ACCURACY INCREASE OF DETERMINING NAVIGATION PARAMETERS FOR LONG-RANGE RADIONAVIGATION SYSTEMS

Texto integral

Введение. Несмотря на широкое распространение спутниковых радионавигационных систем наземные средства и системы радионавигации продолжают играть важную роль в координатно-временном обеспечении морских объектов. Наиболее экономически оправданным в морских условиях является использование систем дальней радионавигации (СДН) [1], поскольку данные системы обеспечивают наибольшую площадь рабочей зоны. Для обеспечения наибольшей дальности действия и упрощения построения СДН как правило обеспечивают работу в разностно-дальномерном режиме, а излучение сигналов осуществляется в диапазоне километровых или мириаметровых волн. Все СДН работают на расстояниях до нескольких тысяч километров, при этом требуемая дальность действия систем обеспечивается при помощи поверхностных волн. Виды радионавигационных систем дальней навигации. Основными элементом СДН являются сети синхронизированных между собой опорных станций (ОС), располагаемых в точках с известными координатами, при этом передатчики станций как правило синхронизированы со шкалой всемирного координированного времени UTС. К системам дальней навигации относят СДН Loran-C и Omega [2]. Основные технические характеристики данных СДН приведены в таблице [1]. Система Loran-C является импульсно-фазовой СДН, основу которой составляют цепочки из одной ведущей (M) и двух-четырех ведомых (W, X, Y, Z) ОС, работающих в диапазоне длинных волн, где значение несущей частоты составляет около 100 кГц. Зоны действия цепочек перекрывают основные трансокеанские маршруты, а также прибрежные районы ряда стран. Импульсный характер сигналов ОС используется для разрешения неоднозначности фазовых измерений. Российским аналогом СДН Loran-C является система «Чайка». Система Omega - фазовая СДН, основу которой составляют восемь независимых ОС (A, B, C, ..., H), расположенных так, чтобы получить глобальную зону действия (рис. 1). Глобальность системы достигается за счет использования диапазона сверхдлинных волн (значения несущих частот составляют от 11 до 14 кГц), которые огибают Землю и слабо поглощаются при распространении. Помимо СДН в радионавигационном плане Российской Федерации указывается на необходимость использования радионавигационных систем (РНС) ближней навигации [3; 4]. Данные системы работают в средневолновом (СВ) диапазоне. Примерами СВ РНС являются система «Брас», которая выпускалась для морского обеспечения, начиная с 1970-х годов, а также РНС «Спрут», разрабатываемая в Сибирском федеральном университете совместно с АО «НПП «Радиосвязь» г. Красноярска. Данная система обеспечивает дальность действия до 600 км при работе в частотном диапазоне 1,6-2,2 МГц [5-8]. Основные технические характеристики СДН Параметр Loran-C Omega Дальность действия днем (ночью), тыс. км 2,2-2,6 Глобальная Погрешность линии положения (2σЛП), км 0,2 (0,6) 1,85 (3,7) Погрешность определения местоположения (2σМ), км: прогнозируемая повторяющаяся 0,46 0,018-0,09 3,7-7,4 3,7-7,4 Возможное число измерений за 10 с 100-200 1 Возможность разрешения многозначности Имеется Требуется знание местоположения с точностью ± 66,7 км Диапазон частот, кГц 100 10-14 Число частотно-кодовых каналов 24 24 База системы, тыс. км 0,9-1,5 9-15 Рис. 1. Расстановка опорных станций СДН «Омега» Необходимость учета параметров подстилающей поверхности в РНС. Недостатком рассмотренных систем является то, что работа в перечисленных диапазонах СДВ, ДВ и СВ приводит к появлению дополнительной погрешности измерений, обусловленной влиянием подстилающей поверхности [2; 9]. Данная составляющая погрешности может существенно исказить результаты измерений радионавигационных параметров и, как следствие, координат определяющихся объектов. Для определения поправок к измеренным значениям радионавигационных параметров (РНП) требуется учет таких параметров подстилающей поверхности, как удельная проводимость σ и диэлектрическая проницаемость ε подстилающей поверхности. Методики учета данных параметров при расчете поправок к измеренным значениям РНП описаны в соответствующей литературе, например в [10], и могут быть использованы в программах вторичной обработки результатов радионавигационных измерений, выполняемых СДН или РНС. Аппаратура электромагнитных методов. Рассмотрим аппаратуру определения параметров подстилающей поверхности, которая может быть использована для определения проводимости и диэлектрической проницаемости морской воды или участков суши, лежащих на трассе распространения радиоволн. Аппаратура электромагнитных методов (ЭММ), основанная на применении гармонических электромагнитных полей, разработана отделом геофизики ОАО «Алмаззолотоавтоматика» совместно с кафедрой радиоэлектронных систем Сибирского федерального университета [11]. В настоящее время выпуск и модернизацию аппаратуры продолжает Сибирский федеральный университет. Измерения в частотном диапазоне от 19,5 Гц до 2,25 МГц могут проводиться с помощью следующих комплексов аппаратуры ЭММ: - комплекс аппаратуры низкочастотной (КАН-ЭММ) - диапазон частот 19,5-10·103 Гц; - комплекс аппаратуры среднечастотной (КАС-ЭММ) - (20-160)·103 Гц (рис. 2); - комплекс аппаратуры высокочастотной (КАВ-ЭММ) - (281-2250)·103 Гц. Рис. 1. Комплекс аппаратуры среднечастотной КАС-ЭММ (20-160 кГц): 1 - передатчик; 2 - микровольтметр; 3 - передающая (приемная) антенна Принцип действия аппаратуры ЭММ. Принцип работы аппаратуры ЭММ состоит в том, что в исследуемой среде при помощи подключенного к антенне генератора создается гармоническое электромагнитное поле, характер распространения которого зависит от электромагнитных свойств среды. Источником поля является передающая магнитная антенна. С помощью приёмной антенны, расположенной на расстоянии от передающей, измеряются последовательно во времени амплитуды вертикальной и продольной составляющих магнитного поля, а также разность их фаз . При дополнении аппаратуры угломерным устройством могут быть напрямую измерены следующие элементы эллипса поляризации магнитного поля в точке приема: большая полуось эллипса поляризации a, малая полуось эллипса поляризации b и угол наклона большой полуоси эллипса поляризации магнитного поля к горизонту . Используя измеренные параметры , , или , , можно определить диэлектрическую проницаемость среды ε и удельную электрическую проводимость σ (или удельное электрическое сопротивление ). Благодаря индуктивному (бесконтактному) способу возбуждения и приёма электромагнитного поля, аппаратура позволяет выполнять полевые работы практически в любое время года и независимо от состояния поверхности исследуемых площадей (снежный и ледяной покровы, вода, мёрзлые породы, скальные грунты, крупноглыбовые осыпи, сухие пески и т. п.) в тайге, тундре, пустыне и на морских акваториях. Расчет проводимости и диэлектрической проницаемости. Известно несколько вариантов раздельного определения величин ρ и ε путем одновременного изучения двух различных характеристик электромагнитного поля (ЭМП) [12; 13]. Различные варианты (и соответствующие им измерительные установки) имеют разную разрешающую способность и сложность построения аппаратуры [14]. При проведении измерений с помощью комплексов КАС-ЭММ или КАВ-ЭММ целесообразно использовать вариант определения ρ и ε по измерениям угла наклона к горизонту большой полуоси эллипса поляризации магнитного поля и отношения амплитуд напряжённостей магнитного поля, соответствующих большой полуоси эллипса поляризации А к его малой полуоси В (А/В), которое равно отношению соответствующих магнитных чисел (). Магнитные числа , и угол рассчитываются по следующим формулам [15]: где и - модули магнитных чисел вертикальной и радиальной составляющих поля магнитного диполя; - разность их фаз [15; 16]. Магнитные числа и являются сложными функциями волнового числа среды k, математические выражения для которых приведены в [15]. В свою очередь, волновое число среды k зависит от σ и ε следующим образом [16]: где - угловая частота; - частота поля; - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 - диэлектрическая постоянная; ε - диэлектрическая проницаемость среды; - абсолютная магнитная проницаемость среды; - магнитная постоянная; μ - магнитная проницаемость среды (для немагнитных сред μ = 1, ); - мнимая единица. Сложность данных формул не позволяет получить аналитические выражения для σ и ε. Поэтому для их определения используется номограмма, построенная в координатах и , приведенная на рис. 3. Данная номограмма рассчитана при значении разноса установки r = 2,5 м и для рабочей частоты f = 2,25 МГц. Применена кусочно-линейная аппроксимация функций номограммы с переменным шагом по аргументу, находимым исходя из заданной погрешности интерполяции на каждом интервале. Значения функций в узлах интерполяции представлены в программе обработки в виде таблиц. По измеренным величинам и = определяются номера отрезков интерполяции, считываются из таблиц соответствующие границам этих отрезков значения функций и по формуле линейной интерполяции вычисляются и ε. Программа расчета параметров подстилающей поверхности. При работе в полевых условиях для автоматической обработки результатов геофизических измерений авторами разработана программа Geo2015, позволяющая автоматически выполнять расчет значений удельного сопротивления ρ, на основе которого определяется удельная проводимость подстилающей поверхности σ, а также диэлектрической проницаемости ε. Разработанная программа обеспечивает ввод исходных результатов измерений по интерфейсу USB-2.0 от приборов КАН, КАС и КАВ и работает под управлением операционной системы Windows XP/7. Вид главного окна разработанной программы приведен на рис. 4. В начале работы программа предлагает выбрать режим ввода результатов измерений прибора (поле «Главное меню» на рис. 4). При этом предусмотрено 2 режима ввода данных: - ввод с выбором, при котором пользователю предоставляется возможность выбора файла, который будет считан из прибора и обработан; - ввод всех данных - в этом случае из прибора вводятся и обрабатываются программой все имеющиеся в его памяти файлы измерений. Последний пункт главного меню «Выход» используется для выхода из программы Geo2015 по окончании обработки результатов измерений. Рис. 3 Номограмма для определения ρ и ε для r = 2,5 м, f = 2,25 МГц После выбора режима ввода результатов измерений программа предлагает выбрать номер последовательного порта компьютера (выпадающее меню с надписью «COM 9», показанное на рис. 4), который соединен с прибором. Затем в случае удачного подключения и выбора режима ввода с выбором исходных данных осуществляется выбор требуемого для обработки файла с использованием кнопок «Предыдущий», «Следующий» и «Выбрать» для подтверждения выбора. При этом в правой части окна рабочей программы индицируются данные, считанные из заголовков соответствующих файлов, в частности, дата выполнения измерений, номер файла в каталоге прибора, номер профиля наблюдений, рабочая частота измерений и ряд других параметров. При нажатии кнопки «Выбрать» выбранный файл обрабатывается и результаты обработанных измерений записываются в файл DDMM_NN.csv, где DDММ - день и месяц даты создания файла в каталоге прибора, NN - номер файла в каталоге прибора, csv -расширение файла. Полученный файл может в дальнейшем просматриваться и редактироваться в программе MicroSoft Office Excel. Примерный вид полученного файла обработанных результатов измерений приведен на рис. 5. Полученный файл содержит в своей структуре следующие результаты: - дата проведения измерений прибором; - номер файла в каталоге прибора; - удельное сопротивление ρ, вычисленное в соответствии с приведенными выше формулами (столбец 7 «Ro, Ом*м»), а также ряд других параметров. Используя полученные значения удельного сопротивления ρ, можно вычислить удельную проводимость . В настоящее время авторами проводится доработка программы с целью обеспечения автоматического вычисления значения диэлектрической проницаемости ε в приведенной программе geo2015.exe, что позволит в дальнейшем использовать эти параметры для вычисления поправок к значениям РНП. Рис. 4. Окно программы Geo2015 Рис. 5. Вид csv-файла обработанных результатов измерений Заключение. Таким образом, использование разработанной программы и алгоритмов вычисления электрических параметров подстилающей поверхности σ и ε совместно с аппаратурой ЭММ типа КАН (КАС, КАВ) позволяет выполнять расчет поправок к значениям РНП и повысить точность определения координат морских объектов при использовании РНС, работающих в низкочастотной части радиодиапазона. Следует отметить, что использование описанного прибора КАН не ограничивается радионавигационными системами СДВ, ДВ и СВ. Данный прибор может найти применение в связи, например, при определении параметров подстилающей поверхности в местах размещения передающих и приемных антенн и антенных полей. Естественно, разрабатываемая программа и приборы КАН-, КАС-, КАВ-ЭММ также могут найти применение и при решении задач разведки полезных ископаемых, для проведения которой они изначально проектировались.

Sobre autores

A. Aleshechkin

Siberian Federal University

Email: AAleshechkin@sfu-kras.ru
28, Kirenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation

O. Tronin

Siberian Federal University

28, Kirenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation

Bibliografia

Arquivos suplementares