Nawigacja satelitarna - skrypt.pdf - Żeglarstwo - Zabr7

Daniel Józef Bem

NAWIGACJA SATELITARNA

Wrocaw 2001

Sorc®

Daniel Józef Bem, Nawigacja satelitarna

Strona - 2 -

Spis tre%ci

1. WPROWADZENIE

2. PODSTAWOWE POJCIA STOSOWANE W NAWIGACJI

3. CHARAKTERYSTYKA SATELITARNYCH SYSTEMÓW NAWIGACYJNYCH

4. UKADY WSPÓRZDNYCH

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

6. SYSTEM NAWIGACJI SATELITARNEJ NAVSTAR GPS

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

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#.

Nawigacja satelitarna - skrypt.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: