18.Спутниковые методы определения навигационных параметров и расчет координат.Gps и glonass. Дифференциальные методы использования спутниковыхсистем

Глобальная спутниковая навигационная система (ГНСС) предназначена для высокоточного определения координат места подвижных объектов, их курса и скорости. Для достижения непрерывности определений в любом районе мирового океана вне зависимости от погоды, сезона и времени суток а составе современных ГНСС второго поколения ГЛОНАСС и GPS 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.

Навигационная спутниковая система GPS.

Принцип работы системы основан на использовании псевдодальномерного метода. В околоземном пространстве развернута сеть НКА, равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты НКА вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников излучают сигналы в направлении Земли. Они принимаются НАП, находящейся на подвижном объекте, координаты которого нужно определить.

В НАП измеряется время распространения сигнала от НКА и вычисляется дальность “спутник-приемник”. Поскольку для определения местоположения объекта нужно знать три координаты (плоские координаты Х, У и высоту H), то в НАП должны быть измерены расстояния до трех различных НКА. Бортовые стандарты частоты всех НКА синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени НАП менее точен и должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты в течение процедуры измерений.

На практике в измерениях всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени НКА и НАП. По этой причине в НАП вычисляется искаженное значение дальности до спутника или псевдодальность. Измерение расстояний до всех НКА, с которыми в данный момент работает НАП, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. Это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты Х, У и Н, но и поправка часов приемника Δt. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость, как минимум, четырех НКА. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Космический сегмент состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на шести орбитах.

Плоскости орбит наклонены на угол около 53° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - до 20150 км, а период обращения – половина звездных суток (примерно 11 ч 58 мин). На борту каждого спутника имеется четыре стандарта частоты, солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер. Передающая аппаратура спутника излучает сигналы на двух несущих частотах 1,5 МГц и 1,2 МГц. Сигналы модулируются и кодируются навигационным сообщением. Коды бывают двух видов:

Код свободного доступа С/A (Coarse Acquisition). Точность измерений с его помощью невысока, но декодирование в приемнике осуществляется просто.

Защищенный код P (Protected). Измерения по этому коду могут выполняться только с разрешения Министерства обороны США. Точность определения на порядок выше, чем по С/A коду.

Сегмент контроля и управления содержит главную станцию управления, пять станций слежения, три станции закладки, а также сеть государственных и частных станций слежения за НКА. Собираемая с этих станций информация обрабатывается в суперкомпьютерах и передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Навигационная аппаратура потребителей. Приемник GPS принимает сигнал от спутника, декодирует его и определяет задержку распространения сигнала, вычисляя таким образом псевдодальность. Точность определения координат для одночастотного приемника составляет 100 м.

Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.

Система имеет назначение, аналогичное системе GРS. Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° периодом обращения 11 ч 15 мин в трех орбитальных плоскостях.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи Подсистемы входит контроль правильности функционирования НКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Навигационная аппаратура потребителей состоит из Навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени.

Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальностей и радиальной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС, а таюке прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется “привязка” шкалы времени потребителя к шкале Госэталона Всемирного координированного времени.

Системы GРS и ГЛОНАСС хотя и выглядят весьма похожими, но в то же время имеют ряд существенных отличий. К ним относятся:

• баллистическое построение космического сегмента; • форма представления эфемерид; • структура информационного кадра; • разные системы координат; • различные шкалы времени.

Дифференциальный метод

Суть дифференциального метода состоит в выполнении измерений двумя приемниками, один из которых устанавливается в определяемой точке, а другой – в точке с известными координатами – базовой (контрольной) станции. Поскольку расстояние от НКА до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. Следовательно, и величины ошибок также будут близки. В дифференциальном режиме измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Таким образом, дифференциальный режим предполагает наличие как минимум два приемоиндикаторов в двух точках 1 и 2 пространства: ПИ₁ на контрольно-корректирующей станции (ККС) и ПИ₂ на судне.

Наряду с описанным существуют и другие разновидности дифференциального метода, например: • дифференциальный режим с коррекцией координат; • дифференциальный режим с использованием относительных координат; • дифференциальный режим с использованием псевдоспутников и др.

Точность современных СНС:

где m – полная ошибка определения расстояния от судна до ИСЗ в выбранной системе координат;

m_ρ – средняя квадратичная ошибка измерения дальности ИСЗ, м;

m_s – средняя квадратичная ошибка определения координат ИСЗ на момент измерений, м.

Потенциальная точность обеих систем равна 15-20 м. Погрешность ОМС при совместном использовании СНС ГЛОНАСС и GPS составит от 2 до 4,5 м.

19 Использование РЛС и САРП в навигации. Принцип действия, эксплуатационные и точностные характеристики. Основы чтения радиолокационных изображений. Определение места, непрерывный контроль за положением судна при плавании в узкостях, точность обсерваций. Параллельная индексация.

Использование РЛС в навигации:

Радиолокация — метод обнаружения в пространстве различных объектов посредством радиоволн.

Судовая РЛС — это установленная на судне РЛС, предназначенная для обнаружения и последующего наблюдения за берегом, судами, льдами и другими объектами, представляющими интерес для судоводителя.

Судовая навигационная РЛС (НРЛС) обеспечивает возможность измерять расстояния, пеленги и курсовые углы на объекты и применяется для определения места судна в географической и относительной системах координат при различных условиях плавания.

РЛС применяются автономно или совместно с береговыми устройствами – радиолокационными отражателями и радиолокационными маяками-ответчиками, находящимися в радионавигационных точках

Возможность определения местоположения судна при плавании в сложных условиях (малая видимость, наличие навигационных опасностей, узкостей и др.), наглядность отображения внешней обстановки в районе плавания делают РЛС одним из основных технических средств судовождения.

Средство автоматической радиолокационной прокладки

(САРП) предназначено для предупреждения столкновения судов подготовки принятия рационального решения по выбору маневра в сложной навигационной обстановке путем непрерывной, точной и быстрой оценки ситуации.В целях повышения эффективности использования САРП в процессе обеспечения безопасности плавания в районе с интенсивным судоходством и сложном в навигационном отношении для судоводителя важны не только радиолокационное отображение внешней обстановки и элементы движения целей, но и информация о навигационных опасностях: (береговая черта, кромки фарватеров, изобаты опасных глубин, банки, мели, запретные районы, СНО и т. п.). В этой связи в современных САРП применяется наложение радиолокационного изображения на электронную карту.

Определение места судна с помощью РЛС, точность обсерваций.

Определение места судна по расстояниям, измеренным до нескольких ориентиров.

Намечают перед определением места ориентиры на карте и быстро последовательно измеряют расстояния до них. При необходимости измеренные расстояния приводятся к одному моменту времени.

В момент последнего измерения замечается время и отсчет лага.

При выборе ориентиров необходимо следить за тем, чтобы линии положения пересекались под углом в пределах от 30 до 150°, причем сначала измеряется расстояние до ориентира, который близок к курсовому углу, равному 90°

а) при двух ориентирах

где θ - разность пеленгов на ориентиры, град;

б) при трех ориентирах

где θ - углы пересечения между линиями положения.

Определение места судна по радиолокационному пеленгу и расстоянию до одного ориентира.

Способ применяется, если в пределах действия РЛС находится один ориентир. Для этого необходимо одновременно взять пеленг на ориентир и измерить до не го расстояние, заметить время и отсчет лага. Затем проложить обратный пеленг (ИП±180°) от ориентира на карте. Из ориентира,

где m_рлп - СКП радиолокационного пеленга;

m_D - СКП радиолокационного расстояния; D - радиолокационное расстояние.

Определение места судна по радиолокационным пеленгам.

Способ применяется при нескольких опознанных точечных ориентирах и порядок его выполнения не отличается от порядка определения места судна по визуальным пеленгам.

.

Непрерывный контроль за положением судна при плавании в узкостях:

Если навигационные опасности находятся слишком близко от пути судна, то ВПК будет вынужден определять место судна чаще, чем каждые 5 минут. В этом случае необходимо предусмотреть непрерывный контроль за местоположением судна. К способам непрерывного контроля относятся:

Ограждающие ориентиры. Они образуют линию, за которую заходить опасно (например, створ кромки острова и находящегося ближе к судну буя). Такие ограждающие ориентиры дают судоводителю уверенность в том, что судно находится в пределах безопасного района:

Ограждающие пеленги. Если нет возможности подобрать створы ограждающих ориентиров, можно подобрать одинокий приметный ориентир, обозначив пеленгом на него границу безопасной зоны. Эти пеленги не определяют местоположение судна, но помогают убедиться, что судно не идет к опасности.

Ограждающие расстояния. Используются для тех же целей, что и ограждающие пеленги. Неизвестно, где находится судно, но ограждающее расстояние предупреждает о приближении к опасности (например к мелководью).