Навигационное использование низкоорбитных космических систем

Методы определения места корабля в СРНС

Методы определения координат места корабля различаются видами используемых навигационных параметров и их комбинациями. Существуют, например, дальномерный, угломерно-дальномерный, разностно-дальномерный, радиально-скоростной, угломерный и другие методы. Теоретически возможно большое количество подобных комбинаций, но практическое применение в морской навигации находят лишь немногие. Это объясняется главным образом тем, что различные комбинации не эквивалентны по точности при достигнутом уровне технического совершенства измерительных средств. В частности, пока не находят применения в СРНС угломерные методы определения координат.

Сравнивая дальномерный метод с угломерным, можно отметить, что радиотехнические методы позволяют сравнительно легко осуществить измерения дальности с погрешностью, не превышающей нескольких метров, а для получения таких же по точности результатов при использовании угловых координат на дальностях до нескольких тысяч километров потребуется измерять углы с погрешностью, не превышающей долей угловых секунд, что является невозможным в корабельных условиях. Поэтому в настоящее время в морской навигации находят применение дальномерный, разностно-дальномерный и радиально-скоростной методы.

Дальномерный метод определения места корабля

Дальномерный метод основан на измерении расстояний между ИСЗ и объектом навигации. Найдем выражение для навигационной функции метода и установим вид навигационной изоповерхности, соответствующей определяемому навигационному параметру.

Наиболее простой - дальномерный способ определения места. Установим зависимость, связывающую НП с широтой и долготой.

, (1.1)

где x,y,z – координаты потребителя;

xi,yi,zi – координаты i-го НС или одного и того же НС, но в i моменты времени и приведенные к одному моменту.

Поверхностью положения является шар с центром i-го НС. Радиус шара Di. Недостатком способа является неоднозначность – нелинейность системы уравнения.

В формуле (1.2) подразумевается, что все величины должны быть взяты в один и тот же момент времени. Т.к. координаты спутника привязаны к бортовой шкале времени (БШВ), а на корабле к шкале времени потребителя (ШВП), то их необходимо синхронизировать и иметь одинаковое время.

(1.2)

Погрешность БШВ составляет порядка 10нс или 30м и характеризуется погрешностью частотно-временного обеспечения.

В настоящее время дальномерный метод реализован в системах 2-го поколения и в современных приемоиндикаторах обычно используются только измерения дальности до НИСЗ.

Необходимая информация о координатах НИСЗ для решения системы определяется в корабельной аппаратуре путем решения либо алгебраических уравнений движения ИСЗ (в системе GPS), либо путем интегрирования системы дифференциальных уравнении движения ИСЗ ( в отечественных системах) по известным начальным условиям движения НИСЗ (т.е. с использованием эфемеридной информации 1-го рода).

Разностно-дальномерный метод определения места корабля

Разностно-дальномерный метод основан на измерении разности расстояний между объектом навигации и двумя навигационными точками. Иногда этот метод еще называют доплеровский интегральный. Разностно-дальномерные базы можно образовать при одновременном использовании двух ИСЗ с нетождественными элементами орбиты. Возможно также последовательные во времени положения одного ИСЗ рассматривать как навигационные точки, образующие соответствующие базы, учитывая при этом перемещение объекта навигации по поверхности Земли в интервале между моментами навигационных измерений. Найдем навигационную функцию и установим вид навигационной изоповерхности, соответствующей измеренной разности расстояний до двух ИСЗ.

Интегральный доплеровский метод заключается в измерении РНП – интеграла fдоп.

. (1.3)

Вычислив интеграл, можно получить разность фаз или набег фазы fдоп в фазовых циклах, а затем и разность расстояний в длинах волн fизл. Поверхностью равных значений D2-D1 является гиперболоид вращения. Фокусы гиперболоида находятся в точках 1 и 2 (положение КА в моменты времени t1 и t2) (рис.1.).

Рисунок 1 Поверхности и линии положения при разностно-дальномерном методе определения навигационных параметров

Линией положения на Земле является пересечение гиперболоида вращения с геоидом – интегральная изотопа (сфероидическая гипербола) – линия одинаковых разностей расстояния на поверхности Земли.

При небольших временных интервалах t2-t1 поверхность гиперболоида асимметрически приближается к конусу, а интегральная изотопа очень близка к изотопе. Вершину конуса при условии fдоп. на небольшом интервале времени можно считать линейно изменяющейся величиной.

Радиально-скоростной метод определения места

Радиально-скоростной (псевдорадиально-скоростной) или частотный метод основан на эффекте Доплера-Белоцерковского.

Эффект Доплера был открыт и основан австрийским физиком и астрономом в 1842г. применительно к акустическим и световым колебаниям, а в 1900г. выдающимся русским астрономом А. А. Белоцерковским распространен применительно к электромагнитным колебаниям.

В 1958г. академик Котельников В. А. Предложил его использовать для определения орбит (траекторных измерений) ИСЗ. Зная координаты наземных СТИ можно получить координаты ИСЗ. Обратная задача тоже возможна. Зная координаты и скорость НС можно определить неизвестные координаты потребителя на Земле.

Принцип (эффект) Доплера заключается в следующем: При изменении расстояния (сближении, удалении) между источником и приемником электромагнитных колебаний (радиоволн) частота принимаемого колебания отличается от частоты излучаемых колебаний, причем разность этих частот (доплеровский сдвиг частоты) пропорционален скорости изменения расстояния.

Навигационным параметром является радиальная скорость:

. (1.4)

Измерив fдоп, можно получить радиальную скорость или скорость изменения дистанции.

Т.о. – проекция на линию НС - потребитель.

Рисунок 2 Поверхности и линии положения при измерении радиальной скорости

Поверхность, для которой = const – поверхность положения, в каждой точке которой fдоп. = const. Следовательно, в одной из точек этой поверхности находится потребитель. Фигурой поверхности = const является конус с вершиной в точке НС и осью конуса (рис.6).

Конус, пересекаясь с поверхностью Земли образует изолинию – изотопу (линию одинакового доплеровского сдвига).

Надежными и качественными обсервации будут при высоте КА от 250 до 600. При hкульм более 750-800, т.е. при Dтер менее 200 - 250 км (100 миль), обсервация невозможна. Т.о. Dтер должна быть в пределах 100-1000 миль.

В настоящее время существуют СРНС двух поколений: СРНС 1-го поколения (Цикада-м и Цикада), построенные на низкоорбитных спутниках (4 – 6 шт.) с высотой орбит ИСЗ около 1000 км, и СРНС 2-го поколения (ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS), построенные на среднеорбитных спутниках (не менее 24 шт.) с высотой орбит ИСЗ около 20 тыс. км.

Эти системы имеют следующие достоинства по сравнению с другими средствами навигации:

глобальность действия;

высокая точность и надежность определения навигационных параметров потребителя;

независимость от гидрометеоусловий, времени суток, времени года.

В СРНС 1-го поколения определение навигационных параметров потребителя производится с использованием только одного навигационного ИСЗ (НИСЗ). Это связано с использованием простых сигналов в СРНС 1-го поколения, причем наличие нескольких НИСЗ в зоне радиовидимости потребителя приводит к затруднению или даже невозможности обработки сигналов НИСЗ. Такая схема построения системы предопределила недостатки, присущие СРНС 1-го поколения:

довольно большая дискретность обсерваций — до 1,5 ч на экваторе;

неравномерность прохождения НИСЗ через зону видимости потребителя из-за независимости орбит каждого НИСЗ;

затруднение или даже невозможность обработки сигналов в АП при наличии в зоне радиовидимости потребителя нескольких НИСЗ;

длительность (до 10 и более мин.) сеанса обсервации;

необходимость счисления (т.е. знания вектора своей скорости) во время сеанса обсервации;

зависимость погрешности определения места от погрешности знания скорости объекта во время обсервации;

низкая помехоустойчивость системы;

низкая боевая устойчивость системы;

невозможность подводного приема сигналов системы.

неавтономность системы.

В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на практически круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью Земли.

Полная орбитальная группировка (ОГ) в ГЛОНАСС содержит 24 штатных НКА на круговых орбитах с наклонением i=64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120°. Номинальный период обращения НКА равен Т=11 ч 15 мин 44 с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°.

Для сравнения здесь отметим, что полная ОГ в системе GPS содержит 24 штатных НКА на круговых синхронных орбитах с периодом обращения Т=12 ч 00 мин (высота орбиты составляет примерно 20000 км над поверхностью Земли) в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением i=55°, а долготы восходящих узлов которых смещены с интервалом номинально 60°.

Орбитальная группировка НКА с несинхронными круговыми орбитами (Т=11 ч 16 мин) в системе ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с ОГ НКА с синхронными круговыми орбитами (Т=12 ч 00 мин) в системе GPS.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника "Космос-1413".В 1995 году было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 КА).

Основное назначение СНРС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин "глобальная оперативная навигация" означает, что подвижной объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости .

В интересах мирового сообщества ГЛОНАСС используется в соответствии с Постановлениями Правительства Российской Федерации №237 от 7.3.1995 г. и №346 от 29.3.1999 г. Россия предоставляет систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы.

В СРНС 2-го поколения определение навигационных параметров потребителя производится с использованием нескольких НИСЗ, поскольку в зоне радиовидимости их находится не менее 5 для каждой системы. Сигналы, используемые в СРНС 2-го поколения, являются сложными (т.наз. широкополосные, ШПС), и в аппаратуре потребителя (АП) они легко разделяются. Поэтому в СРНС 2-го поколения все вышеперечисленные недостатки, за исключением двух последних (!), устранены.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Морские карты. Навигационные руководства пособия. Навигационные опасности и средства навигационного оборудования морей. Счисление пути корабля и определение счислимых координат. Определение места корабля по береговым ориентирам. Навигационные параметры. Кораблевождение в особых условиях плавания. Навигационное обеспечение постановки корабля на якорь.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Эта тема принадлежит разделу:

Навигация и лоция

Морские карты. Навигационные руководства пособия. Навигационные опасности и средства навигационного оборудования морей. Счисление пути корабля и определение счислимых координат. Определение места корабля по береговым ориентирам. Навигационные параметры. Кораблевождение в особых условиях плавания. Навигационное обеспечение постановки корабля на якорь.

К данному материалу относятся разделы:

Определение предмета, задачи и цели изучаемого курса

Основные задачи кораблевождения, основные дисциплины кораблевождения

Навигация - основная дисциплина кораблевождения

Фигура и размеры земли

Основные точки, линии и плоскости на поверхности Земли

Географические координаты

Определение направлений в море

Понятия курс, пеленг и курсовой угол

Магнитные направления

Компасные направления

Дальность видимости ориентиров в море

Основные единицы расстояния и скорости

Морские карты, навигационные руководства и пособия для плавания

Понятие о картографических проекциях

Назначение морских карт и требования к их содержанию и оформлению

Классификация морских карт

Чтение навигационных карт

Порядок несения поправок и изменений в морские карты

Классификация морских навигационных руководств и пособий

Нумерация морских навигационных руководств и пособий

Использование в кораблевождении навигационных морских карт, морских навигационных руководств и пособий для плавания

Особенности навигационных условий плавания в заданном районе

Берега

Глубины, рельеф дна и характер грунта

Гидрометеорологическое обстановка в районе плавания, ее влияние на действия сил флота

Метеорологические условия плавания

Температура и влажность воздуха

Ветры

Облачность и осадки

Местные признаки погоды

Особые метеорологические явления

Гидрологические условия плавания

Колебания уровня

Ледовый режим

Морские навигационные опасности. Виды навигационных опасностей

Система ограждения навигационных опасностей

Особенности кораблевождения и способы счисления пути корабля

Ручное географическое счисление с учетом циркуляции, с учетом дрейфа и с учетом течения

Счисление пути корабля с учетом течения

Учёт циркуляции при счислении

Учет циркуляции графическим способом

Аналитическое (письменное) счисление

Автоматическое счисление

Точность графического счисления

Единицы длины, принятые в кораблевождении

Общие принципы определения места корабля по ориентирам

Классификация погрешностей наблюдений

Оценка точности определения места судна по двум линиям положения при влиянии случайных погрешностей

Средства и способы измерения навигационных параметров

Определение места по расстояниям до 2-х ориентиров

Определение места по расстояниям до 3-х ориентиров

Определение места корабля по расстояниям методом крюйс – способом

Определение места корабля по компасным пеленгом

Определения места корабля по двум пеленгам

Определение места корабля по трем пеленгам

Определение места корабля по пеленгам методом крюйс – способом

Общая характеристика космических навигационных систем

Навигационное использование низкоорбитных космических систем

Сущность определения места по геофизическим полям

Плавание в районах стесненных в навигационном отношении

Подготовка к плаванию в узкостях

Навигационные особенности плавания в узкостях

Кораблевождение в узкостях

Кораблевождение в ограниченную видимость

Кораблевождение во льдах

Расчет места якорной стоянки

Постановка корабля на один якорь и съемка с якоря

Задачи и содержание навигационной подготовки к походу

Практическое занятие по основам маневрирования

Похожие материалы: