1. 3 Навигационные параметры, их измерения. Классификация методов и средств

1.3.1 Навигационная информация и ее классификация

В период плавания на судне производятся различные измерения, наблю­дения и вычисления, конечными результатами которых является получение на путевой карте обсервованного или счислимого места судна на любой момент времени.

Все сведения, прямо или косвенно влияющие на выработку координат места судна и элементов его движения составляют навигационную информацию.

Навигационная информация (НИ) — это совокупность сведений, прямо или косвенно определяющих местоположение судна на местности и его эле­менты движения, а также результаты всех других навигационных измерений и вычислений.

К навигационной информации относятся следующие основные навигаци­онные элементы (НЭ):

1) Координаты судна. Географические координаты используются для оп­ределения положения судна относительно экватора и гринвичского мериди­ана; полярные — относительно какого-либо подвижного или неподвижного объекта (ориентира, навигационной опасности, другого судна и т.п.), приня­того за начало координатной системы.

2) Навигационные параметры (НП) — это измеряемые величины, зави­сящие от взаимного положения судна и ориентира (объекта, опорного пун­кта). НП являются функцией координат судна, поэтому по их значениям оп­ределяется место судна в географической или полярной системе координат.

3) Элементы счисления, которые включают в себя: курсы, углы дрейфа, скорости судна и течения, время, пройденный путь и др.

4) Поправки ТСН и методические поправки (поправки компаса и лага, склонение девиацию и т.д.).

5) Измеренные моменты времени - это показания хронометров, часов и секундомеров в заданный момент времени.

6) Параметры движения других судов (целей) и другие навигацион­ные величины.

Навигационная информация классифицируется по нескольким признакам:

а) по виду измерений (прямая или непосредственно измеренная и косвенно измеренная);

б) по своему составу (однородная и разнородная);

в) по степени полноты (неполная, необходимая и избыточная);

г) по отношению к результатам обработки (исходная и итоговая);

д) по относительной точности (равноточная и неравноточная);

е) по степени зависимости (независимая, статистически зависимая и функционально зависимая);

ж) по характеру измерения (дискретная и непрерывная).

Прямая (непосредственно измеренная) навигационная информация

это такая информация, которая является прямым результатом физического процесса измерения. Сюда относятся пеленг, измеренный с помощью пелен­гатора; курсовой угол, измеренный путем визирования ориентира; глубина, измеренная ручным лотом и др.

Косвенно измеренная информация является функцией непосредствен­но измеренных физических параметров. Функциональная зависимость НЭ от измеренных физических параметров реализуется с помощью преобразований, происходящих в самом измерительном приборе (Д_р в НРЛС вырабатывается преобразованием измеренного времени распространения ра­диоимпульса от судна до объекта и обратно), или же с помощью вычисли­тельных операций, выполняемых автоматически или вручную вне измери­тельного прибора (по измеренному вертикальному углу и высоте ориентира рассчитывается расстояние до него). Косвенно измеренные НЭ иногда называются вычисленными.

б) по своему составу

Однородная информация получается в результате измерений, основан­ных на одном и том же физическом принципе (высоты светил, измеренные СНО; радиопеленги, измеренные АРП и т.п.).

Разнородная информация получается в результате измерений, основан­ных на различных физических принципах (расстояние до ориентира, измеренное с помощью НРЛС и расстояние, вычисленное по измеренному секстаном вертикальному углу; компасный пеленг и радиопеленг; курс по гирокомпасу и курс по магнитному компасу и т.п.). Разнородными являются также НЭ, имеющие разное наименование (пеленг и высота, расстояние и глубина и т.п.).

в) по степени полноты

Неполная информация — если по ней невозможно определить искомые величины (один визуальный пеленг на ориентир при решении задачи определения

места судна — это информация неполная, т.к. по одному параметру невозможно определить координаты судна).

Необходимая информация — это такая информация, которая обеспечи­вает расчет искомых величин (для определения места судна необходимо измерить минимум 2 НП).

Избыточная информация — информация, полученная сверх необходимой (3-й НП при определении места судна). Избыточная информация нужна для повышения точности решаемой задачи, т.е. для частичной компенсации случайных погрешностей и полного исключения промахов.

г) по отношению к результату обработки Исходная информация — это информация, подлежащая обработке (пре­образованию) в целях определения требуемых величин.

Итоговая информация определяет значения требующихся величин. Ито­говая информация, как правило, является результатом обработки некоторой исходной информации. Одна и та же информация в одном случае может быть исходной, в другом — итоговой (при решении задачи определения места коорди-наты судна являются итоговой информацией, а при определе­нии элементов движения своего судна по обсервациям — исходной).

д) по относительной точности

Равноточная информация — это такая информация, когда составляющие ее НЭ характеризуются одной и той же точностью. Равноточность НЭ обеспечивается при измерении их в статистически одинаковых условиях (приборы одинакового класса точности, операторами с одинаковой квали­фикацией и при неизменяющихся внешних факторах).

Неравноточная информация — это такая информация, когда НЭ из­мерены с различной точностью, т.е. если числовые параметры, характеризу­ющие точность НЭ, существенно различаются между собой.

е) по степени зависимости

Независимая информация — если каждый НЭ рассматриваемой их со­вокупности формируется под воздействием только своих частных случайных факторов.

Статистически зависимая информация — когда наряду с частными фак­торами в формировании НЭ участвует хотя бы один общий случайный фактор.

Функционально зависимая информация — если все рассматриваемые НЭ НЭ формируются только общими случайными факторами.

ж) по характеру измерения

Дискретная информация — такая информация, которая измеряется че­рез какие-то интервалы времени (отсчеты, снимаемые со шкалы навигаци­онного прибора).

Непрерывная информация измеряется без перерывов в течение некото­рого интервала времени (непрерывная запись курса курсографом и т.п.).

1.3.2 Классификация и принципы получения навигационных параметров Основным требованием судоводителей к навигационным средствам является возможность надежного определения места судна на всем протяжении его пути.

Однако создать систему таких средств довольно трудно, т.к. требования, предъявляемые к средствам ориентирования в близких и отдаленных от берега районах, совершенно различны.

В условиях океанских переходов судоводитель обычно не нуж­дается в очень высокой точности определения места судна. При плавании на средних расстояниях от берега требования к точнос­ти судовождения повышаются. Еще более высокая точность требу­ется от навигационных средств, предназначенных для обслужива­ния прибрежных районов, особенно вблизи портов и на путях наиболее интенсивного движения судов. Этим и объясняется су­ществование в настоящее время большого количества навигацион­ных устройств и систем, основанных на различных по природе фи­зических принципах измерения навигационных параметров.

Современная навигация основана на использовании следующих физических явлений: магнитное поле Земли , гравитационное поле Земли , инерция физических тел , механические колебания среды (акустика) , электромагнитные колебания , собственные колебания физических систем. Кратко рассмотрим эти явления.

1. Магнитное поле Земли, как известно, характеризуется на­пряженностью - векторной величиной, изменяющейся как по вели­чине, так и по направлению в околоземном пространстве. Эта на­пряженность используется в магнитных и гиромагнитных компасах.

Магнитные компасы основаны на свойстве свободно подвешенной за центр тяжести магнитной стрелки устанавливаться своей маг­нитной осью по направлению магнитного поля. Они в течение со­тен лет являлись и сейчас являются простыми и надежными курсо-ухазателями пути судна, если место их установки обеспечивается определенным минимумом магнитных условий, необходимых для пра­вильной работы компасов.

Гиромагнитные компасы основаны на взаимодействии магнитной системы и гравитационных сил Земли. Магнитная система располагается магнитной осью по равнодействующей компасного и гироскопического меридианов. Система сохраняет неизменное на­правление главной оси гироскопа и не реагирует на мгновенные удары и толчки. При этом магнитная система управляет главной осью гироскопа, с которой связана картушка компаса, надежно устанавливая ее в компасный меридиан.

На основе измерения электродвижущей силы, индуктируемой в измерительных проводниках при их движении вместе с судном в магнитном поле Земли, построены геоэлектромагнитные измерители переносной скорости судна (течения). Последние носят самостоятельное название - электромагнитные измерители течения (эмиты) к позволяют определять как скорость, так и направле­ние течения.

2. Гравитационное поле Земли используется в судовождении преимущественно для определения направлений. Наибольшее распространение имеют гироскопические указатели направлений, основанные на свойстве быстро вращающегося тела (гироскопа) сохранять неизменным в пространстве заданное направление оси вращения.

При идеальных условиях ось гироскопического устройства указывает направление истинного меридиана и непрерывно поворачи­вается со скоростью, равной и направленной против угловой скорости вращения Земли в данной широте, и таким образом удерживается в плоскости истинного меридиана. Такие устройства назы­вают гироскопическими компасами или гирокомпасами. Они дают устойчивые показания направлений в малых и средних широтах. Если плавание совершается в высоких широтах, то в качестве курсоуказателя используют гироазимут, действие которого основа­но на том же физическом принципе, что и действие гирокомпаса. Кроме гирокомпасов и гироазимутов в современном судовождении находят широкое применение и другие гироскопические приборы, такие, как гировертикали - для создания искусственного горизонта в секстанах и гиростабилизаторы – для стабилизации платформы, на которой устанавливаются специальные устройства для измерений и стрельбы.

3. На принципе использования свойств инерции физических тел в настоящее время быстро развиваются инерциальные методы навигации. Принцип действия инерциальных систем заключается в непрерывном измерении и интегрировании ускорений при движе­нии судна в некоторой стабилизированной плоскости. Стабилизация осуществляется с помощью управляющих гироскопов, измерение ускорений - с помощью акселерометров. Для транспортного и промыслового судовождения наиболее приемлемы инерциальные системы, в которых с помощью акселерометров измеряются две горизонталь­ные составляющие ускорения судна (по меридиану и параллели). Навигационные инерциальные системы наилучшим образом отвечают требованиям автономности, помехоустойчивости, непрерывности, автоматического получения координат и управления.

4. На свойстве акустических колебаний отражаться от различных объектов в воде основано использование всех видов современных акустических приборов и систем. При этом в качестве физического параметра измеряется время распространения звукового луча - одна из характеристик колебательного процесса.

К наиболее распространенным гидроакустическим приборам относятся:

- эхолоты, служащие для измерения глубины, а также для об­наружения рыбных концентраций или других объектов под килем судна;

-эхоледомеры, служащие для определения высоты слоя воды, а также толщины льда над подводным судном ;

- гидролокационные станции или просто гидролокаторы, пред­назначенные для обнаружения объектов, полностью или частично находящихся в воде (айсберг, ска-

ла, берег, отмель, подводная лодка, косяк рыбы и пр.), и для определения их местонахождения относительно судна (направление и расстояние).

Другая область возможного применения гидроакустики связана со сравнительно невысокой скоростью распространения звука в воде, что позволяет создать измерители скорости судна относи­тельно дна (берега), основанные на использовании эффекта Допплера, который мы рассмотрим немного позже.

5. Распространение электромагнитных волн с практически постоянной скоростью позволяет определить физические величины (параметры), характеризующие геометрическое положение или элементы движения судна относительно источника информации.

В навигации в настоящее время нашли широкое применение радиоволны и волны оптического диапазона (видимое и инфракрасное излучение).

В основу всех радиотехнических средств навигации положен принцип измерения одного из параметров электромагнитного поля - физической величины, определяемой при помощи измеритель­ной аппаратуры.

В соответствии с этим все радиотехнические навигационные системы и устройства по принципу измерения физического пара­метра подразделяются на следующие группы: амплитудные, фазо­вые, частотные и импульсные. Рассмотрим кратко каждую группу.

а) Амплитудные устройства, в которых используется измене­ние амплитуды колебаний, т.е. ослабление или увеличение слы­шимости сигналов или изменение отношения интенсивности слыши­мости двух принимаемых колебаний. К этой группе относятся курсовые радиомаяки, радиопеленгаторы различных типов и т.д.

б) Если для определения места судна с помощью устройств производят измерение разности фаз между колебаниями, то такие устройства относят к фазовым. В этих устройствах измерение фазовых углов производится с помощью фазометров или фазовых счетчиков и самописцев, отмечающих изменение числа фазовых циклов (радиолаг, радиодальномер, фазовый радиомаяк, фазовая радионави­гационная система и др.).

в) Частота редко является объектом измерения. В судовожде­нии обычно измеряется разность частот электромагнитных колеба­ний, называемая допплеровским приращением частоты (эффект Допплера). С помощью допплеровского метода определяется радиальная составляющая скорости или ускорения излучателя относительно объекта отражения, т.е. сближение излучателя с судном или удаление от него. Это дает возможность успешно реализовать данный метод в навигационных целях:

• для определения места судна с помощью радиодопплеровских систем, т.е. таких радионавигационных систем, в которых излу­чающее устройство помещается на движущемся искусственном спутнике Земли, а устройство, принимающее и регистрирующее допплеровский сдвиг частот, - на судне ;

• для определения скорости судна, а также наблюдения за подводной обстановкой при использовании эффекта Допплера применительно к звуковым волнам в

• допплеровских гидроакустических системах, в которых регистрирующее допплеровский сдвиг частот устройство устанавливается на судне, а объектом отражения является морское дно или подводный объект.

г) Во многих радионавигационных устройствах измеряется время, причем различают:

- Устройства, в которых измеряется время, необходимое для распространения радиоволн на измеряемое расстояние;

- Устройства, в которых измеряются интервалы времени между моментами приема сигналов.

Несмотря на очень широкое приминение радиоволн в навигации характер их распространения накладывает серьезные ограничения на выбор их диапазонов. В радионавигационных системах дальнего действия используется только длинновол-

новый диапазон, а коротковолновые диапазоны применяются в радионавигационных системах, действующих в условиях прямой видимости.

Ограничения на использование световых волн накладывают погодные условия, от которых целиком зависит надежность их применения. Однако с изобретением прибора, искусственно генерирующего световое излучение –лазера, появилась возможность использования световых излучений для измерения не только направлений, но и расстояний и скоростей, причем технические прогнозы показывают на очень высокую точность потенциальных лазерных измерителей скорости и расстояний.

Невидимый для человеческого глаза диапазон электромагнитных колебаний – инфракрасное излучение, применяется в специальных приборах и устройствах для автоматического обнаружения целей и систем самонавидения на цели. Достижения современной инфракрасное техники позволили вплотную подойти к созданию совершенных навигационных систем, использующих естественное и искусственное излучение тел (маяки, другие суда, планеты)

6. Собственные колебания изолированных физических систем характеризуются высоким постоянством периода. В настоящее время кроме традиционныъ судовых хронометров, использующих постоянство периода крутильных колебаний пьезокварцевых пластин со стабильностью частоты 10-7 – 10-9. Сверхстабильность можно получить при использовании молекулярных, атомных и ядерных резонансов. Ощутить степень точности хранителей времени можно в сравнении: если морские хронометры имеют погрешность хода 1-4с за сутки, то ядерные генераторы стабильной частоты отличаются от истинного хода времени на 1с за сотни миллионов лет. Сверхстабильные стандарты времени необходимы для более полного раскрытия диапазона использования дальних и сверхдальних систем связи и радионавигации.

Таким образом, мы кратко рассмотрели принципиальные возможности измерений и использования различных физических явлений в навигационной аппаратуре, системах и устройствах.