|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
При плавании по внутренни м водны м пуrям
гральной линией визира и курсовой чертой, и сравнивают со зн
На внутренних водных путях радиолокационное опреде 'Iением угла между линиями пути до точки смены курса и после н ю, нанесенными на карту при предварительной проработке мар ление места судна на судоходном участке пути относительно бере рута. Если значение радиолокационного курсового угла совпада гов, оси и кромок судового хода с помощью РЛС осуществляется в со значением угла на карте с точностью ±(1-5)0 , то очередное н основном глазомерным методом, т. е. путем сопоставления радио локационного изображения судоходного участка с ориентирами, нанесенными на навигационной карте (горные берега, гидротех нические сооружения, устья речек и заливов, мысы, яры, мосты, навигационные знаки), и по пройденному расстоянию от послед него опознанного ориентира. Штурманский метод использования РЛС применяется редко, лишь на водохранилищах и на озерах, когда отсутствует навигационное оборудование судового хода (ле IIравление движения судна считается выбранным правильно. компасному курсу добавляют значение РЛКУ и новое значен курса сообщают рулевому. Дистанцию поворота судоводитель определяет с помощью в шра дальности или меток дальности относительно радиолокац онного ориентира, лежащего по курсу судна (или на острых угла курсу) с упреждением на 50-100 м в зависимости от типа и скор сти движения судна. доход и ледостав), так как не позволяет быстро определить место положение судна и требует ведения расчетов с помощью штурман ских инструментов и навигационных карт. Использование РЛС при плавании по ВВП имеет особенности: • радиолокатор ориентирован по курсу судна, так как при дви Начало поворота осуществляется по команде судоводителя р левому: " Руль лево (право), столько-то градусов". Рулевой, переложив рулевой орган лево (право) на столько- 1 ·радусов, периодически докладывает судоводителю об изменен компасного курса. жении курсовая черта РЛС должна совпадать с осью судового хода; • при поворотах судна с большой угловой скоростью происходит В момент поворота судна судоводитель ведет наблюдение за п ремещением отдаленных радиолокационных ориентиров относ ! ельно курсовой черты и следит, чтобы центральное пятно эле смазывание радиолокационного изображения. Вследствие это го основная трудность использования РЛС заключается в опо 1·ронно-лучевого индикатора не закрывало отметку траверзно (поворотного) буя. знавании на экране участков берега.
Управление судном с помощью РЛС, ориентированного по Приблизительно за 5-10° до выхода судна на новое направл JJИе движения судоводитель подает рулевому команду: " Одерж вать", по которой сначала руль перекладывают на противополо " Курсу", магнитного (гироскопического) компаса и указателя уг ловой скорости поворота (если он имеется на судне) осуществля ется следующим образом. Радиолокационная станция переключается на такую шкалу, на которой просматривается весь судоходный участок и обеспечивает ся надежное определение места судна. После этого радиолокацион ное изображение участка пути сопоставляется с картографической конфигурацией последнего, опознаются на экране РЛС опорные. береговые ориентиры и радиолокационная система ориентировки, JIЫЙ борт на половину первоначальной перекладки руля, а зате отводят его в положение " Руль прямо". В момент выхода судна 1аланное направление по команде " Курс" рулевой снимает отсч с компаса, сообщает его судоводителю и затем выводит судно 1аданный курс. После 30-60 с следования судна новым компасным курсом с IJОВодитель корректирует его значение с помощью курсовой черт механического визира и радиолокационных ориентиров глазоме JJО или с помощью подвижной шкалы лимба. с помощью которых определяются отметки буев (вех), кромки судо-, Боковое смещение судна относительно заданной линии пут вого хода и очередное направление движения судна. После прихода. • 111 ределяется судоводителем глазамерно сопоставлением радиол
I--ационного изображения с имеющимися радиолокационным • 1риентирами на карте. В тех случаях, когда на судне имеется указатель угловой скор .. 1 и поворота (УСП), повороты осуществляют по команде судов 334 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
дителя: " Поворот лево (право), угловая столько-то градусов в ми нуту". Рулевой перекладывает рулевой орган так, чтобы быстрее выйти на расчетное значение угловой скорости. В остальном мето дика проводки сохраняется прежней. Значение угловой скорости поворота, град/мин
• радиолокационные изображения ориентиров и берегов, на сенные штриховой расцветкой непосредственно на навига онную карту; • навигационная карта с изображением на ней последователь расположенных снимков экрана РЛС. Снимки соответству
(! ) = 3438 Vol RC.X.' определенному участку судового хода и могут быть приведе на свободных листах планшетов навигационной карты или нанесены непосредственно на изображение русла реки; где .х.- закругление судового хода (снимается с карты), м; скорость судна (задается судоводителем), м/с. Судоводители, пользуясь РЛС, сопоставляют радиолокацион • специальные пособия, которые с помощью приборов совмещ ются с изображением на экране РЛС. ное изображение на экране с действительным видом местности или с показаниями навигационной карты. Изображение местнос Обычно радиолокационные изображения соответствуют м женным уровням воды в реке. Для случаев, когда изображение ти на экране РЛС значительно отличается от изображения местно жране РЛС почти полностью совпадает с данными навигацио сти на карте, оно имеет вид белых полос, пятен, точек и др. В свя IIОЙ карты, в радиолокационном пособии приводят только отдел зи с этим создают специальные радиолокационные пособия, кото 11Ые снимки экрана РЛС. Для участков, где из-за особенностей б рые изображают местность так, как она видна на экране РЛС. С помощью этих пособий судоводитель производит ориентирова ние, определяет местонахождение и курс судна. Практика плава ния показывает, что эффективность работы РЛС во много раз по регового рельефа изображение на экране РЛС значительно отл 'Iается от изображения на навигационной карте, дают сплошн радиолокационное изображение местности. адиолокационные изображения обычно имеют масштаб, р вышается при одновременном использовании навигационной JIЫИ масштабу карты. Они могут иметь изображения колец дальн карты и радиолокационных пособий. В предисловии к радиолока... сти, курсовой черты, которые значительно облегчают ориентир ционному пособию указывают тип РЛС, с помощью которой вы.. ' вание. Кроме того, на них могут иметься надписанный киломе полнялась съемка, высоту ее антенны над уровнем воды, масштаб' шкалы и общую характеристику радиолокационного изображения, участка водного пути. Обычно радиолокационные пособия составляют из Фс•тосним: " '. ков экрана какой-либо РЛС. Эти снимки не всегда будут v.ц,.rн,, a....v'" ' вы с изображениями на экране других РЛС, что объясняется причин (на судах используются РЛС разных типов; тeJI{НJ-fЧ( CI<: < > It состояние РЛС неодинаково; на изображения большое оказывают качество настройки, высота антенны над уровнем ды, температура и влажность воздуха, волнение и др.). Однако при всех недостатках радиолокационные пособия ются важным средством обеспечения безопасности судоходства дополняя навигационные карты, помогают повысить надеЖiюс; Тij ориентирования судоводителей на внутренних водных путях. Основные виды радиолокационных пособий следующие: • дополнения к лоции, представляющие собой альбомы раж, поясняющие подписи, рекомендации по использованию РЛ 11а данном участке с изображением судна или плота. Радиолокационные изображения водохранилищ издают в ви альбомов, где даны изображения отдельных, наиболее затрудн Iсльных участков, подходы к портам, убежищам, шлюзам, плот IJаМ И др.
Глава 24 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА СУДНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Структура глобальных навиrацишmых спуrниковых систем графий экрана РЛС, сделанных с определенных точек Общие сведения. Глобальная навигационная спутникова
с11стема (ГНСС) предназначена для высокоточного определени ,,! юрдинат места подвижных объектов, их курса и скорости. 336 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
! Лава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
В настоящее время навигационные спутниковые системы на шли самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, но особое место в силу своих положительных свойств (глобальность, высокая точность, независимость от погод тальной группировки, что необходимо для реализации дальноме ных измерений в ПИ. Навигационные сигналы НКА содержат дальномерные комп ненты и компоненты служебных сообщений. Дальномерные ко ных условий, времени суток и сезона) они нашли на транспорте. Качественный облик (структура, способы функционирования и эксплуатационные характеристики) ГНСС во многом обусловле ны требованиями потребителей к точности навигационного обес поненты используют для определения в ПИ навигационных пар метров. Компоненты служебных сообщений предназначены д 11ередачи на подвижные объекты координат спутников, вектор их скоростей, времени и др. печения и методам навигационных измерений. Для достижения Выбор состава и конфигурации орбитальной группировки НК непрерывности прецизионных определений в любом районе Ми влияют на площадь рабочей зоны, возможность реализации ра рового океана вне зависимости от погоды, сезона и времени суток в составе современных ГНСС второго поколения ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные подсистемы: • навигационных космических аппаратов (НКА) - космический сегмент; личных методов навигационных определений, их непрерывность точность. Подсистема контроля и управления. Представляет собой комплекс н Jемных средств (командно-измерительный комплекс), которые обе IIечивают наблюдение и контроль за траекториями движения НК • контроля и управления [наземный командно-измерительный комплекс (КИК) или сегмент управления]; • навигационной аппаратуры потребителей (НАП) - судовые приемаиндикаторы (ПИ).
Основной задачей, решаемой ГНСС, является определение пространствеиных координат местоположения подвижного объ екта и времени. Эта задача реализуется путем вычисления искомых навигационных параметров непосредственно в приемаиндикаторе на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по качеством функционирования их аппаратуры, управление режимам их работы и параметрами спутниковых радиосиmалов, а также сост вом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигац онной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др. Как правило, КИК состоит из координационно-вычислител Iюго центра (КВЦ), станций траекторных измерений (СТИ) и у равления, системного (наземного) эталона времени и частоты. При полете НКА в зоне радиовидимости СТИ происходит н блюдение за ним. Это позволяет с помощью КВЦ определять 11рогнозировать координатную и другую необходимую информ сигналам нескольких видимых НКА с известными координатами. Применение беззапросных измерений обеспечили возможность IIИЮ. Затем эти данные закладываются в бортовую ЭВМ и переда ют на подвижные объекты в служебном сообщении. достижения неограниченной пропускной способности ГНСС. Подсистема навиrаци01mых космических аппаратов. Основная Функ· ция подсистемы состоит в формировании и излучении радиосигна лов, которые необходимы для навигационных определений подвиж· ных объектов, контроля бортовых систем спутника подсистемой кон· троля и управления. Для этого в состав аппаратуры НКА включают: • радиотехническое оборудование (передатчики навигационных Подсистема навигационной аппаратуры потребителей. Подсистем включает в себя: • антенну, способную принимать сигналы ГЛОНАСС/GРS; • приемоиндикатор, состоящий из приемника ГЛОНАСС/GРS процессора, приемника корректирующей информации, ус ройства ввода-вывода информации, сетевого адаптера. сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации); Приемаиндикатор ГНСС предназначен для решения следую IIIИХ задач: • ЭВМ; • бортовой эталон времени и частоты; • солнечные батареи и др. • одновременной обработки сигналов спутников ГЛО НАСС/GРS, находящихся в зоне радиовидимости; • автоматической непрерывной выработки пространствеины координат;
ное излучение навигационных сигналов всеми спутниками • приема и обработки от приемника корректирующей информа ции (ПКИ) кадров корректирующей информации; 338 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
• отображения необходимой информации с индикацией вычис ленных географических координат (в градусах, минутах и ты сячных долях минуты) и времени обсерваций относительно Всемирного скоординированного времени UTC в системах ко ординат Международной геодезической системы координат WGS-84 и ПЗ-90 Красовского 1942 г. или в системе, параметры • ввод 20 маршрутов или фарватеров (до 50 маршрутных точ каждом маршруте); • расчет расстояния и направления от текушей точки до любо маршрутных точек или между двумя любыми выбранными т ками; • запоминание текуших координат в качестве маршрутной то которой вводятся оператором; • оценки точности определения координат и скорости; • расчета среднего значения и СКП координат и скорости по се рии наблюдений; • выдачи на индикацию и/или в порт ввода/вывода результатов решения навигационной задачи; • приема, хранения и обновления альманахов ГЛОНАСС/GРS; • расчета геометрического фактора ухудшения точности опреде ления двухмерных координат рабочего созвездия спутников; • работы по спутникам ГЛОНАСС/GРS раздельно и по смешан- • сигнализацию о подходе на заданное расстояние к точке с данными координатами; • выработку параметров отклонения от маршрута; • световую и звуковую сигнализацию о выходе за пределы бранной ширины фарватера.
ПИ должен удовлетворять следующим минимальным эксп тационно-техническим требованиям: 1) точность определения координат места в статическом и д мическом режимах работы должна быть: ному созвездию; • в пределах 100 м для вероятности 0, 95 и геометрического факт • автоматического контроля функционирования; ухудшения точности определения двухмерных коорди • возможности ввода календарной даты; • отображения режима работы и индикации работы в дифферен (HDOP) меньше 4 [или трехмерных координат (PDOP) меньш по GPS; циальном режиме.
Кроме того ПИ решает вспомогательные задачи: • в пределах 45 м для вероятности 0, 95 и HDOP меньше 4 [ PDOP меньше 6] по ГЛОНАСС (при 24 НКА); • автоматический выбор созвездия спутников для проведения об 2) точность определения координат в статическом и динами сервации с учетом их технического состояния; ском режимах работы при приеме и обработке сигналов диф • вьщачу внешним потребителям метки времени с оцифровкой относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; • определение навигационных параметров в географической или ренциальных поправок должна быть в пределах 1О м для вероят сти 0, 95; 3) ПИ должен обеспечивать расчет обсервованных координ квазигеографической системе координат; выдачу данных на дисплей и в другие радио- и навигационные • прием, хранение и обновление альманахов ГЛОНАСС и GPS; тройства с дискретностью не более 2 с. Минимальное разреше • поиск сигналов НКА и вхождение в связь при отсутствии аль-. маиахов системы; отображаемых географических координат (широты, долго должно быть до 0, 001 мин; • автоматический контроль функционирования аппаратуры, ин 4) после включения приемаиндикатора в режим " работа" до дикацию неисправностей; • прием, учет и коррекцию информации при работе в дифферен на быть обеспечена возможность получения первого отсчета ко ; инат с требуемой точностью в течение: циальном режиме; • расчет времени прихода в точку с заданными координатами с • 30 мин при отсутствии в памяти приемаиндикатора соотве вующей базы данных;
• расчет скорости движения в заданную точку по времени при• хода; • расчет пройденного расстояния; • ввод координат до 500 маршрутных точек; • 5 мин при наличии в памяти приемаиндикатора соответств щей базы данных;
5) приемаиндикатор должен выполнять повторный поиск IIалов и расчет обсервованных координат с требуемой точност
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
• в пределах 5 мин, если без прекращения подачи питающего на пряжения прием сигналов прерывался на период до 24 ч; • в пределах 2 мин, если подача питающего напряжения прерыва лась на время до 60 с;
6) оборудование должно обеспечивать предупреЖдение о невоз можности определения координат или индикацию в пределах 5 с, если: • величина геометрического фактора ухудшения точности опре деления двухмерных координат превысила установленный пре дел; Непосредственно измерить элементы вектора состояния представляется возможным. У принятого с НКА радиосигнала ределяют отдельные его параметры (например, задержку или плеровский сдвиг частоты). Поэтому измеряемый в интересах вигации параметр радиосигнала называют радионавигационны соответствующий ему геометрический параметр - навигационн Например, задержка радиосигнала и его доплеравекое смеще частоты iдоп являются радионавигационными параметрами, а ответствующие им дальность до судна D радиальная скоро сближения судов vp - навигационными параметрами. Геометрическое место точек пространства с одинаковым значе • новые координаты рассчитаны за время, превышающее 2 с. В этих случаях, до восстановления нормальной работы, на дис ем навигационного параметра назьmается поверхностью положени Пересечение двух поверхностей положения определяет ли плее должны отображаться время и координаты последней обсерва ции с визуальной индикацией причины прекращения обсерваций; положения - геометрическое место точек, имеющих два опре ленных значения двух навигационных параметров. Местоположение судна определяется координатами трех 7) приемаиндикатор должен обеспечивать индикацию диффе ренциального режима работы в случае: верхностей положения или двух линий положения. Иногда (из нелинейности) две линии положения могут пересекаться в д • приема сигналов дифференциальных поправок; • использования дифференциальных поправок в отображаемых координатах местоположения судна. точках. Тогда для нахоЖдения места судна необходимо исполь вать дополнительную поверхность положения или другую инф мацию о его месте.
В настоящее время в мире насчитывается более 200 фирм, зани мающихся разработкой и производством НАП спутниковых нави гационных систем. Наибольшую известность получили образцы фирм " TrimЬle", " Garmin" (США), " Furuno" (Япония), " Sersel" (Франция). Среди отечественных производителей широкую изве стность получили НАП фирм НАВИС, РИРВ. Для решения навигационной задачи используют функциона ную зависимость меЖду навигационными параметрами и ком нентами вектора П. Соответствующие функциональные зависи сти называются навигационными функциями. Навигационные функции получают различными методами, новные из которых: дальномерный, псевдодальномерный, раз стно-дальномерный, радиально-скоростной. Могут быть испо
24.2 Методы определеiПIЯ места судна зованы и другие методы и их комбинации, в том числе и для оп деления ориентации судна. Дальномервый метод. Основан на пассивных (беззапросных) с помощью навиrациоmiых спуrников мерениях дальности D; меЖду i-ым НКА и судном. Навигаци ным параметром является дальность D; , а поверхностью поло
задачи, решаемой с помощью НАП, является определение прост ранствеино-временных координат подвижного объекта (судна), а также составляющих его скорости. В результате решения навига ционной задачи должен быть определен вектор состояния судна, который можно представить в виде П = ix, у, z, t', Х, У, Z lт, где (х, у, z) - пространствеиные координаты судна; f - временная по правка шкалы времени судна относительно системной шкалы вре мени; (Х, У, Z) -составляющие вектора скорости. ния - сфера с радиусом D; и центром, расположенным в цен
(2 где Х;, У;, Z; - известные на момент измерения координаты НКА; х, у, z- координаты судна. Место судна определяют как координаты точки пересече трех поверхностей положения (трех сфер), вследствие чего для
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
ализации этого метода необходимо измерить дальности до трех НКА. Для дальномерного метода навигационная функция представ ляет собой систему из трех уравнений вида (24.1). Из-за ее нели нейности возникает проблема неоднозначности определения ко ординат судна, которая устраняется с помощью дополнительной информации (счислимые координаты судна, его радиальная ско рость и др.). Достоинством данного метода является то, что он не наклад вает жестких ограничений на значение погрешности D' = ct' ( rрешности временной шкалы) и позволяет дополнительно вьrч лять отклонение шкалы времени подвижного объекта. Разностно-дальномерный метод. Основан на измерении дальн тей от подвижного объекта до одного или нескольких НКА. Ме аналогичен псевдодальномерному, так как его целесообразно пользовать только при наличии в дальномерных измерениях не Дальномерный метод предполагает, что все измерения дально вестных сдвигов D'. В данном методе используются три разнос сти должны быть произведены в одно время. Однако координаты НКА привязаны к бортовой шкале времени, а координаты судна определены в своей шкале. В реальных условиях существует рас хождение t' этих шкал времени и возникает смещение D' = ct' из l'lDij = Di- Djдo четырех НКА, так как при постоянстве D' за вре навигационных определений разности псевдодальностей рав разностям истинных дальностей, для определения которых тре ется только три независимых уравнения. меренной дальности относительно истинной, поэтому точность определения места судна падает. Таким образом, недостатком ме тода является необходимость высокоточной привязки шкал време Навигационным параметром является l'lDij. Поверхности пол жения представляют собой поверхности двухполостного гипер лоида вращения, фокусами которого являются координаты оп ни НКА и судна, вследствие чего в настоящее время более широ кое применение нашел псевдодальномерный метод определения места. ных точек i иj (центров масс i-го иj-го НКА). Расстояние меж этими опорными точками называется базой. Если расстояния опорных точек (НКА) до подвижного объекта велики по срав Псевдодальномерный метод. Под псевдодальностью от i-го НКА до подвижного объекта понимают измеренную дальность Dизм iдо этого спутника, отличающуюся от истинной дальности Di на неиз вестную, но постоянную за время определения навигационных па раметров величину D'. Тогда для псевдодальности до i- го НКА можно написать нию с базой, то гиперболоид вращения в окрестностях точки п движного объекта совпадает со своей асимптотой - конусом, в шиной которого выступает середина базы. Точность определения места подвижного объекта совпадае точностью определения этих координат псевдодальномерн способом.
(24.2) том, что в нем не может быть измерено смещение D', т. е. смещ ние шкалы времени подвижного объекта. Здесь в качестве навигационного параметра принята Dизм i· По Радиально-скоростной (доплеровский) метод. Базируется на изм верхностью положения является сфера с центром в точке с цент ром масс НКА. При этом радиус сферы изменен на неизвестную рении трех радиальных скоростей подвижного объекта относ тельно трех НКА. В основу метода положена зависимость радиа величину D'. Измерение псевдодальностей до трех НКА приводит к системе трех уравнений с четырьмя неизвестными (х, у, z, D'), что ной скорости точки относительно НКА от координат и относ тельной скорости спутника. вызывает неопределенность ее решения. Для устранения неопре Недостатком рассматриваемого метода является невозмо деленности необходимо провести дополнительное измерение. lюсть проведения измерений в реальном времени. Кроме того псевдодальности до четвертого спутника и получить точное реше ние системы уравнений, т. е. получить место подвижного объекта среднеорбитных СНС реализация метода затруднена из-за медле ного изменения радиальной скорости. Это обусловило приме как точку пересечения четырех поверхностей положения. Необходимость нахождения в зоне радиовидимости четырех ·. 11 ие радиально-скоростного метода в среднеорбитных СНС толь ! ЩЯ определения составляющих скорости подвижного объек
битных сне. Однако для его реализации необходим высокостабильный этал •1астоты. Нестабильность последнего приводит к неконтролир мому изменению доплеравекого смещения частоты, что, в св 344 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
очередь, влечет дополнительные погрешности измерения состав ляющих скорости подвижного объекта. времени распространения сигнала возможно лишь при нал синхронизации временных шкал спутника и приемника. Поэ в состав аппаратуры НКА и НАП входят эталонные часы (стан ты частоты) исключительно высокой точности (долговреме 24.3 Среднеорбитные навиr шmые спутниковые системы GPS и ГЛОНАt; С
Общие сведения. Низкоорбитные СНС первого поколения относительная стабильность частоты обеспечивается на ур 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые стандартычастоты всех НКА хронизированы и привязаны к так называемому " системному мени". Эталон времени НАП менее точен, чтобы чрезмерно н " Транзит" (США) и " Цикада" (Россия) имели существенные не вышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать то достатки: • относительно невысокую точность определения координат ме кратковременную стабильность частоты в течение процедуры мерений. ста подвижных объектов; • большие промежутки времени между наблюдениями. На практике в измерениях всегда присутствует ошибка, о ловленная несовпадением шкал времени НКА и НАП. По
С целью преодоления этих недостатков сначала в США, а потом и в России бьшо принято решение начать работы над созданием СНС нового поколения. В США первоначально она называлась причине в НАП вычисляется искаженное значение дальност спутника или " псевдодальност ь ". Измерение расстояний до НКА, с которыми в данный момент работает НАП, происходи новременно. Следовательно, для всех измерений величину " НАВСТАР" (NAVigation Satellite providing Time And Range), т. е. менного несоответствия можно считать постоянной. Это экв " навигационная спутниковая система, обеспечивающая измере ние времени и местоположения". В настоящее время система по лентно тому, что неизвестными являются не только координат У и Н, но и поправка часов приемника t:..t. Для их определени лучила название GPS. В России среднеорбитная СНС получила название ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система. Основное назначение GPS и ГЛОНАСС- высокоточная нави гация подвижных объектов в космосе, в воздухе, на воде и земле. Рассмотрим работу среднеорбитной СНС второго поколения на обходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, четырех спутников. В результате обработки этих измерений в вычисляются координаты (Х, Уи Н) и точное время. На под ном объекте наряду с псевдодальностями измеряют доплерав сдвиги частот радиосигналов, что позволяет вычислить и его рость. Таким образом, для выполнения необходимых навигац примере GPS как наиболее совершенной системы этого класса. ных определений надо обеспечить постоянную видимость, как Навигационная спутниковая система GPS. Принцип работы систе нимум, четырех НКА. Избыточные измерения (сверх четы мы основан на использовании псевдодальномерного метода. В околоземном пространстве развернута сеть НКА, равномерно " по крывающих" всю земную поверхность. Орбиты НКА вычисляются позволяют повысить точность определения координат и обе чить непрерывность решения навигационной задачи. Космический сегмент (рис. 24.1) состоит из 26 спутников (2 с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени из вестны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутни ков излучают сигналы в направлении Земли. Они принимаются НАП, находящейся на подвижном объекте, координаты которого нужно определить. В НАП измеряется время распространения сигнала от НКА и новной и 5 запасных), которые обращаются на шести орбитах Плоскости орбит наклонены на угол около 53° к плоскост ватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы ор до 20150 км, а период обращения- половина звездных суток ( мерно 11 ч 58 мин). На борту каждого спутника имеется че стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых -для целе вычисляется дальность " спутник-приемник". Поскольку для оп ределения местоположения объекта нужно знать три координаты (плоские координаты Х, У и высоту Н), то в НАП должны быть из-: мерены расстояния до трех различных НКА. При таком методе ра зервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки бит, приемо-передающая аппаратура, компьютер. Передающая аппаратура спутника излучает синусоидал сигналы на двух несущих частотах: L1 = 1575, 42 М Гц и L2 = 1
