книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
движения судна, измеряющими его координаты, путевой угол и путевую скорость. Кроме того, при небольшой доработке они дают возможность получать также курс судна и параметры бортовой и килевой качки (см. §4.5). 126 4.2.3. Перспектива спутниковых систем навигации. Развитию спутниковых навигационных систем уделяется первостепенное внимание. Это объясняется, прежде всего, их универсальностью. СНС дают возможность получить информацию практически обо всех кинематических параметрах судна: о позиции, о путевом угле и путевой скорости, о курсе судна, о параметрах килевой и бортовой качки. Кроме обеспечения судоводителей чисто навигационными данными, СНС позволяют решать задачи радиосвязи и управления потоками судов, осуществлять привязку систем единого времени, использоваться для синхронизации работы оборудования. Интеграция среднеорбитальных СНС. Ближайшая (2003÷2005 гг.) перспектива развития среднеорбитальных СНС связана с их интеграцией. Под интеграцией спутниковых навигационных систем понимается использование их общего радионавигационного поля при независимом управлении этими СНС. По этому направлению создается глобальная навигационная спутниковая система ГНСС (GNSS). Она строится путем интеграции систем GPS, ГЛОНАСС с дополнением их подсистемами стационарных спутников: EGNOS (the European Geostationary Navigation Overlay Service) в европейском регионе; WAAS (the American Wide Area Augmentation System) в американском регионе; MSAS (the Japanese Multi-functional Satellite Augmentation System) в Яп онии. EGNOS, WAAS, MSAS представляют собой широкозонные дифференциальные подсистемы, в которых передача поправок производится через стационарные спутники Инмарсат-3. В регионах, обслуживаемых этими подсистемами, точность определения положения будет не хуже ±10 м. Спутниковая навигационная система GALILEO. СНС GALILEO является европейским вкладом в GNSS. При создании этой системе обеспечивается как возможность автономной работы, так и способность к взаимодействию с другими СНС (GPS, ГЛОНАСС) в рамках GNSS. В полном объеме функционирование GALILEO начнется с 2008г. GALILEO является гражданской глобальной, всепогодной, радионавигационной системой, предназначенной для обеспечения навигации береговых, морских и воздушных объектов в трехмерном околоземном пространстве. СНС GALILEO состоит из созвездия 30 НИСЗ, наземного командно–измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. 127 Спутники GALILEO будут помещены на трех средневысоких орбитах (высота 23222 км). Плоскости орбит расположены через 120 0 и наклонены к экватору под углом 56 0 . На каждой орбите будет находиться 10 спутников. Каждый спутник излучает: навигационные сигналы, данные о системном времени, свои эфемеридные параметры, альманах всех спутников, прогноз точности данных времени и эфемерид. Спутники способны передавать навигационные сигналы на четырех частотах в L- диапазоне, максимально используя полосу частот радионавигационных спутниковых систем. GALILEO имеет службу поиска и спасения, позволяющую принимать сообщения от буев системы КАСПАС-САРСАТ. Она обеспечивает быстрое и надежное обнаружение терпящих бедствие судов. Бортовая аппаратура для морских судов базируется на использовании навигационных сигналов, излучаемых спутниками на двух частотах. Она обеспечивает определение горизонтальных координат с 95% погрешностью ±4 м, вертикальных – ±8 м. СНС GALILEO будет удовлетворять требованиям пользователей к общей навигации, изложенным в резолюции ИМО А.915(22), 2001 г. (см. табл. 4.1). Расширение области измерений СНС. Возможности вводимых в ближайшее время в эксплуатацию спутниковых навигационных систем позволят с требуемой точностью находить все элементы движения судна: навигационные параметры, параметры посадки корпуса, параметры качки. Стоимость таких определений будет ниже, чем при использовании измерительных систем других видов (позиционных датчиков, курсоуказателей, приборов для измерения скорости и проходимого расстояния, указателей скорости поворота, датчиков параметров качки). Это говорит о том, что приемоиндикаторы СНС могут стать на судне главными приборами не только для определения позиции судна в открытом море и в прибрежных водах, но и основными измерителями всех кинематических параметров судна. 4.3.Электронные магнитные компасы. Конвенционными курсоуказателями на морских судах являются гирокомпасы (ГК) и магнитные компасы (МК). Необходимость установки этих приборов на морских судах определена правилом 19 главы 5 международной конвенции СОЛАС74. В качестве основного датчика курса обычно применяется ГК. Магнитный компас является резервным курсоуказателем. 128 В течение многих лет на флоте используются гирокомпасы с вращающейся массой (ротором) и картушечные магнитные компасы. Курсоуказатели этих видов ниже называются традиционными. 4.3.1. Общие сведения о магнитных компасах. Магнитное поле Земли имеет такой вид (рис. 4.1), как будто земной шар представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Магнитные полюса Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Северный магнитный полюс находится приблизительно в точке 76 0 N и 100 0 W, а южный – в точке 68 0 S и 144 0 E. Геомагнитные полюса лежат не на поверхности Земли, а под ней. N S Магнитная ось Ось вращения Рис. 4.1. Магнитное поле Земли Магнитная ось наклонена к оси вращения Земли под углом 11,5 0 На геомагнитных полюсах напряженность магнитного поля имеет вертикальное направление, а на магнитном экваторе – горизонтальное. В промежуточных широтах силовые линии магнитного поля наклонены под определенным углом к поверхности Земли. Геомагнитное поле может характеризоваться напряженностью Н и магнитной индукцией В. В системе СИ напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), а единицей магнитной индукции является тесла. Величина напряженности магнитного поля на земной поверхности очень мала и зависит от координат места. На магнитном экваторе она составляет порядка 26 А/м, а у полюсов – 51 А/м. Магнитная индукция на экваторе равняется примерно 34 μТ (микротесла), а у полюсов ее значение достигает 66 μТ. 129 Картушечные магнитные компасы. В традиционных морских магнитных компасах для получения значений курса используется свойство магнитной стрелки располагаться вдоль силовых линий магнитного поля. Эти компасы просты по конструкции, надежны, обладают довольно высокой точностью и не требуют для работы никакого вида питания. Принцип действия, конструкция и эксплуатация картушечных компасов хорошо освещены в учебниках и учебных пособиях для судоводителей. На судах используются картушечные магнитные курсоуказатели многих изготовителей навигационной аппаратуры. В качестве примеров промышленных образцов можно назвать компасы КМ-145, КМ-100, КМ-69, КМС-160, КМС-200 (Россия), магнитный компас “Jupiter” фирмы “C.Plath” (Германия) и ряд других. Эксплуатационные требования к магнитным компасам определены в Резолюции ИМО А.382(Х), принятой в 1977 г. Приведем выдержки из этого документа. Погрешности магнитного компаса необходимо компенсировать. На мостике требуется иметь таблицу и график девиации этого прибора. Суммарная погрешность компаса, состоящая из погрешности градуировки шкалы, погрешности от несовпадения точки вращения картушки с ее центром и отклонения картушки от направления силовых линий геомагнитного поля, не должна превышать 0.5 0 на любом курсе. При вращении компаса вокруг вертикальной оси с постоянной скоростью 1.5 0 /с (при температуре компаса 20±3 0 С) отклонение картушки не должно превышать (36/В) 0 , когда диаметр картушки меньше, чем 200 мм. Здесь В – индукция горизонтальной компоненты магнитного поля Земли в точке расположения компаса, выраженная в микротесла (μТ). Если картушка имеет диаметр 200 мм и более, то отклонение картушки в названных условиях не должно превышать (54/В) 0 Требуется, чтобы погрешность от трения в компасе не превышала (3/В) 0 при температуре 20±3 0 С. Когда горизонтальная компонента геомагнитного поля составляет порядка 18 μТ, после смещения картушки на 40 0 от меридиана полупериод колебания картушки должен быть, по крайней мере, 12 с. Предписано, чтобы после отклонения картушки на 90 0 от направления на север, время прихода ее в магнитный меридиан с погрешностью в пределах ±1 0 не было больше 60 с.. Компас необходимо снабжать средствами для коррекции полукруговой и четвертной магнитной девиации. Электронные магнитные компасы. Одними из недостатков традиционных магнитных компасов являются: наличие на качке 130 знакопеременной погрешности, вызванной действием ускорений на картушку, и неприспособленность к передаче показаний на авторулевой, автопрокладчик и другим потребителям информации о курсе. Эти недостатки устранены в электронных магнитных компасах (ЭМК). В них определение курса основано на измерении составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли. Если на судне с достаточной точностью получить продольную и поперечную (относительно ДП судна) компоненты напряженности геомагнитного поля, то по их значениям можно найти магнитный курс судна: X H Y H X Y H H MK arctan = . (2.1) С приближением к магнитным полюсам уменьшается горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля и увеличивается магнитное наклонение, что делает показания магнитного компаса менее точными и надежными. В районах магнитных полюсов из-за вертикального направления магнитных силовых линий (Н Х =0, Н Y =0) курс определить невозможно. 4.3.2. Магнетометры. Виды магнетометров. Приборы, измеряющие напряженность магнитного поля, называются магнетометрами. Напряженность магнитного поля Земли очень мала. Поэтому для получения значений курса требуются высокочувствительные датчики магнитной напряженности. К ним относятся: – флюксгейт (FG) магнетометры; – магниторезисторные (MR) датчики; – магнитоэластиковые приборы; – датчики, основанные на эффекте Холла. Наибольшее применение в электронных магнитных компасах нашли флюксгейт-датчики. На современном этапе в ЭМК используются и MR-магнетометры. Электронный магнитный компас включает либо два магнетометра, измеряющих продольную и поперечную (по отношению к корпусу) судна составляющие напряженности геомагнитного поля в горизонтальной плоскости, или совокупность трех магнетометров, дающих значения двух горизонтальных и дополнительно вертикальной компонент напряженности магнитного поля. Флюксгейт магнетометры являются чувствительными элементами большинства морских ЭМК, получивших название флюксгейт-компасов. Первые образцы магнетометров этого типа 131 были созданы еще в 1928 г. Однако требуемую для курсоуказания точность этих приборов удалось получить сравнительно недавно. FG-магнетометры могут быть разных видов. Классический однокоординатный FG-датчик, показан на рис. 4.2,а. Он измеряет Х- составляющую магнитного поля и состоит из тороида и намотанной поверх него внешней (сигнальной) катушки. Тороид представляет собой кольцевую катушку, намотанную на сердечник с формой тора. Внутренняя обмотка FG-датчика является обмоткой управления (возбуждения). Рис. 4.2. Х- и XY- флюксгейт магнетометры. Сердечник тороида изготавливается из легконамагничиваемого материала (ферромагнетика), чаще всего из пермаллоя. Пермаллой представляет собой сплав железа (19%) и никеля (81%). Принцип работы магнетометра поясняется рис. 4.3 и состоит в следующем. Чувствительный элемент FG-магнетометра является разновидностью феррозонда. На его обмотку возбуждения подается переменное напряжение U B . Амплитуда U B такова, что в середине каждого полупериода изменения тока возникает магнитное насыщение сердечника. Интервал времени, в течение которого при изменении тока возбуждения сердечник изменяет намагниченность, обозначим на рисунке 4.3 как участок I, а промежуток насыщенного состояния сердечника – как участок II. В момент насыщения сердечника его магнитная проницаемость μ резко уменьшается. На участках II ее можно считать равной нулю. В промежутках I (размагничивания и намагничивания) она возрастает от нуля до некоторого значения μ 0 и снова уменьшается до нуля по закону, показанному на рис. 4.3. В общем случае напряжение в сигнальной катушке, согласно закона электромагнитной индукции, равно: Y X Оси измерений U СY U СX i а) i A B U СX H KA H KB H M U B U B б) 132 dt d U c c / Φ − = ; где Φ С – поток магнитной индукции, проходящий через контур сигнальной катушки. Величина магнитного потока может быть представлена в виде M c H k μ = Φ ; где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров магнетометра (диаметра сердечника, числа витков и т.д.); Н М - перпендикулярная плоскости витков сигнальной обмотки составляющая напряженности магнитного поля. II I II II I U C μ U B t t t Рис. 4.3. Характеристика работы FG-магнетометра. Учитывая это, сигнальное напряжение можно представить формулой: dt d kH dt d U M c c μ − = Φ − = При прохождении переменного тока i через обмотку возбуждения в сердечнике возникает магнитный поток Ф, значения Ф А , Ф В которого в точках А и В сердечника (см. рис. 4.2,а) равны и противоположно направлены. Таким образом, когда внешнее магнитное поле отсутствует, суммарный магнитный поток, проходящий через сигнальную обмотку, равен нулю, и напряжения в ней нет. На рис. 4.2,а символами Н КА , Н КВ обозначены векторы напряженности возбуждаемого в сердечнике магнитного поля в точках А и В. Когда перпендикулярно плоскости сигнальной обмотки действует постоянная составляющая Н М внешнего магнитного поля, то в полупериод изменения тока i (как показано на рис. 4.2) она сложится с Н КА и вычтется из Н КВ . Во второй полупериод тока направления векторов Н КА , Н КВ поменяются на обратные, а направление Н М 133 останется тем же. В результате суммарный магнитный поток, проходящий через сигнальную обмотку, не будет нулевым. В промежутках I изменение этого потока вызовет появление сигнального напряжения: t kH dt d kH U M M C ω μ 2 sin − = − = Полезный сигнал U С (рис. 4.3) имеет вид переменного, несколько искаженного напряжения, частота которого в два раза больше частоты U B . Амплитуда сигнального напряжения U С пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля Н М Таким образом, значение напряженности внешнего магнитного поля можно найти путем измерения амплитуды напряжения в сигнальной катушке Для получения достаточной чувствительности число витков управляющей и сигнальной катушки должно быть большим 100. Магнетометр, измеряющий составляющие внешнего магнитного поля по двум ортогональным осям, представлен на рис. 4.2,б. Если на судне этот датчик установить для проведения измерений в горизонтальной плоскости, одну внешнюю обмотку расположить вдоль ДП, а другую - перпендикулярно к ней, то в первой обмотке возникнет напряжение, пропорциональное поперечной составляющей геомагнитного поля, а во второй обмотке – пропорциональное продольной компоненте . По значениям , по формуле (2.1) определяется курс судна. Y H X H X H Y H -400 -200 400 200 0 -20 20 -10 10 0 U C [m V] В[μT] Рис. 4.4. Флюксгейт микродатчик и его характеристика Размеры обычного двухкоординатного флюксгейт магнетометра невелики, порядка 4х7 см 2 . Двухкоординатные микродатчики значительно меньше (примерно 3,4х5,6 мм 2 ). Однокоординатный микромагнетометр в виде чипа и его характеристика представлены на рис. 4.4. 134 MR-магнетометры основаны на магниторезисторном эффекте. В них используется свойство ферромагнитных материалов (чаще всего пермаллоя) изменять свое электрическое сопротивление R под действием магнитного поля. Изменение сопротивления пластины из пермаллоя определяется составляющей напряженности магнитного поля , ортогональной к линии тока i (рис. 4.5). ⊥ H Изменение сопротивления происходит при вариации в пределах от –Н 0 до +Н 0 , где Н 0 – значение напряженности магнитного поля, при котором наступает состояние насыщения намагниченности пермаллоя. Значение Н 0 зависит от температуры. ⊥ H Пермаллой Ток i Н |