Судовая навигационная аппаратура для системы «транзит»

В настоящее время существуют различные модификации зару­бежной судовой навигационной аппаратуры для системы «Тран­зит», выпускающиеся фирмами многих стран. Различают два клас­са аппаратуры: двухканальную и одноканальную. Двухканальная осуществляет прием и обработку информации на обеих частотах — диапазонов 150 МГц и 400 МГц, что позволяет исключить ошибку за счет ионосферной рефракции. Это повышает точность, но значи­тельно увеличивает стоимость аппаратуры, что определяет ее ис­пользование в основном для научно-исследовательских, экспедици­онных и других судов специального назначения.

В этой связи в дальнейшем будет рассматриваться только одно- канальная судовая навигационная аппаратура, работающая на частоте диапазона 400 МГц.

Основы устройства судовой навигационной аппаратуры. Эта ап­паратура должна выполнять следующие функции: поиск и обнаружение сигнала спутника; слежение за сигналом спутника;

прием, декодирование, хранение и обработку эфемеридной ин­формации;

прием навигационного сигнала, выделение доплеровской часто­ты и интегрирование ее изменения за заданный промежуток вре­мени;

обработку результатов измерений и расчет обсервованного мес­та судна.

Выполнение этих функций требует обязательного наличия в со­ставе судовой навигационной аппаратуры электронной вычисли­тельной машины.

Наличие ЭВМ. создает возможность решения ряда дополнитель­ных задач, облегчающих процесс судовождения. К таким задачам относятся автоматическое счисление, расчеты плавания по локсо­дромии и ортодромии, запоминание промысловой информации и т. п.

Значительная длительность сеанса измерений требует высоко­качественного счисления во время сеанса, что вызывает необходи­мость в лаге и курсоуказателе, информация от которых должна вводиться в аппаратуру автоматически. Все это определяет состав судовой навигационной аппаратуры, в которую должны входить: антенно-фидерное устройство; приемник для приема сигналов спутника;

опорный генератор, необходимый для доплеровских измерений; электронная вычислительная машина; устройство управления; устройство отображения информации;

устройство сопряжения для ввода данных о курсе и скорости от компаса и лага.

Антенно-фидерное устройство. Включает в себя ан­тенну, антенный усилитель и соединительный фидер. Антенна обыч­но представляет собой четвертьволновый вибратор, у основания ко­торого в горизонтальной плоскости размещается несколько ради­альных стержней. Диаграмма направленности антенны сформиро­вана так, чтобы предупредить возможность воздействия сигналов, отраженных от поверхности моря, на сигналы, принятые непосред­ственно от спутника. Под антенной располагается антенный усили­тель. Сигналы с выхода усилителя передаются на вход приемного устройства по высокочастотному фидеру.

Этот же фидер с помощью разделительных фильтров использу­ется для подачи постоянного напряжения питания на антенный усилитель.

Приемное устройство. Представляет собой, как пра­вило, супергетеродинный приемник с многократным преобразова­нием частоты. Приемное устройство выполняет поиск и обнару­жение сигнала спутника, слежение за ним, прием эфемеридной

 

информации, выделение Доплеровской частоты и измерение ее из­менения за заданный интервал времени.

Рассмотрим на примере приемника аппаратуры «FSN-20C», каким образом выполняются все эти функции.

1. Поиск сигнала. Вследствие влияния эффекта Доплера частота сигнала спутника, принимаемого судовой навигационной аппаратурой, изменяется. Что­бы обнаружить сигнал, необходимо перестраивать приемник в пределах диапа­зона частот, в котором может оказаться сигнал спутника. Для этого в режиме поиска осуществляется качание частоты настройки приемника. Оно выполняется путем изменения частоты первого гетеродина, которым служит управляемый генератор. Предусматривается два режима поиска. Поиск перед началом сеанса ведется в пределах 10 кГц, от 399 968 кГц до 399 978 кГц. Поиск при потере сигнала спутника в ходе сеанса производится в пределах 5 кГц от частоты, на которой сигнал был потерян.

2. Обнаружение сигнала (см. рис. 172). Сигнал с выхода 2УПЧ попадает на синхронный детектор. На второй вход синхронного детектора подается напря­жение опорного генератора, сдвинутое по фазе относительно опорного напря­жения фазового детектора на 90°. Сигнал иа выходе синхронного детектора будет пропорционален косинусу фазы входного сигнала. Так как cos (—ф) = cos ф, при попадании на вход синхронного детектора дублетов сигнала спутника (см. рис. 171) его выходное напряжение будет иметь форму меандра (прямо­угольных импульсов с интервалами, равными длительности импульса). После интегрирования сглаженное напряжение поступает в цепи обнаружения, сраба­тывает сигнализация, приемник переходит в режим слежения и сигнал об обна­ружении выдается в ЭВМ.

3. Слежеиие. Выполняется цепью фазовой автоподстройки частоты. Сигнал с выхода 2УПЧ приемника и сигнал опорного генератора подаются на входы фазового детектора (см. рис. 173). Сигнал рассогласования с выхода фазового детектора после сглаживания интегратором попадает на управляемый генера­тор и, изменяя его частоту, настраивает приемник. При срыве слежения до за­хода спутника включается поиск в полосе 5 кГц, если сигнал от спутника поте­рян на частоте выше 399 963 кГц. После обнаружения спутника слежение продолжается. Если же сигнал спутника не обнаружен в течение 2,5 мин, про­исходит переход к поиску в полосе 10 кГц. После окончания слежения в связи с заходом спутника также включается поиск в полосе 10 кГц.

4. Синхронизация. После того как установится режим слежения, начинается синхронизация для обеспечения приема информации, передаваемой спутником. Синхронизация выполняется в три этапа: синхронизация дублетов, синхрониза­ция битов и синхронизация сообщений. При синхронизации дублетов схемой совпадения сравнивается опорный сигнал, формирующийся в аппаратуре, с сиг­налом, поступающим от синхронного детектора. В случае, если они не совмеще­ны во времени, на выходе схемы совпадения выделяется напряжение рассогла­сования. Это напряжение после интегрирования управляет фазосдвигателем до тех пор, пока не будет достигнута синхронизация дублетов. Цепи синхронизации битов содержат таймер, осуществляющий задержку начала работы схемы с тем, чтобы синхронизация дублетов произошла до начала синхронизации битов. Специальный детектор цепи синхронизации битов детектирует спутниковые дан­ные и определяет первый дублет пары. Выходной сигнал этого детектора является управляющим сигналом синхронизации битов. Для защиты от помех сигнал до подачи в цепи управления синхронизацией проходит счетчик с коэф­фициентом пересчета 16. После синхронизации битов происходит синхронизация сообщений. Все сообщение объемом 6103 бита схемой синхронизации сообщений разделяется на 157 слов. Для этого схема отыскивает последние 25 битов вто­рого слова, состоящие из 23 единиц, обрамленных по краям нулями. От этого сигнала счетчик с коэффициентом пересчета 39 делит сообщение на слова, а сле­дующий счетчик с коэффициентом 6 выделяет слова, содержащие информацию, предназначенную для судовой навигационной аппаратуры. Цепи контроля формата выбирают эти 25 слов и выдают их в ЭВМ.

5. Счет числа биений доплеровской частоты. При использовании интервала «Короткий доплер» интегрирование изменения доплеровской частоты произво­дится за 24 с, т. е. двухминутный цикл передачи сообщения спутником делится на пять частей, в течение каждой из которых подсчитывается число биений доп­леровской частоты. Доплеровская частота выделяется специальным смесителем как разность частот, сформированных из колебаний опорного генератора и ко­лебаний управляемого генератора. Частота первого колебания постоянна, а вто­рого изменяется пропорционально изменению частоты принимаемого от спутника сигнала. Импульсы, ограничивающие интервал, в течение которого производится счет биений, формируются путем деления частоты управляемого генератора. Этот интервал близок по величине к 24 с, но не постоянен, так как частота управляемого генератора изменяется с изменением частоты приходящего от спут­ника сигнала. Счетчик подсчитывает число биений за данный интервал и через регистр выдает эту информацию в ЭВМ, где она используется в качестве радио­навигационного параметра при определении места судна.

