Навигационные функции и параметры

Навигационные функции и параметры

Определение места судна методом обсерваций

Навигационные параметры и изолинии

Определение места судна только методом счисления не удовлетворяет требованиям безопасности мореплавания. Точность счислимого места уменьшается пропорционально пройденному расстоянию. Направление перемещения судна и пройденное расстояние измеряются с погрешностями. Поэтому необходимо систематически корректировать счисление методом обсерваций.

Навигационными параметрами, то есть величинами, зависящими от взаимного расположения судна и ориентира, которые измеряют для обсерваций являются:

Навигационные параметры могут быть измерены непосредственно (визуальный пеленг, горизонтальный угол, высота светила) и путем измерения и преобразования параметров радионавигационного поля, создаваемого ориентирами (амплитуды, фазы, разности фаз, частоты, времени прихода радиоимпульса от излучателя к приемнику).

Значение навигационного (или радионавигационного) параметра, снятое со шкалы измерительного прибора называется отсчетом навигационного (радионавигационного) параметра. (В дальнейшем все параметры будем называть навигационными, не выделяя особо радионавигационные).

Измеренный прибором навигационный параметр (отсчет), исправленный поправками называется обсервованным навигационным параметром.

Величина НП зависит от местоположения судна (т. е. географических координат):

Эта функция – уравнение навигационной изолинии в общем виде.

Навигационная изолиния – это линия на поверхности Земли, в каждой точке которой навигационный параметр имеет одно и то же значение.

Каждому НП соответствует своя изолиния, занимающее определенное положение на поверхности Земли относительно ориентира.

Измерив НП U, можно утверждать, что судно в момент измерения находилось где-то на изолинии

соответствующей этому параметру.

Наиболее распространенным в судовождении навигационным параметрам соответствуют следующие изолинии:

Источник

Навигационные функции

Решение навигационных задач основывается на использовании функциональной связи между навигационными параметрами и параметрами траектории ОН.

Под навигационной функцией(НФ) понимают зависимость ТНП или РНП от параметров траектории ОН и РНТ.

Приведем примеры распространенных на практике НФ. Записи сделаем в прямоугольной системе координат, наиболее наглядной и удобной как в учебных целях, так и при синтезе алгоритмов вторичной обработки и исследовании точности РНС. Учтем следующие факторы измерительной обстановки: вид ТНП, взаимное положение объекта навигации и РНТ, влияние источников погрешностей определения ТНП.

Дальномерная РНС с тремя РНТ в зоне радиовидимости ОН:

(1.1)

— искомые координаты объекта навигации;

— координаты РНТ;

c— скорость распространения электромагнитного поля;

— погрешности первичной обработки сигнала.

Отметим, что вместо трех РНТ возможно использование одной подвижной РНТ, последовательно занимающей положения ().

или

(1.2)

где — псевдодальность доj— й РНТ;

— дальность от РНТ до ОН определенная согласно (1.1);

где — расхождение стандартов времени объекта иj-й РНТ.

Разностно-дальномерная РНС с четырьмя РНТ в зоне радиовидимости. Вычитая попарно уравнения (1.1) или (1.2), получаем:

Число таких уравнений будет на единицу меньше числа исходных дальномерных или псевдодальномерных уравнений. При использовании разностно-дальномерного метода за счет снижения размерности задач несколько упрощается вторичная обработка.

Вопрос №2. Методы навигации

Обзорно- сравнительные(визуальная ориентировка, сравнение телевизионных, радиолокационных и других изображений местности с соответствующими картами; корреляционно-экстремальная навигация по физическим полям Земли);

Позиционные, то есть методы линий (поверхностей) положения с использованием радиотехнических, астрономических и т. п. систем:

Методы счисления пути(доплеровское, инерциальное, воздушное счисление пути и их комбинация).

Обзорно-сравнительные методы(ОСН) основаны на определении структуры какого-либо физического поля, характерного для данной местности, и сравнения параметров этого поля с эталонными параметрами, введенными в запоминающие устройства (ЗУ) навигационных систем. Примером систем, реализующим ОСМ, являютсякорреляционно-экстремальные навигационные системы(КЭНС), использующие информацию о радиолокационном контрасте местности. Эту информацию формируют до полета и закладывают в виде эталонных радиолокационных карт в бортовое ЗУ. Сигнал с информацией о положении ЛА, формируется в результате приема отраженного местностью сигнала бортовой РЛС. Сравнение его параметров с указанными эталонными данными позволяет идентифицировать зондируемую местность и, таким образом, определить положение ЛА в навигационной системе координат на момент зондирования опорной местности бортовой РЛС.

ОСМ является перспективным в силу автономности, слабого влияния помех и отсутствия накапливающихся ошибок в определении местоположения объекта.

Позиционный метод основан на определении местоположения объекта навигации на предположении, что ОН находится в точке пресечения двух или более линий (поверхностей) положения.Линией(поверхностью)положенияназывается геометрическое место точек на поверхности (в пространстве), соответствующих какому-либо одному значению навигационного параметра. Координаты местоположения ЛА являются определенной функцией от навигационных параметров.

Достоинство позиционного метода состоит в том, что определение местоположения ЛА происходит без учета и даже без знания пройденного им ранее пути. Недостатком его являются дискретность в фиксации местоположения ЛА и возможность определения координат объекта только в зоне действия РНС, то есть не автономность метода.

Счислением путиназывается метод определения координат ЛА, основанный на вычислении пройденного пути относительно известного начального положения ЛА. Для осуществления счисления пути необходимо располагать данными о направлении движения ЛА, а также о его ускорении или скорости движения. При этом текущие координаты вычисляются двукратным интегрированием ускорения или однократным интегрированием скорости по времени. Например:

— значение счисляемой координаты ОН на момент времени t;

— значение счисляемой координаты ОН на момент времени ;

— измеряемая в процессе движения ОН составляющая его скорости по координате X.

Счисление пути для определения местоположения самолета используется в авиации с тех пор, как на борту появились измерители курса и скорости полета. Наибольшее распространение получили доплеровские и инерциальные измерители, обеспечивающие достаточно высокую точность навигации.

Недостатком метода счисления пути является рост (накопление) ошибок определения местоположения объекта во времени.

Вопрос №3 Классификация РНС

Радионавигационные системы классифицируются по следующим признакам:

способу определения местоположения объекта [позиционные (угломерные, дальномерные, разностно-дальномерные и комбинированные), использующие счи­сление пути интегрированием скорости и ускорения, основанные на обзорно-сравнительных методах местоопределения];

— виду несущего информацию и измеряемого систе­мой параметра радиосигнала (амплитудные, временные, частотные и фазовые);

— диапазону радиоволн [от декакилометровых, при­меняемых в сверхдлинноволновых системах, до оптических, используемых в лазерных системах местоопределения];

— дальности действия систем (космические, глобаль­ные, дальней и ближней навигации);

— месту расположения опорных станций (РНС) [систе­мы наземного и космического (с использованием ИСЗ в качестве РНС) базирования].

В свою очередь радионавигационные системы делятся на:

Автономные (которые не требуют получения информации о их нахождении или нахождении цели, поэтому такие системы могут применяться для полетов на любую дальность);

К автономным радионавигационным системам относятся:

допплеровские измерители скорости;

Неавтономные (которые ограничены по дальности действия, так как работают в паре с наземными устройствами).

Неавтономные системы делятся на:

системы ближней радионавигации (они предназначены для управлением полетом и посадкой самолетов на дальностях 50-300 км. В таких системах используются: радиокомпасы, радиомаяки и радиодальномеры.);

системы дальней радионавигации (они определяют местоположение самолетов и кораблей. Они работают на километровых волнах. Для целей дальней – до 2500 км, и сверхдальней – до 10 000 км.)

Источник

Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции

В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.

Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

ГЛОНАСС

Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.

Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.

Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.

Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.

Galileo

Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.

Compass

Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.

Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.

Поддержка ГНСС

Ключевые параметры навигационных приемников

Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.

Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.

Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.

Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.

Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.

Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.

Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.

В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.

Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.

Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.

В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.

Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.

Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета

Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США

Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.

Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.

Дополнительные функции навигационных устройств

Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).

Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).

На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.

Источник

Навигационные параметры (элементы)

Известно, что процесс навигации осуществляется поэтапно. Каждому этапу навигационного процесса соответствует свой режим навигации, т. е. выдерживание направления, скорости и высоты полета ЛА.

Режим навигации определяется совокупностью большого числа параметров, называемых навигационными элементами (навигационными параметрами), которые характеризуют положение и перемещение ЛА. Закон изменения навигационных элементов на заданном этапе (участке) полета называется навигационным режимом полета.

Классификация навигационных параметров (элементов)

В зависимости от физической сущности навигационные элементы (параметры) (НП) делятся на четыре группы.

К первой группе относятся НП, характеризующие положение и перемещение центра масс ЛА относительно различных систем отсчета: координаты ЛА, его линейная скорость и ускорение.

Место летательного аппарата определяется координатами, отсчитываемыми в определенной системе координат (геодезических, геоцентрических, ортодромических, декартовых, полярных). Например, широтой, долготой, высотой, линейными координатами или полярными координатами.

Ко второй группе относятся НП, определяющие перемещение ЛА относительно его центра масс. Например, угловые координаты объекта в горизонтальной системе координат (крен, тангаж, курс), угловые координаты ЛА относительно вектора скорости (углы атаки, скольжения, сноса и т.п.).

К третьей группе относятся НП, определяющие состояние окружающей среды. Например, параметры атмосферы (температура, давление, скорость ветра), параметры магнитного поля Земли и т.п.

К четвертой группе относятся НП, характеризующие положение и перемещение ЛА относительно других объектов (ориентиров, приводных радиостанций, радиомаяков, других воздушных и космических объектов и т.п.).

Рассмотрим основные навигационные элементы, которые широко используются в воздушной навигации.

Угловые навигационные элементы

Перемещение ЛА относительно своего центра масс характеризуется изменением положения осей ССК летательного аппарата относительно НСК. Положение осей ССК определяется углами, тангажа, крена и курса (рис.2).

В зависимости от направления, выбранного для начала отсчета, различают следующие разновидности определения курса (рис.7):

Рис.7. К определению курса летательного аппарата

истинный курс (ИК), отсчитывается от северного направления географического меридиана С_И, проходящего через центр масс ЛА;

магнитный курс (МК), отсчитывается от северного направления магнитного меридиана С_М, проходящего через центр масс ЛА;

компасный курс (КК), отсчитывается от северного направления С_К, указываемого самолетным магнитным компасом.

Разность между истинным и магнитным курсом, вызванная несовпадением географического и магнитного полюсов Земли, называется магнитным отклонением DМ. Знак «плюс» перед DМ берется в случае, если магнитный меридиан С_М отклоняется к востоку от С_И. С учетом изложенного,

Разность между магнитным и компасным курсом называется девиацией компаса DК и представляет собой инструментальную погрешность и погрешность в показаниях магнитного компаса, вызванную искажением магнитного поля Земли за счет влияния ферромагнитных материалов. Знак «плюс» перед DК берется в случае, если показания самолетного магнитного компаса С_К отклоняются к востоку от С_М. Таким образом,

МК = КК ± DК, ИК = КК ± DК ± DМ. (2)

Следовательно, МК и ИК могут быть определены с помощью магнитного компаса с учетом указанных поправок.

Кроме указанных разновидностей курса ЛА, в самолетовождении применяется еще так называемый ортодромический курс (ОК) y₀, отсчитываемый от северного направления, условного (опорного) меридиана С_ОМ, по направлению которого устанавливается нулевая точка шкалы отсчета курса (рис.8).

Если перенести направление С_ОМ в МП ЛА, то получим

В ряде случаев требуется определить угловое положение какой-либо радионавигационной точки (РНТ) относительно продольной оси ЛА (рис.9).

Рис. 8. Определение ортодромического курса летательного аппарата

Рис. 9. Определение углового положения РНТ и ЛА

Угол между проекцией продольной оси ЛА на горизонтальную плоскость и направлением на РНТ (0₁ на рис.9), расположенную на земной поверхности либо перемещающуюся в космическом пространстве по заданной траектории, называется курсовым углом радио ориентира (КУР).

Пеленгом или азимутом радиоориентира относительно ЛА называют угол в горизонтальной плоскости между северным направлением меридиана, проходящего через центр масс ЛА, и направлением на РНТ.

Различают истинный пеленг радиостанции (ИПР) и магнитный пеленг радиостанции (МПР), которые связаны зависимостью

ИПС = ИПР ±180 0 ± d, (5)

Аналогично определяется и магнитный пеленг самолета (МПС):

МПС = МПР ±180 0 ± d (6)

Значение поправки d берется из таблиц для заданной разности географических долгот места самолета и радиостанции в зависимости от типа картографической проекции или непосредственно с карты (на полях карты изображена схема магнитного склонения и схождения меридианов).

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 517 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник