Рассмотрим принцип работы всего комплекса фазовой радионавигационной системы "Декка" в целом. Этот комплекс состоит из цепочки береговых станций, судового приемоиндикатора и специальных радионагационных карт с нанесенным на них сетками гипорболических линий положения. Цепочка РНС "Декка" состоит из четырех (иногда трех) береговых станций, одна из которых ведущая, а остальные ведомые.
\r\nМесто судна обычно определяется по двум-трем радиопеленгам. Рассмотри ошибки определения ИРП с помощью судового радиопеленгатора, работающего на принципе приема минимума сигнала.
Точность определения ИРП зависит от ошибок в истинном курсе, РКУ и в радиодевиации. Средняя квадратичная ошибка ИРП может быть найдена по формуле
Направление распространения радиоволн совпадаетс дугой большого круга (ортодромией) - кратчайшим расстоянием между двумя точками на земном шаре. Ортодромия на меркаторской карте изображается кривой линией, обращенной выпуклостью к ближайшему полюсу.
Ортодромия служит навигационной изолинией обратного пеленга - с радиомаяка на судно. Зная истинный курс судна в момент пеленгования, можно рассчитать пеленг на радиомяк.
Радиопеленгатор - это радиоприемное устройство, предназначенное для определения направления на передающую станцию. Принцип действия радиопеленгатора имеют резко выраженные минимумы и максимумы силы приема. Ориентируя антенну соответствующим образом, можно получить, например, минимальную интенсивность принимаемых сигналов и таким образом определить направление (пеленг) на передающую радиостанцию.
\r\nРадотехнические средства (РТС) навигации позволяют определять место судна, пользуясь результатами измерений различных геометрических величин (навигационных параметров): пеленгов, расстояний, разностей расстояний.
\r\nОпределение места судна по радиолокационным маякам-ответчикам. Радиолокационные маяки-ответчики представляют собой устройства, излучающие электромагнитные импульсы и диапазоне судлвых РЛС в ответ на ее запросный сигнал. Они предназначены для создания активных радиолокационных ориентиров, обеспечивающих уверенное радиолокационное опознавание и определение места судна по пеленгу и расстоянию до них.
\r\nСуществует две группы способов использования судовой РЛС для определения места судна:
\r\n- по точечным ориентирам;
- по пространственным ориентирам.
Радиолокация - метод обнаружения в пространстве различных объектов посредством радиоволн. Этот метод реализуется в радиолокационных станциях (РЛС), действия которых основано на использовании явления отражения радиоволн от различных объектов, расположенных на пути их распределения.
\r\nСудовая РЛС - это установленная на судне РЛС, предназначенная для обнаружения и последующего наблюдения за берегом, судами, льдам и другими объектами, представляющими интерес для судоводителя.
\r\nСпособ определения места судна по двум горизонтальным углам можно применить, когда имеется сомнение в поправке компаса или когда требуется повышенная точность обсервации, например при ведении дноуглубительных работ, прокладке кабеля и др.
\r\nПри определении места по трем пеленгам в быстрой последовательности берут пеленги трех предметов А, В, С. Переводят их в истинные и прокладывают на карте. Если бы наблюдения не содержали ошибоки пеленги были взяты одновременно, то все три пеленга пересеклись бы в одной точке F, представляющей собой место судна.
\r\nВсе наблюдения, выполненные для определения места судна, являются, строго говоря, разновременными. Исключение составляют те относительно редкие случаи, когда измерени навигационных параметров производятся по общей команде несколькими наблюдателями.
\r\nОпределение места судна по пеленгам относится к визуальным способам определения места судна. Способ определения места судна по двум пеленгам - один из наиболее распространенных при плавании в узкостях или вдоль берега, вблизи навигационных опасностей.
\r\nСредним квадратическим кругом погрешностей места называют круг с центром в обсервованной или счислимой точке с радиусом, равным среднему квадратическому значению возможных погрешностей такой точки независимо от их направления. Эта оценка точности места выражается одним числом, которое обозначают mМ или М и называют также средней квадратической погрешностью (ошибкой) места или радиальной (круговой) погрешностью, подразумевая под этим круг погрешностей с таким радиусом.
\r\nЭллипс погрешности дает наиболее полные сведения о точности определения места. В прямоугольной системе координат xOy, начало которой и оси совмещены с центром и осями эллипса, его уравнение имеет вид
\r\n(x/caэ)2 + (y/cbэ)2 = 1,
где полуоси эллипса представлены в виде произведений с одинаковым сомножителем c. При разных значениях коэффициента с получаем семейство подобных эллипсов с общим центром. Чес больше значение с, тем больше эллипс и тем больше вероятность того, что он накрывает истинное место.
Для определения места судна необходимо и достаточно измерение двух навигационных параметров, изолинии которых имеют только одну общую точку в районе возможного нахождения судна.
\r\nСпособы определения места различают в судовождении по разным признакам, но в первую очередь в зависимости от того, какие ориентиры и с помощью каких средств наблюдаются.
\r\nЛинией положения называется прямая, заменяющая небольшой участок навигационной изолинии вблизи счислимого места судна. Это определение охватывает два вида линий положения, применяемых в судовождении: касательные и хорды.
\r\nПочти все измерения содержат в себе некоторые ошибки, поэтому измерив дистанцию, пеленг или угол, а после проложив на карте соответствующую измеренным данным изолинию, нельзя полагать, что судно будет двигаться по проложенной изолинии. Найти возможное смещение изолинии из-за ошибок наблюдений можно, пользуясь термином градиента функции.
\r\nЛиния, каждая точка которой соответсвует одному и тому же значению навигационного параметра, называется навигационной изолинией.
\r\nТаким образом, измерив навигационный параметр U, можно заключить, что данное судно в момент измерения находится на навигационной изолинии U=U(φ, λ), соответствующей этому параметру.
\r\nНавигационные параметры и функции являются основными понятиями теории навигации, связанными с определением места судна.
\r\nНавигационный параметр - это физическая величина, определяющая положение судна в пространстве. В общем случае он обозначается символом U. К навигационным параметрам относятся: направления, углы, расстояния, разности расстояний, скорости изменения расстояний и т.д.
\r\nКоэффициент точности счисления определяется двумя способами:
\r\nа) по погрешностям в элементах счисления;
б) по совокупностям невязок, полученных при плавании по заданному маршруту.
Счисление пути судна ведется по показаниям штурманских приборов - компаса и лага. Направление и скорость ветра измеряются на судне, а элементы течения выбираются из таблиц. Современные штурманские приборы обладают высокой точностью, их погрешности незначительны, однако они могут накапливаться за время плавания. Погрешность в угле дрейфа может стать значительной, если судно не имеет дрейфомера.
\r\nВ практике судовождения применяются разнообразные специальные автоматические устройства, который ведут счисление судна. Эти устройства называются автопрокладчиками или счислителями. Такие автоматические устройства производят корректируемое счисление, в результате которого координаты судна представляются на основе объединения счислимой информации и эпизодически поступающей обсервованной информации с учетом точности счисления и обсерваций.
\r\nАналитический способ счисления применяется в тех случаях, когда графическое счисление вести невозможно или когда оно сопровождается значительными графическими погрешностями.
\r\nКак правило, в открытых районах морей и океанов на судно одновременно действуют и ветер и течение. Возникает задача совместного учета дрейфа и течения. В этом случае решается следующая задача.
\r\nПо известным элементам движения судна и элементам ветра рассчитываются курсовой угол кажущегося ветра KУw=Kw и отношение скоростей W/VO , где VO - скорость судна. По єтим даннім из таблицы углов дрейфа выбирается угол дрейфа и определяется его знак.
\r\nПеремещающиеся при ветре массы воздуха оказывают давление на надводную часть корпуса судна. Под действием этого давления судно смещается с линии намеченного истинного курса, изменяется скорость его движения.