Электронная вычислительная машина судо­вой навигационной аппаратуры. В современных кон­струкциях представляет собой микроЭВМ, построенную на базе микропроцессорного комплекта больших интегральных схем. Для хранения констант и программ используется постоянное запоми­нающее устройство (ПЗУ), конструктивно представляющее собой также БИС. Это исключает необходимость выполнения трудоемкой работы по вводу программ перед началом работы, что было необ­ходимо при использовании прежних образцов аппаратуры. Опера­тивное запоминающее устройство (ОЗУ) —тоже БИС.

В отличие от ПЗУ, ОЗУ хранит информацию только во время, когда на аппаратуру подано питающее напряжение. При выключе­нии питания информация стирается, и при включении ее надо вво­дить вновь. Поэтому судовая сеть, питающая аппаратуру, дубли­руется питанием от аккумуляторных батарей, которые обеспечива­ют кратковременную (порядка 10 мин) работу при отключении судовой сети. В некоторых образцах современной аппаратуры при отключении сети обеспечивается дублирующим питанием только устройство памяти. Работать с аппаратурой в этом случае до включения сети нельзя, но зато информация сохраняется в памяти длительное время и при включении сети нет необходимости вво­дить данные вновь.

Устройство управления. Как правило, в качестве устройства управления используется клавиатура. Кроме клавиш цифр и знака числа имеется клавиша ввода информации в ЭВМ. Клавиша ввода обозначается символом Е или ENT (от англ. enter). До нажатия этой клавиши информация хранится в памяти дисплея и может изменяться и стираться. Методы управления су­довой навигационной аппаратурой с помощью клавиатуры будут рассмотрены ниже.

Устройства отображения информации. В ка­честве основного устройства отображения информации в современ­ной аппаратуре применяется дисплей. Дисплеем (от английского display — показывать, воспроизводить) называется устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблицы, чер­тежа и др.) на экране электронно-лучевого прибора. Выдача ин­формации организуется обычно в одном из двух вариантов. В од­ном одновременно отображается значительное количество информации.

 

Например, дисплей аппаратуры «Магнавокс-1 102» имеет для этого 10 строк по 24 символа в строке. В другом объем одно­временно отображаемой информации невелик, но есть возможность выдать всю необходимую информацию последовательными пор­циями. Так сделано, например, в аппаратуре «FSN-20C», где дис­плей содержит всего три строки, но, нажимая клавишу «NEXT», можно просмотреть до 9 последовательных порций информации. Для обеслечения документирования кроме дисплея в состав комп­лектов часто включают печатающее устройство. В наиболее совре­менных конструкциях дополнительно применяется графическое ото­бражение информации с помощью графических дисплеев преиму­щественно телевизионного типа. Вид изображения на экране тако­го дисплея показан на рис. 173.

Ввод информации о курсе и скорости от компаса и лага. Автоматический ввод информации от курсоуказателя осуществляется путем подключения цепи его выхода на репитер к интерфейсу судовой навигационной аппаратуры. Интерфейсом на­зывается система связей с унифицированными сигналами и аппара­турой, предназначенная для обмена информацией между устройст­вами вычислительной системы. Необходимый для преобразования напряжения в код аналого-цифровой преобразователь содержится в интерфейсе судовой навигационной аппаратуры. Следует учиты­вать, что таким путем передается информация только о десятых долях градуса курса. Полное значение курса необходимо вначале ввести вручную, дальнейшие изменения его будут учитываться автоматически. При сопряжении с аппаратурой лага, выдающей информацию о пройденном расстоянии в виде число-импульсного кода например индукционного электронного лага, серьезных проб­лем не возникает, так как интерфейс содержит преобразователь число-импульсного кода в двоичный. Необходимо только в начале работы ввести вручную масштабный коэффициент данного лага, равный числу импульсов на одну милю пройденного расстояния. При использовании различных типов лагов, выдающих инфор­мацию о пройденном расстоянии в виде угла поворота вала, как это имеет место) например, в гидродинамических лагах, необходим дополнительный преобразователь угла поворота вала в число-им­пульсный код. В настоящее время существуют многочисленные ва­рианты таких преобразователей, в которых используются преиму­щественно фотосчитывающие устройства или конструкции с герко- нами.

Основные принципы решения навигационной задачи. Решение системы уравнений изолиний прямыми методами, даже при исполь­зовании ЭВМ, связано с рядом серьезных трудностей, обусловлен­ных сложностью функциональных зависимостей, необходимостью учета сфероидичности, проблемами отбора истинных корней и громоздкостью обработки избыточной информации. Поэтому при­меняются косвенные способы с использованием метода последова­тельных приближений. Из итерационных алгоритмов чаще всего применяется метод Ньютона, при котором производится предвари­тельная линеаризация изолиний (замена их линиями положения) в районе счислимого места. Линеаризованная система уравнений имеет вид:

Система уравнений (XXI—13) решается интеративным путем, т. е. сначала находят поправки к счислимым координатам и полу­чают первые обсервованные значения. Эти значения принимают в качестве счислимых для следующего цикла и так до тех пор, пока поправки не станут меньше величины, определяющейся необходи­мой точностью решения. При итерационном методе решения задачи важно, чтобы была обеспечена сходимость процесса, т. е. чтобы при итерационных циклах погрешности уменьшались. Для этого должны быть определены пределы первоначально вводимых пара­метров, при которых обеспечивается надежная сходимость.

При использовании доплеровского метода значительную систе­матическую ошибку измерений вызывает расхождение частот опор­ных генераторов. Величина этой ошибки неизвестна, однако в тече­ние сеанса она практически не изменяется. Это позволяет исклю­чить ее путем дополнительного третьего измерения навигационного параметра. Тогда система будет содержать три уравнения с тремя неизвестными. Третьим неизвестным будет систематическая ошиб­ка из-за расхождения частот опорных генераторов AU,

Решение этой системы уравнений позволит получить координа­ты судна, не содержащие систематической ошибки за счет расхож­дения частот опорных генераторов.

В течение реального сеанса работы со спутником получают зна­чительное количество избыточной информации, позволяющее при­менить статистические методы уменьшения случайных ошибок. Для этой цели может быть применен, в частности, хорошо извест­ный метод наименьших квадратов. В этом случае в запоминающем устройстве должны быть собраны все результаты измерений дан­ного сеанса и обработка производится по полной их выборке. Дру­гим способом является обработка по выборке нарастающего объ­ема. При этом методе, получившем название рекуррентного, или метода динамической фильтрации, измерения добавляются после­довательно и в каждом цикле обработки применяются однотипные рекуррентные соотношения, что отвечает характеру работы систе­мы с, последовательными измерениями.

Особенности управления судовой навигационной аппаратурой системы «Транзит». Современная судовая навигационная аппара­тура спутниковых систем представляет собой построенные на базе ЭВМ устройства, автоматически выполняющие все операции по поиску, обнаружению и слежению за сигналом спутника, измере­ниям навигационных параметров,и расчету места судна. Это опре­деляет специфику использования их судоводителем. Работая с та­кой аппаратурой, судоводитель ведет с ней своеобразный диалог, используя для ввода информации и указаний о режимах работы клавиатуру управления и получая результаты и запросы об уточне­нии вводимых данных на экране дисплея или ленте печатающего устройства. Внешний вид такой аппаратуры показан на рис. 174 и 175. Естественно, что при диалоге с такой аппаратурой применя­ется некоторый условный язык кодов и символов, которым судово­дитель должен владеть. Однако система кодов несложна, а симво­лы близки к применяющимся в навигации. В качестве примера на рис. 176 приведена таблица основных кодов аппаратуры Мх-1 102. Такая таблица закреплена на передней панели прибора и служит справочным пособием при работе.

Работа с судовой навигационной аппаратурой спутниковой си­стемы начинается с ввода исходных данных, после чего она перехо­дит в режим решения задач, определяемых судоводителем.

 

Ввод исходных данных. Набор программ ЭВМ аппа­ратуры предусматривает программу запроса ввода исходных дан­ных. Это избавляет судоводителя от необходимости запоминания перечня исходных данных и последовательности их ввода. После­довательность запросов определяется спецификой программы дан­ного типа аппаратуры и для разных типов может быть различной. Однако состав исходных данных, необходимых для начала работы, как правило, одинаков и в него входят:

счислимые координаты судна. Необходимы для разрешения многозначности и выполнения первого итерационного цикла реше­ния задачи. Разные модификации аппаратуры допускают разную величину ошибки счислимых координат, лежащую обычно в пре­делах от 1 до 3°. Однако надо учитывать, что чем выше точность введенных счиелимых координат, тем надежнее и быстрее будет сходиться итерационный процесс;

гринвичское время и дата. Гринвичское время должно вводить­ся с ошибкой, не превышающей 14 мин; тогда при очередном сеан­се работы со спутником оно будет автоматически уточнено до од­ной секунды. Дата, если нет других указаний, должна вводиться по гринвичскому времени;

указание о способе ввода информации от курсоуказателя: авто­матическом или вручную. При ручном вводе последует запрос о ве­личине курса, который надо ввести полностью и затем вносить кор­ректуру при каждом изменении курса. При автоматическом вводе потребуется ввести начальное целое число градусов, после чего из­менения курса будут вводиться автоматически;

указание о способе ввода информации в аппаратуру от лага: автоматическом или вручную. При вводе вручную последует до­полнительный запрос о величине скорости и потребуется при каж­дом изменении скорости вводить новое значение. При автоматиче­ском вводе дополнительный запрос касается характеристики ин­формации, выдаваемой лагом данного типа, — числа импульсов на одну милю пройденного расстояния;

высота антенны. Реальная поверхность Земли не совпадает с использующимся для расчетов обсервации референц-эллипсоидом. Это требует ввода соответствующих поправок. К некоторым типам аппаратуры придается карта поправок (рис. 177). В этом случае вводить необходимо алгебраическую сумму высоты антенны от ватерлинии и поправки. В более совершенных конструкциях инфор­мация о величинах поправок заложена в постоянную память, и вво­дить необходимо только высоту антенны над уровнем моря. Вари­ант ввода высоты антенны оговаривается в технической докумен­тации к прибору;

поправка курсоуказателя. Вводится с ее знаком. Ввод поправ­ки курсоуказателя предусмотрен не во всех модификациях; в неко­торых предполагается учет ее при первоначальном вводе курса.

После ввода исходной информации можно переходить к реше­нию задач. В комплекс решающихся задач входят автоматическое счисление, обсервации по спутникам и дополнительные задачи, свя-

 

Рис. 177. Вид карты поправок

 

 

 

занные с выполнением навигационных расчетов, прогнозированием сеансов работы со спутниками, проверкой аппаратуры и т. д. Зада­чи имеют приоритет, который обычно бывает следующим. При от­сутствии команды о решении какой-то определенной задачи ведет­ся автоматическое счисление. Если предусмотрен периодический автоматический контроль технического состояния, он производится в отведенное для этого время, при условии, что это время не совпа­дает с сеансом работы спутника. Задача спутниковых обсерваций имеет приоритет по сравнению с остальными. Задача прогнозиро­вания спутников решается автоматически по мере накопления ин­формации, и результаты хранятся в запоминающем устройстве. Выполнение задач, связанных с навигационными расчетами, про­изводится по запросу судоводителя. Рассмотрим особенности реше­ния некоторых основных задач.

Автоматическое счисление. Ведется по данным ла­га и гирокомпаса. Результаты отображаются на дисплее, при этом указываются: время, прошедшее после последней обсервации, ко­ординаты счислимого места, гринвичское время, скорость и курс с указанием метода их ввода, величина и направление сноса. Вид информации при автоматическом счислении показан на рис. 178. В верхней строке дисплея индицируется DRT (Dead reckoning ti­me) — время, прошедшее после последней обсервации, в часах и ми­нутах.

Эта величина до некоторой степени характеризует качест­во счислимых координат, показывая длительность плавания по счислению. В последующих двух строках — координаты счислимо­го места: LAT (Latitude)—широта и LON (Longitude)—долгота в градусах, минутах и сотых минуты. Под координатами GMT (Gre­enwich Mean Time) —гринвичское время в часах, минутах и секун­дах. Ниже—SPEED — скорость в узлах и десятых узла и HDG (Heading) —курс в градусах и десятых градуса. Буква М (Manu­ally) слева от HDG показывает, что данная величина (курс) вве­дена вручную.

При необходимости информация может документироваться пе­чатающим устройством через заданный интервал времени.

Спутниковые обсервации. На экране дисплея либо на устройстве сигнализации отображаются стадии спутниковой об­сервации: обнаружение сигналов спутника, слежение и набор ин­формации, вычисление обсервованного места. По окончании вычис­лений выдается информация о результатах обсервации. В состав этой информации входят обсервованные координаты, гринвичское время и данные, характеризующие качество обсервации (рис. 179). FIX в верхней строке показывает, что приводимые данные относят­ся к результатам обсервации. Символ N справа в этой же строке указывает на количество предшествующих обсерваций, которые по каким-либо причинам не были приняты для дальнейшего счисле­ния. В показанном на рис. 179 случае (N1) не были приняты дан­ные одной предшествующей обсервации. Ниже, как и при счисле­нии, индицируются координаты и гринвичское время, но относя­щиеся к результатам обсервации.

Качество обсервации в большинстве современных образцов су­довой навигационной аппаратуры, предназначенных для широкого использования, оценивается не количественно (средней квадрати- ческой погрешностью или полуосями эллипса погрешностей), как это обычно принято в судовождении, а комплексом параметров, дающих представление об условиях, в которых обсервация выпол­нялась. К числу этих параметров относятся угол кульминации спутника, число итераций при решении задачи, число использован­ных линий положения, невязка со счислимым местом, номер спут­ника, а также дополнительные сведения о симметричности приня­той информации относительно точки кульминации и взаимных по­мехах между спутниками. Эти параметры выдаются судоводителю и, кроме того, анализируются ЭВМ по критериям, заложенным в программу обработки. Например, во многих модификациях аппа­ратуры критерием допустимости угла кульминации считается угол в пределах 7—75°, число итераций допускается не более 5, число использованных линий положения не менее 15, невязка не более 20 миль и т. д. Если обсервация удовлетворяет всем критериям каче­ства, она автоматически принимается для дальнейшего счисления. Если же какой-либо из параметров выходит за пределы допуска, об этом выдается сообщение и вопрос о принятии обсервации для дальнейшего счисления оставляется на усмотрение судоводителя. В этом случае судоводитель должен принять решение, оценив всю имеющуюся в его распоряжении информацию о месте судна и о навигационной обстановке в районе плавания.

 

 

(3 по соответствующей таблице), вследствие которой обсервация не была принята системой для дальнейшего счисления.

Прогнозирование сеансов работы со спутни­ками. После того как в памяти судовой навигационной аппара­туры накопится достаточное количество принятой от спутников эфемеридной информации, выполняется прогноз последующих се­ансов работы. В прогнозе для каждого спутника указываются вре­мя восхода, номер и угол кульминации (рис. 180). В разных мо­дификациях аппаратуры прогнозируется разное количество бли­жайших сеансов, обычно до 6—9.

На рис. 180 показан экран дисплея, в верхней части которого отображена информация, относящаяся к результатам автоматиче­ского счисления, а в нижней — данные прогноза трех ближайших спутников (время восхода, номер и угол кульминации).

Задачи, связанные с выполнением навигаци­онных расчетов. В состав этих задач входят расчеты, свя­занные с плаванием по дуге большого круга или локсодромии, за­поминание информации о промысловой обстановке и т. п. В по­следнее время судоводители используют возможности программ ЭВМ судовой навигационной аппаратуры спутниковых систем для определения радиодевиации и маневренных элементов судна, опре­деления поправки компаса.

Контроль работоспособности приемоиндика­тора и принципы отыскания неисправностей. Как уже указывалось, во многих модификациях судовой навигацион­ной аппаратуры периодически производится автоматическая про­верка с помощью испытательной (тестовой) программы, о чем вы­дается сообщение на экране дисплея (рис. 181). Такая проверка может быть выполнена также в любой момент по команде опера­тора. Если в результате проверки обнаружена неисправность, со­общение об этом с указанием номера неисправного блока или но­мера причины неисправности выдается на дисплей, как это пока­зано, например, на рис. 182. В случае, если результатов проверки недостаточно для обнаружения и устранения неисправности, следу­ет воспользоваться программами логического поиска, входящими в комплект технической докумен­тации. Фрагмент такой програм­мы показан на рис. 183. Кроме того, во многих типах аппаратуры предусмотрена возможность за­проса величин, характеризующих качество работы, таких, как уро­вень сигнала на входе приемника, доплеровская частота, изменение доплеровской частоты за задан­ный интервал времени и т. п.

Это существенно облегчает проверку и поиск неисправностей в ней.

Факторы, влияющие на точ­ность определения места. хуя

 

хуя

Основные факторы, влияющие на точность определения места при использовании спутниковых систем, можно объединить в следующие группы:

погрешности за счет неточного знания места спутника в момент обсервации;

аппаратурные погрешности судовой навигационной аппара­туры;

погрешности, вносимые влиянием окружающей среды; погрешности из-за неточного знания вектора скорости судна; погрешности в высоте приемной антенны; различие исходных геодезических систем координат; погрешности, определяющиеся геометрией системы. Погрешности из-за неточного знания места спутника в момент обсервации. Зависят от точности определения его траектории наземным комплексом и точности прогнозирования места на моменты наблюдений. Считается, что погрешность места спутника в среднем характеризуется величиной ±30 м и вносит погрешность такого же порядка в определение мес­та судна.

Аппаратурные погрешности судовой навига­ционной аппаратуры. Определяются такими факторами, как нестабильность опорного генератора, погрешности синхрониза­ции, погрешности следящих систем и т. п. В современных конструк­циях аппаратурные погрешности сведены к минимуму и их влияние меньше, чем других факторов.

Погрешности, вносимые влиянием условий окружающей среды. Наиболее существенная составляющая этих погрешностей вызывается влиянием ионосферной рефракции. Для исключения этой погрешности необходимо применение двух- канальной судовой аппаратуры, в которой измерения производятся в диапазонах 400 и 150 МГц. Однако двухканальная судовая ап­паратура существенно сложнее и дороже и для целей общего мо­реплавания удовлетворяются применением одноканальной, в кото­рой погрешность за счет ионосферной рефракции не исключается.

Рис, 183. Фрагмент программы логического поиска неисправности

 

Влияние остальных факторов, обусловленных окружающей средой,, таких, как отражение радиоволн от морской поверхности, качка судна, атмосферные шумы, уменьшают до допустимых пределов рациональной конструкцией аппаратуры.

Погрешности из-за неточного знания вектора скорости судна. Вследствие длительности сеанса работы со> спутником измерения должны приводиться к одному месту. Для этого необходимо, чтобы во время сеанса велось тщательное авто­матическое счисление. Погрешности счисления систематического характера являются основным фактором, ограничивающим точ­ность спутниковых обсерваций. Считается, что в среднем система­тическая погрешность определения места составляет величину по­рядка до 2 кбт на один узел систематической погрешности в скоро­сти судна во время обсервации. Поэтому для реализации потенци­альных возможностей спутниковой системы судно должно быть снабжено абсолютным лагом, например доплеровскнм. При ис­пользовании любых относительных лагов необходимы систематиче­ская их выверка н тщательный учет всех видов течений.

Погрешность в высоте приемной антенны. Возникает вследствие замены при решении задачи обсервации гео­ида его приближенной моделью — эллипсоидом вращения. Рас­хождение между поверхностями этих фигур называется геоидной высотой. Как уже об этом писалось, в некоторых модификациях судовой навигационной аппаратуры эта величина учитывается с помощью специальной карты поправок; в более совершенных об­разцах поправки содержатся в постоянном запоминающем устрой­стве и учитываются автоматически. Однако даже при учете попра­вок возможны погрешности в геоидной высоте порядка 20 м вслед­ствие местных гравитационных аномалий.

