РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ GPS

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
“РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ”

 

Для курсантов специальности 201300
“Техническая эксплуатация транспортного
радиооборудования”

 

 

 

 

Петропавловск-Камчатский, 2002

 

 

ББК 31.292

У80

УДК 621.3.019.3(031)

 

Рецензент — Никитенко Ю.И., д.т.н., профессор кафедры РНП ГМА им. адм. С.О. Макарова.

 

Устинов Ю.М., Кан В.С., Дуров А.А.

У80

Судовая аппаратура среднеорбитальной спутниковой радионавигационной системы GPS. Учебное пособие по дисциплине “Радионавигационные устройства и системы”. – Петропавловск-Камч.: КамчатГТУ, 2002. – хх с.

 

ISBN 5-328-00023-

 

Приводятся основные сведения о судовых приемоиндикаторах и навигационных дисплеях среднеорбитальной спутниковой радионавигационной системы GPS, основных правилах подготовки аппаратуры к работе в составе системы управления движением судна.

Учебное пособие предназначено для курсантов и студентов-заочников специальности 201300 “Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования”, изучающих дисциплину “Радионавигационные устройства и системы”.

Рассмотрено и одобрено в качестве учебного пособия по дисциплине “Радионавигационные устройства и системы” на заседании кафедры радиооборудования судов 12 октября 2000 г., протокол № 2.

Утверждено Учебно-методическим объединением по образованию в области водного транспорта на базе ГМА им. адмирала С.О. Макарова в качестве учебного пособия для курсантов

 

 

───────────────────────────────────────

ISBN 5—-                     с КамчатГТУ, 2002 г.

Введение

GPS (Global Positioning System - Глобальная позиционная система) является многоцелевой спутниковой радионавигационной системой. Разработана в США по единым требованиям трёх видов вооружённых сил : ВМС, ВВС, СВ.

Общее руководство работами по созданию системы, начатыми в 1973 году, осуществляло управление ракетно-космическими силами ВВС США во взаимодействии со странами НАТО [9].

Система полностью развёрнута в начале 1995 года. В ряде официальных документов и в печати GPS часто называется системой NAVSTAR (Navigation Satellite Providing Time and Ranget - Навигационная спутниковая система для определения времени и расстояний).

GPS (также как и отечественная система ГЛОНАСС) способна обеспечивать навигационно-временным определением неограниченное число подвижных и стационарных объектов, находящихся в любой точке поверхности Земли, воздушного и околоземного космического пространства с высокой надёжностью при любых метеоусловиях и в любое время. GPS и ГЛОНАСС во многом схожи.

Судовая аппаратура GPS

 

1.1. Технико-эксплуатационные требования на судовую приёмоиндикаторную аппаратуру ССРНС ГЛОНАСС, GPS.

 

Судовая приёмоиндикаторная аппаратура ГЛОНАСС, GPS должна отвечать технико-эксплуатационным требованиям стандарта отрасли: "Приёмная судовая аппаратура спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС", который составлен с учётом имеющихся международных и нормативных документов.

Основные положения этого стандарта следующие :

Состав аппаратуры. В состав приёмоиндикаторной аппаратуры должны входить :

· приёмная антенна;

· устройство приёма и обработки сигналов с системой отображения информации: дисплей с наборным полем.

 Связь с другими устройствами. Приёмоиндикаторная аппаратура должна иметь, по крайней мере, один выходной порт для передачи информации о навигационных параметрах: координаты, время, скорость и прочее в другие навигационные устройства.

Для обмена информацией используется формат сопряжения, определяемый стандартомМЭК 1162 - 1.

Приёмоиндикатор должен обеспечивать возможность приёма и обработки дифференциальных поправок, формат которых соответствует Рекомендациям IT U - RM.823 и соответствующего СтандартаRTCM.

Могут быть предусмотрены порты для приёма информации от лага, гирокомпаса или другой навигационной аппаратуры.

Используемая геодезическая система координат и Единого времени. Расчёт координат места судна должен производиться в международной системе координат WGS - 84 или SGS-90 (параметры Земли 1990 г) с отображением геодезических координат в градусах, минутах, тысячных долях минуты.

Должна быть предусмотрена возможность выбора другой опорной системы координат, в том числе системы Пулково-42 (или другой применяемой в используемых на судне навигационных картах ) с отображением на дисплее приёмоиндикатора признака системы, в которой выдаются координаты места.

Время, высвечиваемое на дисплее приёмоиндикатора, должно соответствовать UTC (USN O ) или UTC (SU).

Точностные характеристики. Величины погрешностей определения координат места судна на стоянке и в движении не должны превышать 35 м для смешанного созвездия ГЛОНАСС-GPS и 45 м - для ГЛОНАСС при вероятности 95 % и геометрическом факторе ГФПл = HDOP не более 4 (ГФПр= РDOP<6). В дифференциальном режиме работы указанная погрешность не должна превышать 10 м.

Временные характеристики. Приёмоиндикатор при введённых исходных данных (счислимые координаты, дата, время) должен обеспечивать получение первой обсервации с заданной точностью после включения :

1.  в пределах до 30 мин при отсутствии в памяти приёмоиндикатора достоверного альманаха данных;

2.  в пределах до 5 мин при наличии в памяти достоверного альманаха данных.

При кратковременных перерывах питания до 60 с время получения обсервации не должно превышать 2 мин.

Чувствительность и динамический диапазон. Приёмоиндикаторная аппаратура должна обеспечивать приём и обработку сигналов ГЛОНАСС, GPS при изменении их уровней на входе от минус 130 дБмВт до минус 120 дБмВт. После завершения поиска сигналов должно обеспечиваться слежение за сигналами спутников при понижении уровней сигналов до минус 133 дБмВт.

Электромагнитная совместимость. Приёмная антенна при включении приёмоиндикатора может подвергаться облучению на частоте 1636.5 МГц с плотностью потока мощности 3 Вт/м² на время 10 мин. (Это эквивалентно облучению антенны приёмоиндикатора от антенны спутниковой системы связи ИНМАРСАТ), а также облучению пакетами из 10 импульсов, длительность импульса - 1...1.5 мкс, несущая частота заполнения импульсов - 2.9...3.1 ГГц, плотность потока мощности 7.5 кВт/м², время облучения 10 мин, период повторения пакетов импульсов - 3 с. (Это эквивалентно воздействию излучения судовой РЛС с мощностью сигнала 60 кВт и скоростью вращения антенны 20 оборотов/мин).

Через 5 мин после прекращения воздействий приёмоиндикатор должен обеспечивать определение координат без вмешательства оператора.

Статус индикации. Выдача данных о координатах места, скорости, путевом угле и прочее должна производиться с дискретностью не более 2 с.

Индикация должна обеспечиваться и в том случае, когда рассчитанные координаты места не отвечают точностным требованиям. Однако, при этом должен высвечиваться специальный признак недостоверности.

До восстановления нормальной работы приёмоиндикатора на дисплее должны отображаться время и координаты последней обсервации с индикацией признака прекращения обсервации.

Приёмоиндикаторы должны соответствовать климатическим и механическим требованиям для судовой аппаратуры.

 

1.2. Сравнительныехарактеристики судовой

Аппаратуры GPS

 

Для обработки сигналов спутников GPS и их использования для определения параметров движения судна и решения других задач судовождения радиоэлектронной промышленностью выпускаются приемники, приемоиндикаторы и навигационные дисплеи GPS.

Выбор конкретного оборудования определяется кругом решаемых навигационных задач и оснащенностью судна другими видами электро- и радионавигационного оборудования.

Приемники GPS принимают и обрабатывают сигналы навигационных спутников и выдают результаты на судовое оборудование навигации и связи в формате NMEA (или другом, предусмотренном изготовителем). Приемники разных моделей отличаются числом параллельных каналов (от 2 до 12), каналов с мультиплексированием (от 1 до 6), числом одновременно обрабатываемых сигналов от разных спутников с выбором наиболее устойчивых с достаточным отношением сигнал/шум.

Число параллельно работающих каналов - важнейший показатель, который определяет точность и, особенно, быстродействие приёмоиндикаторов, в состав которых входит приемник.

При числе видимых спутников, больше необходимого, для измерения навигационных параметров выбираются для обработки сигналы спутников, имеющих наилучшее геометрическое расположение.

Приемники GPS входят в состав приемоиндикаторов, а также устанавливаются на судах в качестве приставок к эхолотам, радиолокационным станциям, плоттерам, аппаратуре автоматизированной радиосвязи.

Приемоиндикаторы GPS являются законченными навигационными приборами, в которых реализованы функции приема сигналов спутников этой системы, определения и индикации точного времени и параметров движения судна, планирование и запоминание маршрутов, работа с электронными картами.

Дисплеи выполняются обычно на монохроматических и цветных электронно-лучевых трубках и жидкокристаллических индикаторных панелях. Встроенные микропроцессоры позволяют обрабатывать и запоминать несколько маршрутов движения судна, каждый из которых может быть составлен из большого числа отрезков.

Путевые точки этих маршрутов могут сопровождаться буквенно-цифровыми комментариями (обозначениями).

Для исключения постоянных составляющих ошибки навигационных измерений в приемоиндикаторах GPS, как правило, предусмотрена возможность работы в дифференциальном режиме.

Навигационные дисплеи имеют, как правило, широкие возможности по решению задач судовождения, для чего могут использовать информацию, поступающую от приемников и приемоиндикаторов GPS и других навигационных приборов (магнитных и гирокомпасов, лагов и т.д.).

Дисплей фирмы Si-tex типа Nav-Add 1000 совместно с приемником GPS той же фирмы типа GPS-10 образуют полный приемоиндикатор системы с функциями Nav-Add 1000G.

Ряд ведущих зарубежных фирм: Shipmate, Sitex, Echotec, Furuno, Micrologic, Magellan System Corp., Thrane and Thrane, Raytheon Marine Co. и другие, используя сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), новейшие технологии и высокую степень автоматизации производства в течение последних лет разработали и предложили на рынок более сотни типов судовой приёмоиндикаторной аппаратуры GPS.

Многие суда морского и рыбопромыслового флотов оснащены приёмоиндикаторами зарубежных фирм.

Все приёмоиндикаторы, устанавливаемые на суда, должны соответствовать требованиям морского Регистра судоходства и стандарта отрасли.

Фирмы Thrane & Thrane, JRC, Skanti разработали навигационно-связной комплекс, объединив в едином устройстве приёмо-передающую аппаратуру системы связи ИНМАРСАТ-C и радионавигационную спутниковую приёмоиндикаторную аппаратуру GPS.

В России, а также рядом зарубежных фирм в США и ФРГ разрабатываются интегрированные приёмоиндикаторы, обеспечивающие одновременный приём и обработку сигналов спутников GPS и ГЛОНАСС.

Простейшие (переносные) приёмоиндикаторы по внешнему виду похожи на карманные калькуляторы с жидкокристаллическим дисплеем, для приёма сигналов используется встроенная антенна.

На дисплее индицируются текущие координаты, дата, время. Питание осуществляется от батареек или от выпрямителей.

Приёмное устройство приёмоиндикаторов имеет низкую чувствительность, число параллельно работающих каналов приёма и обработки сигналов спутников минимально: один, два.

Затрачиваемое время до первой обсервации в основном определяется временем поиска сигналов спутников, временем приёма альманаха и эфемерид. Если литерные номера видимых спутников известны, то частотно - временной поиск сигналов четырёх спутников GPS для одноканальной аппаратуры занимает около 6 мин., приём альманаха - 12.5 мин., эфемерид для четырёх спутников - 2 мин. Общее время составляет около 20 мин.

Однако, если начальные данные о счислимых координатах судна, дате и времени не введены в память ЭВМ приёмоиндикатора, то необходимо произвести "слепой" поиск сигналов спутников по времени и по частоте, т.е. случайно назначить литерный номер спутника и производить поиск сигналов этого спутника. Если сигнал не будет обнаружен, то выбирается другой литерный номер спутника и снова производится поиск сигналов.

Эта операция "слепого" поиска производится до тех пор, пока сигнал спутника не будет обнаружен.

При одноканальной аппаратуре общая потеря времени на "слепой" поиск может составлять 15...20 мин.

Таким образом, затрачиваемое время до первой обсервации для простейших одноканальных приёмоиндикаторов лежит в пределах 35...40 мин.

Простейший одноканальный приёмоиндикатор последовательно во времени обрабатывает информацию от спутников. Различают  переходный и установившийся циклы работы одноканальных приёмоиндикаторов.

Переходный цикл начинается с операции поиска сигналов первого спутника, приёма альманаха, эфемерид, измерения радионавигационных параметров. Затем производится поиск сигналов второго спутника, приём эфемерид и измерение радионавигационных параметров этого спутника. И так далее. После окончания приёма и обработки информации очередного спутника возобновляется на 1 секунду радиоконтакт с предыдущим спутником для обновления информации, ранее хранившейся в интеграторах следящих систем.

После завершения переходного процесса приёмоиндикатор работает в установившемся цикле: последовательно и циклично измеряются радионавигационные параметры трёх (четырёх) спутников.

В установившемся цикле работы приём эфемеридной информации спутников не производится.

Продолжительность цикла в установившемся режиме около 4 с, координаты выдаются с циклом 1 с.

Каждый час на спутниках GPS меняется массив эфемеридной информации, соответственно, каждый час одноканальный приёмоиндикатор снова переходит в переходный цикл работы.

Точностные характеристики простейших одноканальных приёмоиндикаторов при движении судна хуже, чем на стоянке. Простейшие приёмоиндикаторы предназначены для индивидуальных яхт, автомашин.

Приёмоиндикаторы, предназначенные для стационарной установки, как правило, выполнены в виде моноблока с жидкокристаллическим дисплеем и наборным полем, с выносной антенной и кабелем длиной 10...15 м.

Антенны обеспечивают приём сигналов с верхней полусферы с углом места не менее 5^о.

Число параллельно - работающих каналов - 4...6, чувствительность приёмников - минус 150 дБВт...минус 160 дБВт.

К приёмоиндикаторам этого вида можно подключить плоттер с электронной картой, который может быть установлен в любое место штурманской рубки.

В многоканальных приёмоиндикаторах не требуется вводить в память ЭВМ счислимые координаты судна, дату и время.

Благодаря многоканальности, "слепой" поиск сигналов занимает время, исчисляемое единицами минут и практически не сказывается на общем времени, затрачиваемом на получение первой обсервации.

Необязательность ввода исходных данных является важным преимуществом, так как при ошибочно введённых координатах, дате или времени может возникнуть ситуация, когда рабочее созвездие спутников никогда не будет найдено.

Во многих приёмоиндикаторах предусмотрен режим маскирования, при котором запрещён приём сигналов ниже заданного угла места. Режимом маскирования следует пользоваться, когда горизонт заслонён верхнепалубными устройствами судна, либо высокими горами (судно стоит в бухте, окружённой горами).

Приёмоиндикаторы, как правило, способны работать по созвездию либо из четырёх, либо из трёх спутников.

В некоторых приёмоиндикаторах переход из режима работы по четырём в режим работы по трём (и обратно) выполняется автоматически по мере видимости четырёх или трёх спутников.

При работе по трём спутникам требуется ввести в память ЭВМ высоту расположения приёмной антенны над уровнем моря. Иногда ввод высоты антенны не требуется, так как при расчёте координат места судна используется примерное значение высоты расположения антенны. При этом дополнительная погрешность определения координат судна исчисляется единицами метров.

Новейшие многоканальные приемоиндикаторы при определении координат места и прочих навигационных параметров судна используют при обработке измерений сигналы всех видимых спутников.

В ряде приёмоиндикаторов рекомендуется ввод в память ЭВМ порогового значения геометрического фактора, величина которого выбирается в диапазоне 1...99.

Если в качестве порогового значения взята нижняя величина (например, 2), то координаты судна можно получить с высокой точностью, так как они будут индицироваться лишь в том случае, когда среди видимых спутников появится созвездие с этой или меньшей величиной геометрического фактора.

Кроме координат места приёмоиндикаторы индицируют на дисплее дату, текущее время, текущую скорость судна (в узлах) и путевой угол. Реальную погрешность измерения скорости легко оценить на стоянке, когда истинная скорость судна равна нулю.

Во всех судовых приёмоиндикаторах введён режим “MOB”  (Man over  board - ЧЕЛОВЕК ЗА БОРТОМ ). В момент нажатия кнопки МОВ фиксируются на дисплее координаты судна, время, а также текущие координаты судна, текущее время и пеленг на точку с фиксированными координатами. Этот режим обеспечивает  минимальное время поиска человека.

Приёмоиндикаторы снабжены световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей о ситуациях, которые необходимо знать: отклонение от заданного маршрута, прибытие в район контрольной точки, невозможность определения координат и т.д.

Питание приёмоиндикаторов производится переменным или постоянным напряжением, причём диапазон постоянного напряжения питания может находиться в пределах 9...40 В. Для экономии потребляемой мощности при непрерывно работающем приёмоиндикаторе дисплей может отключаться.

Практика эксплуатации показала, что надёжность приёмоиндикаторов при непрерывной работе (без отключений) выше, поэтому при заходе судна в порт, как правило, приёмоиндикаторы не выключаются.

Диапазон рабочих температур для дисплея - минус 10^оС…плюс 55^оС; для антенны минус 30^оС…плюс 70^оС.

Наиболее совершенные приёмоиндикаторы имеют 8...12 и более каналов, приёмные устройства обладают наивысшей чувствительностью (минус 160 дБВт), обеспечивают плоттирование и маршрутизацию пути с помощью электронных карт. Электронные карты записаны либо на навесных дискетах, либо на сменных чипах.

Сенсорные приемоиндикаторы конструктивно выполняются в виде печатной платы небольшого размера с возможностью встраивания в аппаратуру различного назначения. Эти приемоиндикаторы выполняют роль датчиков радионавигационных или навигационных параметров. Некоторые сенсорные приемоиндикаторы встраиваются в ПЭВМ, которая с помощью специальной программы решает задачу вторичной обработки информации. При подключении источника питания и дисплея сенсорные приемоиндикаторы преобразуются в приемоиндикатор, функции которого идентичны с приемоиндикатором, предназначенным для стационарной установки.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: