Спутниковые навигационные системы доплеровского типа

Общие сведения. В настоящее время экс­плуатируются две спутниковые навигационные системы (СНС) доплеровского типа — «Цика­да» (СССР) и «Транзит» (США). Обе системы обеспечивают определение координат места судна в любое время суток и при любых ме­теоусловиях. Зона действия системы «Цика­да»—без ограничений; системы «Транзит»— в диапазоне широт ±88°. Каждая из систем включает три основные части: командно-изме­рительный комплекс, искусственные спутники Земли (ИСЗ), аппаратуру потребителей.

 

 

Командно-измерительный комплекс состоит из ряда наземных станций слежения, станций передачи команд на борт ИСЗ и вычислитель­ного центра (рис. 4.8).

В системе «Цикада» используются ИСЗ серии «Космос-1000» на орбитах, близких к круговым, с высотой около 1090—1100 км над уровнем Земли и периодом обращения поряд­ка 108 мин; угол наклонения орбит относитель­но плоскости экватора составляет 83°. При та­ком выборе параметров орбит ИСЗ обеспечи­вается глобальность работы системы.

Параметры орбит спутников системы «Транзит» следующие: высота — 1075 км, период обращения — 107 мин, наклонение орби­ты — практически 90°, эксцентриситет — в пре­делах 0,003—0,02. Количество одновременно работающих спутников в системе — до шести.

Спутники обеих систем некорректируемы, поэтому в силу различных возмущений наблю­даются смещения орбит по отношению к на­чальным значениям.

В силу различного характера структуры сигналов и вида модуляции, а также разноса по частоте взаимное влияние сигналов спутни­ков системы «Цикада» и «Транзит» исключено. Однако в рамках каждой системы проявляет­ся взаимное влияние сигналов спутников, что сказывается на качестве обсерваций, выпол­ненных с помощью судовой аппаратуры.

Когда ИСЗ системы приближаются один к другому на расстояния, при которых разделение сигналов по частоте в судовых приемоиндикаторах затруднено, по командам с на­земных станций производится выключение ап­паратуры одного из спутников. Даты включения, причины и дата планируемого последующего включения спутников объявляются в на­вигационных предупреждениях,

Для каждой из систем средний интервал между обсервациями при пяти ИСЗ составляет от 40 до 110 мин в зависимости от широты места. На рис. 4.9 приведен график, отражаю­щий зависимость среднего интервала между обсервациями от широты места для случаев четырех, пяти или шести спутников в системе.

Передача навигационной информации с ИСЗ проводится на двух частотных каналах 400 МГц и 150 МГц, режим передачи - непре­рывный. Частоты передаваемых сигналов характеризуются высокой степенью стабильности В состав передаваемых данных, используемых для целей навигации, входят параметры, ха­рактеризующие пространственное положение ИСЗ на фиксированные моменты времени. идентификационный номер спутника, временные метки и сигналы синхронизации. Система «Цикада» работает по шкале зимнего москов­ского времени, система «Транзит» — по шкале времени UTC.

Метод определения места. В обеих системах используется так называемый интегральный доплеровский метод, который в геометрическом смысле эквивалентен разностно-дальномерному методу. Для определения обсервованных координат используются: орбитальные параметры спутника; измеренные навигационные параметры; счислимые координаты, текущие значения курса и скорости судна.

Орбитальные параметры, получаемые по сигналам спутников, позволяют определить точное положение ИЗС в пространстве на фиксированные моменты времени.

В качестве навигационных параметров ис­пользуются отсчеты измеренных доплеровских сдвигов частоты, вызванных взаимным пере­мещением судна и спутника во время навига­ционного сигнала. В судовом приемоиндикаторе значение доплеровского сдвига частоты оп­ределяется относительно частоты опорного ге­нератора.

Зависимость доплеровской частоты от из­менения расстояния «судно — ИСЗ» позволяет определить разность расстояний между судном и рядом последовательных положений ИСЗ на фиксированные моменты времени. Каждой разности расстояний в пространстве соответст­вует поверхность положения — гиперболоид вращения, который при пересечении с поверх­ностью Земли образует навигационную изоли­нию типа гиперболы. Таким образом, систему доплеровского типа с интегральным методом определения координат места можно рассмат­ривать как гиперболическую систему. В каче­стве базы такой системы может рассматривать­ся расстояние пролета спутника на интервале измерения навигационных параметров. Для современных типов судовых приемоиндикаторов интервал измерения составляет 4,6; 24; 30;

60 или 120 с, длительность сеанса составляет от 8 до 16 мин.

Счислимые координаты места судна выра­батываются по данным курса и скорости суд­на, которые автоматически поступают от гиро­компаса и лага. Начальные значения счислимых координат и время вводятся в судовую аппаратуру вручную.

Результаты обсерваций во всех типах су­довых приемоиндикаторов выдаются в форме географических координат. В приемоиндикаторах системы «Цикада» результаты выдаются в системе координат 1942 г. В приемоиндикаторах системы «Транзит» в качестве опорного принят эллипсоид WSG-72. При анализе обсер­ваций эти обстоятельства необходимо прини­мать во внимание и при работе с картами учитывать их геодезическую основу, критиче­ски оценивая полученные результаты, в осо­бенности в прибрежных районах плавания.

Точность определения мести по сигналам СНС доплеровского типа характеризуется:

точностными характеристиками системы в целом (СКП составляет около 20 м);

точностными характеристиками приемоиндикаторов, степень совершенства которых в настоящее время определяется уровнем мате­матического обеспечения аппаратуры;

влиянием эффектов распространения ра­диоволн в ионосфере и тропосфере (на стоянке СКП для двухканального приемоиндикатора составляет 40—60 м, для одноканального — 100 120 м);

погрешностью в учете курса и скорости судна во время навигационного сеанса. Погрешность в скорости в 1 уз вызывает допол­нительную погрешность в координатах 0,2-0,25 мили; неточность учета курса - 0,05 мили;

погрешностью в учёте высоты антенны приёмоиндикатора над уровнем геоида, которая трансформируется в погрешность места с коэффициентом 1—3, что свидетельствует о важности учета этого параметра;

погрешностью, связанной с геометрическим фактором.

Вклад каждой из перечисленных погреш­ностей в значительной степени зависит от вза­имного положения ИСЗ и судна. Минимальный вклад наблюдается в случае, если угол возвы­шения ИСЗ составляет 20—40, максималь­ный — при углах возвышения более 75°.

В большинстве моделей приемоиндикато­ров объявленные в документации точности вы­держиваются при углах возвышения 7—70°, и именно в этих случаях результаты обсерва­ций принимаются к автоматической коррек­ции счислимых координат. Обсервации при уг­лах возвышения за пределами 7—70° могут приниматься к принудительной коррекции только после оценки результатов штурманом.

При анализе обсерваций следует иметь в виду, что при углах возвышения ИСЗ более 75° значение широты места определяется до­статочно точно—в пределах нескольких ка­бельтовых, а погрешность долготы может до­стигать нескольких миль.

Точность определения времени по сигна­лам СНС «Цикада» и «Транзит»: во всех из­вестных судовых приемоиндикаторах СНГ. «Транзит» погрешность индикации составляет ± 1 с, в приемоиндикаторах СНС «Цикада» ±0,5 с.

 

Приемоиндикаторы СНС «Цикада» и «Транзит»

Приемоиндикатор «Шхуна» предназначен для определения обсервованных координат по данным СНС «Цикада». В промежутках между обсервациями и во время навигационного се­анса обеспечивается счисление пути по дан­ным курса и скорости с учетом параметров течения.

В приемоиндикаторе «Шхуна» обеспечена полная автоматизация процесса определения места судна, начиная с поиска сигнала и заканчивая получением обсервованных коорди­нат. При получении достоверных обсерваций производится коррекция счислимых координат. Во время навигационного сеанса обеспечивает­ся индикация московского зимнего поясного времени с дискретностью 1 с. Результаты вы­даются на дисплей и печатающее устройство. По данным двух последних обсерваций, если интервал между ними превышает 1 ч, выраба­тываются параметры суммарного сноса—ско­рость и направление.

Применение приемоиндикатора «Шхуна» не имеет ограничении по районам плавания, времени суток или метеоусловиям. Аппаратура предусматривает непрерывный режим работы.

Основные технико-эксплуатационные ха­рактеристики приемоиндикатора «Шхуна» при­ведены ниже:

Количество частотных ка­налов 2 (400 МГц,150 МГц)

СКП определения коорди­нат при точном учете скоро­сти и курса 0,05 мили

Дополнительная погреш­ность определения коорди­нат за счет ошибки в учете скорости в 1 уз 0,2 мили

Диапазон рабочих углов возвышения ИСЗ 15—75°

Время прогрева опорного генератора 3 ч

Типы гирокомпасов, с ко­торыми обеспечено сопря­жение «Курс-4»,«Курс-5»,

«Вега», «Амур»

Типы лагов, с которыми обеспечено сопряжение ИЭЛ-2, ИЭЛ-2М «Онега», МГЛ-25, ЛГ-2

Потребляемая мощность 300 Вт

Аппаратура «Шхуна» некритична к точно­сти ввода начальных значений широты и дол­готы места судна. Допустимые погрешности ввода составляют по каждому из параметров 1°. Однако, для получения точных счисли­мых координат на интервале до первой обсер­вации эти данные целесообразно вводить с по­грешностью не более 1 кб. Время рекоменду­ется вводить с точностью порядка нескольких секунд. Погрешность ввода высоты антенны над эллипсоидом не должна превышать 5 м. Этот параметр складывается из двух значе­ний—высоты антенны над уровнем моря и уровня моря в данной точке над эллипсоидом, определяемым по специальной таблице.

После выполнения подготовительных опе­раций аппаратура переключается в рабочий режим.

В приемоиндикаторе «Шхуна» реализова­на достаточно строгая отбраковка навигацион­ных сеансов. Сеанс считается качественным, и его результаты используются для автоматиче­ской коррекции, если угол возвышения нахо­дится в пределах 15—75°, выдерживаются ус­ловия симметричности сеанса, принятый массив орбитальных данных и выполненные измере­ния навигационных параметров удовлетворяют заданным критериям достоверности. Этим до­стигается высокая степень достоверности об­сервованных координат, хотя заметно снижает­ся число обсерваций по отношению к общему количеству прохождений ИСЗ.

Основное назначение приемоиндикаторов — определение обсервованных координат места судна по сигналам ИСЗ системы «Транзит». В промежутках между обсервациями и во время навигационного сеанса обеспечивается счисление пути судна по данным курса и ско­рости судна с учетом параметров суммарного сноса. На отечественных судах, как правило, используются одноканальные приемоиндикаторы FSN-70 (Япония).