DeadlyMercury (DeadlyMercury [wargaming.net]) wrote in war_tundra,
DeadlyMercury
DeadlyMercury [wargaming.net]
war_tundra

Category:

Вирпильское #18 - Искусство не заблудиться

После длительного перерыва продолжаю серию "Вирпильское". И источник моего вдохновения на сегодня - решение навигационных задач.
Итак, для успешного полета необходимо знать не только, какие кнопочки в какой последовательности нажимать, как дергать или не дергать ручку, но и более приземленные вещи - а, собственно, куда лететь? Окей, гугл, где находится село Кукуево... Нет, не так. Окей, гугл, где я?!



В целом навигационные методы можно разделить на три группы: визуальный, расчетный и радионавигацию. Для более наглядной демонстрации летать будем здесь:

Попробуем таки взять и попасть из Крымска в Майкоп.

Визуальная навигация наиболее проста для понимания и использования: берем карту, внимательно ее разглядываем, после чего разглядываем окружающее нас пространство, не находим ничего интересного, вздыхаем, разглядываем карту еще внимательнее и рано или поздно натыкаемся на какой-то объект, который мы наблюдает под крылом самолета воочию. После этого смотрим, куда нам вообще надо лететь относительно этого объекта (в какую сторону) и что мы должны увидеть по дороге - то есть выбираем какие-то примечательные ориентиры. И вообще хорошо бы это делать до вылета!
В качестве ориентиров обычно выбирают какие-то крупные объекты - населенные пункты, реки, озера. Но если "все плохо" - в том числе можно строить свой маршрут вдоль железных дорог, автотрасс и других мелких объектов.
В нашем случае для ориентации есть несколько озер, а также Краснодарское водохранилище. Полосу мы должны будем увидеть между двумя городами - Майкопом и Белореченском. То есть построим наш маршрут примерно так:

То есть пролетим мимо пяти озер до Краснодарского водохранилища, там увидим три достаточно большие дельты рек и на третьей дельте повернем в сторону этой реки в направлении крупного населенного пункта. Потом найдем полосу между двумя крупными населенными пунктами.
"Записывайте, взлетаете в сторону ангаров, потом набираете высоту 4200 метров, как набрали увидите гору чуть левее градусов на 5-7, летите на эту гору, через час лету снизьтесь до 1500 метров, и летите прямо в гору, как ссыкотно станет, 90 градусов налево, а там и полосу видно."

Недостатки этого метода очевидны - его нельзя применять ночью или в ХМУ. Кроме того, маршруты могут получиться не оптимальными, поскольку мы не можем лететь строго по прямой в пункт назначения.

Расчетная навигация или метод счисления пути все также прост в понимании, но несколько сложен в применении: чтобы прилететь в желаемую точку нам предварительно надо построить маршрут к ней и выяснить, каким именно курсом надо лететь, с какой скоростью и как долго. Как вы наверное знаете, в авиации есть три скорости: приборная (IAS), которая определяет скорость набегающего потока воздуха и аэродинамические характеристики самолета; истинная (TAS), которая определяет скорость движения самолета относительно воздуха; и путевая (GS), которая определяет скорость самолета относительно линии пути на земле. Мы можем определить истинную скорость по приборной и другим параметрам воздуха (давление, температура), а вот для определения путевой скорости нам также надо знать направление и скорость ветра, который перемещает всю воздушную массу вместе с самолетом относительно земли. Из трех скоростей (TAS, GS, W) можно получить так называемый навигационный треугольник:

где К - курс самолета, ПУ - путевой угол, δ - навигационный курс ветра (в отличие от метеорологического - куда дует ветер, а не откуда), УС - угол сноса, УВ - угол ветра (угол между ПУ и δ), КУВ - курсовой угол ветра, V - истинная скорость, Vп - путевая скорость, W - скорость ветра.
Для расчета этих параметров потребуются знания 7-8 класса воскресной школы о геометрии и треугольниках :) Если вы найдете знакомого школьника, то он должен выдать вам примерно следующее:
GS=TAScos(УС)+Wcos(УВ)
sin(УС)=Wsin(УВ)/TAS
tg(УС)=Wsin(КУВ)/(V+Wcos(КУВ)
Соответственно есть две задачи - прямая: видим цель, не видим препятствий знаем, как сейчас летим и хотим узнать, где окажемся; и обратная: знаем, куда хотим прилететь и хотим узнать, как это сделать.
В нашем случае речь идет об обратной задаче: чтобы прилететь из Крымска в Майкоп надо лететь курсом 97, расстояние между аэродромами - 165км. Лететь будем с истинной скоростью 700км/ч. Еще известен ветер - навигационный магнитный курс 236, скорость - 32м/с. Этих данных (а также магнитного склонения, ибо Лка, как и другие самолеты здорового человека военных, летает по истинному курсу) достаточно, чтобы определить желаемое: лететь надо курсом 90 (угол сноса - 7 градусов) и прилетим через 16 минут.

Проверим?

Недостатки этого метода также бросаются в глаза: если не дунуть выдерживать точные параметры полета (высота, скорость, курс) - можно достаточно сильно промахнуться. Кроме того, расчеты занимают некоторое время и требуют свободных от пилотирования рук и мозгов, также нужны данные о ветре, которых может и не быть, но которые можно получить: зная, "куда летим", посмотреть, "куда прилетели" и сделать соответствующие выводы.
Для облегчения жизни летчикам и штурманам были придуманы разнообразные инструменты. Например, легендарная линейка НЛ-10:

Список задач, который могла решать данная весчь:
[... ДОФИГА!]
1) Умножение и деление чисел
2) Извлечение квадратных корней и возведение в квадрат
3) Определение значений тригонометрических функций
4) Умножение и деление числа на тригонометрические функции угла
5) Перевод скоростей из км/ч в м/с
6) Перевод из миль (морских и сухопутных) в км
7) Перевод из футов в м
8) Перевод из градусов в радианы
9) Расчет путевой скорости по пройденному расстоянию и времени полета
10) Расчет пройденного расстояния по путевой скорости и времени полета
11) Расчет времени полета по пройденному расстоянию и путевой скорости
12) Расчет путевой скорости по времени пролета базы, равной высоте полета
13) Расчет поправки курса по боковому уклонению и расстоянию
14) Расчет исправленной высоты полета по показанию барометрического высотомера
15) Расчет истинной воздушной скорости
16) Расчет угла сноса и путевой скорости по известному вектору ветра
17) Расчет угла сноса по вертикальному углу и боковому уклонению
18) Определение угла сноса по боковой радиостанции
19) Расчет горизонтальной дальности по высоте и вертикальному углу
20) Определение путевой скорости при помощи круговых систем
21) Определение радиуса разворота по углу крена и скорости разворота
22) Определение времени разворота с заданным радиусом и скоростью
23) Определение времени разворота с заданным креном и скоростью
24) Определение линейного упреждения разворота
25) Расчет минимального расстояния для возможного погашения опоздания или избытка времени
26) Определения времени полета на петле для погашения избытка времени
27) Расчет времени догона и встречи самолета
28) Расчет угла прицеливания
29) Определение наклонной дальности сбрасывания бомб
30) Определение величины сноса медленно падающего тела
31) Определение высоты бомбометания по фотоснимкам
32) Расчет необходимого числа снимков при фотобомбометании
33) Определение масштабов снимков
34) Определение высоты фотографирования
35) Определение максимально допустимой выдержки
36) Определение захвата на местности
37) Определение интервала между снимками
38) Определение количества маршрутов для фотографирования заданной площади
39) Определение масштаба снимка при перспективном фотографировании
40) Определение захвата на местности по переднему и удаленному плану
41) Определение удалений вертикали самолета при перспективном фотографировании
42) Определение интервала между снимками при перспективном фотографировании
43) Определение количества аэроснимков для одного маршрута при перспективном фотографировании
44) Определение линейного относа пули или снаряда
45) Определение линейного упреждения
46) Определение углового упреждения
47) Определение дальности до цели
48) Расчет угла прицеливания
49) Воспитание подрастающего поколения

Другой сумрачный прибор штурманов - ветрочет, помогал в определении угла сноса:

А еще бывает совсем жесть - круглые линейки НЛ-10 с ветрочетом! Они же - НРК и НПЛ:

В общем, считали как могли :)
Потом умные люди "придумали" полупроводники, другие умные люди "придумали" компьютеры, а авиационные инженеры подумали-подумали, да и родили инерциальные системы навигации, которые по факту работают с помощью метода счисления пути, то есть учитывают все угловые и продольные перемещения воздушного судна по всем осям (с помощью гироскопов, акселерометров и воздушных датчиков), сами берут необходимые поправки, к стартовой (или предыдущей) координате добавляют перемещение и на выходе дают текущую координату. А зная координаты "куда надо" - легко туда прилететь.
Сегодня инерциальные системы навигации весьма популярны у военных и продолжают свое развитие, поскольку полностью автономны и не зависят ни от каких внешних сигналов. Единственное, что может требоваться - это периодическая коррекция, связанная с уводом гироскопов (особенно у сильно маневрирующих самолетов) - но и это можно обойти, используя, например, оптические гироскопы на эффекте Саньяка.

Радионавигация тоже "стара как мир" (а точнее - практически с момента изобретения радио), однако в ходе своего развития претерпела наиболее сильные изменения. Изначально и в самом простом варианте радионавигация представляет собой всенаправленный маяк, излучающий на определенной частоте. Любой желающий с приемником и узконаправленной антенной может определить, в каком направлении от него находится маяк. А если таких маяков будет два и их координаты известны - определить свое местоположение. Однако существуют технические ограничения на точность определения азимута, связанные с конструированием антенн абсолютно идеальных передатчиков и приемников, что порождает ошибки в определении направления на маяк порядка нескольких градусах на больших удалениях. Поэтому развитие радионавигации пошло другим путем.
Сегодня такие маяки продолжают использоваться в качестве приводных (в частности, ДПРМ/БПРМ аэродромов). В английском такой маяк называют NDB - non-directional beacon. В самолете сигнал таких маяков обычно принимает АРК (ADF) - автоматический радиокомпас. С помощью радиокомпаса нельзя точно определить свое местоположение, ибо стандартно он указывает только направление на выбранный маяк, и можно только прилететь к маяку, который обычно расположен рядом с каким-либо объектом, например - полосой, чтобы произвести визуальный заход на посадку.
Дальнейшее развитие радионавигации разделилось на два направления. В одном случае решили использовать узконаправленный луч чтобы двигаться вдоль этого луча с достаточно хорошей точностью. Так, например, появилcя "Луч Лоренца":


Дальнейшее развитие которого можно увидеть в системах ILS:

Или добились особой диаграммы направленности антенн, чтобы с помощью приемника можно было определить свой пеленг относительно этой антенны. Что даст нам систему "Электра", с помощью которой в том числе осуществлялось наведение бомбардировщиков на цель:

Здесь самолет двигался в пределах первого главного луча первого маяка Электры, а второй маяк электры, так сказать, маркерными лучами сигнализировал о приближении к цели и точке сброса. Эта система, как и ее аналоги (например, X-герет и Y-герет) использовались в битве за Британию, однако нельзя сказать, что с большим успехом: англичане достаточно быстро поняли их принцип работы и начали либо глушить их, либо подделывать сигналы систем и посылать неверные сведения о дальности до цели. Подробнее можно прочитать, например, здесь: https://en.wikipedia.org/wiki/Battle_of_the_Beams
Дальнейшее развитие идеи Электры в результате дало нам VOR (VHF Omni-directional Radio Range) или всенаправленный азимутальный маяк (РМА). Суть идеи достаточно проста: маяк испускает два сигнала, один всенаправленный передает позывные станции, а второй сигнал вращается с частотой 30Гц и по разнице фаз между основным сигналом и вспомогательным приемник может определить свой пеленг относительно этого маяка:

На словах просто, на деле соорудить такую штуку весьма сложно :) Изначально использовали вращающуюся антенну и в дальнейшем пришли к ряду вспомогательных антенн, управляя итоговой диаграммой направленности электронным образом. Выглядит в результате это строение так:

Точность полета по "лучу" такой системы выше, чем удаление или прибытие к NDB определенным заданным курсом: во-первых, мы можем лететь с точностью до градуса, а не нескольких градусов, во-вторых - никаким образом не зависим от нашего компаса и его возможных неполадок или ошибок, связанных с уводом гироскопов (если речь идет о гирокомпасе) или локальных зонах с аномальным магнитным полем (если речь идет о магнитном компасе). Аналогичным образом можно определить свой пеленг относительно маяка с точностью до градуса. При этом использование маяка VOR достаточно простое (если разобраться как с самой системой, так и с приемником ЛА): ты указываешь желаемый луч, по которому хочешь двигаться от VOR или к VOR, а приемник тебе показывает его визуально и показывает, как и в какую сторону ты от него отклоняешься. Остается просто следить за тем, чтобы ты был в луче и не отклонялся от него.

Таким образом с помощью VOR организовали движение по воздушным трассам.
Второй путь развития радиомаяков - это определение дальности до маяка. Изначально определение дальности строилось на скорости распространения радиосигнала: например, маяк посылал особый сигнал приемнику и тот тут же ему отвечал особым образом, после чего по времени между отправкой сигнала и получением ответа маяк получал дальность до самолета и передавал ее сообщением. Достаточно замороченная система... Однако зная дальность до двух маяков можно было определить свое положение точнее, чем по пеленгу этих маяков. Кроме того, упомянутая ранее система Y-герет работала с одним маяком и передавала самолету, двигающемуся по лучу, именно дальность от маяка - то есть для наведения самолета на цель не надо было ставить второй маркерный маяк.
В дальнейшем систему упростили - теперь уже самолет отправлял особый сигнал маяку и по времени задержки ответа определял свою дальность до маяка. Так появился DME или всенаправленный дальномерный маяк (РМД).
Следующий логический шаг... скрестить системы VOR и DME! Что и было сделано - появилась система VOR/DME, которая не только передает самолету пеленг относительно маяка, но и удаление, что позволяет однозначно определить свое положение с помощью одного единственного маяка. Рассовые военные советские маяки VOR/DME при этом назвали РБСН (радиотехническая система ближней навигации), ну а прогнивший запад назвал их TACAN (TACtical Air Navigation system). Несмотря на грозные названия - по сути это обыкновенные VOR/DME, пусть и точность у них получше (американцы грозились точностью 1/9 градуса, но на деле хуй простой получили 1/3 только).
Возвращаясь к нашей задаче - нам надо прилететь из Крымска в Майкоп. При этом обе полосы оборудованы станциями РБСН. И когда мы разобрались, что это, как оно работает - давайте их использовать. Тогда наш полет выполняется не просто, а очень просто!
Настроившись на маяк РБСН Крымска в самом начале, нам будет удобнее всего лететь по лучу 105°. И мы будем лететь по этому лучу, пока не удалимся от маяка на 150км и не окажемся в точке "2", или точнее в створе полосы на удалении порядка 25км от нее. Ну а дальше настроимся на маяк РБСН Майкопа, выставим желаемый курс 39, совпадающий с курсом полосы, и зайдем на посадку по инструментальной системе:

Полетели?

Возможную сложность понимания принципов работы радиомаяков и настройки сопутствующего радиооборудования с лихвой компенсирует простота их использования и выдерживания желаемого курса и прибытия в желаемую точку назначения. Кроме этого радионавигация практически не зависит от погоды и времени суток, что также крайне удобно.

История развития дальномерных радиомаяков получила


4 октября 1957 года СССР поднатужилось и явило миру ЭТО:


Мир подозрительно отнесся к этой вопиющей провокационной выходе СССР и принялся бдительно следить за ЭТИМ.
Вскоре было обнаружен доплеровский сдвиг частоты излучаемого спутником радиосигнала. И в том числе было показано, что по доплеровскому сдвигу частоты возможно определить текущее местоположение спутника. И более того, была решена обратная задача - когда по известному местоположению спутника смогли определить положение приемника на земле.
Научные умы СССР при этом заверяют, что все это было предсказано и теоретически обосновано до запуска ИСЗ-1, однако бурная деятельность по созданию новейшей навигационной системы, основанной на доплеровском смещении спутникового сигнала, что в США, что в СССР началась примерно одинаково и независимо друг от друга - в начале 60ых.
В результате появились системы спутниковой навигации первого поколения - советский "Циклон" (1967) и американский "Транзит" (1964). Обе системы работали по одному и тому же принципу - по доплеровскому смещению сигнала, принимаемого с одного спутника, определялось местоположение приемника. У системы при этом был ряд недостатков - в частности, хромала точность и скорость определения местоположения, крайне сложно и практически невозможно было определить координату подвижной цели, особенно когда цель двигалась быстро. Кроме того система идеологически использовала низкоорбитальные спутники и с их помощью нельзя было отслеживать координаты приемника непрерывно, а только в течение часа - затем надо было переключаться на другой спутник. Кроме того в том числе возникали моменты когда ни одного спутника в прямой видимости не было на протяжении часа-полутора, а избавиться от этой проблемы, нарастив число спутников, не представлялось возможным, поскольку все они работали на одной частоте. Также нельзя было определять три пространственные координаты - только две (широту и долготу).
В общем, ВМФ остался более-менее удовлетворен, а вот ВВС остались не у дел, посему начали стучать по столу и требовать себе такую же игрушку.
Дальнейший толчок развития спутниковая навигация получила при изобретении атомных часов. В результате этого стало возможным как крайне точная синхронизация времени спутников, так и измерение крайне малых временных величин, требуемых для обычной дальномерии по распространению радиосигнала. В середине 70-ых обе сверхдержавы начали разрабатывать системы спутниковой навигации второго поколения (ГЛОНАСС и Navstar-GPS). Теперь правила игры поменялись и спутники летают на высоких орбитах (20 тысяч километров против тысячи), совершая оборот вокруг земли почти за 12 часов, их гораздо больше и все они одновременно (с точностью до сотых долей наносекунд - цезиевый стандарт частоты) испускают сигнал. Приемник, синхронизировав опорный генератор со спутником фазовым методом, определяет расстояние до спутника по временной задержке получения сигнала. Кроме того по доплеровскому сдвигу он может оценить свою скорость относительно спутника. Для однозначного определения координаты требуется получить сигнал с четырех спутников, параметры движения и текущие координаты которых известны: один спутник в качестве возможных координат даст нам сферу, пара спутников - пересечение двух сфер или окружность, три спутника - пересечение сферы и окружности, то есть две точки на сфере. И только четвертый спутник подскажет нам, какая из этих двух точек правильная.
Впрочем, возможно определение по трем спутникам, если откинуть вторую заведомо ложную точку - например, она может находиться слишком высоко (тогда как приемник гарантированно находится на уровне моря) или иметь неправдоподобно большую скорость перемещения.
Кроме собственной координаты по доплеровскому сдвигу сигнала и известным параметрам движения спутников приемник определяет свой собственный вектор движения - скорость и направление. В результате радионавигация получила практически идеальный метод выяснения собственного местоположения и вектора движения в пространстве. Точность этого метода с момента разработки систем и до настоящего времени возросла с нескольких сотен до десятка метров в первую очередь за счет уточнения орбит движения спутников и прогнозирования их движения: учитываются такие малые величины, как реактивная тяга вследствие не абсолютной герметичности двигателей и испарения материала с поверхности спутника, влияние солнечного ветра и прочая маловажная ерунда, о которой нормальным людям не пришло бы в голову даже задумываться. Несмотря на это, неточность в определении и предсказании орбит спутников и передаваемые эфемериды сегодня дают половину ошибки, а вторую половину - нестабильность генераторов частоты. По прогнозам работы по снижению этих недостатков и ряд других мер может привести к точности определения координат до 10см.
Сегодня спутниковая навигация распространена настолько, что любой из вас вот "прямща" может достать "из широких штанин" свою садовую лопату производства Кореи, Тайваня или Китая с тачскрином и, неособо задумываясь о том "как это работает", получить точку на карте, олицетворяющую себя любимого. С точностью до десятков метров. Однако в авиации спутниковая навигация так и не стала основным методом по соображениям безопасности, а только вспомогательным. Сегодня самолет в первую очередь руководствуется инерциальной системой навигации, которая, как я уже заметил ранее, не зависит ни от каких внешних сигналов, а коррекция инерциальной системы производится автоматически любыми доступными методами - с помощью известных маяков, спутниковой навигации, да и визуальная коррекция также возможна - пролетом над заранее выбранным в системе ориентиром. И воздушные трассы и точки маршрутов сегодня стоят не только на пересечениях лучей маяков VOR или на удалении от какого-либо маяка VOR/DME, но и просто сами по себе, имея в качестве своего определения только координаты. Точно также пилот (если ему, конечно, разрешит диспетчер) не обязан следовать маяку VOR, а может полететь в желаемую точку с произвольными координатами - если его религия, знания и навигационная система это позволяют.
Ну и возвращаясь к нашей задаче - к черту сложные вычисления! К черту маяки! Давайте просто ткнем пальцем в карту и полетим туда:

... хотя вы знаете, с маяками как-то проще...
Система навигации и "дружелюбный интерфейс" у бородавочника - пожалуй, самые сложные и замороченные, что есть сейчас в DCS. Однако если разобраться, как со всем этим работать (на Ка-50 те же действия гораздо проще, хотя координаты придется вручную вбивать) - результат не может не восхищать: тыкаешь (правильными движениями рук!) в карту и вуаля - самолет тебе рисует точку, куда надо лететь.
Смешно, правда, когда на вопрос "как удалить waypoint, добавленный ошибочно??" некоторые умельцы предлагают вырубить и ребутнуть CDU. В полете, ага :)

Ну и последний вид радионавигации, который сегодня также продолжает использоваться, но тоже "стар как мир" - это векторение. Суть этого метода заключается в том, что добрый дядя, который сидит перед экраном радара и зовется авадиспетчером, не только прекрасно тебя на радаре видит, но и может тебе рассказать, где ты находишься, куда лететь и как долго. А злой дядя ничего не будет тебе рассказывать и вообще с тобой общаться, но прекраааасно сможет на тебя навести пару перехватчиков, если ты вдруг собираешься пересечь чью-то государственную границу ненадлежащим образом :)
И честно говоря, мне уже было лень летать в майкоп еще раз, поэтому я нашел, как какой-то нуб летит в сочи :)

Tags: вирпильское
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 62 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →