Ориентация по геофизическим полям обеспечивает автономность навигации боевого летательного аппарата
Теория управления/Исследования
текст Лев Августов кандидат технических наук, ОАО "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
иллюстрации Сергей Гудков
схема Мила Силенина
Александр Аркадьевич Красовский
Основным средством контроля пространственного положения боевой техники (наземной, воздушной, морской, космической) является инерциальная навигационная система (ИНС). Она контролирует координаты, скорость и угловое положение аппаратов относительно вертикали места. Одно из главных достоинств ИНС — это ее автономность. Недостаток — нарастающие со временем ошибки в определении навигационных параметров. Поэтому показания ИНС, как правило, корректируются по данным радионавигационных систем. Но автономность — очень важное для боевой техники качество — при этом теряется.
Поиск путей, позволяющих избавиться от нарастающих со временем ошибок, привел к идее использования информации о естественных физических полях Земли: поверхностных — рельеф земной поверхности, тепловой, оптический и радиолокационный контраст; пространственных — гравитационное и магнитное поля.
Идея не новая. Навигация по магнитному компасу известна давно. Да и в природе птицы, насекомые и животные (наземные и морские) совершают длительные путешествия, руководствуясь генетическими данными о геофизических полях (ГФП). Голубь, увезенный за десятки и сотни километров, может вернуться в свою голубятню даже с закрытыми глазами. Механизм бионавигации пока в стадии изучения. Единственное, что удалось "подсмотреть", — это механизм ориентации на Северный полюс. В итоге появился географический компас. Пока что он не такой компактный, как магнитный, но более точный и надежный (ввиду дрейфа магнитных полюсов). В дальнейшем, по мере развития микромеханических и биотехнологий геокомпас может быть представлен как разновидность интегральных микросхем.
Теоретическое обоснование навигации с использованием данных о естественных ГФП было дано в 1963 году д.т.?н. А.?А. Красовским. Теория и практика таких систем были затем развиты его учениками.
В качестве полезной для навигации информации о параметрах ГФП А.?А. Красовский предложил использовать их аномальные компоненты, связанные с особенностями местности. К таковым, в частности, относятся высота рельефа, границы раздела типов земной поверхности, значения производных гравитационного и магнитного потенциалов. Параметры ГФП представляются в виде суммы нормальной и аномальной компонент. Нормальная компонента описывается детерминированной функцией, аномальная — статистическими законами. Для рельефа нормальной компонентой является референц-эллипсоид (приближенная форма поверхности Земли), для гравитационного и магнитного полей — уравнения Лапласа. Аномальная часть характеризуется параметрами корреляционной функции — дисперсией и радиусом или интервалом корреляции поля. Отсюда произошло и название систем навигации — корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС). Слово "экстремальные" связано с методом распознавания измеренных датчиком значений ГФП.
Датчики поверхностных полей могут снимать информацию с точки, линии или кадра в зависимости от условий применения. Датчики пространственных полей регистрируют их параметры только в месте нахождения датчика.
При точечном зондировании поля решение о местоположении принимается после прохождения определенного интервала, величина которого зависит от точности картографирования и бортовых измерений. При кадровом зондировании решение может быть принято практически сразу после завершения наблюдения.
Пространственные поля являются глобальными, и в этом их привлекательность. Степень картографической изученности гравитационного и магнитного полей приближается к 100%, но детальность и информативность аномальных компонент пока что существенно отличаются от района к району. Соответственно, точность навигации колеблется от десятков до сотен метров.
С поверхностными полями проблем с картографированием практически нет. Большое количество картографических спутников разных стран оперативно снимают земную поверхность с разрешением не хуже одного метра в оптическом и радиодиапазонах. Достижимая точность навигации по поверхностным полям составляет первые десятки и единицы метров.
Каким образом осуществляется определение местоположения в КЭНС?
Структура КЭНС в общем виде представлена на рис. , принцип работы поясняется на рис. . В момент измерения параметров поля фиксируются координаты предполагаемого местоположения по данным ИНС и вероятная ошибка в определении координат (?инс). Область вероятного положения формируется в виде круга (или прямоугольника) радиусом не менее 3? и с центром в точке предполагаемого по данным ИНС положения. Эталонные значения поля в области вероятного положения извлекаются из бортовой памяти и сравниваются с измеренным значением определенным образом. Результаты сравнения накапливаются на интервале наблюдения, и координаты точки, в которой разница между измеренными и эталонными значениями будет минимальна, принимаются за истинные.
Освоенными на текущий момент можно считать КЭНС по вертикальным профилям рельефа местности (маршрутная навигация) и наведение по оптическому контрасту в районе цели.
В комплексах радиоэлектронного оборудования пилотируемых и беспилотных боевых летательных аппаратов внедряются режим маловысотного полета с облетом и обходом препятствий, режим предупреждения столкновения с земной поверхностью.
Освоение КЭНС по пространственным геофизическим полям планируется в перспективных разработках боевой техники. Однако в целом внедрение КЭНС явно недостаточно, если учесть их преимущества по сравнению со спутниковыми навигационными системами (СНС).
Корреляционно-экстремальные навигационные системы по пространственным и поверхностным геофизическим полям и эталонам целей являются по существу единственной альтернативой СНС. Обладая в большинстве применений практически равными с СНС потенциальными возможностями в отношении точности, универсальности, способности интеграции с другими системами, невысокой стоимости аппаратуры пользователей, КЭНС превосходят СНС по ряду других принципиально важных показателей.
Структура корреляционно-экстремальной навигационной системы
ИНС--инерционная навигационная система, БЦВМ --бортовая цифровая вычислительная машина, РЗП --рельеф земной поверхности, МПЗ--магнитное поле Земли, ГПЗ--гравитационное поле Земли
Диаграмма: Мила Силенина
Как работает КЭНС
Корреляционно-экстремальная навигация, наведение
Геофизические поля: рельеф, оптическое, магнитное, радиотепловое, радиолокационное, гравитационное
Точность автономной навигации: суша—5–50 м море—<200 м
Автоматический заход на посадку и посадка на малооборудованном аэродроме
Диаграмма: Сергей Гудков
Достоинства: всепогодность, круглосуточность
Маловысотный полет в автоматическом режиме
Диаграмма: Сергей Гудков
Достоинства: всепогодность, круглосуточность
В отличие от СНС, КЭНС:
— ориентируются относительно реальной поверхности Земли, а не виртуального референц-эллипсоида;
— почти не занимают места в эфире, воздушном, наземном, морском и космическом пространствах;
— обеспечивают высокоточную автономную навигацию как в воздушной, так и в морской среде;
— обладают высокой или полной помехоустойчивостью и скрытностью функционирования;
— не нуждаются в затратах на эксплуатацию и восстановление навигационных полей;
— не оказывают негативного влияния на экологическую обстановку;
— способны обеспечить весьма высокие боевую устойчивость и надежность.