Daniel Józef Bem - Nawigacja satelitarna - skrypt, Żeglarstwo
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Daniel Józef Bem NAWIGACJA SATELITARNA Wrocaw 2001 Sorc® Daniel Józef Bem, Nawigacja satelitarna Strona - 2 - Spis tre%ci 1. WPROWADZENIE 3 2. PODSTAWOWE POJCIA STOSOWANE W NAWIGACJI 4 3. CHARAKTERYSTYKA SATELITARNYCH SYSTEMÓW NAWIGACYJNYCH 6 4. UKADY WSPÓRZDNYCH 7 4.1. G EOCENTRYCZNY INERCYJNY UKAD WSPÓRZDNYCH 4.2. G EOCENTRYCZNY OBRACAJ"CY SI WRAZ Z Z IEMI" UKAD WSPÓRZDNYCH 4.3. $ WIATOWY SYSTEM GEODEZYJNY (WGS-84) 5. ORBITY SZTUCZNYCH SATELITÓW ZIEMI 11 6. SYSTEM NAWIGACJI SATELITARNEJ NAVSTAR GPS 18 6.1. K RÓTKA CHARAKTERYSTYKA 6.2. K ONSTELACJA GPS 6.3. I NFORMACJA NAWIGACYJNA 6.4. O KRE$LENIE POZYCJI U,YTKOWNIKA 6.5. B "D OKRE$LENIA POZYCJI U,YTKOWNIKA 6.6. E FEKTY RELATYWISTYCZNE 6.7. R Ó,NICOWE SYSTEMY GPS BIBLIOGRAFIA 32 Daniel Józef Bem, Nawigacja satelitarna Strona - 3 - 1. Wprowadzenie Nawigacja zajmuje si procesem kierowania ruchami pojazdów (l#dowych, morskich, powietrznych, kosmicznych) z jednego punktu do drugiego. W pierwszych podró(ach cz)owiek u(ywa) swoich zmys)ów do okre*lania kierunku, odleg)o*ci, prdko*ci i pozycji obiektu, w którym podró(owa). Nie by)o to zbyt trudne na l#dzie bogatym w ró(norodne punkty orientacyjne. Kiedy jednak cz)owiek sta) si na tyle *mia)y, aby wyp)yn#- na morze, wówczas musia) sign#- do pomocy przyrz#dów u)atwiaj#cych obserwacj zjawisk przyrody (wiatru, fal wody, cia) niebieskich). Przez wiele wieków jednak nawigacja by)a raczej sztuk# ni( nauk#. Pod koniec dwudziestego stulecia nawigacja rozwin)a si w wiedz, umo(liwiaj#c# cz)owiekowi podró(owanie zarówno na Ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej, wykorzystuj#c w wysokim stopniu najnowsze osi#gnicia matematyki, elektroniki, mechaniki, ekonomii i filozofii. Przekszta)cenie nawigacji ze sztuki w wiedz odby)o si stosunkowo niedawno i jest *ci*le zwi#zane z rozwojem teorii systemów, matematyki, informatyki i technologii elektronowej. Podstawowym zadaniem nawigacji jest doprowadzenie poruszaj#cego si pojazdu (l#dowego, morskiego, powietrznego, kosmicznego) do okre*lonego punktu z za)o(on# dok)adno*ci# i we w)a*ciwym czasie. W celu dok)adnego wykonania tego zadania stosuje si ró(ne urz#dzenia i systemy nawigacyjne, w*ród których mo(na wyró(ni-: - mechaniczne i elektromechaniczne (logi, (yrokompasy, inercyjne systemy nawigacyjne), - magnetyczne (kompasy magnetyczne, magnetometry), - optyczne i kwantowo-optyczne (sekstanty, pelengatory podczerwieni, dalmierze, lokatory optyczne), - akustyczne i hydroakustyczne (pelengatory akustyczne, echosondy, hydrolokatory), - radiolokacyjne (dalmierze), - radiowe. Wszystkie wymienione *rodki nawigacyjne mog# by- stosowane w rozmaitych warunkach, a w celu zwikszenia dok)adno*ci okre*lenia pozycji statku informacje z nich otrzymane musz# by- wzajemnie uzupe)niane. Zastosowanie ka(dego z tych *rodków oddzielnie nie zawsze jest mo(liwe, ze wzgldu na z)e warunki meteorologiczne, ograniczon# widoczno*- ziemskich i niebieskich punktów orientacyjnych, dzia)anie anomalii magnetycznych na wskazania kompasu, zak)ócenia wystpuj#ce na S)o1cu oraz burze magnetyczne powoduj#ce pogorszenie si warunków rozchodzenia si fal radiowych itd. Z tego wzgldu w celu wykonania zada1 nawigacyjnych na pojazdach instaluje si ró(ne przyrz#dy i urz#dzenia nawigacyjne, które umo(liwiaj# okre*lenie pozycji pojazdu w zale(no*ci od ró(nych warunków, w jakich pojazd si znajduje. Szczególnie jest to istotne w warunkach d)ugotrwa)ego poruszania si pojazdu w rejonach nie zbadanych i pozbawionych znaków orientacyjnych (np. okrty podwodne p)ywaj#ce w zanurzeniu). Szczególnie atrakcyjne s# systemy radionawigacyjne. Ju( pierwsi u(ytkownicy radia stwierdzili, (e mo(e ono zapewni- zarówno )#czno*-, jak i informacj nawigacyjn#. Pocz#tkowo zastosowanie radia w nawigacji by)o ograniczone do wykonywania namiarów na istniej#ce radiostacje komunikacyjne, a pó2niej tak(e radiofoniczne. Z biegiem czasu rozwin)y si wyspecjalizowane systemy radionawigacyjne. Urz#dzenia i systemy radionawigacyjne umo(liwiaj# otrzymanie okre*lonych informacji o parametrach nawigacyjnych i mog# by- stosowane samodzielnie lub te( kompleksowo. W zale(no*ci od rodzaju wyposa(enia mog# one by- autonomiczne lub zale(ne. Aparatura autonomicznych *rodków nawigacyjnych jest zainstalowana na pok)adzie pojazdu, a okre*lenie parametrów nawigacyjnych odbywa si bez otrzymywania informacji powsta)ych z wykorzystaniem innych urz#dze1 radionawigacyjnych. Zale(ne *rodki tworz# systemy radionawigacyjne sk)adaj#ce si z pok)adowego (ruchomego) i naziemnego (zasadniczo stacjonarnego) wyposa(enia. Urz#dzenia i systemy radionawigacyjne, w zale(no*ci od zestawu wykonywanych zada1 i ich wykorzystania, mo(na scharakteryzowa- przez: - zasig dzia)ania, czyli najwiksz# odleg)o*- pomidzy pojazdem i punktem radionawigacyjnym, w której uzyskuje si jeszcze wymagan# dok)adno*- (wed)ug zasigu Daniel Józef Bem, Nawigacja satelitarna Strona - 4 - dzia)ania systemy radionawigacyjne dzieli si na systemy bliskiego (do 800 km), *redniego (do 3000 km) i dalekiego (powy(ej 3000 km) zasigu); - dok)adno*- pomiaru parametrów nawigacyjnych, które okre*la przeznaczenie urz#dze1 i systemów radionawigacyjnych; - szybko*- uzyskiwania danych (co jest szczególnie wa(ne w lotnictwie i technice rakietowej); - przepustowo*-, czyli zdolno*- systemu do jednoczesnego obs)ugiwania okre*lonej liczby obiektów; - odporno*- na zak)ócenia; - niezawodno*-; - ekonomiczno*-; - rozmiary i masa, które maj# szczególne znaczenie przy umieszczaniu urz#dze1 na samolotach i rakietach; - zdolno*- do pracy w okre*lonych warunkach *rodowiskowych. 2. Podstawowe poj*cia stosowane w nawigacji Podczas prowadzenia pojazdu i okre*lania jego pozycji stosuje si nastpuj#ce podstawowe pojcia: - prdko pojazdu , która charakteryzuje si przesuniciem jego *rodka ci(ko*ci w jednostce czasu, - tor ruchu pojazdu , którym jest linia, jak# zakre*la w przestrzeni *rodek ci(ko*ci pojazdu, - trasa , czyli rzut toru na powierzchni Ziemi, - kurs , którym jest k#t mierzony w p)aszczy2nie poziomej midzy kierunkiem pó)nocnym po)udnika przechodz#cego przez *rodek ci(ko*ci pojazdu i jego pod)u(n# osi#, - namiar , który jest k#tem mierzonym w p)aszczy2nie poziomej midzy pó)nocnym kierunkiem po)udnika przechodz#cego przez *rodek ci(ko*ci pojazdu i kierunkiem na dany punkt orientacyjny, - pozycja w dowolnym czasie , która okre*la rzut *rodka ci(ko*ci pojazdu na powierzchni Ziemi, - pozycja obserwowana , czyli otrzymana na podstawie obserwacji przedmiotów sta)ych, których po)o(enie jest *ci*le okre*lone na mapie lub na podstawie obserwacji cia) niebieskich, - pozycja zliczona , któr# jest miejsce pojazdu liczone od ostatniej pozycji obserwowanej, a otrzymane na podstawie znajomo*ci kursu rzeczywistego i przebytej odleg)o*ci stwierdzonej wed)ug przyrz#dów, z uwzgldnieniem oddzia)ywania si) zewntrznych (pr#dów morskich, wiatrów). Zasadniczo pozycj pojazdu okre*la si w stosunku do powierzchni Ziemi wed)ug przyjtego uk)adu wspó)rzdnych. Podczas lotu w przestrzeni kosmicznej wspó)rzdne pojazdu kosmicznego okre*la si w stosunku do planet i gwiazd, których po)o(enie w przestrzeni jest znane. W celu okre*lenia pozycji pojazdu za pomoc# *rodków technicznych, wyznacza si okre*lone parametry nawigacyjne, jak np. odleg)o*- od oznaczonych punktów na Ziemi lub k#ty, pod jakimi te punkty s# widoczne ze pojazdu; parametry te nie s# wspó)rzdnymi geograficznymi. Mierzone parametry nawigacyjne i wspó)rzdne geograficzne s# ze sob# zwi#zane okre*lonymi równaniami, których graficzne rozwi#zania stanowi# tzw. linie pozycyjne . Lini# pozycyjn# nazywa si miejsce geometryczne punktów na powierzchni Ziemi, odpowiadaj#cej sta)ej warto*ci mierzonej wielko*ci, a wic k#ta, odleg)o*ci, ró(nicy lub sumy odleg)o*ci. Na przyk)ad lini# pozycyjn#, czyli miejscem geometrycznym punktów na powierzchni Ziemi, z których pomierzona zosta)a w okre*lonym momencie wysoko*- obserwowanej gwiazdy jest okr#g, którego *rodkiem jest rzut gwiazdy (punkt podgwiezdny), a promieniem sferycznym odmierzona odleg)o*- zenitalna, czyli dope)nienie wysoko*ci. Jedna obserwacja daje tylko jedn# lini pozycyjn#, dwie ró(ne obserwacje dokonane w jednym momencie daj# dwie linie pozycyjne, w których przeciciu znajduje si miejsce obserwacji. Ka(dy system nawigacyjny charakteryzuje si *ci*le okre*lon# lini# pozycyjn#. Rozpatrzmy g)ówne linie pozycyjne spotykane w systemach nawigacyjnych. Daniel Józef Bem, Nawigacja satelitarna Strona - 5 - Ortodroma jest lini# najkrótszej odleg)o*ci midzy dwoma punktami na powierzchni kuli. Jak wynika z podstawowych poj- geometrii, najkrótsz# odleg)o*ci# na powierzchni kuli pomidzy dwoma punktami jest )uk ko)a wielkiego. Rys 2.1. Ortodroma Jak wida- na rysunku 2.1, )uk ko)a wielkiego przechodz#cego przez dwa dane punkty jest nie tylko najkrótszym, ale równie( jedynym. Wynika st#d wniosek, (e przez dwa punkty na powierzchni Ziemi nie le(#ce na przeciwleg)ych ko1cach *rednicy kuli ziemskiej mo(na przeprowadzi- tylko jedn# ortodrom. Ortodroma jest wic lini# pozycyjn# wszystkich punktów, których suma odleg)o*ci od dwóch punktów danych znajduj#cych si na niej jest sta)a i najmniejsza. Linia równych namiarów (lub linia równych azymutów ) jest to linia pozycyjna na sferze, maj#ca t w)a*ciwo*-, (e z ka(dego punktu tej linii namiar (azymut) na pewien punkt sta)y jest zawsze taki sam (rys. 2.2). Rys. 2.2. Linie równych namiarów Linia równych odlegoci jest to linia pozycyjna, której wszystkie punkty znajduj# si w jednakowej odleg)o*ci od danego punktu T (rys. 2.3). Linia ta jest zwi#zana z systemami radionawigacyjnymi opartymi na pomiarach odleg)o*ci. Rys. 2.3. Linie równych odleg)o*ci Linia równych sum odlegoci jest to linia pozycyjna, której wszystkie punkty s# w takich odleg)o*ciach od dwóch danych punktów T 1 i T 2 (rys. 2.4), (e sumy tych odleg)o*ci s# wielko*ci# sta)a. Wykres tej linii na p)aszczy2nie przedstawia elips, na powierzchni kuli za* elips sferyczn#. Rys. 2.4. Linie równych sum odleg)o*ci Linia równych rónic odlegoci jest to linia pozycyjna, bd#ca miejscem geometrycznych punktów, których ró(nica odleg)o*ci od dwóch punktów o znanych pozycjach jest sta)a. Dla obserwatora znajduj#cego si w dowolnym punkcie R linii pozycyjnej (rys. 2.5) ró(nica odleg)o*ci ( d 1 - d 2 ) od tego punktu do dwóch punktów T 1 i T 2 (których po)o(enie jest okre*lone) jest sta)a i równa 2 a . W przypadku rozpatrywania zagadnienia na p)aszczy2nie omawiana linia pozycyjna jest hiperbol#, a na powierzchni kuli - hiperbol# sferyczn#. [ Pobierz całość w formacie PDF ] |