходимостью обеспечить высокую точность и надёжность работы всех устройств при заданных весах и габаритах. Преодоление этих трудностей становится возможным благодаря созданию специальных технических средств - инерциальной навигационной системы (См. Инерциальная навигационная система). Преимущества методов И. н. состоят в высокой точности, автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы И. н. получают всё более широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолётов, космических аппаратов и др. движущихся объектов.

Лит.: Андреев В. Д., Теория инерциальной навигации, М., 1966; Броксмейер Ч. Ф., Системы инерциальной навигации, пер. с англ., Л., 1967; Ишлинский А. Ю., Механика гироскопических систем, М., 1963; его же, Инерциальное управление баллистическими ракетами, М., 1968; Ривкин С. С., Теория гироскопических устройств, ч. 2, Л., 1964; Фридлендер Г. О., Инерциальные системы навигации, М., 1961; Якушенков А. А., Основы инерциальной навигации, Л., 1963; Слив Э. И., Прикладная теория инерциальной навигации, Л., 1972.

С. С. Ривкин.

АЭРОНАВИГ'АЦИЯ, аэронавигации, мн. нет, ·жен. (спец.). Дисциплина, которая учит, как можно определить направление полета аэроплана или дирижабля, не пользуясь картой. см. аэро....

см. Навигация (См. Навигация воздушная).

аэронавигация, наука о методах и средствах вождения летательных аппаратов (ЛА) - самолётов, вертолётов, ракет и др.; совокупность операций по определению навигационных элементов наземными пунктами управления полётами или на борту ЛА и использованию их для вождения ЛА. Принципы Н. в. берут начало от возникшей в древние времена морской навигации (См. Навигация воздушная), в частности у неё заимствован метод использования магнитного компаса, и мореходной астрономии (См. Мореходная астрономия).

Н. в. обеспечивает вождение ЛА по траектории, определяемой маршрутом (трассой) и профилем полёта, с заданной программой, регламентирующей режим полёта ЛА от его взлёта с начального пункта маршрута и до посадки в конечном пункте в заданное время (см. Авиалиния). Кроме того, Н. в. решает частные навигационные задачи - выдерживание заданных дистанций и интервалов времени между ЛА на трассах с интенсивным воздушным движением или при выходе с трассы к аэродрому посадки, предупреждение столкновения ЛА в полёте с наземными препятствиями (горой и др.), сближение двух ЛА в полёте (встреча с самолётом-танкером для дозаправки горючим и др.) и т.д. При выполнении полёта по заданным траектории (или маршруту) и программе задача Н. в., в отличие от пилотирования (См. Пилотирование), сводится в основном к получению непрерывной или периодической информации о текущих навигационных элементах поступательного движения центра масс ЛА относительно системы координат, привязанной к земной поверхности.

Для определения навигационных элементов (Курса, сноса угла (См. Сноса угол), путевого угла, воздушной и путевой скоростей, высоты, координат местонахождения ЛА и др.) применяются различные технические средства, которые в зависимости от первичного источника навигационной информации подразделяются на 4 основные группы: геотехнические, позволяющие определять относительную высоту полёта, магнитный курс, местонахождение ЛА измерением различных параметров геофизических полей Земли (магнитного, гравитационного и др.); к ним относятся Высотомеры, измерители воздушной и путевой скоростей, магнитные Компасы, и гиромагнитные компасы (См. Гиромагнитный компас), гирополукомпасы, оптические визиры, инерциальные навигационные системы (См. Инерциальная навигационная система) и т.д.; радиотехнические, позволяющие определять истинную высоту, путевую скорость, местонахождение ЛА измерением различных параметров электромагнитного поля по радиосигналам, излучаемым специальными передающими устройствами; к ним относятся Радиовысотомеры, Радиомаяки, Радиокомпасы, радионавигационные системы (См. Радионавигационная система) и т.д.; астрономические, позволяющие определять курс и местонахождение ЛА; к ним относятся астрономические компасы (См. Астрономический компас), Секстанты, астроориентаторы и т.д. (см. Авиационная астрономия); светотехнические, предназначенные для обеспечения посадки ЛА в сложных метеорологических условиях и ночью, а также для облегчения ориентировки (светомаяки). Т. к. каждой группе технических средств навигации свойственны свои преимущества и недостатки, то для обеспечения точного полёта ЛА по заданному маршруту в любых условиях погоды навигационные средства, работающие на различных принципах, объединяются как датчики в единые комплексные системы. В таких системах с помощью аналоговых или цифровых вычислительных машин решаются основные навигационные задачи и записывается программа предстоящего полёта (координаты пунктов заданного маршрута, высоты и скорости пролёта над пунктами, координаты радионавигационных систем и др.). Комплексные навигационные системы, связанные с Автопилотом, могут обеспечить автоматический полёт по всему маршруту и заход на посадку при отсутствии видимости земной поверхности. В общем случае применяемая комплексная навигационная система определяет местоположение ЛА по трём координатам: 2 координаты - проекции его центра масс на горизонтальную плоскость (долгота и широта), и одна - высота. Для ориентировки ЛА достаточно знать 2 координаты в горизонтальной плоскости. Маршрут полёта контролируется по линии пути, определяемой проекцией вектора путевой скорости. Последний находится как результат сложения измеряемых векторов воздушной скорости (скорости ЛА по отношению к воздуху) и скорости воздушного течения по отношению к земной поверхности. Высота полёта измеряется высотомером.

Для определения текущих координат местоположения ЛА в полёте используются разные методы, сводящиеся к трём основным: 1) счисления пути (См. Счисление пути), основанный на получении линий (поверхностей) положения ЛА дискретным или непрерывным суммированием во времени его измеряемой скорости или ускорения; 2) позиционны и (линий положения, или позиционных линий), которым непосредственно определяют линии (поверхности) положения ЛА без учёта пройденного им расстояния путём нахождения координат местоположения ЛА относительно известных наземных ориентиров или небесных светил; 3) обзорно-сравнительный (ориентировка), которым определяют местоположение ЛА либо путём сличения фактически наблюдаемой картины местности по опознанным наземным ориентирам (зрительным, радиолокационным, магнитным и др.) с географической картой или условной моделью местности, либо путём сличения участка небесного свода со звёздной картой. В зависимости от специфики вождения различных видов ЛА, их класса и назначения, районов их применения и характера маршрута комплексные системы Н. в. отличаются друг от друга по составу. Выбор технических средств Н. в. и её методов производится в соответствии с заранее разработанным штурманским планом.

Требования по обеспечению максимально возможной безопасности воздушного движения в условиях возрастающей его интенсивности, увеличения числа и протяжённости воздушных авиалиний, дальнейшего возрастания скоростей полёта ЛА привели к созданию и внедрению автоматизированных комплексных систем Н. в. и управления воздушным движением.

Лит.: Справочник авиационного штурмана, под ред. В. И. Соколова, М., 1957; Кирст М. А., Навигационная кибернетика полёта, М., 1971.

М. М. Райчев.

совокупность методов и средств для определения действительных и желаемых положения и движения летательного аппарата, рассматриваемого как материальная точка. Термин "навигация" чаще применяется к длительным маршрутам (суда, самолеты, межпланетные станции). Для быстротечных маршрутов (ракеты, управляемые снаряды), в особенности с нестационарным пунктом назначения, более употребителен термин "наведение".

Средства аэронавигации бывают астрономическими, светотехническими, геотехническими и радиотехническими. Астрономические средства навигации позволяют определить местоположение и курс движения летательного аппарата по измеренным угловым координатам небесных светил. Астронавигационные системы работают автономно и не накапливают навигационных ошибок в процессе движения. Однако зависимость от метеоусловий ограничивает возможности применения астронавигационных средств в авиации. Важную роль они продолжают играть в навигации космических летательных аппаратов и кораблевождении. См. НАВИГАЦИЯ
; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
.

Светотехнические средства навигации основаны на использовании стационарных (наземных) источников света и применяются для ближней аэронавигации - главным образом при посадке летательного аппарата в сложных метеорологических условиях или ночью. См. также ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ; АЭРОПОРТ.

К геотехническим средствам аэронавигации относятся разнообразные навигационные приборы и системы, основанные на измерении и использовании параметров геофизических полей Земли (гравитационного, геомагнитного, атмосферного, топографического и др.). В эту группу входят гравиметры, магнитные компасы, барометрические высотомеры, измерители воздушной скорости, навигационные карты и пр. Широко распространены гироинерциальные средства, обеспечивающие автономность навигации; они основаны на использовании гироскопического эффекта для определения параметров движения и ориентации летательного аппарата. См. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ
; ГИРОСКОП
; АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ
.

Наиболее обширную и важную группу аэронавигационных средств образуют радиотехнические средства, располагаемые на борту, на Земле и на других летательных аппаратах. Обычно в аэронавигации приборы и системы, основанные на упомянутых выше различных принципах, используются комплексно, поскольку каждой группе аэронавигационных средств присущи свои достоинства и недостатки.

Понятие аэронавигации охватывает три процесса: 1) определение положения и скорости летательного аппарата в опорной системе координат; 2) сравнение измеренных значений с расчетными для данного момента времени; 3) пересчет результатов сравнения в команды управления, обеспечивающие такое изменение параметров движения, которое обеспечивало бы выполнение маршрута полета и достижение цели. Основное внимание при рассмотрении навигации в данной статье будет уделено вопросам определения положения и скорости.

См. также:

Система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на неё не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчёта, движущаяся по отношению к И. с. о. поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также И. с. о. Следовательно, теоретически может существовать сколько угодно равноправных И. с. о., обладающих тем важным свойством, что во всех таких системах законы физики одинаковы (так называемый принцип относительности). Помимо закона инерции, в любой И. с. о. справедливы также 2-й закон Ньютона (см. Ньютона законы механики) и законы сохранения количества движения (См. Количество движения) (импульса), момента количества движения (См. Момент количества движения) и движения центра инерции (См. Центр инерции) (или центра масс) для замкнутых, т. е. не подверженных внешним воздействиям, систем.

Если система отсчёта движется по отношению к И. с. о. неравномерно и прямолинейно, то она является неинерциальной и ни закон инерции, ни другие названные законы в ней не выполняются. Объясняется это тем, что по отношению к неинерциальной системе отсчёта материальная точка будет иметь ускорение даже при отсутствии действующих сил вследствие ускоренного поступательного или вращательного движения самой системы отсчёта.

Понятие об И. с. о. является научной абстракцией. Реальная система отсчёта связывается всегда с каким-нибудь конкретным телом (Землёй, корпусом корабля или самолёта и т. п.), по отношению к которому и изучается движение тех или иных объектов. Поскольку в природе нет неподвижных тел (тело, неподвижное относительно Земли, будет двигаться вместе с нею ускоренно по отношению к Солнцу и звёздам и т. д.), то любая реальная система отсчёта может рассматриваться как И. с. о. лишь с той или иной степенью приближения. С очень высокой степенью точности И. с. о. можно считать так называемую гелиоцентрическую (звёздную) систему с началом в центре Солнца (точнее, в центре масс Солнечной системы) и с осями, направленными на три звезды. Такая И. с. о. используется главным образом в задачах небесной механики и космонавтики. Для решения большинства технических задач И. с. о. практически может служить система, жестко связанная с Землёй, а в случаях, требующих большей точности (например, в гироскопии), - с началом в центре Земли и осями, направленными на звёзды.

При переходе от одной И. с. о. к другой в классической механике Ньютона для пространственных координат и времени справедливы преобразования Галилея (см. Галилея принцип относительности), а в релятивистской механике (т. е. при скоростях движения, близких к скорости света) - Лоренца преобразования.

Лит. см. при статьях Система отсчета (См. Система отсчёта), Относительности теория.

С. М. Тарг.