Dokładność określania pozycji w hiperbolicznych systemach nawigacyjnych na przykładzie systemu Decca i Loran 3

Transkrypt

1 JERZYŁO Patrycja 1 SOBKOWICZ Paulina 2 Dokładność określania pozycji w hiperbolicznych systemach nawigacyjnych na przykładzie systemu Decca i Loran 3 WSTĘP Dokładność układu nawigacyjnego określa wiarygodność uzyskiwanej informacji nawigacyjnej, w szczególności pozycji. Informacja nawigacyjna jest zmienną losową, wynikającą z działania urządzeń (naziemnych i na obiekcie ruchomym), umiejętności i staranności pracy nawigatora, a w przypadku nawigacji radiowej zależy także od propagacji fal elektromagnetycznych w danych warunkach [5]. Systemy hiperboliczne oparte są o izochrony, czyli linie będące zbiorami punktów o stałej różnicy odległości od dwóch radiolatarni, tworzących hiperbole. Do prowadzenia nawigacji służą specjalne mapy z zaznaczonymi rodzinami hiperbol dla każdej pary radiolatarni. Obiekt ruchomy określa swoją pozycję na przecięciu dwóch hiperbol pozycyjnych, wyznaczonych w oparciu o sygnały z dwóch par radiolatarni. Systemy hiperboliczne były przez długie lata w powszechnym użyciu. Przykładami są Decca i Loran. System Decca został opracowany w Wielkiej Brytanii jako rozwinięcie systemu GEE. Po raz pierwszy został użyty w 1944 roku podczas lądowania wojsk alianckich w Normandii. 31 marca 2000 roku brytyjski Zarząd Latarni Morskich (General Lighthouse Authorities) ogłosił, że wszystkie stacje systemu Decca zostały wycofane z eksploatacji. Nazwa systemu Loran [3] pochodzi od pierwszych liter słów angielskich LOng RAnge Navigation, czyli nawigacja dalekiego zasięgu. Pierwsze próby stworzenia systemu impulsowego o zasięgu co najmniej kilkuset mil morskich miały miejsce podczas drugiej wojny światowej, kiedy do celów wojskowej nawigacji lotniczej wykorzystywano w Wielkiej Brytanii system o nazwie GEE pracujący na częstotliwościach nośnych od 22 do 85 MHz. Jednocześnie w USA skonstruowano system Loran A pracujący na częstotliwościach nośnych 1,7-2.0 MHz, który od 1943 roku wykorzystywany był na północnym Atlantyku do określania porcji początkowo wyłącznie morskich, później i lotniczych. Nad wodą zasięg łańcucha tego systemu dochodził na fali przyziemnej do kilkuset mil morskich ( ), na jonosferycznej do 1500 mil morskich w porze nocnej, a błąd linii pozycyjnej odpowiednio 2-3 µs i 8-10 µs. Przez dalszych kilkanaście lat system Loran A był właściwie jedynym na świecie systemem nawigacyjnym dalekiego zasięgu; kilkadziesiąt stacji rozmieszczonych wyłącznie na półkuli północnej obejmowało swoim zasięgiem praktycznie całość istniejących tam akwenów żeglugowych. Jednocześnie już od 1946 roku prowadzono w USA intensywne prace nad stworzeniem nowego systemu pod nazwą Loran C, o tej samej co system Loran A zasadzie działania, ale pracującego na znacznie mniejszej częstotliwości nośnej. Pozwoliło to zwiększyć zasięg zarówno na fali przyziemnej, jak i jonosferycznej. Obecnie systemy hiperboliczne są wypierane przez systemy inercyjne i satelitarne. 1. DOKŁADNOŚĆ OKREŚLANIA POZYCJI STATKU 1.1. System Decca System Decca [4] pracował na falach krótkich o częstotliwości od 70 do 129 khz. Pierwsze użycie nastąpiło pod koniec II wojny światowej. Głównym jego zadaniem była precyzyjna nawigacja statków 1 Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Katedra Geotechniki, Geologii I budownictwa Morskiego, ul G. Narutowicza 11/12, Gdańsk, tel , patjerzy1@pg.gda.pl 2 Akademia Morska w Szczecinie, Wydział Nawigacyjny, Centrum Naukowo Badawcze Analizy Ryzyka Eksploatacji Statku, ul. Wały Chrobrego 1-2, Szczecin, tel , p.sobkowicz@am.szczecin.pl 3 Artykuł recenzowany. 1679

2 morskich na wodach przybrzeżnych. System tworzyły łańcuchy w skład których wchodziły 4 stacje: stacja główna (Master) i 3 stacje podległe (Slave) oddalone od stacji głównej o 100 do 200 km. Łańcuch wytwarzał 3 siatki hiperbol dla poszczególnych par stacji: Master-Slave, które oznaczało się kolorami: Red, Green i Purple. Podział częstotliwości w systemie Decca [4]: stacje główne khz (24 pasy na strefę), stacje Red khz (24 pasy na strefę, numery pasów hiperbolicznych 0 23), stacje Green khz (18 pasy na strefę, numery pasów hiperbolicznych ), stacje Purpurowe khz (30 pasy na strefę, numery pasów hiperbolicznych ). Stacje emitowały niemodulowana falę nośną. Po odebraniu sygnału z poszczególnej stacji podległej był on mnożony (mieszanie częstotliwości) w celu wytworzenia częstotliwości porównawczej identyfikującej siatkę hiperboliczną. Dokładność systemu zależała od warunków propagacji fali elektromagnetycznej i wynosiła od 50m w pobliżu linii bazy do 4 Mm na granicy zasięgu łańcucha. Pozycja była obliczona przy użyciu hiperbolicznego systemu nawigacyjnego, poprzez porównanie różnic fazowych sygnałów radiowych odebranych z kilku stałych stacji. Zasada działania polegała na pomiarze różnicy czasów przebiegu, a więc i różnicy odległości, sygnałów pochodzących z dwóch odległych od siebie naziemnych stacji nadawczych. W systemie tym jest wykorzystana własność hiperboli, która mówi że jest ona miejscem geometrycznym punktów, których różnica odległości od ognisk hiperboli ma wartość stałą. Jeśli wykreślimy hiperbole których ogniskami są dwie stacje nadawcze A i B to każda z gałęzi hiperbol będzie linią pozycyjną statku odbierającego sygnały ze stacji A i B z określoną różnicą w czasie. Jeśli do tego mamy stację nadawczą C to otrzymamy drugi pęk hiperbol. Porównane dane z wiązki hiperbol stacji nadawczych A i B z wiązka hiperbol stacji nadawczych A i C wyznaczy dokładna pozycje statku na specjalnej mapie na której nadrukowane są siatki tych hiperbol [2]. W systemie Decca, jako w jednym z bardzo nielicznych systemów, istnieje możliwość oszacowania błędu określonej pozycji (z jednego łańcucha) za pomocą wydawnictw specjalistycznych. Zakładając normalne funkcjonowanie całego systemu, podane w nich wartości błędów w standardowych warunkach propagacyjnych nie przekraczają w większości przypadków wartości rzeczywistych. Dokładność pozycji waha się od kilkudziesięciu metrów w pobliżu linii bazy podczas dnia letniego do około 3 mil morskich na granicy zasięgu w porze nocy zimowej. Zasięg każdego łańcucha ograniczony jest zasięgiem prawidłowej identyfikacji pasa w obrębie strefy i w zależności od pory doby i roku waha się od 200 do 400 mil morskich. Do niedawna szczegółowe dane dotyczące dokładności pozycji zawarte były w Decca Fixing Accuracy Diagram dołączonych do Admiralty List of Radio Signals, tom V i publikacji Operating Instructions and Marine Data Sheets. W wydawnictwie tym dla wszystkich łańcuchów systemu zamieszczono specjalne diagramy i rysunki umożliwiające oszacowanie błędu określonej pozycji w poszczególnych akwenach leżących w zasięgu danego łańcucha w zależności od pory doby i roku [4] System Loran Jednym z systemów hiperbolicznych stosowanych do określania pozycji jednostki był system Loran (Long Range Navigation). Jak sama nazwa wskazuje, stosowany był do nawigacji dalekiego zasięgu, już podczas drugiej wojny światowej. Przez kilkanaście lat na jego pracy bazowały służby wojskowe. Każde ulepszenie systemu skutkowało powstaniem nowej wersji, począwszy od Loran - A powstały: Loran B, Loran C oraz Loran D. Najszersze zastosowanie w nawigacji znalazły jedynie dwa systemy Loran - A i Loran C. W skład łańcucha systemu Loran wchodziły stacje podrzędne zwane także podległymi (secondary stadion, slave) oraz stacja główna (master stadion). W systemach hiperbolicznych pozycja statku wyznaczana była na podstawie pomiaru różnicy czasu między impulsami pochodzącymi ze stacji nadawczych. W jednym łańcuchu ilość linii pozycyjnych była determinowana przez ilość stacji podrzędnych. Dlatego też każda ze stacji emitowała sygnały z opóźnieniem czasowym t_oc w 1680

3 stosunku do stacji głównej [3]. Linie, które łączyły stacje główne ze stacjami nadrzędnymi zwane były liniami bazy (d_b). Odległość między nimi stanowiła długość bazy, natomiast obszar, jaki wyznaczały to pas hiperboliczny [5]. Stacja podrzędna odbierała sygnał od stacji głównej zawsze jako pierwszy. Sygnał ten docierał do stacji po przebyciu znanej odległości dzielącej obie stacje oraz ustalonym czasie. Stacja podrzędna wysyła odpowiedź dopiero po przyjętym opóźnieniu czasowym (zwanym również opóźnieniem kodowym). W systemie Loran określanie pozycji statku uwarunkowane było rodzajem odbiornika. Dostępne były dwa typy pierwszej generacji (z lampą oscyloskopową) i drugiej (bez lampy oscyloskopowej). Przy korzystaniu z odbiornika pierwszej generacji istotne było posiadanie tablic hiperbolicznych czy map z naniesioną siatką. Tablice hiperboliczne (wydawane przez Defense Mapping Agency Hydrographic/Topographic Center USA) skonstruowane były oddzielnie dla wszystkich par stacji. Dzięki nim można było określić poprawkę uwzględniającą falę jonosferyczną oraz zamienić współrzędne hiperboliczne na geograficzne za pomocą tablic siatki hiperbolicznej. Dla określonych łańcuchów można było również określić poprawkę ASF (uwzględniającą prędkość propagacji fali) [5]. Ze względu na błędy pomiarowe oraz cechy geometryczne linia pozycyjna, określona za pomocą, systemu Loran była przesunięta w odniesieniu do rzeczywistej linii pozycyjnej. Dokładność systemu można było ocenić poprzez znajomość gradientu funkcji (określając jego moduł i kierunek),średniego błędu kwadratowego pozycji, średniej elipsy błędów oraz błędu kierunkowego [4]. Wymienione błędy dotyczyły głównie geometrii przecięcia się linii pozycyjnych. Istotnym był błąd, jakim obarczona była mierzona w odbiorniku różnica czasu. Na wartość błędu związanego z czasem miał wpływ błąd synchronizacji stacji nadawczych wynikający z opóźnienia czasowego podczas emisji sygnału, zniekształcenie kształtu obwiedni impulsu, błąd instrumentalny odbiornika, zmienna prędkość fali przyziemnej oraz dokładność poprawki na falę jonosferyczną. Suma tych błędów składała się na ogólny błąd linii pozycyjnej, który w systemie Loran dla błędu 1µs wynosił ok. 150 m. Błąd ten wzrastał wraz z oddalaniem się od linii bazy. W odbiornikach drugiej generacji całkowity błąd (przy dobrych warunkach propagacyjnych) nie powinien był przekraczać 0,25 µs [3]. Dokładność linii pozycyjnej mieściła się w przedziale od kilkudziesięciu metrów do kilku mil morskich. Uzyskanie największej dokładności było możliwe jeśli warunki propagacyjne były dobre lub bardzo dobre, emitowane sygnały przebiegały nad powierzchnią wody, linie pozycyjne przecinały się pod kątem prostym, a odległość między nimi wynosiła m. Nie było też problemów z działaniem odbiorników systemu. Obniżenie poziomu dokładności mogło nastąpić podczas złych warunków propagacyjnych, złego stanu odbiornika oraz niekorzystnej pozycji użytkownika, przez którą rozumie się pozycję na granicy zasięgu łańcucha. Problem z dokładnością mógł nastąpić również, gdy emitowany sygnał docierał na fali jonosferycznej a nie przyziemnej. Występowały bowiem wtedy problemy z prawidłowym rozpoznaniem cyklów. Tab. 1. Parametry systemu Loranc C [5] Parametry układu LORAN C pozycji 460 m (0,25 Nm) Dokładność powtarzalność m względna - Dostępność 99,7 % Pokrycie Wybrzeże USA, inne obszary Niezawodność 99,7 % Prędkość określania pozycji 1 pozycja/s Wymiarowość pozycji 2D Pojemność systemu nieograniczona Jednoznaczność łatwo rozróżnialne 1681

4 Określanie pozycji w systemie Loran polegało na pomiarze różnicy czasu odbioru sygnału. Dodatkowo należało uwzględnić odpowiednie poprawki interpolacyjne np. dotyczące impulsu przemieszczającego się na fali jonosferycznej czy też pokonującego odcinek trasy nad lądem, zamieszczane w publikacji Radio Signals [3]. Dokładność linii pozycyjnych nanoszonych na mapę za pomocą tego systemu wynosiła do dziesiętnych części mikrosekundy. Na jej wartość miał wpływ również wybór linii pozycyjnych z jakich korzystano do określenia pozycji. W sytuacji gdy odbiornik śledzi kilka linii pozycyjnych, nawigator musiał dokonać wyboru najbardziej korzystnej pary linii pozycyjnych, z których dokładność wyznaczonej pozycji byłaby jak największa. 2. ANALIZA PORÓWNAWCZA DOKŁADNOŚCI OKREŚLANIA POZYCJI STATKU Dokładności pozycji w Systemie Decca [3] rzędu kilkudziesięciu metrów można spodziewać się wówczas, gdy jednocześnie spełnione są następujące warunki: geometria systemu jest bardzo sprzyjająca, co oznacza że szerokość pasa hiperbolicznego każdej z dwu wykorzystywanych siatek jest rzędu kilkuset metrów, zaś linie pozycyjne przecinają się pod kątem bliskim 90º, sygnały ze wszystkich trzech wykorzystywanych stacji (głównej i obu podległych) docierają wyłącznie na fali przyziemnej, aktualne warunki propagacyjne (w tym i meteorologiczne) są na wszystkich trzech (dwóch) trasach są (stacja nadawcza systemu - odbiornik użytkownika) standardowe lub lepsze, pozycja została określona w pełnym świetle dziennym (podział doby przyjęty w systemie Decca Navigator), poprawki propagacyjne obu wykorzystywanych linii pozycyjnych są znane co do wartości i zostały uwzględnione lub są równe zeru, odbiornik jest co najmniej średniej klasy i w pełni sprawny. Dokładności pozycji rzędu kilku mil morskich można natomiast spodziewać się, gdy: użytkownik znajduje się na granicy zasięgu danego łańcucha, co oznacza że geometria systemu nie jest sprzyjająca; szerokości pasów hiperbolicznych są bowiem rzędu kilku mil morskich, zaś linie pozycyjne przecinają się pod kątem ostrym, pozycja została określona podczas nocy zimowej (podział doby przyjęty w systemie Decca Navigator), aktualne warunki propagacyjne (w tym i meteorologiczne) na wszystkich trzech (dwóch) trasach stacja systemu - odbiornik użytkownika są gorsze od standardowych, poprawki propagacyjne są nieznane co do wartości lub nie zostały uwzględnione, odbiornik jest niskiej klasy. Dokładności pozycji w Systemie Loran [3] rzędu kilkudziesięciu metrów można spodziewać się wtedy, gdy jednocześnie spełnione są następujące warunki: geometria systemu jest bardzo sprzyjająca, co oznacza, że odległość między dwoma liniami pozycyjnymi (tej samej pary stacji) różniącymi się o 1 µs jest niewiele większa od m, a linie pozycyjne (dwóch różnych par stacji) przecinają się pod kątem bliskim 90º, aktualne warunki propagacyjne ( w tym i meteorologiczne) są na całości wszystkich tras (stacja nadawcza odbiornik użytkownika) standardowe lub lepsze, sygnały z wszystkich stacji całą trasę przebiegają nad wodą, bądź poprawka ASF jest znana co do wartości i została uwzględniona, w odniesieniu do wszystkich docierających sygnałów identyfikacja trzeciego cyklu fali nośnej w odbiorniku była prawidłowa, odbiornik jest co najmniej średniej klasy i w pełni sprawny. Przez stacje nadawcze należy rozumieć te wszystkie stacje, z których sygnały zostały wykorzystane do określenia pozycji. Dokładność pozycji rzędu kilku mil morskich można spodziewać się, gdy: użytkownik znajduje się na granicy zasięgu danego łańcucha, co oznacza, że geometria systemu nie jest sprzyjająca. Odległości między dwoma liniami (tej samej pary stacji) różniącymi się o 1µs 1682

5 wynosi kilkanaście kabli (2 mile morskie jest to wartość dopuszczalna), zaś linie pozycyjne (dwóch różnych par stacji) przecinają się pod kątem ostrym, pozycja została określona na podstawie sygnałów docierających na fali jonosferycznej i istnieją wątpliwości co do prawidłowości identyfikacji siódmego cyklu fali nośnej oraz wiarygodności uwzględnionych poprawek SWC, aktualne warunki propagacyjne (w tym i meteorologiczne) na wszystkich trasach stacja nadawcza odbiornik użytkownika są gorsze od standardowych, - odbiornik jest niskiej klasy. WNIOSKI Systemy hiperboliczne Decca oraz Loran - stosowane były do określania pozycji jednostek. W miarę rozwoju techniki zmieniały się ich parametry techniczno eksploatacyjne. Zmiany w konstrukcji i działaniu odbiorników miały na celu ulepszenie systemów, między innymi poprzez zwiększenie dokładności pozycji. Przez długi okres czasu systemy hiperboliczne były podstawowymi systemami pozycjonowania zarówno w lotnictwie, jak i w nawigacji morskiej. Dawały pozycję ze satysfakcjonującą (jak na tamte czasy) dokładnością. System Decca został wycofany z użytku ze względu na wysoką cenę kupna i utrzymania odbiorników. System Loran nie pełni już znaczącej roli w nawigacji morskiej ze względu na ograniczenia, spowodowane zakłóceniami fal radiowych. Na które mają wpływ warunki meteorologiczne. Rozwój systemów hiperbolicznych przyczynił się do rozwoju nawigacji morskiej oraz lotniczej. Rozwiązania, które stosowano w systemie Loran i Decca, były bazą to stworzenia nowych, lepszych oraz pracujących z większą dokładnością systemów pozycjonowania. Streszczenie Na przełomie XX i XXI wieku, na skutek rozwoju techniki nawigacji, szczególną uwagę skupiono na dokładności określania pozycji. W artykule dokonano oceny porównawczej standardów opisujących dokładność systemów określania pozycji statku. W pierwszej części przedstawiono charakterystykę dokładności określania pozycji za pomocą systemu Decca i Loran. W drugiej części zaprezentowano zmiany dotyczące modernizacji systemów w celu zwiększenia ich dokładności określania pozycji statku. Artykuł kończą ogólne wnioski dotyczące dokładności systemów hiperbolicznych Decca i Loran. The accuracy of determining the position in hyperbolic navigation systems on the example of systems Decca and Loran Abstract As a result of the development of navigation techniques, at the turn of the century, particular attention has been focused on the accuracy of determining the position. The paper presents a comparative assessment of standards describing the accuracy of the positioning of the ship. The first part of the article shows the characteristics of accuracy in determining a position with Decca and Loran systems. The second part describes outlines to modernize systems to improve the accuracy of determining the position of the vessel. The article ends with general conclusions regarding the accuracy of hyperbolic systems Decca and Loran. BIBLIOGRAFIA 1. Gucma S., Podstawy teorii linii pozycyjna i dokładność w nawigacji morskiej, Szczecin Hetman Placha K., Nawigacja. Zarys historii nawigacji, Kraków Januszewski J., Naziemne systemy radionawigacyjne, Gdynia Januszewski J., Szymoński M., Systemy hiperboliczne w nawigacji morskiej, Gdańsk Narkiewicz J., Podstawy układów nawigacyjnych, Warszawa