Радионавигационные системы определения места судна. Изменяемые навигационные параметры, источники погрешностей, точность
Общие сведения
В настоящее время в морской навигации широко используются шесть основных типов РНС:
- фазовая РНС на длинных волнах ("Декка-Навигатор");
- фазовая РНС на сверхдлинных волнах ("Омега");
- импульсно-фазовые РНС (РСДН, «Лоран-С» и др.);
- низкоорбитальные спутниковые РНС («Цикада», СССР; «Транзит». США»);
- системы радиопеленговании (радиомаяки с радиопеленгаторами);
- секторные радиомаяки (ВРМ-5, «Консол», «Консолан»).
Последние два типа РНС относятся к амплитудным и позволяют измерять радионавигационный параметр (РНП) в виде азимутов (углов), остальные РНС — в виде разностей расстоянии до двух станций цепочки или нескольких последовательных положений спутника на орбите.
Точность определения места по РНС зависит главным образом от взаимного расположения судна и береговых станций цепочки (геометрический фактор) и ошибок в показаниях индикаторов (влияние условий распространения радиоволн, стабильности шкал времени).
Средняя квадратическая погрешность (СКП) sп линии положения (ЛП) судна, получаемая при измерении РНП с помощью указанных РНС,
,
где sр - СКП измеряемого радиотехнического параметра (разности фаз, времени, пределов угла молчания и др.) в единицах определяемой ЛП;
g - градиент ЛП, зависящий oт типа РНС.
Средняя квадратическая погрешность места судна по двум ЛП
,
где 
- СКП в определении ЛП:
Q—угол между ЛП;
k— коэффициент корреляции.
Значения sр и k для каждого типа РНС указаны ниже. Значения g зависят от типа РНС. Для угломерной РНСg= 1/r: дальномерной g= 1 ; гиперболической g==2sin(g/2). В последнем выражении g — базовый угол системы, т. е. угол, под которым с судна видна база; r - расстояние до радиомаяка.
Если sр1 = sр2 = sр, тогда
,
где 
- геометрический фактор РНС. Его значения для разностно-дальномерных систем в зависимости от значений базовых углов можно найти по рис. 4.4.
Фазовая РНС «Декка»
Принцип работы. Стандартная цепочка системы состоит из четырех передающих станций: ведущей и трех ведомых. Некоторые цепочки имеют только две ведомых (например, цепочка 6Е, обслуживающая Финский залив).
Каждая станция цепочки излучает незатухающие колебания на заданной частоте, являющейся гармоникой основной, базисной частоты 1 f. Ведущие станции цепочек излучают колебания на частоте 6-й гармоники— 6 f (диапазон 84—86 кГц), а ведомые—на частотах 5f (диапазон 70—72 кГц), 8f (диапазон 112— 115 кГц) и 9f (диапазон 126—129 кГц). Цепочки станций отличаются друг от друга значениями базисного колебания 1 f (14— 14,4 кГц), которые имеют 63 номинала. Эти частоты нумеруются от 0 до К) с добавлением буквенных обозначений А, В, С, I), Е, F (например, 7В, SC, 2A и т. д.).
Излучение станциями цепочки колебаний различных частот позволяет принимать эти колебания раздельно с помощью 4-канального приемника. РНС «Декка» относится к фазовым системам с частотной селекцией сигналов,
Измерение разности фаз между колебаниями ведущей и ведомой станций может производиться только на одной частоте (частоте сравнения). Для этого принятые и усиленные в приемниках колебания трансформируются по частотам в наименьшие общие кратные гармоник 6 f и 5 f; 6 f и 8 f; 6 f и 9 f; т.е. в частоты 30f, 24 f и 18f соответственно.
Измерение разностей фаз между колебаниями на этих частотах сравнения определяет гиперболические изолиния положения L, которые описываются в долях фазового цикла следующим выражением:
,
где lср = v/Mf – длина волны сравнения;
здесь v — скорость распространения радиоволн на трассе от станции до судна;
b — длина базы;
rвщ — расстояние от ведущей станции до судна;
rвм—расстояние от ведомой станции до судна.
Оцифровка гипербол L от каждой пары станций (ведущая — ведомая) рассчитывается по формуле (4.8) и целые значения их наносятся на навигационные морские карты. Для различения семейств изолиний L от различных пар станций их наносят на карты разным цветом: фиолетовым—гиперболы, создаваемые на частоте сравнения 30 f; красным—гиперболы, создаваемые на частоте сравнения 24 f, и зеленым—гиперболы, создаваемые на частоте сравнения 18 f.
Расстояние между соседними гиперболами одного семейства наз. фазовой дорожкой. Ширина дорожки
.
Наиболее узкими дорожки будут при g=180°, т. е. на базе, когда
.
Ширина фиолетовых дорожек на базе составляет около 350 м, красных 440 м и зеленых 590 м.
М дорожек каждого семейства (где М равно 30, 24 и 18) объединяются в зоны. Каждая зона обозначается латинской буквой от А до J, повторяясь после J, если зон больше десяти. К номерам гипербол зеленого цвета внутри зон искусственно добавляется число 30, поэтому их оцифровка лежит в пределах от 30 до 47. К номерам гипербол фиолетового цвета добавляется число 50 (оцифровка от 50 до 79). Номер каждой гиперболы L в пределах одной зоны сопровождается буквой этой зоны.
Например, оцифровка В-54 обозначает 4-ю гиперболу L в зоне В фиолетового семейства, F=40—10-ю гиперболу L в зоне F зеленого семейства, a D=23—23-ю гиперболу L в зоне D красного семейства. Число зон по каждому семейству гипербол равно na-j=l/m, где М равно 30, 24, 18.
Дальность действия зависит от условий распространения радиоволн и длин баз. Как правило, дальность действия ночью составляет 240 миль от ведущей станции. Днем это расстояние может достигать 400—500 миль.
Точность определения места. Случайные погрешности определяют следующим образом. При наличии на судне «Атласа зон точности определения места корабля с помощью РНС "Декка" погрешности места судна оцениваются по картам-схемам рабочих зон каждой цепочки РНС. Границы ожидаемых СКП места на картах-схемах нанесены в зависимости от освещенности ионосферы. Диаграммы градаций освещенности приводятся под картами-схемами и различаются между собой в зависимости от широты места установки цепочек РНС.
СКП места судна может определяться расчетным путем по формуле (4.6), в которую подставляются следующие значения;
— для расстояний до 100 миль от станций; k=0,4 (100-200 миль от станций); k=0,64 (200— 240 миль); k =0,72 (240 миль и далее).
Значения sy — СКП фазы колебаний сигналов в зависимости от времени суток и расстояния до береговых станций выбирают из графика (рис. 4.5). Значения базовых углов g1,2 снимают с карты для счислимого места судна.
При наличии навигационных карт, на которых береговые станции находятся за пределами рамки, значения s1 и s2 определяютсяизвыражения:
,
где А — безразмерный коэффициент (для красного А = 5, для зеленого А=3,6 и для фиолетового А=7,8), d 1,2 - снимаемая с карты ширина фазовых дорожек в счислимом месте, в метрах.
Гиперболические изолинии положения, создаваемые РНС, рассчитываются на среднюю фазовую скорость распространения радиоволн по различным трассам. Поэтому вблизи районов с резким изменением проводимости трассы могут возникать «местные», систематические погрешности в измерениях радионавигационного параметра.
Систематические погрешности определяются в основном при калибровке цепочек РНС. Возможны районы, где такие погрешности еще не определены.
Местные, постоянные поправки на условия распространения радиоволн к отсчетам РНП опубликованы в упомянутом выше отечественном Атласе и в изданиях фирмы «Декка».
Импульсно-фазовые РНС.
Принцип работы. Импульсно-фазовые РНС работают на частоте 100 кГц и излучают пакеты радиоимпульсов. Ведущие станции излучают по 9 импульсов в пакете, ведомые по 8. Импульсы в пакетах кодируются по фазе высокочастотного заполнения, что необходимо для автоматического поиска сигналов и устранения влияния многократных отражений предыдущих импульсов в пакете на последующие. Фазовый код для радиоимпульсов ведущих станций отличается от фазового кода ведомых станций, что обеспечивает при автопоиске опознавание сигналов ведущих станций и ведомых.
Ведомые станции, входящие в одну цепочку, различаются между собой по кодовому времени задержки излучения ими пакетов радиоимпульсов относительно момента излучения ведущей станцией.
Ведомые станции в цепочках РНС «Лоран-С» обозначаются буквами W, X, Y, Z; в РНС РСДН - буквами Б, В, Г, Д. Цепочки отличаются друг от друга периодами повторения пакетов радиоимпульсов.
Обозначение (номер) цепочек состоит из числа десятков микросекунд, определяющих точное значение периода повторения сигналов данной цепочки Тп/10. Например, число 7970 обозначает цепочку РНС "Лоран-С". Норвежского моря, которая излучает сигналы с периодом повторения, равным Тп = 79700 мкс.
Излучение сигналов ведущими станциями всех цепочек «Лоран-С» синхронизировано со всемирным координированным временем (UTC).
В настоящее время работает 19 цепочек РНС «Лоран-С» и две отечественные цепочки РНС РСДН (рис. 4.6).
Современные судовые приемоиндикаторы подразделяются на автоматические и полуавтоматические.
Автоматические обеспечивают автопоиск сигналов ведущей и ведомых станций и измерение разности времени между моментами прихода сигналов от станций с точностью до 0,3 мкс. Автоматические приемоиндикаторы содержат вычислители-преобразователи гиперболических координат в географические и индицируют на табло или дисплее непосредственно эти координаты.
Полуавтоматические приемоиндикаторы (отечественный КПИ-5Ф) обеспечивают работу по сигналам станций, уровень которых превышает уровень шумов, т. е. когда возможен визуальный поиск сигналов цепочки на экране ЭЛТ.
После нахождения сигналов и установки их вручную в соответствующие точки развертки ЭЛТ включается схема автослежения, которая автоматически измеряет радионавигационный параметр с точностью до 0,3 мкс.
Дальность действия по поверхностным сигналам при распространении их над морем составляет ночью до 500—700, днем до 1000-1200 миль. Использование только поверхностных сигналов для точных измерений—главная особенность импульсно-фазовой РНС.
Использование пространственных сигналов допустимо при плавании в открытом море. При этом дальность приема таких сигналов составляет до 2300 миль от береговых станций.
Точность определения места. По поверхностным сигналам СКП определения места находится по формуле (4.6). Значения геометрического фактора определяются из рис. 4.4 причем s = (0,1 : 0,3) мкс в зависимости от соотношения уровней сигнала и шума в точке приема, а
,
где v=300 м/мкс.
При расстоянии 300-500 миль от ведущей станции СКП места составляет от 60 до 200 м.
Вблизи районов с резким изменением проводимости трассы распространения радиосигналов (суша—море) возникают, как и в РНС «Декка», «местные» систематические погрешности в измерениях, Поэтому для морских районов западного и восточного побережья США изданы таблицы поправок AЫА (Additional Secondary Factor) за отклонение фазовой скорости распространения радиоволн от принятой. Максимальные поправки ASF для отсчетов радионавигационного параметра по поверхностным сигналам могут достигать до 4мкс.
При использовании пространственных сигналов в отсчеты необходимо вводить поправки типа SS или SG. Эти поправки публикуются в виде таблиц, предваряющих таблицы преобразования координат РНС, а также печатаются непосредственно на навигационных картах системы.
Точность определения места с использованием пространственных сигналов значительно ниже, чем при определениях по поверхностным. Поэтому данные, полученные при работе по отраженным сигналам, не рекомендуется использовать в прибрежном плавании.
Фазовая РНС «Омега»
Принцип работы. РНС «Омега» является фазовой, разностно-дальномерной системой с временной селекцией сигналов, обеспечивающей суда навигационной информацией в любой точке Мирового океана. Система работает в диапазоне очень низких частот 10—14 кГц. Береговые станции излучают сравнительно длительные посылки (~1 с) электромагнитных колебаний на частотах 10,2; 11,33; 13,6 и 11,05 кГц в заданном цикле.
Цикл временной диаграммы излучения сигналов РНС «Омега» составляет 10 с и начинается с излучения колебаний основной, навигационной частоты f1=10,2 кГц первой станцией, условно обозначенной буквой А. Начало цикла синхронизировано с сигналами UTC и приходится на ООс+10N, где N - натуральный ряд чисел.
Радионавигационное поле, перекрывающее земной шар, образуется 8 станциями. Начало посылок всех колебаний также жестко связано с всемирным временем UTC.
Семейство гиперболических изолиний рассчитывается на частоте f1=10,2 кГц, которая определяет ширину точных дорожек на базе, равной 15 км. Грубые дорожки для устранения многозначности образуются на разностных частотах F1=3,4 кГц (13,6—10,2 кГц) и F2= кГц (11,3—10,2 кГц), которые на базе равны 45 и 135 км соответственно.
Для определения места судовой приемоиндикатор должен быть засинхронизирован с циклом временной диаграммы передачи сигналов на частоте 10,2 кГц. По способу синхронизации приемоиндикаторы разделяются на автоматические и неавтоматические, в которых синхронизация осуществляется вручную с привязкой к сигналам точного времени.
После синхронизации выбирают любые пары станций, линии положения от которых пересекаются под наиболее выгодными углами. Одна из двух пар станций может быть общая. Отсчеты линий положения производятся в алфавитном порядке следования станций. Например, может быть образована пара А—Н, но не Н -А; В- Д, но не Д-В и т. д.
Прием сигналов от каждой из станций возможен на расстоянии до 6000 миль. Наилучший прием сигналов достигается от тех станций, которые находятся к западу от судна.
Точность определения места зависит от точности предвычисления поправок за суточные и сезонные изменения скорости распространения сверхдлинных радиоволн. Поправки необходимо вводить в каждый отсчет. Поэтому СКП определения места обычно составляет днем около 2 миль, ночью до 4 миль. В периоды повышения солнечной активности или аномальных явлений в ионосфере погрешность определении места увеличивается.
Средства радиопеленгования
Работа радиопеленгатора основана на свойстве рамки принимать радиосигналы, интенсивность которых зависит от направления прихода этих сигналов к плоскости рамки. Радиосигналы, приходящие с направлений, перпендикулярных плоскости рамки, рамкой не воспринимаются.
Точность пеленгования определяется в основном радиодевиацией—влиянием электромагнитных полей вторичного излучения от корпуса, такелажа и надстроек судна.
В диапазоне излучения сигналов морскими радиомаяками (255—525 кГц) основные составляющие радиодевиации f определяются и компенсируются при проведении радиодевиационных работ. Остаточные погрешности Df пеленгования, определяемые радиодевиацией, оформляются таблицей или кривой в функции от радиокурсового угла.
Ввиду наличия остаточных погрешностей радиодевиации СКП радиопеленгования в дневное время с помощью радиопеленгатора любого типа лежит в пределах 1—2°.
В диапазоне гектометровых радиоволн (2167—2197 кГц) величина радиодевиации может иметь значительные размахи, приводящие к невозможности их компенсирования и определения стороны пеленгования. При использовании отечественных радиопеленгаторов компенсация радиодевиации в этом поддиапазоне волн не предусматривается.
Как правило, в диапазоне гектометровых радиоволн считается возможным пеленгование с точностью ±5° на носовом курсовом угле, а также радиовождение по приводу на цель пеленгования.
Плавание судна на цель пеленгования производится, выдерживая РКУ=0, и осуществляется с высокой точностью даже при значительной радиодевиации. Однако при этом плавание судна будет происходить по логарифмической спирали и путь до объекта, излучающего радиосигналы, удлиняется. Если f<30°, то путь по спирали практически мало отличается от кратчайшего.
Точность привода судна к излучателю достигает нескольких десятков метров, что требует соблюдения соответствующих мер при сближении в условиях плохой видимости.
В ночное время с расстояний более 50 миль точность радиопеленгования снижается. За час до захода и в течение часа после восхода Солнца радиопеленгование на расстояниях свыше 20 миль от радиомаяков не рекомендуется. Если угол между направлением радиосигнала и береговой чертой составляет менее 20°, возможны погрешности за счет береговой рефракции радиоволн.
61. Спутниковые системы для определения места судна. Источники погрешностей, характеристика точности определения места.