Фазовая РНС «Омега»
Принцип работы. РНС «Омега» является фазовой, разностно-дальномерной системой с временной селекцией сигналов, обеспечивающей суда навигационной информацией в любой точке Мирового океана. Система работает в диапазоне очень низких частот 10—14 кГц. Береговые станции излучают сравнительно длительные посылки (~1 с) электромагнитных колебаний на частотах 10,2; 11,33; 13,6 и 11,05 кГц в заданном цикле.
Цикл временной диаграммы излучения сигналов РНС «Омега» составляет 10 с и начинается с излучения колебаний основной, навигационной частоты f1=10,2 кГц первой станцией, условно обозначенной буквой А. Начало цикла синхронизировано с сигналами UTC и приходится на ООс+10N, где N - натуральный ряд чисел.
Радионавигационное поле, перекрывающее земной шар, образуется 8 станциями. Начало посылок всех колебаний также жестко связано с всемирным временем UTC.
Семейство гиперболических изолиний рассчитывается на частоте f1=10,2 кГц, которая определяет ширину точных дорожек на базе, равной 15 км. Грубые дорожки для устранения многозначности образуются на разностных частотах F1=3,4 кГц (13,6—10,2 кГц) и F2= кГц (11,3—10,2 кГц), которые на базе равны 45 и 135 км соответственно.
Для определения места судовой приемоиндикатор должен быть засинхронизирован с циклом временной диаграммы передачи сигналов на частоте 10,2 кГц. По способу синхронизации приемоиндикаторы разделяются на автоматические и неавтоматические, в которых синхронизация осуществляется вручную с привязкой к сигналам точного времени.
После синхронизации выбирают любые пары станций, линии положения от которых пересекаются под наиболее выгодными углами. Одна из двух пар станций может быть общая. Отсчеты линий положения производятся в алфавитном порядке следования станций. Например, может быть образована пара А—Н, но не Н -А; В- Д, но не Д-В и т. д.
Прием сигналов от каждой из станций возможен на расстоянии до 6000 миль. Наилучший прием сигналов достигается от тех станций, которые находятся к западу от судна.
Точность определения места зависит от точности предвычисления поправок за суточные и сезонные изменения скорости распространения сверхдлинных радиоволн. Поправки необходимо вводить в каждый отсчет. Поэтому СКП определения места обычно составляет днем около 2 миль, ночью до 4 миль. В периоды повышения солнечной активности или аномальных явлений в ионосфере погрешность определении места увеличивается.
Средства радиопеленгования
Работа радиопеленгатора основана на свойстве рамки принимать радиосигналы, интенсивность которых зависит от направления прихода этих сигналов к плоскости рамки. Радиосигналы, приходящие с направлений, перпендикулярных плоскости рамки, рамкой не воспринисаются.
Точность пеленгования определяется в основном радиодевиацией—влиянием электромагнитных полей вторичного излучения от корпуса, такелажа и надстроек судна.
В диапазоне излучения сигналов морскими радиомаяками (255—525 кГц) основные составляющие радиодевиации f определяются и компенсируются при проведении радиодевиационных работ. Остаточные погрешности Df пеленгования, определяемые радиодевиацией, оформляются таблицей или кривой в функции от радиокурсового угла.
Ввиду наличия остаточных погрешностей радиодевиации СКП радиопеленгования в дневное время с помощью радиопеленгатора любого типа лежит в пределах 1—2°.
В диапазоне гектометровых радиоволн (2167—2197 кГц) неличина радиодевиации может иметь значительные размахи, приводящие к невозможности их компенсирования и определения стороны пеленгования. При использовании отечественных радиопеленгаторов компенсация радиодевиации в этом поддиапазоне волн не предусматривается.
Как правило, в диапазоне гектометровых радиоволн считается возможным пеленгование с точностью ±5° на носовом курсовом угле, а также радиовождение по приводу на цель пеленгования.
Плавание судна на цель пеленгования производится, выдерживая РКУ=0, и осуществляется с высокой точностью даже при значительной радиодевиации. Однако при этом плавание судна будет происходить по логарифмической спирали и путь до объекта, излучающего радиосигналы, удлиняется. Если f<30°, то путь по спирали практически мало отличается от кратчайшего.
Точность привода судна к излучателю достигает нескольких десятков метров, что требует соблюдения соответствующих мер при сближении в условиях плохой видимости.
В ночное время с расстояний более 50 миль точность радиопеленгования снижается. За час до захода и в течение часа после восхода Солнца радиопеленгование на расстояниях свыше 20 миль от радиомаяков не рекомендуется. Если угол между направлением радиосигнала и береговой чертой составляет менее 20°, возможны погрешности за счет береговой рефракции радиоволн.
61. Спутниковые системы дла определения места судна. Источники погрешностей, характеристика точности определения места.
Спутниковые навигационные системы доплеровского типа
Общие сведения. В настоящее время эксплуатируются две спутниковые навигационные системы (СНС) доплеровского типа — «Цикада» (СССР) и «Транзит» (США). Обе системы обеспечивают определение координат места судна в любое время суток и при любых метеоусловиях. Зона действия системы «Цикада»—без ограничений; системы «Транзит»— в диапазоне широт ±88°. Каждая из систем включает три основные части: командно-измерительный комплекс, искусственные спутники Земли (ИСЗ), аппаратуру потребителей.
Рис. 4.8. Элементы спутниковой навигационной системы доплеровского типа
Командно-измерительный комплекс состоит из ряда наземных станций слежения, станций передачи команд на борт ИСЗ и вычислительного центра (рис. 4.8).
В системе «Цикада» используются ИСЗ серии «Космос-1000» на орбитах, близких к круговым, с высотой около 1090—1100 км над уровнем Земли и периодом обращения порядка 108 мин; угол наклонения орбит относительно плоскости экватора составляет 83°. При таком выборе параметров орбит ИСЗ обеспечивается глобальность работы системы.
Параметры орбит спутников системы «Транзит» следующие: высота — 1075 км, период обращения — 107 мин, наклонение орбиты — практически 90°, эксцентриситет — в пределах 0,003—0,02. Количество одновременно работающих спутников в системе — до шести.
Спутники обеих систем некорректируемы, поэтому в силу различных возмущений наблюдаются смещения орбит по отношению к начальным значениям.
В силу различного характера структуры сигналов и вида модуляции, а также разноса по частоте взаимное влияние сигналов спутников системы «Цикада» и «Транзит» исключено. Однако в рамках каждой системы проявляется взаимное влияние сигналов спутников, что сказывается на качестве обсерваций, выполненных с помощью судовой аппаратуры.
Когда ИСЗ системы приближаются один к другому на расстояния, при которых разделение сигналов по частоте в судовых приемоиндикаторах затруднено, по командам с наземных станций производится выключение аппаратуры одного из спутников. Даты включения, причины и дата планируемого последующего включения спутников объявляются в навигационных предупреждениях,
Для каждой из систем средний интервал между обсервациями при пяти ИСЗ составляет от 40 до 110 мин в зависимости от широты места. Передача навигационной информации с ИСЗ проводится на двух частотных каналах 400 МГц и 150 МГц, режим передачи - непрерывный. Частоты передаваемых сигналов характеризуются высокой степенью стабильности В состав передаваемых данных, используемых для целей навигации, входят параметры, характеризующие пространственное положение ИСЗ на фиксированные моменты времени. идентификационный номер спутника, временные метки и сигналы синхронизации. Система «Цикада» работает по шкале зимнего московского времени, система «Транзит» — по шкале времени UTC.
Метод определения места. В обеих системах используется так называемый интегральный доплеровский метод, который в геометрическом смысле эквивалентен разностно-дальномерному методу. Для определения обсервованных координат используются: opбитальные параметры спутника; измеренные навигационные параметры; счислимые координаты, текущие значения курса и скорости судна.
Орбитальные параметры, получаемые по сигналам спутников, позволяют определить точное положение ИЗС в пространстве на фиксированные моменты времени.
В качестве навигационных параметров используются отсчеты измеренных доплеровских сдвигов частоты, вызванных взаимным перемещением судна и спутника во время навигационного сигнала. В судовом приемоиндикаторе значение доплеровского сдвига частоты определяется относительно частоты опорного генератора.
Зависимость доплеровской частоты от изменения расстояния «судно — ИСЗ» позволяет определить разность расстояний между судном и рядом последовательных положений ИСЗ на фиксированные моменты времени. Каждой разности расстояний в пространстве соответствует поверхность положения — гиперболоид вращения, который при пересечении с поверхностью Земли образует навигационную изолинию типа гиперболы. Таким образом, систему доплеровского типа с интегральным методом определения координат места можно рассматривать как гиперболическую систему. В качестве базы такой системы может рассматриваться расстояние пролета спутника на интервале измерения навигационных параметров. Для современных типов судовых приемоиндикаторов интервал измерения составляет 4,6; 24; 30;
60 или 120 с, длительность сеанса составляет от 8 до 16 мин.
Счислимые координаты места судна вырабатываются по данным курса и скорости судна, которые автоматически поступают от гирокомпаса и лага. Начальные значения счислимых координат и время вводятся в судовую аппаратуру вручную.
Результаты обсерваций во всех типах судовых приемоиндикаторов выдаются в форме географических координат. В приемоиндикаторах системы «Цикада» результаты выдаются в системе координат 1942 г. В приемоиндикаторах системы «Транзит» в качестве опорного принят эллипсоид WSG-72. При анализе обсерваций эти обстоятельства необходимо принимать во внимание и при работе с картами учитывать их геодезическую основу, критически оценивая полученные результаты, в особенности в прибрежных районах плавания.
Точность определения мести по сигналам СНС доплеровского типа характеризуется:
точностными характеристиками системы в целом (СКП составляет около 20 м);
точностными характеристиками приемоиндикаторов, степень совершенства которых в настоящее время определяется уровнем математического обеспечения аппаратуры;
влиянием эффектов распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере (на стоянке СКП для двухканального приемоиндикатора составляет 40—60 м, для одноканального — 100 120 м);
Погрешностью в учете курса и скорости судна во время навигационного сеанса. Погрешность в скорости в 1 уз вызывает дополнительную погрешность в координатах 0,2-0,25 мили; неточность учета курса - 0,05 мили;
погрешностью в учёте высоты антенны приёмоиндикатора над уровнем геоида, которая трансформируется в погрешность места с коэффициентом 1—3, что свидетельствует о важности учета этого параметра;
погрешностью, связанной с геометрическим фактором.
Вклад каждой из перечисленных погрешностей в значительной степени зависит от взаимного положения ИСЗ и судна. Минимальный вклад наблюдается в случае, если угол возвышения ИСЗ составляет 20—40, максимальный — при углах возвышения более 75°.
В большинстве моделей приемоиндикаторов объявленные в документации точности выдерживаются при углах возвышения 7—70°, и именно в этих случаях результаты обсерваций принимаются к автоматической коррекции счислимых координат. Обсервации при углах возвышения за пределами 7—70° могут приниматься к принудительной коррекции только после оценки результатов штурманом.
При анализе обсерваций следует иметь в виду, что при углах возвышения ИСЗ более 75° значение широты места определяется достаточно точно—в пределах нескольких кабельтовых, а погрешность долготы может достигать нескольких миль.
Точность определения времени по сигналам СНС «Цикада» и «Транзит»: во всех известных судовых приемоиндикаторах СНГ. «Транзит» погрешность индикации составляет ± 1 с, в приемоиндикаторах СНС «Цикада» ±0,5 с.
Снс NAVSTAR (GPS).
Состоит из 24 навигационных ИСЗ наземного командно-измерительного комплекса аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трёхмерном околоземном пространстве. Спутникм GPS расположены на 6 средневысоких орбитах (высота 20183) и имеют период обращения 12 часов. Плоскости орбит расположены через 60о и наклонены к экватору под углом 55 о. На каждой орбите располагается 4 спутника, три основных и один запасной. 18 спутников – это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земли не менее 4-х спутников. Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она имеет 2 режима определения места судна: 2D (определение навигационных параметров на поверхности Земли) и трёхмерный 3D (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения положения объекта в трёхмерном режиме требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х ИСЗ, а при двухмерной навигации – не менее 3-х. В системе используется псевдодальномерный метод определения положения и псевдорадиально-скоростной метод нахождения скорости объекта. Излучение навигационных сигналов спутниками GPS производится на 2- частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения – непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой защищённый Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2 и общедоступный С/А-код (coarse and acquisition code), излучаемый только на частоте F1. В GPS для каждого спутника определён свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей: точные определения (PPS – precise positioning service) и стандартный определения (SPS – Standart positioning service), PPS основывается на точном Р-коде, а SPS – на общедоступном С/А-коде. Уровень обслуживания PPS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS – массовому гражданскому потребителю. Кроме кодов Р и С/А спутник регулярно передаёт сообщение, которое содержит информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Основными источниками погрешностей, влияющих на точность бортовой аппаратуры для массового потребителя являются:
ионосферные погрешности, обусловленные задержками в распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, которые приводят к ошибкам определения положения порядка 20-30 м днём и 3-6 м ночью;
тропосферные погрешности, причиной которых являются искажения в прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Они не превышают 30 м;
эфемеридная погрешность, обусловленная разностью между расчётным и действительным положениями спутника, которая составляет не более 3 м;
погрешность определения расстояния до спутника, обычно не превышает 10 м.
Средняя квадратическая величина погрешности режима селективного доступа (ошибки искусственного происхождения, вносимой до 2000 г. с целью загрубления навигационных измерений) составляла примерно 30 м. Следует также обратить внимание и на периодические возникновения в системе зон PDOP (Position dilution of precision), в которых не обеспечивается объявленная точность навигации. Эти зоны возникают в течении 5-15 минут в диапазоне 30-50о градусов северной широты. Основным способом повышения точности местоопределений GPS в режиме SPS является применение принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный способ (DGPS) реализуется с помощью опорной станции с известными координатами, устанавливаемой в районе определений места. На станции располагается контрольный GPS-приёмник. Сравнивая свои известные координаты с измеренными, контрольный GPS-приёмник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу. Аппаратура потребителя в этом случае должна быть дополнена радиоприёмником для получения дифференциальных поправок. Поправки, принятые от опорной станции, автоматически вводятся в результаты измерений. Это позволяет установить в районе опорной станции координаты объекта с точностью 1-5 м. Точность DGPS-определений зависит от характеристик опорной станции и от расстояния от объекта до опорной станции. По этой причине опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Существенной проблемой, снижающей эффективность системы GPS, является неточность геодезической съёмки ряда районов Земли. GPS представляет координаты определяющихся объектов во всемирной географической системе WGS-84. Существуют поравки для перехода от этой системы к ряду других геодезических систем, одако не ко всем. В ряде районов Земли (например, о-ва Юго-Восточной Азии), съёмка которых производилась в далёком прошлом, из-за больших погрешностей опорных точек геодезической сети отличие координатной системы карт от WGS-84 может быть значительным. Из-за отсутствия поправок место судна в системе WGS-84, перенесённое на такую карту, может оказаться на берегу.
|
