Файл: Курс лекций Владивосток 2010.pdf

74
Учитывая, что фазовые измерения повторяются в пределах каж- дого периода колебаний Т, то формулу (5.13) можно записать в сле- дующем виде (по аналогии с выражением (5.7), которое получено для пространственной зависимости):
Δt
и
= NT + t
ΔФ ,
(5.14) где N – целое число периодов Т несущих колебаний, которое при фа- зовых измерениях получить нельзя; t
ΔФ
– доля периода Т, соответст- вующая разности фаз
ΔФ, которую можно измерить фазовым методом.
Устранение многозначности фазовых измерений величины Δt
и
, т. е. для определения числа N, в РНС «Лоран-С» выполняются до- полнительные измерения Δt
и
импульсным методом, т. е. по огибаю- щей импульсов.
Измерения как импульсным, так и фазовым методом неизбежно сопровождаются погрешностями. Следовательно, при импульсных измерениях имеем
Δt
и
= Δt
о
+δt
о
(5.15) и при фазовых –
Δt
и
= NT + t
ΔФ
+
δ
t
ΔФ ,
(5.16)
где Δt
о
– отсчет интервала времени;
δt
о
– погрешность измерения ин- тервала времени импульсным методом; δ
t
ΔФ
– погрешность измерения интервала времени фазовым методом.
В современных судовых ПИ при автоматическом расчете коорди- нат судна выполняется также совместное решение уравнений (5.15) и
(5.16), при котором определяется точное значение N:
Т
t
t
Т
t
t
N
Ф
o
Ф
o









. (5.17)
При этом однозначное определение N возможно в том случае, если погрешность измерения параметра импульсным методом (по огибаю- щей импульсов) не превышает половины периода несущих колебаний.
При использовании РНС «Лоран-С» для получения координат мес- та может быть использован один из следующих методов: табличный, картографический, с помощью автоматического ПИ.

75
Табличный метод заключается в использовании специальных таблиц, содержащих координаты точек пересечения гипербол с опре- деленными параллелями и меридианами. В этом случае для получения места используются хорды, которые аппроксимируют гиперболы в районе счислимого места. Для этого задаются двумя значениями дол- готы, между которыми попадает счислимое место, и по таблицам на- ходят два значения широты. Через заданные значения долгот и вы- бранные из таблиц значения широт проводится хорда в виде прямой линии. Таким же образом находятся точки, через которые проводится вторая хорда. Если гипербола пересекает меридиан под углом менее
45
о
, то, наоборот, по заданным широтам, между которыми находится счислимое место, выбираются долготы точек, через которые прово- дится хорда. За обсервованное место принимается точка пересечения двух найденных таким образом хорд. Табличный метод является уста- ревшим и в настоящее время практически не используется.
Более удобным является картографический метод определения координат, когда используются специальные радионавигационные карты РНС «Лоран-С», представляющие собой обычные навигацион- ные карты в меркаторской проекции, масштаб которых соответствует, как правило, путевым картам. На них нанесены сетки гипербол тех цепочек, которые попадают в район, охватываемый картой. Номера радионавигационных карт РНС «Лоран-С» сопровождаются литерой
LC (например, 62003-LC). Гиперболы разных пар станций имеют раз- ный цвет, они оцифрованы в микросекундах и проведены через 50,
100 или 200 мкс в зависимости от масштаба карты.
За обсервованное место принимается точка пересечения двух или трёх гипербол, соответствующих измеренным значениям радионави- гационного параметра (промежуток времени), которые в случае необ- ходимости исправляются поправками, приведёнными прямо на карте в районе пересечения координатных линий. Поправки делятся на дневные (обозначаются буквой D) и ночные (буква N). Кроме того, они бывают трех типов: 1) SS – оба сигнала принимаются на про- странственных волнах; 2) GS – сигнал ведущей принимается на по- верхностной волне, а ведомой – на пространственной; 3) SG – сигнал ведущей – на пространственной волне, ведомой – на поверхностной.
Картографический метод определения координат также является устаревшим, однако он достаточно удобен и может использоваться в качестве дублирующего, если в судовом ПИ предусмотрена индика- ция измеренного радионавигационного параметра.
Наиболее просто координаты судна определяются с использова- нием автоматических ПИ, в которых реализован аналитический спо-

76 соб расчета места судна и предусмотрена непрерывная индикация об- сервованных значений широты и долготы, которые можно непосред- ственно использовать при ведении исполнительной навигационной прокладки.
Для РНС «Лоран-С» также справедлив общий анализ точности гиперболических систем, представленный в разделе 5.1. В конкретном случае точность определения места по двум гиперболам РНС «Лоран-
С» можно оценить СКП обсервации, рассчитываемой следующим об- разом:
2 2
2 2
1 1
)
(
)
(
sin
T
d
T
d
m
М
t
о






, (5.18) где m
Δt
– погрешность измерения радионавигационного параметра Δt;
θ – угол пересечения гипербол, снимаемый с радионавигационной карты; d
1
и d
2
– расстояния между гиперболами для соответствующих пар станций, снимаемые с радионавигационной карты в милях или ка- бельтовых; ΔТ
1
и ΔТ
2
– измеренные значения радионавигационного параметра. В современных ПИ точность оценивается автоматически, и информация о классе точности обсервации индицируется на дисплее
ПИ.
Таким образом, стандартный разностно–дальномерный (гипербо- лический) режим работы РНС «Лоран-С» при благоприятных услови- ях на предельных расстояниях от станций обеспечивает определение места с радиальной СКП, равной 0.2–0,3 мили на поверхностных вол- нах и 0,5–1,0 мили на пространственных волнах (с вероятностью
0,95). По мере приближения к станциям точность увеличивается.
Следует отметить, что современная техника позволяет обеспечить очень точную синхронизацию излучения сигналов на ведущей и ве- домых станциях РНС, что даёт возможность реализовать не только разностно-дальномерный, но и чисто дальномерный метод определе- ния в традиционных РНС, в том числе и в РНС «Лоран-С».
Значительного повышения точности импульсно-фазовых РНС в локальных областях можно достичь, используя дифференциальный метод. Суть этого метода заключается в том, что в районе, где необ- ходимо обеспечить повышенную точность определения места (районы оживлённого судоходства, проливы, подходы к портам и т. п.) на бе- регу устанавливается специальная контрольная станция, координаты антенны которой определяются с максимально возможной точностью
(десятки сантиметров). ПИ, установленный на этой станции, принима- ет сигналы РНС «Лоран-С» и измеряет радионавигационный параметр

77
(разность времени). Измеренное значение этого параметра сравнива- ется с его истинным значением, рассчитываемым с учётом реальных атмосферных условий, точных координат антенны ПИ. Разность этих значений дает поправку на распространение радиоволн, которая авто- матически передается потребителям. Реализация дифференциального режима в РНС «Лоран-С» позволяет повысить точность определения места до 10–50 м в радиусе до 150–200 км от контрольной станции.
Часто для создания контрольных станций используется инфраструк- тура выведенных из эксплуатации круговых радиомаяков.
Рабочие зоны цепей РНС «Лоран-С» перекрывают территории
США и Канады и почти всё побережье североамериканского континен- та, Северную Атлантику, Скандинавию и Западную Европу, Северное и
Норвежское моря, атлантическое побережье Франции и Восточную Ат- лантику, Средиземное море, центральный и северо-западный районы
Тихого океана, большую часть побережья КНР, весь Аравийский полу- остров, районы Ближнего Востока, Красного моря, Персидского залива, залив Аден, часть побережья Индии. Общая площадь рабочих зон цепей
РНС «Лоран-С» превышает 95 млн. кв. км.

78
Принцип действия, рабочие частоты, эксплуатационные харак- теристики РНС «Чайка» и РНС «Лоран-С» практически одинаковы
(табл. 5.1), что обеспечивает возможность их совместного исполь- зования, как показано ниже.
В настоящее время работает 5 цепей РНС «Чайка», наименования которых, а также расположение ведущих и ведомых станций пред- ставлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Действующие цепочки РНС «Чайка»
№ Наименование цепочки
Расположение станций ведущей ведомых
1 Европейская
Брянск
Сызрань, Симферополь,
Петрозаводск, Слоним
(Белоруссия)
2 Восточная
Александровск-
Сахалинский
Петропавловск-Камчатский,
Охотск, Уссурийск,
Токачибуто (Япония)
3 Российско-
Американская
Петропавловск-
Камчатский
Александровск-
Сахалинский, о. Атту (Алеутские о-ва)
4 Северная
Дудинка
Инта, Таймылыр, о. Панкратьева
5 Северо–западная
Инта
Туманный, о. Панкратьева
Как видно из табл. 5.2, одна из станций Восточной цепочки на- ходится на территории Японии, а Российско-Американская цепь, на- ходящаяся в эксплуатации с 1994 г., объединяет одну из пар станций
Восточной цепи и одну из пар Алеутской цепочки американской «Ло- ран-С». Соглашением, подписанным правительствами России и Нор- вегии в 1995 г., предусматривается создание объединенной российско- норвежской цепочки «Чайка»/«Лоран-C». Проводятся также работы по созданию Российско-Корейской и Российско-Японской цепочек
(соглашение с этими странами от 2000 г.)
Общая площадь рабочих зон всех цепей РНС «Чайка» составляет около 20 млн. кв. км.
Помимо РНС «Чайка» в нашей стране эксплуатируются еще не- сколько гиперболических и дальномерных РНС, используемых в на- вигационных, гидрографических и иных целях.

79
Разностно-дальномерная фазовая многочастотная РНС «Марс-75» включает в себя цепь наземных передающих станций (ведущую и две- три ведомых) и бортовые ПИ. Система работает на длинных волнах
(частота около 77 кГц), которые хорошо распространяются над сушей и могут приниматься под водой. Полезные сигналы передаются на различающихся между собой частотах и несут дополнительную ин- формацию о качестве работы передающих станций цепи. Поочередное излучение сигналов с помощью узкополосной перенастраиваемой ан- тенны обеспечивает большую дальность действия системы (более 500 миль) при относительно малой мощности передатчиков. СКП опреде- ления навигационного параметра в РНС «Марс-75» не превышает
60 м. Определение места судна возможно в автоматическом режиме
(при наличии специализированного вычислительного устройства, со- пряженного с ПИ) или с помощью радионавигационных карт. Зона действия охватывает большую часть Японского и Охотского морей, а также районы, прилегающие к восточному побережью Камчатки.
Разностно-дальномерная фазовая РНС «Брас» содержит три на- земные передающие станции, обеспечивающие работу неограничен- ного количества бортовых ПИ. Работа системы осуществляется на шести несущих частотах, 4 из которых – навигационные. Для фазовых измерений используются только поверхностные сигналы. Однознач- ность фазовых измерений обеспечивается предварительным грубым измерением разности времени распространения сигналов от ведущей и ведомой станции по передним фронтам принятых импульсов (как в импульсных РНС). Процессы различения сигналов станций, измере- ния радионавигационного параметра, разрешения многозначности полностью автоматизированы. Для определения обсервованных коор- динат используются или автоматизированные ПИ или радионавигаци- онные карты-планшеты с сетками гипербол, адмиралтейский номер которых сопровожден сокращением БР. Дальность действия РНС
«Брас» составляет 100–120 миль. Суммарная СКП определения нави- гационного параметра составляет около 12 м.
Гидрографическая радиодальномерная автоматизированная РНС
«Грас-2» используется в прибрежной зоне для проводки судов по сложным фарватерам, для вывода судов в заданные точки, для коор- динирования галсов судов при обследовании районов в случае поиска аварийных судов, промера глубин и т. п. РНС «Грас-2» включает в се- бя две передающих станции-ответчики РД-2, которые могут работать одновременно с 5 судовыми запрашивающими станциями РД-1. На основе измерения фазового состояния сигналов передающих станций судовые станции позволяют измерить расстояния и получать или об-

80 сервованные географические координаты судна, или путевые коорди- наты судна в виде расстояния до точки поворота и бокового отклоне- ния с заданной линии пути. Дальность действия системы составляет
60 км (примерно 30 миль), СКП определения навигационного пара- метра (расстояния) – 3,5 мили. Предусмотрена также возможность из- мерения и индикации скорости судна.
Отечественные РНС, как правило, находятся в ведении военного ведомства и в морском торговом мореплавании практически не при- меняются, за исключением РНС «Чайка».
Несмотря на широкое развитие спутниковой навигации, наземные
РНС, в частности импульсно-фазовые РНС «Лоран-С» и «Чайка», в ближайшей перспективе останутся в арсенале судоводителя, посколь- ку они обладают целым рядом достоинств, основными из которых яв- ляются следующие:
– радиоволны, на которых работают эти системы, практически не подвержены помехам со стороны других промышленных источников, в отличие от сигналов таких частот, на которых работают спутнико- вые системы;
– возможность реализации других методов определения места судна (дальномерный, дифференциальный, режим одновременной ра- боты со смежными цепями, режим работы с функционально–
равноценными станциями);
 наличие развитой инфраструктуры таких систем: в настоящее время в мире функционирует 78 стационарных опорных станций им- пульсно-фазовой РНС «Лоран-С» (в США и Канаде – 29 станций, в
Европе – 8 станций, на побережье Средиземного моря – 4 станции, в
Саудовской Аравии – 5 станций, в Индии – 6 станций, в Японии – 4 станции, в Корее – 2 станции, в Китае – 6 станций), на территории РФ и СНГ – 14 станций РНС «Чайка», кроме этого на территории РФ раз- вернуты и функционируют более 20 мобильных опорных станций им- пульсно-фазовых РНС, объединенные в 7 цепей;
 возможность расширения рабочих зон действующих систем без дополнительного строительства новых станций за счет объединения действующих цепей как самой РНС «Лоран-С», так и других РНС;
 привлекательность для других отраслей экономики вследствие активного внедрения новых технологий в разрабатываемую передаю- щую и приёмную аппаратуру;
 возможность приёма сигналов систем под водой и подо льдом на глубинах до 15 м.
Однако в значительной мере перспективы РНС «Лоран-С» и
«Чайка» связаны с их использованием в качестве дублирующей сис-

81 темы определения места судна в рамках реализации концепции е-Навигация, которая подробно рассматривается в последней лекции.
ЛЕКЦИЯ 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ
СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ В СУДОВОЖДЕНИИ (2 часа)
6.1. Искусственные спутники земли. Орбиты, их характеристики и особенности.
6.2. Общие сведения о спутниковых навигационных системах.
6.3. Методы определения места с использованием искусственных спутников Земли. Навигационные параметры, изолинии и изопо- верхности. Первые спутниковые навигационные системы.
Литература: [1], с. 258–300; [2], с. 341–344; [5], с. 616–677;
[12], с. 5–26; [16]; [18], c. 141–150.
6.1. Искусственные спутники Земли.
Орбиты, их характеристики и особенности
Искусственным спутником Земли (ИСЗ) называется искусственно созданное небесное тело, вращающееся в поле тяготения Земли под воздействием только силы инерции. Скорость, при которой становит- ся возможным круговое движение ИСЗ над поверхностью Земли, на- зывается первой космической скоростью. Она определяется из усло- вия компенсирования силы земного притяжения центробежной си- лой, возникающей при вращении тела вокруг Земли:
2
c
o
m
mg



, (6.1) где m – масса ИСЗ; g – ускорение свободного падения; ρ
о
= R + H – радиус орбиты, равный сумме радиуса Земли R и высоты ИСЗ над по- верхностью Земли H; ω
с
– угловая скорость ИСЗ относительно центра
Земли.
Поскольку на высоте ρ
о
ускорение свободного падения g
о
=
g( ρ
о
/R)
2
, а угловая скорость – ω
о
= V
c
/ ρ
о
,то, используя эти соотно- шения для преобразования выражения (6.1), можно получить формулу для определения линейной скорости V
c
движения ИСЗ по круговой орбите на высоте Н