Возможности использования средств автоматической радиолокационной прокладки в навигации.

Средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП), в первую очередь, предназначены для предупреждения столкновения судов, однако при помощи САРП можно решать и навигационные задачи, задав неподвижный ориентир как цель, при этом мы можем:

· постоянно контролировать пеленг и дистанцию, получая мгновенные данные и, перенося их на карту, определять место судна;

· контролировать кратчайшие расстояния до опасных объектов;

· определять свой путь и скорость, при этом в сравнении со счислением получать данные о влиянии дрейфа и течения.

 

Современные РЛС позволяют наносить предварительную прокладку прямо на экран монитора, что позволяет контролировать движение судна как относительно проложенного пути, так и относительно имеющихся опасностей.

Тема 2.2. Использование в навигации спутниковых радионавигационных систем

2.2.1. Общее описание систем

В настоящее время спутниковые радионавигационные системы фактически стали основными навигационными приборами на мостике, их роль уже не ограничивается только функцией ОМС, сейчас их назначение гораздо шире. При помощи автоматических приёмоиндикаторов СРНС можно решать большинство навигационных задач как основных, так и вспомогательных.

На современном этапе развития СРНС сопряжены с другими навигационными приборами, что делает их важнейшей частью интегрированного навигационного комплекса.

В настоящее время полностью развёрнуты и действуют две глобальные системы СРНС:

· глобальная система позиционирования GPS, под управлением США;

· глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС, под управлением России.

Также уже действует региональная китайская система Компас и в состоянии развёртывания находится европейская система Галлилео.

СРНС второго поколения – это глобальная, ультракоротковолновая, всепогодная, круглосуточная, высокоточная, «сетевая» спутниковая радионавигационная система со спутниками на «средневысоких» орбитах, обеспечивающая возможность пассивного измерения «псевдодальностей» до нескольких навигационных ИСЗ одновременно, которая предназначена для непрерывного определения координат места и абсолютной скорости неограниченного числа подвижных объектов различных классов, в том числе – высокоскоростных и динамичных («потребителей системы»), а также для определения точного времени в навигационных и иных целях.

Основная задача СРНС это определение пространственно-временных координат. Причём вычисления выполняются непосредственно в аппаратуре потребителя, на основе принятой беззапросной информации от нескольких ИСЗ с известными координатами, это обеспечивает неограниченную пропускную способность СРНС.

Современные СРНС включают в себя четыре компонента.

Подсистема космических аппаратов (НКА), космический сегмент. Представляет собой сеть навигационных спутников, обеспечивающих формирование и излучение радиосигналов, необходимых для определения пространственно-временных координат подвижных объектов. Для выполнения этих задач в состав НКА входят:

· радиотехническое оборудование, содержащее передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от контрольно-измерительного комплекса, антенны, блоки ориентации;

· бортовые ЭВМ;

· бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ),обеспечивающий практически синхронное излучениенавигационных сигналов всеми спутниками системы;

· солнечные батареи и т.д.

Каждый навигационный ИСЗ в СРНС второго поколения является носителем:

· навигационной информации – путем излучения навигационных сигналов заданной структуры;

· информации о параметрах своей орбиты и своих координатах – путем передачи соответствующих строк «альманаха эфемеридной информации»;

· сигналов точного времени, так как БЭВЧ каждого спутника синхронизирован с текущим временем всей системы.

Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компонентыслужебных сообщений.

Навигационные определения в такой системе (вычисление обсервованных координат) осуществляются прежде всего на основе измеренных дальностей до спутников. Кроме того, структура сигналов ИСЗ позволяет получать радиальные скорости по измерениям доплеровских сдвигов несущих частот. Доплеровские сдвиги частоты могут быть использованы для вычисления какскоростей, так и координат потребителей.

К основным навигационным характеристикам НИСЗ относят зону обзора, зону видимости, продолжительность наблюдения спутника, орбитальную конфигурацию сети навигационных спутников системы, количество спутников в зоне радиовидимости одновременно и др.

Подсистема контроля и управления - это наземный командно-измерительный комплекс (КИК), обеспечивающий наблюдение и контроль над НКА.

Наземный КИК включает в себя Координационно-вычислительный центр (КВЦ), Станции траекторных измерений («слежения») и управления (СТИУ), Систему наземного эталона времени и частоты (СЭВЧ).

 

Блоки функционального дополнения поддерживают режим дифференциальных измерений на региональном уровне.Это локальные станции с известными координатами, вырабатывающие и передающие дифференциальные поправки в пределах рабочей зоны станции, что существенно повышает точность навигационных обсерваций, помогает обнаружить нарушения в режимах работы СРНС.

Подсистема потребителей, навигационная структура потребителей СРНС - это антенна и разнообразнейший спектр приёмоиндикаторов, обеспечивающих приём и последующую обработку сигналов спутников космического сегмента для получения необходимой потребителю навигационной информации, а именно пространственно-временные координаты, абсолютную скорость и др.

В состав АПИ СРНС, как правило, входят:

· антенное устройство с предварительным усилителем;

· приёмник сигналов;

· блок обработки информации и решения навигационных задач;

· устройства управления и контроля;

· устройства отображения информации и сопряжения с другими устройствами;

· система контроля функционирования АПИ;

· блок питания, позволяющий работать от судовой сети разных стандартов.

Автоматический приёмоиндикатор АПИ решает широкий круг основных и вспомогательных задач, а именно:

· вырабатывает непрерывную информацию о пространственных координатах, рассчитывает их средние значения, СКП и скорость по серии наблюдений;

· выдаёт на индикацию полученные результаты, а также обеспечивает сопряжение с другим навигационным оборудованием мостика;

· автоматически контролирует функционирование;

· позволяет работать в дифференциальном режиме;

· определяет навигационные параметры в заданной системе координат;

· возможность планирования перехода;

· расчёт времени прихода в точку с заданными координатами при известной скорости;

· расчёт скорости движения для прихода в точку в заданное время;

· расчёт расстояния и пр.

 

В настоящее время разработаны и производятся различные типы судовых АПИ СРНС,включая:

· АПИ общего типа – устанавливаемые на большинстве судов, обеспечивают решение основного круга задач и возможности сопряжения с другой аппаратурой на мостике, с соответствующими устройствами приема и обработки спутниковых сигналов, решения навигационных задач, управления, контроля и сопряжения с другими средствами, а также отображения навигационной информации;

· АПИ автономного типа – обеспечивают решение широкого круга задач в автономном режиме;

· АПИ типа датчика, входящие в состав интегрированной навигационной системы и включающие соответствующие устройства приема и обработки спутниковых сигналов, решения навигационных задач, сопряжения и отображения навигационной информации на выносном дисплее;

· небольшие (носимые, портативные) АПИ, обеспечивающие определение координат потребителя и решение простейших навигационных задач;

· портативные «лоцманские» АПИ (совмещенные с ЭКНИС), обеспечивающие прием и обработку спутниковых сигналов (в том числе – в режиме dGPS), решение навигационных задач, представление информации как в цифровой форме, так и на экране портативной ЭКНИС – в объеме, необходимом для обеспечения лоцманской проводки судна в заданном районе.

·

2.2.2. Точность определения места судна СРНС

Точность определения навигационного параметра.

На точность определения навигационного параметра влияет ряд факторов, среди них:

· погрешности, вызываемые условиями распространения радиоволн;

· влияние шумов;

· интерференция прямых и отражённых сигналов;

· рассогласование шкал времени спутников относительно общей шкалы системного времени всей спутниковой РНС;

· погрешности эфемеридной информации спутников;

· помехи – естественные и искусственные, в т.ч.– целенаправленные;

· другие источники погрешностей.

В результате воздействия различных факторов точность для «хороших» обсерваций составляет 12 – 50 м., для «удовлетворительных» обсерваций -ещё больше.

Дифференциальный метод позволяет повысить точность обсерваций до 3 – 10 м.

Идея дифференциального метода определения места заключается в том, чтоназемными контрольными пунктами с известными координатами производятся измерения навигационных параметров по сигналам системы. Параметры с периодичностью 1 мин транслируются потребителям, находящимся в окрестностях контрольных пунктов. Потребители принимают параметры контрольно-корректирующей станции и сигналы системы. Их совместная обработка позволяет исключить регулярные (коррелированные) погрешности и существенно повысить точность определения координат потребителя. К коррелированным погрешностям измерений относятся:

– погрешности эфемерид;

– погрешность рассогласования шкал времени спутников;

– погрешности за условия распространения радиоволн;

– геодезические погрешности.

Точность определения координат повышается более чем в четыре раза. Эти цифры относятся и к определению скорости. Случайные погрешности снижают точность дифференциального метода примерно на 30%. Поэтому на контрольных пунктах принимаются специальные меры для снижения случайных погрешностей. Точность ухудшается по мере удаления потребителя от контрольного пункта.

Известны различные способы дифференциальных определений.

1. Метод коррекции обсервованных координат.

2. Более перспективным является Метод коррекции навигационных параметров, т.е.метод дифференциальных определений невязок квазидальностей, однако недостатком метода является повышение сложности аппаратуры потребителей.

Следует отметить, что главное преимущество дифференциального способа – существенноеповышение точности навигационных определений – в определенной степени всегда усложняетаппаратуру потребителя: необходим приемник дифференциальных поправок («приставка» к АПИ)и дополнительное математическое обеспечение.

По количеству контрольных пунктов и организации взаимодействия потребителя с ними дифференциальныеопределения подразделяются на два варианта: общепринятый и развитый.

Общепринятый дифференциальный вариант основан на работе потребителя с одним контрольным пунктом. Модель этого варианта учитывает зависимости погрешностей квазидальностей засчет неточности эфемеридной информации, от угловых высот спутников, удаления пользователяот контрольного пункта. Учитываются в модели также зависимости ошибок за условия распространения радиоволн. Однако суммарная погрешность в такой модели достаточно велика и существенно возрастает при удалении.

Применение данного метода наиболее эффективно на таких удалениях от ККС, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленныевнешними (по отношению к приемнику) причинами. Эти систематические ошибки в значительной степени компенсируются приблизком расположении потребителя и контрольного пункта. Поэтому радиусзоны эффективного обслуживания базовой станции составляет обычно не более 250–300 миль.

Развитый дифференциальный вариант позволяет сохранить высокую точность навигационных определений в радиусе до 1000 миль,практически не зависящую от удаления от базовой станции. В таком варианте несколько (порядка четырех) периферийных базовых станций замыкаются на главный «контрольныйпункт» (ГКП), образуя сеть. Геометрия сети такова, что ГКП размещается в центре окружности,а периферийные ККС – по радиусам. Главный КП принимает поправки от периферийных КП ипосле совместной обработки по довольно сложной модели объединяет их в формат дифференциального сообщения, которое действительно для района радиусом порядка 1000 миль. В дифференциальной сети рассчитываются погрешности эфемерид и рассогласование шкал времени спутников. Соответствующие поправки передаются спутникам. При этом эфемеридная погрешностьснижается до ±1 м, а погрешность за счет взаимной синхронизации спутников – до ±0,3 м.

Развитый дифференциальный вариант снижает также и атмосферные погрешности: ионосферную до ±2 м, а тропосферную до ±0,4 м.

 

2.2.3. Влияние и учёт различий в координатных системах

Первым источником погрешностей служит различная геодезическая основа картографии в различных странах, так как при составлении навигационных карт в качестве математической модели выбирается референц-эллипсоид, имеющий наилучшее приближение к условиям данной страны.

Так в СССР, а в последствии в России, использовалась пулковская система координат, отнесённая к референц-эллипсоиду Красовского. В США использовалась система координат, отнесённая к референц-эллипсоиду Кларка. Английские морские карты использовали для разных областей мирового океана разные эллипсоиды. Всё это создавало путаницу, несовпадение географической сетки и координат различных объектов и опорных пунктов.

С внедрением спутниковых радионавигационных систем, резковозросла геодезическая изученность земногошара, что это привело к созданию и широкому распространению в мире единойкоординатной системы WGS-84, которая используется при расчете обсервованных координат вспутниковых РНС «Транзит» и НАВСТАР.

В настоящее время в России принята система Параметры Земли 1990 г. с поправками, ПЗ-90.02, утвержденная Распоряжением Правительства РФ от 20 июня 2007 г., № 797-р. Как и ее предшественница, «ПЗ-90.02» являетсясистемой взаимосогласованных геодезических параметров, включающих фундаментальныегеодезические постоянные, параметры общеземного эллипсоида, параметры гравитационногополя Земли, общеземную систему координат и параметры ее связи с другими системами координат.

Вторым источником погрешностей является относительно невысокая точность определения координат, самих опорных пунктов, относительно которых на карту наносятся другие объекты.

Третий источник погрешностей даёт сдвиг координатной сетки крупномасштабных карт и планов.

Второй и третий источники погрешностей имеют случайный характер и не поддаются математической обработке, они устанавливаются только экспериментально.

Ещё одним источником погрешностей может служить сознательный, необъявленный сдвиг координатной сетки, устроенный страной-владельцем системы в интересах безопасности страны.

Приступая к работе с картой, необходимо убедиться, что карта использует картографическую систему, которая является основной в АПИ, если они не совпадают, то нужную систему следует выбрать из меню DATUM, но следует помнить, что это устранит лишь ошибки первого типа.

На некоторых картах могут быть нанесены поправки для перехода от картографической системы, использованной для этой карты к системе WGS-84, но следует помнить, что эти поправки имеют силу только на той карте, на которой они указаны и при переходе на другую карту становятся недействительны.

Помимо этого могут использоваться поправки, снятые самим судоводителем, этом случае к ним стоит относиться с повышенной осторожностью.

В любом случае при плавании вблизи берегов и навигационных опасностей хорошая морская практика требует систематически сопоставлять обсервации, полученные с помощью СРНСс обсервациями по береговым ориентирам (визуальными или радиолокационными), при которыхкоординатная система в явном виде вообще не используется, а точки наносятся на карту попеленгам и/или дистанциям относительно выбранных навигационных ориентиров. Систематические расхождения между точками, полученными по АПИ и по береговым ориентирам, укажутна наличие, направление и величину рассогласования геодезических основ карты и АПИ.