Практическая работа №5

Министерство образования и науки Украины

Херсонская Государственная Морская Академия

ЭЛЕКТРОНАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Методические указания

к практическим занятиям по дисциплине «Электронавигационные приборы»

для студентов специальности 6.100301 «Судовождение» всех форм обучения

ХЕРСОН

УДК 629.5.05

Электронавигационные приборы: Методические указания к практи-

ческим занятиям по дисциплине «Электронавигационные приборы» для сту-

дентов специальности 6.100301 «Судовождение» всех форм обучения / Сост.

Г.И.Крапивко – Херсон. 2016. – с.

Цель методических указаний – оказать методическую помощь студентам в подготовке к практическим занятиям по дисциплине «Электронавигационные приборы»

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры

«Судовождения охраны труда и безопасности жизнедеятельности на море»,

протокол № ______от «_»_________2016 г.

Допущено учебно-методическим отделом ХГМА в качестве методических указаний.

Рецензент:

__________________________________________.

СОДЕРЖАНИЕ

Общая информация ………………………………………….…………….2

ПЗ № 1. Расчёт разности частот гидроакустического доплеровского

(ГАД) лага………………………………………………….………………………..………3

ПЗ № 2. Расчёт геометрической дальности действия

гидроакустической станции....………….………………………..7

ПЗ № 3. Расчет точности измерения глубины…………………………..9

ПЗ № 4. Изучение принципа определения курса в спутниковом

компасе.………………...............................................................................12

ПЗ № 5. Расчет погрешности маятникового гирокомпаса

базирующийся на использовании понятия «стандартный маневр»…..17

ПЗ № 6. Расчёт остаточной девиации магнитного компаса …….…….18

Список использованной литературы……………………..……………..21

Практическая работа 1.

Расчёт разности частот гидроакустического доплеровского (ГАД) лага.

Цель работы: Получить навыки оценки величины разности частот ГАД лага и влияния на разность частот некоторых параметров.

Принцип действия гидроакустического лага, основанного на эффекте Доплера и применяемого для измерения скорости судна относительно грунта (дна), заключается в следующем.

Пусть в днище судна установлена антенна А (рис. 1), действующая как излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. В сторону дна из­лучаются ультразвуковые волны частотой f₀ в виде узкого пучка под углом , к плоскости горизонта. Считаем для простоты, что угол дифферента судна равен нулю, вектор скорости судна совпадает с курсом, а вертикальных перемещений судна нет.

Рис. 1. К принципу действия гидроакустического доплеровского лага

Длина волны ультразвуковых колебаний в воде, излученных с движущегося судна,

где W~ результирующая скорость удаления излученной волны от судна в

направлении звукового луча.

В нашем случае скорость W определяется скоростью звука с и проекцией вектора

скорости V_c судна на направлении излучения:

(1)

Тогда

(2)

В силу неровностей рельефа дна звуковая волна рассеивается во все стороны, в том числе и в направлении антенны. Таким образом, от дна будет получен зхо-сигнал с длиной волны . Скорость приближения эхо-сигнала

В результате частота принятых колебаний с учетом уравнений (1) и (2) может быть представлена в виде

Или

Разложив второй сомножитель правой части в степенной ряд, получим

Пренебрегая квадратичными и последующими членами разложения и принимая

получим

Определим разность частот эхо-сигнала, пришедшего на антенну от дна и излученного сигнала:

(3)

Из формулы ясно, что при пренебрежении членами второго порядка малости, зависимость доплеровского приращения частот f₀ от скорости судна носит линейный характер.

Практическая реализация однолучевого доплеровского лага связана с рядом трудностей, основными из которых являются нелинейность зависимости f₀ от V_C изменение угла , дифференте и на качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал.

Задание к расчётной части.

1. Выполнить расчёт разности частот f_Д по формуле (3) для трёх различных значений следующих параметров: скорости судна V_c (при неизменных значениях остальных параметров), угла (при неизменных значениях остальных параметров). Недостающие значения других параметров, необходимые для расчёта, взять из справочной литературы и из практики судовождения.

2. Построить графики зависимости разности частот f_Д от изменения указанных параметров V_c и .

3. Сделать выводы о влиянии изменения указанных параметров на величину разности частот f_Д (характер зависимости, оценка абсолютных и выраженных в процентах по отношению к начальным значения в расчётных точках).

Практическая работа 2.

Расчёт геометрической дальности действия гидроакустической станции.

Цель работы: Получить навыки выполнения оценки геометрической дальности действия гидроакустической станции.

К основным эксплуатационным параметрам гидроакустических приборов относят:

максимальную дальность действия, разрешающую способность по дальности и по

направлению, мертвую зону, точность измерения расстояний и направлений.

К техническим параметрам относят: излучаемую мощность, ширину характеристики

направленности, частоту и длительность излучаемых импульсов, коэффициент

усиления и др.

Максимальная дальность действия (глубина обнаружения). Основным эксплуатационным параметром гидроакустической станции является максимальная дальность действия, под которой понимается то максимальное расстояние по горизонту или по глубине, при котором интенсивность J_min„ и давление p_min акустической волны в точке приема являются наименьшими, при которых возможно выделение сигнала на фоне акустических помех.

Рис. 1. Геометрическая дальность действия ГАС.

При горизонтальном или наклонном зондировании глубины различают энергетическую и геометрическую дальность действия, при вертикальном - только энергетическую. Геометрическая дальность действия определяется рефракцией акустических лучей. При линейном уменьшении скорости звука с глубиной (g_c< 0) геометрическая дальность действия в первом приближении:

, ( 1 )

где с_а - скорость звука на уровне антенны;

g_c - градиент скорости звука; h₁ и h₂ - глубины нахождения соответственно антенны и подводного объекта (рис. 1).

Из формулы (1) следует, что на геометрическую дальность действия влияет глубина нахождения подводного объекта, рельеф дна, плотность воды.

Задание. Определить геометрическую дальность обнаружения подводных объектов, находящихся на глубинах 100 и 300 м при отрицательном градиенте скорости звука - 0,4 м/с (глубина погружения антенны 4 м).

1.Вычислить необходимые значения геометрической дальности действия.

2.Сравнить полученные значения с контрольными: 1039 м и 1671 м.

3.Сделать выводы о влиянии на геометрическую дальность действия

глубины нахождения подводного объекта.

Практическая работа 3.

Расчет точности измерения глубины.

Цель работы: Получить навыки оценки точности измерения глубины.

При горизонтальном и наклонном зондировании толщи воды на точность измерении дистанции определяющее влияние оказывают рефракционные явления, учесть которые на практике весьма затруднительно. Погрешность в измерениях по этой причине может достигать довольно больших значений.

В гидроакустической станции (ГАС) вертикального действия наиболее существенные погрешности в измерении глубины возникают вследствие инструментальных погрешностей и различия между действительным значением скорости звука и расчетным.

Общая инструментальная погрешность навигационного эхолота складывается из погрешности , вызываемой искажающим действием приемно-усилительного тракта, и общей инструментальной погрешности используемого индикатора:

Погрешность может быть уменьшена посредством установки максимально допустимого по условиям работы усиления приемного тракта эхолота.

Общая инструментальная погрешность индикаторе эхолота, например

электромеханического, обусловлена следующими факторами:

- неточностью работы механической развертки;

- нестабильностью частоты вращения приводного электродвигателя;

- асинхронностью посылок;

- неточностью изготовления масштабной линейки и отсчета по ней.

Общая инструментальная погрешность цифрового индикатора обуслов­лена не синхронностью импульсов начала и конца отсчета относительно счетных импульсов, а также нестабильностью генератора счетных импульсов.

В реальных условиях скорость распространения звука в воде неодинакова в различных районах Мирового океана, например в Черном море она равна 1482 м/с. в Средиземном море - 1522 м/с. в Финском заливе - 1466 м/с (средне-взвешенные значения). Поправка к измеренной глубине Н, вследствие отклонения действительной скорости звука от расчетной

, (1)

где с₀ - расчетная скорость звука в воде (с₀ - 1500 м/с); с - фактическая скорость звука и воде.

Из формулы следует, что поправка положительна при с>с₀ и отрицательна при с < с₀

Погрешность в измерении глубины вследствие отклонения скорости звука от расчетной не превышает 3.5 % для любой точки Мирового океана.

Если излучающая и принимающая антенны разнесены (для уменьшении акустической связи), то действительная глубина под килем судна (рис. 1)

 

где l — расстояние между вибраторами эхолота (база).

Пренебрежение базой эхолота приводит к погрешности в измерении глубины, которая может быть учтена поправкой

(2)

Рис. 2. К определению погрешности эхолота из-за базы.

 

Задание к расчётной части.

1. Определить поправку эхолота при плавании судна в Финском заливе на глубине 10 м.

А) Вычислить значение поправки на скорость звука по формуле (1)

Б) Сравнить вычисленное значение с контрольным, величина которого

составляет - 0,23 м.

В) Сделать выводы.

2. При h=4 м, l =2м определить действительное значение глуби­ны Н под килем судна.

А)Вычислить значение поправки на базу по формуле (2).

Б) Сравнить вычисленное значение с контрольным, величина которого

составляет 5,88 м.

В) Сделать выводы.

 

Практическая работа 4.

 

Изучение принципа определения курса в спутниковом компасе.

 

Цель работы: Получить навыки изучения принципиальных основ системы определения курса и сравнения характеристик приборов различных производителей между собой.

С помощью средне-орбитальных навигационных спутниковых систем можно получать информацию не только о координатах и составляющих путевой скорости судна, но также и о его курсе. С этой целью используются двух или трехантенные системы.

В принципе для получения курса необходимо только две антенны. Третья антенна позволяет вместе с курсом судна определить углы килевой, бортовой качки и улучшить точность измерения курса, уменьшив негативное влияние на нее качки и рыскания.

Вид двухантенной системы представлен на рис. 1. Диаметр окружности, проходящей через антенны A₁ A₂, приблизительно равен одному метру.

Рис. 1. Двухантенная система спутникового компаса.

Для освещения принципа определения курса по данным GPS допустим, что имеются только две антенны А₁, А₂, расположенные в диаметральной плоскости судна (рис. 2). Расстояние между антеннами обозначим Ь. У реальных спутниковых датчиков курса оно составляет порядка 85 см.

Передача сигналов навигационными искусственными спутниками Земли (НИСЗ) в системе GPS производится на двух частотах: F 1=1575,42 и F2=1227,60 МГц. В бортовой аппаратуре GPS для гражданских судов

используется только общедоступный С/А-код, которым модулируется частота FL Длина волны этой несущей частоты составляет приблизительно 19 см.

При позиционных определениях по координатам судна и по эфемеридам спутников всегда могут быть рассчитаны горизонтные координаты НИСЗ; высота h_s и азимут A_s. На рис. 2 эти координаты показаны для одного из спутников.

Дистанции, которые проходит сигнал с определенного спутника до антенн A_1, А₂, отличаются на величину AD. Эту разность расстояний можно найти, измерив сдвиг фаз АФ несущего сигнала, принимаемого антеннами А₁ А₂:

где п - целое число циклов, - дробная часть цикла.

 

Фазовым измерениям присуща многозначность, поэтому измеряется только , а п должно быть определено по дополнительным данным.

 

Рис. 2. К принципу работы спутникового компаса.

По значению Ф величина D находится по формуле: D = λ Ф, где λ- длина волны несущего сигнала.

Зная D и высоту hs спутника над истинным горизонтом, можно найти курсовой угол q_s спутника и истинный курс судна К:

A₂F = D сos h_s; q_s = arccos A₂ F/b; К = A_s - g_s,

 

Значения курса определяются по всем спутникам, находящимся над горизонтом, и усредняются.

Для вычисления координат объекта по навигационным сигналам спутников GPS в трехмерном пространстве необходимо измерить дистанции не менее чем до 4-х, а при двумерной навигации - не менее чем до 3-х спутников. Для получения добавочно к координатам истинного курса объекта, число спутников, до которых измеряются расстояния, должно быть на один больше, так как количество определяемых параметров увеличивается на единицу. Кроме координат и постоянной погрешности расстояния здесь требуется также найти значение целого числа циклов п.

Для случаев, когда сигналы спутников GPS могут быть блокированы высокими зданиями, или мостами, под которыми проходит судно, спутниковый компас снабжается свободным гироскопом. По параметрам — углового положения его оси обеспечивается выработка значений курса в те короткие промежутки времени, когда не поступают сигналы от спутников. Кроме того, названный гироскоп применяется для уменьшения влияния качки и рыскания на точность показаний курса.

В периоды отсутствия сигналов НИСЗ вместо данных свободного гироскопа в спутниковом компасе для хранения курса может использоваться информация электронного магнитного курсоуказателя.

Состав аппаратуры спутникового компаса и его характеристики. В комплект спутникового компаса входит;

 

- две антенны, помещенные на жесткой с высокой точностью

установленной платформе;

- основной модуль;

- устройство управления и отображения.

В основном модуле располагаются приемник GPS, свободный гироскоп, процессор.

Спутниковый компас предоставляет информацию о координатах судна, курсе, путевом угле, путевой скорости, углах бортовой и килевой качки. По существу он является датчиком параметров кинематического состояния судна.

Устройство управления и отображения спутникового компаса фирмы "KODEN" показано на рис. 3. Этот курсоуказатель может отображать данные в трех формах, предназначенных для:

- управления судном рулевым (курс, подвижная картушка с

неподвижным индексом курса, путевая скорость, путевой угол, углы килевой и бортовой качки);

- навигационных целей (дата, время, координаты места судна, путевая скорость и путевой угол);

- указания направления диаметральной плоскости судна (дата, время, курс, путевая скорость и путевой угол).

Спутниковый компас способен передавать информацию о курсе судна в такие устройства, как PJTC, САРП, авторулевой, транспондер АИС, ЭКДИС и в другую аппаратуру. Он имеет такие характеристики:

- Средняя квадратурная погрешность (СКП) показаний курса -±0.5;

- СК11 показаний угла бортовой (килевой) качки - ±0.5°;

- Точное слежение за курсом при скорости поворота - до 25 7с;

- Время прихода в готовность после включения - 4 мин;

- 95% погрешность определения места судна по CPS - ±10 м;

- 95% погрешность определения места судна по DGPS - ±5 м;

 

Рис. 3. Устройство отображения компаса фирмы "KODEN".

Другая бортовая аппаратура GPS подобного вида, приемоиндикатор NR230MII фирмы Seres, обеспечивает точность показаний курса от 0.03 до 0.1°, а углов бортовой и килевой качки - от 0.08 до 0.2. Время прихода в готовность этого приемоиндикатора занимает 1-3 мин. Обновление показаний координат в приемоиндикаторе NR230MII производится через 0.6 с, а углов курса, килевой и бортовой качки - через 0.1 или 0.6 с.

Задание:

1.Изучить принципиальные основы работы спутникового компаса.

2.Изучить параметры вариантов бортовой аппаратуры GPS различных

производителей.

3.Построить сравнительную таблицу параметров определения курса в аппаратуре

GPS различных производителей.

4.Выполнить сравнительную оценку параметров определения курса в аппаратуре

GPS различных производителей.

5.Сделать выводы.

 

Практическая работа №5

Расчет погрешности маятникового гирокомпаса базирующийся на использовании понятия «стандартный маневр»

Стандартным маневром называется маневр при котором независимо от его характера приращение северной составляющей линейной скорости судна:

V= -25уз.

Инерционные девиации, возникающие у гирокомпаса при совер-

шении судном стандартного маневра в различных широтах расчи-

тываются заранее или берутся из стандартных таблиц.

В этом случае возникает возможность при совершении судном любого произвольного маневра использовать данные значения для оценки значений суммарной инерционной девиации и графики стандартного маневра с последующим пересчетом по формуле:

δ_j(факт) = - δ_{j (ст)} ∆ V_n/25

Значение δ_{j (ст)} для различных широт различны.

Расчеты вести по формуле:

δ_j(факт) = - δ_{j (ст)} (V₂- V₁) cos КК /25

Погрешность допущенная в определении поправки гирокомпаса в момент времени

ε∆ГК = - δ_{j (факт)}

З А Д А Н И Е:

Произвести оценку возможной погрешности в значении поправки маятникового гирокомпаса при ее определении по навигационным створам в условиях, когда после маневра судна в показаниях гирокомпаса существует инерционная девиация. Оценить погрешность.

Исходные данные:

Совершив маневр (характеристики которого определяются заданным вариантом), легли на створы.

В момент времени t_з после начала маневра, сравним курс судна

с направлением линии створов и рассчитаем поправку ГК.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: