Навигационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Навигационная система и её типы

Навигационная система -- это совокупность приборов, алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих произвести ориентирование объекта в пространстве (осуществить навигацию).

Навигационные системы обеспечивают ориентацию с помощью:

- карт, имеющих видео, графический или текстовый форматы;

- определения местоположения посредством датчиков или других внешних источников;

- спутниковой связи;

- информации от других объектов.

Типы навигационных систем:

- Спутниковая система навигации;

- Инерциальная навигация.

2. Спутниковая система навигации

навигационный инерциальный спутниковый бортовой

Спутниковая система навигации -- комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

- Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

- Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

- Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемое для определения координат;

- Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат;

- Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел -- мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

- Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).

- Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

- Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

- Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

- Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

Спутниковые системы навигации находят применение в следующих областях:

- Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек

- Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии

- Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация

- Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением

- Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта -- Эра-ГЛОНАСС.

- Тектоника, Тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит

- Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.

- Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

-GPS

Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.

-ГЛОНАСС

Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

-Бэйдоу

Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность -- небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

На 28 декабря 2012 года выведено на орбиту Земли шестнадцать навигационных спутников, из них по предназначению используется.

Согласно планам, к 2012 году она сможет покрывать Азиатско-Тихоокеанский регион, а к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная. Реализация данной программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007-ом.

-Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

-IRNSS

Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS - 7.

-QZSS

Первоначально японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. В марте 2006 японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнётся второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объём услуг.

3. Инерциальная навигация

Инерциальная навигация -- метод навигации (определения координат и параметров движения различных объектов -- судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел, являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов. Неавтономные методы решения задач навигации основываются на использовании внешних ориентиров или сигналов (например, звёзд, маяков, радиосигналов и т. п.). Эти методы в принципе достаточно просты, но в ряде случаев не могут быть осуществлены из-за отсутствия видимости или наличия помех для радиосигналов и т. п. Необходимость создания автономных навигационных систем явилась причиной возникновения инерциальной навигации.

Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств, а по этим данным -- местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости, пройденного пути и др., а также в определении параметров, необходимых для стабилизации объекта и автоматического управления его движением. Это осуществляется с помощью:

- датчиков линейного ускорения (акселерометров);

-гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением.

-вычислительных устройств (ЭВМ), которые по ускорениям (путём их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и др. параметры движения;

Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получают всё более широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолётов, космических аппаратов и других движущихся объектов.

Инерциальные навигационные системы (ИНС) имеют в своём составе датчики линейного ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы или пары акселерометров, измеряющих центробежное ускорение). С их помощью можно определить отклонение связанной с корпусом прибора системы координат от системы координат, связанной с Землёй, получив углы ориентации: рыскание (курс), тангаж и крен. Угловое отклонение координат в виде широты, долготы и высоты определяется путём интегрирования показаний акселерометров. Алгоритмически ИНС состоит из курсовертикали и системы определения координат. Курсовертикаль обеспечивает возможность определения ориентации в географической системе координат, что позволяет правильно определить положение объекта. При этом в неё постоянно должны поступать данные о положении объекта. Однако технически система, как правило, не разделяется и акселерометры, например, могут использоваться при выставке курсовертикальной части.

Инерциальные навигационные системы делятся на имеющие гиростабилизированную платформу (ПИНС) и бесплатформенные (БИНС). В платформенных ИНС взаимная связь блока измерителей ускорений и гироскопических устройств, обеспечивающих ориентацию акселерометров в пространстве, определяет тип инерциальной системы. Известны три основных типа платформенных инерциальных систем.

Инерциальная система геометрического типа имеет две платформы. Одна платформа с гироскопами ориентирована и стабилизирована в инерциальном пространстве, а вторая с акселерометрами -- относительно плоскости горизонта. Координаты самолета определяются в вычислителе с использованием данных о взаимном расположении платформ.

В инерциальных системах аналитического типа и акселерометры, и гироскопы неподвижны в инерциальном пространстве (относительно сколь угодно далёких звёзд). Координаты объекта получаются в счетно-решающем устройстве, в котором обрабатываются сигналы, снимаемые с акселерометров и устройств, определяющих поворот самого объекта относительно гироскопов и акселерометров.

Полуаналитическая система имеет платформу, которая непрерывно стабилизируется по местному горизонту. На платформе имеются гироскопы и акселерометры. Координаты самолета или иного летательного аппарата определяются в вычислителе, расположенном вне платформы.

В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Передовой технологией в производстве БИНС является технология волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), принцип действия которых основан на эффекте Саньяка. БИНС на базе таких гироскопов не имеет подвижных частей, абсолютно бесшумна, не требует специального обслуживания и имеет хорошие показатели наработки на отказ (до 80 000 часов у некоторых моделей) и малое энергопотребление (десятки Ватт). Технологии ВОГ пришли на смену лазерно-кольцевым гироскопам (ЛКГ), имеющим подвижные части и требующим периодического обслуживания по калибровке и замене износившихся узлов и деталей, а также с относительно высоким уровнем энергопотребления.

4. База данных NaviJet

База данных NaviJet предназначена для использования в бортовых навигационных системах при планировании и выполнении полетов по правилам приборных полетов (ППП).

NaviJet применяется в FMS и спутниковых приемоиндикаторах производства «Транзас» и других производителей авиационных бортовых систем, таких как ВСС-100, TNC-1G, TSS, TDS-84, АБРИС, TMG-17.

База данных NaviJet используется этими системами в качестве исходных данных для осуществления процесса навигации и отображается на навигационных дисплеях в виде аэронавигационной карты.

База данных NaviJet содержит записи о следующих аэронавигационных объектах:

-аэродромы, на которых выполняются полеты по ППП;

-процедуры маневрирования в районе аэродрома SID/STAR/App;

-ВПП;

-минимальные безопасные высоты в секторе (МБВс);

-сеточная минимальная высота полета (СМВП/GridMORA);

-связь в районе аэродрома;

-воздушные трассы верхнего и нижнего воздушного пространства (включая воздушные трассы РФ);

-зоны ожидания по ППП на воздушных трассах и в районе аэродрома;

-аэродромные и трассовые радионавигационные средства (ОПРС, VOR/DME, РСБН, РМС);

-зоны ограничений;

-связь на воздушных трассах;

-районы аэродромов;

Обновление данных NaviJet производится каждые 28 дней в сроки, предусмотренные системой AIRAC. Поставка базы данных клиентам осуществляется через Интернет.

5. База данных NaviProp

База данных NaviProp предназначена для выполнения и планирования полетов в нижнем воздушном пространстве и используется на вертолетах и в авиации общего назначения. NaviProp ? бортовая база данных в формате, применяемом в системах «Транзас». База данных NaviProp предназначена для выполнения и планирования полетов в нижнем воздушном пространстве Российской Федерации и используется для обеспечения полетов вертолетов и авиации общего назначения. База данных NaviProp представлена в двух вариантах - для полетов по ПВП и по ПВП + ППП.

База данных NaviProp применяется в вычислительных самолетных системах TNC-1G, системах TSS, TMG-17, TDS-84, АБРИС и авиационных тренажерах. NaviProp позволяет при выполнении полетов использовать в бортовых навигационных системах информацию об аэродромах, МВЛ, структуре воздушного пространства ниже нижнего эшелона.

Используя NaviProp в навигационных системах компании «Транзас», специалист может быстро и правильно произвести расчет полета и получить всю необходимую аэронавигационную информацию.

Бортовая база данных NaviProp содержит данные о следующих аэронавигационных объектах:

-аэродромы (включая аэродромы МВЛ);

-минимальные безопасные высоты в секторе (МБВс);

-сеточная минимальная высота полета (СМВП);

-связь в районе аэродрома;

-вертодромы;

-посадочные площадки;

-аэродромные и трассовые препятствия;

-местные воздушные линии;

-зоны ожидания по ПВП;

-аэродромные и трассовые радионавигационные средства (ОПРС, МРМ, VOR/DME, РСБН, РМС);

-связь (на МВЛ);

-зоны ограничений, запретные зоны;

-районы аэродромов;

-районы полетной информации.

База данных NaviProp поставляется через Интернет с последующим обновлением в сроки, предусмотренные системой AIRAC.

Список используемой литературы

1. www.ixbt.com

2. http://ru.wikipedia.org/

3. http://www.transas.ru/

Размещено на Allbest.ru