Спутниковые системы обеспечения безопасности мореплавания
Филиал ФГОУ – ВПО
МГА имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова
Реферат
по дисциплине: Введение в специальность
на тему:
«Спутниковые системы обеспечения безопасности мореплавания»
Исполнил курсант
111 группы Онещюк И.Н.
Проверил преподаватель
Иванов В.А.
г. Ростов – на – Дону
2005г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………...3
1. Из истории развития отечественной спутниковой радионавигационной системы…………………………………………………………………….......4
2. Основные требования к глобальной навигационной спутниковой системе..5
3. Автоматическая информационная (идентификационная) система………….8
4. Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему………………………………...10
5. Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи…………………………………………………………………………….12
6. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС-М………….14
7. Система Глобального Позиционирования (GPS)……………………………15
8. Заключение……………………………………………………………………..16
9. Глоссарий……………………………………………………………………….18
10. Литература……………………………………………………………………..19
Введение.
Надежное навигационноинформационное обеспечение судов имеет важное значение для безопасности их плавания, эффективной эксплуатации и предотвращения экологических бедствий. Специфика работы морского, речного и рыбопромыслового флотов определяет необходимость применения таких средств радионавигации и радиосвязи, которые с минимумом затрат обеспечили бы удовлетворение современных и перспективных требований, предъявляемых потребителями в любом районе Земного шара.
В данном реферате рассматриваются спутниковые системы, обеспечивающие безопасность мореплавания - автоматическая информационная (идентификационная) система (АИС), спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (Navigation System using Timing And Ranging), GPS (Global Positioning System), "Глонасс" (Россия), а также перспективы развития ГЛОНАСС как Единой глобальной системы координатно-временного обеспечения (ЕС КВО).
1. Из истории развития отечественной спутниковой радионавигационной системы.
Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.
Проведенные работы позволили перейти в 1963г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".
В
1979г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения
"Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на
круговые орбиты высотой
Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования.
Проведены работы по уточнению координат измерительных средств. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину » 70 - 80м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80 - 100м.
· ЭФЕМЕРИДЫ (в астрономии) - координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.
Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-канадской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.
В
Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системами являются Военно-космические силы РФ.
2. Основные требования к глобальной навигационной спутниковой системе.
Резолюции ИМО А.815(19) 1995 года установила требования к перспективной глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС) для обеспечения безопасности мореплавания и эффективного и надежного использования ее координатно-временной информации при плавании во всех районах мирового океана, включая узости, подходы к портам, реки и портовые воды (см. таблицу).
Таблица. Перечень минимальных требований
морских потребителей к ГНСС
Параметры
Требование
Точность системыв определении местоположения
принимающей антенны:
- Абсолютная
точность;
-
Зона действия службы глобальная
Частота обновления обсервации системы по крайней мере каждые 2 сек. Пропускная способность службы неограниченная
В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям к навигационному обеспечению cудоходства СНС GPS и Глонасс при использовании в штатном и дифференциальном режимах работы. Основными достоинствами этих систем при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме работы являются глобальность рабочей зоны, высокие доступность, точность и надежность при непрерывности навигационных определений, а в дифференциальном режиме - возможность повышения точности и надежности навигационных определений в рабочей зоне дифференциальной подсистемы. Погрешности определения местоположения СНС Глонасс и GPS при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме не превышают соответственно 45м и 100м, а в дифференциальном режиме - 10м с вероятностью 95%. Исходя из перспективных возможностей СНС, связанных с совместным использованием систем Глонасс и GPS, а также вводом в эксплуатацию функциональных дополнений СНС, обеспечивающих улучшение основных характеристик СНС за счет реализации дифференциального режима и специальных систем контроля работоспособности СНС и оперативной передачи данных о целостности, указанные системы смогут удовлетворить основные требования морских потребителей к будущей глобальной навигационной спутниковой системе.
Находящиеся в эксплуатации спутниковые навигационные
системы Глонасс и GPS в
·
· часто.
Наиболее рациональным путем устранения указанных недостатков и улучшения основных характеристик систем Глонасс и GPS, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима работы этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем СНС.
Морские дифференциальные подсистемы СНС должны работать непрерывно и возможность получения надежных навигационных определений в реальном масштабе времени с интервалами не более 5-10 с. Погрешности определения места увеличиваются с увеличением расстояния от опорной станции и старением дифференциальных поправок, но они не должны превышать 10м в рабочей зоне с вероятностью 0,95.
Предлагаемое оснащение опорными дифференциальными станциями позволит удовлетворить не только потребности общего мореплавания, но и нужды речников, рыбаков, гидрографов и промысловиков, для которых особо важными являются районы Баренцева и Карского морей, прибрежные воды Сахалина и северная часть Каспийского моря, а также районы внутренних водных путей.
В феврале
На основе использования высокоточных средств спутниковой навигации ИМО предполагает осуществить широкое внедрение на морском флоте следующих перспективных систем судовождения: - авторулевых, обеспечивающих управление по траектории; - электронных картографических систем (ЭКС); - автоматических информационных систем (АИС). Оснащение ими морских судов предусмотрено проектом новой Главы 5 Международной Конвенции по охране человеческой жизни на море (Конвенции СОЛАС), которая действует с 2000 года.
3. Автоматическая информационная (идентификационная) система.
Особый интерес для меня среди этих средств имеет автоматическая информационная (идентификационная) система (АИС), которая предназначена:
- для обмена навигационными данными между судами при их
расхождении в море;
- для передачи данных о судне и его грузе в береговые службы (БС)
при его плавании в районах с обязательным оповещением; - для передачи с судна навигационных данных в береговую СУДС для
обеспечения более точной и надежной его проводки в зоне действия
системы.
Согласно Главе 5 Конвенции СОЛАС судовое оборудование АИС (транспондеры) внедряется как обязательное на судах вместимостью свыше 5000т, перевозящих опасные грузы, с 2000г. Одновременно идет оснащение наземным оборудованием АИС районов с обязательным оповещением - (Датские проливы, Английский канал, район Австралийского Барьерного рифа, подходы к некоторым портам США и другие районы). Национальные власти отдельных государств могут установить такое оборудование в любых районах своего побережья для контроля за судоходством в прибрежных водах страны и вводить в них зоны обязательного оповещения.
С 1 июля 2002 года введено обязательное
оснащение транспондерами АИС всех морских судов вместимостью 300 рег.т. и
более. В соответствие с положениями новой Главы 5 национальные Администрации
смогут обязать устанавливать такие транспондеры и на судах меньшего размера для
контроля за ними при их плавании вблизи берегов.
Учитывая, что одной из функций АИС является обеспечение
безопасного расхождения, то следовательно транспондерами необходимо будет
оснащать не только транспортные суда, но и все другие плавающие в море
рыболовные суда, военно-морские и пограничные корабли.
В мае
Указанная судовая аппаратура должна быть способна по запросу другого транспондера, размещенного на другом судне или на берегу, передать по выделенному каналу УКВ-связи данные о своем судне (его позывные, тип судна и его размеры), навигационные параметры (местоположение судна, время, курс, путь и скорость относительно грунта, состояние судна, его осадку и другие характеристики), данные о рейсе судна (характер груза, порт назначения и время прибытия), а также другие необходимые сообщения, касающиеся безопасности плавания. Частота передачи данных транспондером дифференцируется в зависимости от их важности. Навигационные параметры, знание которых необходимо для расхождения судов, передаются с дискретностью в несколько секунд, а данные о судне и его грузе транслируются с периодичностью 6 мин или по запросу. Для выработки передаваемых данных судовой транспондер будет сопряжен с уже имеющимися на судне гирокомпасом, лагом и аппаратурой спутниковой навигации, включающей в себя также приемник дифференциальных поправок, что позволяет выдавать данные о местоположении c метровой точностью.
На другом судне, автоматически принимающем указанные данные, его транспондер будет выдавать получаемую информацию на экран САРП, или радиолокатора или на индикатор системы электронной картографии. В береговых службах, оснащенных подобным транспондером, поступающие данные вводятся в компьютер и выдаются на дисплей ЭВМ или экран СУДС. Обобщенная информация о навигационной обстановке вблизи СУДС может также через транспондер передаваться с берега на суда плавающие в этом районе. Это позволит судну, получающему эту информацию, иметь у себя на САРП или электронной карте высокоточную картину окружающей обстановки, наблюдая при этом даже суда и объекты, невидимые для судовой РЛС. В результате использования АИС получены следующие положительные результаты: - благодаря организации с помощью транспондеров межсудового обмена навигационными данными будет повышена надежность и эффективность расхождения судов в море и следовательно безопасность их плавания; - благодаря передачи на СУДС с судов с помощью транспондеров навигационных данных, включая высокоточные полученные от дифференциальных станций ГНСС координаты их текущего местоположения, будет расширена зона контроля за судоходством со стороны СУДС и повышены качество и надежность проводки судов в узкостях и стесненных водах и следовательно безопасность мореплавания; - благодаря неограниченной возможности запроса и автоматического получения через транспондер необходимых данных о судне будет обеспечен эффективный контроль за ним со стороны портовых властей, морских Администраций и других береговых служб, а также со стороны кораблей ФПС и ВМФ при следовании судна в территориальных водах страны; - благодаря получению на судне через транспондер с СУДС более детальной навигационной информации об окружающей обстановке судоводители будут иметь возможность наблюдать на экране индикатора суда и другие объекты, невидимые для судовой РЛС (т.е. находящиеся за поворотом реки или за островами в узостях, шхерах и т.д.);
- при использовании АИС может быть расширена зона наблюдения СУДС и введен контроль за судоходством на реках без установки дополнительных береговых РЛС, что даст значительный экономический эффект; - организация на основе использования АИС контроля за судоходством позволит повысить эффективность поисково-спасательных операций благодаря более точному знанию координат аварийного судна и положения судов ближайших к месту бедствия;
- с помощью АИС может быть обеспечена передача на суда, плавающие в прибрежных водах, навигационной и метеоинформации; - применение АИС на рыболовных судах позволить осуществлять контроль за ними в районах промысла;
- благодаря передачи с судна на судно с помощью транспондеров высокоточных навигационных данных судоводители смогут наблюдать на экране САРП более точную и оперативную информацию о параметрах движения и маневрирования приближающегося судна.
Необходимость организации единой службы контроля и управления судоходством определяется также принятием 31 июля 1998г. Федерального Закона РФ №155-ФЗ "О внутренних морских водах, территориальном море и прилежащей зоне Российской Федерации", предусматривающий принятие мер по обеспечению безопасности судоходства и регулированию движением судов, защите и сохранению окружающей водной среды, предотвращению нарушений пограничных, таможенных, налоговых, санитарных и других правил, установленных законами и нормативными правовыми актами страны.
4. Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему.
Спутниковой радионавигационной системой принято называть систему, в которой группировка ИСЗ выполняет роль опорных радионавигационных точек. К числу таких систем относятся NAVSTAR (США) и "Глонасс" (Россия). В переводе: NAVSTAR (Navigation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System)
В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, а аппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналов ИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данных навигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются только на самом объекте, т.е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятое название этой аппаратуры - аппаратура потребителя спутниковой навигации (АПСН).
Схема построения системы радиоместоопределения и сопровождения подвижных объектов на основе спутниковой радионавигационной системы представлена на Рис. 1.
|
Рис.1 Схема построения системы радиоместоопределения. |
Аппаратура, устанавливаемая на подвижном объекте - аппаратура потребителя, осуществляет прием на направленную антенну навигационных сигналов одновременно от нескольких ИСЗ (не менее 4-х), находящихся в зоне видимости. По поступающей от ИСЗ кодовой информации о параметрах излучаемого со спутника сигнала, а также данных об орбитальных параметрах движения ИСЗ (эфемеридная информация) в ЭВМ аппаратуры потребителя по заложенным алгоритмам определяются географические координаты подвижного объекта, скорость и направление движения.
Данные о координатах и скорости подвижного объекта могут представляться потребителю в визуальной форме на табло и запоминаются с регистрацией времени измерения.
Для передачи навигационных параметров подвижного объекта в центр сбора данных на подвижном объекте используется отдельный канал связи подвижной спутниковой службы (ПСС). В данной схеме указан канал спутниковой связи подвижного объекта с наземной станцией центра сбора через геостационарный спутник связи (ГСС). Сеанс измерения навигационных параметров и их передача от подвижного объекта включается по запросу из центра сбора. При этом не требуется вмешательства оператора на подвижном объекте.
Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (Navigation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System) создана для высокоточного навигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, воздухе, на земле и в воде.
В ее состав входят навигационные спутники, наземный комплекс управления и аппаратура потребителей (пользователей). Применяемый в системе принцип состоит в том, что специальные приемники, установленные у потребителей, измеряют дальности до нескольких спутников и определяют свои координаты по точкам пересечения поверхностей равного удаления. Величина временной задержки определяется сопоставлением кодов сигналов, излучаемых спутником и генерируемых приемным устройством, методом временного сдвига до их совпадения. Временной сдвиг определяется по часам приемника. Для нахождения широты, долготы, высоты и исключения ошибок в определении временного сдвига, приемник пользователя должен “видеть” и принимать навигационные сигналы от четырех спутников.
Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS
5. Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи.
Широкое развитие спутниковой связи на основе геостационарных спутников, вращающихся на экваториальных орбитах с периодом 24 часа, позволили использовать эти спутники как неподвижные опорные радионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижных объектов.
Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными спутниками связи представлена на Рис. 2.
Примером таких систем могут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).
Рис.2. Схема построения системы местоопределения.
Спутники ГСС-1 и ГСС-2 выполняют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижного объекта. При этом ГСС-1 обеспечивает ретрансляцию сигналов от наземной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС-2 только от подвижного объекта к наземной станции.
Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземной станции устанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.
В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземной станции.
Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены или соединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным, спутниковым).
6. Глобальная навигационная спутниковая система
|
Назначение:
Обеспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.
С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации Международная организация гражданской авиации и Международная морская организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в качестве международных.
Характеристики:
|
Зона обслуживания |
Глобально по поверхности Земли в воздушном и околоземном космическом пространстве |
|
Возможность использования |
В любой момент, независимо от времени суток, года и метеоусловий |
|
Точность навигационных определений (вероятность 0,95): в стандартном режиме: |
|
|
- по плановым координатам |
» 20м |
|
- по высоте |
» 30м |
|
- по скорости |
5 м/с |
|
- по времени привязки к Госэталону |
0,7 мкс |
|
в дифференциальном режиме |
от 0,1м до 5м |
|
Доступность |
99,64% |
|
Количество КА в орбитальной группировке |
24 (по 8 КА в трех плоскостях) |
|
Орбита |
круговая |
|
- высота |
19140км |
|
- наклонение |
64,8° |
|
Частотный диапазон |
» 1,6 ГГц |
|
- частота L1 |
» 1,2 ГГц |
|
Гарантированный срок функционирования КА |
7 лет |
|
Средства выведения: |
|
|
- одиночный запуск с космодрома Плесецк |
РН "Союз-2" и РБ "Фрегат" |
|
- групповой запуск (3 КА) с к. Байконур |
РН "Протон" и РБ "Бриз-М" |
7. Система Глобального Позиционирования (GPS).
Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.
Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 20м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.
Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995г. сеть имела 24 спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты. Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.
8. Заключение.
Перспективы развития ГЛОНАСС.
В настоящее время на базе системы ГЛОНАСС предполагается создание Единой глобальной системы координатно-временного обеспечения (ЕС КВО). Кроме спутниковой системы, ЕС КВО включает:
·
·
·
·
Совместное использование для навигации двух систем - ГЛОНАСС и GPS, дает пользователям дополнительные преимущества, главными из которых являются повышение достоверности навигационного определения за счет увеличения числа доступных КА в зоне радиовидимости потребителя. Целый ряд предпосылок существенно облегчает интеграцию двух систем, в частности, приводя лишь к незначительному усложнению и удорожанию комбинированных приемников ГЛОНАСС - GPS. К таким предпосылкам можно отнести:
- схожесть принципов синхронизации и измерения навигационных
параметров;
- малое различие в используемых системах координат;
- близкий частотный диапазон;
- общность принципов баллистического построения;
- готовность правительств России и США предоставить системы для
использования различными потребителями мирового сообщества.
КНС ГЛОНАСС является национальным достоянием России. Распоряжением Президента РФ от 18.02.99 г. поручено Правительству РФ принять меры по безусловному сохранению и развитию КНС ГЛОНАСС и увеличению количества пользователей системы. Во исполнение этого распоряжения Правительство РФ в 22.03.99 г. приняло постановление, в котором определена ответственность федеральных органов исполнительной власти за поддержание и развитие КНС ГЛОНАСС и представлен "План первоочередных мероприятий по сохранению и развитию КНС ГЛОНАСС".
В соответствии с этим планом разработана "Программа поддержания и развития КНС ГЛОНАСС на период до 2003 года", в которой предусматривались мероприятия по безусловному сохранению КНС ГЛОНАСС, а так же ускоренное оснащение отечественного парка пользователей, работающих одновременно по сигналам от двух систем: ГЛОНАСС и GPS.
Программа развития космической навигации России базируется на следующих принципах:
- Модернизация КНС осуществляется поэтапно с учетом реальных возможностей промышленности и бюджетного финансирования;
- Государство гарантирует международному сообществу поддержание
КНС с требуемыми характеристиками на период до
- Разработка и эксплуатация системы учитывает возможность сотрудничества с другими странами в части координации использования КНС, внедрения передовых технологий, элементной базы;
- Навигационный сигнал КНС ГЛОНАСС сертифицирован на соответствие международным стандартам;
- Точностные характеристики КНС (СКО) в пределах 1 -
- Выполнение требований по целостности и оперативному оповещению потребителей о состоянии системы осуществляется с помощью оперативного канала мониторинга целостности системы;
Долговременная программа развития КНС реализовывается по следующим укрупненным этапам.
Этап 1 (до
Этап 2 (до
Этап 3 (до
9. ГЛОССАРИЙ
GPS (Global Positioning Systems) — глобальная система позиционирования. ГЛОНАСС (ГНСС)— глобальная навигационная спутниковая система.
NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging) — навигационная система
определения времени и дальности.
СНС – спутниковые навигационные системы СРНС – спутниковая радионавигационная система
ЕС КВО – Единая глобальная система координатно-временного обеспечения
ИСЗ – искусственный спутник Земли
НС – навигационный спутник
КА – космический аппарат
НКА – навигационный КА
ГСС – геостационарные спутники связи
АИС - автоматическая информационная (идентификационная) система
-
Литература.
- Богданов В.А., Сорочинский В.А., Якшевич Е.В. "Спутниковые системы морской навигации." – М.: Транспорт, 1987.
- Баранов Ю.К. "Определение места судна с помощью навигационных спутников." - М.: Транспорт, 1984.
- Журнал «Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации», № 4, 1999г.
- http://www.geokosmos.ru
- http://www.mcc.rsa.ru