Способы определения места с использованием ИСЗ
В современных спутниковых РНС возможны следующие методы определения места:
дальномерный – определяется наклонная дальность до спутника;
разностно-дальномерный – определяется разность расстояний до одного и того же спутника в различных точках его движения по орбите, что равносильно использованию гиперболической РНС с перемещающейся базой;
радиально-скоростной – определяется скорость сближения спутника с судном, что равносильно использованию гиперболической РНС с изменяющейся длиной базы;
угломерный – определяется угловая высота спутника.
Два первых способа нашли наиболее широкое применение в спутниковых РНС второго и первого поколений соответственно.
Д а л ь н о м е р н ы й м е т о д. При использовании этого метода определяется дальность до ИСЗ посредством измерения интервала времени прохождения радиоволны на трассе ИСЗ – потребитель. Временной интервал находится по величине фазового сдвига между двумя сигналами, генерируемыми как в аппаратуре ИСЗ, так и в судовом приёмоиндикаторе. Вполне очевидно, что для таких замеров необходима строгая синхронизация временных шкал приёмоиндикатора и спутника, а также их навигационных сигналов.
Измеренное таким образом время, по сути, только характеризует дальность, но вследствие влияния различного рода ошибок определяет другой параметр – псевдодальность, поэтому данный способ называют еще псевдодальномерным. Разница дальности и псевдодальности будет ясна из следующей зависимости:
|
|
|
| Ri = Rr + c(Dtp–Dtc) + cDta, | (60) |
где Ri–псевдодальность до ИСЗ;
Rr–дальность до ИСЗ;
c–скорость электромагнитной волны;
Dtp–рассогласование шкалы времени аппаратуры потребителя относительно шкалы времени системы;
Dtc–рассогласование бортовой шкалы времени ИСЗ относительно шкалы времени системы;
Dta–временные задержки, вызванные особенностью распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере.
При использовании в аппаратуре потребителя высокостабильного генератора, синхронизированного по сигналам ИСЗ, для целей определения координат объекта в пространстве достаточно выполнить измерения относительно трёх ИСЗ. При отсутствии синхронизации опорных генераторов измерения выполняются относительно четырёх ИСЗ. При этом трёхмерные координаты как точка пересечения трёх сфероидов и поправка временной шкалы потребителя определяются по решению системы четырёх уравнений (60). Для решения задач судоходства достаточно выполнить измерения относительно трех ИСЗ (двухмерная навигация).
Р а з н о с т н о - д а л ь н о м е р н ы й м е т о д. Использование данного метода основано на эффекте Доплера, суть которого заключается в том, что частота сигнала, излучённого спутником, отличается от частоты того же сигнала, принятого потребителем.
|
|
|
Пусть ИСЗ излучает колебания, фаза которых изменяется по закону:
| Fи=wиT, | (61) |
где wи–угловая частота излучаемых электромагнитных колебаний.
К потребителю эти колебания придут со сдвигом по фазе:
| Fп=wи(T–t), | (62) |
где t–время движения сигнала от ИСЗ до потребителя:
| t=D/c, | (63) |
где D–расстояние от ИСЗ до потребителя (рис. 18);
c–скорость электромагнитной волны.
Подставляя (63) в (62) будем иметь:
| Fп = wи(T–D/c) = wиT – wиD/c = Fи – wиD/c | (64) |
Продифференцируем зависимость (64) по времени:
| wп = wи – wиVr/c | (65) |
Из (65) получим:
| wд = wи – wп = wиVr/c, | (66) |
где wд–доплеровская частота;
wп–угловая частота принимаемых электромагнитных колебаний;
Vr–скорость сближения (удаления) ИСЗ с потребителем (радиальная скорость, рис. 18).
Таким образом, разница частот принятого и излученного сигнала (доплеровская частота) пропорциональна радиальной скорости ИСЗ и потребителя. На этом важном свойстве доплеровской частоты и основано использование данного метода измерения.
Преобразуем зависимость (66) к виду:
| Vr=с/wи wд | (67) |
Проинтегрируем (67) по времени в определенном интервале:
|
|
|
| t2 ó DD = c/wи ô wдdt õ t1 | (68) |
Как видно из уравнения (68) левая часть его (DD) представляет изменение расстояния между объектом и ИСЗ за интервал времени:
| T=t2–t1, | (69) |
т.е. интеграл доплеровской частоты пропорционален разности расстояний от потребителя до ИСЗ в двух его последовательных положениях. Делая интервал постоянным, и вычисляя каким–либо способом интеграл доплеровской частоты на смежных участках, можно получить ряд изолиний положения объекта (гипербол, рис. 18), точка пересечения которых, приведенная к одному моменту измерения, даст обсервованное место.
По указанным причинам данный способ также называется доплеровским интегральным методом.
РНС Транзит
Спутниковая РНС Транзит является низкоорбитальной доплеровской системой. Она разработана в США в начале 60–х годов и для целей гражданской навигации начала применяться в 1967 г. Необходимо отметить, что ряд существенных недостатков спутниковых РНС первого поколения (см. параграф РНС GPS) вынудил правительство США в январе 1997 г. принять решение о поэтапном закрытии данной системы.
|
|
|
Рабочая область системы ограничена зоной между 88° северной и южной широты. Система обеспечивает определение места неподвижного объекта со средней квадратической погрешностью до 200 м. Необходимо отметить, что такая величина ошибки допустима только при условии одновременного влияния всех вредных факторов. В реальных условиях расчет обсервованного места осуществляется с погрешностью в несколько десятков метров. При движении точность обсервации снижается, если скорость объекта указывается неверно (погрешность 0.2 мили на каждый узел неучтенной скорости). Продолжительность одного сеанса определения зависит от времени нахождения спутника в зоне видимости и составляет обычно 6–10 мин. Интервал между определениями (дискретность) обусловлен количеством ИСЗ на орбитах и их взаимным сдвигом по долготе. При равномерном распределении орбит по долготе обсервации возможны с частотой 30–90 мин.
В настоящее время на полярных орбитах высотой около 1000 км находится 5 спутников. Следует заметить, что орбиты не являются строго полярными, т.к. плоскости их отклонены от плоскости меридиана на несколько десятых долей градуса. Кроме того, плоскости орбит всех спутников, первоначально равномерно распределенные вокруг Земли, с течением времени разворачиваются относительно друг друга (скорость от 1 до 27° в год). Поэтому дискретность обсерваций колеблется по широте и в экваториальных районах она может составлять несколько часов.
Спутники излучают сигналы на частотах 150 и 400 МГц. Использование двух несущих частот позволяет исключить ионосферные погрешности измерений. Излучение ведется циклами длительностью 2 мин, 1 мин, 30 с или 24 с и включает в себя служебные, эфемеридные и навигационные сигналы.
Служебный сигнал содержит данные о номере спутника, гринвичское время, время последнего обновления данных и т.д. Эфемеридный сигнал состоит из траекторных данных и поправок к ним на некоторый период вперед. Навигационный сигнал используется для расчёта места судна доплеровским интегральным методом. При использовании данного метода в судовом приёмоиндикаторе за минимальное время определения (6 мин) можно получить от трёх (при двухминутном интервале интегрирования) до пятнадцати (при двадцати четырёх секундном интервале интегрирования) линий положения. Наличие большого количества избыточных измерений увеличивает надежность определений.
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 519; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!