curs sisteme integrate de navigatie

49
SISTEME HIPERBOLICE DE NAVIGA Ţ IE

Upload: ancaserban88

Post on 19-Jan-2016

152 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

curs sisteme integrate de navigatie consideratii teoretice si practice

TRANSCRIPT

Page 1: curs sisteme integrate de navigatie

SISTEME HIPERBOLICE DE NAVIGAŢIE

Page 2: curs sisteme integrate de navigatie

Sisteme hiperbolice de navigaţie . Destinaţie. Definiţie. Compunere.

• Sistemele hiperbolice de navigaţie (SHN) sunt sistemeradioelectronice de navigaţie destinate pentru determinareapoziţiei în orice condiţii hidrometeorologice, în mod continuu,pentru mijloace maritime, aeriene şi terestre.

• Sistemele hiperbolice au o caracteristică comună, tipul de linie depoziţie - hiperbola, generată de funcţionarea în comun a unorperechi de staţii, grupate în lanţuri.

• Compunere: Fiecare lanţ hiperbolic se compune dintr-o staţieprincipală (Master) şi mai multe staţii secundare (Slave). Perechilesunt formate din staţia principală cu fiecare din staţiile secundare

Page 3: curs sisteme integrate de navigatie

Linia de poziţie hiperbolică Linia de poziţie generată de SHN reprezintă locul geometric al tuturor

punctelor de egală diferenţă de distanţă faţă de două puncte fixe -focare, în care sunt instalate staţiile de emisie componente ale unei perechi (Master şi Slave).

M- Master

S – Slave

N – poziţia navei

MS- linie de bază

xM, x’S – extensiile liniei de

bază

CC’ – linie centrală

dMN – distanţa Master – navă

dSN – distanţa Slave - navă

Page 4: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului

Punctul navei se determină la intersecţia a două linii de poziţie generate de

funcţionarea în comun a staţiei Master cu cel puţin două staţii Slave.

Page 5: curs sisteme integrate de navigatie

Procedee de determinare a punctului

• Pentru determinarea punctului se utilizează următoarele metode:

• - metoda grafică: constă în folosirea unor hărţi speciale care conţin reţele de linii de poziţie de culori diferite, corespunzătoare fiecărei perechi Master – Slave;

• - metoda grafo-analitică: constă în utilizarea unor table speciale cu ajutorul cărora se pot trasa pe o harta Mercator liniile de poziţie la intersecţia cărora se află punctul navei;

• - metoda analitică; receptoarele moderne conţin un microprocesor care calculează coordonatele geografice ale punctului navei, în funcţie de poziţiile staţiilor lanţului în aria căruia se află nava şi de diferenţele de distanţă între navă şi staţii.

Page 6: curs sisteme integrate de navigatie

Generarea familiilor de hiperbole

• Diferenţele constante de distanţă se determină prin măsurarea unor parametri ai câmpului electromagnetic generat de staţiile componente ale unui lanţ hiperbolic.

• În funcţie de parametrii măsuraţi, SHN sunt:

– 1. Diferenţiale de fază;

– 2. Diferenţiale de timp;

– 3. Diferenţiale de timp şi fază.

Page 7: curs sisteme integrate de navigatie

SHN diferenţiale de fază

• Diferenţa de distanţă constantă se determină în mod indirect prin măsurarea diferenţei de fază între faza semnalului emis de Master şi faza semnalului emis de Slave.

• Teoretic cele două staţii emit semnale riguros în fază, la proiectarea sistemului ţinându-se cont ca lungimea liniei de bază să fie multiplu întreg de λ (lungimea de undă corespunzătoare frecvenţei purtătoarei).

• Pe linia de bază, distanţa între două linii de poziţie consecutive, corespunzătoare unei evoluţii a diferenţei de fază de la zero la 0° la 360° este egală cu λ/2;

Page 8: curs sisteme integrate de navigatie

SHN diferenţiale de fază

Page 9: curs sisteme integrate de navigatie

Măsurarea diferenţei de fază

• Se realizează de către unui dispozitiv denumitfazmetru care este în acelaşi timp din punct devedere al modului său de afişaj şi contor (numără,în funcţie de deplasarea navei trecerileconsecutive prin poziţii corespunzătoarediferenţei de fază zero).

• Dacă nava se deplasează de-a lungul unei linii depoziţie diferenţa de fază se menţine constantă.

Page 10: curs sisteme integrate de navigatie

SHN diferenţiale de timp

• Diferenţa de distanţă constantă se determină în mod indirect prin măsurarea diferenţei de timp între timpul necesar semnalului emis de Master pentru a parcurge distanţa Master - navă şi timpul necesar semnalului emis de Slave pentru a parcurge distanţa Slave – navă.

• Pentru a se putea măsura această diferenţă de timp staţiile trebuie să emită semnalele sub formă de impulsuri cu o perioadă de repetiţie caracteristică fiecărei perechi de staţii Master – Slave.

Page 11: curs sisteme integrate de navigatie

SHN diferenţiale de timp şi fază

• Pentru creşterea preciziei în determinarea punctului navei, cu sisteme radioelectronice de navigaţie se utilizează măsurarea simultană a valorii mai multor parametri ai undelor electromagnetice: amplitudine, fază, frecvenţă şi timp.

• În cazul SHN se utilizează combinaţia dintre tip şi fază.

Page 12: curs sisteme integrate de navigatie

Clasificarea SHN

• după distanţa de acţiune (bătaie) în:

– globale, OMEGA, bătaie 5000-6000 mile marine;

– oceanice, LORAN C, bătaie 1500-2300 mile marine;

– maritime, DECCA, bătaie 200-300 mile marine;

– Costiere (HY – FIX, BRAS – GALS, etc).

• după parametrul măsurat:

– fazice, OMEGA, DECCA;

– în impuls, LORAN A;

– în impuls şi fază, LORAN C.

• după lungimea de undă:

– unde foarte lungi, OMEGA;

– unde lungi, LORAN C; DECCA.

Notă: Sistemele OMEGA, LORAN – A şi DECCA au fost scoase din uz sau trecute în conservare odată cu dezvoltarea sistemelor satelitare de navigaţie.

Page 13: curs sisteme integrate de navigatie

SISTEMUL HIPERBOLIC DE

NAVIGAŢIE LORAN-C

“LOng RAnge Navigation”

Page 14: curs sisteme integrate de navigatie

SHN LORAN-C. Destinaţie. Compunere

• SHN LORAN (LOng RAnge Navigation) a apărut în perioada celui deal II-lea război mondial, s-a dezvoltat apoi în diverse variante la carea fost permis şi accesul utilizatorilor civili. În prezent, la nivelmondial mai este în uz sistemul LORAN – C.

• SHN LORAN – C este un sistem diferenţial de timp şi fază, destinatpentru determinarea punctului navei în mod continuu, indiferent decondiţiile hidrometeorologice, cu un înalt nivel de precizie.

• Staţiile de emisie LORAN - C sunt grupate în lanţuri formate dintr-ostaţie principală şi două la patru staţii secundare.

• Staţia principală - Master formează cu fiecare dintre staţiilesecundare - Slave o pereche de staţii.

• Staţiile LORAN - C emit semnale sub forma unor impulsuri de oanumită durată, care se repetă la intervale de timp regulate.

Page 15: curs sisteme integrate de navigatie

• Sistemul LORAN - C dispune în anul 2006, conform

ALRS vol. 2 (NP 282) de 23 de lanţuri care acoperă

Oceanul Atlantic de Nord, Oceanul Pacific de Nord,

inclusiv Marea Chinei de Sud şi Marea Arabiei.

• Fiecare lanţ LORAN – C este format dintr-o staţie

Master şi până la patru staţii Slave, notate: W, X, Y, Z.

SHN LORAN-C. Destinaţie. Compunere

Page 16: curs sisteme integrate de navigatie
Page 17: curs sisteme integrate de navigatie
Page 18: curs sisteme integrate de navigatie
Page 19: curs sisteme integrate de navigatie
Page 20: curs sisteme integrate de navigatie

SHN LORAN-C. Caracteristici.• Sistemul LORAN – C are alocată banda de frecvenţe 90 – 110 KHz.

• Toate staţiile LORAN – C au o purtătoare unică pe frecvenţa de 100 KHz;

• SHN LORAN – C poate fi utilizat atât pe undă directă cât şi indirectă ( unda reflectată de straturile ionosferice);

• Sistemul poate fi utilizat până la 1400 Mm pe undă directă şi 2300 Mm pe undă indirectă.

• Precizia punctului navei este de până la ± 0,25 Mm pe undă directă şi până la ± 11 Mm pe undă reflectată pe timpul zilei sau nopţii, indiferent de anotimp (cu o probabilitate de 95 %).

• Puterea de emisie a staţiilor LORAN-C este de 4 Mw, utilizând o antenă

verticală (cu înălţimi de până la 390 m).

• Lungimea liniilor de bază dintre staţia Master şi Slave este în general de

600 Mm.

Page 21: curs sisteme integrate de navigatie

Semnalul LORAN-C• Staţiile LORAN – C emit semnale sub formă de serii de impulsuri cu frecvenţă

caracteristică fiecărui lanţ în parte.

• Frecvenţa de repetiţie a impulsurilor (FRI) este formată din:

- frecvenţa de bază de repetiţie a impulsurilor (FBRI);

- frecvenţa specifică de repetiţie a impulsurilor (FSRI);

• Sistemul LORAN –C utilizează frecvenţele fundamentale S ,L, H de repetiţie aimpulsurilor preluate de la sistemul LORAN – A şi alte trei proprii SS, SL şi SH:

– H (high) – 30 1/3 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 30 1/3 = 30 000 μs;

– L (low) - 25 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 25 = 40 000 μs;

– S (slow)- 20 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 20 = 50 000 μs;

– SH - 16 1/2 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 16 1/2 = 60 000 μs;

– SL - 12 1/2 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 12 1/2 = 80 000 μs;

– SS - 10 impulsuri/sec. – 1 milion μs / 10 = 100 000 μs.

• Notă: Frecvenţa fundamentală H (30 000 μs) nu mai este utilizată în prezent.

Page 22: curs sisteme integrate de navigatie

Semnalul LORAN-CFSRI sunt în număr de 8, numerotate de la 0 la 7, aceste frecvenţe diferă între ele cu

100 sec;

Numărul FSRI Mai puţin decât FBRI

0 Corespunde cu FBRI

1 100 sec

2 200 sec

3 300 sec

4 400 sec

5 500 sec

6 600 sec

7 700 secExemplu: Indicele distinctiv al perechii de staţii SS2 – Y arată că perioada de

revenire a semnalului este de 99 800 sec (SS=100 000 sec, PRI 2=200 sec

mai puţin decât SS) şi perechea de staţii se formează cu staţia secundară Y.

Page 23: curs sisteme integrate de navigatie

Semnalul LORAN-C

Staţiile Slave emit un număr de 8 impulsuri la un interval de

1000 sec, staţia Master emite 9 impulsuri, ultimul fiind situat

la 2000 sec.

Indiferent de poziţia în care se află nava în aria acoperită de un

lanţ LORAN – C, impulsurile sunt recepţionate întotdeauna în

ordinea din figură.

Page 24: curs sisteme integrate de navigatie

Notarea liniilor de poziţie

• Fiecare hiperbolă ce aparţine unei perechi de staţii are un indice distinctiv, format din indicele perechii de staţii (comun întregii familii), la care se adaugă diferenţa de timp în microsecunde.

Exemplu: Semnificaţia liniei de poziţie SS2 - Y - 54 900 este:- SS2 - Y reprezintă perechea de staţii recepţionate;

- 54 900 este diferenţa de timp în microsecunde.

Notă: Pe hărţile americane linia de poziţie din exemplul de mai sus se notează: 9980 – Y – 54900.

Page 25: curs sisteme integrate de navigatie

Măsurarea diferenţei de timpMăsurarea diferenţei de timp Δt, se face între semnalele recepţionate de la staţia

Master şi staţia Slave, succesiunea semnalelor de la staţiile unui lanţ LORAN – C,

este întotdeauna aceeaşi, diferă doar intervalul de timp dintre momentele recepţiei

semnalelor , funcţie de poziţia receptorului în raport cu perechile de staţii.

Această diferenţă de timp Δt dintre momentele recepţiei semnalelor m şi w

recepţionate de la Master M şi Slave W este reprezentată de intervalul orizontal

cuprins între momentele iniţiale S1 şi S2 ale celor două semnale, raportat la baza

de timp LP pentru care receptorul este reglat, prin sincronizare cu perioada de

revenire a impulsurilor.

Page 26: curs sisteme integrate de navigatie

Măsurarea diferenţei de timp

Cele două oscilaţii, m1 şi m2 sunt însumate şi se obţine oscilaţia m3 care conţine

punctul S, de amplitudine zero, situat la 30 μsec de la iniţierea recepţiei

impulsului. Decalajul de 30 μsec este introdus pentru eliminarea influenţei undei

reflectate, deoarece la distanţa de staţia de emisie la care se pot recepţiona unde

directe şi reflectate, semnalele undei reflectate se recepţionează cu o întârziere de

minim 30 μsec .

Precizia măsurării diferenţei de timp depinde de claritatea marginii din stânga

a semnalelor. Durata unui impuls LORAN – C este de aproximativ 150 μsec,

oscilaţia m1 a unui impuls este amplificată cu factorul 1,35, decalată cu 180°,

rezultând astfel oscilaţia m2.

Page 27: curs sisteme integrate de navigatie

Măsurarea diferenţei de timp

• În afara zonei acoperite de bătaia undei directe, măsurările se fac pe semnalele

undei reflectate cărora li se aplică o corecţie de undă reflectată.

• Precizia măsurării diferenţei de timp, între punctele S1 şi S2 este de circa ± 4 μsec -metoda aproximativă (coarse method ). Creşterea preciziei de măsurare, la 0,1 μsec se face prin metoda comparaţiei de fază (cycle – matching – method).

• Frecvenţa oscilaţiei unui impuls este de 100 KHz. Receptorul LORAN – C conţine un oscilator care generează aceeaşi frecvenţă şi în fază cu oscilaţiile impulsurilor recepţionate de la Master. La recepţia impulsului de la Slave, receptorul măsoară diferenţa de fază dintre acesta şi oscilaţiile proprii. Durata unui ciclu este de 1/100 000 secunde = 10 μsec iar diferenţa de fază se poate măsura de 1/100 dintr-un ciclu, adică la 0,1 μsec .

Page 28: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului LORAN - C

Page 29: curs sisteme integrate de navigatie

Metoda grafică.

• Această metodă se bazează pe utilizarea hărţilor LORAN –

C. Harta LORAN este hartă în proiecţie Mercator care

conţine şi reţeaua de hiperbole generate de lanţul

LORAN-C care acoperă aria reprezentată.

• Fiecare familie de hiperbole este trasată cu o anumită

culoare, iar fiecare hiperbolă în parte are un indice

distinctiv, corespunzător perechii de staţii care a generat-o

şi diferenţei de timp calculate.

Page 30: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului navei pe hărţi LORAN

• Funcţie de scara hărţii, hiperbolele pot fi

trasate pentru diferenţe de timp de 5, 10, 20,

100, 200 sec.

• Punctul navei se determină la intersecţia a

două linii de poziţie identificate pe hartă

funcţie de diferenţele de timp citite la

receptor.

• Pentru valori intermediare ale diferenţei de

timp, trasarea pe hartă a liniei de poziţie se

face prin interpolarea grafică a între hiperbole

Page 31: curs sisteme integrate de navigatie

Hartă LORAN-C4 familii de hiperbole provenind de la Lanţul

LORAN-C 7980 7980-W-14100

7980-X-30300

7980-Z-63400

7980-Y-45380

Page 32: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului navei peHartă LORAN-C

(interpolare grafică completă)

Hiperbolele

recepţionate la lanţul

LORAN-C 7980:

7980-X-30525

7980-Y-44500

7980-W-14055

7980-Z-63290

X-30550

7980-X-30500

Y-44650Y-44300

Z-63275Z-63300

W-14075

W-14050

Page 33: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului navei peHartă LORAN-C

(interpolare grafică cu numai 2 familii de hiperbole)

Hiperbolele

recepţionate la lanţul

LORAN-C 7980:

7980-X-30525

7980-Y-44500

7980-W-14055

7980-Z-63290

X-30550

7980-X-30500

Y-44650Y-44300

Page 34: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctului navei peHartă LORAN-C

(interpolare grafică cu 2 familii de hiperbole)

Hiperbolele

recepţionate la lanţul

LORAN-C 7980:

7980-X-30525

7980-Y-44500

7980-W-14055

7980-Z-63290

Y-44650Y-44300

W-14075

W-14050

Page 35: curs sisteme integrate de navigatie

Metoda grafo-analiticăTablele de punct LORAN

• Tabele LORAN pentru determinarea punctului navei suntîntocmite pentru fiecare pereche de staţii şi conţincoordonatele punctelor de intersecţie ale hiperbolelor depoziţie cu paralele sau meridiane, funcţie de orientarea linieide poziţie.

• Tabele conţin coordonatele geografice corespunzătoareliniilor de poziţie spaţiate la interval de timp (T) din 10 în 10sec, considerând că recepţia se efectuează pe unda directă.

• Prin utilizarea procedeului grafic de determinare a punctuluinavei, arcele hiperbolelor sferice în proiecţie Mercator suntînlocuite cu segmente de loxodromă corespunzătoare, numitedrepte LORAN.

Page 36: curs sisteme integrate de navigatie

Tablele LORAN• Pentru ca această aproximare să nu

influenţeze precizia punctului, Tablele LORAN sunt calculate astfel:

în zona familiei de hiperbole ale perechii de staţii, unde

curbura nu este mare, Tablele LORAN dau coordonatele punctelor de intersecţie ale hiperbolelor (din 10 în 10 sec) cu paralelele sau meridianele la intervale de 10

în apropierea staţiilor de emisie unde curbura hiperbolelor este accentuată, datele punctelor de intersecţie se dau pentru intervale sau de 15’ sau 30’

Page 37: curs sisteme integrate de navigatie

Tablele LORAN• Mărimile înscrise în Tabele pe coloana

diferenţei de timp T, reprezintă variaţia latitudinii sau longitudinii pentru o diferenţă de timp de 1 sec.

• Valoarea este exprimată în sutimi de minut de arc şi serveşte la interpolarea coordonatelor punctului de intersecţie al hiperbolei cu meridianul sau paralelul respectiv, interpolarea fiind efectuată funcţie de valoarea diferenţei de timp citite la receptor (TG) pentru o anumită hiperbolă.

• Diferenţa de coordonate sau se

Page 38: curs sisteme integrate de navigatie

Table de punct LORAN

SL4-X

T 13430 13440 13450

LAT L L L LONG

33 54.3 N +15 33 55.8 N +15 250 E

33 49.4 N +16 33 51.0 N +16 260 E

SL4-Y

T 31870 31880 31890

LAT L L L LONG

340 N 25 10.4 E -18 25 08.6 E -18

330 N 25 33.5 E +20 25 31.5 E +20

Page 39: curs sisteme integrate de navigatie

Exemplu:

• Data: 10.03.1996; Ora: 09.40 LT

• Punctul estimat: LAT 330 40’ N ; LONG 250 30’ E

• La receptorul LORAN C acordat pe lanţul SL4, se fac

următoarele citiri:

perechea M-SL4-X (Matratin) TG = 13435 sec

perechea M-SL4-Y (Targaburun) TG = 31872 sec

Page 40: curs sisteme integrate de navigatie

Table de punct LORAN

SL4-X

T 13430 13440 13450

LAT L L L LONG

33 54.3 N +15 33 55.8 N +15 250 E

33 49.4 N +16 33 51.0 N +16 260 E

SL4-Y

T 31870 31880 31890

LAT L L L LONG

340 N 25 10.4 E -18 25 08.6 E -18

330 N 25 33.5 E +20 25 31.5 E +20

TG = 13435

Page 41: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctelor de intersecţie pentru perechea M-SL4-X

TG = 13435

-T = 13430

(TG-T) = + 5

pentru: LONG1 = 250 E ; LAT = 330 54.3’ N

= +15 +(0.15’x 5) = + 0.8’

LAT1 = 330 55.1’ N

pentru: LONG2 = 260 E; LAT = 330 49.4’ N

= +16 +(0.16’x 5) = + 0.8’

LAT2 = 330 50.2’ N

Page 42: curs sisteme integrate de navigatie

Table de punct LORAN

SL4-X

T 13430 13440 13450

LAT L L L LONG

33 54.3 N +15 33 55.8 N +15 250 E

33 49.4 N +16 33 51.0 N +16 260 E

SL4-Y

T 31870 31880 31890

LAT L L L LONG

340 N 25 10.4 E -18 25 08.6 E -18

330 N 25 33.5 E +20 25 31.5 E +20

TG = 31872

Page 43: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctelor de intersecţiepentru perechea M-SL4-Y

TG = 31872

-T = 31870

(TG-T) = + 2

pentru: LAT3 = 340 N ; LONG = 250 10.4’ E

= - 18 -(0.18’x 2) = - 0.4’

LONG3 = 250 10.0’ E

pentru: LAT4 = 330 N ; LONG = 250 33.5’ E

= - 20 -(0.2’x 2) = - 0.4’

LONG4 = 250 33.1’ E

Page 44: curs sisteme integrate de navigatie

Determinarea punctelor de intersecţie

• Se obţin astfel două segmente loxodromice (drepte LORAN) definite astfel:

Linia de poziţie M (LAT1, LONG1 ; LAT2, LONG2)

Linia de poziţie P (LAT3, LONG3 ; LAT4, LONG4)

• Problema se poate rezolva fie direct pe harta de navigaţie Mercator pentru zona respectivă, fie cu ajutorul scării grafice.

• Punctul LORAN C rezultat este de coordonate: LAT = 330 54’ N ; LONG = 250 12’ E

Page 45: curs sisteme integrate de navigatie

33 N

34 N

25 E 26 E

LONG4

250 33.1’ E

LONG3

250 10.0’ E

LAT2

330 50.2’ N

LAT1

330 55.1’ N 330 54’ N

250 12’ E

Page 46: curs sisteme integrate de navigatie

Metoda analitică

• Este specifică receptoarelor LORAN-C de producţie

mai recentă.

• Acestea conţin procesoare ce sunt capabile să

calculeze punctul de intersecţie al hiperbolelor de

poziţie, aplicând şi eventualele corecţii, rezultatul

fiind afişarea pe display a coordonatelor geografice

ale punctului navei.

Page 47: curs sisteme integrate de navigatie

Precizia punctului LORAN• Eroarea medie pătratică în punctul LORAN – C depinde de:

- eroarea medie pătratică în măsurarea diferenţei de timp (determină

eroare în linia de poziţie);

- unghiul de intersecţie dintre liniile de poziţie.

• Staţiile LORAN – sunt astfel amplasate încât, în aria acoperită de lanţul

respectiv familiile de hiperbole pe care le generează să se intersecteze

sub unghiuri mai mari de 300.

• În cazul unui unghi de intersecţie favorabil pentru hiperbolelor de poziţie,

precizia punctului este de 0,1 Mm pentru o distanţă de până la 350 Mm

faţă de staţia Master şi de 0,3 Mm la o distanţă de 750 Mm.

Page 48: curs sisteme integrate de navigatie

Facilităţi oferite de receptoarele LORAN- C moderne

Aceste echipamente dispun în prezent şi de facilitatea introducerii de

către utilizator a coordonatelor unor puncte intermediare (way point),

caracteristice pentru ruta de navigaţie.

Page 49: curs sisteme integrate de navigatie

Facilităţi oferite de receptoarele LORAN- C moderne

• Funcţie de coordonatele punctului navei, determinate automat de receptor şi coordonatele way point-urilor, procesorul calculează traiectoria programată între cele două puncte.

• Sunt afişate următoarele date utile pentru navigaţie:

abaterea laterală faţă de ruta programată

relevmentul la primul way point

drumul şi viteza deasupra fundului

• LORAN C va mai rămâne în exploatare cel puţin până în anul 2015.