\r\nОтклонение от намеченной линии истинного курса под влиянием ветра называется дрейфом судна.
\r\nДля целей счисления используются такие величины, которые называются элементами счисления. К ним относятся:
\r\n- истинный курс и относительная скорость судна;
- направление и скорость течения;
- направление и скорость ветра;
- время плавания.
Прокладка бывает как предварительной, так и исполнительной.
\r\nПредварительная прокладка - это морская навигационная прокладка пути судна, которая выполняется предварительно, то есть заблаговременно, исходя из назначенного маршрута, отвечающего всем требованиям плавания, утвержденным задачам и экономической целесообразности.
\r\nАнглийский адмиралтейский Каталог карт и книг (Catalogue of Admiralty Charts and other Hydrographic Publications) так же, как и советский Каталог, издается двумя изданиями: полным и сокращенным. Английские каталоги состоят из обычных вводных документов и значительного числа секций (свыше 400), охватывая различного рода навигационные пособия по морям всего земного шара.
\r\nС целью обеспечения безопасности судовождения экипаж должен знать точное место судна в любой момент времени. Для этого существует такое понятие, как счисление координат судна. Этот термин определяется как непрерывный учет движения судна по поверхности воды с целью установления его точного местонахождения в любой момент времени.
\r\nСистематическое дополнение и исправление данных на картах и в пособиях для поддержания их на современном уровне , то есть изменение их в согласно с действительной обстановкой на море (т.е. на местности), называется корректурой. Систематической корректуре подлежат все НМК, которые содержат элементы обстановки наиболее быстро изменяющиеся; из пособий для мореплавания корректируются в первую очередь лоции, руководства для захода в порты, описания РТСНО и каталоги книг и карт.
\r\nС целью обеспечения безопасности плавания на судне должны быть в наличии требуемые карты и пособия для плавания, необходимый перечень которых устанавливается службой мореплавания судовладельца согласно типу судна, плану перевозок судна, закрепления его на той либо другой судоходной линии и всех возможных изменений районов плавания. При отсутствии на район плавания советских НМК нужных масштабов их дополняют иностранными картами.
\r\nПо назначению и масштабу английские навигационные карты (АНК) Британского Адмиралтейства подразделяются на четыре вида: океанские, генеральные, прибрежные и крупномасштабные.
\r\nОкеанские карты (Ocean Charts) в масштабах от 1:1800000 и мельче служат для общегеографического отображения вод Мирового океана и районов плавания при океанских переходах. Такие карты показывают целые океаны или их части, большие океанские моря, крупные проливы и т. п. Из СНО на них показаны лишь системы дальней навигации, а также маяки с дальностью видимости более 15 миль, при этом указывается лишь характер и цвет огня.
\r\nВ каждой стране при составлении морских навигационных карт в качестве их математической основы выбирается референц-эллипсоид, т. е. эллипсоид, имеющий наилучшее приближение к размерам на территории данной страны. Принятие референц-эллипсоида характеризует определенную систему геодезических координат, к которой приводятся координаты всех опорных пунктов.
\r\nНавигационные карты не могут дать всех сведений, необходимых для проведения судна по наивыгоднейшему и безопасному пути. На них не отражены гидрометеорологические факторы, не показан внешний вид знаков и характерных участков берега, не указаны данные различных радиотехнических средств, нет специальных правил, установленных в тех или иных районах плавания. Поэтому в дополнение к картам печатаются различные справочники и пособия, откуда можно взять много необходимых сведений. К таким пособиям относят руководства для плавания (лоции), где собраны необходимые для мореплавателя сведения, включая рекомендованные советы и пути по ориентировке при плавании вблизи берегов. В книгах «Огни и знаки» дано подробное описание маяков, огней и знаков.
\r\nМорские навигационные карты предназначенны для ведения счисления пути и определения места нахождения судна в море. К навигационным картам относятся следующие их виды: общенавигационные, навигационно-промысловые и радионавигационные, навигационно-тактические, а также карты внутренних водных путей.
\r\nВ зависимости от масштаба общенавигационные морские карты подразделяются на:
\r\nгенеральные, имеющие масштаб от 1:1 000 000 до 1:5 000 000;
путевые, имеющие масштаб от 1:100 000;
частные в масштабе 1:25 000 до 1:100 000;
планы, имеющие масштаб от 1:1000 (при производстве различных гидротехнических работ) до 1:25 000.
Многочисленность и разнообразие тех сведений, которые необходимы для решения определенных задач современного судовождения при разных условиях плавания, не позволяют работать на морской карте одного типа. Именно поэтому в практике выработались два основных типа морских карт, которые определяются назначением.
\r\nАнализ некоторых формул показывает, что для построения карт на приполюсные районы нормальная проекция Меркатора непригодна. В этой связи одновременно с нормальной Меркатор предложил также еще и другую — поперечную цилиндрическую равноугольную проекцию. Представим себе земной шар, опоясанный цилиндром так, что он касается земной поверхности по одному из географических меридианов PNPS (рис. 37), называемому квазиэкватором. Чтобы продолжить аналогию с нормальной цилиндрической проекцией, большие круги QQ', проходящие через точки экватора Q и Q', называют квазимеридианами, а малые круги аа', bb', cc' параллельные плоскости меридиана касания, — квазипараллелями.
\r\nПри составлении меркаторской карты за главную (параллель сечения) можно принимать среднюю параллель участка земной поверхности, охватываемого данной картой, тогда частные масштабы других параллелей будут наиболее близкими к заданному масштабу, совпадающему с частным масштабом параллели сечения. Так строят карты мелких масштабов (1:500 000) и мельче.
\r\nВ судовождении используют несколько видов картографических проекций, в каждом конкретном случае избирают ту, которая наилучшим образом удовлетворяет условиям поставленной задачи.
\r\nК числу таких картографических проекций относятся, прежде всего, проекция Меркатора, стереографическая, гномоническая и ряд других.
\r\nКартографией называется область науки, техники и производства, изучающая создание и использование картографических произведений. Картография подразделяется на математическую картографию, картометрию, картоведение, проектирование и составление карт, оформление и издание карт.
\r\nМатематическая картография разрабатывает вопросы математического обоснования карт и является первой ступенью в процессе создания карты.
\r\nНа судне по магнитному компасу получают компасные курсы и компасные пеленги. На навигационной карте прокладывают только истинные курсы и истинные пеленги. Поэтому судоводителям необходимо уметь переходить от компасных направлений к истинным и обратно. Переход от истинного курса или пеленга, снятого с карты, к компасному носит название перевода курса или пеленга, а от компасного курса или пеленга, полученного по компасу, к истинным их значениям — исправлением курса или пеленга. Обе задачи могут быть решены как графически, так и аналитически.
\r\nПредположим, что наблюдатель находится в некоторой точке А на поверхности Земли. Проведем мысленно плоскость Н, перпендикулярную отвесной линии в данной точке. Это плоскость истинного горизонта (рис. 1.9).
\r\n
Представим, что через наблюдателя проходит плоскость истинного меридиана М. Это плоскость истинного меридиана наблюдателя. Она образует, как известно, на поверхности Земли истинный меридиан наблюдателя. Все плоскости, проходящие через отвесную линию в точке А, — плоскости вертикалов. Плоскостью первого вертикала V называется вертикальная плоскость, перпендикулярная плоскости истинного меридиана наблюдателя.
Расстояние до ориентира в настоящее время, как правило, определяют с помощью РЛС. В качестве резервного может быть рассмотрен способ определения расстояния по вертикальному углу, измеренному секстаном. Определить расстояние по вертикальному углу можно, если известна высота ориентира над уровнем моря или его высота над основанием. Предположим, что, находясь в точке М, наблюдатель видит ориентир, высота которого h над уровнем моря известна. Измерив вертикальный угол α, можно рассчитать расстояние D до ориентира. При этом высотой глаза наблюдателя е можно пренебречь.
\r\nГеографическая дальность видимости предметов в море Дп, как следует из предыдущего вопроса, будет зависеть от величины е — высоты глаза наблюдателя, величины Н — высоты предмета и от коэффициента рефракции x.
\r\nВеличина Дп определяется наибольшим расстоянием, на котором наблюдатель увидит его вершину над линией горизонта. В профессиональной терминологии существует понятие дальности, а также моментов «открытия» и «закрытия» навигационного ориентира, например маяка или судна. Расчет такой дальности позволяет штурману иметь дополнительную информацию о приближенном месте судна относительно ориентира.
\r\nВидимость играет огромную роль в безопасности мореплавания и зачастую многие навигационные аварии могли бы не случиться, если бы моряки принимали видимость в районе движения судна во внимание. Скорость судна должна назначаться с учетом текущей видимости. Совершенно необходима техника, которая бы автоматически определяла эту видимость, фиксировала ее.
\r\nРассмотрим детально проблему видимости на море. Пусть высота глаза наблюдателя, находящегося в точке А' над уровнем моря, равна е (рис. 1.15). Задача заключается в том, чтобы определить, как далеко наблюдатель может увидеть линию горизонта. Представление поверхности Земли в виде сферы радиусом R нас вполне устраивает.
Лучи зрения, идущие к А' и касательные к поверхности воды по всем направлениям, образуют малый круг КК', который называется линией теоретически видимого горизонта.
Вследствие различной плотности атмосферы по высоте луч света распространяется не прямолинейно, а по некоторой кривой А'В, которая может быть аппроксимирована окружностью радиусом р.
Для измерения истинных направлений в море необходимо знать направление истинного меридиана. Для определения направления истинного меридиана на судах используют технические средства, называемые курсоуказателями. Основными из них являются гироскопические компасы (гирокомпасы) и магнитные компасы.
\r\nГирокомпас. Гироскопический компас (ГК) — электромеханический прибор с гироскопическим чувствительным элементом (ЧЭ), центр тяжести которого расположен ниже точки подвеса.
\r\nОсновным условием безопасности плавания корабля является безошибочное определение направления движения судна относительно заданной линии пути и направлений на навигационные опасности.
\r\nОсновой для определения направлений движения судна и на окружающие судно объекты являются главные направления: N, S, Е, W. Любое из этих главных направлений может быть принято за начало счета направлений. В судовождении традиционно за начало счета направлений принимают или северную или южную часть линии истинного меридиана (полуденной линии) NS. Определение направлений относительно полуденной линии NS производится по различным системам счета в зависимости от характера решаемых навигационных задач с точностью до 0.1 градуса.
\r\nДля определения скорости и пройденного расстояния на судах устанавливают технические средства, которые получили название лагов. Лаги классифицируют по виду измеряемой скорости и по физическим принципам измерения скорости. Современные лаги подразделяются на абсолютные и относительные, исходя из того, какую скорость судна они измеряют.
\r\nСуществует несколько физических принципов измерения абсолютной скорости, из которых в настоящее время на практике реализованы два: измерение абсолютной скорости по доплеровскому сдвигу частот и определение абсолютной скорости по результатам измерения ускорений судна в инерциальном пространстве. Первый принцип реализован в гидроакустических доплеровских лагах. Второй принцип реализован в инерциальных навигационных системах (ИНС).
\r\nДля измерения расстояний в море, глубин, высот береговых ориентиров, а также скоростей судна, ветра и течения в судовождении применяются следующие единицы длины.
\r\nМорская миля — единица длины, равная длине одной минуте дуги меридиана земного эллипсоида.
1 миля = 1852,23 м
Кабельтов— единица длины, равная 0,1 мили, т. е. 185,2 м. В кабельтовых измеряют небольшие расстояния на море:
• расстояния между судами при оценке безопасности плавания;
• дальности, измеренные радиолокационными станциями.