Спутниковая навигация

Б. Г. Мордвинов «Катера и яхты» №2 (66) март-апрель 1977г.

 

Спутниковая навигация

 

Б. Г. Мордвинов —яхтенный капитан, канд. техн. наук, один аз авторов книги „Судовые комплексы спутниковой навигации" („Судостроение", 1976)

Повышение эффективности использования морского флота, оснащение его высокорентабельными специализированными судами с комплексной автомати­зацией управления — поставили новые задачи и в об­ласти навигационного обеспечения мореплавания. Наи­более перспективны и отвечают всем современным требованиям появившиеся за последние десять лет спутниковые навигационные системы (СНС).

Вопросы навигационного использования искусствен­ных спутников Земли приобрели практический смысл с запуском первого советского ИСЗ 4 октября 1957 г. Проведенные вскоре после этого исследования показали принципиальную возможность определения коор­динат судна — обсервации — по наблюдениям ИСЗ при помощи радиотехнических средств, получила развитие новая отрасль навигации как общей науки о судовож­дении— спутниковая навигация.

Теперь уже можно сказать, что использование ИСЗ открыло новую страницу в истории мореплавания. СНС сочетают в себе высокие эксплуатационные качества, недоступные для систем радионавигации (РНС) и тем более — традиционных астрономических методов нави­гации. СНС способны обеспечить глобальность действия, т. е. гарантируют удовлетворяющую современным требованиям точность обсервации при нахождении суд­на в любом районе Мирового океана, а не в опреде­ленной ограниченной его области, как существующие РНС. Так, РНС «Лоран-А» дает возможность навигаци­онных определений только в северной части океана (дальность действия 2500 миль), а РНС «Декка» (1200 миль) по существу является системой местного значе­ния. Точность обсервации по СНС практически одина­кова во всей рабочей зоне — на всей поверхности Земли и, по крайней мере, в несколько раз выше, чем при использовании РНС дальнего действия (тем более — традиционных астрономических определений, которые, кстати сказать, и в наши дни — в начале 70-х годов обеспечивают 30% всех обсерваций). Важно отметить исключительно высокую надежность СНС, поскольку возможность их использования практически не зависит ни от гидрометеоусловий, ни от времени суток, ни от времени года. Наконец, применение СНС позволяет полностью автоматизировать весь процесс получения, обработки и выдачи навигационной информации в су­довых условиях, в том числе и в условиях малого про­гулочного судна.

 

Рис. 1. Традиционные методы навигационной и астрономической обсервации.

а — по двум пеленгам П1 и П2; б — по пеленгу П и дальности Д; в — по крюйс-пеленгу (два пеленга П1 и П2 и пройденный за время t2— t1 между пеленгованием путь курсом ИК; г —по разновременным наблюдениям солнца (в моменты t1 и t2 замеряют высоты Zi и Z2); д — по одновременным наблюдениям двух и более светил.

Процесс навигационной обсервации по любому из традиционных методов (рис. 1) можно разделить на три этапа:

1)      измерение навигационных параметров (пеленгов, расстояний, углов и т. п.), связывающих судно с навигационным ориентиром (например, маяком или небесным светилом), определяющих их взаимное положение;

2)      определение местоположения самого навигационного ориентира (земных ориентиров—на картах; звезд, Солнца   и   планет — по   морскому   астрономическому ежегоднику);

3)      определение собственно координат судна графи­ческим или аналитическим методами.

Изолиния навигационного параметра на земной по­верхности называется линией положения; она представ­ляет собой геометрическое место точек, в каждой из которых величина данного параметра одинакова.

Измерение одного навигационного параметра дает основание считать, что наблюдатель в этот момент на­ходится в какой-то одной из множества точек соответ­ствующей линии положения. Точка же пересечения на земной поверхности двух линий положения — в случае измерения значений двух параметров — и будет явля­ться обсервованной точкой.

Рассмотрим случай определения места по двум пе­ленгам (см. рис. 1, а). Первый этап решения этой нави­гационной задачи включает измерение двух навигаци­онных параметров — горизонтальных углов, т. е. П1 и П2, и исправление измеренных значений поправкой компа­са. Второй этап сводится к отысканию на карте навига­ционных ориентиров (скажем, двух маяков), которые были использованы при взятии этих двух пеленгов. Тре­тий этап заключается в графическом построении на карте линий положения для обоих параметров Di и П2 и отыскании точки их пересечения. Такова же последо­вательность операций и при использовании любых дру­гих методов обсервации. Однако, методы обсерваций могут различаться по количеству используемых навига­ционных ориентиров и составу навигационных парамет­ров; измерения могут осуществляться как одновремен­но (см. рис. 1, а, б, д), так и в разное время (см. рис. 1, в, г); навигационные ориентиры могут быть непод­вижными (см. рис. 1, а—в) или перемещающимися за время между измерениями (см. рис. 1, г).

Рис. 2. Основные элементы спутниковой навигационной системы {на примере системы «Транзит»).

 

Рис. 3. Поверхности положения (сферы) и линии положения при двух измерениях дальности.

 

Рис. 4. Изменение доплеровского смещения частоты за время одного навигационного   сеанса.

 

Рис. 5. Изменение вида поверхности положения радиальной скорости (кондеа) за время одного навигационного сеанса.

Все сказанное полностью относится и к СНС, в ко­торых в качестве навигационных ориентиров использу­ются навигационные спутники — НИСЗ. В принципе, при­меняемые в СНС методы наиболее близки к традицион­ному способу астрономической обсервации по разно­временным наблюдениям одного и того же перемеща­ющегося небесного светила (см. рис. 1, г). Однако НИСЗ, в отличие от небесных светил, меняет свое поло­жение относительно наблюдателя очень быстро, проле­тая «видимую» часть горизонта за 10—16 мин (при высоте орбиты порядка 1000 км). Это не недостаток, как может показаться на первый взгляд, а важное достоин­ство: обеспечивается значительное изменение измеряемого навигационного параметра за короткое время одного прохождения, вполне достаточное для надежной обсервации. (При астрономической же обсервации по одному светилу, как известно, для получения надежного определения места необходимо, чтобы линии поло­жения пересекались под углом не менее 30°, а на та­кое перемещение светила требуется не менее 2—4 ч.)

В существующих СНС обсервация обычно произво­дится по наблюдениям одного быстро движущегося по околоземной орбите НИСЗ; при этом последовательно измеряется множество значений одного и того же на­вигационного параметра. Однако, по аналогии с тра­диционными методами обсервации с одновременным получением нескольких линий положения, можно пред­положить возможность использования СНС, в которых одновременно измеряются либо несколько разных навигационных параметров (например, дальность, ази­мут, угловая высота) с применением одного НИСЗ, либо несколько значений одного и того же навигационного параметра, но с применением нескольких НИСЗ. Оче­видно, что во всех случаях принципиального различия между традиционными методами обсервации и мето­дами спутниковой навигации нет.

Особенности реализации трех основных этапов об­сервации в СНС определяются видом используемых на­вигационных параметров, а также применяемыми мето­дами измерений и обработки информации. Из этих трех этапов в СНС лишь второй — определение координат НИСЗ в моменты измерений навигационных параметров — представляет новую для судовождения задачу. Прин­ципиальной основой для ее решения является законо­мерный характер движения НИСЗ вокруг Земли, в связи с чем координаты его на любой момент времени могут прогнозироваться с заданной точностью. Однако орбита НИСЗ нестабильна из-за тормозящего влияния атмос­феры (хотя она и разрежена), неравномерности распре­деления массы Земли, притяжения Луны, Солнца и т. д. Вследствие этого прогнозирование координат НИСЗ производится лишь на короткое время (порядка суток), а элементы орбиты непрерывно уточняются путем систе­матических наблюдений за НИСЗ.

Наблюдение за движением спутника с целью траекторных измерений и радиоконтроля за работой бортовых систем выполняется наземными станциями слеже­ния (СС), расположенными в полосе движения НИСЗ (рис. 2). Полученные данные передаются в координа­ционно-вычислительный центр (КВЦ), где производится прогнозирование движения НИСЗ с последующей пере­дачей предвычисленных его координат (эфемерид) че­рез станции ввода (СВ) на спутник. На борту НИСЗ имеются приемо-передающая аппаратура и блок па­мяти, в который поступает принятая от СВ в виде коди­рованных радиосигналов информация.

Периодически эти денные передаются с НИСЗ пот­ребителям— на судовые приемоиндикаторы; они вводятся в ЦВМ и по ним автоматически вычисляются эфемериды спутника — координаты навигационного ориентира — уже конкретно на моменты измерений на­вигационных параметров.

Имеющаяся на судне специальная радионавигацион­ная аппаратура позволяет решать задачу первого этапа (определяет соответствующие навигационные парамет­ры), а вычислительное устройство — задачу третьего этапа (по заданной программе обрабатывает как при­нятую с НИСЗ эфемеридную информацию, так и изме­рения параметров, выдает обсервованные координаты).

В зависимости от того, какие параметры положения НИСЗ измеряются, различают, например, дальномерный, угломерно-дальномерный, разностно-дальномерный, радиально-скоростной и другие методы определе­ния   места   судна   в   СНС.

Каждое измеренное значение навигационного пара­метра образует в пространстве некоторую поверхность, которую называют поверхностью положения данного параметра. Например, можно считать, что все наблюда­тели, измерившие одновременно одинаковое значение дальности Д до одного и того же навигационного ори­ентира — НИСЗ, находятся в этот момент на поверхно­сти сферы радиуса Д с центром в НИСЗ. Ясно, что различным значениям одного и того же параметра соответствует семейство поверхностей положения оди­накового вида (например, для дальностей — семейство концентрических сфер).

Условию одновременного нахождения наблюдателя на поверхности положения измеренного навигационного параметра и на поверхности Земли соответствует гео­метрическое место точек, называемое, как мы уже знаем, изолинией данного параметра. Положение суд­на на поверхности Земли однозначно определяется как координаты точки пересечения двух поверхностей поло­жения, соответствующих измеряемым навигационным параметрам, с поверхностью Земли или, другими сло­вами, как координаты точки пересечения двух изолиний данного параметра.

Для получения двух пересекающихся изолиний при использовании одного НИСЗ, как реализовано в сущест­вующих СНС, достаточно либо одновременно измерить два разных навигационных параметра, либо в разное время измерить два значения одного навигационного параметра (случай, подобный обсервации по крюйс-пеленгу).

Так, при использовании дальномерного метода в ка­честве навигационного параметра используются дально­сти, измеряемые существующими радиотехническими средствами с точностью до единиц метров. Необходимо в разные моменты времени произвести измерения не менее двух расстояний между судном и НИСЗ (рис. 3). Измеренным в моменты t1 и t2 дальностям соответст­вуют две сферические поверхности положения, центры которых совпадают с координатами положения НИСЗ в эти моменты. При этом место судна определяется как точка пересечения двух полученных сферических поверхностей положения с третьей — поверхностью Земли. Неоднозначность обсервации, т. е. наличие двух с геометрической точки зрения равноценных точек К и К1 — следствие не прямолинейности линий положения. Для исключения этой неоднозначности практически необхо­димо привлекать какую-то дополнительную информацию о положении судна (например, использовать исчисляимые координаты).

Наиболее широкое применение получил разностно-дальномерный метод, основанный на измерении ско­рости сближения НИСЗ и наблюдателя с использова­нием эффекта Допплера и поэтому нередко называе­мый также допплеровским.

Эффект Допплера заключается в том, что при взаи­мном перемещении источника и приемника излучения частота принимаемых колебаний f отличается от час­тоты излучаемых колебаний f_0r, причем разность частот  (допплеровское смещение частоты) пропорциональна относительной скорости перемещения:

r(t) где  — текущее значение расстояния между прием­ником и передатчиком;  — длина рабочей волны.

При приближении приемника к источнику колебаний за единицу времени будет приниматься большее, а при удалении — меньшее число волн, чем на неподвижном приемнике. В первом случае f>f₀, а во втором f<f₀.

Следствием эффекта Допплера будет то, что непод­вижный наблюдатель на Земле принимает с движуще­гося НИСЗ колебания частоты f, отличающейся от излу­чаемой частоты f₀. Судовой приемник фиксирует доп­плеровское смещение частоты  путем выделения частоты биений между частотой принятого сигнала и опорной частотой судового генератора эталонных коле­баний. Во время движения НИСЗ допплеровское сме­щение частоты непрерывно изменяется (рис. 4) от поло­жительного значения к отрицательному, принимая ну­левое значение в момент наибольшего приближения к наблюдателю.

Периодические измерения допплеровского смеще­ния частоты позволяют определить скорость изменения дальности, или радиальную скорость

Поверхность положения для каждой измеренной радиальной скорости представляет собой конус, вер­шина которого совпадает с положением НИСЗ в мо­мент измерения, ось — с вектором его скорости, а об­разующая— с линией, соединяющей точку местополо­жения наблюдателя и НИСЗ (рис. 5). По мере прибли­жения НИСЗ к наблюдателю радиальная скорость, оста­ваясь отрицательной, убывает по значению, угол 0 при вершине конуса увеличивается, конус «разворачи­вается». В момент максимального приближения НИСЗ к наблюдателю  = 0, а 0 = 90°, т. е. конус вырожда­ется в плоскость. Затем радиальная скорость становится положительной, а 0 > 90°, конус «выворачивается на­изнанку».

Поскольку наблюдатель находится на поверхности Земли, его место надо искать на кривой, по которой поверхность этого конуса пересекается с поверхностью Земли (в пределах зоны видимости). Эту кривую (изо­линию) называют изодопой, поскольку она характери­зуется постоянством допплеровского смещения частоты ( const) и соответственно—постоянством радиаль­ной скорости сближения с НИСЗ.

Перемещение спутника приводит к перемещению зоны видимости и соответствующих ей изодоп (рис. 6). Для определения места требуется иметь по крайней мере две изодопы, из которых вторая (ЛП2) может быть получена через несколько минут после первой [ЛП1). При этом задача приведения результатов измерений навигационного параметра к одному моменту времени (например, к моменту последнего измерения, подобно приведению к одному зениту — в мореходной астроно­мии, либо крюйс-пеленгу) решается традиционным в судовождении методом: параллельным переносом пер­вой пинии положения ЛП| на величину пути, пройден­ного судном за время между измерениями t1 и t2. В результате координаты судна на момент t2 определятся точкой пересечения смещенной — строго параллельно — изодопы ЛП1 и изодопы ЛП2. Неоднозначность решения разрешается при помощи счисления.

Положение точки пересечения нескольких изодоп, построенных в принятой системе координат для не­скольких положений НИСЗ, является обсервованным мес­тоположением судна. Поскольку пространственные кри­вые, соответствующие изодопам, точно описываются определенным математическим уравнением, можно свести задачу к решению системы уравнений. Таким образом практически остается запрограммировать ре­шение функциональной зависимости между известным положением навигационного ориентира — НИСЗ, изме­ренными навигационными параметрами (скорость изме­нения дальности, дальность) и координатами судна с учетом дополнительно вводимых данных о его пере­мещении. Судовое вычислительное устройство автома­тически выполняет расчеты и выдает информацию на световое табло или телетайп.

В качестве примера рассмотрим американскую СНС «Транзит», являющуюся глобальной всепогодной систе­мой определения места судна по измерениям доппле­ровского сдвига частоты на одном прохождении НИСЗ в зоне радиовидимости потребителя.

Система состоит из нескольких НИСЗ, наземной систе­мы обеспечения и судовой аппаратуры. В настоящее вре­мя на околоземных орбитах находится шесть спутников системы, запущенных в период с 1967 по 1973 г. с полигона ракетной базы Ванденберг. Каждый из НИСЗ выведен на круговую полярную орбиту высотой поряд­ка 1000 км. Сам спутник представляет собой1 восьми­угольную призму весом 56 кг, имеющую 45 см в по­перечнике и 30 см в высоту. На четырех его гранях расположены панели солнечных элементов, которые раскрываются после отделения последней четвертой ступени ракеты-носителя «Скаут». В верхней его части выдвигается 30-метровая штанга с грузом на конце для гравитационной стабилизации.

Наземный комплекс системы состоит из четырех станций слежения, станций ввода (закладки) информа­ции на НИСЗ, вычислительного центра (ВЦ) и морской обсерватории, расположенных на территории США и связанных между собой высокоскоростными линиями связи. На ВЦ поступают информация, принятая СС от спутников, и сигналы времени от обсерватории, перио­дически производится вычисление орбиты для каждого НИСЗ и прогнозирование его положения на каждую четную минуту на ближайшие 16 ч. (Можно отметить, что выполняющая более 500 000 операций в секунду ЦВМ затрачивает на эти расчеты около 2,5 ч).

СВ хранит поступающие из ВЦ данные до момента появления спутника в зоне радиовидимости, а после устойчивого захвата его сигнала за несколько секунд производит считывание всех данных из запоминающего устройства (ЗУ) и передачу их на спутник. На НИСЗ эта информация записывается в ЗУ, после чего непрерывно в течение 16 ч передается потребителям с уточнением параметров орбиты каждые 2 мин.

Рис. 6. Определение места движущегося судна — поверхности и линии положения (изодопы) при обсервации по измерениям допплеровского смещения частоты.

Рис. 7. Установка «МХ-1102» фирмы «.Магнавокс».

Информация выдается в виде светящихся цифр и буквенных сокращений. Одновременно иа экране (в левой верхней части прибора) можно считывать текущие значения: время с момента прохождения предыдущего и до появления следующего НИСЗ; долгота и широта местоположения судна; гринвичское время; курс, дрейф и скорость; пройденный путь и расстояние до пункта назначения; сведения об ортодромическом и локсодромическом курсе.

Предусматривается автоматическая самопроверка каждые 2 ч; в случае неисправности система сигнализирует о необходимости замены отказавшего модуля.

Принятые с НИСЗ параметры орбиты, сигналы точ­ного времени и сигналы непрерывного излучения ве­дущей частоты через антенно-фидерное устройство поступают в приемное устройство, где происходит пред­варительная обработка данных и их ввод в вычисли­тельное устройство. При этом для выделения допплеровских сигналов с генератора опорной частоты в при­емник подаются колебания стандартной частоты высокой стабильности. ВУ по заданной программе определяет навигационные параметры положения НИСЗ в моменты измерений и рассчитывает координаты места судна в море. Полученные результаты выводятся на пульт ото­бражения и регистрации навигационной информации. Обслуживание судовой аппаратуры не требует специаль­ной подготовки оператора.

СНС «Транзит» обеспечивает определение места суд­на каждые 40—70 мин (при очередном прохождении НИСЗ) с точностью от 100 до 300 м в зависимости от модификации аппаратуры. В промежутках между обсер­вациями та же аппаратура и так же автоматически не­прерывно выдает текущие координаты, решая задачу счисления пути судна по вводимым данным указателей курса  и  скорости.

Судовая аппаратура СНС «Транзит» выпускается ря­дом фирм в США, Канаде, Англии, Франции, Японии и Норвегии. Большой интерес с точки зрения использова­ния на малых судах представляет модель «МХ-1102» (рис. 7) фирмы «Магнавокс» (США), демонстрировав­шаяся в октябре 1976 г. на международной выставке «Судоавтоматика-76» в Ленинграде. Вес установки (га­бариты 43 X 42 Х35 см) вместе с антенной составляет 38 кг, предельная ошибка указания координат 300 м (номинальная точность—0,1 мили). Потребляемая мощ­ность—150 Вт. Стоимость этой модели на внешнем рынке 30 тыс.  долл.

Для использования на малых судах в США выпус­кается и упрощенный вариант аппаратуры—«Транзит» (габариты 42X42X14 см; вес 15 кг).

Вопрос о том, выгодно ли использовать СНС при сравнительно высокой стоимости аппаратуры, уже не ставится. Подсчитано, например, что применение СНС позволяет только за счет повышения точности судовож­дения экономить более 0,5% времени нахождения в плавании. При современной эффективности использова­ния транспортного флота, когда судно находится в море в среднем 215 суток в году, это равносильно экономии стоимости суточной эксплуатации судна с грузом. Ины­ми словами, уже этого достаточно, чтобы судовая аппа­ратура окупалась за первый год работы. Началось ин­тенсивное оборудование судов аппаратурой СНС: к ис­ходу 1976 г. она была установлена уже более чем на 1500 судах мирового флота, в том числе на ряде боль­ших   крейсерских   яхт.

Возможность передачи через спутники различной информации делает реальным создание системы цент­рализованного управления действиями флота, а также системы поиска и спасения аварийных судов в море.

У нас в стране — в Министерстве морского флота СССР—образовано Всесоюзное объединение «Морсвязьспутник», на которое возложено обеспечение тех­нической эксплуатации спутников как для связи с судами в море, так  и для навигации.