Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
|
Общие сведения. Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) предназначена для высокоточного определения ко- ординат места подвижных объектов, их курса и скорости. В настоящее время навигационные спутниковые системы нашли самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, но особое место в силу своих положительных свойств 364 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации (глобальность, высокая точность, независимость от погодных усло- вий, времени суток и сезона) они нашли на транспорте. Качественный облик (структура, способы функционирования и эксплуатационные характеристики) ГНСС во многом обусловлены требованиями потребителей к точности навигационного обеспечения и методам навигационных измерений. Для достижения непрерывно- сти прецизионных определений в любом районе Мирового океана вне зависимости от погоды, сезона и времени суток в составе совре- менных ГНСС второго поколения ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные подсистемы: • навигационных космических аппаратов (НКА) — космиче- ский сегмент; • контроля и управления [наземный командно-измери-тельный комплекс (КИК) или сегмент управления]; • навигационной аппаратуры потребителей (НАП) — судовые приемоиндикаторы (ПИ). Основной задачей, решаемой ГНСС, является определение пространственных координат местоположения подвижного объекта и времени. Эта задача реализуется путем вычисления искомых навига- ционных параметров непосредственно в приемоиндикаторе на осно- ве беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких видимых НКА с известными координатами. Применение беззапросных измерений обеспечили возможность достижения неог- раниченной пропускной способности ГНСС. Подсистема навигационных космических аппаратов. Ос- новная функция подсистемы состоит в формировании и излучении радиосигналов, которые необходимы для навигационных определе- ний подвижных объектов, контроля бортовых систем спутника под- системой контроля и управления. Для этого в состав аппаратуры НКА включают: • радиотехническое оборудование (передатчики навигацион- ных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации); • ЭВМ; • бортовой эталон времени и частоты; • солнечные батареи и др. Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 365 Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают син- хронное излучение навигационных сигналов всеми спутниками ор- битальной группировки, что необходимо для реализации дальномер- ных измерений в ПИ. Навигационные сигналы НКА содержат дальномерные ком- поненты и компоненты служебных сообщений. Дальномерные ком- поненты используют для определения в ПИ навигационных парамет- ров. Компоненты служебных сообщений предназначены для переда- чи на подвижные объекты координат спутников, векторов их скоро- стей, времени и др. Выбор состава и конфигурации орбитальной группировки НКА влияют на площадь рабочей зоны, возможность реализации различных методов навигационных определений, их непрерывность и точность. Подсистема контроля и управления. Представляет собой комплекс наземных средств (командно-измерительный комплекс), которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движения НКА, качеством функционирования их аппаратуры, управление режимами их работы и параметрами спутниковых радио- сигналов, а также составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др. Как правило, КИК состоит из координационно- вычислительного центра (КВЦ), станций траекторных измерений (СТИ) и управления, системного (наземного) эталона времени и час- тоты. При полете НКА в зоне радиовидимости СТИ происходит наблюдение за ним. Это позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные закладываются в бортовую ЭВМ и передают на подвижные объекты в служебном сообщении. Подсистема навигационной аппаратуры потребителей. Подсистема включает в себя: • антенну, способную принимать сигналы ГЛОНАСС/GPS; • приемоиндикатор, состоящий из приемника ГЛОНАСС/GPS и процессора, приемника корректирующей информации, уст- ройства ввода-вывода информации, сетевого адаптера. 366 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Приемоиндикатор ГНСС предназначен для решения следую- щих задач: • одновременной обработки сигналов спутников ГЛОНАСС/ GPS, находящихся в зоне радиовидимости; • автоматической непрерывной выработки пространственных координат; • приема и обработки от приемника корректирующей инфор- мации (ПКИ) кадров корректирующей информации; • отображения необходимой информации с индикацией вычис- ленных географических координат (в градусах, минутах и ты- сячных долях минуты) и времени обсерваций относительно Всемирного скоординированного времени UTC в системах координат Международной геодезической системы коорди- нат WGS-84 и ПЗ-90 Красовского 1942 г. или в системе, па- раметры которой вводятся оператором; • оценки точности определения координат и скорости; • расчета среднего значения и СКП координат и скорости по серии наблюдений; • выдачи на индикацию и/или в порт ввода/вывода результатов решения навигационной задачи; • приема, хранения и обновления альманахов ГЛОНАСС/GPS; • расчета геометрического фактора ухудшения точности опре- деления двухмерных координат рабочего созвездия спутни- ков; • работы по спутникам ГЛОНАСС/GPS раздельно и по сме- шанному созвездию; • автоматического контроля функционирования; • возможности ввода календарной даты; • отображения режима работы и индикации работы в диффе- ренциальном режиме. Кроме того ПИ решает вспомогательные задачи: • автоматический выбор созвездия спутников для проведения обсервации с учетом их технического состояния; • выдачу внешним потребителям метки времени с оцифровкой относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; • определение навигационных параметров в географической или квазигеографической системе координат; Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 367 • прием, хранение и обновление альманахов ГЛОНАСС и GPS; • поиск сигналов НКА и вхождение в связь при отсутствии альманахов системы; • автоматический контроль функционирования аппаратуры, индикацию неисправностей; • прием, учет и коррекцию информации при работе в диффе- ренциальном режиме; • расчет времени прихода в точку с заданными координатами с заданной скоростью; • расчет скорости движения в заданную точку по времени при- хода; • расчет пройденного расстояния; • ввод координат до 500 маршрутных точек; • ввод 20 маршрутов или фарватеров (до 50 маршрутных точек в каждом маршруте); • расчет расстояния и направления от текущей точки до любой из маршрутных точек или между двумя любыми выбранными точками; • запоминание текущих координат в качестве маршрутной точ- ки; • сигнализацию о подходе на заданное расстояние к точке с за- данными координатами; • выработку параметров отклонения от маршрута; • световую и звуковую сигнализацию о выходе за пределы вы- бранной ширины фарватера. ПИ должен удовлетворять следующим минимальным экс- плуатационно-техническим требованиям: 1) точность определения координат места в статическом и динамическом режимах работы должна быть: • в пределах 100 м для вероятности 0,95 и геометрического фактора ухудшения точности определения двухмерных координат (HDOP) меньше 4 [или трехмерных координат (PDOP) меньше 6] по GPS; • в пределах 45 м для вероятности 0,95 и HDOP меньше 4 [или PDOP меньше 6] по ГЛОНАСС (при 24 НКА); 2) точность определения координат в статическом и динами- ческом режимах работы при приеме и обработке сигналов диффе- 368 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации ренциальных поправок должна быть в пределах 10 м для вероятности 0,95; 3) ПИ должен обеспечивать расчет обсервованных координат и выдачу данных на дисплей и в другие радио- и навигационные уст- ройства с дискретностью не более 2 с. Минимальное разрешение отображаемых географических координат (широты, долготы) должно быть до 0,001 мин; 4) после включения приемоиндикатора в режим "работа" должна быть обеспечена возможность получения первого отсчета координат с требуемой точностью в течение: • 30 мин при отсутствии в памяти приемоиндикатора соот- ветствующей базы данных; • 5 мин при наличии в памяти приемоиндикатора соответст- вующей базы данных; 5) приемоиндикатор должен выполнять повторный поиск сигналов и расчет обсервованных координат с требуемой точностью: • в пределах 5 мин, если без прекращения подачи питающе- го напряжения прием сигналов прерывался на период до 24 ч; • в пределах 2 мин, если подача питающего напряжения прерывалась на время до 60 с; 6) оборудование должно обеспечивать предупреждение о не- возможности определения координат или индикацию в пределах 5 с, если: • величина геометрического фактора ухудшения точности определения двухмерных координат превысила установ- ленный предел; • новые координаты рассчитаны за время, превышающее 2 с. В этих случаях, до восстановления нормальной работы, на дисплее должны отображаться время и координаты последней обсер- вации с визуальной индикацией причины прекращения обсерваций; 7) приемоиндикатор должен обеспечивать индикацию диф- ференциального режима работы в случае: • приема сигналов дифференциальных поправок; • использования дифференциальных поправок в отображае- Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 369 мых координатах местоположения судна. В настоящее время в мире насчитывается более 200 фирм, за- нимающихся разработкой и производством НАП спутниковых нави- гационных систем. Наибольшую известность получили образцы фирм "Trimble", "Garmin" (США), "Furuno" (Япония), "Sersel" (Фран- ция). Среди отечественных производителей широкую известность получили НАП фирм НАВИС, РИРВ. 24.2 Методы определения места судна с помощью навигационных спутников Общие сведения. Основным содержанием навигационной за- дачи, решаемой с помощью НАП, является определение пространст- венно-временных координат подвижного объекта (судна), а также составляющих его скорости. В результате решения навигационной задачи должен быть определен вектор состояния судна, который можно представить в виде T , , , , , , П x y z t X Y Z ′ = , где (х, у, z) — про- странственные координаты судна; f — временная поправка шкалы времени судна относительно системной шкалы времени; ( , , ) X Y Z — составляющие вектора скорости. Непосредственно измерить элементы вектора состояния не представ- ляется возможным. У принятого с НКА радиосигнала определяют отдельные его параметры (например, задержку или доплеровский сдвиг частоты). Поэтому измеряемый в интересах навигации пара- метр радиосигнала называют радионавигационным, а соответствую- щий ему геометрический параметр — навигационным. Например, задержка радиосигнала и его доплеровское сме- щение частоты f доп являются радионавигационными параметрами, а соответствующие им дальность до судна D радиальная скорость сближения судов V р — навигационными параметрами. Геометрическое место точек пространства с одинаковым зна- чением навигационного параметра называется поверхностью поло- жения. Пересечение двух поверхностей положения определяет ли- нию положения — геометрическое место точек, имеющих два опре- деленных значения двух навигационных параметров. 370 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Местоположение судна определяется координатами трех по- верхностей положения или двух линий положения. Иногда (из-за не- линейности) две линии положения могут пересекаться в двух точках. Тогда для нахождения места судна необходимо использовать допол- нительную поверхность положения или другую информацию о его месте. Для решения навигационной задачи используют функцио- нальную зависимость между навигационными параметрами и компо- нентами вектора П. Соответствующие функциональные зависимости называются навигационными функциями. Навигационные функции получают различными методами, основные из которых: дальномерный, псевдодальномерный, разно- стно-дальномерный, радиально-скоростной. Могут быть использова- ны и другие методы и их комбинации, в том числе и для определения ориентации судна. Дальномерный метод. Основан на пассивных (беззапрос- ных) измерениях дальности D i между i-ым НКА и судном. Навигаци- онным параметром является дальность D i , а поверхностью положе- ния — сфера с радиусом D i и центром, расположенным в центре масс i-го НКА. Уравнение сферы имеет вид ( ) ( ) ( ) 0,5 2 2 2 , i i i i D x x y y z z ⎡ ⎤ = − + − + − ⎣ ⎦ 24.1 где x i , y i , z i — известные на момент измерения координаты i-го НКА; х, у, z — координаты судна. Место судна определяют как координаты точки пересечения трех поверхностей положения (трех сфер), вследствие чего для реа- лизации этого метода необходимо измерить дальности до трех НКА. Для дальномерного метода навигационная функция пред- ставляет собой систему из трех уравнений вида (24.1). Из-за ее нели- нейности возникает проблема неоднозначности определения коорди- нат судна, которая устраняется с помощью дополнительной инфор- мации (счислимые координаты судна, его радиальная скорость и др.). Дальномерный метод предполагает, что все измерения даль- ности должны быть произведены в одно время. Однако координаты НКА привязаны к бортовой шкале времени, а координаты судна оп- ределены в своей шкале. В реальных условиях существует расхож- дение этих шкал времени и возникает смещение t′ D ct ′ ′ = измерен- ной дальности относительно истинной, поэтому точность определе- Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 371 ния места судна падает. Таким образом, недостатком метода является необходимость высокоточной привязки шкал времени НКА и судна, вследствие чего в настоящее время более широкое применение на- шел псевдодальномерный метод определения места. Псевдодальномерный метод. Под псевдодальностью от i-го НКА до подвижного объекта понимают измеренную дальность D изм i до этого спутника, отличающуюся от истинной дальности D i на не- известную, но постоянную за время определения навигационных па- раметров величину D′ . Тогда для псевдодальности до i-го НКА можно написать ( ) ( ) ( ) 0,5 2 2 2 изм i i i i i D D D x x y y z z D ⎡ ⎤ ′ ′ = + = − + − + − + ⎣ ⎦ 24.2 Здесь в качестве навигационного параметра принята D изм i Поверхностью положения является сфера с центром в точке с цен- тром масс НКА. При этом радиус сферы изменен на неизвестную величину D′ . Измерение псевдодальностей до трех НКА приводит к системе трех уравнений с четырьмя неизвестными (х, у, z, D′ ),что вызывает неопределенность ее решения. Для устранения неопреде- ленности необходимо провести дополнительное измерение псевдо- дальности до четвертого спутника и получить точное решение сис- темы уравнений, т. е. получить место подвижного объекта как точку пересечения четырех поверхностей положения. Необходимость нахождения в зоне радиовидимости четырех НКА предъявляет жесткие требования к структуре орбитальной группировки, которые могут быть выполнены только в среднеор- битных СНС. Достоинством данного метода является то, что он не накла- дывает жестких ограничений на значение погрешности D ct ′ ′ = (по- грешности временной шкалы) и позволяет дополнительно вычислять отклонение шкалы времени подвижного объекта. Разностно-дальномерный метод. Основан на измерении дальностей от подвижного объекта до одного или нескольких НКА. Метод аналогичен псевдодальномерному, так как его целесообразно использовать только при наличии в дальномерных измерениях неиз- вестных сдвигов D′ . В данном методе используются три разности ∆D ij = D i — D j до четырех НКА, так как при постоянстве D′ за время навигационных определений разности псевдодальностей равны раз- 372 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации ностям истинных дальностей, для определения которых требуется только три независимых уравнения. Навигационным параметром является ∆D ij . Поверхности по- ложения представляют собой поверхности двухполостного гипербо- лоида вращения, фокусами которого являются координаты опорных точек i и j (центров масс i-го и j-го НКА). Расстояние между этими опорными точками называется базой. Если расстояния от опорных точек (НКА) до подвижного объекта велики по сравнению с базой, то гиперболоид вращения в окрестностях точки подвижного объекта совпадает со своей асимптотой — конусом, вершиной которого вы- ступает середина базы. Точность определения места подвижного объекта совпадает с точностью определения этих координат псевдодальномерным спосо- бом. Недостаток разностно-дальномерного метода заключается в том, что в нем не может быть измерено смещение D′ , т. е. смещение шкалы времени подвижного объекта. |