Геометрия земного сфероида

РАЗДЕЛ 2

Вопросы для самопроверки

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.

1.3.2 Погрешности навигационных элементов

Все НЭ являются результатами измерений. Так как источниками НЭ являются измерения, а все измерения производятся с какими-то случайны­ми погрешностями, то все НЭ — величины случайные.

Измерение — физический процесс сравнения измеряемой величины с единицей измерения (эталоном). Оно производится с помощью приборов или инструментов. В процессе измерения участвуют также оператор, произ­водящий измерения, объект измерения и внешняя среда.

Измерительный прибор, оператор, объект измерения и внешняя среда составляют условия измерения. В общем случае результат измерения тес­но связан с условиями измерения и зависит и от технического состояния

измерительного прибора, и от навыков и психофизического состояния опе­ратора, и от характера объекта измерения, и от параметров внешней среды.

Условия измерения определяют совокупность факторов, воздействующих на измерение. Чем полнее учтены все факторы, воздействующие на измере­ние, тем точнее результат измерения. Но учесть можно только постоянные или закономерно изменяющиеся факторы. Следовательно, невозможно получить и неиска-женный результат измерения. В общем случае он будет отличаться от истинного значения.

Разница между измеренным и истинным значениями называется в общем случае погрешностью измерения. Величина погрешности измерения зави­сит от соотношения количества учтенных и неучтенных факторов. Очевидно, что измерение имеет смысл лишь тогда, когда основная масса воздейству­ющих факторов известна и учитываема.

Непосредственными источниками погрешностей измерения являются:

- несовершенство измерительных приборов (ограниченный предел точности шкалы, колебания технических параметров прибора, наличие технологи­ческих погрешностей работы отдельных узлов и схем прибора);

- несовершенство органов чувств человека и нестабильность его психофи­зического состояния в процессе измерения;

- незакономерные колебания параметров внешней среды, прямо или кос­венно воздействующих на результат измерения.

Измеренные НЭ, как правило, подвергаются обработке — исправляют­ся поправками или служат исходной информацией для расчета других НЭ.

Полученные в результате обработки НЭ помимо погрешностей измере­ния содержат дополнительные погрешности, связанные с несовершенством метода обработки, а также с внесением в измеренные результаты поправок, содержащих свои погрешности.

Таким образом, погрешность НЭ в общем случае состоит из погрешности измерения и погрешности обработки. Погрешность НЭ может быть абсолютной и относительной. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряе

мой величины и равна разности между полученным значением НЭ (и) и его истинным значением U₀

Относительная погрешность выражается безразмерным числом и равна абсолютной погрешности, отнесенной к величине НЭ.

или в процентах

1. Что изучает наука «Математические основы судовождения»? Какой круг задач она решает?

2. Какие новые достижения фундаментальных наук используются в судовождении?

3. Что такое навигационная информация? Где она формируется?

4. Что такое навигационный сигнал? Какие требования к нему предъявляются?

5. Какие виды навигационного пространства применяют в судовождении?

6. В каких средах происходит движение судна и как они влияют на него?

7. Какие параметры движения судна и навигационные параметры используют в судовождении?

8. Какие физические явления используют в навигации?

Дата добавления: 2013-12-13