Радионавигационные системы (рнс)

В гиперболических РНС изолинией является гипербола, в фокусах которой, распо­ложены радиостанции. Для любой из точек гиперболы разность расстояний ΔD = D₁ – D₂ = Const . Расстояние между фокусами называется базой, линия, перпендикулярная базе в ее середине (ΔD = 0 ) называется нормалью . Навигационный параметр (разность расстояний) может быть получен фазовым, импульсным, частотным или комбинированным методом :

фазовый использует зависимость фазы электромагнитных колебаний (импульса радиостанции) от расстояния до источника радиоизлучения ;

импульсный (временной) использует зависимость времени прохождения импульса от расстояния до источника радиоизлучения ;

частотный использует зависимость частоты импульса от скорости изменения расстояния до источника радиоизлучения ;

комбинированные (импульсно - фазовые ) ;

В зависимости от дальности действия гиперболические РНС подразделяются на следующие системы:

неограниченной дальности действия, или глобальные, которые дают возможность определять место судна в любой точке земного шара;

дальней навигации - для океанского плавания ( при удалении от станции до 2000 миль);

средней навигации - для плавания в открытом море (удаление от станции до 300 миль);

ближней навигации-для прибрежного плавания (удаление от станции до 100 миль); Гиперболические РНС обладают свойством направленной точности ( т.е. точ­ность определения места судна не одинакова в различных направлениях от станций и семейство гипербол пары станций имеет нерабочий сектор лорядка 20°- 30° в стороны продолжения базы от каждой из пары станций. Нерабочие секторы данной пары станций должны перекрываться рабочими секторами других пар станций .

В морской навигации при плавании на удалении от берега до 250 - 300 миль широкое распространение получили фазовые РНС « Декка », принцип действия которых основан на измерении в месте положения судна разности фаз когерентных (взаи­мосвязанных ) электромагнитных колебаний, излучаемых станциями РНС. Эти колебания принимаются на судне приемоиндикатором ( ПИ ), имеющим прибор для измерения разности фаз

( фазометр). Так как фазометр измеряет только дробную часть фазового цикла и не измеряет целое число циклов, то данная РНС обладает многозначностью. Чтобы ее избежать станции РНС 3 раза в минуту, в течение 0,5 сек. излучают колебания с длиной волны X - 21000 метров, поэтому полоса (зона ) в которую «укладывается» одно длинноволновое колебание во много раз превыша­ет возможные ошибки счисления и позволяет определить, в какой из полос при из­лучении с длинной волны λ = 700 метров (обычный режим работы) находится на­ше судно.

Обработка измерений и определение места судна производится следующим образом:

А) Проверяют разрешение многозначности и с грубого фазометра снимают буквенное значение « зон » для выбранных пар станций.

Б) С точных фазометров снимают отсчеты, соответствующие линиям положения и замечают судовое время и отсчет лага.

В) На карте с сеткой изолиний по буквам «зон» и номерам табличных гипербол ме­тодом линейной интерполяции находят гиперболы, соответствующие отсчету каж­дого точного фазометра. В точке пересечения этих гипербол получают место судна.

Г) Снимают обсервованные координаты, величину и направление невязки и, при небходимости, перенести обсервацию на путевую карту (если счисление не ведется на радионавигационной карте ) .

Точность определения места судна по РНС «Декка» (среднюю квадратичную ошибку) можно рассчитать по формуле :

^M=±m_Δφ^/sinθ√d2₁ ^+d2₂

Где ^m_Δφ - ошибка измерения разности фаз (днем = ± 0,05 ; ночью = ±0,25 ф.ц.)

d_1, d₂ - расстояние между табличными гиперболами в районе счислимого места судна (снимается с карты )

θ - угол пересечения линий положения ( гипербол)

Прием сигналов РНС «Декка» может производиться днем на расстоянии до 500 миль, но при этом гиперболы будут пересекаться под очень малыми углами (менее 15°) и обсервации будут с большой ошибкой .

На точность обсервации оказывают значительное влияние и систематические ошиб­ки из-за несоответствия расчетной скорости распространения радиоволн ее фактическому значению в данном районе. Эти отклонения в скорости определяют экс­периментальным путем и учитывают в виде поправок к отсчетам фазометров.

Эти поправки приводятся в руководствах по использованию РНС и на самих радионавигационных картах.

При плавании на удалении от берега от 300 до 2000 миль применяется импульсно-фазовая

РНС «Лоран-С» в принципе действия которой лежат импульсный и фазовый методы измерения разности расстояний ( фазовый метод был рассмотрен на примере РНС «Декка» ) . Сущность импульсного метода заключается в следу­ющем : в точке приема (на судне) измеряют интервал времени Δt = t₁ – t₂ между моментами прихода двух синхронно излученных двумя береговыми станциями коротких импульсов. Разность расстояний от места судна до ^{радиостанций определяется по формуле :}

^{ΔD = D}₁ ^{- D}₂ ^{= V • Δt}

Где V - скорость распространения радиоволн (величины Δt и Δφ определяют с помощью судового приемоиндикатора с блока­ми импульсного и фазового отсчетов. С помощью индикатора /электронно-лу­чевой трубки / производят визуальный поиск и ручное совмещение передних частей импульсов от ведущей и ведомой станций)

Таким образом в РНС «Лоран - С» используется два метода измерения разности расстояний : импульсный - для «грубого» определения места судна и устранения многозначности и фазовый - для обсервации с высокой точностью . Обсервованное место находят как точку пересечения гипербол, соответствую­щих измеренным значениям промежутка времени

(Δt).

Радионавигационные карты РНС «Лоран-С» представляют собой карты меркаторской проекции с сетками гипербол , оцифрованных в микросекундах с интервалом 10 ; 20 ; 50 ; 100 и т.д .мкс , в зависимости от масштаба карты точность определения места судна (средняя квадратичная ошибка обсервации) мо­жет быть выражена формулой, для которой необходимую геометрическую информацию с карты.

М = ± m_Δt / sinθ √ (d₁ / ΔT₁)² + (d₂ / ΔT₂)²

Где m_Δt - погрешность измерения промежутка времени

d₁ = d₂ - расстояние (в милях) между табличными гиперболами на карте ;

ΔТ1 = Δ Т2 - дискретность временной оцифровки гипербол (зависит от мас­штаба карты )

Сверхдлинноволновая фазовая РНС «Омега» предназначена для определения места судна в любой точке Мирового океана и считается глобальной . В упомяну­той РНС используются сверхдлинные волны ( СДВ ) с λ = 22 ... 30 км., которые распространяются без существенного затухания на 5000 и более морских миль и хо­рошо проникают под воду до глубины ≈30-35 метров, что позволяет подводным лодкам получать обсервации в подводном положении . Разность расстояний, и соот­ветственно изолинию (гиперболу), получают в точке приема в виде разности фаз ра­диоколебаний одинаковой частоты, пришедших с временной селекцией , от двух береговых станций . В системе нет «ведущих» и «ведомых» станций . Поочередно каждая станция излучает импульсную посылку радиосигналов примерно в течение 1 секунды . В систему входит 8 береговых станций, расположенных равномерно по Земному шару ( в Норвегии, Либерии, на Гаваях, в Северной Дакоте, на о. Реюньон, в Аргентине, Австралии и Японии) Периодичность сигналов РНС - 10 секунд. В любом районе земного шара можно принимать сигналы по крайней мере от четырех станций и получать по ним гиперболы с углом пересечения не менее 60°.

Для разрешения многозначности, когда это нельзя сделать с помощью счисления, применяют тот же метод, что и в РНС «Декка» т.е. метод создания более широких дорожек, называемых «грубыми» или зонами .

Гиперболы на картах строят с учетом средней дневной скорости распространения радиоволн

( v = 300573,992 км/сек). Однако в реальных условиях скорость рас­пространения радиоволн может отличаться ( до 0,3 % ) от скорости, принятой для составления карт. Поправки, учитывающие изменение скорости радиоволн для раз­личных районов (их всего 26), выбираются из специальных таблиц «Omega propagation correction table». В каждом районе поправки приведены для квадратов с размерами 4° - 6° по широте и 6° - 8° по долготе. Таблицы поправок корректи­руются по Извещениям мореплавателям.

Более точно величины поправок для района радиусом ≈ 250 - 300 миль определяют­ся с помощью контрольной станции методом сравнения высокоточных координат станции с координатами, полученными по РНС . Точность определения места этим методом повышается до 0,2 - 0,4 мили . Этот метод получил название дифференциальная или корректируемая «Омега».

В случае определения места по РНС «Омега» совместно с высокоточными но эпизо­дическими обсервациями фактические значения поправок могут быть получены не­посредственно сравнением высокоточных координат (например по навигацион -ным спутникам) с координатами , полученными по РНС . Такой метод использо­вания РНС получил название квазидифференциального. Поправки используют в интервале между спутниковыми обсервациями .

Чем больше время счисления, тем больше ошибка обсервации РНС. Например, че­рез 40 мин после обсервации по спутниковой системе квазидифференциальный метод дает среднюю квадратичную ошибку порядка ± 0,5 мили ; через 2 часа - с ошибкой ±1,5 мили ; при времени счисления , превышающем 3 часа - ошибки ста­билизируются на уровне ± 2 мили .

Система «РСДН-20» ( аналогичная РНС «Омега») Является сверхдлинноволновой разностно-дальномерной РНС с синхронизацией фаз сигналов, излучаемых передающими станциями . Передающие (опорные) станции формируют и поочередно излучают сигналы одной (общей) группы частот. Период повторения сигналов - 3,6 секунды .

Станции на территории России расположены : Краснодар Новосибирск Комсомольск на Амуре

Б-1 ВМ А-ВЩ Б-2ВМ

(ведомая) (ведущая) (ведомая)

(расположение станций обеспечивает достаточно надежные обсервации по всей

акватории Арктики и северной части Тихого океана )

На судне специальным приемоиндикатором измеряется разность фаз сигналов опор­ных станций. Все отсчеты приемоиндикатора следует исправлять поправками, поме­щенными в «Таблицах поправок» с адмиралтейским номером 8041.

Для обсерваций следует пользоваться радионавигационными картами с индексом « МТ» или «РГ (м) ».

Система «РСДН - 20» по принципу работы близка к системе «РСДН - 4»

(аналогична РНС « Лоран -С » Система является разностно-дальномерной с синхронизацией времени излучения и фазы импульсных сигналов. Цепь РНС состоит из трех опорных станций (ведущей и двух ведомых). Все станции излучают сигналы на одной рабочей частоте в виде

серий (пакетов) из восьми импульсов, следующих через 1000 микросекунд (мк. сек.) Ведущая станция дополнительно излучает девятый импульс для отличия ее пакета на ЭЛТ приемоиндикатора .

Ведомые станции излучают сигналы с различным (но строго фиксированным) вре­менем запаздывания относительно ведущей (т.н. Кодовая задержка) . На судне приемоиндикатором измеряются интервалы времени между импульсами, принятыми от ведущей и ведомых станций и по этим интервалам рассчитываются разности расстояний. На специальных радионавигационных картах с сеткой гипер­бол, оцифрованных аналогично навигационным параметрам, получаемым судовым приемоиндикатором ( ПИ ), получают обсервованное место.

Точность обсервации существенно повышается, если ПИ фиксирует момент прихо­да импульса не только по переднему его фронту, но и по фазе, в которой пришла ра­диоволна на судно.

Для обсерваций с помощью системы РСДН - 4 следует использовать «таблицы поправок определения места» с адмиралтейским номером 8010 .

Система «Брас» является разностно-дальномерной РНС с синхронизацией времени излучения и фазы сигналов, излучаемых береговыми станциями . Каждая цепь «Брас» состоит из ведущей и двух ведомых станций, которые излучают сигналы поочередно в течение односекундного цикла передачи . На судне интервалы времени между импульсами и разность фаз пришедших сигналов измеряется с помощью приемоиндикатора «Галс» .

На схемах рабочих зон цепей «Брас», помещенных в РТС НО Европейской части, даны линии равных точностей обсерваций ( в метрах).Согласно этих данных точность обсерваций составляет ± 10 ... ± 20 метров при удалении от базовой линии станций до 10 миль и

± 0,3 ... ± 0,6 миль при максимальном удалении от базы . Зона максимальной дальности действия РНС «Брас» лежит в пределах 250-300 миль. Аналогичные системе «Брас» - гиперболические системы РСВТ-1 и РСВТ-1 с, для которых выпускаются карты с индексом « «РГ». Системы РСВТ-1 и РСВТ-1с используются в Каспийском, Черном и северных морях .

Следует учитывать, что точность ОМС для всех радиотехнических средств несколько уменьшается в точке приема, расположенной к западу от стан­ции, что объясняется влиянием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Точность ОМС также значительно уменьшается ,когда трасса распространения радиосигнала перпендикулярна границе двух сред « земля -вода» или проходит через сушу, покрытую толстым слоем льда (ледником ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА СУДНА С ПОМОЩЬ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ

Искусственный спутник Земли можно представлять, как высоко расположенный над Землей навигационный (точнее радионавигационный) ориентир, двигающийся по точно рассчитанной орбите и излучающий определенные радиосигналы. Для определения места судна с помощью искусственного (ных) спутников Земли ( ИСЗ), необходимо знать его точное положение в пространстве и точные параметры его движения . Для этих целей используют следующие методы : дальномерный , радиально - скоростной и разностно-дальномерный .

Принцип дальномерного метода приведен в описании спутниковой навигационной системы

( С Н С) « НАВСТАР ».

Радиально - скоростной метод позволяет применить способ определения места, ос­нованный на измерении радиальной скорости (скорости сближения спутника с судном). Радиальная скорость измеряется используя эффект Доплера, суть которого заключается в изменении (увеличении или уменьшении)частоты радиосигналов (f), пропорционально радиальной скорости ( т. е. На судне будут приниматься радио­сигналы спутника с частотой f ') Разность этих частот называется доплеровским смещением и определяется по формуле :

F_d = f´- f = v • cos α / λ₀

где: v - скорость движения ИСЗ на орбите;

α - направление со спутника на наблюдателя (в градусной мере) относитель­но вектора скорости спутника

λо - длина волны , соответствующая частоте f .

Из формулы видно, что если F_d = соnst, то постоянной будет и правая часть выраже­ния Следовательно углу α в пространстве будет соответствовать поверхность в виде конуса с вершиной в точке нахождения ИСЗ в данный момент и с осью, совпадаю­щей с вектором скорости ИСЗ.

Так как судно находится на поверхности Земли, то его место (отвечающее радиона­вигационному параметру) должно быть на пересечении упомянутого конуса с земной поверхностью. След этого пересечения - кривая, получившая название изодопы . По своей форме изодопа близка к сферической гиперболе (радиально - скоростной метод обсервеции получил название доплеровского дифференциального метода).

Разностно-дальномерный метод основан на измерении разности топоцентрических расстояний между судном и двумя положениями ИСЗ в последовательные и корот­кие отрезки времени

( например 2 мин; 1 мин; 30 сек или 24 сек ) . Если измерить разность расстояний

ΔD = D₂ - D₁ до двух последовательных поло­жений спутника, то поверхность, отвечающая этому радионавигационному парамет­ру, будет представлять собой гиперболоид вращения, фокусы которого совпадают с положениями спутника в момент первого и второго наблюдения . Пересечение гиперболоида с поверхностью Земли образует изолинию - близкую по формуле к сферической гиперболе, на которой и находится судно . Ряд гипербол, полученных в процессе измерения разности расстояний до перемещающегося по ор­бите спутника, пересекутся в точке, определяющей место судна. ( Так как гипербо­лы будут пересекаться е двух точках, то определение места будет двузначным). Двузначность разрешают с помощью счисления , обработанного ЭВМ. Спутнико­вые РНС доплеровского типа имеют свойство направленности точности изолинии, как и любая наземная гиперболическая РНС.

Спутниковые РНС этого типа позволяют определять место периодически . Интер­вал между обсервациями зависит от числа ИСЗ и расположения их орбит в прост­ранстве . (на практике дискретность колеблется от 15 минут до нескольких часов). Статистика показывает ,что вероятность получения надежных обсерваций составля­ет ≈ 75 %, а вместе с вызывающими сомнение - 85 %. С увеличением широты вероятность надежных обсервации уменьшается. В то же время возрастает об­щее число обсерваций и уменьшается временной интервал между ними. Точность определения места зависит : от погрешности в координатах спутника, пог­решности в скорости судна, погрешности в высоте антенны и от угловой высоты спутника в момент кульминации. ( Практика показывает , что в диапазоне 7° < hтах < 70° средняя квадратичная погрешность обсервации от погрешности в скорости судна в 1 узел составляет ≈ ±2...±4 кбт . При h тах < 4° и h тах >70° погрешность превышает 1мшю )

Дополнительные навигационные задачи

ЭВМ приемоиндикатора спутниковой РНС по специальным программам решает ряд сопутствующих навигационных задач:

1. Ведет аналитическое счисление, рассчитывая счислимые координаты по данным, получаемым от гирокомпаса и лага с выдачей этих координат на монитор (дисплей ) с заданной дискретностью и распечаткой на телетайпе .

2. Вычисляет курсы и расстояние для плавания по дуге большого круга

1. Вычисляет курс и расстояние для плавания по локсодромии .

3. Вычисляет элементы (направление и скорость) течения или общего сноса.

4. Дает прогноз (время, максимальную высоту - hmax и номер) будущих прохождений спутников.

Для определения места судна необходимо заблаговременно (за несколько часов) включить ПИ. Ввести в ЭВМ исходные данные: Т гр (с погрешностью не более 14 минут) , φc и λ_c ( с ошибкой не более 60 ... 80 миль) , скорость и курс судна (если эти величины не поступают от лага и гирокомпаса) и высоту приемной антены h_ = h_в + h_τ, состоящую из высоты антенны над ватерлинией судна и ге-оидной поправки (учитывающей разность между реальным уровнем Земли и поверхностью эллипсоида, принятого для расчетов). Геоидная поправка находится в пределах от +100 до -100 метров и приводится на специальных картах - прило­жениях с точностью до 10 метров. В новых приемоиндикаторах геоидная поправ­ка учитывается автоматически (в этом случае в ЭВМ вводится только высота антенны над ватерлинией).

Вид выдаваемой информации может быть различным, но при этом обязательно индицируется Т гр , φо , λ о и признак (или оценка) качества обсервации .

Если обервация оценивается, как качественная, то она автоматически принимается для дальнейшего счисления.

Однако ЭВМ оценивает обсервацию по формальным признакам. Например, при большой невязке между обсервацией и сличением обсервация « по мнению » ЭВМ будет ненадежной. Но это не означает, что она действительно плохая. Невязка могла появиться из-за неверно полученной счислимой точки, и штурман должен это прове­рить. Только штурман, проанализировав качество обсервации, может принять ее для дальнейшего счисления .