Specializovaný kurs U3V Současný stav a výhledy digitálních komunikací 11. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky 7.4.2016 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 541146553, sebestaj@feec.vutbr.cz http://www.urel.feec.vutbr.cz/~sebestaj/u3v/index.htm
U3V - T11: NAVIGACE I. Téma: Základy navigace Směrová navigace Kruhová navigace Kruhově směrová navigace Hyperbolická navigace Inerciální systémy 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 2
U3V - T11: Základy navigace (1/18) Navigace = "navis" navigace po moři Srovnávací (mapa terén) Kompasová (siločáry mag. pole Země) Astronomická (sextant) Rádiová navigace (radionavigace) Pozemní Družicová Radionavigace je speciální odvětví obecné navigace, které pro plnění úkolů navigace používá radiové prostředky 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 3
U3V - T11: Základy navigace (2/18) GEODETICKÉ (ZEMĚPISNÉ) SOUŘADNICE: ZEMĚPISNÁ DÉLKA λ - úhel ve stupních, minutách a vteřinách, měřený v rovině rovníku, mezi průsečíkem rovníku a nultého poledníku středem Země a průsečíkem rovníku s poledníkem bodu měření. Rozsah 0 až 180 východní (V, E, +) nebo západní (Z, W, -). Anglický termín je LONGITUDE. ZEMĚPISNÁ ŠÍŘKA ϕ - úhel ve stupních, minutách a vteřinách, měřený v rovině místního poledníku od roviny rovníku k zemskému poloměru, procházejícímu místní rovnoběžkou. Rozsah 0 do 90 od rovníku severní (S, N, +) nebo jižní (J, S, -). Anglický termín je LATITUDE. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 4
U3V - T11: Základy navigace (3/18) NIVELAČNÍ VÝŠKA H = nadmořská výška - výška nad geoidem (plocha aproximující zemský povrh jako ekvipotenciální plochu vůči gravitaci na střední klidové hladině oceánu). 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 5
U3V - T11: Základy navigace (4/18) ORTHODROMA - nejkratší spojnice dvou bodů nacházejících se na zemském povrchu. LOXODROMA - spojnice dvou bodů na zemském povrchu, která svírá stejný úhel s mezilehlými poledníky. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 6
U3V - T11: Základy navigace (5/18) KURSY, SMĚRNÍKY, DEVIACE, DEKLINACE 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 7
U3V - T11: Základy navigace (6/18) MAPOVÁ PROJEKCE - protože je zobrazována zakřivená plocha s projekcí do roviny vykazuje mapa zkreslení. Podle toho, které vlastnosti zemského povrchu mapa zachovává nezkreslené, mluvíme o mapách: délkojevných nezkreslují vzdálenosti podél určitého systému čar (netýká se všech délek) plochojevných zachovávají poměry ploch, silně jsou však zkresleny úhly úhlojevných věrně zachycují úhly, ale silně zkreslují plochy vyrovnávacích kompromisní zobrazení 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 8
U3V - T11: Základy navigace (7/18) Příklady map s válcovou projekcí Příklad mapy s kuželovou projekcí 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 9
U3V - T11: Základy navigace (8/18) Kartografická zkreslení na Mapy kilometrické (menší mapách zobrazujících velké plochy chyba v úhlech!!!!) oblasti - zobrazení kontrolních kruhů Souřadnice označeného místa v mapě: NY6795024880 Příklad konvertoru na: http://www.earthpoint.us/convert.aspx 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 10
U3V - T11: Základy navigace (9/18) TĚLESO ZEMĚ nedokonalý kulového tvaru, tzv. geoidu. Nejvhodnějším přibližujícím matematickým modelem elipsoid. Osa rotace je dlouhá 12713,7 km, rovníkový průměr je 12756,49 km. Rovník a nultý poledník jsou základními prvky pro určování zeměpisných souřadnic, které jednoznačně určují polohu jakéhokoliv bodu na zemském povrchu. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 11
U3V - T11: Základy navigace (10/18) Geoid - rotace Země, nedokonale tuhé těleso - nehomogenita tělesa Země Elipsoid = elipsa rotující podle osy rotace Výška geoidu = rozdíl mezi referenčním elipsoidem a skutečným geoidem 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 12
U3V - T11: Základy navigace (11/18) Referenční elipsoidy (stačí 2 parametry): 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 13
U3V - T11: Základy navigace (12/18) VČR: S-42 (elipsoid Krasovského) S-JSTK - systém jednotné trigonometrické sítě katastrální (Besselův elipsoid) WGS-84 - World Geodetic System - u přijímačů GPS primárním GTRF - Galileo Terrestrial Reference Frame (v přípravě) Metody přepočtu mezi jednotlivými souřadnými systémy jsou řešeny výpočtem polohy v daném systému v pravoúhlých souřadnicích (x, y, z) dle vztahu transformací pravoúhlých souřadnic vstupního souřadného systému do pravoúhlých souřadnic cílového systému a zpětným výpočtem geodetických souřadnic. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 14
U3V - T11: Základy navigace (13/18) Geodetické souřadnice získané přepočtem z pravoúhlých souřadnic jsou vztaženy k ploše příslušného referenčního elipsoidu. Vlivem nerovnoměrného rozložení hmoty Země lze pozorovat nepravidelné změny výšky odpovídající hladině moře a elipsoid je nutno nahradit geoidem. Záměna elipsoidu za přesnější definici tvaru Země nemá vliv na geodetickou šířku a délku a projevuje se pouze ve změně výšky hladiny moře (geoid) vůči elipsoidické výšce. Výška geoidu N může být definována interpolačním vztahem, který je funkcí geodetické výšky a šířky, nebo pomocí tabulek. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 15
U3V - T11: Základy navigace (14/18) Vztahy mezi určovanými výškami Výška geoidu pro WGS-84 [m] 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 16
U3V - T11: Základy navigace (15/18) Chyba (posuv) S-JSTK vs. WGS-84 v ČR geodetická šířka geodetická délka Konvertory s mapou na: http://twcc.fr/ 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 17
U3V - T11: Základy navigace (16/18) Využití navigačních majákových systémů Směrová navigace měření směrníku k majáku polohu tvoří průsečík směrníků (NDB) Kruhová navigace měření vzdálenosti od majáků polohu tvoří průsečík kulových ploch (GPS) Hyperbolická navigace měření rozdílu vzdáleností od majáků polohu tvoří průsečík hyperbolických ploch (DECCA) Speciální navigace specifikace účelových prosto-rových signálů polohovou souřadnici specifikuje maximální amplituda nebo shodná hloubka modulace dvou AM signálů nebo shodná fáze dvou signálů (ILS, MLS) 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 18
U3V - T11: Základy navigace (17/18) Směrová navigace Kruhová navigace Hyperbolická navigace Kruhově směrová nav. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 19
U3V - T11: Základy navigace (18/18) Inerciální systémy Výpočet polohy vzhledem k počátku měření pomocí měření rychlosti (akcelerometry) a kursu parciálního pohybu (gyroskopy, kompas) Určení polohy 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 20
U3V - T11: Směrová navigace (1/7) Systémy směrové (kursové) navigace jsou založeny na měření směru (kursu) navigovaného objektu ke dvěma či více majákům současně. Geometrickým místem konstantních směrů od daného bodu jsou polopřímky. Pro navigaci, při níž je určována geodetická poloha je nutná znalost směru severu (nejčastěji kompasové určení). Směrovou navigaci využívají systémy NDB, ILS, MLS. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 21
U3V - T11: Směrová navigace (2/7) Princip směrové navigace Pro určení kursu se užívá závislost amplitudy vysokofrekvenčního signálu na měřeném směru k majáku. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 22
U3V - T11: Směrová navigace (3/7) Aktivní systém využívá směrové vyzařování elektromagnetické energie - amplitudový radiomaják. Pasivní systém se směr. příjmem - rádiový zaměřovač. Úhlovou souřadnici zjišťujeme: podle maxima nosné signálu podle minima nosné signálu vzájemným porovnáním úrovní signálu zjišťovaných pro dvě natočení antény 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 23
U3V - T11: Směrová navigace (4/7) Na přesnost zaměření mají vliv podmínky šíření. Za reálných podmínek šíření v troposféře nastává výrazná změna polohového úhlu (měření se nepoužívá). Azimutální úhel bývá většinou ovlivňován šířením nad ostře ohraničenými změnami prostředí - pobřežní lom. Chyba zaměření se projevuje zejména pro letadla v malých výškách. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 24
U3V - T11: Směrová navigace (5/7) Směrové antény AM navigačních systémů Pro DV, SV a KV se nejčastěji používají rámové antény (nebo s dvojice navzájem kolmo orientovaných rámových antén) konstrukčně upravených tak, aby byly otočené kolem svislé osy rámu nebo čtveřice vertikálních antén (tzv. Adcockova soustava). Na VKV se pak používají nejčastěji antény typu parabolického válce, Yagiho antény nebo logaritmicko-periodické antény. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 25
U3V - T11: Směrová navigace (6/7) Profesionální ADF systém se dvěma Adcockovými anténami pro různá pásma 7.4. 2016 Modifikace Adcockovy antény s osmi elementy U3V - T11: Navigace I. strana 26
U3V - T11: Směrová navigace (7/7) Nesměrové majáky NDB (Non-Directional Beacon) Pracují v pásmu 190 1750 khz s AM modulací, identifikují se pomocí dvoj až trojpísmenného kódu v Morseově abecedě (mod. frekvence 400 nebo 1020 Hz). 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 27
U3V - T11: Kruhová navigace (1/2) Systémy kruhové navigace jsou založeny na měření vzdálenosti navigovaného objektu od dvou, či více majáků současně. Toto měření se uskutečňuje pomocí vyhodnocení doby šíření dotazovacího signálu od palubního dotazovače k majáku a zpět. Geometrickým místem konstantní vzdálenosti od daného bodu je kružnice při 2D měření nebo kulová plocha při 3D měření. Při měření vzdálenosti k několika majákům, je místem polohy objektu průsečík kružnic nebo kulových ploch (při malém počtu majáků více průsečíků = nejednoznačnost určení polohy) 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 28
U3V - T11: Kruhová navigace (2/2) Princip kruhové navigace Pro jednoznačná měření 4 majáky nebo omezení prostoru operability, např. GPS Aplikace: systémy GNSS 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 29
U3V - T11: Kruhově - směrová (1/2) Systémy kruhově směrové navigace jsou založeny na měření vzdálenosti a směru navigovaného objektu od jednoho, či více majáků současně. Aplikace: systémy VOR-DME 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 30
U3V - T11: Kruhově - směrová (2/2) Princip kruhově - směrové navigace 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 31
U3V - T11: Hyperbolická nav. (1/4) Systémy hyperbolické navigace jsou založeny na měření rozdílu vzdáleností navigovaného objektu od dvou dvojic, či více dvojic majáků současně. Toto měření se uskutečňuje pomocí vyhodnocení doby šíření nebo častěji rozdílů fází synchronních signálů majáku. Geometrickým místem konstantního rozdílu vzdáleností od daného bodu (ohniska) je hyperbola při 2D měření nebo hyperboloid při 3D měření. Při měření rozdílu vzdáleností k několika majákům, je místem polohy objektu průsečík hyperbol nebo hyperboloidů (nejednoznačnost určení polohy je potlačena). 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 32
U3V - T11: Hyperbolická nav. (2/4) Princip hyperbolické navigace Aplikace: systémy DECCA NAVIGATOR, OMEGA, LORAN 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 33
U3V - T11: Hyperbolická nav. (3/4) DECCA NAVIGATOR 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 34
U3V - T11: Hyperbolická nav. (4/4) LORAN 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 35
U3V - T11: Inerciální systémy (1/4) Navigační systém využívající Dopplerův jev Systémy jsou určeny pro měření traťové rychlosti a úhlu snosu a patří mezi nezávislé navigační systémy větších nákladních, civil-ních i vojenských letadel bez jakékoli spoluúčasti pozemních zařízení. Dopplerova frekvence, jež vzniká pohybem letadla s traťovou rychlostí TR vůči zemskému povrchu je: 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 36
U3V - T11: Inerciální systémy (2/4) Pro měření složek rychlosti podélné, příčné a vertikální a úhlu snosu je třeba uspořádání vyzařovacích svazků antén podle tzv. Janusovy úpravy. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 37
U3V - T11: Inerciální systémy (3/4) Dráha letu se obvykle počítá v pravoúhlé soustavě souřadnic, kde osy jsou rovnoběžné se směry N - S a E - W. Při jejím využití se dráha letu rozkládá na integrály vektorů rychlosti ve směru těchto os. Palubní počítač vyhodnocuje zeměpisné souřadnice aktuální polohy letadla ze složek drah letu do poledníku a rovnoběžky: 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 38
U3V - T11: Inerciální systémy (4/4) Názorný přehled dosažitelné přesnosti určení 2D polohy pro různé navigační systémy 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 39
Děkuji za vaši pozornost Téma příští přednášky: Radionavigační systémy pro řízení letového provozu Výborně Higginsi, vidím, že máš všechno pod kontrolou. 7.4. 2016 U3V - T11: Navigace I. strana 40