Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
|
Определение места судна по створу и пеленгу. Способ от- личается простотой и высокой точностью. В момент нахождения судна точно на линии створа определяется мгновенное значение по- правки компаса и берется пеленг на навигационный ориентир А. Об- сервованное место судна находится в точке пересечения линии ство- ра с линией обратного истинного пеленга, проведенного через ори- ентир (рис. 21.5). Рис. 21.5. Определение мес- та судна по створу и пелен- гу РСКП места рассчитывается по формуле 2 2 0 п 0 2 1 , sin 57,3 3 m P M ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ Θ ° ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ D (21.8) где Р — боковое уклонение судна от линии створа, рассчитываемое по формуле (21.7); D 2 — расстояние от обсервованного места до ори- ентира. Глава 21. Комбинированные способы определения места судна 323 Средняя квадратическая погрешность пеленга 2 2 п кп , m m m ∆ = + к где т кп — СКП пеленгования ориентира (створа); m ∆к — СКП опре- деления по створу поправки компаса, которая рассчитывается по формуле 2 2 к кл 1 57,3 3 P m m D ∆ ⎛ ⎞ = + ° ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ В судовом журнале делается запись: 17.40. ол = 31,3. Входной створ — 58°,3, М к А — 132°,5 ( ∆К + + 1°,5), С =35° — 2,7 мили. Определение места судна по створу и горизонтальному углу. Способ находит применение, когда наблюдателю, находяще- муся у пелоруса с пеленгатором (у магнитного компаса), створные знаки не видны и, следовательно, нет возможности определить по- правку компаса. Горизонтальный угол а измеряется между передним створным знаком и навигационным ориентиром А в момент нахож- дения судна на линии створа (рис. 21.6). Для нахождения места судна на карте используется протрактор (калька с нанесенным на нее гори- зонтальным углом). На протракторе устанавливается горизонталь- ный угол α. Рис. 21.6. Определение мес- та судна по створу и гори- зонтальному углу 324 Раздел 5. Визуальные способы определения места судна в море Затем одна из используемых линеек (как правило, централь- ная) совмещается с линией створа, а вторая — с ориентиром. Место судна — в центральной точке протрактора. При данном способе по- лучения места на карте его СКП 2 2 0 2 1 , sin 3438 3 m P M α ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ α ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ D (21.9) где т α — СКП измеренного горизонтального утла, угловые минуты; Р — боковое уклонение судна от линии створа; D 2 — расстояние до второго ориентира в единицах длины, используемых при расчете ве- личины Р. В судовом журнале делается запись: 17.35. ол = 84,5. Входной створ — 53°,8, М к А — 44°,06,8 — З нк В, (i + s) = 01,4 ′, С = 49° — 1,7 мили. Определение места судна по створу и расстоянию. Способ применяется в тех случаях, когда судно находится на створе (пересе- кает створ) и есть возможность измерить расстояние до берегового ориентира. Способ эффективен, прост и точен при измерении расстояния до ориентира, расположенного на малых угловых расстояниях от ли- нии створа. В этом случае изостадия пересекает линию створа под углом, близким к 90°. Раздел 6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В НАВИГАЦИИ Глава22 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА СУДНА С ПОМОЩЬЮ КРУГОВЫХ РАДИОМАЯКОВ И РАЗНОСТНО − ДАЛЬНОМЕРНЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ 22.1 Классификация радионавигационных систем Радионавигация — это наука о способах создания и примене- ния навигационных средств, использующих эффект и закономерно- сти распространения радиоволн для обеспечения подвижных объек- тов навигационной информацией. Как известно, навигационная ин- формация представляет собой совокупность навигационных пара- метров, которые, в свою очередь, находятся в функциональной зави- симости с параметрами радионавигационного (электромагнитного) поля и определяются путем измерения и преобразования последних радиотехническими устройствами. Радионавигационное поле созда- ется источниками излучения радиоволн, находящимися в околозем- ном или космическом пространстве, в опорных радионавигационных точках, имеющих координаты, относительно которых определяется положение судна. Совокупность передающих радиостанций на берегу или в околоземном космическом пространстве, береговой аппаратуры управления ими и приемной аппаратуры на судах, позволяющей оп- ределять место судна, пользуясь результатами измерений различных 326 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации геометрических величин (навигационных параметров), называется радионавигационной системой (РНС). Сведения, необходимые судоводителю для использования РНС, помещены в руководстве "Радиотехнические средства навига- ционного оборудования" (РТСНО), издаваемом Главным управлени- ем навигации и океанографии МО РФ. В зависимости от места расположения опорной станции, из- лучающей радионавигационной сигналы, РНС делятся на системы наземного и космического базирования. С помощью РНС могут быть определены следующие навига- ционные параметры: • расстояние между судном и опорной радионавигационной станцией; • разность расстояний между судном и двумя радионавигаци- онными станциями; • угловая навигационная координата в виде азимута или курсо- вого угла; • скорость движения судна. • Путем обработки первичной информации определяются ко- ординаты места судна. В зависимости от измеряемого навигационного параметра радионавигационные системы подразделяются на: • дальномерные, дающие возможность измерить расстояние или изменение расстояний; • разностно-дальномерные (гиперболические), измеряющие разность расстояний до двух станций; • угломерные (азимутальные), позволяющие получить радио- пеленги с судна на радиомаяк или с радиопеленгаторных станций на судно; • радиально-скоростные, измеряющие скорость сближения (или удаления) источника радиоволн с приемником. Некоторые РНС являются комбинированными, позволяющи- ми определять сразу два навигационных параметра. Процесс получения навигационной информации с помощью РНС заключается в измерении радионавигационных параметров, т. е. параметров электромагнитного поля, функционально связанных с навигационными параметрами, и определении численных значений Глава 22. Определение места с помощью круговых радиомаяков 327 этих навигационных параметров. В зависимости от того, какие пара- метры электромагнитного поля измеряются, РНС подразделяются на: • амплитудные; • фазовые; • временные (импульсные); • частотные; • комбинированные (импульсно-фазовые). РНС различают также и по другим признакам, например, по дальности действия (глобальные, дальней, средней и ближней нави- гации, лоцманской проводки). Для получения места по измеренным значениям навигацион- ных параметров используют следующие способы: графический (про- кладка), картографический, таблично-графический, графоаналитиче- ский, аналитический, применение которых будет показано при рас- смотрении соответствующих РНС. 22.2 Принципы радиопеленгования. Радиокурсовой угол. Истинный радиопеленг В настоящее время азимутальные РНС реализованы в виде радиомаячных систем, использующих в принципе своей работы на- правленный радиоприем. В составе системы имеется радиомаяк кру- гового радиоизлучения, расположенный на берегу, и радиопеленга- тор, фиксирующий направление приема радиоволн, расположенный на судне. Радиомаяки кругового излучения, или как их сокращенно на- зывают, круговые радиомаяки (РМ к ),представляют собой передаю- щие радиостанции, работающие на объявленных радиочастотах и установленные в опорных радионавигационных точках. Они облада- ют ненаправленной характеристикой излучения, а передаваемые ими сигналы включают в свой состав опознавательный сигнал и продол- жительный сигнал для радиопеленгования. Для обеспечения море- плавания радиомаяки объединены в группы, внутри которых они ра- ботают поочередно на одной и той же частоте. Допускается объеди- нение в одну группу до шести радиомаяков. Время работы каждого радиомаяка составляет 1 мин, поэтому в этом случае полный цикл излучения группы составляет 6 мин. 328 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации В руководстве "Радиотехнические средства навигационного оборудования" (РТСНО) указываются координаты круговых радио- маяков, класс излучения, рабочая частота, частота модуляции (если это предусмотрено классом излучения), опознавательный сигнал, время работы, дальность действия либо мощность излучения сигна- ла. Для радиомаяков, работающих по запросу, указывается также по- рядок и адрес подачи запроса для включения. Радиомаяки кругового излучения по дальности действия под- разделяются на радиомаяки дальнего действия (свыше 100 миль) и ближнего действия (до 100 миль). К последним также относятся ав- томатические маломощные радиомаяки, называемые маркерами. Судовыми радиопеленгаторами называются радиоприемные устройства с антеннами направленного действия, позволяющие оп- ределять направления с судна на радиомаяки по излучаемым ими электромагнитным колебаниям. На судах морского флота до недавнего времени применяли радиопеленгаторы двух типов: со слуховым приемом (по минималь- ному уровню звукового сигнала используемого радиомаяка в око- нечном устройстве) и автоматические визуальные (со следящей ис- кательной катушкой гониометра или вращающейся рамочной антен- ной). Оба типа радиопеленгаторов позволяют определить угол между диаметральной плоскостью судна и направлением распространения радиоволн от радиомаяка. Этот угол называется радиокурсовым (РКУ)(рис. 22.1). Однако радиопеленгатор, как и магнитный компас, из-за влияния на него электромагнитных полей, индуцируемых тока- ми высокой частоты в корпусе и других металлических конструкци- ях судна, подвержен девиации и дает искаженное значение направ- ления на радиомаяк. Поэтому отсчет радиокурсового угла (ОРКУ), полученный непосредственно с лимба радиопеленгатора, нужно ис- править поправкой. Отклонение направления приходящей радиоволны под влия- нием судовых полей вторичного излучения называется радиодевиа- цией и измеряется углом f РКУ ОРКУ f = + РКУ отсчитывается от носовой части диаметральной плоско- сти судна по часовой стрелке от 0 до 360°. Направление распространения радиоволн совпадает с дугой большого круга (ортодромией) — кратчайшим расстоянием между Глава 22. Определение места с помощью круговых радиомаяков 329 двумя точками на земном шаре. Ортодромия на меркаторской карте изображается кривой линией, обращенной выпуклостью к ближай- шему полюсу. Рис. 22.1. Определение на- правлений при радиопелен- говании Ортодромия служит навигационной изолинией обратного пе- ленга — с радиомаяка на судно. Зная истинный курс судна в момент пеленгования, можно рассчитать пеленг на радиомаяк. Угол между нордовой частью истинного меридиана и на- правлением распространения радиоволн называют истинным радио- пеленгом (ИРП). Он отсчитывается от 0 до 360° по часовой стрелке. Из рис. 22.1 видно, что ИРП ИК РКУ = + (22.1) или ИРП КК ГК ОРКУ f = + ∆ + + (22.2) Найденный таким образом ИРП будет ортодромическим пе- ленгом (Орт РП),так как он определяет направление дуги большого круга. Современные радиопеленгаторы имеют встроенный репитер гирокомпаса, позволяющий непосредственно определить отсчет ра- диопеленга (ОРП).В этом случае Орт РП ОРП ГК f = + ∆ + (22.3) Радиодевиация переменна по величине и знаку; ее величина зависит от радиокурсового угла, под которым радиоволна приходит 330 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации на судно, а также от длины радиоволны, излучаемой радиомаяком. Уменьшение ("уничтожение") радиодевиации производится с помо- щью специального компенсационного устройства радиопеленгатора. Однако полностью "уничтожить" радиодевиацию не представляется возможным. Остаточная радиодевиация определяется на нескольких дли- нах радиоволн путем сравнения визуально измеренных курсовых уг- лов на радиомаяк КУ со снятыми в то же время радиокурсовыми уг- лами ОРКУ. f КУ ОРКУ = − (22.4) По результатам измерений составляются таблица и график радиодевиации, аргументом для входа в которые служит отсчет ра- диокурсового угла. Навигационной изолинией при радиопеленговании с судна является изоазимута — геометрическое место вершин равных сфе- рических углов между истинным меридианом и направлением орто- дромии, проходящей через место радиомаяка Р. Изоазимута на карте в меркаторской проекции изображается сложной кривой, что суще- ственно затрудняет ее прокладку. Поэтому вместо нее на карте про- кладывается линия локсодромического пеленга, который отличается от ортодромического пеленга на величину ортодромической поправ- ки ψ (рис. 22.2) и представляет собой прямую линию. Рис. 22.2.Прокладка линии локсодромического пеленга Глава 22. Определение места с помощью круговых радиомаяков 331 Значение локсодромического пеленга рассчитывают по фор- муле Лок РП Орт РП = + ψ (22.5) Ортодромическая поправка может быть найдена по прибли- женной формуле: ср 0,5 sin , ψ = ∆λ ϕ (22.6) где ∆λ = (λ р — λ с ) — разность долгот между счислимым местом судна и радиомаяком; р с ср 2 ϕ + ϕ ϕ = — средняя широта между параллелями радио- маяка и счислимого места судна. Величину ортодромической поправки выбирают из табл. 2.12 МТ—2000. 22.3 Определение места судна по РНС "Лоран-С" и "Чайка" Общие сведения. Система "Лоран-С" предназначена для оп- ределения местоположения и скорости подвижных объектов. Даль- ность действия системы достигает 1700 км и 4000 км соответственно на поверхностных и пространственных сигналах. При этом заявлен- ная точность определения места (Р = 0,95) составляет 0,46 км. По- добная система, использующая тот же частотный диапазон, развер- нута в России и прилегающих странах и называется "Чайка". В соот- ветствии с Федеральным Радионавигационным Планом США (2001 г.) применение системы "Лоран-С" может быть завершено после 2005 г. Принцип действия. Системы "Лоран-С" и "Чайка" являются импульсно-фазовыми разностно-дальномерными РНС с синхрониза- цией моментов излучения и фазы импульсных сигналов, излучаемых опорными станциями на средней частоте 100 кГц. Таким образом, в этих системах одновременно реализованы положительные свойства импульсных (отсутствие многозначности измерений) и фазовых (вы- сокая точность) радионавигационных средств. 332 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Измерение навигационного параметра в РНС "Лоран-С" и "Чайка" выполняется двумя методами: • импульсным (временным), путем измерения интервала вре- мени между моментами прихода импульсов от двух берего- вых станций (грубые измерения по огибающей импульсов); • фазовым, путем измерений разности фаз между высокочас- тотными колебаниями (несущими частотами) указанных им- пульсов сигналов (точные измерения). Это является основной особенностью, отличающей системы "Лоран-С" и "Чайка" от РНС "Декка". Точность навигационных определений обусловливается фа- зовым методом измерений. Импульсный метод служит, по существу, лишь для разрешения многозначности фазовых измерений. Принцип фазового метода измерения навигационного пара- метра заключается в следующем. Пусть береговые станции А и В (рис. 22.3) излучают на одной частоте незатухающие колебания, согласованные по фазе в момент излучения. Судно, находящееся в точке К, принимает эти сигналы: от станции А — в фазе ϕ А , а от станции В — в фазе ϕ В . Разность фаз этих сигналов B A ∆ϕ = ϕ − ϕ (22.7) Рис. 22.3. Принципы фазового и импульсного методов измере- ния навигационных параметров Фаза колебаний, выраженная в градусах или частях периода, может быть представлена формулой Глава 22. Определение места с помощью круговых радиомаяков 333 .t ϕ = ω (22.8) Если выразить круговую частоту как 2 2 , c T π π ω = = λ а , D t c = где Т — период колебаний; λ — длина радиоволны; с — скорость распространения радиоволны; D — расстояние от судна до наземной станции, то на основании формул (22.7) и (22.8) получим оконча- тельное выражение величины разности фаз: ( ) 2 2 2 B A B A D D c c D c c π π π ∆ϕ = − = − D λ λ λ или 2 D π ∆ϕ = ∆ λ (22.9) Как видно из формулы, разность фаз пропорциональна разно- сти расстояний до наземных станций (величина 2 π λ постоянна). Навигационный параметр — разность расстояний ∆D — из- меряется на судне с помощью фазометра косвенно, через радионавигационный параметр — разность фаз ∆ϕ. Известно, что постоянной величине разности расстояний (разности фаз) соответствует навигационная изолиния — гипербола. Разность фаз колебаний, как и сама фаза, изменяется в преде- лах от 0 до 2 π,от 0 до 360°. Изменение разности фаз на величину 2π называется фазовым циклом. Полоса на местности, ограниченная двумя гиперболами, в пределах которой разность фаз меняется на один фазовый цикл, на- зывается фазовой дорожкой. Фазометры судового приемоиндикатора измеряют только дробную часть фазового цикла. Поэтому каждому отсчету ∆ϕ будет соответствовать несколько гипербол, отличающихся друг от друга на фазовый цикл 2 π.Таким образом, в каждой дорожке найдется по од- ной гиперболе, соответствующей измеренному отсчету ∆ϕ. Много- значность измерений может быть разрешена с помощью импульсно- го метода. 334 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Суть импульсного метода заключается в следующем. В точке К находится судно, на котором измеряют интервал времени ∆t = t A - t B между моментами прихода двух импульсов от ведущей А(ВЩ) и ведомой В(ВМ) станций (см. рис. 22.3). Разность расстояний ∆D от места судна К добереговых стан- ций находится по формуле , A B D D D c t ∆ = − = ∆ (22.10) где с — скорость распространения радиоволн. Величина ∆t определяется с помощью судового приемоинди- катора. Одной и той же разности расстояний ∆D соответствуют две изолинии, так как гипербола является кривой, симметричной относи- тельно мнимой оси. Для исключения этой неопределенности в импульсно- фазовых системах ведомая станция излучает сигнал после приема сигнала от ведущей станции, т. е. работает с постоянным запаздыва- нием, равным к , з b t t c = + (22.11) где b — база станций — расстояние между станциями А и В; t к — ко- довая задержка. При необходимости кодовая задержка может быть использо- вана для создания закрытого режима работы с целью предотвраще- ния несанкционированного использования РНС. Величины кодовых задержек выбираются такими, чтобы в рабочей зоне действия РНС импульсы ведущей и ведомой станций не перекрывались друг с дру- гом и приходили на судовой приемоиндикатор раздельно. В этом случае разность времен прихода сигналов к D b t t c c ∆ ∆ = + + (22.12) На продолжении базовой линии со стороны ведомой станции в произвольной точке К 1 отсчет радионавигационного параметра ∆t = t к На нормали к середине базы в точке К 2 к D b D B A t t t t t ∆ = + + − Так как , D D B A t t = то Глава 22. Определение места с помощью круговых радиомаяков 335 к b t t t ∆ = + На продолжении базовой линии со стороны ведущей станции в точке К 3 к 2 b t t t ∆ = + Таким образом, оцифровка семейства гипербол пары станций изменяется от ведомой станции к ведущей от величины t к до к 2 b t t + , что обеспечивает: • однозначность отсчета радионавигационного параметра (ка- ждому значению ∆t соответствует одна конкретная ветвь гиперболы); • положительное значение радионавигационного параметра по всей рабочей зоне действия пары станций ( ∆t > 0); • уверенное опознание сигналов, так как в любой точке дейст- вия пары станций сигнал ведомой станции приходит на судно позднее сигнала ведущей. Таким образом, целое число периодов в принятом сигнале определяется импульсным методом, а дробная часть периода колеба- ния — фазовым, т. е. путем измерения разности фаз между высоко- частотными колебаниями, заполняющими импульсы. Здесь разность фаз приходящих сигналов трансформируется во временную меру, соответствующую измеренной части периода колебаний. Полный отсчет радионавигационного параметра формируется следующим образом. По результатам измерений импульсным методом получаем целую часть частного и , D D T t c ∆ ∆ ⋅ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ∆ = = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ λ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (22.13) где λ и Т — длина волны и период несущих колебаний соответствен- но. Так как D N ∆ = λ — целое число, то можно написать и , t NT ∆ = (22.14) т. е. импульсным методом измеряется целое число — количество пе- риодов колебаний, заключенных в принятом радиосигнале. Опреде- лив величину N,тем самым представляется возможным устранить 336 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации многозначность фазовых измерений, т. е. найти целое число отсчета радионавигационного параметра. Результат измерения фазовым методом выразим в микросе- кундах, для чего разность прихода импульсов между двумя берего- выми станциями определим через разность фаз ∆Ф: ф 2 Ф T t ∆ ⋅ ∆ = π (22.15) Здесь 2 Ф ∆ π — разность фаз в фазовых циклах. Так как ∆Ф < 2π, то формула (22.15) выражает дробную часть периода Т,мкс. Сложив целую часть отсчета (22.14) с дробной частью (22.15), получим полный отсчет радионавигационного параметра и ф 2 Ф T t t t NT ∆ ⋅ ∆ = ∆ + ∆ = + π (22.16) Для безошибочного определения целого числа периодов не- обходимо, чтобы погрешность импульсных измерений была меньше периода несущих колебаний, т. е. и 2 T t δ < (22.17) Для РНС "Лоран-С" и t δ < 5 мкс. В приемоиндикаторах с помощью раздельных систем слеже- ния за особой точкой огибающих и периодом несущих колебаний, соответствующих этой особой точке, а также автоматического изме- рения разности фаз несущих колебаний достигается высокая точ- ность измерения радионавигационного параметра. При этом им- пульсный счетчик дает грубые отсчеты параметра ∆t и (число N целых периодов Т колебаний), а фазовый счетчик — ∆t ф — точные отсчеты до сотой доли периода Т. На радионавигационных картах и в специальных таблицах все расчеты выполнены для случая приема поверхностных сигналов. В случае приема пространственных сигналов необходимо учитывать поправку за распространение радиоволн пространственным путем. Величина и знак поправок для различных сочетаний приходящих сигналов дается на радионавигационных картах или в специальных таблицах. |