книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
4.2.1. Требования к позиционным системам. Международная морская организация установила стандарты оснащения судов позиционными средствами и выработала требования к точности и дискретности обсерваций, которые должны гарантировать 118 навигационную безопасность и эффективность проводки судна из порта отхода в порт назначения. ИМО также определила стандарты к Всемирной радионавигационной системе (ВРНС) как к единому источнику информации для всех задач мореплавания, решение которых основано на использовании данных о позиции судна. Это, прежде всего, задачи: непрерывного представления места судна на электронных картах, управления движением по заданной траектории, контроля соблюдения режима плавания и мониторинга судов в море, поиска и спасения и ряд других. Стандарты снабжения судов аппаратурой высокоточных позиционных систем содержатся в переработанной главе 5 (Правило 19) Конвенции СОЛАС, которая вошла в действие 1 июля 2002 года. В ней предусмотрено обязательное оснащение морских судов, независимо от их вместимости, позиционными датчиками (аппаратурой GPS, ГЛОНАСС, GPS/ГЛОНАСС, или приемоиндикаторами другой РНС, покрывающей район плавания судна), которые с требуемой точностью автоматически вырабатывают и непрерывно представляют текущие географические координаты судна. Следует подчеркнуть, что это бортовое оборудование должно отображать географические координаты судна, а не величины измеряемых радионавигационных параметров. Требования к обсервациям, выработанные для предупреждения посадок на мель, представлены в Резолюции ИМО А.529(13) от 17.11.1983 г. - “Accuracy Standard for Navigation”. Этот документ содержит требования к точности и дискретности определений текущего места в зависимости от скорости судна и расстояния до ближайшей опасности. Критерием для оценки точности обсерваций выбрана радиальная погрешность с вероятностью Р=0.95. В соответствии с Рекомендациями по организации штурманской службы на судах Украины эта погрешность обозначается буквой R. Согласно принятой ИМО резолюции в открытом море и в прибрежных районах R не должна превышать 4% расстояния до препятствия, и быть не большей 4-х миль. Для стесненных вод требования к точности и дискретности обсерваций ставятся в зависимость от местных условий. Чтобы упростить расчеты стандартов точности для различных акваторий, в текст Резолюции включена специальная таблица и построенные по ее данным два графика. В таблице определено допустимое время плавания по счислению в зависимости от разных значений расстояний до опасности и погрешностей обсерваций. Значения допустимого времени рассчитаны в предположении, что: – эксплуатационные характеристики ГК и лага соответствуют требованиям ИМО, 119 – счисление не корректируется по предыдущим обсервациям, – погрешности навигационных приборов имеют нормальное распределение, – течение и дрейф учитываются традиционными методами с соответствующей им точностью. Стандарты глобальных позиционных систем, установленные для обеспечения качественного решения всех задач мореплавания (включая непрерывное представление места судна на электронных картах, управление движением по заданной траектории, мониторинг судов, поиск и спасение и т.д.), основываются на требованиях морских пользователей. Для удовлетворения этим требованиям аппаратура позиционных средств должна иметь необходимые системные характеристики (точность, целостность, доступность, зона действия, надежность, непрерывность). Целостность – это способность системы своевременно обнаруживать свое неправильное функционирование и оперативно оповещать потребителей о любых нарушениях своей работоспособности. Основными, характеризующими целостность позиционных систем показателями, являются: предел защиты, время оповещения, риск ошибки. Предел защиты – максимальная допускаемая погрешность определения координат потребителей в пределах рабочей зоны, в случае превышения которой должен подаваться сигнал предупреждения о неисправности. Время оповещения – максимальное допустимое время между моментом выхода параметров позиционной системы за допустимые пределы и моментом приема потребителем сигнала, сообщающего об этом факте. Риск ошибки (вероятность не обнаружения неисправности) – вероятность того, что погрешности позиционной системы могут превышать предел защиты большее время, чем интервал оповещения. Доступность позиционной системы – это вероятность того, что в заданном промежутке времени потребитель будет обеспечен необходимой информацией о места судна с установленной точностью и достоверностью. Зона действия – район, в котором позиционной системой обеспечиваются навигационные определения с заданным уровнем точности и надежности. Непрерывность функционирования – вероятность безотказной работы позиционной системы в течение времени выполнения задания. При выработке стандартов к позиционным системам на основе требований к ним морских пользователей, вначале, в 1995 году, ИМО были установлены минимальные технико-эксплуатационные требования к ВРНС и ее компонентам, а также определен порядок 120 признания таких систем в ИМО - Резолюция А.815(19), 1995 г. Этим документом предписана необходимость: одобрения ВРНС в ИМО, глобальность зоны действия ВРНС, непрерывность определений позиций объектов, удовлетворение установленным системным стандартам. В частности, согласно этой Резолюции в открытом море и в прибрежных водах ВРНС должна была обеспечивать определения места судна с 95%–погрешностью, не превышающей 4% расстояния до препятствия, но не большей 4 миль. Для стесненных акваторий следовало иметь точность обсерваций не хуже 10 м. По истечению определенного времени с целью удовлетворения возросших требований пользователей ИМО разработала новые стандарты для ВРНС (Резолюция ИМО А.915(22), 2001 г). Согласно этому документу во всех районах плавания точность определений места по данным ВРНС должна быть не ниже 10 метров. Приведенные в этой Резолюции требования к ВРНС представлены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Минимальные требования морских пользователей к общей навигации. Системный уровень параметров Уровень параметров для пользователей Абс. 95% погрешность Целостность Гориз. м. Предел защиты, м Время оповещения , с Риск ошибки (за 3 часа) Доступ- ность, % за 30 суток. Непрерыв- ность, % свыше 3 часов Зона действия Дискрет- ность, с Открытое море 10 25 10 10 –5 99.8 – Глобальная 1 Прибрежные воды 10 25 10 10 –5 99.8 – Глобальная 1 Подходы к портам и стесненные воды 10 25 10 10 –5 99.8 99.97 Региональная 1 Порты 1 2.5 10 10 –5 99.8 99.97 Локальная 1 Внутренние водные пути 10 25 10 10 –5 99.8 99.97 Региональная 1 4.2.2. Среднеорбитальные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС. Из действующих позиционных систем к стандартам для ВРНС наиболее близки по своим характеристикам среднеорбитальные спутниковые навигационные системы: GPS и ГЛОНАСС. В 1996 г. по заявкам правительств США и России ИМО одобрила системы GPS и ГЛОНАСС с объявленными точностями: 100 м – у GPS, 45 м – у ГЛОНАСС. Приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС включены в состав обязательной судовой навигационной аппаратуры, предусматриваемой главой 5 СОЛАС. С 2000 г. по решению Правительства США был отменен ввод погрешностей искусственного происхождения в данные GPS, и точность ее аппаратуры для гражданских судов повысилась до 35 ÷45 м. 121 В 2000÷2002 году были разработаны методы коррекции неучитываемых ранее факторов, влияющих на точность GPS. Реализация этих методов в современных ПИ для гражданских судов позволила довести точность определений позиции по данным GPS до 10÷15 м. Приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС и аппаратура НИС с электронными картами выгодно дополняют друг друга. Их совместное применение позволяет отображать положение судна в реальном масштабе времени, что имеет особенное значение в стесненных водах. При использовании бумажных карт требуется определенное время для переноса места судна с приемоиндикатора СНС на карту, что вызывает запаздывание в отображении текущей позиции. Кроме того, на бумажной карте нет возможности отображать положение судна непрерывно, в динамике. При использовании НИС с электронными картами на судне может быть установлен недорогой приемник СНС, так как дополнительные навигационные задачи в этом случае будут решаться самой НИС. При работе GPS, ГЛОНАСС в дифференциальном режиме НИС оказывает значительную помощь судоводителю при плавании в стесненных водах, предоставляя с высокой точностью (1÷5м) в реальном времени положение судна на ЭК. Расширение сети опорных станций DGPS способствует значительному повышению роли НИС в обеспечении безопасного судовождения в ограниченных акваториях. Краткая характеристика GPS. Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США - GPS, называется также NAVSTAR (Navigation System using Timing and Ranging). Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов. Плоскости орбит расположены через 60 0 и наклонены к экватору под углом 55 0 . На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников – это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земли не менее 4-х НИСЗ. Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D (определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме – 3D (измерение навигационных параметров 122 объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4–х НИСЗ, а при двухмерной навигации – не менее 3–х НИСЗ. В GPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально–скоростной метод нахождения скорости объекта. Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана. Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 MГц. Режим излучения - непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А–код (coarse and acquisition code), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р–код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2. В GPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте. GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей: точные определения (PPS – Precise Positioning Service) и стандартные данные (SPS – Standard Positioning Service). PPS основывается на точном коде, а SPS – на общедоступном. Уровень обслуживания РPS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS – массовому гражданскому потребителю. Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора. В зависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя. Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются P и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически непрерывные определения с точностью: местоположения объекта – 5 ÷7 м, скорости – 0.05 ÷0.15 м/с, времени – 5÷15 нс. Аппаратура для массового потребителя, в том числе и для гражданских морских судов, уступает по своим характеристикам 123 специальной аппаратуре. Навигационные параметры объектов определяются в ней с использованием только С/А–кода. Эта аппаратура проще и дешевле специальной, но, тем не менее, способна обеспечивать довольно высокую точность обсерваций. На начальном этапе эксплуатации GPS Министерство Обороны США посчитало предоставление такой точности всем без исключения потребителям потенциально опасным, и искусственно увеличивала погрешности местоопределения до 100 м. С этой целью для режима SPS формировались ошибки искусственного происхождения (погрешности режима селективного доступа), вносимые в сигналы на борту спутников. С 2000 г. Правительством США ввод искусственных ошибок в данные GPS был отменен. Координаты места судна рассчитываются в бортовой аппаратуре GPS в системе WGS84. При необходимости они могут быть пересчитаны и выданы приемоиндикатором в других горизонтальных датумах. Погрешности и ограничения. Основными источниками погрешностей, влияющих на точность бортовой аппаратуры GPS для массового потребителя, являются: – Ионосферные погрешности, обусловленные задержками в распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, которые приводят к ошибкам обсерваций порядка 20 ÷30 м днем и 3÷6 м ночью. – Тропосферные погрешности, причиной которых являются искажения в прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Они не превышают 30 м. – Эфемеридная погрешность, обусловленная разностью между расчетным и действительным положениями спутника, которая меньше 3 м. – Погрешность измерения расстояния до спутника, обычно не превышающая 10 м. Существенной проблемой, снижающей эффективность системы GPS, является недостаточное качество навигационных карт, составленных на основе геодезических съемок невысокой точности. Краткая характеристика системы «ГЛОНАСС». Российская глобальная спутниковая навигационная система (ГЛОНАСС) состоит из 24 НИСЗ, наземного командно–измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники ГЛОНАСС помещены на трех средневысоких орбитах (высота 19100 км) и имеют период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 120 0 и наклонены к экватору под углом 64.8 0 . На каждой орбите находится 8 спутников. 124 Каждый спутник передает данные о своем точном положении и о позициях других НИСЗ. Спутники излучают навигационные сигналы на двух несущих частотах: F1 и F2. Режим излучения - непрерывный с псевдошумовой модуляцией. В отличие от GPS, каждый спутник ГЛОНАСС имеет свои значения F1 и F2. Значения частот F1 всех спутников ГЛОНАСС лежат в диапазоне 1602.6 ÷1615.5 MГц и отличаются у НИСЗ на величину, кратную 0.5625 MГц. Соответственно, значения частот F2 находятся в интервале 1246.4 ÷1256.5 МГц и не совпадают у спутников на величину, кратную 0.4375 МГц. Навигационные сигналы представляют собой С/А–код, передаваемый только на частоте F1, и Р–код, излучаемый на частотах F1, F2. В отличие от GPS, где коды Р и С/А у спутников разные, в ГЛОНАСС они одинаковы для всех НИСЗ. Таким образом, в отличие от применяемого в GPS кодового метода в ГЛОНАСС реализован частотный метод различения навигационных сигналов спутников. Аппаратура пользователей включает оборудование, необходимое для сопровождения спутников, определения позиции, скорости и времени по данным орбит спутников и измерениям навигационных параметров. Для приема навигационных сигналов используется 24 частотных канала. В среднем точность определения положения с помощью специальной бортовой аппаратуры ГЛОНАСС составляет 8 метров. Если GPS имеет наилучшую точность в средних широтах, то ГЛОНАСС – в высоких. В бортовой аппаратуре ГЛОНАСС положение определяющегося объекта рассчитывается в геодезической системе ПЗ90 (SGS90). При необходимости место объекта может быть представлено в другом горизонтальном датуме. СНС «ГЛОНАСС» работает пока с неполным составом НИСЗ. В 2003 году на орбите находились 11 спутников этой системы. Программой Российской федерации предусматривается к 2006 году довести состав спутников до 18, а после 2006 г – до 24. Несмотря на неполный состав ГЛОНАСС, приемники СНС, способные использовать навигационные сигналы обеих систем GPS и ГЛОНАСС, уже в настоящее время позволяют уменьшить погрешности GPS. Повышение точности и надежности определений достигается путем увеличения числа наблюдаемых спутников, улучшения геометрии их расположения, а также за счет использования обоих кодов ГЛОНАСС, что дает возможность более точно учесть ионосферную погрешность. Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС сведены в табл. 4.2, где UTC (USNO), UTC (SU) – универсальное координированное время военно-морской обсерватории США и Российской Федерации 125 (UTC – Coordinated Universal Time, USNO – US Naval Observatory, SU – Soviet Union или RF – Russian Federation). Таблица 4.2. Основные характеристики среднеорбитальных СНС. Характеристика GPS ГЛОНАСС Количество навигационных спутников 24+3 (резервных) 24+3 (резервных) Количество плоскостей орбит 6 3 Угол между плоскостями соседних орбит, град. 60 120 Наклон плоскости орбит к экватору, град. 55 64,8 Радиус орбит, км. 20145 19100 Период обращения спутников 12 час 11 час 15 мин Технологии разделения каналов Кодовая Частотная Несущие частоты, МГц. F1 F2 1575,42 1227,60 1602,56…1615,50 1246,44…1256,50 Навигационные сигналы: Стандартной точности Высокой точности C/A-код P-код C/A-код P-код Частота последовательности импульсов в навигационных сигналах, МГц: С/А-код Р-код 1,023 10,23 0,511 5,11 Режимы обслуживания SPS, PPS Единый Системное время UTC (USNO) UTC (SU) Опорная координатная система WGS84 SGS90 Метод определения положения объекта Псевдодальномерный Псевдодальномерный Метод определения скорости объекта Псевдорадиально- скоростной Псевдорадиально- скоростной Погрешности (95%) аппаратуры гражданских потребителей при определении: Плановых координат, м. Высоты, м Скорости, м/с Времени, мкс 36 68 0,4 0,68 28 40 0,3 1,4 В таблице не учтено, что последние модернизированные образцы бортовой аппаратуры GPS для гражданских морских судов в обычном (не дифференциальном) режиме обеспечивают точность получения горизонтальных координат ±10÷15 м. Как можно заметить, приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС по сути являются |