Curs Navigatie Electronica Partea 1.pdf

7/23/2019 Curs Navigatie Electronica Partea 1.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/curs-navigatie-electronica-partea-1pdf 1/51

Navigaţie Electronică Navigaţie Electronică Navigaţie Electronică Navigaţie Electronică

1

S.l. drd. Radu Hanzu-Pazara

Navigaţie electronică(note de curs)




2




3

Sistemele electronice de navigaţie au apărut pe scara istoriei evoluţiei tehniceodată cu dezvoltarea tehnico-ştiinţifică şi industrială cunoscută de-a lungul secolului al XX-lea.

Necesitatea dezvoltării acestor mijloace de navigaţie s-a impus odată cu creştereacomplexităţii activităţilor de transport pe apă.

Tehnicile tradiţionale de navigaţie utilizate până la începutul secolului al XX-leaofereau suficientă precizie şi rapiditate în determinarea poziţiei comparativ cu nevoile detransport ale vremii. Aceste tehnici sunt folosite cu succes şi astăzi datorită independenţeifaţă de resursele tehnice de la bordul navelor.

Principalul dezavantaj al tehnicilor tradiţionale de navigaţie este dat de

imposibilitatea aplicării lor în orice condiţii de vreme şi/sau amplasare geografică. Altedezavantaje ale procedeelor clasice sunt reprezentate de durata de timp necesarăefectuării observaţiilor, erorilor aleatoare şi sistematice care pot apărea, etc.

Creşterea traficului de mărfuri transportate pe mare a dus la necesitatea apariţieiunor tehnici noi de determinare a poziţiei navei şi prezervarea drumului acesteia în condiţiide siguranţă. Odată cu dezvoltarea industrială din prima jumătate a secolului al XX-lea aapărut o nouă ramură a navigaţiei, bazată pe tehnologia electronică.

Începutul navigaţiei electronice a constat în introducerea la bordul navelor aradiogoniometrului, primul mijloc de navigaţie care a oferit independenţă de navigarea încondiţii de vizibilitate redusă. Mulţi ani a fost singurul mijloc de navigaţie radioelectronică.

În preajma celui de al doilea război mondial au apărut tehnici de radio şi hidrolocaţie, destinate iniţial armatei, dar, mai apoi dezvoltate pe larg şi pentru navigaţiacomercială.

Sistemele RADAR sunt utilizate atât pentru stabilirea poziţiei navei proprii cât şipentru detecţia ţintelor apropiate. Necesităţile crescânde apărute după cel de-al doilearăzboi mondial în ceea ce priveşte precizia şi fiabilitatea determinării poziţiei navei a dus laintroducerea pe scară largă a sistemelor electronice de navigaţie hiperbolică Loran, Deccaşi Omega.

În paralel cu tehnicile de navigaţie hiperbolică, odată cu dezvoltarea tehnologiilorspaţiale au fost introduse şi sistemele de navigaţie cu ajutorul sateliţilor artificiali. Există şio serie de alte tehnici complementare de navigaţie electronică folosind principiul inerţiei(navigaţia inerţială).




4




5

1.1. Sisteme electronice de navigaţie şi frecvenţele de lucru ale acestora

Undele radio nu pot şi nu trebuie să respecte graniţele internaţionale, lucru ce adus de multe ori la dispute între state privind utilizarea diferitelor frecvenţe. În acestcontext a apărut Organizaţia Internaţională pentru Telecomunicaţii (ITU), carereglementează şi alocă frecvenţe pentru diferite servicii, precum şi supraveghează modulde utilizare al acestora pe plan internaţional. Toţi utilizatorii sistemelor de telecomunicaţiitrebuie să cunoască faptul că au dreptul, conform licenţei deţinute, să utilizeze numaianumite frecvenţe alocate în scopul transferului de informaţii. În caz contrar, în domeniultelecomunicaţiilor s-ar produce un adevărat haos, în special prin suprapunereafrecvenţelor de lucru ale diverşilor operatori.

Serviciile esenţiale de comunicaţii, aeriene, maritime şi terestre nu ar puteafuncţiona altfel şi asigura în acelaşi timp gradul necesar de siguranţă şi securitate aserviciilor aferente.

Sistemele de navigaţie radio au necesitat întotdeauna o mare atenţie din parteaoperatorilor. Realizarea unor sisteme de navigaţie radio performante situate la bordul uneinave pe mare a creat multe probleme inginerilor navali. Nava fiind construită din oţel, careplutind în apă sărată devine un foarte bun generator de câmp electromagnetic, capabil sărespingă sau să reflecte undele radio. De asemenea, altă problemă apărută în cazulnavelor moderne, este reprezentată de suprastructurile metalice, care reprezintă obstacole în cale transmisiei şi recepţiei undelor radio, indiferent de performanţa anteneloramplasate la bord

Sistemele de navigaţie şi comunicaţii maritime au alocate frecvenţe specifice delucru, astfel:

Loran-C pe frecvenţa medie de 100 kHz Navtex transmisii date pe 518 kHz Voce, radiotelex şi comunicare digitală selectivă în banda de frecvenţă

medie 1.6 – 3.4 MHz Voce, radiotelex şi DSC în benzile de înaltă frecvenţă cuprinse între 3 şi 30

MHz Voce şi DSC în banda de foarte înaltă frecvenţă 30 – 300 MHz RADAR şi SART pe frecvenţa de 9 Ghz

GPS pe frecvenţe din banda L Comunicaţii INMARSAT în banda de frecvenţă L În fiecare caz, frecvenţa de lucru a fost aleasă pentru a satisface două criterii de

bază, acela al ariei geografice acoperite şi al abilităţii de a transporta informaţiile necesare.Aria geografică acoperită de undele radio este influenţată de mulţi parametrii, aria poate fidefinită, în principiu, de alegerea benzii de frecvenţă, care va determina metoda depropagare a undelor radio.




6

Abreviere Banda Frecvenţa Lungimea de undăAF Audio 0 Hz – 20 kHz ∞ la 15 kmRF Radio 10 kHz – 300 GHz 30 km la 0,1 cm

VLF Ultra scurtă 10 – 30 kHz 30 km la 10 kmLF Scurtă 30 – 300 kHZ 10 km la 1 km

MF Medie 300 – 3000 kHz 1 km la 100 mHF Înaltă 3 – 30 MHz 100 m la 10 m

VHF Foarte înaltă 30 – 300 Mhz 10 m la 1 mUHF Ultra înaltă 300 – 3000 MHz 1 m la 10 cmSHF Supra înaltă 3 – 30 GHz 10 cm la 1 cmEHF Extrem de înaltă 30 – 300 GHz 1 cm la 0,1 cm

Tabelul 1.1 Spectrul frecvenţelor

Caracteristicile de propagare ale undelor radio depind de frecvenţa utilizată.

Denumire şi frecvenţă Mod de propagare CaracteristiciUltra scurtă 3 – 30 kHz Unde de suprafaţă (terestre) Transmiţătoare foarte

puternice şi antene mariScurtă 30 – 300 kHz Unde de suprafaţă şi

componente reflectate deatmosferă

Transmiţătoare puternice,număr limitat de canale,

posibile distorsionăriMedie 0.3 – 3 MHz Unde de suprafaţă ziua.

Unele componente reflectatede atmosferă noaptea

Acoperire mare noaptea,posibile distorsionări

Înaltă 3 – 30 MHz Unde reflectate de

atmosferă pe distanţe mari

Acoperire globală utilizând

reflecţia din ionosferăFoarte înaltă 30 – 300 MHz În principal unde spaţiale Acoperirea depinde de înălţimea antenei

Ultra înaltă 0.3 – 3 GHz Numai unde spaţiale Utilizare sateliţi şi puncteterestre

Supra înaltă 3 – 30 GHz Numai unde spaţiale Sateliţi şi radarExtrem de înaltă 30 – 300

GHzNumai unde spaţiale Nu se utilizează pentru

comunicaţii mobile

Tabelul 1.2 Caracteristicile benzilor de frecvenţă radio




7

1.2. Caracteristicile frecvenţelor utilizate

1.2.1. Banda de frecvenţă ultra scurtă

Propagarea semnalelor radio se face utilizând combinarea undelor terestre şispaţiale. Necesită transmiţătoare de putere mare pentru a combate curbura terestră şi potfi ghidate pe distanţe mari. Deoarece posedă o lungime de undă foarte mare necesităantene de dimensiuni mari. De exemplu, la 10 kHz lungimea de undă este de 30 km. Oantenă eficientă trebuie să aibă o lungime de 15 km, uzual acestea se realizează cusprijinirea capetelor antenei pe două vârfuri muntoase.

1.2.2. Banda de frecvenţă scurtă

Comunicarea se realizează în special cu unde terestre care se atenuează odată

cu creşterea frecvenţei. Acoperirea depinde de amplitudinea puterii transmiţătorului şi deeficienţa antenei utilizate. Acoperirea aşteptată de la un transmiţător de putere dată estecuprinsă între 1500 şi 2000 km. Lungimea de unde se reduce în cazul utilizării de antenede dimensiuni mici. De asemenea, componenta atmosferică a propagării undelor scurtepoate cauza anumite probleme pe timpul nopţii când se produce întoarcerea din ionosferă.

1.2.3. Banda de frecvenţă medie

Atenuarea undelor terestre creşte rapid cu frecvenţa, în capătul bandei efectulacesteia devine nesemnificativ. Pentru un transmiţător de putere dată, aşadar, acoperireaundelor terestre este inversă proporţional cu frecvenţă. Acoperirea tipică este cuprinsă între 1500 km până la sub 50 km pentru un semnal transmis, utilizând un transmiţător de 1kW legat de o antenă corespunzătoare.

În banda de sub 1500 kHz, undele atmosferice se întorc din ionosferă atât ziua câtşi noaptea şi astfel transmisiile pe aceste unde nu pot fi realizate. Peste 1500 kHz undelereflectate au o mare fiabilitate dar sunt afectate de schimbările din ionosferă datoratemodificărilor diurne, sezoniere şi a exploziilor solare.

1.2.4. Banda de frecvenţă înaltă

Această bandă de frecvenţă este utilizată în special pentru comunicaţiile terestreglobale. Undele terestre sunt de asemenea atenuate odată cu creşterea frecvenţei. Lacapătul inferior al bandei, se pot utiliza unde terestre, dar modul general de propagare

este cel atmosferic.Deoarece ionizarea stratului înalt al atmosferei depinde de radiaţia solară,reflectarea undelor din ionosferă va fi sporadică, de asemenea predictibilă. În parteainferioară a benzii, pe durata zilei, undele sunt absorbite de atmosferă şi nu se maireflectă. Comunicarea se realizează în principal cu ajutorul undelor terestre. Noaptea, deobicei, undele din partea inferioară a benzii se reflectă şi comunicarea poate fi realizată peaceste frecvenţe, dar în general distorsionat. Undele din partea superioară a benzii trec deionosferă şi se pierd. Cei mai mulţi operatori pe această bandă de frecvenţă evită




8

utilizarea frecvenţelor din partea inferioară şi superioară a benzi, utilizând cu precăderefrecvenţele din zona mediană a benzii.

1.2.5. Banda de frecvenţă foarte înaltă

În acest caz, atât undele terestre, cât şi undele atmosferice sunt virtuale,inexistente şi pot fi ignorate. Comunicarea se realizează cu ajutorul undelor spaţiale carepot fi reflectate de pământ. Undele spaţiale oferă efectiv comunicare directă şi înconsecinţă, înălţimea antenei, atât a transmiţătorului, cât şi a receptorului devine un factorimportant. O antenă utilizată pentru comunicare în banda foarte înaltă poate fi deasemenea direcţională. Dispunerea de obiecte de dimensiuni mari în calea undelorspaţiale produc aşa numite „zone oarbe”, condiţii în care recepţia este extrem de dificilă,chiar imposibilă.

1.2.6. Banda de frecvenţă ultra înaltă

Undele spaţiale şi terestre reflectate sunt utilizate cu ajutorul unor sisteme deantene direcţionale eficiente. Distorsionarea semnalului este minimă, este posibilăafectarea polarizării undei în cazul undelor reflectate de pământ, fiind posibilă pierdereaputerii semnalului. „Zonele oarbe” reprezintă în acest caz o problemă majoră.

1.2.7. Banda de frecvenţă supra înaltă

Frecvenţele din această bandă posedă lungimi de undă foarte scurte şi suntcunoscute ca microunde. Comunicarea se realizează numai prin propagare spaţială. Dincauza lungimii de undă se pot utiliza numai antene compacte şi cu un grad ridicat deorientare. Această bandă este utilizată pentru transmisii radar şi comunicaţii prin satelit.

1.2.8. Banda de frecvenţă extrem de înaltă

Comunicarea se realizează exclusiv cu ajutorul undelor spaţiale. Se utilizeazăantene cu un înalt grad de orientare. Bruiajul şi pierderea semnalului reprezintăproblemele majore ale acestei benzi. Banda nu este utilizată pentru comunicaţii îndomeniul maritim.




9

2.1. Noţiuni generale

A fost primul şi multă vreme singurul mijloc electronic de navigaţie.Radiogoniometrul se bazează pe proprietăţile de propagare a undelor electromagnetice(radio) emise de staţii fixe amplasate în locaţii în locaţii precis cunoscute.

Funcţional, radiogoniometrul determină direcţia geometrică la o sursă radio-emiţătoare. Considerente ce ţin de teoria propagării undelor radioelectrice permitdeterminarea direcţiei lor de propagare dincolo de limita orizontului vizibil fără alterăriimportante în calitatea măsurătorilor.

Pentru determinarea precisă a poziţiei navei este necesară măsurarearelevmentului prova radio, respectiv unghiul format între axul longitudinal al navei şidirecţia din care sunt recepţionate undele electromagnetice emise de radiofar. Stabilireapoziţiei navei se face prin relevarea poziţiei a cel puţin două radiofaruri aflate în poziţieconvenabilă.

În condiţii perfecte de propagare şi la distanţe mici (vizibilitate directă la radiofar)determinarea relevmentului radio este relativ precisă. În cazul recepţionării undelorreflectate, la distanţe mai mari (vizibilitate indirectă la radiofar) succesiunea de reflexiiionosferice apărute pot induce erori relative mari la determinarea corectă a relevmentuluiradio.

Figura 2.1. Propagarea undelor radio (electromagnetice)

Strat F

Strat E

Strat D

Receptor Emiţător

Undă




10

Propagarea undelor electromagnetice este influenţată de activitatea ionosfereiterestre prin apariţia unor reflexii multiple la nivelul E – Kenelly (90 km) şi F – Appleton(200-300 km).

Variaţiile de reflexivitate ale straturilor ionosferice sunt cauzate de activitateasolară, anotimp, alternanţa zi/noapte. În general propagarea undelor reflectate este mai

bună pe timp de noapte.Principial, cu ajutorul radiogoniometrului de la bordul navei se măsoarărelevmente prova radio.

2.2. Influenţele mediului de propagare asupra preciziei radiogoniometrării

Datorită caracteristicilor de neomogenitate ale mediului de propagare, direcţia subcare se recepţionează undele electromagnetice emise de o radiosursă nu este rectilinie.Abaterea de la direcţia de propagare teoretică poate fi mare şi este influenţată de o seriede factori.

Pentru a putea fi trecute pe hartă relevmentele radio, se corectează pentruanularea efectelor tuturor erorilor care apar în timpul goniometrării.

Erorile cele mai mari în practica radiogoniometrării sunt date de următoareleefecte:

efectul de noapte efectul de coastă efectul de deviere a undelor electromagnetice datorită prezenţei la bord a

maselor metalice efectele aleatoare de atenuare a semnalului datorate descărcărilor electrice

pe timp de furtună.

2.2.1. Efectul de noapte

Apare în intervalul cuprins între o oră înainte de apus şi o oră după răsăritulSoarelui, având intensitate maximă în timpul crepusculului.

Apariţia sa este determinată de interacţiunea dintre unda reflectată de stratul F şicâmpul magnetic terestru. Efectul se face simţit la distanţe mai mari de 30 mile marine deemiţător.

În practică, influenţele negative ale acestui efect pot fi considerate suficient de micipână la aproximativ 100 mile marine.

La distanţe mai mari de 100 mile marine faţă de emiţător, aproximativ 10% dintre

relevmentele radio măsurate au abateri mai mari de 10 grade.

2.2.2. Efectul de coastă

Apare atunci când undele electromagnetice se propagă de la coastă (emiţător) lanavă (receptor) sub un unghi diferit de direcţia normalei la coastă.




11

Efectul este cu atât mai pronunţat cu cât depărtarea de la normală este mai mare. În anumite cazuri, refracţia coastei poate atinge valori de aproximativ 5 grade.

Eroarea este cu atât mai mare cu cât radiofarul este amplasat mai departe decoastă.

2.2.3. Efectul de deviere a undelor electromagnetice datorită prezenţei la bord a maselor metalice

Este datorat apariţiei emiţătoarelor secundare şi are o influenţă cu atât mai micăcu cât ne îndepărtăm de sursa de emisie.

Erorile apărute în practică au valori de 1 la 3 grade la distanţe de 1 milă marină.

2.2.4. Efectele aleatoare de atenuare a semnalului datoratedescărcărilor electrice pe timp de furtună

Acest gen de erori nu sunt cuantificabile şi nu pot fi corectate. Influenţa lor sepoate înlătura prin alegerea potrivită a momentului efectuării radiogoniometrării.

2.3. Corectarea indicaţiilor radiogoniometrului. Deviaţia radio

Indicaţiile directe ale radiogoniometrului nu pot fi utilizate în practică datorităexistenţei unei diferenţe însemnate între poziţia reală a unei radiosurse şi poziţia primarăindicată de radiogoniometru. Prezenţa la bordul navei a elementelor de greement şi a altormase metalice care se comportă ca emiţătoare secundare introduc o deviaţie permanentă

care poate fi determinată în mod experimental.Deviaţia radio (δ r ) reprezintă diferenţa dintre relevmentul prova determinat prin

procedee optice şi relevmentul prova goniometrat la un radiofar.

pr pr R R −=δ (2.1)

unde: δr – deviaţia radioRp – relevment provaRpr – relevment prova radio

Efectul prezenţei conductoarelor electrice la bord poate fi cuantificat ţinând cont de

variaţia periodică a deviaţiei radio odată cu unghiul de orientare al antenei prin următoareadezvoltare în serie Fourier:

...sin...cossincossin422

+++++++= pr pr pr pr pr r R K R E R D RC R B Aδ (2.2)

Coeficienţii deviaţiei radio ( A, B, C, D, …,K,…) se determină experimental.Din punct de vedere practic, în ecuaţia deviaţiei radio sunt luaţi în considerare

numai primii termeni, ceilalţi având valori mici şi putând fi neglijaţi.




12

Ţinând cont de cele amintite anterior, expresia deviaţiei radio δr include efectelegenerale de natură mecanică şi electrică, efectele generate de emiţătoarele secundare detip antenă şi cadru, precum şi efectele generate de oscilaţia navei şi frecvenţa de lucru aradiofarului.

2.3.1. Determinarea deviaţiei radio

Determinarea experimentală a deviaţiei radio poate fi făcută atât de către echipespecializate, cât şi de echipajul de la bordul navei. Principial, determinarea deviaţiei radiose face asemănător cu determinarea deviaţiei compasului magnetic, prin comparareavalorilor relevmentelor optice şi radio la acelaşi reper.

Pentru determinarea deviaţiei radio se ţine cont de valoarea paralaxei dintredirecţia radiofar – alidadă şi radiofar – antenă cadru.

p R Dd sin/031,0=α (2.3)

unde: d - distanţa dintre alidadă şi antena cadru, măsurată în metri.D – distanţa măsurată între navă şi radiofar

În cazul amplasării antenei cadru în prova alidadei, paralaxa va avea valoripozitive pentru radiofarurile observate în babord şi negative pentru cele observate latribord.

Dacă antena cadru este amplasată în pupa alidadei, atunci regula mai înainteenunţată se schimbă.

Pentru determinarea practică a deviaţiei radio la bordul navei, putem aplica douăprocedee, în funcţie de condiţiile existente şi anume, emiţător fix şi nava care girează, sau,emiţător mobil şi navă fixă.

Valorile simultane, din 10 în 10 grade, determinate cu ajutorul radiogoniometruluişi al alidadei sunt reprezentate grafic şi trecute în tabelul de deviaţii.Radiogoniometrul trebuie reetalonat la depăşirea valorii de 1 grad faţă de valorile

deviaţiei radio tabelate.

R pr ( 0 ) δr R p(

0 ) R pr ( 0 ) δr R p(

0 )

0

10

20

30

40

.

.

.

170

+0.5

+1.5

+2.5

+3.4

+3.9

.

.

.

-1.5

0.5

11.5

22.5

33.4

43.9

.

.

.

168.5

1800

1900

2000

2100

2200

.

.

.

3500

-0.5

+0.5

+1.2

+1.9

+2.6

.

.

.

-0.5

179.5

190.5

201.2

211.9

222.6

.

.

.

349.5

Tabelul 2.1. Tabelul de deviaţii




13

2.4. Procedee practice de determinare a deviaţiei radio la bordul navei

2.4.1. Stabilirea condiţiilor în care se desfăşoară observaţiile

se determină metoda observaţiilor (giraţie sau drumuri succesive); se stabileşte repetitorul cu care se vor măsura relevmentele prova optice; se stabileşte personalul care participă la observaţii; se stabileşte sistemul de comunicaţii între alidadă şi radiogoniometru pentru

a se asigura simultaneitatea observaţiilor; se întocmesc fişele de observaţii; se înregistrează pescajul navei şi se verifică dacă masele metalice mobile

de la bord sunt la post; se deconectează antenele staţiei radio de pe navă.

2.4.2. Desfăşurarea observaţiilor

• când nava a luat unul din drumurile stabilite, ofiţerul cu navigaţia (însărcinatcu conducerea operaţiunilor), atenţionează operatorul de laradiogoniometru;

• operatorul de la radiogoniometru măsoară relevmentul gonio cu o preciziede 0.2 – 0.3 grade şi în momentul măsurării transmite un semnal la alidadă;

• observatorul de la alidadă va citi relevment prova la antena radiofarului;• se recomandă ca pentru fiecare relevment prova să se măsoare 3 – 5

relevmente gonio, pentru a se elimina eventualele erori de observare.

NAVA: DATA: RADIOFARUL: PESCAJ:

Nr. crt.obs.

Ora R p Paralaxaα0

R p’(col. 3+4)

R pr δr (col. 5-6)

Observaţii

1 2 3 4 5 6 7 8

Tabelul 2.2. Tabel utilizat pentru determinarea practică a deviaţiei radio

La întocmirea tabelului anterior se va ţine seama de următoarele considerente: funcţie de valorile deviaţiei radio rezultate în urma observaţiilor se trasează

curba deviaţiei radio, care trebuie să aibă o formă sinusoidală; funcţie de acest grafic se scot valorile deviaţiei radio din 10 în 10 grade şise completează tabelul; în condiţii corecte de lucru, eroarea medie care poate apărea este de

maxim 0.5 grade.Dacă s-a utilizat metoda drumurilor intermediare, curba deviaţiei radio se poate

trasa şi numai pentru opt puncte, dar erorile în determinarea tablei de deviaţii radio din 10 în 10 grade pot fi mari.




14

Ca urmare, în acest caz valorile deviaţiei radio se vor obţine prin calculareacoeficienţilor A, B, C, D, E, …, K, … din formula deviaţiei radio şi apoi, calcularea cuajutorul formulei matematice a valorilor deviaţiei radio.

2.4.3. Etapa finală a calculului deviaţiei radio

• după calcularea coeficienţilor deviaţiei radio se completează tabelul de deviaţieradio;

• după determinarea tuturor valorilor necesare ale deviaţiei radio se va trasacurba deviaţiei radio pentru a se observa dacă apar erori de calcul;

• avantajul determinării deviaţiei radio prin calcul constă în faptul că erorileaccidentale de observare pentru cele opt relevmente prova goniometrate serepartizează uniform pe întreaga suprafaţă a tabelului de deviaţii;

• analiza valorilor coeficienţilor deviaţiei radio ne va da indicaţii asupracaracterului influenţelor electrice exercitate asupra antenei cadru a

radiogoniometrului.




15

3.1. Principiul sistemelor hiperbolice

Principiul funcţionării sistemelor hiperbolice constă în măsurarea diferenţei de fazăsau de timp dintre semnalele emise de două staţii situate la coastă şi recepţionate labordul navei .

Dacă două staţii (X şi Y) transmit simultan câte un impuls radio, aceste semnale

vor fi recepţionate simultan de către un receptor situat în punctele A, B sau C, punctesituate pe mediatoarea liniei care uneşte cele două staţii (denumită linia de bază). În punctele situate mai aproape de staţia X decât faţă de staţia Y, va fi recepţionat

mai întâi semnalul de la staţia X şi apoi semnalul de la staţia Y.

Fig. 3.1. Principiul sistemelor hiperbolice

Pentru un receptor situat în punctele P, Q sau R, unde diferenţa de distanţă întrestaţiile X şi Y este aceeaşi, diferenţa de timp între recepţionarea celor două semnale radiova fi aceeaşi.

Locul geometric determinat de punctele situate la egală diferenţă de distanţă faţăde două focare este hiperbola.

Ca urmare, pentru o pereche de staţii poate fi trasată o familie de hiperbole prinmultiplicarea sau demultiplicarea unei anumite diferenţe de distanţă luată ca unitate dereferinţă.




16

În principiu, o navă dotată cu un receptor capabil să măsoare diferenţa de timpsau de fază dintre semnalele recepţionate, poate să determine hiperbola de poziţie pecare este situată nava la un moment dat.

Pentru a se obţine poziţia navei mai este necesară şi o a doua linie de poziţie. Ca

urmare, pentru determinarea poziţiei navei în sistemele hiperbolice, este suficientărecepţionarea la un moment dat a trei staţii de emisie, care generează două perechi desemnale emise simultan.

Familiile de hiperbole generate de un astfel de lanţ de staţii sunt trasate pe hartade navigaţie.

Fig. 3.2. Familii de hiperbole pe harta LORAN




17

3.2. Sistemul LORAN (LO LO LO LOng RA RA RA RAnge N NN Navigation)

3.2.1. Introducere. Scurt istoric

Sistemul LORAN este un sistem electronic de navigaţie bazat pe staţii de emisiede la uscat, ce emis impulsuri în banda de frecvenţă joasă şi care este utilizat pentrudeterminarea poziţiei navelor şi a aeronavelor.

Acest procedeu de determinare a poziţiei a fost propus pentru întâia oară în anii1930 şi implementat de către Amiralitatea Britanică în timpul celui de al doilea războimondial, sub denumirea „British Gee”.

Sistemul utiliza staţii de emisie grupate în staţii principale şi staţii secundare,situate la distanţe de aproximativ 100 mile între ele şi care utilizau frecvenţe cuprinse între30 şi 80 Mhz. Utilizarea de frecvenţe din banda de foarte înaltă frecvenţă a făcut casistemul să nu aibă a arie de acoperire foarte mare, dar acest lucru nu reprezenta oproblemă la acel moment, având în vedere utilizarea lui în scopul de a efectua raiduri

aeriene asupra Germaniei.Ulterior, sistemul a fost dezvoltat şi îmbunătăţit în cadrul Institutului Technologicdin Massachusetts (S.U.A) şi astfel în anul 1943 existau un număr considerabil de staţiisub controlul Pazei de Coastă a Statelor Unite.

În stadiul iniţial, sistemul a fost cunoscut sub denumirea de Sistemul Loran sauLORAN – A. acest sistem opera pe frecvenţe cuprinse între 1850 kHz şi 1950 kHz, avândstaţii principale şi secundare situate la distanţe de 600 mile marine între ele. Prin utilizareaundelor terestre sistemul acoperea o arie de 600 până la 900 de mile marine pe timp de zişi o arie de 1250 până la 1500 mile marine pe timp de noapte, pe timp de noapte utilizândşi unde reflectate atmosferic. Acurateţea poziţiei determinate cu ajutorul sistemuluiLORAN – A era de 1 milă marină pe timp de zi, utilizând numai unde terestre şi de 6 milemarine pe timp de noapte, utilizând şi unde reflectate.

Sistemul LORAN – A se baza pe măsurarea diferenţei de timp dintrerecepţionarea semnalului de la staţia principală şi recepţionarea semnalului de la staţiasecundară.

Sistemul LORAN – A a fost utilizat de Statele Unite până în anul 1980 când a fost înlocuit de sistemul LORAN – C. Utilizarea sistemului LORAN – A a continuat în alte zonede pe glob mult timp după apariţia sistemului LORAN – C, trecerea la acest nou sistemnecesitând o perioadă mai mare de timp. Ultimul sistem LORAN – A operaţional se maigăseşte pe coastele Chinei.

3.2.2. Principiul sistemului LORAN

Staţia principală (Master ) formează cu fiecare dintre staţiile secundare (Slave) opereche de staţii. Staţiile LORAN emit semnale sub forma unor impulsuri de o anumitădurată, care se repetă la intervale de timp regulate. Numărul de impulsuri transmise într-osecundă determină frecvenţa de repetiţie a impulsurilor (PRR – pulse reccurance rate).

Receptorul LORAN instalat la bordul navei măsoară diferenţa de timp dintremomentele recepţionării impulsurilor provenite de la o pereche de staţii. Diferenţele detimp sunt măsurate la precizie de microsecunde.




18

Considerând viteza de propagare a undelor constantă, rezultă că diferenţa de timpdin momentul recepţionării semnalelor este funcţie de diferenţa de distanţă dintre navă şistaţiile perechi recepţionate.

Fig. 3.3. Sistemul LORAN: două staţii de emisie caracterizate de impulsuri de lungime specificată

repetate la intervale de timp specifice

Locul geometric al punctelor de egală diferenţă de distanţă faţă de cele două staţiieste hiperbola care are ca focare cele două staţii, respectiv, linia de poziţie LORAN.

Punctul navei se obţine prin intersectarea a cel puţin două linii de poziţie LORAN.Problema de poziţie se poate rezolva în două moduri, şi anume:

• pe hărţile LORAN unde sunt trasate reţele de hiperbole determinate de un lanţde staţii;

• prin trasarea unor porţiuni scurte ale hiperbolei de poziţie direct pr harta denavigaţie în proiecţie Mercator, poziţia hiperbolelor fiind determinată cu ajutorul

tablelor de punct LORAN.

3.2.3. Linii de poziţie LORAN

Considerând două staţii de emisie, A şi B, transmiţând simultan acelaşi tip deimpulsuri şi situate la distanţă cunoscută.

Un receptor situat pe linia de bază determinată de cele două staţii va recepţionaambele impulsuri la o diferenţă de timp determinată de poziţionarea acestuia faţă de celedouă staţii.

Conform figurii 3.4. receptorul este situat mai aproape de staţia A decât de staţia Bşi totalitatea punctelor de egală diferenţă de timp dintre semnalele recepţionate de la cele

două staţii vor determina linia de poziţie LORAN sau hiperbola de poziţie.




19

Fig. 3.4. Linia de poziţie a punctelor de egală diferenţă de timp determinată de semnalele emise

simultan de două staţii LORAN

Linia de poziţie din figura 3.4. este reprezentată ca o hiperbolă a cărui focarelesunt reprezentate de cele două staţii de emisie. Din acest motiv, sistemul LORAN, şi altesisteme similare, sunt cunoscute ca sisteme hiperbolice.

Diferenţa de timp poate să fie diferită şi hiperbolele trasate să fie la distanţe egalecu această diferenţă de timp, respectând regula ca focarele hiperbolelor trasate să fiereprezentate de staţiile de emisie, ca în figura 3.5.

Fig. 3.5. Linia de poziţie a punctelor de egală diferenţă de timp determinată de semnalele emise

simultan de două staţii LORAN




20

În cazul sistemului din figura 3.5., liniile de poziţie sunt dispuse simetric faţă delinia centrală. Totuşi, dacă singura informaţie primită de receptor este diferenţa de timp,atunci pot apărea ambiguităţi. Ambiguităţile pot fi evitate dacă considerăm că staţiasecundară, B, depinde de impulsul recepţionat de la staţia A. Linia de poziţie obţinută înacest caz nu diferă de cazul iniţial, dar valorile diferenţelor de timp sunt diferite pentru

fiecare linie de poziţie.

Fig. 3.6. Staţia B nu poate transmite până nu emite staţia A

În acest caz, staţia A este denumită staţie principală şi staţia B este denumităstaţie secundară. Această situaţie, deşi aparent rezolvă problema ambiguităţii, creează defapt o altă problemă. După cum se vede în figura 3.6., în regiunea de extensie a liniei debază pentru staţia secundară B, diferenţă dintre timpi de recepţie a două seturi deimpulsuri este mai mică, de fapt este chiar nulă. Astfel, în această regiune este imposibilde separat două impulsuri şi să se poată măsura diferenţa de timp dintre recepţionareaacestora.

Această lipsă se rezolvă prin întârzierea transmiterii impulsului de către staţiasecundară pe o perioadă de timp cunoscută după recepţionarea impulsului de la staţiaprincipală. Această întârziere este cunoscută ca întârziere de codificare sau întârziereintenţionată. În figura 3.7. se arată aplicarea acestei întârzieri de codificare, precum şivaloarea pe care poate să o aibă, particulară fiecărui caz în parte.

Diferenţa de timp dintre recepţionarea impulsului de la staţia principală până larecepţionarea impulsului de la staţia secundară este cunoscută sub denumirea deîntârziere de emisie. Această este egală cu timpului necesar impulsului să parcurgădistanţa dintre staţia principală şi cea secundară, plus valoarea întârzierii de codificare.

În acest fel se elimină posibilele ambiguităţi şi întârzierea de codificare face să nuexiste zone unde să nu se recepţioneze două impulsuri separate. Este important să seasigure că întârzierea de codificare este menţinută constantă, deoarece orice variaţie avalorii acesteia poate cauza erori în diferenţa de timp a recepţionării şi astfel înpoziţionarea eronată.




21

Fig. 3.7. Aplicarea întârzierii de codificare semnalului emis de staţia secundară

Liniile de poziţie astfel obţinute sunt trecute pe hărţi specifice arătându-sevaloarea diferenţei de timp pentru fiecare linie de poziţie. Pentru aceasta se utilizează labordul navelor un aparat de recepţie capabil să compare întârzierea în recepţionareaimpulsurilor de la staţia principală şi cea secundară şi făcând posibilă punerea poziţieinavei pe linia de poziţie aferentă ( sau utilizând interpolarea între două linii de poziţieadiacente, în cazul în care diferenţa de timp obţinută nu este aceeaşi cu valoarea trecută în hartă). Cu toate acestea, pentru stabilirea unei poziţii exacte a navei, este necesarăstabilirea poziţiei de-a lungul unei a doua linii de poziţie, ce intersectează prima linie depoziţie (reală sau interpolată), pentru aceasta utilizând altă pereche de staţii de emisie,staţia principală poate fi comună, dar staţia secundară trebuie să fie diferită faţă de ceafolosită pentru determinarea primei linii de poziţie.




22

Fig. 3.8. Determinarea poziţiei utilizând linii de poziţie de la două perechi de staţii

principală - secundară




23

4.1. Funcţionarea sistemului „LORAN – C”

Sistemul LORAN – C este derivat din sistemul LORAN – A şi a fost introdus spreutilizare în anul 1970, deoarece sistemul anterior nu mai oferea acoperirea şi acurateţeanecesară, prezentul sistem putând rezolva aceste probleme.

În prezent sistemul de navigaţie hiperbolică LORAN – C dispune de 34 de staţii deemisie, cuprinse în 8 lanţuri.Staţiile funcţionează pe frecvenţa de 100 kHZ, asigurând o precizie a punctului

navei de 0,05 – 1,5 mile marine la distanţe faţă de staţia de emisie cuprinse între 1200 –1400 mile marine, atât pe timp de zi cât şi pe timp de noapte, indiferent de anotimp.

Această precizie este obţinută prin compararea diferenţei de fază a oscilaţiilorimpulsurilor recepţionate numai pe unde de suprafaţă.

Emiţătoarele LORAN – C pot produce o putere de emisie de 4 MW utilizând înacest scop o singură antenă verticală, cu înălţimi de până la 390 metri.

Distanţa liniei de bază dintre staţia principală şi staţiile secundare este în generalde 600 mile marine. Lanţurile de staţii ale sistemul LORAN – C sunt formate dintr-o staţieprincipală (notată M) şi un număr de 2 – 4 staţii secundare (notate X, Y, W, Z), dispuse

radial faţă de staţia principală.

Fig. 4.1. Lanţ de staţii ale sistemului de navigaţie hiperbolică LORAN-C




24

4.2. Amplasarea lanţurilor „LORAN – C”

4.2.1. Acoperirea sistemului LORAN – C

Acoperirea LORAN-C depinde de staţiile de coastă ce sunt grupate în lanţuri.Informaţiile prezente referitoare la lanţurile de staţii, intervalul de repetiţie aferent fiecăruilanţ, locaţia, emisia şi întârzierea de codificare şi puterea nominală sunt prezentate înanexe pentru fiecare staţie inclusă într-un lanţ.

Diagramele sunt realizate pentru a arăta acoperirea estimată a undelor terestrepentru fiecare lanţ. Pe scurt, diagramele de acoperire sunt generate conform următoarelorcriterii:

Limitele preciziei punctului geometric: fiecare două linii de poziţie dintr-unlanţ au aceeaşi diferenţă de timp de 0,1 µs. Precizia punctului geometriceste determinată la o valoare de 1500 picioare (aproximativ 500 metri),

RMS d 2 unde RMS d reprezintă eroarea posibilă a poziţiei geometrice. Utilizând

aceste condiţii un contur este generat în interiorul ariei lanţuluireprezentând limitele de acurateţe a punctului geometric. Limitele de acoperire a semnalului (SNR): estimarea interferenţelor

generate de factorii externi este proporţională cu puterea semnalului emisde fiecare staţie şi acoperirea semnalului se consideră în raport de 3:1funcţie de această putere de emisie.

Precizie estimată: acoperirea estimată pentru fiecare lanţ de staţii estedeterminată de limitele preciziei punctului geometric şi de limitele deacoperire ale semnalului. Unde limitele preciziei punctului geometricdepăşesc limitele de acoperire ale semnalului, se utilizează valoarealimitelor de acoperire ale semnalului în determinarea diagramelor.

În figura 4.2. sunt prezentate modul de exprimare a valorilor factorului RMS d 2

pentru diferite perechi de staţii din partea de nord-est a SUA.

Fig. 4.2. Contururile zonelor egale cu RMS d 2 pentru diferite lanţuri LORAN – C




25

De exemplu, în diagrama A, se arată conturul zonei de precizie pentru pereche destaţii formată din staţia principală W (whiskey) şi staţia principală Y (yankee). Linia îngroşată exprimă valoarea lui RMS d 2 pentru o zonă de precizie absolută de 500 metri,prima linie punctată pentru 300 metri şi a doua linie punctată pentru 150 metri.

Diagrama completă de acoperire este ilustrată în figura 4.3. pentru staţiile arătate

în figura 4.2.

Fig. 4.3. Lanţul LORAN – C din zona de nord-est a Statelor Unite

unde: M – Seneca, NYW – Caribou, ME X – Nantucket, MAY – Carolina Beach, NCZ – Dana, INSNR: 1:3Precizia punctului: 1/4 mile marine (95% RMS d 2 ) În figura 4.4.a, 4.4.b, 4.4.c şi 4.4.d sunt prezentate zonele globale de acoperire ale

sistemului de navigaţie hiperbolică LORAN – C. În cazul utilizării pentru determinarea poziţiei navei a sistemului LORAN – Ctrebuie în prealabil consultate avizele periodice pentru navigatori sau avizele specialeprivind sistemul pentru a obţine informaţii asupra anumitor modificări ce pot apărea încaracteristicile sistemului.




26

Fig. 4.4. a – Sistemul LORAN-C pentru Oceanul Pacific

Fig. 4.4. b Sistemul LOAN-C pentru Oceanul Atlantic




27

Fig. 4.4. c Sistemul LORAN – C pentru nord-vest Europa

Fig. 4.4. d Sistemul LORAN – C pentru Arabia Saudită şi India

Fig. 4.4. Acoperirea globală a sistemul LORAN – C conform Admirality List of Radio Signals

volumul 2




28

4.2.2. Staţii LORAN - C

Staţiile de emisie ale sistemului LORAN-C operează conform statutului lor însistem, staţii principale şi staţii secundare, după cum urmează:

• staţia principală (Master) emite grupe de 9 impulsuri, cu o frecvenţă derepetiţie de 10 – 25 grupe/secundă;

• după ce staţia principală a emis primul grup de impulsuri, urmează operioadă de pauză necesară undei directe să parcurgă spaţiul liniei de bazăpână la staţia secundară;

• în continuare, staţia secundară va emite o grupă de 8 impulsuri, pauzadintre impulsuri fiind de 1000 microsecunde.

Funcţie de divizarea intervalului de repetiţie, fiecare staţie a unui lanţ LORAN-Ceste codificată astfel:

SL2 – M

unde: SL – rata de repetare a impulsului (PRR – pulse recurrance rate)

2 – intervalul de repetare a impulsului (PRI + pulse recurrance interval)M – staţie principalăsau:

SL2 – Y

unde: SL – rata de repetare a impulsului (PRR – pulse recurrance rate)2 – intervalul de repetare a impulsului (PRI – pulse recurrance interval)

Y – staţie secundarăNotarea hiperbolelor se face în mod similar, adăugându-se şi valoarea diferenţei

de timp ce defineşte hiperbola de poziţie (în microsecunde), de forma:SL2-Y-19724

sau sub forma:

7990 – Y - 19724

4.2.3. Receptoare LORAN - C

Pentru ca un receptor să aibă capacitatea de a arăta poziţia cu o precizie cerutăde sistem, acesta trebuie să aibă următoarele caracteristici:

o recepţionarea semnalelor LORAN-C să fie automată;o identificarea automată a impulsurilor terestre emise de staţiile principale şi

secundare, şi realizarea unui ciclu complet al tuturor celor opt impulsuripentru fiecare pereche de staţii principală-secundară folosite;

o urmărirea automată a semnalului din momentul în care recepţionarea a fost

efectuată;o ca o cerinţă minimă, afişarea a două citiri realizate în momente diferite cu o

precizie de cel puţin 0,1 microsecunde;o să aibă filtre pentru interferenţe, calibrate de către producător, pentru

minimalizarea efectelor datorate interferenţelor frecvenţelor radio în aria deoperare a sistemului.

La unele receptoare mai vechi este necesară selectarea de către utilizator alanţului de staţii şi a perechilor de staţii pe durata procesului de măsurare. Niciodatăreceptoarele nu vor procesa automat dacă utilizatorul a introdus latitudinea şi longitudinea




29

navei, doar vor selecta cel mai bun lanţ de staţii şi perechi de staţii din zona respectivă.Procesul de selectare automată poate fi înlocuit cu selectarea manuală a staţiilor şilanţurilor de staţii de către operator.

Având selectate staţiile principală şi secundară aferente, sistemul trebuie săprimească semnale cu suficientă acurateţe pentru a permite poziţionare şi urmărireaacestora.

Timpul necesar procesării informaţiilor primite de la staţiile principală şi secundarăşi afişarea poziţiei depinde de caracteristicile receptorului şi de rata semnalelorrecepţionate.

Semnalul recepţionat trebuie să nu fie afectat de interferenţe determinate de altesemnale care ar putea apărea ca şi semnal primit şi astfel reducând rata semnalului loranrecepţionat şi afectând precizia punctului de poziţie. Filtrele de purificare a semnalului cucare este prevăzut receptorul pot reduce influenţa interferenţelor. Aceste filtre pot fipresetate de către producător sau să fie ajustate de către operator.

Receptoarele moderne LORAN-C sunt prevăzute cu un ecran frontal care conţineelemente de afişaj, de regulă un ecran cu cristale lichide care este uşor de citit în oricecondiţii de luminozitate şi o tastatură cu taste pentru funcţii şi taste numerice pentruintroduce date sau schimba datele afişate. Pe ecran se afişează date ca: date generale şi

de avertizare, informaţii despre staţia principală şi secundară utilizate, alarme, poziţiapentru momente diferite sau poziţia esprimată prin latitudine şi longitudine şi informaţii denavigaţie cum ar fi punctele de schimbare de drum, relevment şi distanţă până la punctulde schimbare de drum, abaterea de la drum, timpul până la schimbarea drumului, viteza şicursul urmat. Unele receptoare pot utiliza ferestre diferite pentru informaţii, funcţie dealegerea operatorului. Diferenţele de timp sunt măsurate de către receptor şi pot ficonvertite în latitudine şi longitudine cu ajutorul programului încorporat, acest programavând în baza sa de date şi factori secundari de corecţie.

Receptoarele moderne oferă operatorului posibilitatea de a monitoriza deplasareanavei şi pentru a face modificările de drum necesare dacă este nevoie. Receptorulfurnizează poziţia (exprimată ca diferenţă de timp sau latitudine şi longitudine) şi folosind omăsurare precisă a timpului poate oferi informaţii foarte utile efectuării navigaţiei, cum ar fidrumul urmat şi viteza navei.

Receptorul permite introducerea datelor punctelor de schimbare de drum şirealizează ruta ce trebuie urmată, astfel permiţând operatorului să monitorizezedeplasarea navei pe ruta determinată, oferind în acelaşi timp informaţii despre abaterea dela această rută, timpul rămas până la următorul punct de schimbare a drumului.Receptoarele de ultimă generaţie indică abaterea de la ruta trasată şi arată distanţaperpendiculară dintre ruta actuală a navei şi ruta determinată de punctele de schimbare adrumului.

De asemenea, se pot stoca în memoria receptorului date referitoare la variaţiacâmpului magnetic din zona unde se navigă şi posibilitatea de a selecta drumul urmat denavă, ca drum adevărat sau drum magnetic. În cazul utilizării drumul magnetic utilizatorul

va fi avertizat că drumul afişat nu este drum adevărat.Receptoarele LORAN-C pot fi utilizate ca şi echipamente de navigaţieindependente sau pot fi integrate cu alte echipamente, cum ar fi harta electronică sauGPS-ul. Receptoarele moderne au posibilitatea de a transmite informaţia către alteechipamente electronice ce utilizează protocoale de tipul NMEA (National MarineElectronics Association). Astfel de receptoare pot fi conectate cu pilotul automat, hartaelectronică, radarul, precum şi cu girocompasul de la bord sau loch-ul, astfel reuşind săcalculeze şi să determine deriva datorată curentului marin din zona unde se navigă.




30

Fig. 4.5. Panou frontal receptor LORAN-C

În receptor, determinarea hiperbolei de poziţie se face prin măsurarea diferenţeide timp dintre momentele recepţionării impulsurilor şi compararea diferenţei de fază aoscilaţiilor impulsurilor, ceea ce permite verificarea şi anularea interferenţelor produse derecepţionarea simultană a semnalelor recepţionate pe unda directă ţi pe unda reflectată.




31

4.3. Determinarea punctului navei cu ajutorul sistemului hiperbolic de navigaţie „LORAN – C”

4.3.1. Hărţi LORAN - C

Harta LORAN este reprezentarea în proiecţie Mercator a familiei de hiperbolesferice generate de perechea de staţii, recepţia fiind considerată pe unda directă.

Fig. 4.6. Hartă LORAN-C

Fiecare familie de hiperbole este trasată cu o anumită culoare, iar fiecare

hiperbolă în parte are un indice distinctiv, corespunzător perechii de staţii care a generat-oşi diferenţei de timp calculate.

Uneori, pe hărţile LORAN pot fi găsite şi tabele cu valorile corecţiei pentru undareflectată pentru fiecare pereche de staţii reprezentată.

Funcţie de scara hărţii, hiperbolele pot fi trasate pentru diferenţe de timp de 20,100 sau 200 de microsecunde.

Determinarea punctului navei se face prin interpolarea hiperbolelor citite lareceptor, optimă fiind o intersecţie a două hiperbole cât mai apropiată de 90 grade, iarpentru trei hiperbole intersecţia optimă este de 60 – 120 grade.




32

Fig. 4.7. Hartă LORAN-C: patru familii de hiperbole provenind de la lanţul LORAN-C 7980

Pentru determinarea punctului navei cu ajutorul sistemul hiperbolic de navigaţieLORAN-C se pot utiliza mai multe procedee, cum ar fi:

interpolare grafică cu două familii de hiperbole; interpolare grafică completă.

4.3.1.1. Determinarea punctului navei pe harta LORAN-C prin interpolare graficăcu două familii de hiperbole

Pe harta LORAN-C se aleg primele două familii de hiperbole, caracterizate princodificarea aferentă staţiei de emisie.Se trasează prima familie de hiperbole.

Fig. 4.8. Hartă LORAN-C: alegerea familiilor de hiperbole




33

Se trasează prima familie de hiperbole.

Fig. 4.9. Hartă LORAN-C: trasarea primei familii de hiperbole, generate de staţia secundară X

Se trasează a doua familie de hiperbole.

Fig. 4.10. Hartă LORAN-C: trasarea celei de a doua familii de hiperbole, generate de staţia

secundară Y




34

Se trasează medianelor celor două familii de hiperbole.

Fig. 4.11. Hartă LORAN-C: trasarea liniilor mediane pentru hiperbolele determinate de cele două

staţii de emisie X şi Y

La intersecţia celor două linii mediane se obţine punctul de poziţie al navei,determinat cu ajutorul sistemului hiperbolic de navigaţie LORAN-C.

Fig. 4.12. Hartă LORAN-C: punctul de poziţie al navei determinat cu două familii de hiperbole




35

4.3.1.2. Determinarea punctului navei pe harta LORAN-C prin interpolare graficăcompletă

Procedeul este similar celui anterior, cu deosebirea că punctul de poziţie al naveise determină prin interpolarea familiilor de hiperbole două câte două, determinarea

locurilor geometrice de poziţie rezultate din intersectarea acestora şi obţinerea punctuluinavei în cadrul locului geometric aferent intersecţiei tuturor familiilor de hiperbole utilizate.

Fig. 4.13. Alegerea staţiilor de emisie utilizate

Fig. 4.14. Trasarea hiperbolelor determinate de staţia X




36

Fig. 4.15. Trasarea hiperbolelor determinate de staţia Y

Fig. 4.16. Locul geometric determinat de intersecţia hiperbolelor recepţionate de la staţiile X şi Y




37

Fig. 4.17. Trasarea hiperbolelor determinate de staţia W

Fig. 4.18. Trasarea hiperbolelor determinate de staţia Z




38

Fig. 4.19. Locul geometric determinat de intersecţia hiperbolelor recepţionate de la staţiile W şi Z

Fig. 4.20. Locul geometric determinat de intersecţia celor 4 familii de hiperbole




39

Fig. 4.21. Trasarea liniilor mediane aferente celor 4 familii de hiperbole

Fig. 4.22. Determinarea poziţiei prin utilizarea hărţii LORAN-C cu ajutorul procedeului

interpolării complete




40

4.3.2. Determinarea punctului navei cu tablele de punct LORAN

Tablele LORAN pentru determinarea punctului navei sunt întocmite pentru fiecarepereche de staţii şi conţin coordonatele punctelor de intersecţie ale hiperbolelor de poziţiecu paralele sau meridiane, funcţie de orientarea liniei de poziţie.

Hiperbolele luate în calcul sunt determinate pentru diferenţe de timp (T ) din 10 în10 microsecunde, considerând că recepţia se efectuează pe unda directă.Prin utilizarea procedeului grafic de determinare a punctului navei, arcele

hiperbolelor sferice în proiecţie Mercator sunt înlocuite cu segmente de loxodromăcorespunzătoare, numite drepte LORAN.

Pentru ca această aproximare să nu influenţeze precizia punctului, tablele LORANsunt calculate astfel:

• în zona familiei de hiperbole ale perechii de staţii, unde curbura nu este mare,tablele LORAN dau coordonatele punctelor de intersecţie ale hiperbolelor (din10 în 10 microsecunde) cu paralelele şi meridianele la intervale de 1 grad;

• în apropierea staţiilor de emisie, unde curbura hiperbolelor este accentuată,datele punctelor de intersecţie se dau pentru intervale ale diferenţelor delatitudine sau longitudine (∆φ, ∆λ) de 15 sau 30 de minute.

Mărimile ∆ înscrise pe coloana diferenţei de timp (T), reprezintă variaţia latitudiniisau longitudinii pentru o diferenţă de timp de 1 microsecundă.

Valoarea ∆ este exprimată în sutimi de minut de arc şi serveşte la interpolareacoordonatelor punctului de intersecţie al hiperbolei cu meridianul sau paralelul respectiv,interpolarea fiind efectuată funcţie de valoarea diferenţei de timp citire la receptor (T G )pentru o anumită hiperbolă.

Diferenţa de coordonate ∆φ sau ∆λ se poate obţine şi cu ajutorul relaţiei:

(∆φ, ∆λ) = (TG – T) x ∆ (4.1)

Fig. 4.23. Table de punct LORAN

SL4-X

T 13430 13440 13450

L AT L ∆∆∆∆ L ∆∆∆∆ L ∆∆∆∆ LO N G

33 54.3 N +15 33 55.8 N +15 250 E

33 49.4 N +16 33 51.0 N +16 26 0 E

SL4-Y

T 31870 31880 31890

L AT L ∆∆∆∆ L ∆∆∆∆ L ∆∆∆∆ LO N G

340 N 25 10.4 E -18 25 08.6 E -18

330 N 25 33.5 E +20 25 31.5 E +20




41

4.3.2.1. Model de calcul pentru determinarea punctului navei cu ajutorul tablelorLORAN

Data: zz/ll/aa Ora: h/min LT

Punct estimat: LAT 300

40’ NLONG 250 40’ E

La receptorul LORAN C acordat pe lanţul SL4 se fac următoarele citiri:

perechea M – SL4 – X (Matratin): TG = 13435 µsec perechea M – SL4 – Y (Targaburun): TG = 31872 µsec

Table de punct LORAN:

Determinarea punctelor de intersecţie:

- pentru perechea M – SL4 – X

TG = 13435- T = 13430

(TG – T) = + 5

pentru LONG 1 = 250 E; LAT = 330 54’.3 N∆ = + 15 +(0.15’ x 5) = 0’.8

LAT 1 = 330 55’.1 N




42

pentru LONG 2 = 260 E; LAT = 330 49’.4 N∆ = + 16 +(0.16’ x 5) = 0’.8

LAT 2 = 330 50’.2 N

Table de punct LORAN:

Determinarea punctelor de intersecţie:

- pentru perechea M – SL4 – Y

TG = 31872- T = 31870

(TG – T) = + 2

pentru LAT 3 = 340 N; LONG = 250 10’.4 E∆ = + 15 -(0.18’ x 2) = -0’.4

LONG 3 = 250 10’ E

pentru LAT 4 = 330 N; LONG = 250 33’.5 E∆ = + 16 -(0.2’ x 5) = -0’.4

LONG 4 = 250 33’.1 E




43

Se obţin astfel două segmente loxodromice (drepte LORAN) definite astfel:

linia de poziţie M (LAT1, LONG1; LAT2, LONG2) linia de poziţie P (LAT3, LONG3; LAT4, LONG4)

Problema se poate rezolva fie direct pe harta de navigaţie Mercator – LORANpentru zona respectivă, fie prin procedeul construirii scării grafice.Punctul LORAN – C rezultat este de coordonate: LAT = 330 54’ N

LONG = 250 12’ E

Fig. 4.24. Punctul navei determinat prin calcul utilizând tablele LORAN

4.4. Precizia punctului LORAN

Suprafaţa rombului erorilor determina de o eroare de măsurare este minimă dacăliniile de poziţie hiperbolice se intersectează perpendicular.

Amplasarea staţiilor LORAN este astfel calculată încât familiile de hiperbole pecare le generează să se intersecteze sub unghiuri mai mari de 30 grade.

Precizia punctului LORAN – C, în cazul recepţionării undei directe, are o toleranţăde măsurare de ± 0,5 microsecunde, deci o eroare totală de ± 2,5 microsecunde.

În cazul unui unghi de intersecţie favorabil pentru hiperbolele de poziţie, preciziapunctului este de ± 0,1 mile marine pentru o distanţă de până la 350 mile marine faţă destaţia principală şi de ± 0,3 mile marine la o distanţă de 750 mile marine,

Sistemul hiperbolic de navigaţie LORAN – C va mai rămâne în exploatare cel puţinpână în anul 2015.




44




45

5.1. Introducere. Scurt istoric

Este surprinzător faptul că tehnologia spaţială, aşa de comună şi intens utilizată în

ziua de azi, îşi are originile cu peste 50 de ani în urmă, la începutul anilor 1950, moment încare URSS lansa primul vehicul spaţial pe o orbită joasă, concomitent cu naştereaprogramului spaţial în Statele Unite. De altfel un vehicul spaţial de dimensiuni mult redusefaţă de cele din zilele noastre, primul satelit „Sputnik” era dotat cu un emiţător radio,frecvenţa pe care opera acesta generând un puternic efect Doppler în momentul în caretranzita o anumită zonă terestră. Fenomenul Doppler era un fenomen foarte binedocumentat, dar acesta a fost primul moment în care efectul a fost generat şi recepţionatde către un satelit aflat pe orbita terestră. În scurt timp s-a trecut la utilizarea acestui efect în scopul obţinerii unui sistem de poziţionare mult mai precis şi independent deconstrângerile care afectau sistemele terestre existente, cum ar fi sistemul hiperbolic denavigaţie.

Primul sistem comercial de poziţionare cu ajutorul sateliţilor a fost Navy Navigation

Satellite System (NNSS) utilizând efectul Dopller mult îmbunătăţit şi furnizând opoziţionare precisă pentru navigaţie vreme îndelungată.Cu timpul, tehnologia folosită de acest sistem a fost depăşită şi sistemul a fost

închis la 31 decembrie 1996, în favoarea net superiorului Sistem de Poziţionare Globală(G.P.S). În prezent, mai există pe orbită sateliţi de tip Nova utilizaţi de sistemul NNSS, darnu mai sunt folosiţi în scopul determinării poziţiei.

În anul 1973 s-a început dezvoltarea unui nou sistem de navigaţie utilizând sateliţii în scopul înlocuirii deja învechitului sistem NNSS.

Vehiculul spaţial lansat primul în cadrul noului program a fost denumit NavigationTechnology Satellite (NTS) şi a fost lansat pe orbită în anul 1974, fiind embrionul a ceeace avea să devină mai târziu Sistemul Global de Poziţionare. Sistemul GPS a fost declaratoficial complet operaţional pe data de 27 aprilie 1995 şi intră în operare la data de 1

ianuarie 1997, odată cu închiderea sistemului NNSS.Sistemul GPS, deseori denumit NAVSTAR, are multe puncte comune cu Sistemul

Global de Navigaţie dezvoltat în Rusia (GLONASS), dar nu sunt compatibile. SistemulGPS este compus din trei segmente operaţionale: segmentul spaţial, segmentul de controlşi segmentul utilizatorului.




46

5.2. Compunerea Sistemului Global de Poziţionare

5.2.1. Segmentul spaţial

Constelaţia de sateliţi utilizaţi în cadrul sistemului GPS este formată dintr-unnumăr de 24 de sateliţi, câte 4 sateliţi pe fiecare din cele 6 orbite, existând de asemenea şialţi sateliţi pentru a asigura funcţionarea sistemului. Orbitele pe care se deplasează sateliţiisunt orbite aproape circulare la o altitudine de 20.200 Km (10.900 mile marine) şi au o înclinare de 55 grade.

Bazat pe timpul standard, fiecare satelit are o perioadă orbitală aproximativă de 12ore, dar când se exprimă în mult mai corectul timp sideral, aceasta este de 11 ore şi 58minute. Deoarece Pământul se roteşte sub orbita sateliţilor, toţi vor apărea peste oricepunct fix de pe Pământ la fiecare 23 ore şi 56 minute, sau, cu 4 minute mai devreme înfiecare zi. Acest lucru se întâmplă datorită faptului că ziua siderală este cu 4 minute maiscurtă decât ziua solară şi fiecare satelit parcurge de două ori într-o zi orbita. Pentru a

menţine precizia orbitală, sateliţii sunt dotaţi cu echipamente speciale pentru corectareadeplasării la abaterii de 1 metru de la orbita iniţială.

Fig. 5.1. Constelaţia de sateliţi ai sistemului GPS

Această configuraţie orbitală, incluzând toţi cei 24 de sateliţi, asigură ca şi ultimii 6sateliţi, să aibă o elevaţie mai mare de 9.5 grade, astfel fiind în câmpul de recepţie aoricărei antene terestre în orice moment. Acest lucru s-a realizat deoarece sub o elevaţiede 9.5 grade erorile datorate troposferei şi începând de la această elevaţie se poaterealiza recepţia utilizând orice sistem de antenă.

Sateliţii originali numerotaţi de la 1 – 11 şi denumiţi Block I, sunt retraşi din uz înmomentul de faţă. În prezent, constelaţia de sateliţi ai sistemului GPS se bazează pe adoua generaţie de sateliţi, denumiţi Block II. Sateliţii Block II (numerele 13 – 21) şi BlockIIA (numerele 22 – 40) au fost lansaţi pe orbită în perioada februarie 1989 – noiembrie




47

1997. Pe lângă cele două categorii menţionate anterior pe orbită mai sunt şi sateliţi de tipBlock IIR (numerele 41 – 62) denumiţi şi sateliţi de completare. Viaţa operaţională a unuisatelit de completare este de aproximativ 8 ani.

Toţi sateliţii transmit un mesaj ce conţine date despre orbită, timpul orar, timpulaferent sistemului şi starea actuală.

5.2.2. Segmentul de control

Sistemul GPS este supravegheat de la baza aeriană din Schriever (Colorado,SUA) şi are rolul de a controla şi îmbunătăţii funcţiile sistemului. Există 5 staţii demonitorizare, situate în Insulele Hawai, Oceanul Pacific, Insulele Ascension, în OceanulAtlantic, pe Insula Diego Garcia în Oceanul Indian, pe Insula Kwajalein, Oceanul Pacific şila Colorado Spring în Statele Unite. Parametrii orbitali ai sateliţilor sunt constantmonitorizaţi de către una sau mai multe staţii terestre, care transmit toate aceste datecătre staţia centrală de la Schiever.

Pe baza acestor date se prefigurează viitoarele orbite şi parametrii operaţionali cevor fi încărcaţi în programul de bază al sateliţilor.

Toate staţiile terestre au fost alese cu precizie pentru a respecta SistemulGeodezic Terestru 1984 (WGS-84).

5.3. Receptoarele GPS

Practic, la începutul acestui mileniu, receptoarele GPS pot fi întâlnite la bordultuturor tipurilor de nave şi ambarcaţiuni, devenind un aparat comun de navigaţie. Evidentcă fiecare model şi tip de echipament are propriile sale caracteristici, mod de prezentare a

datelor şi algoritm de utilizare. În principiu însă, toate receptoarele GPS destinate navigaţiei maritime asigură unminim de facilităţi comune, menite în principal să asigure navigatorului o informare foarteprecisă de poziţie, pe baza căreia acesta să poată să piloteze nava pe ruta dorită.

În continuare vor fi prezentate principalele tipuri de informaţii pe care oricereceptor GPS le pune la dispoziţia utilizatorului, forma grafică şi alfanumerică sub careeste afişată această informaţie.

Esenţial este faptul că terminologia utilizată pentru etichetarea datelor prezentateeste comună tuturor echipamentelor, iar ideea de bază pentru prezentarea informaţiei oconstituie utilizarea „ferestrelor”.

În consecinţă, utilizând o tastatură minimă (în general 10 taste numerice şi alte 4 –8 taste funcţionale, în care includem şi tastele cu „săgeţi”, pentru receptoarele mai vechi şi

5 – 8 taste la receptoarele noi) pot fi apelate şi activate toate funcţiile puse la dispoziţiaoperatorului. Având în vedre faptul că toate receptoarele GPS execută aceleaşi operaţiuni,

diferenţele între modele constând în modul de afişare al informaţiei şi dispunerea tastelor,fiecare ofiţer de punte trebuie să citească manualul de utilizare al echipamentuluirespectiv, pentru a învăţa cum trebuie operat receptorul GPS cu care lucrează la unmoment dat.




48

Fig. 5.2. Tipuri de receptoare GPS

5.4. Terminologie utilizată de sistemul G.P.S.

Terminologia utilizată (în limba engleză) şi în special semnificaţia abrevierilorutilizate, aceste prescurtări fiind cel mai des utilizat mod de etichetare a diferitelor date.

BRG – Bearing CMG – Course Made Good COG – Course Over Ground CTE – Course Track Error CTS – Course to steer DTK – Desired Track ETA – Estimated Time of Arrival ETE – Estimated Time Enroute HDG – Heading OCE – Off Course Error SOG – Ground Speed ROUTE – Route

SPD – Speed TRK – Track (COG/CMG) VMG – Velocity Made Good WP – Way Point XTE – Cross Track Error

Datele referitoare la direcţii pot fi grupate în două categorii distincte:• direcţia reală de deplasare a navei la un moment dat ( CMG , TRK ),

respectiv drumul deasupra fundului;




49

• direcţiile care derivă din faptul că receptorul GPS are memorată oanumită rută ( ROUTE , DTK ), definită prin punctele de schimbare dedrum ( WP ).

Astfel, poziţia actuală a navei este comparată o dată cu ruta de navigaţiespecificată şi în funcţie de care se stabileşte abaterea laterală (CTE , XTE ), iar în funcţie de

poziţia următorului punct de schimbare a drumului se indică direcţia pe care trebuie să o ianava (BRG , HDG ) pentru a ajunge în punctul de schimbare a drumului respectiv.

5.5. Ferestre de date

Receptorul GPS oferă următoarele ferestre de interes primordial pentru navigator:o fereastra pentru sateliţi; o fereastra pentru poziţia navei; o fereastra pentru navigaţie (pilotarea navei); o fereastra pentru definirea rutei de navigaţie; o fereastra pentru controlul rutei; o fereastra pentru funcţia „OM LA APĂ” (Man Over Board); o fereastra pentru harta electronică de navigaţie.

5.5.1. Fereastra pentru sateliţi

Fig. 5.3. Fereastra pentru sateliţi




50

Barele verticale reprezintă sateliţii recepţionaţi, înălţimea acestora fiind echivalentăcu modul în care este captat semnalul acestora.

Modul de dispunere al sateliţilor pe bolta cerească este schematizată prin douăcercuri concentrice (orizont şi cercul de înălţime 45 grade). Sateliţii nerecepţionaţi suntsubliniaţi.

Fig. 5.4. Fereastra pentru sateliţi

În funcţie de numărul sateliţilor recepţionaţi şi luaţi în calcul la determinareapunctului navei, sunt afişate şi datele referitoare la precizia punctului obţinut. Situaţiistandard:

precizie 2 D – când punctul navei se calculează cu 3 sateliţi; precizie 2 D -D – când punctul navei se calculează cu 3 sateliţi însistem DGPS

precizie 3 D – când punctul navei se calculează cu minim 5 sateliţi precizie 3 D-D – când punctul navei se calculează cu minim 5 sateliţi

în sistem DGPS

5.5.2. Fereastra pentru poziţia navei

Datele prezentate în această fereastră reprezintă informaţia esenţială pentru oriceechipament hiperbolic de navigaţie şi practic elementul primordial de interes pentru

navigator.Scopul acestui tip de afişaj este acela de a concentra toate informaţiile referitoarela poziţia navei (coordonate geografice), respectiv la mişcarea reală a acesteia (drumdeasupra fundului, viteză deasupra fundului), chiar dacă aceleaşi date mai apar împreunăsau separat şi în alte ferestre.

De remarcat că reprezentarea grafică a drumului navei (compasul grafic), nu esteun repetitor giro, ci valoarea afişată este corespunzătoare traiectoriei reale a navei,respectiv indică tot valoarea drumului deasupra fundului.




Formatul în care este afişată ora poate fi ales de către utilizator, în varianta 12/24ore, respectiv ora bordului (LT) sau GMT.

Fig. 5.5. Fereastra pentru poziţia navei

În zona Utilizator , pot fi afişate o serie de date, la alegerea navigatorului, date caresunt considerate ca şi un loch digital, astfel:

o TRIP reprezintă distanţa parcursă de către navă de la ultima resetare acontorului de distanţă;

o ELPSD reprezintă timpul total scurs de la ultima resetare a cronometrului;o

TTIME este timpul în care viteza deasupra fundului nu s-a modificat;o AVSPD este viteza medie realizată de la ultima resetare a loch-ului;o MXSPD este viteza maximă atinsă, de la ultima resetare a loch-ului.

Fig. 5.6. Afişarea pe ecranul receptorului GPS a poziţiei navei

Curs Navigatie Electronica Partea 1.pdf

Documents

Transcript of Curs Navigatie Electronica Partea 1.pdf