Различие исходных геодезических систем координат. При построении навигационных карт в разных странах принимают различные референц-эллипсоиды с разными параметрами. В спутниковой системе, которая по самому принци­пу своему геоцентрична, принят так называемый общий земной референц-эллипсоид, наиболее близкий к геоиду. Перенос коорди­нат, определенных с помощью спутниковой системы, на морскую карту приводит к погрешностям, являющимся следствием разли­чия в принятых моделях Земли. Погрешности будут иметь система­тический характер и могут достигать значительных величин. В принципе возможен расчет поправок, в некоторых странах изда­ются таблицы или карты их величин. Если эти поправки не учи­тывать, то при переносе результатов спутниковых обсерваций на навигационную карту надо считаться с возможностью возникнове­ния ошибок, вызванных различием исходных геодезических систем координат.

Ошибки, определяющиеся геометрией систе- м ы. Точность определения места при применении интегрального доплеровского метода зависит от угла кульминации спутника. Ми­нимальная ошибка соответствует углам кульминации 30—50°. При малых углах кульминации (меньше 7—10°) точность резко падает из-за уменьшения числа линий положения. При углах кульмина­ции, близких к 90°, все линии положения будут близки к перпен­дикуляру к трассе спутника и долготу места определить будет не­возможно, хотя широта будет получаться с наивысшей точностью.

При полярных орбитах в силу геометрии гиперболической си­стемы, у которой база совпадает с меридианом, точность определе­ния широты будет всегда значительно выше, чем долготы.

$ 68. СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА «НАВСТАР»

Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging) переводится как спут­ник измерения времени и координат. Иначе система «Навстар» называется по ее назначению GPS (Global Positioning System) — глобальная система место- определения.

«Навстар» представляет собой спутниковую систему вторяго поколения, раз­рабатываемую в США. Это сетевая система, в которой применена сеть навига­ционных спутников, координированная по движению и излучению сигналов. Си­стема «Навстар» полного состава по первоначальному проекту должна была содержать 24 навигационных спутника, расположенных /равномерно по 8 спут­ников на трех круговых орбитах высотой около 20 000/км, разнесенных по дол­готе на 120° и наклоненных на 63° к экваториальной плоскости. Такая конфигу­рация обеспечивает в любой точке земного шара одновременную видимость от 4 до 11 спутников. Спутники значительно сложнее по устройству, чем в системе «Транзит», больше по весу и габаритам. Масса спутника на орбите 455 кг, пло­щадь солнечных батарей 5 м². Мощность их более 400 Вт. Срок существования спутника порядка 5 лет. Все спутники сети излучают сигналы одинаковой струк­туры, предназначенные для измерения дальности и радиальной скорости. Систе­ма рассчитана на два вида пользователей, для первого из которых должна быть обеспечена высокая точность и защищенность. Соответственно предусмотрено два типа кодов — код Р (precision — точный) и код С/А (clear acquisition — лег­ко обнаруживаемый). Оба кода передаются на частоте 1575,42 МГц двумя несущими, сдвинутыми на 90°. Для исключения влияния ионосферной рефракции излучается вторая частота 1227,6 МГц, которая модулируется только точным измерительным кодом Р. Служебная информация передается двоичным кодом D на обеих частотах. В состав служебной информации входят эфемеридиая ин­формация, поправка временной шкалы, поправка для учета условий распростра­нения радиоволн и так называемый альманах, содержащий сведения о других спутниках системы, необходимые для выбора созвездия, по которому будет определяться место. Высокая стабильность частоты, необходимая для реализа­ции пассивных измерений дальности, обеспечивается атомным стандартом частоты.

Для решения навигационной задачи необходимо определить время прихода сигналов спутника; место спутника в момент передачи сигналов известно из передаваемого им сообщения. Каждый ряд из четырех измерений времени при­хода сигналов позволяет определить четыре независимых переменных: отклоне­ние показаний времени, широту, долготу и высоту. Четвертое измерение может быть исключено, если высота над эталонным сфероидом известна с достаточной точностью. Чтобы обеспечить точные временные отметки (маркеры), разделение принимаемых от спутников сигналов и их обработку, в системе «Навстар» ис­пользуют модулируемую псевдошумовую структуру сигнала. Псевдошумовая модуляция осуществляется непрерывно, и измерения времени прихода сигналов выполняются путем выравнивания кода псевдошумового генератора приемника с кодом псевдошумового сигнала, принимаемого от спутника. Для с

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: