Nawigacja w lotnictwie - metody i przykłady

Nawigacja statku powietrznego jest procesem określania aktualnego położenia, wyznaczania docelowego miejsca przylotu, a także określania drogi dotarcia do tego miejsca. Zadania te mogą być zrealizowane na różne sposoby, dlatego istnieje wiele metod nawigacji.

Urządzenia działające bez ingerencji sygnałów z zewnątrz, czyli bez informacji z baz, dodatkowych urządzeń naziemnych lub innych statków powietrznych wykorzystują własne sygnały radiowe, odbite od Ziemi, promieniowanie naturalne ciał niebieskich, oraz pola magnetyczne i grawitacyjne Ziemi.

Rys.1 - Kompas [3]

Przykładem przyrządu, pozwalającego na niezależną nawigację jest kompas. Bardzo proste urządzenie, zbudowane z igły magnetycznej, wskazujące kierunek północny. Zaletą takich systemów jest duża odporność na zakłócenia i niewykrywalność przez siły nieprzyjaciela.

Rys. 2 - Struktura systemu GPS [4]

Nawigacja odbywa się także przy użyciu pomocy naziemnych lub satelitarnych. Znanym przykładem jest GPS, system stosowany w wielu dziedzinach, od zastosowań militarnych po czysto turystyczne. Mniej znane systemy wykorzystują sygnały z latarni naziemnych, budowanych w odpowiednich odległościach i miejscach. Główną wadą takich rozwiązań jest znaczna podatność na zanucenia oraz ograniczony zasięg. Z drugiej strony są one znacznie dokładniejsze, niż systemy niezależne.

Rys. 3 - Rozmieszczenie satelitów GPS [5]

Najlepiej byłoby, gdyby połączono zalety obu systemów i odrzucono wady. Jest to po części możliwe dzięki systemom zintegrowanym, tzw. mieszanym. Korzystają one z urządzeń zależnych oraz niezależnych. Stopień ich użycia zależy od rodzaju wykonywanego przez samolot zadania. Jeżeli jest to operacja, podczas której niewykrywalność jest kluczowa, system wykorzysta informacje z urządzeń zależnych. Jeżeli wymagana jest dokładność nawigacji bez konieczności unikania zakłóceń – system skorzysta z sygnałów od urządzeń niezależnych. Jest to możliwe, dzięki zastosowaniu techniki cyfrowej i elektronicznej realizacji poszczególnych urządzeń. Przetwarzanie ich informacji wyjściowych jest znacznie łatwiejsze.

 Tak ogólnie wspomnieliśmy o rodzajach urządzeń nawigacyjnych, teraz opiszemy metody, według których określa się położenie samolotu. Pierwsza z nich to metoda zliczania drogi. Mogłaby również być stosowana do nawigowania samochodem. Jeżeli znamy nasze początkowe położenie i kierunek w którym jedziemy (kierunki wyznaczane przez drogę). Mierząc prędkość, określamy przebytą drogę w danym czasie i dodajemy ją do punktu startu, zgodnie z przebytymi kierunkami. Zakładając, że jedziemy ze stałą prędkością z Krakowa do Warszawy z prędkością 70 km/h i mierzymy czas naszej podróży, to po dwóch godzinach jazdy, na podstawie mapy jesteśmy w stanie określić, w jakim punkcie między Krakowem a Warszawą jesteśmy.

Rys. 4 - Współczesne rozwiązanie nawigacyjne [6]

Przy użyciu kompasu i wskaźnika prędkości w samochodzie możemy poruszać się w dowolnych kierunkach. Należy jedynie obliczać odcinki przebytych dróg w danym kierunku, a następnie dodać je geometrycznie. Lecąc samolotem postępujemy podobnie. Analizując tę metodę, widzimy że jest ona niezależna. Mało dokładna, ze względu na konieczność ciągłego szacowania prędkości i kierunku, jednak dostępna w każdym miejscu na Ziemi.

Druga metoda także dobrze sprawdza się dla samochodów jak i dla samolotów. Chodzi o porównywanie swojej pozycji względem nieruchomych punktów na Ziemi lub gwiazd. Jadąc samochodem porównujemy swoje położenie względem całej budowlanej infrastruktury. Jeżeli przejedziemy obok Wawelu oznacza to że jesteśmy w Krakowie ;-) System GPS, stosowany do nawigacji samochodowej jest systemem pozycyjnym, ponieważ określa położenie samochodu względem satelitów.

Rys. 5 - Radiolatarnia VOR [7]

Położenie samolotu określa się względem latarni naziemnych (VOR, NDB) lub satelitów (np. GPS). Wystarczy znać odległość od danego punktu i kąt, mierzony od przyjętego początku układu. Mając daną płaską powierzchnię, przyjmijmy na niej dowolny punkt, jako nieruchomy, oraz narysujmy półprostą od tego punktu w dowolnym kierunku, np. północnym. Teraz narysujmy kolejny punkt w dowolnym miejscu. Mierząc jego odległość między punktem początkowym oraz kąt zawarty między półprostą narysowaną wcześniej, a prostą przechodzącą przez dwa narysowane punkty, otrzymujemy dwie wartości liczbowe, jednoznacznie określające położenie drugiego punktu - odległość r i kąt fi.

Rys. 6 - Współrzędne biegunowe [8]

Takie określanie pozycji jest bardzo dokładne, jednak wymaga ciągłej łączność z punktem naziemnym lub satelitą.

Trzecia metoda polega na porównywaniu parametrów pola magnetycznego lub powierzchni Ziemi na podstawie pomiaru i danych zawartych w pamięci komputera pokładowego. W tym celu wykorzystuje się matematyczne metody, m.in. badanie korelacji, czyli powiązania tego co zmierzyliśmy z tym co jest w pamięci komputera. Jeżeli korelacja jest maksymalna, oznacza to, że system odnalazł miejsce, którego parametry zgadzają się z parametrami mapy w pamięci komputera.

Po analizie metod nawigacyjnych widzimy, że niektóre wymagają większej ingerencji pilota, inne mniej a jeszcze inne w ogóle nie wymagają pilota do określenia pozycji. Oczywistym jest, że trend dąży w kierunku rozwoju tych ostatnich. Nieśmiertelny przykład: GPS.

Źródła:

1. Z. Polak, A. Rypulak "Awionika, przyrządy i systemy pokładowe".
2. http://nawymiar24.pl
3. http://przyroda.opracowania.pl
4. http://www.technologiagps.org.pl/
5. http://www.pocketgpsworld.com
6. http://www.supertraders.pl
7. http://pl.wikipedia.org
8. http://home.agh.edu.pl