Навигационные параметры, их измерения. Классификация методов и средств

1.3.1 Навигационная информация и ее классификация

В период плавания на судне производятся различные измерения, наблюдения и вычисления, конечными результатами которых является получение на путевой карте обсервованного или счислимого места судна на любой момент времени.

Все сведения, прямо или косвенно влияющие на выработку координат места судна и элементов его движения составляют навигационную информацию.

Навигационная информация (НИ) — это совокупность сведений, прямо или косвенно определяющих местоположение судна на местности и его элементы движения, а также результаты всех других навигационных измерений и вычислений.

К навигационной информации относятся следующие основные навигационные элементы (НЭ):

1) Координаты судна. Географические координаты используются для определения положения судна относительно экватора и гринвичского меридиана; полярные — относительно какого-либо подвижного или неподвижного объекта (ориентира, навигационной опасности, другого судна и т.п.), принятого за начало координатной системы.

2) Навигационные параметры (НП) — это измеряемые величины, зависящие от взаимного положения судна и ориентира (объекта, опорного пункта). НП являются функцией координат судна, поэтому по их значениям определяется место судна в географической или полярной системе координат.

3) Элементы счисления, которые включают в себя: курсы, углы дрейфа, скорости судна и течения, время, пройденный путь и др.

4) Поправки ТСН и методические поправки (поправки компаса и лага, склонение девиацию и т.д.).

5) Измеренные моменты времени - это показания хронометров, часов и секундомеров в заданный момент времени.

6) Параметры движения других судов (целей) и другие навигационные величины.

Навигационная информация классифицируется по нескольким признакам:

а) по виду измерений (прямая или непосредственно измеренная и косвенно измеренная);

б) по своему составу (однородная и разнородная);

в) по степени полноты (неполная, необходимая и избыточная);

г) по отношению к результатам обработки (исходная и итоговая);

д) по относительной точности (равноточная и неравноточная);

е) по степени зависимости (независимая, статистически зависимая и функционально зависимая);

ж) по характеру измерения (дискретная и непрерывная).

Прямая (непосредственно измеренная) навигационная информация

это такая информация, которая является прямым результатом физического процесса измерения. Сюда относятся пеленг, измеренный с помощью пеленгатора; курсовой угол, измеренный путем визирования ориентира; глубина, измеренная ручным лотом и др.

Косвенно измеренная информация является функцией непосредственно измеренных физических параметров. Функциональная зависимость НЭ от измеренных физических параметров реализуется с помощью преобразований, происходящих в самом измерительном приборе (Д_р в НРЛС вырабатывается преобразованием измеренного времени распространения радиоимпульса от судна до объекта и обратно), или же с помощью вычислительных операций, выполняемых автоматически или вручную вне измерительного прибора (по измеренному вертикальному углу и высоте ориентира рассчитывается расстояние до него). Косвенно измеренные НЭ иногда называются вычисленными.

б) по своему составу

Однородная информация получается в результате измерений, основанных на одном и том же физическом принципе (высоты светил, измеренные СНО; радиопеленги, измеренные АРП и т.п.).

Разнородная информация получается в результате измерений, основанных на различных физических принципах (расстояние до ориентира, измеренное с помощью НРЛС и расстояние, вычисленное по измеренному секстаном вертикальному углу; компасный пеленг и радиопеленг; курс по гирокомпасу и курс по магнитному компасу и т.п.). Разнородными являются также НЭ, имеющие разное наименование (пеленг и высота, расстояние и глубина и т.п.).

в) по степени полноты

Неполная информация — если по ней невозможно определить искомые величины (один визуальный пеленг на ориентир при решении задачи определения

места судна — это информация неполная, т.к. по одному параметру невозможно определить координаты судна).

Необходимая информация — это такая информация, которая обеспечивает расчет искомых величин (для определения места судна необходимо измерить минимум 2 НП).

Избыточная информация — информация, полученная сверх необходимой (3-й НП при определении места судна). Избыточная информация нужна для повышения точности решаемой задачи, т.е. для частичной компенсации случайных погрешностей и полного исключения промахов.

г) по отношению к результату обработки Исходная информация — это информация, подлежащая обработке (преобразованию) в целях определения требуемых величин.

Итоговая информация определяет значения требующихся величин. Итоговая информация, как правило, является результатом обработки некоторой исходной информации. Одна и та же информация в одном случае может быть исходной, в другом — итоговой (при решении задачи определения места коорди-наты судна являются итоговой информацией, а при определении элементов движения своего судна по обсервациям — исходной).

д) по относительной точности

Равноточная информация — это такая информация, когда составляющие ее НЭ характеризуются одной и той же точностью. Равноточность НЭ обеспечивается при измерении их в статистически одинаковых условиях (приборы одинакового класса точности, операторами с одинаковой квалификацией и при неизменяющихся внешних факторах).

Неравноточная информация — это такая информация, когда НЭ измерены с различной точностью, т.е. если числовые параметры, характеризующие точность НЭ, существенно различаются между собой.

е) по степени зависимости

Независимая информация — если каждый НЭ рассматриваемой их совокупности формируется под воздействием только своих частных случайных факторов.

Статистически зависимая информация — когда наряду с частными факторами в формировании НЭ участвует хотя бы один общий случайный фактор.

Функционально зависимая информация — если все рассматриваемые НЭ НЭ формируются только общими случайными факторами.

ж) по характеру измерения

Дискретная информация — такая информация, которая измеряется через какие-то интервалы времени (отсчеты, снимаемые со шкалы навигационного прибора).

Непрерывная информация измеряется без перерывов в течение некоторого интервала времени (непрерывная запись курса курсографом и т.п.).

1.3.2 Классификация и принципы получения навигационных параметров Основным требованием судоводителей к навигационным средствам является возможность надежного определения места судна на всем протяжении его пути.

Однако создать систему таких средств довольно трудно, т.к. требования, предъявляемые к средствам ориентирования в близких и отдаленных от берега районах, совершенно различны.

В условиях океанских переходов судоводитель обычно не нуждается в очень высокой точности определения места судна. При плавании на средних расстояниях от берега требования к точности судовождения повышаются. Еще более высокая точность требуется от навигационных средств, предназначенных для обслуживания прибрежных районов, особенно вблизи портов и на путях наиболее интенсивного движения судов. Этим и объясняется существование в настоящее время большого количества навигационных устройств и систем, основанных на различных по природе физических принципах измерения навигационных параметров.

Современная навигация основана на использовании следующих физических явлений: магнитное поле Земли, гравитационное поле Земли, инерция физических тел, механические колебания среды (акустика), электромагнитные колебания, собственные колебания физических систем. Кратко рассмотрим эти явления.

1. Магнитное поле Земли, как известно, характеризуется напряженностью - векторной величиной, изменяющейся как по величине, так и по направлению в околоземном пространстве. Эта напряженность используется в магнитных и гиромагнитных компасах.

Магнитные компасы основаны на свойстве свободно подвешенной за центр тяжести магнитной стрелки устанавливаться своей магнитной осью по направлению магнитного поля. Они в течение сотен лет являлись и сейчас являются простыми и надежными курсо-ухазателями пути судна, если место их установки обеспечивается определенным минимумом магнитных условий, необходимых для правильной работы компасов.

Гиромагнитные компасы основаны на взаимодействии магнитной системы и гравитационных сил Земли. Магнитная система располагается магнитной осью по равнодействующей компасного и гироскопического меридианов. Система сохраняет неизменное направление главной оси гироскопа и не реагирует на мгновенные удары и толчки. При этом магнитная система управляет главной осью гироскопа, с которой связана картушка компаса, надежно устанавливая ее в компасный меридиан.

На основе измерения электродвижущей силы, индуктируемой в измерительных проводниках при их движении вместе с судном в магнитном поле Земли, построены геоэлектромагнитные измерители переносной скорости судна (течения). Последние носят самостоятельное название - электромагнитные измерители течения (эмиты) к позволяют определять как скорость, так и направление течения.

2. Гравитационное поле Земли используется в судовождении преимущественно для определения направлений. Наибольшее распространение имеют гироскопические указатели направлений, основанные на свойстве быстро вращающегося тела (гироскопа) сохранять неизменным в пространстве заданное направление оси вращения.

При идеальных условиях ось гироскопического устройства указывает направление истинного меридиана и непрерывно поворачивается со скоростью, равной и направленной против угловой скорости вращения Земли в данной широте, и таким образом удерживается в плоскости истинного меридиана. Такие устройства называют гироскопическими компасами или гирокомпасами. Они дают устойчивые показания направлений в малых и средних широтах. Если плавание совершается в высоких широтах, то в качестве курсоуказателя используют гироазимут, действие которого основано на том же физическом принципе, что и действие гирокомпаса. Кроме гирокомпасов и гироазимутов в современном судовождении находят широкое применение и другие гироскопические приборы, такие, как гировертикали - для создания искусственного горизонта в секстанах и гиростабилизаторы – для стабилизации платформы, на которой устанавливаются специальные устройства для измерений и стрельбы.

3. На принципе использования свойств инерции физических тел в настоящее время быстро развиваются инерциальные методы навигации. Принцип действия инерциальных систем заключается в непрерывном измерении и интегрировании ускорений при движении судна в некоторой стабилизированной плоскости. Стабилизация осуществляется с помощью управляющих гироскопов, измерение ускорений - с помощью акселерометров. Для транспортного и промыслового судовождения наиболее приемлемы инерциальные системы, в которых с помощью акселерометров измеряются две горизонтальные составляющие ускорения судна (по меридиану и параллели). Навигационные инерциальные системы наилучшим образом отвечают требованиям автономности, помехоустойчивости, непрерывности, автоматического получения координат и управления.

4. На свойстве акустических колебаний отражаться от различных объектов в воде основано использование всех видов современных акустических приборов и систем. При этом в качестве физического параметра измеряется время распространения звукового луча - одна из характеристик колебательного процесса.

К наиболее распространенным гидроакустическим приборам относятся:

- эхолоты, служащие для измерения глубины, а также для обнаружения рыбных концентраций или других объектов под килем судна;

-эхоледомеры, служащие для определения высоты слоя воды, а также толщины льда над подводным судном;

- гидролокационные станции или просто гидролокаторы, предназначенные для обнаружения объектов, полностью или частично находящихся в воде (айсберг, ска-

ла, берег, отмель, подводная лодка, косяк рыбы и пр.), и для определения их местонахождения относительно судна (направление и расстояние).

Другая область возможного применения гидроакустики связана со сравнительно невысокой скоростью распространения звука в воде, что позволяет создать измерители скорости судна относительно дна (берега), основанные на использовании эффекта Допплера, который мы рассмотрим немного позже.

5. Распространение электромагнитных волн с практически постоянной скоростью позволяет определить физические величины (параметры), характеризующие геометрическое положение или элементы движения судна относительно источника информации.

В навигации в настоящее время нашли широкое применение радиоволны и волны оптического диапазона (видимое и инфракрасное излучение).

В основу всех радиотехнических средств навигации положен принцип измерения одного из параметров электромагнитного поля - физической величины, определяемой при помощи измерительной аппаратуры.

В соответствии с этим все радиотехнические навигационные системы и устройства по принципу измерения физического параметра подразделяются на следующие группы: амплитудные, фазовые, частотные и импульсные. Рассмотрим кратко каждую группу.

а) Амплитудные устройства, в которых используется изменение амплитуды колебаний, т.е. ослабление или увеличение слышимости сигналов или изменение отношения интенсивности слышимости двух принимаемых колебаний. К этой группе относятся курсовые радиомаяки, радиопеленгаторы различных типов и т.д.

б) Если для определения места судна с помощью устройств производят измерение разности фаз между колебаниями, то такие устройства относят к фазовым. В этих устройствах измерение фазовых углов производится с помощью фазометров или фазовых счетчиков и самописцев, отмечающих изменение числа фазовых циклов (радиолаг, радиодальномер, фазовый радиомаяк, фазовая радионавигационная система и др.).

в) Частота редко является объектом измерения. В судовождении обычно измеряется разность частот электромагнитных колебаний, называемая допплеровским приращением частоты (эффект Допплера). С помощью допплеровского метода определяется радиальная составляющая скорости или ускорения излучателя относительно объекта отражения, т.е. сближение излучателя с судном или удаление от него. Это дает возможность успешно реализовать данный метод в навигационных целях:

- для определения места судна с помощью радиодопплеровских систем, т.е. таких радионавигационных систем, в которых излучающее устройство помещается на движущемся искусственном спутнике Земли, а устройство, принимающее и регистрирующее допплеровский сдвиг частот, - на судне;

- для определения скорости судна, а также наблюдения за подводной обстановкой при использовании эффекта Допплера применительно к звуковым волнам в

- допплеровских гидроакустических системах, в которых регистрирующее допплеровский сдвиг частот устройство устанавливается на судне, а объектом отражения является морское дно или подводный объект.

г) Во многих радионавигационных устройствах измеряется время, причем различают:

- Устройства, в которых измеряется время, необходимое для распространения радиоволн на измеряемое расстояние;

- Устройства, в которых измеряются интервалы времени между моментами приема сигналов.

Несмотря на очень широкое приминение радиоволн в навигации характер их распространения накладывает серьезные ограничения на выбор их диапазонов. В радионавигационных системах дальнего действия используется только длинновол-

новый диапазон, а коротковолновые диапазоны применяются в радионавигационных системах, действующих в условиях прямой видимости.

Ограничения на использование световых волн накладывают погодные условия, от которых целиком зависит надежность их применения. Однако с изобретением прибора, искусственно генерирующего световое излучение –лазера, появилась возможность использования световых излучений для измерения не только направлений, но и расстояний и скоростей, причем технические прогнозы показывают на очень высокую точность потенциальных лазерных измерителей скорости и расстояний.

Невидимый для человеческого глаза диапазон электромагнитных колебаний – инфракрасное излучение, применяется в специальных приборах и устройствах для автоматического обнаружения целей и систем самонавидения на цели. Достижения современной инфракрасное техники позволили вплотную подойти к созданию совершенных навигационных систем, использующих естественное и искусственное излучение тел (маяки, другие суда, планеты)

6. Собственные колебания изолированных физических систем характеризуются высоким постоянством периода. В настоящее время кроме традиционныъ судовых хронометров, использующих постоянство периода крутильных колебаний пьезокварцевых пластин со стабильностью частоты 10-7 – 10-9. Сверхстабильность можно получить при использовании молекулярных, атомных и ядерных резонансов. Ощутить степень точности хранителей времени можно в сравнении: если морские хронометры имеют погрешность хода 1-4с за сутки, то ядерные генераторы стабильной частоты отличаются от истинного хода времени на 1с за сотни миллионов лет. Сверхстабильные стандарты времени необходимы для более полного раскрытия диапазона использования дальних и сверхдальних систем связи и радионавигации.

Таким образом, мы кратко рассмотрели принципиальные возможности измерений и использования различных физических явлений в навигационной аппаратуре, системах и устройствах.

1.3.2 Погрешности навигационных элементов

Все НЭ являются результатами измерений. Так как источниками НЭ являются измерения, а все измерения производятся с какими-то случайными погрешностями, то все НЭ — величины случайные.

Измерение — физический процесс сравнения измеряемой величины с единицей измерения (эталоном). Оно производится с помощью приборов или инструментов. В процессе измерения участвуют также оператор, производящий измерения, объект измерения и внешняя среда.

Измерительный прибор, оператор, объект измерения и внешняя среда составляют условия измерения. В общем случае результат измерения тесно связан с условиями измерения и зависит и от технического состояния

измерительного прибора, и от навыков и психофизического состояния оператора, и от характера объекта измерения, и от параметров внешней среды.

Условия измерения определяют совокупность факторов, воздействующих на измерение. Чем полнее учтены все факторы, воздействующие на измерение, тем точнее результат измерения. Но учесть можно только постоянные или закономерно изменяющиеся факторы. Следовательно, невозможно получить и неиска-женный результат измерения. В общем случае он будет отличаться от истинного значения.

Разница между измеренным и истинным значениями называется в общем случае погрешностью измерения. Величина погрешности измерения зависит от соотношения количества учтенных и неучтенных факторов. Очевидно, что измерение имеет смысл лишь тогда, когда основная масса воздействующих факторов известна и учитываема.

Непосредственными источниками погрешностей измерения являются:

- несовершенство измерительных приборов (ограниченный предел точности шкалы, колебания технических параметров прибора, наличие технологических погрешностей работы отдельных узлов и схем прибора);

- несовершенство органов чувств человека и нестабильность его психофизического состояния в процессе измерения;

- незакономерные колебания параметров внешней среды, прямо или косвенно воздействующих на результат измерения.

Измеренные НЭ, как правило, подвергаются обработке — исправляются поправками или служат исходной информацией для расчета других НЭ.

Полученные в результате обработки НЭ помимо погрешностей измерения содержат дополнительные погрешности, связанные с несовершенством метода обработки, а также с внесением в измеренные результаты поправок, содержащих свои погрешности.

Таким образом, погрешность НЭ в общем случае состоит из погрешности измерения и погрешности обработки. Погрешность НЭ может быть абсолютной и относительной. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряе

мой величины и равна разности между полученным значением НЭ (и) и его истинным значением U₀