Предмет и задачи космической навигации (КН)



Скачать 31.32 Mb.
страница1/241
Дата14.06.2018
Размер31.32 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   241
ВВЕДЕНИЕ.

Предмет и задачи космической навигации (КН). Исторический очерк. Роль и значение КН в решении основных геодезических задач. Понятие о методах КН и их реализации. Принципы построения КНС. Определение координат навигационных ориентиров. Методы и алгоритмы решения навигационной задачи.



Предмет и задачи космической навигации (КН).

Navigation – мореплавание, судоходство (лат.). В России термин появился в начале XVIII века.

Навигация – наука о выборе пути, определении места и перемещения судна на море с учетом стоящих перед ним задач и с учетом внешней среды. Выделяют наземную навигацию(путешественники, туристы, спортсмены, автомобилисты, геодезисты), морскую, воздушную и космическую.

Основная задача навигации состоит в оптимальном управлении движением судна с целью привести его в нужное место к установленному сроку с соблюдением безопасности движения (плавания, полета).

В 1519 г. Магеллан отправился в свое кругосветное путешествие, имея при себе: «морские карты, земной глобус, деревянный и металлический теодолиты, деревянный и деревянно-бронзовый квадранты, компасы, магнитные иглы (ориентир-буссоль?), часовые стекла, «часы» и лаг, волочащийся за кормой». С этими инструментами и величайшим личным искусством он смог оценивать скорость корабля, направление и широту, но не долготу. Прошло почти 250 лет, прежде чем моряки научились определять долготу на море. А теперь, почти 200 лет еще спустя после этого обычная точность определения положения, скорости и времени мы может это делать моментально, непрерывно, с малыми затратами (дешево), без особых усилий, благодаря GPS и ГЛОНАСС.

Система GPS представляет осуществление нескольких технологий, которые созрели и объединились во второй половине 20 столетия. В частности, стабильные пространственные платформы, сверхстабильные атомные стандарты частоты, использование сигналов в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения, микроэлектроника – это ключевые разработки, обеспечившие реализацию и успех спутниковых технологий. Эти технологии используют для позиционирования древнюю идею: трилатерацию или определение положения по измерениям расстояний от известных точек.


Краткая история навигации
Три области науки и техники являются сердцем систем позиционирования и навигации:

- геодезия, которая изучает размеры и форму Земли,

- хранение времени (или орология, искусство и наука об измерении времени),

- астрономия (а в 20 столетии и космонавтика, наука и технология космических полетов).

Чтобы грамотно вести навигацию от точки А к точке В, важно знать положение каждой из них в некоторой форме, идеально представляемой на карте. Для достижения этой цели люди потратили почти две тысячи лет – годы торговли и колонизации в 16 и 17 столетиях, горячие и холодные войны 20 столетия. Сейчас мы можем указывать положение точки на Земле с миллиметровым уровнем точности. Это заняло много поступательных шагов и гигантских скачков в развитии астрономии, математики, хранении времени, чтобы достичь этой точки.

Для определения времени и положения на Земле древние навигаторы и картографы полагались на наблюдения небесных явлений. Это соотношение обеспечивало движущую силу для изучения основных законов, которые управляют движением звезд и планет. Интересно также заметить, что навигация обеспечила также развитие точных часов в 17 и 18 столетиях. Их роль в развитии навигации была чрезвычайной и она повернула технологии хранения времени, стараясь отвечать технологиям индустрии телекоммуникаций, что привело к созданию нового класса радионавигационных систем, вершиной которых стали GPS и ГЛОНАСС.

Чтобы однозначно указать положение точки, необходима опорная система или координатный каркас. Эта идея не нова. Две тысячи лет назад Греки знали, что Земля имеет форму шара. У них видимо была хорошая идея об ее размерах, и они понимали концепцию представления положения в градусах к северу и к югу от экватора и к востоку или к западу от некоторого выбранного меридиана.

Колумб, подобно многим морякам, знал о широте, но не знал, как ее правильно определять. Измерение долготы, конечно, было несбыточной мечтой. Каким же образом они могли управлять судами в океане и возвращаться в их родной порт? Ответ заключается в том, что моряки знали dead reckoning (счисление) и кораблевождение. Древние моряки плавали, используя простую идею о том, что положение можно оценить относительно точки назначения, поддерживая направление движения и пройденное расстояние по каждой (широтной и долготной) составляющих пути. Способ Dead reckoning требует измерения направления, скорости и времени. Магнитный компас, изобретенный в 12 веке в Китае, обеспечивает направление. Расстояние оценивается по скорости корабля и времени. Способ Dead reckoning является простым упражнением на сложение векторов. Возникает, однако, проблема в расчетах на плоской поверхности (2D) и на сферической поверхности, поскольку движение с востока на запад невозможно повторить на различных широтах из-за эффекта сближения меридианов.

Возникла также проблема в отображении поверхности Земли на плоской поверхности (карте). Нет совершенного решения, как нет способа воспроизводить особенности неровной поверхности на плоской поверхности. В 1569 г. голландский картограф разработал проекцию для отображения сферической Земли на цилиндрической поверхности. В этой проекции расстояния между меридианами по долготе и параллелями по широте остаются в одной и той же пропорции при перемещении от экватора к полюсу. В результате особенности местности сохраняют свою форму, но размеры нарушаются. Важное свойство этой проекции состоит в том, что линии с постоянным азимутом изображаются прямыми. Это преимущество дает навигаторам простой прибор для нанесения курса судна.
Время и долгота
Разность долгот между двумя точками непосредственно связана с разностью их местных времен. Земля поворачивается вокруг своей оси на 360º за 24 часа или на 15º за час. Поэтому разность долгот двух точек можно определить, если известна разность в их местных временах. Разность в один час в их местных временах можно перевести в разность долгот в 15º. Местное время можно измерить, используя Землю как часы: солнечные часы днем, звездные положения ночью. Проблема, однако, в том, как определить время в двух точках одновременно. Было разработано два подхода для решения этой проблемы: механические часы и астрономические наблюдения.

Точные механические часы (хронометр) устанавливаются на местное время в опорной точке и перевозятся в другие места, чтобы там сравнивать хронометр с местным временем. Для моряков это означало хранить время родного порта в течение всего плавания. Проблема и решение были понятны в теории, но картографы и навигаторы были вынуждены ждать, когда будет разработана технология. В 16 веке ошибка хороших часов составляла 1 минуту за сутки. Полагая, что ошибка в 4 минуты эквивалентна 1º в разности по долготе, в течение нескольких суток плавания моряк был бы вынужден возвращаться на берег. Часы должны были быть более точными и надежными.

Во втором методе наблюдается некоторое астрономическое событие и его момент по местному времени сравнивается со временем опорного пункта. Такой метод требовал хорошего прогноза небесных явлений для опорного пункта, иначе для получения результата картографы или моряки были бы вынуждены ждать недели и месяцы, когда можно будет сделать сравнение моментов событий. Прогнозирование небесных событий в свою очередь требовало их регулярного изучения на основе прошлых наблюдений и изучения законов движения небесных тел.

Оба метода можно было применять для наземного картирования. Но точные морские измерения были затруднены, и поэтому для навигации на морях усилия были направлены на использование точных часов – хронометров.

Ключевые теоретические достижения в разработке точных часов (маятниковых и пружинных) связаны с именем Христиана Гюйгенса (1629-1696), который в 1657 г. создал часы с ошибкой около 10 секунд в сутки. Однако было ясно, что никакие маятниковые часы не смогут работать на море. Решение оказалось в пружинном двигателе. Джордж Гаррисон (1693-1776), кузнец по профессии, построил в 1726 г. маятниковые часы, которые имели погрешность около 1 секунды за месяц. Однако его главным достижением был морской хронометр, который испытывался в море в 1761 и 1764 г.г. В последнем плавании ошибка часов после 46-суточного плавания была меньше 40 секунд. Хронометры использовались для долготных определений до появления телеграфа.
Астрономические методы
Идея использовать быстро изменяющиеся положения Луны относительно неподвижных звезд – метод лунных расстояний – применялся для определения даты и времени. Чтобы сделать метод практичным, потребовались таблицы, дающие на моменты местного времени расстояния между Луной и различными звездами для положения с известной долготой. Навигатор мог затем сравнить, к примеру, время, в которое он наблюдал касание Луной звезды со временем такого события, которое было предсказано для опорной точки. Проблема была в том, что положения звезд не были точно известны, а движение Луны было совершенно непонятно. Предсказание лунных орбит для их использования в навигации было движущей силой для основания Парижской обсерватории в 1675 г.

Для составления таблиц звезд была необходима теория движения Луны, которая соответствовала бы наблюдательным данным, и которую можно было бы использовать для предсказания положений Луны относительно звезд с необходимой точностью. Теория Ньютоны, основанная на задаче двух тел, давала ошибку порядка 5, что тогда было неприемлемо. Проблема движения Луны относится к задаче трех тел: движение Луны вокруг Земли, которая в свою очередь вращается вокруг Солнца. Разработка такой теории Леонардом Эйлером в 1748 г. является одним из величайших математических достижений 18 века. Эта идея никогда не стала применяться на море, хотя ее сторонники еще долгое время пытались ее применить, несмотря на победу хронометров, а позднее и телеграфа.

Другой метод определения местного времени – по наблюдениям затмений спутников Юпитера также не нашел применения в навигации. В 17 и 18 столетиях также были разработаны технологии для измерения углов на море, необходимые для астрономических методов навигации. Квадрант Роберта Хука и октант Ньютона, разработанные во второй половине 17 века были для своего времени революционными инструментами, которые позволяли одновременно наблюдать звезду и линию горизонта. Были разработаны квадранты, октанты и, в конечном счете, секстанты, снабженные телескопами, зеркалами, призмами и верньерами. В конце 18 столетия

Основными инструментами для точной астрономической навигации по звездам были: секстант, для измерения высоты светил над горизонтом, и точные часы, для определения точного момента наблюдений, альманах, для нахождения предсказанных положений небесных тел, и магнитный компас для определения азимута и поддержания постоянства курса в перерывах между наблюдениями.

В 19 столетии деревянные корабли уступили место кораблям из железа. Намагниченность корабли и его груза мешали работе магнитного компаса. Потребовался немагнитный компас. Проблема не была решена до тех пор, пока в 20 столетии не появились гирокомпасы.
Инерциальная навигация
Двадцатый век начался с бурного развития радио, авиации, подводный флот, ракетная техника. Это было невозможно без систем инерциальной навигации и радио навигации.

Системы навигации можно проклассифицировать следующим образом:

- системы счисления курса (dead reckoning), которые вычисляют положение по скорости, направлению и времени,

- системы наведения, которые обеспечивают пользователя курсом на пункт назначения без определения положения. Примером могут служить световые маяки и радио бакены. Инструментальная система посадки ILS и Микроволновая система посадки (MLS) – обе работающие в США, обеспечивают посадку воздушных судов в условиях плохой видимости, это системы радио наведения.

- системы определения положения, которые определяют положение пользователя в точной координатной системе. Примерами являются Loran, Omega, Transit, Цикада. Системы GPS и ГЛОНАСС, дают также скорость и время.
Гироскоп – это просто вращающаяся масса, обычно установленная на кардановом подвесе таким образом, что ось вращения может свободно поворачиваться в любом направлении. Если ось вращения гироскопа наведена на звезду, то она будет продолжать следить за звездой, в то время как Земли будет поворачиваться, а видимое положение звезды будет изменяться. Иными словами, ось вращения сохраняет свое направление в инерциальном пространстве. Идея гироскопа возникла в 19 столетии (опыты Фуко), но реализована с достаточной точностью только в начале 20 столетия. Гироскоп, отслеживающий направление на север, получил название гирокомпаса.

Способность гироскопа обеспечивать стабильное положение своей оси в инерциальном пространстве привело к появлению инерциальных систем навигации (ИНС, INS). Система ИНС состоит обычно из трех акселерометров, установленных вдоль трех взаимно ортогональных направлений на стабильной платформе. Инструмент чувствителен к вращениям и ускорениям и отслеживает их. Вращения судна (рысканье, тангаж и крен) более заметны, чем изменения в ориентировке стабильной платформы. Система производит численное интегрирование компонент ускорения в реальном времени, чтобы обеспечить компоненты скорости. Второе интегрирование обеспечивает текущие координаты.



Инерциальные системы относятся к типу систем счисления курса, и поэтому для них характерно накопление ошибок со временем. ИНС средней точности накапливают ошибку около 2 км за один час работы, поэтому им требуется достаточно частое обновление данных по точным оценкам положения, получаемым из некоторых других внешних источников, таких как визирование на звезды, или, в последние годы, спутниковые радио навигационные системы (СРНС). Технологии систем ИНС и СРНС взаимно дополняют друг друга в том смысле, что слабость одной компенсируется силой другой: СРНС подвержены влиянию помех и интерференции, к которым ИНС нечувствительны, но накопление ошибок в ИНС можно регулярно исключать, вводя данные от спутниковой аппаратуры, оценки которой свободны от дрейфа. Объединение СРНС и ИНС приводит к привлекательной и надежной системе, которая успешно работает при перерывах в работе СРНС, возникающих на короткие периоды из-за помех.
Радионавигация
Радионавигационные системы используют основные принципы распространения радиоволн. Радиоволны соответствуют диапазону частот электромагнитного излучения от 10 КГц до 300 ГГц. Радиочастоты классифицируются по диапазонам (табл. 1). Скорость с электромагнитных волн в пространстве равна примерно 3·108 м/с, а длина волны получается как =c/f, где f – частота излучения. Радиоволны в диапазоне 1 мм – 1 м называются микроволнами.
Таблица 1. Классификация радиочастот

Диапазон

Частота

Длина волны

Очень низкие частоты, ОНЧ, VLF

< 30 КГц

> 10 км

Низкие частоты, НЧ, LF

30 – 300 КГц

1 – 10 км

Средние частоты, СЧ, MF

300 КГц – 3 МГц

100 м – 1 км

Высокие частоты, ВЧ, HF

3 – 30 МГц

10 – 100 м

Очень высокие частоты, ОВЧ, VHF

30 – 300 МГц

1 м – 10 м

Ультра высокие частоты, УВЧ, UHF

300 – 3 ГГц

10 см – 1 м

Сверхвысокие частоты, СВЧ, SHF

3 – 30 ГГц

1 – 10 см

Радиосигналы распространяются в вакууме со скоростью света. Вакуум есть некоторая идеальная среда без электрических и магнитных полей и препятствий. Космическое пространство в некоторой степени отвечает этому идеалу, но земная атмосфера не является такой средой, и распространение сигналов в ней может быть очень сложным, в зависимости от частоты сигнала и окружения. Радиосигналы, распространяющиеся вблизи поверхности Земли, отражаются самой поверхностью, строениями, поверхностями воды или снега. Подобно свету радиоволны преломляются при переходе из одной среды в другую среду с отличающейся плотностью. Радиосигналы также рассеиваются и интерферируют один с другим. Кроме того, сигналы затухают в атмосфере.

Сигналы диапазона ОВЧ и с более высокими частотами распространяются только по прямой линии и не уходят под горизонт. Сигналы с более низкими частотами могут огибать земную поверхность.
Методы радионавигации
Использование радиоволн для получения оценок положений началось практически одновременно с использованием радио для связи. Вначале радио помогало в определении положения корабля или самолета путем измерения направлений на два или более радио маяков с помощью направленных антенн. Разработка методов и средств обеспечения радио навигации ускорилась во время Второй Мировой войны и после нее.

Для навигации на земной или морской поверхности обычно достаточно иметь оценки плановых координат. Однако для геодезистов и топографов при создании топографических карт необходимы также высоты над уровнем моря. Летчикам же необходимо иметь в реальном времени и плановые координаты, и высоты над поверхностью Земли. Во всех случаях плановые и высотные положения в прошлом определялись раздельно с использованием различных методов и технологий. Спутниковые системы навигации дают возможность определять трехмерное положение, т.е. находить все три координаты одновременно.


МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

(по книге «ГЛОНАСС»)


1 Общие определения
Основное содержание навигационной задачи при использовании СРНС – определение пространственно- временных координат потребителя, а также составляющих его скорости. В итоге решения навигационной задачи должен быть определен расширенный вектор состояния потребителя. В инерциальной системе отсчета этот вектор можно представить в виде П=(R, t, . Элементами данного вектора служат вектор пространственного положения потребителя , поправка шкалы часов времени потребителя относительно системной шкалы времени (СШВ), а также составляющие вектора скорости .

Компоненты вектора положения потребителя недоступны непосредственному измерению с помощью каких-либо средств навигации или геодезии. Измеряемый в целях навигации параметр называется навигационным параметром – НП. В радионавигации - радионавигационный параметр – РНП. Пример: задержка сигнала и доплеровский сдвиг частоты fd являются радионавигационными параметрами, а соответствующие им дальность до объекта и радиальная скорость сближения Vr – навигационными параметрами. Связь между ними дается соотношениями:


,
где - длина волны излучаемого НС сигнала.

Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением навигационного параметра называют поверхностью положения. Пересечение двух поверхностей положения определяет линию положения – геометрическое место точек, имеющих два определенных значения двух навигационных параметров. Местоположение определяется как точка пересечения трех поверхностей положения или двух линий положения. В ряде случаев поверхности положения могут пересекаться в двух точках. Тогда для однозначного определения местоположения используется либо дополнительная поверхность положения, либо дополнительная информация об объекте.

Для решения навигационной задачи, т.е. для нахождения местоположения потребителя R, используют функциональную связь между навигационными параметрами и компонентами вектора R. Соответствующие функциональные зависимости называют навигационными функциями.


Каталог: fulltext -> UMK
UMK -> Лекции по истории социологии [Текст]: учеб пособ для вузов. М.: Мартис,1995. 204с
UMK -> Теоретические вопросы с ответами по дисциплине «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение задач геодезии и дистанционного зондирования»
UMK -> Контрольные вопросы по дисциплине
UMK -> Санитарно-гигиеническая экспертиза атмосфероохранных мероприятий
UMK -> Назначение электронных тахеометров (ЭТ)
UMK -> Конспект лекций по высшей геодезии и основам координатно-временных систем
UMK -> Кафедра прикладной информатики
UMK -> Гоу впо «сибирская государственная геодезическая академия»
UMK -> Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 300500 «Космическая геодезия»


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   241


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал