ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗНОСТНО-ВЫСОТНОЙ ЛИНИИ ПОЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА СУДНА ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СОЛНЦА

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается применение разносно-высотной линии положения различными способами. В частности, предлагается технология использования разностно-высотной ЛП для разновременных измерений Солнца. В работе были обработаны результаты наблюдении сделанных на УПС «Седов», по результатам обработки был произведён анализ и сделаны выводы.

Ключевые слова: мореходная астрономия, астронавигация, определение места судна, высота светила, наблюдение светил, Солнце, секстан, навигация, точность измерений.

Несмотря на повальное доминирование спутниковых навигационных систем в навигации, традиционные методы определения места судна до сих пор остаются актуальными и можно высказать предположение, что они будут оставаться таковыми, ещё достаточно продолжительное время. В первую очередь это касается методов астронавигации.

Достаточно длительный период эксплуатации спутниковых навигационных систем, выявил ряд слабых мест данного способа определения места судна, в частности таких как:зависимость этих систем от военных ведомств и соответственно возможность корректировки данных исключительно в интересах этих ведомств, к примеру до 2000 года точность ОМС при помощи GPS NAVSTAR для гражданских судов искусственно загрублялась;относительно простое подавление полезного сигнала средствами РЭБ, что регулярно происходит в местах боевых действий и военно-морских учений, причём в местах повышенной активности судоходства;возможность потери спутников, как в результате военных действий, так и в результате природных катаклизмов; возможность поломки оборудования непосредственно на судне. В открытом море вдали от берегов, астрономический метод остаётся единственным независимым методом определения места судна. Согласно Международной конвенции ПДНВ-78 "Правила дипломирования моряков и несения вахты", разработанной и утвержденной Международной морской организацией (ИМО) (разделы A-II/1, A-II/2), в состав обязательных минимальных требований для дипломирования капитанов, старпомов и вахтенных помощников капитана судов валовой вместимостью 500 peг. т. и более входит умение использовать небесные тела для определения местоположения судна [1-3].

Способы получения астронавигационной информации давно рассмотрены и систематизированы, наиболее полным исследованием в этой области является [1], где проанализировано большинство могущих возникнуть комбинаций навигационных параметров. В принципе, первичных навигационных параметров всего два – высота светила и его азимут. Отсюда и получается две группы изолиний (линий положения) – высотные и азимутальные.

Для дальнейших исследований можно выделить два основных направления, это:разработка новых алгоритмов измерений и обработки результатов для «ручных» способов ОМС на основе других линий положения (изолиний) и их комбинаций, значительно упрощающих процесс подготовки, проведения и обработки астрономических наблюдений;разработка полностью автоматизированных методов получения места судна.

Итогом исследований в данном направлении должно стать создание алгоритма расчёта обсервованного места судна с учётом появившихся возможностей, причём упор должен быть сделан не на упрощение алгоритма, чего стремились добиться до недавнего времени, а на увеличение точности результата.Самым простым и удобным для разработки и понимания является метод разностно-высотных линий положения (изолиний). Главным достоинством метода является устранение систематической ошибки, которая существенно влияет на точность определения места судна при традиционном методе высотных линий положения. С другой стороны, метод усложнял вычисления, поэтому для повышения точности, систематическую ошибку частично устраняли измерением третьей линии положения, правильной постановкой наблюдений и построениями [4-5].

Разностно-высотная изолиния, представляет собой сферическую гиперболу и имеет полную аналогию с изолинией разности расстояний. В условных обозначениях мореходной астрономии, уравнение сферической гиперболы будет выглядеть следующим образом

,                                          (1)

где      

                                                                      (2)

Подставив для каждого светила соответствующее уравнение круга равных высот:

                                          (3)

                                        (4)

проведя ряд преобразований и замен получим уравнение разностно-высотной линии положения:

          (5)

Соответствующее уравнение составляется для разности высот другой пары светил, после чего оба уравнения можно решить совместно. Разумеется, данный метод довольно сложен и требует численного подхода к решению этой системы. Возможны и аналитические решения двух разностно-высотных изолиний [1]. Для получения места судна по разностно-высотным линиям положения необходимо произвести наблюдения трёх светил, после чего можно получить три пары разностей высот светил и соответственно три разностно-высотных линии положения, рассчитать обсервованное место судна можно, как графоаналитическим путём [5], так и аналитически методом наименьших квадратов [2-6].

Было высказано предположение применить разностно-высотную линию положения для определения места судна по Солнцу, то есть произвести первое измерение с последующим расчётом высотной ЛП, подождать 10-15 минут произвести второе измерение и по двум измерениям рассчитать разностно-высотную ЛП, при этом обе линии положения будут пересекаться под углом близким к 90˚.

Как уже говорилось, основным недостатком ОМС по разновременным наблюдениям двух светил, является то, что по сути мы получаем счислимо-обсервованное место, то есть место включает в себя ошибки счисления на промежуток времени в течение которого производились наблюдения. Считается, что угол между линиями положения должен быть не менее 30°, уменьшение угла, резко увеличивает влияние ошибок, то есть между измерениями, как правило, проходит не менее 2-3 часов.

В зависимости от условий плавания, ошибки счисления могут достигать 0,2S-0,7S, то есть, к примеру, при скорости хода в 10 узлов, да за 3 часа ошибка счисления может достигать 0,6-2,1 мили, что в общем-то весьма существенно.

При этом нельзя исключить влияние систематической ошибки, учёт которой весьма затруднён.

То есть, для уменьшения влияния ошибок, нам желательно увеличивать время между наблюдениями, что бы угол между ЛП положения был близок к 90°, но увеличение времени между измерениями увеличивает погрешность счисления

Нами было высказано предположение, что частично избежать проблемы, можно применив разностно-высотную линию положения. Применение разностно-высотной линии положения позволит нам, заметно снизить влияние систематической ошибки, практически исключив её из одной линии положения, а также заметно уменьшить о влияние ошибок построения при графоаналитическом способе решения задачи.

При уменьшении времени между измерениями, как уже отмечалось, уменьшается и угол пересечения ВЛП между собой, что ведёт к увеличению СКП места судна. На точность оказывают влияние, случайная погрешность измерений, систематическая погрешность и ошибки построения.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что мы производим два измерения высоты Солнца с относительно небольшим промежутком времени, в пределах 1 часа, при этом азимут Солнца будет изменяться на величину порядка 15°-20°, что явно недостаточно, для традиционного метода ВЛП. Предлагается первую линию положения заменить на разностно-высотную ЛП, вторую же оставить без изменений

Наблюдения производились на УПС «Седов» в рейсе №93, при переходе из Северного в Средиземное море. Перед каждым измерение производились выверки секстана и определялась поправка индекса секстана, данные об инструментальной поправке брались из технического паспорта на секстан.

Для каждого значения высота Солнца, момент времени, текущие координаты судна по GPS снимались три раза подряд, а потом находились среднеарифметические значения из серии.

Было проведено 15 блоков измерений, по 4 измерения в каждом, с интервалами в +10, +20 и +30 минут, что даёт возможность провести апостериорную оценку точности для разных интервалов времени.

Для каждого отдельного измерения в серии и для усреднённого по известным координатам, снятым с GPS, рассчитывались азимут и высота Солнца. Принимая эти координаты за точные, можно принять разность между полученным и измеренным значениям за ошибку измерений.

Сравнение экспериментальных и расчётных данных, показало наличие систематической ошибки в 0,3′.

Расчёт приращений координат места судна рассчитывался аналитическим путём. Учитывая то, что за счислимые координаты места принимались координаты, снятые с ПИ GPS, то полученную невязку, можно считать за абсолютную ошибку определения места судна. Для каждого случая по формуле 5.4, был произведён расчёт радиальной СКП места судна, без учёта погрешности счисления. Среднее значение радиальной погрешности в этом случае получилось равным 0,9 мили (что говорит о высоком уровне выполнения наблюдений).

В таблицу 1 сведены результаты наблюдений, выполненные по предложенной методике разностно-высотной линии положения, при 10-минутном интервале между измерениями высоты Солнца. В таблице праведен подробный расчёт, произведённый в табличном процессоре.

Как видно из результатов, 10-минутный интервал особого интереса не представляет, радиальная СКП места получается 8 миль, что далеко выходит за принятые интервалы точности измерений.

Таблица 1.

Результаты для 10-тиминутного интервала наблюдений

В таблице  приведены расчёты для 30-минутного интервала, можно отметить вполне нормальную точность ОМС меньшую 2,0 миль, что вполне входит в допустимый интервал, но заметно ниже радиальной СКП определяемой традиционным методом, но при наличии неизвестных факторов, влияющих на точность счисления (более 0,5-0,7S), такая точность вполне приемлема для работы.

Для часового интервала, мы получили точность, практически одинаковую с традиционным методом, вероятнее всего, сказалось наличие систематической ошибки наблюдений, которая была частично удалена при использовании разностно-высотной линии положения. С учётом возможного наличия неучтённых факторов, влияющих на счисление, мы получаем более высокую общую точность обсервованного места.

С учётом того, что в последнее время количество часов, выделяемых на мореходную астрономию в учебных заведениях, резко уменьшилось и соответственно снизилось умение судоводителей работать с секстаном и производить расчёты, составление компьютерного приложения для определения места судна по разностно-высотной линии положения (изолинии) становится достаточно актуальным.

Список литературы:

1. Гаврюк, М. И. Астронавигационные определения места судна / М. И. Гаврюк. - М.И: Транспорт, 1973. - 176 с.
2. Долматов, Б. П. Автоматизация навигационных и промысловых расчетов / Б. П. Долматов, В. А. Орлов, Ю. В. Шишло. Мурманск.: Кн. изд-во, 1977. - 175 с.
3. Новоселов Д.А. Анализ перспектив развития методов астронавигации в современных реалиях / Новоселов Д.А., Ивановский Н.В. //Рыбное хозяйство. 2016.№5. С. 94-97.
4. Вульфович, Б. А К вопросу о применении современных информационных технологий при астронавигационном определении места судна / Б. А. Вульфович, В. А. Фогилев // Вестн. МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. 2008. - Т. 11, № 3. - С. 446-450.
5. Будник В.Ю., Черный С.Г. Применение технологии экспертного и технологического предвидения в задачах принятия решения при маневрировании судном / Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2018. № 57. С. 165-175.
6. Черный С.Г., Жиленков А.А. Моделирование процессов в системе датчик - объект при сканировании подводных коммуникаций / Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. 2017. № 2 (21). С. 84-94.