Методы определения места судна по НКА

Рис. 6.2. Зенитное расстояние НКА

Рис. 6.1. Параллактический треугольник НКА

Особенности навигационного использования ИСЗ (НКА)

Использование ИСЗ (далее НКА) в качестве подвижных опорных станций спутниковой навигационной системы (СНС) открывает широкие возможности для решения навигационной задачи определения места судна в море.

Однако, применение быстро перемещающихся в пространстве опорных станций для навигационных целей, возможно лишь в том случае, если пространственные координаты этих станций (НКА) относительно земной поверхности в момент измерения навигационных параметров известны с необходимой точностью.

Это условие может быть выполнено при соблюдении двух условий:

1. Если известны уравнения движения НКА в функции времени и время, прошедшее с момента, когда координаты НКА были известны, до момента их измерений на судне;
2. Если одновременно с радионавигационными сигналами НКА НКА излучают и сигналы, несущие информацию о его фактических координатах.

Радионавигационные параметры определяются сравнением заранее предвычисленных (на основании законов движения НКА) с измеренными.

При круговой орбите НКА предвычисленные значения определяемых радионавигационных параметров можно получить по формулам сферической тригонометрии (рис.6.1) из параллактического треугольника спутника ZCP_N в котором:

• А – азимут НКА;
• δ – склонение НКА;
• φ – широта места судна на время замера радионавигационных параметров;
• Z = 90° – h – зенитное расстояние НКА;
• t_M – местный часовой угол НКА.

Расстояние до НКА (D) находится из соотношения:

где

cos Z = sin δ · sin φ + cos δ · cos φ · cos t_M

Движение НКА в первом приближении подчиняется законам Кеплера. Однако, вследствие сопротивления атмосферы и влияния аномалий гравитационного поля Земли фактическое движение НКА по своей орбите отклоняется от расчетного, поэтому необходимо систематически наблюдать за движением НКА с Земли и своевременно вносить поправки в информацию о его фактических пространственных координатах.

Одновременно с этой информацией должна передаваться информация, позволяющая привести наблюдения за движением НКА на наземных пунктах и навигационные определения по этим НКА к единой системе времени.

Следовательно, необходимым элементом СНС, основанной на использовании НКА, является комплекс наземных станций, наблюдающих за движением НКА, входящих в эту СНС, обеспечивающих информацию об их движении и привязку всех измерений в едином для всей системы времени. Этот комплекс называется наземным контрольно-измерительным комплексом (КИК).

Таким образом, использование НКА в качестве подвижных опорных станций не исключает и наземные опорные станции, координаты которых определены очень точно.

Далее предполагается, что на судне имеется информация о параметрах движения НКА по орбите и известно время, к которому отнесена эта информация.

Для судна одна поверхность положения (высота) всегда известна. Поэтому определение места судна по НКА сводится к отысканию точки пересечения линий положения на поверхности земного сфероида.

Существенное значение для работы СНС, основанной на использовании НКА, имеет большая скорость изменения радионавигационных параметров, определяемых при помощи этой системы, позволяющая применять методы навигационных определений, основанные на измерениях скорости и ускорения сближения НКА и судна. Эти методы осуществляются посредством наблюдения за приращением частоты принимаемых от НКА сигналов, возникающих вследствие эффекта Доплера.

Одной из особенностей навигационного использования НКА, обусловливаемой своеобразным характером его движения относительно земной поверхности, является различие условий геометрической видимости НКА на различных широтах в зависимости от параметров орбиты.

Способы радионавигационных определений по НКА

Условия навигационных определений с движущегося судна относительно подвижной или неподвижной опорной станции различаются между собой только скоростью изменения навигационных параметров, определяемых относительно опорных станций.

Вследствие этого навигационное определение при помощи НКА можно производить теми же способами, что и при использовании РНС с неподвижными опорными станциями.

Однако, большие скорости изменения навигационных параметров:

1. Исключают возможность неавтоматических или полуавтоматических измерений;
2. Резко повышают требования к скорости отработки следящих систем судовых приемоиндикаторов;
3. Создают возможность эффективного использования скоростных методов определения линий положения.

С учетом перечисленных особенностей при помощи НКА можно определять место судна в море, измеряя:

• расстояния до НКА;
• направления на НКА в горизонтной системе координат;
• разности расстояний до нескольких последовательных положений НКА на орбите;
• скорость и ускорение сближения с НКА.

Расстояния до НКА можно измерять способами: 1) «запрос-ответ» и 2) с помощью «двух генераторов».

Определение направлений, то есть высоты (зенитного расстояния) и азимута на НКА, методически не отличается от определения направлений на небесные светила.

Разность расстояний до нескольких последовательных положений НКА можно получить, измеряя величину угла изменения фазы принимаемого сигнала, за счет изменения длины пути, проходимого этим сигналом между НКА и судном.

Такое измерение можно осуществить по блок-схеме (рис.6.3) путем непрерывного сравнения частоты колебаний, принимаемых от НКА, с частотой колебаний опорного генератора и интегрирования набега фазы за счет эффекта Доплера.

Рис. 6.3. Блок-схема доплеровского метода определения линии положения

Основным условием выполнения измерений по этой схеме является равенство частоты (ω_И) колебаний, излучаемых с НКА и частоты (ω₀) колебаний опорного генератора.

Хотя доплеровское приращение частоты принимаемых колебаний здесь непосредственно не измеряется, а используется лишь для измерения суммарного сдвига фаз сравниваемых колебаний, рассмотренный фазовый метод определения разности расстояний до НКА часто называют доплеровским методом.

Доплеровский метод определения линии положения при помощи НКА можно осуществить двумя основными способами: 1) дифференциальным и 2) траверзным.

Дифференциальный способ измерения скорости сближения сводится к прямому измерению мгновенных значений разности частот принимаемых колебаний и колебаний местного опорного генератора (рис.6.4).

Рис. 6.4. Блок-схема дифференциального способа измерения скорости сближения с НКА

Если частота ω_И = ω₀, то величина доплеровского приращения частоты при известных значениях ω_И и υ_Ф определяет значение производной dD / dt, то есть скорость сближения НКА и судна.

Траверзный способ измерения ускорения сближения с НКА осуществляется путем определения момента прохождения доплеровского приращения частоты (Δ ω_д) через нуль и сводится к измерению скорости изменения частоты в этот момент.

Так как в момент, когда Δ ω_д = 0, судно находится на траверзе орбиты НКА, этот способ и называют траверзным.

Измеренное значение скорости изменения частоты определяет вторую производную от расстояния до НКА по времени, то есть ускорение сближения НКА и судна.

Траверзным способом определения координат места судна за одно прохождение НКА можно получить всего лишь две линии положения, пересекающихся под углом 90°.

Малое количество получаемой информации является наиболее существенным недостатком траверзного способа. Однако этот недостаток компенсируется более простой обработкой получаемой информации, что позволяет определять место судна по НКА без специальной судовой ЭВМ.

Основным содержанием навигационной задачи, решаемой с помощью навигационной аппаратуры потребителя (НАП), является определение пространственно-временных координат подвижного объекта (судна), а также составляющих его скорости. В результате решения навигационной задачи должен быть определен вектор состояния судна.

Непосредственно измерить элементы вектора состояния не представляется возможным. У принятого с НКА радиосигнала определяют отдельные его параметры (например, задержку или доплеровский сдвиг частоты). Поэтому измеряемый в интересах навигации параметр радиосигнала называют радионавигационным, а соответствующий ему геометрический параметр – навигационным. Например, задержка радиосигнала и его доплеровское смещение частоты (f_ДОП) являются радионавигационными параметрами, а соответствующие им дальность до судна (D) и радиальная скорость сближения (V_ρ) – навигационными параметрами.

Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением навигационного параметра называется поверхностью положения.

Пересечение двух поверхностей положения определяет линию положения – геометрическое место точек, имеющих два определенных значения двух навигационных параметров.

Местоположение судна определяется координатами трех поверхностей положения или двух линий положения. Иногда (из-за нелинейности) две линии положения могут пересекаться в двух точках. Тогда, для нахождения места судна, необходимо использовать дополнительную поверхность положения или другую информацию о его месте.

Для решения навигационной задачи используют функциональную зависимость между навигационными параметрами и компонентами вектора состояния судна . Соответствующие функциональные зависимости называются навигационными функциями.

Навигационные функции получают различными методами, основные из которых:

• дальномерный (А);
• псевдодальномерный (Б);
• разностно-дальномерный (В);
• радиально-скоростной (Г).

Могут быть использованы и другие методы и их комбинации, в том числе и для определения ориентации судна.

Структура глобальных навигационных спутниковых систем

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) предназначена для непрерывного и высокоточного определения координат места различных подвижных объектов, их курса и скорости в любой точке Земли или околоземного пространства, в любое время суток и в любую погоду.

В настоящее время навигационные спутниковые системы нашли самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, но особое место в силу своих положительных свойств (глобальность, высокая точность, независимость от погодных условий, времени суток и сезона) они нашли на транспорте.

Качественный облик (структура, способы функционирования и эксплуатационные характеристики) ГНСС во многом обусловлены требованиями потребителей к точности навигационного обеспечения и методам навигационных измерений. Для достижения непрерывности определения места судна в любом районе Мирового океана вне зависимости от погоды, сезона и времени суток в составе современных ГНСС второго поколения ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США) функционируют три основные подсистемы:

• навигационных космических аппаратов (НКА) – космический сегмент;
• контроля и управления – наземный командно-измерительный комплекс (КИК) или сегмент управления;
• навигационной аппаратуры потребителей (НАП) – судовые приемоиндикаторы (ПИ).

Основной задачей, решаемой ГНСС, является определение пространственных координат местоположения подвижного объекта и времени. Эта задача реализуется путем вычисления искомых навигационных параметров непосредственно в приемоиндикаторе на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких видимых НКА с известными координатами. Применение беззапросных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропускной способности ГНСС.

Для определения места судна одновременно принимают данные не менее чем от трех НКА (рис.6.5). При пересечении линий положения I–I, II–II, III–III может получиться фигура погрешностей (треугольник).

В этом случае вероятнейшее место судна будет находиться в точке пересечения биссектрис вершин (внутренних углов) треугольника погрешности (рис.6.6).