Файл: Курс лекций Владивосток 2010.pdf

Федеральное агентство морского и речного транспорта
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского»
А. А. Лентарёв
Н А В И Г А Ц И Я
Часть II
Курс лекций
Владивосток
2010

Федеральное агентство морского и речного транспорта
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского»
А. А. Лентарёв
Н А В И Г А Ц И Я
Часть II
Курс лекций
Рекомендовано Дальневосточным региональным отделением учебно-методического объединения по образованию в области эксплуатации водного транспорта (ДВ РОУМО) в качестве учебного пособия для студентов (курсантов) морских специальностей вузов региона
Владивосток
2010

УДК 656.61.052
Лентарёв, А. А. Навигация [Текст] : в 3 ч. Ч. II : курс лекций. – Вла- дивосток : Мор. гос. ун-т, 2010. – 148 с.
Представлены тексты лекций по навигации, посвященные про- блемам использования радиотехнических средств судовождения.
Предназначено для курсантов и студентов морских специально- стей вузов Дальневосточного региона.
Ил. 53, табл. 11, библиогр. 18 назв.
Рецензенты:
И. Ф. Коростелев, к. д. п., доцент ДВГТРУ;
В. А. Горячев. к. д. п., заведующий кафедрой судовождения
ИПК
©
Лентарёв А. А., 2010
©
Морской государственный университет
ISBN им. адм. Г. И. Невельского, 2010 9,5 уч.-изд. л. Формат 60 × 80 1/16
Тираж 300 экз. Заказ №__________
Отпечатано в типографии РПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского
690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

3
ВВЕДЕНИЕ
В Морском государственном университете имени адмирала
Г. И. Невельского дисциплина «Навигация и лоция» изучается на 3 –
4 курсах судоводительской специальности в течение четырёх семест- ров. При этом дисциплина структурирована следующим образом:
– навигация, часть 1 (основы навигации) – 5-й семестр;
– навигация, часть 2 (плавание с использованием радиотехниче- ских средств судовождения) – 6-й семестр;
– навигация, часть 3 (навигационное обеспечение судовождения при различных обстоятельствах) – 7-й семестр;
– лоция – 8-й семестр.
В настоящем пособии представлены тексты лекций по навигации, содержание которых соответствует разделам 6–9 примерной програм- мы по навигации и лоции, рекомендованной Минобразования России по специальности 2400200 «Судовождение».
Данное пособие предназначено для курсантов судоводительской специальности, а также для начинающих преподавателей. В пособии отражены изменения, произошедшие в современной радионавигации со времени выхода последнего учебника по навигации в 1997 г. Учи- тывается также специфика Дальневосточного региона.
Пособие рассчитано на 30 часов лекций, отведённых учебным планом в 7 семестре, и поэтому не содержит исчерпывающего мате- риала по рассматриваемым темам. Для более детального изучения из- лагаемого материала следует обращаться к основной и дополнитель- ной литературе, указанной в начале каждой лекции. Выбранный в по- собии объём учебного материала предполагает, что для рационально- го использования лекционного времени рисунки, таблицы, формулы и основные определения следует представлять в виде компьютерной презентации или с помощью видеопроектора.
Замечания и предложения по содержанию данного пособия мож- но направлять автору по адресу: 690059, Владивосток, ул. Верхне- портовая, 50а, кафедра судовождения или по E–mail: lenta- rev@msun.ru

4
ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ СУДОВОЖДЕНИЯ
(2 часа)
1.1. Распространение электромагнитных волн в атмосфере. Понятие о радионавигационном параметре.
1.2. Общие понятия о радиотехнических средствах судовождения, их виды и классификация.
1.3. Краткий исторический обзор использования РТС в судовождении.
Литература: [1], с. 359–380; [2], c. 300–302; [8], с. 151–162.
1.1. Распространение электромагнитных волн в атмосфере.
Понятие о радионавигационном параметре
Из курса физики известно, что в соответствии с законом электро- магнитной индукции, если какой–либо проводник движется в магнит- ном поле, то на его концах возникает электродвижущая сила (ЭДС), называемая ЭДС индукции. Если проводник замкнут в виде контура, то по нему пойдет индукционный ток, формируя в окружающем про- странстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вих- ревое поле). ЭДС индукции возникает при всяком изменении магнит- ного поля через любой, даже неподвижный контур. Поскольку маг- нитный поток в этом случае изменяется, то и индукция возникающего электрического поля также будет изменяться, т. е. это поле будет пе- ременным.
В свою оче- редь, изменение во времени ин- дукции электри- ческого поля D в любой точке про- странства создает переменное вих- ревое магнитное поле, вектор ин- дукции которого
В лежит в плос- кости, перпенди- кулярной вектору
D
(рис.
1.1а).
Возникающее пе-
Рис. 1.1. Формирование электромагнитного поля: а) возникновение вихревого магнитного поля при изме- нении индукции электрического поля; б) возникновение вихревого электрического поля при из- менении индукции магнитного поля
0

dt
dD
0

dt
dB
B
D
a) б)

5
ременное магнитное поле опять создает переменное электрическое поле и так далее. В результате формируется электромагнитное поле, представляющее собой совокупность взаимогенерирующих перемен- ных электрических и магнитных полей, векторы которых взаимосвя- заны друг с другом правилами правого (1.1а) и левого (рис. 1.1б) вин- тов.
С математической точки зрения эта законо- мерность описывается основными уравнениями
Д. Максвелла, который установил, что возник- шее в какой–либо точке изменение электрическо- го (или магнитного) поля будет перемещаться из одной точки пространст- ва в другую. При этом будут происходить вза- имные превращения электрических и магнитных полей, обеспечивая формирование элек- тромагнитных волн и их распространение в пространстве примерно со скоростью света с = 3·10 5
км·с
–1
. Векторы напряжённости электриче- ского и магнитного полей (Е и Н) в электромагнитной волне взаимо- перпендикулярны, а вектор скорости распространения волны Vпер- пендикулярен плоскости, в которой лежат векторы Е и Н (рис. 1.2). В любой точке пространства электромагнитное поле количественно ха- рактеризуется амплитудным значением напряжённости его электриче- ской составляющей Е, которое изменяется по синусоидальному зако- ну (рис. 1.3). Следовательно, электромагнитные волны, подобно вся- ким гармоническим колебаниям, характеризуются следующими па- раметрами:
 период колебаний (Т) – время, в течение которого напряжен- ность электрической составляющей совершает полный цикл своего изменения;
 амплитуда колебаний (А) – максимальное значение напряжён- ности электрической составляющей электромагнитного поля;
 длина волны (λ) – расстояние, проходимое волной за один пе- риод колебаний;
 частота колебаний (f) – количество периодов колебаний (цик- лов) в секунду.
V
Н
Е
Рис. 1.2. Распространение электромагнитного поля

6
Параметры электромагнитной волны связаны между+- собой сле- дующими соотношениями:
λ = с·Т, Т = 1/f, f = с/λ . (1.1)
Поскольку электромагнитные волны являются гармоническими колебаниями, то они могут быть описаны синусоидальным законом
x = A·sin (ωt + φ), (1.2) где x – смещение колебания (в данном случае – текущее значение на- пряжённости электрического поля); (ωt + φ) – фаза колебания; φ –
начальная фаза; ω – круговая частота, равная ω = 2π/Т = 2πf, рад/с.
Фаза является важнейшей характеристикой гармонических коле- баний. С одной стороны, фазу колебания можно определить как угло- вую меру времени, прошедшего с момента начала колебаний. С дру- гой стороны, фаза определяет величину смещения и направление его изменения в любой момент времени. Исходя из соотношения (1.2), фаза, подобно времени, отсчитываемому на циферблате часов, повто- ряется через каждый цикл колебаний.
С учетом рассмотренных особенностей электромагнитного поля можно утверждать, что любая его точка в каждый момент времени характеризуется конкретными значениями параметров электромаг- нитных волн. Следовательно, если измерить один из таких параметров
(фаза, смещение или промежуток времени от момента излучения вол- ны до момента её приёма), то, используя приведённые выше соотно- шения, можно определить, например, расстояние до точки излучения колебаний. Такие измеряемые величины, характеризующие каждую точку электромагнитного поля, называют радионавигационными па- раметрами. Каждому значению радионавигационного параметра соот-
t
х
T
T
Рис. 1.3. Параметры электромагнитных колебаний
+А
-А
S
λ
λ

7
ветствует определённое значение навигационного параметра, как пра- вило, расстояние или разность расстояний.
Кроме того, способность электромагнитных колебаний отражать- ся от плотных и твердых поверхностей обеспечивает принципиальную возможность определения направления (пеленга) на объекты, обла- дающие соответствующей отражательной способностью.
Таким образом, возможность навигационного использования элек- тромагнитных колебаний обусловливается их следующими особенно- стями: а) распространение в пространстве по кратчайшему расстоя- нию с известной скоростью (скорость света); б) функциональные за- висимости между параметрами электромагнитных волн; в) способ- ность отражаться от объектов с соответствующей отражательной спо- собностью. А суть их навигационного использования заключается в измерении радионавигационных параметров, на основе которых опре- деляются или рассчитываются соответствующие им навигационные параметры, которые затем применяются для получения обсерваций обычными способами.
Таблица 1.1
Диапазоны частот электромагнитных колебаний
Номер диапазона
Диапазон частот
Длина волны
4 3–30 кГц
(очень низкие частоты – ОНЧ)
100–10 км
(сверхдлинные волны – СДВ)
5 30–300 кГц
(низкие частоты – НЧ)
10–1 км
(длинные волны – ДВ)
6 300–3000 кГц
(средние частоты – СЧ)
1000–100 м
(средние волны – СВ)
7 3–30 МГц
(высокие частоты – ВЧ)
100–10 м
(короткие волны – КВ)
8 30–300 МГц
(очень высокие частоты – ОВЧ)
10–1 м
(ультракороткие волны – УКВ)
9 300–3000 Мгц
(ультравысокие частоты – УВЧ)
100–10 см
10 3–30 Ггц
(сверхвысокие частоты – СВЧ)
10–1 см
11 30–300 ГГц
10–1 мм
12 300–3 ТГц
1–0,1 мм

8
В соответствии с международной классификацией весь возмож- ный спектр частот электромагнитных колебаний разделен на 9 диапа- зонов, обозначаемых номерами от 4 до 12 (табл. 1.1). При этом гра- ницы между диапазонами достаточно условны.
Электромагнитные колебания, соответствующие 4 – 8 диапазо- нам, принято называть радиоволнами. Именно радиоволны лежат в основе работы всех видов радиотехнической аппаратуры, используе- мой в навигации. Поскольку такая аппаратура работает на основе из- лучения и приёма радиоволн, то её основными элементами являются:
 передатчики – устройства, генерирующие электромагнитные колебания;
 антенны – устройства, обеспечивающие излучение и приём электромагнитных колебаний;
 приёмники – устройства, обрабатывающие радиоволны, посту- пившие на приёмную антенну. Часто приёмники и передатчики объе- диняются в единое устройство, называемое приёмопередатчиком.
1.2. Общие понятия о радиотехнических
средствах судовождения, их виды и классификация
Рассмотренные выше возможности определения навигационных параметров по измеренным характеристикам электромагнитных волн позволили разработать целый комплекс радиоэлектронных устройств, станций, систем, которые принято называть радиотехническими сред- ствами (РТС) судовождения. РТС используются для решения основ- ных задач навигации: обеспечение безопасности мореплавания, опре- деление места судна и управление судном. При плохой видимости вдали от берега, когда невозможно использовать визуальные методы определения места, только РТС позволяют успешно решать задачу контроля местоположения и движения судна.
РТС классифицируются по нескольким признакам: радионавига- ционному параметру, навигационному параметру и дальности дейст- вия. Определение места с использованием РТС начинается с измере- ния радионавигационного параметра, по виду которого выделяются следующие РТС:
– амплитудные (измеряется величина (смещение) принятого ра- диоимпульса);
– фазовые (измеряется разность фаз колебаний, принятых от двух излучающих станций);

9
– импульсные, или времяизмерительные (измеряется разность времени между моментами излучения и приёма импульса или момен- тами приёма импульсов от двух станций);
– импульсно-фазовые, или комбинированные (измеряются и раз- ность фаз, и разность времени приёма двух импульсов);
– частотные, или доплеровские (измеряется доплеровский сдвиг частоты).
По измеренному радионавигационному параметру в РТС выпол- няется расчёт навигационного параметра, по виду которого различа- ются следующие РТС:
– азимутальные (определяется пеленг на источник радиоизлучения);
– дальномерные (рассчитывается расстояние до источника радио- излучения);
– азимутально-дальномерные (рассчитываются пеленг и расстояние);
– разностно-дальномерные (рассчитывается разность расстояний до двух источников радиоизлучения).
Поскольку изолинией разности расстояний является гипербола, то разностно-дальномерные РТС называют также гиперболическими.
По дальности действия различаются следующие РТС:
– глобальные, обеспечивающие возможность определения места судна в любой точке Земли;
– дальней навигации (1500–2000 миль от радиопередающих стан- ций);
– средней навигации с дальностью действия до 400-500 миль;
– ближней навигации с дальностью действия до 100-150 миль;
– лоцманской проводки, используемые для плавания в узкостях, на подходах к портам, в портовых водах.
РТС
РНС
РЛМк
(РЛО
)
Судовые РТС
РЛС,
ОСДР
Космические
РТС
Береговые РТС
(РТСНО)
РМк
Рис. 1.4. Основные РТС, используемые на морском флоте
АИС
СНС

10
Виды основных РТС, используемых на морском флоте, показаны на рис. 1.4, где они структурированы по месту расположения передат- чика рабочих сигналов (судно, земля, космос), т. е. тех сигналов, ко- торые используются для измерения радионавигационных параметров.
Судовые РТС, которые работают без использования берегового обо- рудования, иногда называют автономными. К таким РТС относится, например, судовая радиолокационная станция (РЛС), являющаяся времяизмерительным азимутально-дальномерным РТС ближней нави- гации и представляющая собой комплекс радиоэлектронных и элек- тромеханических устройств, обеспечивающий обнаружение, опреде- ление координат (в полярной системе) и элементов движения надвод- ных объектов, отражающих радиоволны (суда, береговая линия, над- водные и береговые сооружения, айсберги и т. п.). К судовым РТС также можно отнести автоматизированные идентификационные сис- темы (АИС), хотя аппаратура АИС используется также и в береговых службах. Основное назначение АИС заключается в обеспечении безо- пасности мореплавания и автоматизации обмена навигационной ин- формацией в режиме «судно – судно» и «судно – берег». Дальнейшим развитием АИС являются системы обнаружения и слежения на даль- нем расстоянии (ОСДР), которые появились на судах совсем недавно.
Однако большинство РТС работает с помощью радиоизлучения специальных береговых (наземных) радионавигационных устройств, вся совокупность которых называется радиотехническими средствами навигационного обеспечения (РТСНО). К основным традиционным
РТСНО относятся радиомаяки, радиолокационные маяки-ответчики и радионавигационные системы, а также радиопеленгаторные станции и радиостанции, работающие по запросу для пеленгования.
Радиомаяк (РМк) является амплитудным азимутальным РТС ближней или средней навигации и представляет собой береговую ра- диопередающую станцию, по радиосигналам которой с помощью су- дового радиопеленгатора можно определить пеленг с судна на РМк или с РМк на судно, что зависит от вида РМк. Если РМк установлен на искусственном плавучем сооружении, то он называется плавучим
РМк.
Радиолокационные маяки-ответчики (РМО) являются амплитуд- ными азимутальными РТС ближней навигации, состоят из антенного устройства и приёмопередатчика и устанавливаются на маяках, све- тящихся знаках, буях или в специальных местах, координаты которых точно известны. Они используются для надёжного определения пе- ленга с судна на РМО с помощью судовой РЛС. К этому же виду РТС относятся и судовые радиолокационные ответчики (РЛО), устанавли-