Система позиционирования подвижных объектов. Тема1-1.раздача. ДисциплинаСистемы позиционирования подвижных объектов
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
Дисциплина: «Системы позиционирования подвижных объектов» (СППО) 1 Система позиционирования – любая техническая система, решающая задачи позиционирования. Позиционирование (positio (лат.) – положение, расположение, установка) - процесс определения позиции материального подвижного объекта (ПО). Определение позиции ПО заключается в определении местоположения (координат) точечного ПО в заданной системе координат (СК). В некоторых СППО кроме определения координат может определятся угловая ориентация ПО, как пространственно-распределенного объекта, а также характеристики его движения (скорость, ускорение и др.). Подвижный объект – любой материальный движущийся объект (автомобиль, самолет, космический корабль, речное или морское судно, человек и пр.), в отношении которого решаются задачи позиционирования. О дисциплине «Системы позиционирования подвижных объектов» 2 3 Основным потребителем координатной и другой информации, получаемой с помощью СППО является сам подвижный (или временно неподвижный) объект В настоящее время в качестве наиболее эффективных глобальных, региональных и местных технических систем позиционирования выступают навигационные системы Замечание: В качестве локальных систем позиционирования, функционирующих на расстояниях от долей метров до единиц километров, могут применяться технологии позиционирования с использованием сотовых систем связи, WiFi - позиционирование, инфракрасное и ультразвуковое позиционирование и ряд других. В большинстве случаев подобные системы также реализуют навигационные методы местоопределения, поэтому могут использоваться в качестве функционального дополнения к навигационным системам. Пример современной глобальной СППО: GPS ( Global Positioning System) — система глобального позиционирования является спутниковой системой навигации. Её второе название: NAVSTAR ( NAVigation Satellites providing Time And Range) - обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники Поэтому далее основное внимание в дисциплине «СППО» будет уделено рассмотрению теории и принципам построения навигационных систем различного класса Литература: 1. Авиационная радионавигация: Справочник./А. А. Сосновский, И. А. Хаймович, Э. А. Лутин, И. Б. Максимов; Под ред. А. А. Сосновского.—М.: Транспорт, 1990. 2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2010. Тема №1. Общие сведения о системах позиционирования подвижных объектов. Занятие №1. Основные понятия и термины теории навигации. Вопросы занятия: 1. Понятие навигации, виды и методы навигации. 2. Системы координат и исчисления времени, применяемые в задачах навигации. 4 1. Понятие навигации. Виды и методы навигации 5 Где Я…? В каком направлении плыть? 6 Меридианы Долгота Параллели Широта Где Я…? Навигация ( лат. navigatio , от лат. navigo — «плыву на судне») – наука о методах и средствах получения информации о местоположении и параметрах движения ПО и об их вождении из одной точки пространства в другую. 7 Навигационные задачи, связаны с получением навигационных данных и решаются с помощью навигационных средств: устройств, приборов, комплексов, систем. Основные задачи навигации: - определение местоположения ПО в заданной системе координат; - определение составляющих вектора скорости движения ПО; - определение угловой ориентации ПО в координатном пространстве; - определение оптимального маршрута движения ПО. Область навигации включает четыре основные категории: наземная навигация, морская навигация, воздушная навигация и космическая навигация. Виды навигации (классификация): - радионавигация; - оптическая; - инерциальная навигация; - акустическая навигация; - астрономическая навигация; - навигация на основе измерения статических геофизических полей (магнитометрическая, барометрическая, гравитационнометрическая и др.). 8 2. По признаку использования внебортовых навигационных средств: - автономная навигация (все навигационные средства находятся на ПО); - неавтономная навигация (навигационные средства находятся как на ПО, так и вне его). 3. По возможности первоначального самостоятельного определения местоположения ПО: - позиционная навигация; - непозиционная навигация. На практике часто применяется комбинированная по видам и методам навигация, при этом наибольшее распространение получили: позиционный неавтономный и непозиционный автономный виды. 1 . По разновидностям используемых физических явлений: Методы навигации: По принципу определения текущего местоположения ПО методы навигации разделяются на три группы: 1. Позиционные методы основаны на нахождении ПО как точки пересечения геометрических линий или поверхностей положения, относительно ряда опорных навигационных (или радионавигационных) точек (НТ или РНТ). 2. Методы счисления пути основаны на измерении и интегрировании по времени составляющих вектора скорости или ускорения ПО. 3. Обзорно-сравнительный методы основаны на сравнении некоторых наблюдаемых с помощью бортовых датчиков физических параметров, характеризующих пространство вокруг ПО, с эталонными параметрами, хранящимися в памяти навигационной системы. 9 Некоторые термины и определения из теории навигации: Под местоположением (МП) объекта понимается точка координатного пространства, в которой в данный момент времени находится центр его масс. Навигационная точка (НТ) – пункт (маяк, ориентир), являющийся точечным объектом с известными координатами относительно которого определяется местоположение ПО. Навигационные параметры (НП) — измеряемые данной навигационной системой геометрические и механические скалярные величины или их производные, характеризующие местоположение ПО и другие навигационные данные: углы (пеленги), расстояния, разности расстояний, скорости, ускорения и др. Линией положения (ЛП) называется геометрическое место точек на поверхности, соответствующих какому-то одному значению навигационного параметра. В трехмерном пространстве постоянному значению измеряемого навигационного параметра будет соответствовать поверхность положения. Примеры линий положения - ортодрȯмия, локсодрȯмия, прямая, окружность, гипербола. Примеры поверхностей положения - плоскость, сфера, гиперболоид. ЛП может быть определена как геометрическое место точек пересечения двух поверхностей положения. Для определения местоположения объекта на плоскости достаточно определить координаты точки пересечения двух ЛП. Местоположение объекта в трехмерном пространстве задается пересечением трех поверхностей положения или одной поверхности и линии положения. С помощью линий и поверхностей положения осуществляется переход от измеряемых навигационных параметров к координатам объекта (например, географическим). 10 Примеры линий положения, используемых в навигации 1 . На земном шаре линией кратчайшего расстояния является дуга большого круга, которую называют ортодромией (греч. ортос — прямой, дромос — проход, бег.). 2. В практике мореплавания весьма удобна линия пути, которая пересекает все меридианы под одним и тем же углом. Она называется локсодромией (греч. локсос — косой, дромос - проход, бег.). N P А В о II л D С Ортодромия I л Локсодромия I II л л S P Линии положения на поверхности Земли - ортодрȯмия и локсодрȯмия л л л С D Локсодромия 11 12 ПО РНТ r= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Линия положения - круг ( линия постоянной дальности) Навигационный параметр - дальность 𝑟 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. В пространстве поверхность положения – сфера. Навигационный параметр - пеленг 𝛼 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. В пространстве поверхность положения – плоскость. РНТ (радиомаяк) 𝛼 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Линия положения - прямая ( линия постоянного пеленга) ПО N 13 Линия положения - гипербола ( линия постоянной разности дальностей) Навигационный параметр – разность дальностей Δ𝑟 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Поверхность положения – гиперболоид вращения ПОʹ r 1 𝑟 2 𝑟 2 ʹ ПО 𝑟 1 ʹ Δ𝑟 = 𝑟 1 - 𝑟 2 = 𝑟 1 ʹ −𝑟 2 ʹ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 РНТ 1 РНТ 2 Процесс получения навигационной информации на примере радионавигационной системы (РНС) 14 Пример определения местоположения объекта в спутниковой РНС РНП НП Поверхность положения Линия положения Точка пересечения нескольких ПП (ЛП) время задержки радиосигнала расстояние r сфера окружность местоположение ПО 1 1 r 1 РНТ 2 2 r 2 РНТ 3 3 РНТ 3 r Измеряемый РНП – время задержки радиосигнала. Измеряемый НП - расстояние от РНТ до ПО. При постоянном расстоянии от РНТ до ПО поверхность положения – сфера. Пересечение 2-х сфер в пространстве дает линию положения – окружность. Пересечение с третьей сферой дает точку местоположения объекта. 15 2 . Системы координат и исчисления времени, применяемые в задачах навигации 16 2.1. Системы координат Системы координат широко используемые в задачах навигации: 1. Геоцентрическая инерциальная декартова СК. 2. Общеземная геоцентрическая декартова СК. 3. Геодезическая система координат СК. 4. Декартова и сферическая топоцентрические системы координат. 5. Связанная система координат. 6. Скоростная система координат. Положение любого материального объекта в пространстве, может быть определено или задано с помощью упорядоченного значения чисел, называемых координатами. Набор математических правил, описывающих то, как координаты должны быть соотнесены с точками пространства, составляет систему координат или систему отсчета. Системы координат (СК), используемые при позиционировании ПО, различаются по положению начала отсчета, по ориентации координатных осей и плоскостей отсчета, по геометрическим свойствам и другим признакам. Они должны наилучшим образом соответствовать методам получения координатной информации в технической системе позиционирования и задачам, возлагаемым на неё со стороны потребителей. 17 Две точки, в которых эклиптика пересекается с небесным экватором, называются точками равноденствия В точке весеннего равноденствия Солнце в своём годовом движении переходит из южного полушария небесной сферы в северное (пересекает экватор); в точке осеннего равноденствия — из северного полушария в южное. Прямая, проходящая через эти две точки, называется линией равноденствий. Символ ϓ обозначает направление весеннего равноденствия (точка Овна). К вопросу о выборе опорного направления для инерциальной СК (OX): Точка Овна 21 марта 23 сентября 18 18 При задании опорных осей координат, связанных с осью вращения земли необходимо учитывать, что направление изменения земной оси непостоянно и подвержено прецессии и нутации. Прецессия (Р) - периодическое изменение направления земной оси под влиянием притяжения Луны и Солнца . В результате прецессии земная ось описывает в пространстве конус. Поворот земной оси смещает и связанную с Землёй инерциальную систему координат относительно удалённых, практически неподвижных на небесной сфере звёзд. На небесной сфере ось описывает окружность так называемого малого круга небесной сферы с угловым радиусом примерно 23,5 градуса . Полный оборот по этой окружности происходит с периодом (по современным данным), составляющим примерно 25 800 лет. Существуют и другие причины смещения земной оси, в первую очередь — нутация (N) , периодическое, быстрое относительно периода прецессии, «покачивание полюсов». Период нутации земной оси равен 18,61 года, и её средняя амплитуда составляет около 17" (угловых секунд). Текущие значения P и N учитываются при преобразованиях, связанные с переходом между ИСК и вращающейся ГСК, связанной с Землей. Прецессия и нутация 19 2.1.1. Геоцентрическая инерциальная декартова СК {О, X и , Y и , Z и } 20 2.1.2. Общеземная геоцентрическая декартова СК ({О, X, Y, Z} 18 В качестве модели Земли выбирается общеземной или референцный эллипсоид. 21 2.1.2. Общеземная геоцентрическая декартова СК ({О, X, Y, Z} В СРНС ГЛОНАСС ОГДСК определена как ПЗ-90.11, а в СРНС GPS как WGS-84. Параметры этих систем координат совпадают в пределах точности их определения. Для системы ПЗ – 90.11 принята поверхность земного эллипсоида с параметрами: большая полуось a = 6 378 136 м, полярное сжатие α = 1 : 298, 257 839. В системе WGS – 84 – соответственно: a = 6 378 137 м, α = 1 : 298, 257 224 22 2.1.3. Геодезическая система координат (ГСК) {B, L, H} В качестве модели Земли выбирается общеземной или референцный эллипсоид. Постановлением Правительства Российской Федерации от 24 ноября 2016 года № 1240 установлено что: − в качестве государственной системы высот используется Балтийская система высот 1977 года, отсчет нормальных высот которой ведется от нуля Кронштадтского футштока, являющегося горизонтальной чертой на медной пластине, укрепленной в устое моста через обводной канал в городе Кронштадте; 23 Геоид Эллипсоид Геодезическая высота Н АБСОЛЮТНАЯ – относительно Балтийского моря; ИСТИННАЯ – относительно ближайшей точки земной поверхности; ОТНОСИТЕЛЬНАЯ – относительно высоты аэродрома. Для летательного аппарата дополнительно определяются высоты: 24 2.1.4. Декартова и сферическая топоцентрические системы координат (ДТСК и СТСК) Примечание: обозначения осей в плоскостях могут меняться местами. 25 2.1.5. Нормальная земная и связанная декартова системы координат (НЗСК и Св.СК) 26 2.1.6. Связанная декартова система координат и угловое положение ЛА относительно НЗСК mg 5. Связанная декартова система координат и угловое положение летательного аппарата 27 Связанная декартова система координат и угловое положение летательного аппарата g Y g X g Z 0 0 угол тангажа рыскания курса ( ) угол скручивания крена ( ) св Z св Х св Y св Z св Y св Х X g Z g Y g 28 2.1.7. Скоростная система координат летательного аппарата 29 Применяются две группы единиц отсчета времени: астрономические и неастрономические. 1. Астрономическое время связано с движением планет и может быть звездное и солнечное. Эфемеридное время (ЕТ) –в 1952г. Введена эфемеридная (рассчитанная) секунда: 1/ 86400 суток для определенного дня 1900 г. ЕТ не зависит от скорости вращения Земли. 2.2. Шкалы времени, используемые в навигационных системах Звездное - звездные сутки (86400 с) один оборот Земли вокруг оси относительно верхней кульминации точки Овна (ϒ) (далекой звезды). С учетом прецессии - среднее звездное время, с учетом нутации истинное звездное время. Солнечное - солнечные сутки (86400 с) один оборот Земли вокруг оси относительно нижней кульминации среднего солнца (полночи). 24 часа звездного времени = 23 ч 56 мин 4,091 среднего солнечного времени. Звездное время удобно для навигации спутников, солнечное - для обыденной жизни человека. ϒ 2. Неастрономическое время – атомная секунда (введена с 1967г.) – интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода для атома цезия-133, излучающего ЭМВ. Она близка к эфемеридной секунде. В связи с появлением атомного стандарта частоты (времени) в настоящее время в повседневной жизни применяется всемирное координированное время UTC (Coordinated Universal Time). Сигналы точного времени передаются по радио, телевидению, и через Интернет в системе UTC. Дополнительная секунда при необходимости добавляется 30 июня или 31 декабря после 23:59:59. В спутниковых РНС применяется своя шкала атомного времени, которая также периодически координируется. Всемирное — среднее солнечное время начального меридиана. За начальный меридиан условно принимается меридиан обсерватории в Гринвиче (Великобритания). Местное — определяется для данного места на Земле, зависит от географической долготы места и одинаково для всех точек на одном меридиане. Поясное — среднее солнечное время, определяемое для 24 основных географических меридианов, отстоящих на 15° по долготе. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса, в пределах каждого из которых поясное время совпадает со временем проходящего через них основного меридиана. 30 Шкалы времени (дополнительные сведения) Временно̀е обеспечение радионавигации в России строится на основе шкалы координированного времени UTC (SU), задаваемой существующей эталонной базой РФ. С целью трансляции сигналов точного времени Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли Российской Федерации использует разветвленную сеть средств передачи эталонных сигналов, которая включает в себя: − радиостанции длинноволнового диапазона (ДВ); − коротковолновую (КВ) радиостанцию; − сверхдлинноволновые (СДВ) и ДВ навигационные радиостанции Государственной системы единого времени и эталонных частот; − ГНСС ГЛОНАСС; − средства передачи ЭСЧВ совместно с сигналами телевидения; − средства передачи точного времени через глобальную сеть Интернет. ГНСС ГЛОНАСС передает потребителям сигналы с информацией о шкале времени UTC (SU) и шкале времени системы ГЛОНАСС. В качестве вспомогательной шкалы времени при использовании сигналов ГНСС GPS может применяться шкала координированного времени США — 67 UTC (USNO), поддерживаемая Военно-морской обсерваторией США, а также шкала времени GPS — GPST (см. рисунок). Время ГНСС БЭЙДОУ (BDT) связано и синхронизировано с координированным всемирным временем UTC. По заявлению создателей системы, предусмотрена совместимость BDT со временем ГНСС GPS/ГАЛИЛЕО. В бортовую шкалу времени каждого из спутников вводится пересчётный коэффициент, зависящий от высоты орбиты и учитывающий два релятивистских эффекта : движение спутника относительно наземных часов (эффект релятивистского замедления времени ) и разность гравитационных потенциалов на орбите и на поверхности Земли (эффект гравитационного красного смещения ). Так, для системы ГЛОНАСС он равен 1 − 4,36⋅10 −10 (релятивистская поправка 4,36⋅10 −10 , то есть 37,7 мкс в сутки). 31 32 Привязка времени в ГЛОНАСС Контрольные вопросы: 1. Какую информацию о местоположении объекта содержит линия положения и откуда берутся исходные данные для её построения? 2. В каком направлении первоначально должен лететь самолет, вылетевший из Москвы во Владивосток и почему? 3. Для чего и каким образом использовали секстант и хронометр мореплаватели прошлого? 4. По какой причине солнечные сутки больше звездных? 5. Почему местная система координат ограничена по дальности применения в отношении околоземных объектов, например дальнемагистральных аэробусов. 33 |