МГц. Перед этим сигналы модулируютел так называемыми п 346 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
Код свободного доступа С/А (Coarse Acqиisitioп) имеет часто следования импульсов (" чипов" ) 1, 023 М Гц и период повторен 0, 001 с. Поэтому его декодирование в приемникеосуществляет достаточно просто. Однако точность автономных измерений р стояний с его помощью невысока. Защищенный код Р (Protected) характеризуется частотой следов ния импульсов 10, 23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кро того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутник Поэтому измерения по Р-коду могут выполнять только пользов тели, получившие разрешение Министерства обороны США, к торое дополнительно предприняло меры по его защите: в люб момент без предупреждения может быть включен режим AS (A Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование кода, и он превращается в У-код. Расшифровка У-кода возмож только аппаратно с использованием специальной микросхе (криптографического ключа), которая устанавливается в GР приемнике. Кроме того, для снижения точности определения к ординат несанкционированными пользователями предусмотр так называемый " режим выборочного доступа" SA (Selecti AvailaЬility). При включении этого режима в навигационное соо Рис. 24.1. Космический сегмент GPS щение намеренно вводится ложная информация о поправках к с стемному времени и орбитах НКА, что приводит к снижению то ности навигационных определений примерно в 3 раза. Поскольку Р-код передается на двух частотах (Ll и L2), доедучайными цифровыми последовательностями (эта продедура. называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулиру- · С/А-код- на одной (Ll), то в НАП, работающих поР-коду, ч стично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфе ется двумя видами кодов: С/А-кодом (код свободного доступа) и которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного о Р-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только Р-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно коди ределения расстояния по Р-коду примерно на порядок выш чем по С/А- коду. руются навигационным сообщением, в котором содержатся дан Сегмент контроля и управления содержит главную станцию у ные об орбитах НКА, информация о параметрах атмосферы, по равления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пять станций сл правки системного времени. Кодирование излучаемого спутником. жения, расположенных на американских военных базах на Гава сигнала преследует следующие цели: ских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджилейн • обеспечение возможности синхронизации сигналов НКА и Колорада-Спринге и три станции закладки, расположенных на ос НАП; ровах Вознесения, Диего Гарсия и Кваджилейн. Кроме того, имее • создание наилучших условий различения сигнала в НАП на фо не шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают таки-· ся сеть государственных и частных станций слежения за НКА, кот рые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосфе
и траектории движения спутников. Собираемая информация обр
348 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации rл:: ва 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
батывается в суперкомпьютерах и передается на спутники для кор ректировки орбит и обновления навигационного сообщения. Навигационная аппаратура потребителей работает следующим образом. В НАП (GPS- приемнике) принимаемый сигнал декоди руется, т. е. из него выделяются кодовые последовательности С/А либо С/АиР, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GРS приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводит ся в режим слежения, т. е. поддерживается синхронизм между при нимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации мо поскольку отсутствует информация о количестве целых период информационного сигнала, укладывающихся на пути НКА- пр емник. Непосредственно можно измерить только дробную час фазовой задержки сигнала (в пределах одного периода). Для реш ния этой проблемы используют несколько способов: • классический двухэтапный метод измерений, который предп лагает на первом этапе выполнение большого количества изб точных измерений, а на втором - статистический анализ пол ченных данных и определение наиболее вероятного значен фазовой неоднозначности; • модификация классического метода, которая отличается те что при обработке результатов измерений производится мног жет выполняться: • по С/А-коду (одночастотный кодовый приемник); • поР-коду (двухчастотный кодовый приемник); • по С/А-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый этапная калмановская фильтрация и выбирается группа филь ров Калмана с оптимальными свойствами; • метод замены антенн, когда наблюдения выполняются дву различными Приемниками на двух пунктах в две различн приемник); • по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый . эпохи. При измерениях во вторую эпоху производится замен антенн приемников; приемник).
Сложная структура сигнала, передаваемого от НКА к приемни ку, обусловила многообразие способов его обработки. Кодовые • метод определения неоднозначности " в пути", когда для опр деления целого числа периодов используют линейные комб : -шции сигналов L1 и L2 (суммы и разности). наблюдения реализуются в самых простых по конструкции НАП. Из принятого со спутника сигнала частоты L1 вьщеляется С/А-код (тогда приемник называется одночастотным) или из частотных Dюбальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Систем имеет назначение, аналогичное системе GPS. Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС сост сигналов L1 и L2 выделяется Р-код (двухчастотный приемник). ит из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах высото Производится сравнение соответствующего кода с эталонным ко дом, который генерирует сам приемник. Точность определения 19100 км, наклонением 64, 8° периодом обращения 11 ч 15 мин трех орбитальных плоскостях (рис. 24.2). координат при этом составляет: Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каж • для одночастотного (L1) приемника- 100 м; • для двухчастотного (L1, L2) приемника- 16 м. Значения точности приведены для неблагаприятного режима измерений, когда включен режим " ограниченного доступа" SA. Фазовые наблюдения выполняются для повышения точности измерений. В этом случае при сравнении принятого со спутника сигнала и его эталона, генерируемого в приемнике, учитывается не только код, но и фаза несущей частоты (L1 или L2). Поскольку пе ; ой орбитальной плоскости размещаются по восемь спутников равномерным сдвигом по аргументу широты 4У. Кроме этого, с ми плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу ш роты на 15°. Такая конфигурация НКА позволяет обеспечить н 11рерывное и глобальное покрытие земной поверхности и окол lемного пространства навигационным полем. Подсистема контроля и управления состоит из Центра управл IIИЯ системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления риод несущей частоты в сотни (для Р-кода) и тысячи (для С/А-ко· контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задач да) раз меньше периодов кодовых последовательностей, точнос'J1t· процедуры сравнения значительно повышается, а .....,.. .ц Jva '-'JLJп..•.; 1 юдсистемы входит контроль правильиости функционировани 1 f КА, непрерывное уточнение параметров орбит и вьщача на спу
1 1 ики временных программ, команд управления и навигационно 11 нформации. 350 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигаци ных определений, выбор рабочего " созвездия" НКА и обнару ние передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе на гационного сообщения. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы в двух ч стотных поддиапазонах (L1 - 1, б ГГц и L2 - 1, 2 ГГц).
В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 НКА перед ют навигационные сигналы двух типов: стандартной точности высокой точности. Сигнал стандартной точности с тактовой ча тотой 0, 511 МГц предназначен для использования отечественн ми и зарубежными гражданскими потребителями. Сигнал выс кой точности с тактовой частотой 5, 11 МГц модулирован спец альным кодом и не рекомендуется к использованию без согласов ния с Министерством обороны РФ. Системы GPS и ГЛОНАСС хотя и выглядят весьма похож Рис. 24.2. Космический сегмент ГЛОНАСС
Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигаци онных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычис ления собственных координат, скорости и времени. Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальностей и ради альной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС, а также прием и обработка навигационных сообщений, содержа1 ми, но в то же время имеют ряд существенных отличий. К ни относятся: • баллистическое построение космического сегмента; • принцип разделения сигналов; • форма представления эфемерид; • структура информационного кадра; • разные системы координат; • различные шкалы времени; • режим селективного доступа системы GPS.
В табл. 24.1. приведены основные сравнительные характермст ки систем GPS и ГЛОНАСС. щихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В·. навигационном сообщении описывается положение спутника в Сигналы спутников ГЛОНАСС излучаются в диапазонах часто Ll и L2. Сигналы диапазона L2 модулируются специальными к пространстве и времени. В результате обработки полученных из-, Jщми, не предназначенными для международных пользователе мерений и принятых навигационных сообщений определяютс системы ГЛОНАСС. Однако сигналы этого диапазона частот мо
ра скорости его движения, а также осуществляется " пnив: язка шкалы времени потребителя к шкале Госэталона Всемирного ординированного времени UTC. I" УТ использоваться для устранения ионосферной задержки пр бескодовом методе приема. Различия систем GPS и ГЛОНАСС, хотя и создают проблем 11ри разработке НАП, но они принципиально преодолимы.
352 Раздел б. Использование радиотехнических средств в навигации
Таблица 24.1. Сравнительные характеристики GPS и ГЛОНАСС Глава 24. Определение места судна с использованием спугниковых систем
Под доступностью в таблице понимается процент времени, которое возможно использование системы, а под целостностью способность системы обеспечить своевременное предупрежден потребителей в случае, когда она не может быть использована д навигационного обеспечения. Суть дифференциального метода состоит в выполнении измер ний двумя приемниками, один из которых устанавливается в опред ляемой точке, а другой-в точке с известными координатами-баз вой (контрольной) станции. Поскольку расстояние от НКА до пр емниковзначительно больше расстояния между самими приемник ми, то считают, что условия приема сигналов обоими приемника практически одинаковы. Следовательно, и величины ошибок так будут близки. В дифференциальном режиме измеряют не абсолю ные координаты первого приемника, а его положение относитель базового (вектор базы). Таким образом, дифференциальный режи предполагает наличие как минимум двух приемаиндикаторов в дв точках 1 и 2 пространства: ПИl на контрольно-корректирующ станции (ККС) и ПИ2 на судне. Причем ПИl геодезически точ привязан к принятой системе координат (ПЗ-90 или WGS-84). Ра
24.4 ДиффереiЩИалъная подсистема ГНСС
Необходимость удовлетворения повышенных требова ний к точности местоопределения судов потребовала в ряде случа ев разработки принципиально новых систем радионавигации. Это касается в первую очередь: • обеспечения безопасности плавания по внутренним водным путям, в узкостях, на акваториях портов и на подходах к ним; • управления движением судов; • установки плавучих средств навигационного оборудования; · • обеспечения проведения специальных работ в исключительной экономической зоне. Таблица 24.2. Эксплуатационные требования к морской дифференциальной подсистеме
354 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
с целью выработки общих поправок и сигналов целостности. Р мер рабочей зоны широкозонной ДПС составляет до 5000 км. В щих псевдоскоростей по линии передачи данных (ЛПД) передаются ПИ2, в котором они вычитаются из измеренных ПИ2 псевдодально стей и псевдоскоростей. Если погрешности определения псевдо работанные сигналы целостности и корректирующие поправ передаются по ЛПД, возможности которых должны соответст вать размерам зоны системы. дальностей слабо изменяются во времени и пространстве, то они су щественно компенсируются переданными по Лпд поправками. При этом дифференциальные поправки мoryr быть использованы только в пределахдальности действия ККС и в течение определенно Региональные ДПС. Они предназначены для навигационно обеспечения отдельных регионов континента, моря, океана. Д метр рабочей зоны может составлять от 400-500 км до 2000 км. гиональные подсистемы мoryr иметь в своем составе одну или го времени. С увеличением интервала времени от определения и 1 дальности между контрольно-корректирующей станцией и опреде сколько ККС, а также соответствующие средства передачи ко ректирующей информации и сигналов целостности. ляющимся судном достижимая точность дифференциального режи Примерам региональных ДПС являются дифференциальн ма падает. Установлено, что погрешность определения места возрас тает примерно на 1 м с увеличением расстояния до ККС примерно на 150 км. Поэтому в определенный момент наступает их предельное подсистемы Starfix. Эти подсистемы имеют дальность свыше 20 км. Сеть таких ДПС образована 60-ю наземными ККС и 4-мя Н Инмарсат и охватывает многие районы всех континентов за состояние, когда применение дифференциального режима не дает ключением части Африки и России, а также акватории прилега преимуществ перед штатным режимом использования среднеорбит ных СНС. Это стало особенно заметным после того, как 1 мая 2000 г. правительство США отключило режим селективного доступа, щих морей. Заявленная точность определения координат места Р = 0, 95) составляет 1-2 м на дальностях до 1000 км и 3 м на р стояниях, превышающих 2000 км. (Se1ective Availability), и пользователи системы GPS получили воз- · Локальные ДПС. Они имеют максимальные дальности действ можность в полной мере реализовать потенциальную точность дан от ККС до 50-200 км. Локальные ДПС чаще всего включают од ной системы, т. е. порядка 15-20 м (с Р= 0, 997). С учетом изложенного, правомерно говорить о создании вокруг ККС пространствеино-временной локальной рабочей области при менения ДГНСС. Ее размеры определяются исходя из потребной точности навигационных определений, а не из возможной дальнос ККС, аппаратуру управления и контроля (в том числе, контро целостности) и средства передачи данных. В настоящее время определилисЪ три основных класса ЛДП • морские ЛДПС для обеспечения мореплавания в проливных нах, узкостях и акваториях портов и гаваней в соответстви ти действия радиопередатчика корректирующей информации. Наряду с описанным существуют и другие разновидности диф ференциального метода, например: • дифференциальный режим с коррекцией координат; • дифференциальный режим с использованием относительных координат; требованиями Международной морской организации (ИМО • авиационные ЛДПС для обеспечения захода на посадку и садки по категориям Международной организации гражд екай авиации (ИКАО); • ЛДПС для геодезических, землемерных и других специальных раб • дифференциальный режим с использованием псевдоспугников и др. В практике судовождения широкое распространение получи Дифференциальные подсистемы (ДПС) подразделяются на широкозонные, региональные и локальные. Широкозонные ДПС. В настоящее время известность получили проекты, использующие геостационарные НКА в качестве средств морские ЛДПС, использующие в качестве средств линии переда Jtанных всенаправленные средневолновые радиомаяки с дальн IЪЮ действия до 200 км, располагаемые обычно в местах интенс IIОГО движения судов, и спутниковые системы связи (рис. 24.3).
Основой широкозонной ДПС является сеть ККС, информация которых передается в центр управления для совместной обработки функционирование поддерживается национальными властями координируется в международном масштабе. Использование и ющейся материальной базы радиомаячной службы (передатчи ; IJпенные системы, системы энергоснабжения) позволяет сниз стоимость развертывания морской дифференциальной подсис 356 Раздел б. Использование радиотехнических средств в навигации
\: ·····-... .············...
КАКНС Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
Антенна РМк
РМк
. кс
. КС- контрольная станция; ОС к - основной комплект опорной станции; ОС
..
Линия nередачи дифференциальных nоправок Линия связи для контроля и уnравления
резервный комплект опорной станции; ПКУ - пункт контроля и управле СИ Кок• СИКрк- соответственно основной и резервный комплекты станции и рального контроля; РМк - радиомаяк; 1-6- антенны; 7, 8- соответственно вый и второй полукомплекты оборудования РМк
поля ГНСС, расчет дифференциальных поправок; • линия передачи данных на базе радиопередатчиков радиом ной службы; • судовой приемник дифференциальных поправок; • судовой приемник ГНСС, сопряженный с приемником диф ··············-· Навигационный сигнал КА КНС правок. Рис. 24.3. Общая схема построения морской дифференциальной подсистемы
Такие ККС рассчитывают по данным приемников сигна мы. Поэтому морская радиомаячная служба является предпочти тельной основой для создания такой подсистемы. ГЛОНАСС и GPS поправки, преобразуют их в стандартные со щения и подают их на модулятор передатчика-радиомаяка. Предполагается, что сеть ЛДПС, работающих по системам ГЛОНАСС и GPS (ГНСС), будет охватывать все побережье России и акватории прилегающих морей. Главными элементами диффе Дифференциальные подсистемы одновременно с выработко передачей дифпоправок решают задачу контроля состояния (цел ности) ГНСС и доведения до потребителей его результатов. Зад ренциальной подсистемы (рис. 24.4) являются: ми контроля качества радионавигационного поля ГНСС являют
рения навигационных параметров, контроль навигационного' • своевременное обнаружение аномалий в функционирова космических аппаратов;
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
• оценка реальных возможностей ГНСС и ДПС в локальных зонах; • выработка рекомендаций по использованию ГНСС и ДПС и ствий, расположенных в непосредственной близости от приемн При этом возникает явление интерференции, и измеренное расс доведение их до потребителей. ние оказывается больше действительного. Аналитически данную грешность оценить достаточно трудно. Способом борьбы с нею Погрешность определения координат места судна (с Р = 0, 95) при совместном использовании СНС ГЛОНАСС и GPS составит ОТ 2 ДО 4, 5 М. ляется рациональное размещение антенны приемника относител препятствий. В результате воздействия этого фактора погрешн определения псевдодальности может увеличиться на 2, 0 м; 5) ионосферные задержки сигнала. Ионосфера - это иониз ванный атмосферный слой в диапазоне высот 50-500 км, кото 24.5 Точность определеiШЯ мест а по среднеорбитной ГНСС содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вы
Решение навигационной задачи с помощью НАП заклю чается в определении пространствеино-временных координат пу вает задержку распространения сигнала спутника, которая пр пропорциональна концентрации электронов и обратно пропо ональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации во тем двухэтапной процедуры обработки навигационной информа кающей при этом погрешности определения псевдодальности ции. На первом этапе производят измерение навигационных пара пользуется метод измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастот метров, а на втором этапе полученные параметры подвергаются приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измере преобразованиям на основе навигационных алгоритмов с целью не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кр расчета пространственно-временных координат. На точность определения координат существенное влияние ока зывают погрешности, возникающие при выполнении первичных и вторичных измерений. Природа этих погрешностей различна. Рас того, для частичной компенсации этой погрешности может б использована модель коррекции, которая аналитически рассч вается с использованием информации, содержащейся в навиг онном сообщении. При этом величина остаточной немодели смотрим основные из них применительно к псевдодальномерному методу. Выражение (24.2) записано в упрощенном виде, так как дальномер; rая погрешиость 8дал i представлена только одной состав ляющей D . Фактически их значительно больше, например: 1) неточное определение времени. При всей точности временных мой ионосферной задержки может вызывать погрешность опр ления псевдодальности около 10 м; 6) тропосферные задержки сигнала. Тропосфера- самый н ний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8-13 Она также обуславливает задержку распространения радиосиг эталонов НКА существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению системати ческой погрешности определения координат около 0, 6 м; 2) погрешности вычисления орбит. Они появляются вследствие от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров ( ления, температуры, влажности), а также от высоты спутника горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производ путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняе обходимые для этого коэффициенты содержатся в навигацион мых в аппаратуре приемника. Эти погрешности также носят систе матический характер и приводят к погрешности измерения коор сообщении. Тропосферные задержки вызывают погрешности мерения псевдодальностей в 1 м; динат около 0, 6 м; 3) инструментальная погрешность приемника. Они обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум Приемника определяет точность процеду 7) геометрическое расположение спутников. При вычисле суммарной погрешности необходимо учитывать взаимное пол ние потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого дится специальный коэффициент (GDOP- Geometrica1 De1
4) многолучевость распространения сигнала. Она появляется в ре зультате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препят- ·· of Precision) геометрического ухудшения точности, на который обходимо умножить все перечисленные выше погрешности, ч получить их результирующую погрешность. Величина коэфф ента GDOP зависит от взаимного расположения спутников и емника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, кот 360 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
'
• тропосферные ошибки измерений; • ошибки, вызванные приемом отраженных местными предме ми сигналов (многолучевость).
Эти ошибки в основном и определяют суммарную погрешио обсервации. Вклад их в суммарную погрешность оценивается е ницами метров (практически по каждой составляющей). К погрешностям третьей группы, обусловленной аппарату потребителя, можно отнести погрешности слежения за момент прихода сигнала спутника. При этом основной вклад вносят Рис. 24.5. Варианты геометрического расположения созвездия НКА, выбранного для обсервации: а - удачное; б- неудачное мовые и динамические погрешности схем слежения за задержк огибающей и несуmей сигналов НКА. Их значения в целом оце ваются величиной в несколько десятков (20-30) сантиметров. Соотношение между погрешностями определения первичны будет образована, если провести единичные векторы от приемни как спутникам. Большое значение GDOP говоритонеудачном расположении НКА и большой величине погрешности. На рис. вторичных навигационных параметров зависит от геометрии в имного расположения НКА и подвижного объекта, в качестве личественной меры которого используется коэффициент геом 24.5 приведены примеры удачного (а) и неудачиого (б) геометриче ского положения спутников. Все дальномерные погрешности в зависимости от их происхож дения можно разбить на три группы: 1) погрешности 8Dнкл;, вносимые на i-ом НКА или КИК; 2) погрешности оDтр i• вносимые на трассе распространения рии- геометрический фактор Кг (GDOP- геометрический фа тор ухудшения местоопределения). Количественная характерис ка Кг вводится для случая, когда погрешности определения пс додальностей равновелики и не коррелированы.
сигнала i-го НКА; 3) погрешности 8Dнлп• вносимые в НАП. Тогда уравнение (24.2) запишем в виде
D . = D. + о. = D. + D ' + 8Dнкл + оDтр · + 8Dнлп.
(24.3) (24
Где Кrп - ПрОСТраНСТВеННЫЙ КОэффициент ДЛЯ трехмерНЫХ КО ДИНаТ (PDOP- Position Delution of Precision); Кгt- временной к эффициент (TDOP- Time Delution of Precision). изм 1 1 дал 1 1 1
Первая группа погрешностей обусловлена в основном несовер шенством частотно-временного и эфемеридиого обеспечения НКА. Погрешности частотно-временного обеспечения (расхождение шкал времени системы спутников и потребителя и расхождение час рассчитана по формуле
(24 тот их опорных генераторов) включаются в число неизвестных (оце ниваемых) по измерениям и на результат обсервации влияния не ока Пространственный коэффициент геометрии, в свою очере можно разделить на две составляющие, характеризующие то
наблюдаемых спутников (четыре для трехкоординатной обсервации). Эфемеридные погрешности вызваны неточиостью определе ния на КИК параметров орбит НКА и непрогнозируемыми смеще ниями спутника относительно экстраполированной орбиты. К погрешностям второй группы следует отнести: • ионосферные ошибки измерений; ность определения места подвижного объекта в горизонтальной вертикальной плоскостях:
коэффициент для двухмерных координат; Кгв - вертикальн
Таблица 24.3. Геометрические факторы в СНС ГЛОНАСС Геометрические Значения факторов при числе видимых НКА факторы 4 5 6 7 8 9 0, 91 0, 58 Разде.1 7
PN HDOP, Кгг 1, 41 1, 26 1, 15 1, 03 0, 95 0, 89 1, 55 VDOP, КГБ 2, 0 1, 75 1, 7 1, 61 1, 6 0, 95 0, 93 0, 91 TDOP, 1 1, 13 1, 03 1, 03 PDOP, Km 2, 45 2, 16 2, 05 1, 91 1, 86 1, 79 GDOP, Kг 2, 69 2, 39 2, 3 2, 13 2, 08 2, 01
(VDOP- Vertica1 De1ution of Precision) коэффициент для вертикаль ных координат. Так как наиболее важной характеристикой является точность оп- ределения координат места судна, то в оценке его точности наиболее часто используются коэффициенты Km (PDOP) и Krr (HDOP). Установлено, что минимальное значение Кгп = 1, 5 достигает ся в случае, когда подвижной объект находится в центре пра вильного тетраэдра. В случае судовоЖдения минимальное значе ние Кгг = 1, 63 достигается тогда, когда один НКА находится в зе ните, а три других равномерно расположены в горизонтальной плоскости (Krt = 0, 577; Kr = 1, 732). Следовательно, для миними
Глава 25 ЭЛЕКТРОННЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ КАРТЫ И КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Международные стmщарты и формат электроШIЬIХ картографических систем
Начиная с 1985 г. на рынке программных продуктов д судоводителей стали появляться первые программы, представля зации К необходимо минимизировать объем тетраэдра. КонФигурация орбитальной группировки GPS такова, что она с щие навигационные бумажные карты в виде компьютерных гр фических файлов. вероятностью 0, 999 обеспечивает в глобальном масштабе види Эти графические файлы, получившие впоследствии назван мость в любой момент времени четырех и более НКА. При этом че электронных навигационных карт (ЭНК), представляли собой ста тыре НКА обеспечивают PDOP6, HDOP = 1, 5, а VDOP = 2, 2. Значения геометрических факторов, обеспечиваемых орби дартизированные по содержанию, структуре и формату базы да ных, включающих в себя всю картографическую информацию, тальной группировкой ГЛОНАСС и вероятности видимости PN за данного числа спутников приведеныв табл. 24.3 обходимую для безопасного мореплавания и дополнительную и формацию, относящуюсяк навигации. Формат- это специфи Точность определения места судна может быть рассчитана по. приближенной формуле
Геометрический фактор рассчитывается в приемнике и высве чивается на дисплее НАП. Однако рассчитать погрешность изме-' рения псевдодальностей вручную - весьма сложная задача и в ре ция последовательности и видов представления элементов инфо мации (чисел, теста) на носителе. В первые годы производства электронных навигационных к каЖдая фирма выполняла эти карты по собственной технологи в собственных форматах (как самих карт, так и графических ф лов, представляющих карты). Уже в то время наметились две, т да существенно различные, технологии цифровых данных для э ктронных карт. альных условиях это не делается. Для целей судовоЖдения Одна из них основывалась на растровом методе считывания и
формации, который уже долгие годы использовался в телевиден 364 Раздел 7. Электронная картография
Глава 25. Электронные навигационные карты и картографические системы
для построения изображения. Этот метод используется также для считывания изображений в компьютерных устройствах ввода гра фической информации-сканерах. Суть метода сводится к считы ванию бумажной карты сканером, распознаванию и коррекции объектов и надписей на картах, а затем, к выпуску соответствую щего файла информации. Электронные навигационные карты, из готовленные таким методом, стали называться растровыми элек гационно-гидрографической обстановки; при необходимости даются световые и звуковые сигналы, предупреждающие об оп ности, либо о других, требующих внимания судоводителя, сит циях; выполняется и ряд других функций. Электронные картографические системы обеспечивают неп рывный и объективный контроль за местоположением и движен ем судна и наблюдаемых целей, позволяют автоматизировать тронными навигационными картами (РЭНК) (RENC-Raster мерения и их обработку, представляют судоводителю наглядную E1ectronic Navigation Charts). Растровая карта по сути дела пред ставляет собой цифровую фотографию исходной бумажной нави надежную информацию в виде, пригодном для немедленного и пользования. гационной карты. В результате на ходовой вахте судоводитель освобождается от в Одновременно с растровой стала развиваться и другая техноло гия " оцифровки" бумажных карт, основанная на использовании полнения многих рутинных операций, что исключает возможнос совершения им ошибок. Система предоставляет ему в интегри принципа действия диджитайзера. В этом методе каждому объек ванном виде информацию, характеризующую все стороны процес ту, считываемому с карты, соответствует свой вектор, связываю щий его с базовой точкой карты. Векторный формат графических данных более сложный, однако он позволяет производить любые судовождения, что позволяет повысить безопасность плавания обоснованно принимать решения по управлению судном. В первые годы развития электронной картографии впол преобразования данных при сохранении исходной точности и раз обоснованно возник вопрос о стандартизации как объема инфо решающей способности. Производимые таким образом электрон ные карты стали называть векторными (ВЭК). Одновременно с созданием электронных карт стали разрабаты ваться программы, позволяющие получать их изображения на эк мации, отображаемой на картах, так и их форматах. В 1990 г. п явился стандарт IHO (lntemationa1 Hydrographic Organization) ме дун родной гидрографической организации (МГО), определя шин содержание и требования к формату карт и картографическ ране дисплея, наносить на это изображение координаты любого судна, прокладывать маршруты следования, а также наносить дру дисплеев и их возможностей. Этот стандарт назывался S-52 (пе вая редакция). В 1990 г. бьш определен стандарт на формат DX- гую информацию. Такие программы получили название Chart Р1оttеr-графопостроители электронных карт. Наряду с графопостроителями электронных карт стали разви цифровых картографических данных, принятый совместно ИМ и МГО. В этом же году бьmа принята третья редакция стандар S-57 (" Стандарт передачи МГО цифровых гидрографических да ваться так называемые электронные картографические системы (ЭKC)-E1ectronic Chart System (ECS). ных" ), уточняющая векторный формат электронных карт DX-9 Этой редакцией бьmо поставлено условие перевода карт, выпо Электронная картографическая система, кроме собственно компьютера и программного обесnечения, включает в себя обору дование, позволяющее nодключать к системе приемоиндикаторы гиперболических и спутниковых РНС, а также другие приборы, ненных по внутренним форматам фирм производителей, в едины формат DX-90 или соответствие этому формату. До 1995 г. ИМО выдвигала жесткое требование, предусматрив ющее при пользовании электронными картами обязательную пр используемые на судне для навигации-радиолокационную стан цию, эхолот, лаг, магнитный и гироскопический компасы и др. В такой системе автоматически ведется счисление пути судна с нанесением траектории движения на электронную карту; уточня кладку на бумажной навигационной карте. Таким образом, н плоттеры электронных карт, ни электронные картографическ системы ЭКС не признавались заменителями официальных б мажных карт, производимых гидрографическими обществам ется путевой угол и скорость судна; определяются координаты суд на с максимально возможной точностью; рассчитываются откло Считалось, что ЭНК и ЭКС являются средствами, облегчающим работу судоводителей, повышающими безопасность мореплав нения от заданной линии пути, время прибытия в конечную точку, ния, обеспечивающими экономию топлива и эксплуатационны
безопасности движения путем анализа картографической и нави- расходов, но не освобождающими судоводителя от использовани официально принятых бумажных карт.
В 1995 г. стал разрабатываться новый класс электронных карто графических систем- электронные картографические навигаци онно-информационные системы (ЭКНИС). В английском языке аббревиатура этих систем расшифровывается как Electronic Chart Глма 25. Электронные навигационные карты и картографические системы
В основу использования ЭК в судовождении положе следующие принципы: точность и полнота ЭК должна быть не Disp1ay and Information System (ECDIS). Стандарт, определяющий же бумажных навигационных карт, картографическая база данн характеристики и форму представления информации в таких сис (КБД) и корректуры к ней должны быть выполнены в официаль темах, получил название EPS - IMO Performance Standart for ECDIS (Резолюция ИМО А.817(19) от 23 ноября 1995 г.) принятых МГО стандартных форматах; КБД и ЭК приобрета силу только после их утверждения гидрографическими служба которые должны нести полную ответственность за их содержан
Основные определеiПIЯ и сокращеiПIЯ исходная КБД в судовых системах автоматизации должна храни ся в неизменяемом виде; КБД и система управления ей являю
Электронпая картографическая павигациоппо-ипформа циоппая система (ЭКНИС)- навигационная информационная си стема, объединяющая информацию технических средств навига программными продуктами, поэтому размножение, регистраци распространение их должны соответствовать принятым в бо шинстве стран мира правилам распространения программн обеспечения. ции и других судовых систем для отображения навигационных па раметров местоположения судна, навигационно-гидрографичес кой и другой обстановки на электронной навигационной карте, отвечающей требованиям главы V Конвенции СОЛАС-74/95 в от Для унификации использования данных электронных карт п выполнении с ними различных работ международными требо ниями предусматривается представление их на носителях инф мации в специальных форматах, принятых МГО. Официальн ношении откорректированной навигационной карты, и автомати форматом для представления картографической информации, к зации решения основных задач судовождения. бьшо указано ранее, является формат DX-90. Он предназначен д Электронпая навигационная карта (ЭНК)- база данных, стан дартизованная по содержанию, структуре и формату, созданная для использования в ЭКНИС с разрешения уполномоченных госу обмена картографическими данными между гидрографически службами стран-членов МГО и для передачи данных изготови лямиЭКНИС. дарственных гидрографических служб. ЭНК содержит в себе всю картографическую информацию, необходимую для безопасного Формат 90-DX обладает большими возможностями. Он совм стим с другими средствами обмена данными и не ориентирован мореплавания, и может включать в себя дополнительную навига ционную информацию. Системпая электронпая навигационная карта (СЭНК) - база данных, полученная трансформированием ЭНК в формат ЭКНИС определенную нарезку карт, позволяет поддерживать несколь уровней обмена цифровыми данными, представлять место объ та в географической или прямоугольной системах координат с р личными единицами и мерами точности, строить карты в разл с целью удобства ее использования и учета корректуры, а также ис пользования других сведений, добавляемых мореплавателем. ных проекциях, хранить описательную информацию для набор данных, добавлять новые записи. СЭНК используется в ЭКНИСдля формирования на экране изоб ражения карты и автоматизированного решения навигационных Сертифицированная ЭКНИС работает со множеством вид электронных карт: задач. Такое изображение является эквивалентом откорректиро • векторными картами, выпущенными гидрографическими о
формацию, поступающую из других источников. Электронпая карта (ЭК)- отображение карты на экране ЭК НИС, получаемое по информации, содержащейся в СЭНК. Специальная база данных - база данных, хранимая отдельно от СЭНК, информация которой отображается на экране ЭКНИС по требованию оператора или при определенных обстоятельствах. ществами в соответствии с международным стандартом S-5 электронными навигационными картами; • официальными растровыми электронными навигационны картами; • электронными картами, частично не соответствующими ст дарту S-57 (упрощенные ЭК). 368 Раздел 7. Электронная картография
Глава 25. Электронные навигационные карты и картографические системы
Использование векторных электронных карт в ЭКНИС поз воляет повысить навигационную безопасность за счет нагляд ного представления процесса судовождения в районе плавания, представления информации от различных средств навигации, включая наложение радиолокационного отображения на ЭК, ускорения поиска и представления судоводителю сведений о картографических и навигационно-гидрографических объектах в районе плавания и об особенностях в нем судовождения. Од ним из важных достоинств векторных ЭК является возможность избирательного вывода или выделения отдельных видов данных записывать в память пути целей; проигрывать выбранный маневр; корректировать координаты судна, используя привязку, взятую с РЛС/САРП; • при подсоединении АИС интерпретировать получаемые д ные.
Способ с.оздания растровых электронных навигационных ка (РЭНК) более быстрый и легкий, чем создание баз цифровых д ных для векторных карт. навигационного ограждения, маяков, затонувших судов, изобат и ряда других, а также возможность использовать кроме режима Британское Гидрографическое управление стало первой в м ре официальной государственной организацией, которая с 199 истинного движения режима относительного движения, когда стала создавать РЭНК и снабжать ими суда, а с весны 1994 г. о судно находится в центре экрана, а карта " плывет" относитель ввело в свой состав новую службу ARCS (Admira1ty Raster Ch но него. Среди преимуrnеств использования векторных ЭК перед бу- Service)- Службу адмиралтейских растровых карт. Вопросы и пользования растровых ЭК бьши заслушаны в 1995 г. в Комит мажными следует вьщелить возможности: • отображать любую карту в удобном для пользования масштабе; по безопасности мореплавания ИМО. Более раннее применен РЭНК в практике судовождения сдерживалось трудностью • вырезать и увеличивать на весь экран любой фрагмент карты; корректуры. Процесс развития ЭВМ и растровых технолог • просматривать все районы текуrnей и любой другой карты; • использовать ориентации карты " по меридиану" и " по курсу"; позволил преодолеть эти трудности и разработать методы ко ректировки таких карт. За период 1994-1995 гг. были созда • получать информацию по любому навигационному средству, отображенному на карте; • отключать или отображать любые группы объектов; • использовать необходимый набор инструментов для планиро растровые ЭК, покрывающие большинство судоходных путей портов. На растровой ЭК в ЭКНИС производится большинство операций, выполняемых на ЭНК, но не все. Принципиально вания рейса и предварительной прокладки; • предусматривать необходимый контроль безопасности при движении судна и при предварительной прокладке путем авто матического отображения координат, курса, скорости, устано вок безопасности и времени; • получать сигналы аварийно-предупредительной сигнализации и предупреждений; • автоматически получать при движении судна текуrnие значения возможно на этих картах автоматически выполнять ряд следу щих операций: подъем карты, нанесение безопасной изобаты, лекцию объектов для отображений, вызов дополнительных рактеристик объектов и производство анализа картографическ и навигационно-гидрографической обстановки по пути следо ния для контроля безопасности плавания. Ввиду этого, систем РЭНК не полностью удовлетворяют требованиям СОЛАС-74/ За исключением корректуры, картографические операции пеленга и дистанции на любую выбранную точку; РЭНК не производятся. Поэтому системы с растровыми ЭН • использовать режимы истинного и относительного движений; рассматриваются ИМО как промежуточные, способные воспо • использовать базы данных ЭКНИС для получения навигацион ной и гидрометеорологической информации; • снимать графические копии с экрана монитора и распечатку нить потребность судоводителей в ЭНК до тех пор, пока рабо по созданию ЭНК и снабжение ими судов не будут полностью вершены. маршрута; Использование электронных карт, частично не соответству • при подсоединении ЭКНИС к РЛС/САРП: выявлять векторы скорости целей; щих стандарту S-57 (упрощенные ЭК) продиктовано необходим стью покрытия векторными картами всего Мирового океана,
относительной дешевизной и заинтересованностью производ
Глава 25. Электронные навигационные карты и картографические системы
телей ЭКНИС. Такие ЭК могут использоваться в упрощенных модификациях ЭКНИС (ЭКС), не обладающих широкими воз можностями средств хранения и отображения информации. Схе опасности с глубинами, меньшими безопасной, в пределах ра ограниченного безопасной изобатой; отдельные опасности, к рые лежат внутри района, ограниченного безопасной изобато матическое изображение на экране дисплея местности в опреде кие как мосты, линии электропередач, включая буи и знаки, к ленной проекции, не эквивалентное бумажной навигационной карте и не удовлетворяющее требованиям безопасности морепла вания, обычно называется упрощенной (стилизованной) электрон ной картой. Упрощенные ЭК получаются самыми разными способами. Для ввода с бумажных карт в память ЭВМ данных для стилизованных рые используются или не используются как средства навига системы разделения движения судов; числовой и линейный штабы отображаемой карты, вид ориентации карты и режим плея; единицы глубин и высот. 2. Картографические данные стандартного отображения формация СЭНК, отображаемая при первом вызове карты н карт в ряде автоматизированных систем используются специаль ран, регламентированная резолюцией ИМО А.817(19). По ж ные кодирующие планшеты (chart digitizer). Некоторые ЭКНИС имеют дигитайзеры и позволяют судоводителям создавать свои нию оператора (судоводителя) объем информации, используе для выполнения предварительной и исполнительной прокл собственные карты (карты пользователя). Для облегчения созда может быть изменен (увеличен или уменьшен) по сравнени ния этих карт ЭКНИС имеет функции внесения условных знаков определенных типов картографических объектов (КО): глубин, маяков, буев, опасностей и т. д., а также инструментыдля редакти рования таких карт - удаление объектов, замена характеристик, стандартной нагрузкой. О таком изменении ЭКНИС выдает с щение (сигнал). Картографические данные стандартного отображения со из следующей информации: базовой нагрузки; линии осу замена объектов, копирование с карты на карту, редактирование неподвижных и плавучих средств навигационного огражде надписей, линий и т. д. границ фарватеров, каналов и т. д.; визуальных и радиолокац
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-04; Просмотров: 416; Нарушение авторского права страницы
судна в точку смены курса центральный или боковой визир устанав ливается параллельна очередному направлению движения судна с помощью опознанных радиолокационных ориентиров и судно ло жится на новый курс КК. По подвижной шкале определяют значЕ! ·
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
го хода; 
Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают синх: оо1Н
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
заданной скоростью; 
340 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
Общие сведения. Основным содержанием навигационной
НКА предъявляет жесткие требования к структуре орбитальной, группировки, которые могут быть выполнены только в среднеор
дионавигации (он называется беззапросным) точное
ми свойствами); 
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие
Сначала за рубежом, а потом и у нас в стране бьша создана ди ференциальная подсистема среднеорбитных спутниковых навиг ционных систем (ДГНСС).
Совместное использование систем GPS и ГЛОНАСС позволяет повысить доступность и целостность ГНСС, а также точность оп ределения координат места.
ностимежду измеренными ПИ1 и рассчитанными в нем значениями псевдодальностей " видимых" НКА, а также разности соответствую
передачи сигнала контроля целостности и дифференциальных по правок. К ним относятся: американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS.
КАКНСК
. Рис. 24.4. Структурная схема контрольно-корректирующей станции: 
• контрольно-корректирующая станция, осуществляющая изме
358 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
ры сравнения принятого от НКА и опорного сигналов, т. е. по грешность вычисления псевдодальности. Это приводит к возник новению погрешности в координатах порядка 1, 2 м; 
Глава 24. Определение места судна с использованием спутниковых систем
зывают, хотя для их исключения требуется избыточное количество
362 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации
ЭЛЕКТРОННАЯ КАРТОГРАФИЯ
принимается равной 16 м.
расстояние, курс, время до точки поворота; выполняется контроль
366 Раздел 7. Электронная картография
Картографическая информация, используемая в ЭКНИС
ванной навигационной карты. СЭНК может включать в себя ин
выявлять пути целей; 
370 Раздел 7. Электронная картография