Точность измерения навигационного параметра

Дискретность определения места судна.

Спутниковая РНС доплеровского типа позволяет определять место судна лишь периодически. Дискретность обсерваций зависит от числа ИСЗ, равномерности расположения плоскостей их орбит в пространстве и взаимного положения спутни­ков на соседних орбитах. Плоскости орбит ИСЗ пересекаются под углами 30—40°. Спутники, перемещаясь по этим орбитам, вблизи экватора движутся параллельно друг другу с юга на север или с севера на юг, вблизи полюсов их орбиты пересекаются, т. е. плот­ность навигационного покрытия возрастает с увеличением широты. Наблюдатель в средних широтах имеет возможность видеть спутник по меньшей мере 4 раза в сутки: 2 раза подряд на восходящей траек­тории с интервалом, равным периоду обращения ИСЗ, и затем — еще 2 раза подряд на нисходящей траектории через 10—12 ч, когда Земля, вращаясь с запада на восток, поднесет наблюдателя под вторую по­ловину орбиты спутника.

Таким образом, каждый спутник дает возможность получить в средних широтах 4 обсервации в сутки. Для системы из 5—6 ИСЗ средняя дискретность обсерваций могла бы составить около 1 ч. Од­нако часть обсерваций либо теряется из-за плохих условий приема сигнала, либо является ненадежной; если 2 ИСЗ проходят в зоне видимости наблюдателя одновременно, может произойти явление «перезахвата сигнала», которое также приводит к потере потенциально воз­можных обсерваций. В среднем число надежных обсерваций состав­ляет около 75 % общего числа прохождений ИСЗ в зоне видимости судна, поэтому средняя дискретность надежных обсерваций по СРНС составляет в диапазоне широт 60—0° около 1,0—1,5 ч.

Точность измере­ния разности.расстояний от судна до двух последовательных положе­ний спутника на орбите зависит от стабильности бортового опорного генератора и задающего генератора передатчика ИСЗ, влияния ре­фракции радиоволн в ионосфере и тропосфере, случайных ошибок из­мерений из-за воздействия внешних помех (шумов), инструментальных ошибок измерительных устройств.

Можно считать, что при нормальной работе аппаратуры одноканальный ПИ (т. е. работающий только на частоте 400 МГц) позволяет измерять навигационный параметр со средней квадратичной ошиб­кой ±15 м, а двухканальный (т. е. принимающий сигналы на «обеих несущих частотах) — +5 м за счет компенсации ионосферной рефракции.

Потенциальная точ­ность системы определяется как возможная точность определения ме­ста неподвижного судна при нормальных условиях измерений (так называемая «статическая точность»). Зависит от точности измерения навигационного параметра, геометрии взаимного положения судна и ИСЗ за время сеанса определения места и точности определения ме­стоположения спутника на момент измерений в выбранной системе координат.

При использовании наземных гиперболических РНС геометриче­ский фактор определяется положением судна относительно базовых линий системы. При определении места по СРНС геометри­ческий фактор определяется удалением судна от трассы ИСЗ, которое можно характеризовать угловой высотой кульминации спутника.

Рис№7

Надежное определение места судна достигается при угловой высоте КА над линией горизонта в пределах 15-75 ° наиболее благоприятным для определения места является прохождение спутника на Н= 30 - 50°, что соответст­вует удалению судна от трассы ИСЗ на 750—450 миль. Ошибки определения координат ИСЗ на момент измерений можно принять равными; 10 м. Таким образом, при благоприятных условиях прохожде­ния ИСЗ потенциальная точность одноканального ПИ составляет 100— 120 м, а двухканального — 30—40 м. Как видно, потенциальная точность спутниковой РНС довольно высока и сравнима с точностью наземных РНС ближнего действия.

Точность определения места движущегося судна. Точность опре­деления места движущегося судна может быть существенно ниже по­тенциальной точности системы. Процесс определения места судна по ИСЗ занимает 6—16 мин, что требует автоматического приведения измерений к одному зениту, поэтому полученные координаты являют­ся не обсервованными, а счислимо-обсервованными. Счисление пути судна за время обсервации неизбежно содержит как случайные, так и систематические погрешности, которые непосредственно сказываются на точности приведения измерений к одному зениту, а следовательно, и на точности определения координат судна по ИСЗ. При использовании в качестве средств счисления гирокомпаса типа «Курс» и гидродинами­ческого лага случайные ошибки счисления снижают точность опреде­ления места судна по СРНС на 10—15 %.

Погрешности счисления систематического характера (например, неучи­тываемый снос ветром или течением) оказывают более серьезное влия­ние и являются основным фактором, ограничивающим точность опре­деления места судна по СРНС. Систематическая погрешность в 1 уз в мери­диональной составляющей вектора скорости судна вызывает систематическую погрешность в обсервованной дол­готе порядка 200—400 м. Таким образом, для реализации потенциальной точности одноканального ПИ (100—120 м) необходимо знать вектор скорости судна с точностью до 0,1 уз, для двухканального — до 0,01 — 0,05 уз. Наиболее распространенные средства счисления пути судна — гирокомпас типа «Курс» и относительный лаг — такой точности не обеспечивают, поэтому при плавании на течении с оценкой его элемен­тов навигационными способами ошибка определения места судна оди­наково возрастает до 500 м как для одноканального, так и для двухка­нального ПИ; следовательно, использование двухканального ПИ це­лесообразно лишь в сочетании с корректируемым гирокомпасом и гид­роакустическим доплеровским лагом. При использовании относитель­ного лага любого типа судоводителю рекомендуется:

в обязательном порядке с максимально возможной точностью учитывать во время определения места по СРНС все виды течений и перед обсервацией вводить в ЭВМ не курс по гирокомпасу и скорость по лагу, а путь и скорость судна относительно грунта;

при плавании по фарватеру с ограниченной шириной или вблизи навигационных опасностей, когда направление движения судна близ­ко к меридиональному, а влияние систематических погрешностей счисле­ния не исключено, обсервованная долгота может быть недостаточно надежной и место судна следует уточнять другими способами с тем, чтобы, положившись на сравнительно точную спутниковую систему, не оказаться за бровкой канала или на опасности;

во время сеанса определения места (до 16 мин) рекомендуется следовать по возможности постоянным курсом с постоянной скоростью, избегая резкого маневрирования, так как на циркуляции и после нее точность показаний гирокомпаса и лага снижается. Если же не обеспечивается автоматический ввод курса и скорости в ЭВМ от гирокомпаса и лага, то изменение курса или скорости судна во время обсервации
может привести к потере точности.

Зависимость точности определений места судна от бортовых средств счисления пути возможность появления значительных погрешностей систе­матического характера являются одним из основных недостатков. СРНС для повышения точности обсерваций на судах рекомендуется одноканальный ПИ использовать в комплек­се с корректируемым гирокомпасом и доплеровским лагом, при этом точность определения места составит 180—200 м со средней дискрет­ностью 1—1,5 ч.

Ошибка в высоте приемной антенны над референц-эллипсоидом. Значительное влияние на точность определения места судна по СРНС могут оказывать ошибки в каналах обработки навигационной инфор­мации, из которых особо следует выделить ошибки вводимого значения высоты приемной антенны и различие исходных геодезических дат. Судоводитель должен периодически вво­дить в ЭВМ высоту приемной антенны над референц-эллипсоидом. Ошиб­ка в высоте приемной антенны является причиной появления систе­матической погрешности в отшествии:

Так как высота установки судовой антенны над ватерлинией известна с высокой точностью, основным источником ошибок является вводимое значение.геодезической высоты места. Требуемая частота ввода высоты определяется в зависимости от: маршрута плавания судна. При выполнении спе­циальных исследований, требующих повышенной точности определения места, может возникнуть необходимость ввода поправки при каждой обсервации.

Различие исходных геодезических дат. При составлении морских навигационных карт в качестве их математической основы в каждой стране выбирается референц-эллипсоид, имеющий наилучшее прибли­жение к геоиду на территории данной страны. При описании движения ИСЗ в качестве модели Земли принимается так называемый общий зем­ной эллипсоид, наилучшим образом приближающийся к поверхности геоида в целом. Различия математических моделей Земли, используе­мых при расчете обсервованных координат по СРНС и при составле­нии навигационных карт, на которые по координатам переносится об­сервованное место судна, может быть серьезным источником система­тических погрешностей, меняющихся по величине и направлению в зависи­мости от района плавания. Так, если обсервованное место, полученное по СРНС «Транзит», переносится по координатам на карту, составлен­ную по европейским геодезическим датам, то систематическая ошибка для южной части Балтийского моря составит около 110 м; если же об­сервованное место переносится на карту, составленную по Токийским геодезическим датам, то систематическая ошибка для района Токио составит уже около 465 м.

Таким образом, на новом этапе развития технических средств навигации судоводители вновь столкнулись с той же самой проблемой, что и при переходе с одной навигационной карты на другую, лишив­шись, однако, возможности сохранить свое положение относительно береговых ориентиров и опасностей путем нанесения точки на карту по пеленгу и расстоянию. Поправки для исключения этой ошибки мо­гут быть рассчитаны для каждой карты по формулам высшей геоде­зии, однако эти формулы довольно сложны, а судоводитель далеко не всегда может уверенно определить геодезическую основу используе­мой навигационной карты. Кроме того, имеется и еще один источник ошибок—ошибки местных геодезических съемок (на основе которых со­ставлена карта) или же часто наблюдающийся сдвиг координатной сетки крупномасштабных карт и планов портов. Например, весь архипелаг Самоа нанесен на карту с ошибкой в 3—4 мили, а береговая линия и навигационные опасности в Красном море с ошибкой в 4—5 миль. Предупреждение о том, что «положение опасностей может отличаться от указанного на картах», даётся далеко не, во всех случаях. Ошибки местных геодезических съемок носят совершенно:случайный характер и не поддаются предвычислению. Поэтому характер и значение ошибки для конкретных районов плавания рекомендуется определять опытным путем например, во время стоянки судна в порту, сравнивая коор­динаты судна, снятые с карты и полученные путем осреднения несколь­ких надежных обсерваций по СРНС. Полученные таким образом по­правки можно будет в дальнейшем использовать при плавании в данном районе для исправления координат судна, снятых с ПИ СРНС. В приближенных районах, для которых поправки к обсервовэнным координатам неизвестны, СРНС не обеспечивает в полной мере безопасность мореплавания, особенно в местах, где береговая черта, острова или навигационные опасности нанесены на карту при­ближенно. С приближением к берегу необходимо своевременно пере­ходить на определения по береговым ориентирам визуальными или радиолокационными методами; закономерные невязки между опреде­лениями по береговым ориентирам и с помощью РНС являются преду­преждением о наличии в данном районе ошибок рассматриваемого ти­па и необходимости определения поправок к отсчетам ПИ.

1. Спутниковая РНС 2 поколения «Глонас-Навстар»

Рис № 8

Рассмотрим принцип действия таких систем на примере проекта СРНС «Навстар», разрабатываемый с 1975 г. Глобальная пассив­ная всепогодная СРНС «Навстар» представляет собой сложный радио­технический комплекс, предназначенный для определения места лю­бых подвижных объектов на поверхности Земли и в околоземном про­странстве и включающий сеть ИСЗ, сеть наземных станций обеспече­ния и неограниченное число бортовых ПИ. Основу СРНС составляют 24 ИСЗ, располагаемых равномерно на трех орбитах, близких к кру­говым, с высотой 20183 км, периодом обращения вокруг Земли 12 ч, углом наклона орбит к плоскости экватора 63° (у таких орбит прямое восхождение не имеет прецессии). При таком расположении ИСЗ в любой точке земного шара в зоне видимости наблюдателя будет не ме­нее шести (а в среднем — 9) спутников, что позволяет определять не только координаты объекта (судна, самолета, ракеты) в трехмерном пространстве, но и составляющие вектора скорости объекта по каждой координате, путевой угол и скорость объекта с точностью до 0,1° и 0,1 уз соответственно, поправки судового стандарта времени и ча~
стоты.

ИСЗ имеют на борту систему питания, 2 передатчика, работающих на частотах 1227,60 МГц и 1575,42 МГц с применением псевдошумовой модуляции, стандарт точного времени и частоты (с относительной не­стабильностью за сутки), блок памяти для хранения эфеме-ридной информации о положении спутника на орбите, приемопередающие устройства командной и телеметрической информации, а также программно-временное устройство, координирующее работу всех бор­товых систем и синхронизированное по отношению к системе всемер­ного времени с точностью до 15—20 нс. Сигналы на обеих частотах пе­редаются, непрерывно для обеспечения коррекции ионосферной ре­фракций, что позволяет повысить точностью измерения навигационно­го параметра.

Дальность от судна до ИСЗ в пассивном режиме измеряется фазо­вым методом с применением сигналов с псевдошумовой модуляцией, т, е. на ИСЗ и на судне вырабатываются две абсолютно идентичные по­следовательности сигналов («коды»), а в судовом ПИ измеряется за­паздывание (сдвиг) одной последовательности относительно другой. Планируется использовать коды двух типов:

основной: секретный код «Р» («Рпйесхюп»), передаваемый на обе­их несущих частотах и обеспечивающий точность измерения дальности ±2 м;

открытый код «С/А» («С1еаг/АсдшзШоп»), передаваемый только на второй несущей частоте и обеспечивающий точность измерений ±20 м.

Для расчета координат ИСЗ на моменты измерений передача сиг­налов со спутника ведется блоками длительностью по 30 с; каждый блок обеспечивает необходимую информацию для расчета координат данного ИСЗ с точностью 1 -5 м. Кроме того, в составе каждо­го блока передается информация, позволяющая оценить координаты остальных ИСЗ на тот же момент времени с точностью до нескольких миль, что позволяет решать задачу выбора наивыгоднейших комбина­ций ИСЗ для определения места и осуществлять поиск сигналов вы­бранных ИСЗ. В начале каждого блока передается сигнал точного вре­мени, по которому производится синхронизация ПИ. Таким образом, навигационный ИСЗ СРНС «Навстар» также является одновременно носителем навигационной информации, информации о своих коорди­натах на обусловленные моменты времени и датчиком сигналов точ­ного времени. Наземный комплекс системы выполняет в целом те же функции, что и в СРНС «Транзит».

Установленный на судне ПИ обеспечивает выбор ИСЗ для опреде­ления места, поиск и опознавание их сигналов, прием сигналов вы­бранных ИСЗ, запись и обработку исходных данных для расчета ко­ординат ИСЗ, измерение радионавигационного параметра (сдвига фаз двух идентичных псевдошумовых последовательностей, одна из кото­рых принята со спутника, а другая выработана опорным генератором в самом ПИ), преобразование его в навигационный параметр — рас­стояние от судна до ИСЗ, расчет координат ИСЗ на моменты измерений и обсервованных координат объекта. Связь координат ИСЗ и объекта с измеренным навигационным параметром описывается уравнением

Где: p - измеренное значение дальности ИСЗ;

Сm_t – погрешности измерений за счет рефракции в ионосфере и тропосфере.

Сσ_t – систематическая погрешность измерения из за расхождения шкал времени на ИСЗ и на борту судна.

Система уравнений () решается итера­тивными методами от счислимого места. В число искомых неизвестных, помимо координат объекта, обязательно включают и величину система­тического сдвига шкал времени на ИСЗ и в ПИ, поэтому минимально необходимое число ИСЗ для определения места объекта, равно четырем. Если на судне с достаточной точностью известна высота приемной антенны над поверхностью референц-зллипсоида, для определения места достаточно будет измерить дальность трех ИСЗ.

Навигационная изолиния в виде малого круга (аналогично кругу рав­ных высот в астрономии), центр которого совпадает с положением под­спутниковой точки, а радиус связан с измеренной дальностью выраже­нием, полученным из рис

Таким образом, при постоянном значении ошибки измерения на­вигационного параметра точность определения широты и долготы суд­на, зависящая от горизонтальной
составляющей градиента, будет выше при малых (10—30°) угловых высотах
ИСЗ, а точность определения высо­ты над поверхностью референц-эллипсоида — при Н=90°. Следова­тельно, при минимально необходи­мом числе ИСЗ наиболее оптималь­ным будет такой вариант, когда один ИСЗ находится вблизи зенита наблю дателя, а три других — на малых высотах с разностью азимутов 120º.

Оценка точности. Радиальная СКП определится выражением

; ;

Где m – СКП расстояния от судна до ИСЗ в выбранной системе координат.

m_p – СКП измерения дальности ИСЗ

m_s – СКП определения координат ИСЗ на момент измерений.

Дата добавления: 2014-01-04