Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методологические принципы исследования развития структуры авиационных систем получения и обработки навигационных параметров полета.. 7
1.1. Анализ формирования понятия "навигационные параметры полета" 7
1.2. Историко-критический анализ источников 9
1.3. Метод историко-технического анализа в обосновании тенденций развития навигационных систем 13
Глава 2. Формирование первичной структуры авиационных систем навигации 20
2.1. Идеи измерения навигационных параметров полета в работах основоположников космонавтики.. 20
2.2. Исходные навигационные алгоритмы и особенности их технической реализации 28
2.3. Предпосылки к техническому совершенству структурных элементов навигационных систем... 37
Глава 3. Совершенствование структуры систем навигационной информации в период 30-х - 70-х годов 42
3.1. Канал определения направления полета 42
3.2. Канал определения высоты полета 45
3.3. Канал определения местоположения самолета... 56
3.4. Развитие информационных связей в структуре системы навигации 7Ї
Глава 4. Тенденция развития структуры современных авиационных систем получения и обработки навигационных параметров полета 91
4.1. Тенденции, как следствие периодизации развития навигационных систем 91
4.2. Взаимосвязь тенденций развития отдельной системы и комплекса навигационных систем
в целом 108
Глава 5. Информационная модель процесса развития системы навигации 126
5.1. Сравнительный анализ циклов разработки датчиков навигационной информации различных типов 126
5.2. Влияние теоретических исследований и практических разработок 30-х гг. на длительность цикла создания первых образцов инерциальных систем 139
5.3. Информационные критерии эффективности развития навигационных систем 150
5.4. Логика синтеза количественных показателей процесса развития 162
Заключение 166
- Анализ формирования понятия "навигационные параметры полета"
- Идеи измерения навигационных параметров полета в работах основоположников космонавтики..
- Канал определения направления полета
- Тенденции, как следствие периодизации развития навигационных систем
- Сравнительный анализ циклов разработки датчиков навигационной информации различных типов
Введение к работе
Авиационные системы получения и обработки навигационных параметров полета (АСПОНПП) являются жизненно важным бортовым оборудованием, обеспечивающим ориентацию самолета в пространстве, регулярность и безопасность полетов.
Наиболее полно потенциальные возможности навигационного комплекса используются на этапе маршрутного полета. Поэтому по мере развития авиации, дифференциации самолетного парка по функциональному назначению, акцент в исследовании смещался в сторону навигационных систем тяжелых самолетов, в частности, пассажирских, т.к. данный класс самолетов, в сравнении с другими, имеет более продолжительный маршрут полета и менее жесткие ограничения на технические характеристики навигационного комплекса.
Современные информационные системы имеют сложную структуру, включающую в себя ряд физически разнородных датчиков и подсистем с большим количеством внутренних и внешних связей..
Если учесть, что полеты современных пассажирских лайнеров, вмещающих свыше 300 пассажиров, осуществляются на расстояния до 10 тыс.км в сложных метеусловиях и выполняются со скоростью около 900 км и выше, то становится понятным, какие высокие требования по точности, надежности и другим характеристика должны должны предъявляться к системам навигационной информации.
Совершенствование современных систем навигации приводит к усложнению их структуры и требует все больших затрат на кх создание. Так уже к началу 60-х годов стоимость систем борто- * В дальнейшем изложении в качестве синонимов используются также термины: "навигационная система", "система навигации" "навигационный комплекс", "система навигационной информацо:". - 5 -вого оборудования, одной из основных составных частей которого является система навигационной информации, составляла более 50% стоимости самолета и в настоящее время продолжает возрастатз /43/.
Повышение эффективности дорогостоящих навигационных систем - важная народно-хозяйственная задача, нашедшая отраженно в "Основных направлениях экономического и социального развита СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.": "Предусмотреть широкое внедрение бортовых и наземных систем навигационного и радиотехнического оборудования, обеспечивающих автоматизацию управления воздушным движением, взлетом и посадкой самолетов и повышающих регулярность и безопасность полетов",
Проблема оптимизации АСПОНПП вплотную смыкается с проблемой разработки единой оценки их технической эффективности пригодной для анализа прошлого опыта и для целей долгосрочного перспективного проектирования. Несмотря на актуальность проблемы, вопросы оценки технической эффективности АСПОНПП в указанном аспекте до настоящего времени не находили отражения в отечественных и зарубежных научно-технических публикациях.
Целью исследования явилась разработка по результатам ис-торико-технического анализа единого комплекса оценок технической эффективности АСПОНПП, пригодного как для анализа процесса развития систем в ретроспективе, так и для решения задач долгосрочного перспективного проектирования.
Достижение цели исследования потребовало решения актуальной совокупности задач, обусловивших структуру диссертации: ретроспективного анализа развития понятия: * навитацион-.* ные параметры полета"; проверки достаточности исходных данных для проведения объективного историко-технического анализа, поиска и историко-техяического анализа малоизвестных архивных материалов; разработки и обоснования методики историко-техническогс анализа процесса развития АСПОНПП; подтверждения достоверности полученных результатов; синтеза результатов историко-техяического анализа в комплекс оценок технической эффективности АСПОНПП; проверку работоспособности комплекса оценок; разработки практических рекомендаций по применению комплекса оценок технической эффективности АСПОНПП для решения задач долгосрочного перспективного проектирования.
На защиту выносятся следующие основные положения: единый комплекс оценок технической эффективности АСПОНПП, пригодный как для анализа процесса развития систем в ретроспективе, так и для решения задач долгосрочного перспективного проектирования, должен строиться на основе результатов исто-рико-технического анализа; теория информации является математическим аппаратом, огранично дополняющим преимущества историко-техяического метода исследования в решении поставленной проблемы.
Анализ формирования понятия "навигационные параметры полета"
Современная информационная модель полета формируется из различного рода бортовых систем самолета, важнейшими из которых являются пилотажные и навигационные системы. В то же время отсутствует достаточно четкое разделение таких понятий, как пилотажные и навигационные параметры полета. Это обстоятельство вызвало определенные трудности при анализе процесса развития структуры самолетных систем навигационной информации. для объективного разграничения указанных понятий потребовался глубокий ретроспективный анализ. Исследование работ разных лет /73, 99, 101, 106, 108, НО, 114/ показало, что смешение понятий пилотажная и навигационная информация произошло в силу различий в толковании таких понятий, как "пилотирование" и "навигация".
Так, в /114, стр. 3/ указывается, что "самолетовождение или воздушная навигация" являются наукой, изучающей теорию и практические методы безопасного вождения самолетов из одной точки земной поверхности в другую..." /73, стр. 3/.
Отождествление таких понятий как "самолетовождение" и "навигация" имеет глубокие корни. Так, в источнике /101/ 1931 г. указывалось, что аэронавигация является наукой о самолетовождении. Далее тем же автором утверждалось, что самолетовождение включает в себя пилотаж и ориентировку /101, стр. 5/. Того же мнения придерживался и автор позднего источника. Согласно предлагаемым определениям аэронавигация, с одной стороны, является наукой, а с другой - видом полетной работы, частью самолетовождения /99, стр. 5/.
Смешение понятий "самолетовождение", "пилотирование" и "навигация", как нам представляется, явилось результатом ПОПЫТКЕ: создания авиационной терминологии на базе аналогичной морской.
Согласно морской терминологии кораблевождение рассматривалось как "наука, излагающая способы определения места корабля на море и избрания безопаснейтего и кратчайшего пути при переходе с одного места на другое" /39, стр. I/.
В свою очередь, кораблевождение включало в себя два раздела: навигацию и мореходную астрономию. Навигационные способы основывались на началах плоской тригонометрии и заключались в определении местонахождения судна в открытом море методом счисления пути при известном направлении и скорости движения судна. Астрономические способы определения местонахождения судна основывались на началах сферической тригонометрии и астрономии.
В авиационной практике, однако, в отличие от морской, имело место более широкое толкование понятия "аэронавигация", которое по смыслу было ближе к понятию "кораблевождение".
На сегодняшний день наиболее точным определением, которое достаточно полно раскрывает смысл понятия аэронавигация, представляется определение, предложенное В.П.Селезневым.
"Воздушная... навигация - наука о методах и технических средствах, обеспечивающих вождение летательного аппарата из одной точки пространства в другую по траекториям, обусловленным характером задачи и временем ее выполнения, а также условиями и обстановкой полета" /109, стр. 541/.
Исходя из вышеизложенного, самолетовождение можно рассматривать как особого рода деятельность, выполняемую в полете экипажем с помощью бортовых систем, и состоящую, в первую очередь, из операций пилотирования и навигации. В данной работе под на - 9 -вигацией понималась деятельность по прокладке и аналитическому контролю траектории полета. При этом соответствие действительной траектории движения центра масс самолета линии заданного пути устанавливается измерением и обработкой навигационных параметров полета. Навигационные параметры полета рассматривались как особого рода первичная информация, при соответствующей обработке которой возможно получение информации более высокого ранга, определяющей пространственное положение и направление полета центра масс самолета.
В табл. I.I.I представлен примерный состав бортового оборудования современного самолета, формирующего пилотажную и навигационную информацию. Факт формирования информации соответствующим типом датчиков отмечен знаком "х".
Как видно из таблицы I.I.I навигационная информация формируется устройствами, составляющими 47% от общего состава оборудования. Еще 20% устройств могут быть классифицированы как нави-гационно-пилотажные.
Идеи измерения навигационных параметров полета в работах основоположников космонавтики..
Анализ процесса развития авиационных систем получения и обработки навигационных параметров полета представляется необходимым начать с рассмотрения идей основоположников космонавтики в области космической навигации, изложенных в работах конца XIX - начала XX вв. Эти идеи, касающиеся характера структуры информационной системы, особенностей технической реализации ее датчиков, алгоритмов получения навигационной информации представляют несомненный интерес, поскольку в них отразились возможности науки и техники того времени, а также перспективы развития авиационных систем навигации.
В период с 1883 г. по 1903 г. Циолковским был написан ряд работ, в которых наряду с разраіоткой основ теоретической космонавтики были предложены различные способы навигации.
В работе Исследование мировых пространств реактивными приборами" /122, стр. 45-75/ Циолковским было предложено гироскопическое устройство для целей космической навигации. Это была "небольшая камера с двумя быстро вращающимися в разных плоскостях кругами...", которая при изменении направления полета корабля"... в силу инерции, пренебрегая трением, сохраняет прежнее абсолютное направление (относительно звезд)..." /122, стр. 50/.
Если заменить слово "камера" словом "кожух", а слово "кругами" словами "роторами гироскопов", т.е. словами идентичными по содержанию, станет ясно, что Циолковский, пользуясь современной ему терминологией, имел в виду гиростабилизированную платформу.
Идея гиростабилизированной платформы была использована впоследствии при создании инерциальных навигационных систем. Схема работы гиростабилизированной платформы и ее конструкция изложены Циолковским довольно кратко: "прицепленные к камере тонкие пружинки при поворачивании пушки меняют в ней свое относительное положение, что может служить причиной возникновения электрического тока..." /122, стр. 50/.
Возможно Циолковский не считал нужным более подробное изложение этой идеи по той причине, что она была изложена достаточно подробно в более ранней его работе "Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина" в 1894 г. /123, стр. 142/.
Гироскопический указатель курса морской торпеды, созданный Обри в 1898 г., можно рассматривать как первое практическое воплощение идеи Циолковского в применении к подвижному средству. Чувствительный элемент устройства представлял собой гирополу-компас, т.е. свободный гироскоп в кардановом подвесе, приводившийся в движение либо пружиной, либо сжатым воздухом /35, стр. 248, 249/.
Это была единственная реализация идей Циолковского, хотя и довольно примитивная, осуществленная в период до 1903 г.
Наряду с гироскопическим способом определения направления: полета Циолковским был предложен также астрономический способ -с помощью автоматического солнечного ориентатора /124, стр. 50/. Эта идея впоследствии была реализована в виде солнечного указателя курса (СУК), который нашел применение в авиации в конце 30-х гг.
Очень значительной в современном понимании представляется также идея Циолковского о применении навигационного программного
Имеется в виду реактивный двигатель в виде пушки, выстреливающей ядра в направлении, противоположном движению ракеты. вычислителя, связанного с системой управления. Она была высказана в научно-фантастическом произведении "Вне Земли" /124, стр. 137/.
Весьма вероятно, что решение отнести эту идею в область науч ной фантастики возникла у Циолковского потому, что никаких прототипов, хотя бы отдаленно напоминающих его "автоматический управитель" , ни предпосылок к возникновению подобного устройства в ближайшем будущем в то время не существовало. На современном этапе развития авиации бортовые вычислительные машины играют важную роль при решении задач навигации и управления.
Конструктивное развитие идей Циолковского о применении в навигационных целях гиростабилизированной платформы было дано Ю.В.Кондратюком в I9I8-I9I9 гг. Он предложил идею "двуосного астатического гироскопа" /45, стр. 514-516/. Однако при схемной реализации ее он допустил существенную ошибку, жестко связав оси двух гироскопов, вложенных один в другой, с одним основанием. В результате этого получился лишь один равнодействующий кинетический момент и конструктивные усложнения не были оправданы.
Канал определения направления полета
Радиопеленгационные устройства: радиополукомпас, а нескэль ко позже - радиокомпасы появились в начале 30-х гг. /19/. Отличие радиокомпаса от радиополукомпаса заключалось в автоматической установке антенны радиокомпаса в направлении на радиостанцию. Радиоуказатели направления полета в сравнении с магнитным компасом имели большую устойчивость. Они не нуждались в столь частой коррекции показаний как гирополукомпас. Радиокомпас и радиополукомпас выдавали информацию о величине угла между продольной осью самолета и направлением на радиостанцию. Для формирования показаний о направлении полета по отношению к северному меридиану, также как и в случае применения гиропо-лукомпаса, требовалось привлечение дополнительной навигационной информации в виде истинного курса или местоположения радиостанции. Кроме того, радиокомпасам и радиополукомпасам был свойствен ряд специфических недостатков. На точность их показаний оказывали влияние следующие факторы: метеоусловия, время суток, расстояние до радиостанции, радиодевиация.
С внедрением радиопеленгационных устройств в аэронавигационную практику начинает проявляться тенденция к изменению характера взаимодействия науки и техники в области курсового канала системы навигации, к сокращению разрыва между наукой и техникой, к их сближению. Ранее ведущую роль в развитии структуры курсового канала навигационного оборудования играла техника. Развитие теории в это время происходило через технику в направлении устранения погрешностей, вносимых в алгоритм метода за счет специфического авиационного применения датчиков навигационной информации.
Появление радиосредств обусловило потенциальную возможность формирования новых радионавигационных методов с учетом свойств источника информации. Этому способствовала возможность варьирования основных характеристик искусственно создаваемого радио-поля. Изучение и теоретическое обоснование свойств радиополя, как источника навигационной информации, явилось большим научным вкладом в развитие структуры навигационного оборудования на данном этапе.
Возраставшая дальность полета все менее соответствовала радиусу действия наземных радиостанций, что привело к необходимости изменения структуры курсового канала, приспособлению его к новым условиям полета. Магнитный компас и горополукомпас также не соответствовали новым требованиям. Первый - ввиду кратковременной возможности его использования, а второй - ввиду неустойчивости показаний. Поэтому дальнейшее развитие структуры курсового канала происходило в направлении поиска новых технических решений одного из наиболее теоретически разработанных к тому времени навигационных методов - магнитной навигации, которые проводились в двух направлениях.
Тенденции, как следствие периодизации развития навигационных систем
В основу данного раздела легли следующие исходные положения.
1. Периодизация должна возможно более полно и объективно отражать закономерности развития структуры системы навигации;
2. Тенденции развития структуры системы навигации должны являться прямым следствием периодизации.
В связи с этим обобщенный критерий периодизации учитывает следующие показатели, характеризующие процесс развития структуры
1. Факторы, обусловившие потребность в развитии структуры навигационного оборудования в направлении создания современных комплексных систем навигации;
2. Характер взаимодействия науки и техники в процессе реализации навигационных структур различных периодов развития;
3. Техническое свойство навигационной системы, отвечающее ряду признаков:
3.1. Непротиворечивость в отношении первых двух показателей;
3.2. Наличие четко выраженной тенденции к повторяемости;
3.3. Специфичность;
3.4. устойчивость.
Специфичность свойства характеризует факт принадлежности это1ю свойства системе навигации. Специфичное свойство способно характеризовать только систему навигации, тогда как другие - неспецифичные свойства, способны характеризовать также и самолетные устройства ненавигационного назначения, например, пилотажные
Устойчивость свойства определялась составом и хронологической последовательностью его альтернатив, отражающих в равной мере развитие структуры всех информационных каналов, а следовательно, и навигационной системы в целом. Анализ матриц технических свойств, представленных табл. 3.1.2, 3.2.1, 3.3.1 показал, что искомым свойством: специфическим, устойчивым, имеющим четко выраженную тенденцию к повторяемости, является свойство используемости разного рода физических полей в качестве источников навигационной информации.
На основании результатов системного анализа формирования и совершенствования структуры комплексных систем навигации, проведенного в предшествующих разделах данной работы, предлагается следующая периодизация процесса развития (табл. 4.І.І).
Первый период длился до начала 30-х гг. Он характерен лидированием техники в формировании структуры навигационной системы: созданием датчиков информации различных типов на базе алгоритмов морской навигации. По мере накопления эмпирических данных, полученных в процессе эксплуатации навигационного оборудования, появилась возможность его технического совершенствованЕЛ, а также развития исходных алгоритмов, путем дополнения и уточне- ния, применительно к авиационным условиям, соответствующих методов морской навигации.
Сравнительный анализ циклов разработки датчиков навигационной информации различных типов
Разработка современных систем навигации представляет собой сложный процесс, подразделяющийся на ряд этапов, каждый из которых имеет свои особенности. Сравнительный анализ циклов разработки проводится для выявления механизма формирования современного состава этапов, а также с целью оценки оптимальности разработки в смысле очередности этапов и в энтропийном смысле.
Предлагаемая в качестве исходной последовательность этапов: идейный - I, экспериментальный - Е, теоретический -Ти практический - Р, характерна для естественных наук, например, физики или химии, имеющих непосредственный выход в практику. Однако, как показало проведенное исследование, подобная очередность этапов наблюдается и в циклах разработки отдельных датчиков навигационное информации. Поэтому она принята нами в качестве исходной и мы будем называть ее классической".
На рисунках 5.1.1-5.1.3 представлены ступенчатые аппроксимации циклов разработки навигационных датчиков различных типов. На рис. 5.І.І отображен цикл разработки гирокомпаса и, для сравнения-- гирогоризонта. Следует отметить, что характер ломаных I и 2 совпадает. Отличительной особенностью является начальный временной сдвиг ломаной 2 относительно графика I по оси абсцисс. Затем графики практически совпадают по времени и последовательности прохождения этапов разработки.
Начало идейного периода гирогоризонта относится к 1742 г., а гирокомпаса - к 1852 г. Таким образом, разрыв в возникновении идеФ создания этих устройств составил НО лет.
