Dalībnieks:Tttoooxxx/Smilšu kaste

Transit-O (Operacionālais) navigācijas pavadonis

Transit sistēma, kuru dēvēja arī par NAVSAT vai NNSS (Navy Navigation Satellite System) bija pirmā operacionālā pavadoņnavigācijas sistēma. Radionavigācijas sistēmu pamatā izmantoja ASV Jūras kara flote, lai nodrošinātu precīzu atrašanās vietas informāciju savām Polaris ballistisko raķešu zemūdenēm. To kā navigācijas sistēmu lietoja arī kara flotes virsūdens kuģi, kā arī hidrogrāfiskajai un ģeodēziskajai izpētei. "Transit" nodrošināja nepārtrauktu navigācijas pavadoņu pieejamību no 1964. gada, sākotnēji Polaris zemūdenēm un vēlāk arī civilai izmantošanai. DAMP programmas ietvaros raķešu izsekošanas kuģis USAS American Mariner izmantoja pavadoņu datus precīzai kuģa atrašanās vietas noteikšanai pirms tā izsekošanas radaru iestatīšanas.

Darbības princips

Rotācijas hiperboloīds tiek iegūts rotējot hiperbolu ap asi uz kuras izvietoti abi tās fokusi

Sistēmā "Transit", tāpat kā citās pavadoņnavigācijas sistēmās, tika izmantota sakarība starp zināmajām pavadoņu koordinātām visumā, izmērītajiem navigācijas parametriem un kuģa koordinātām. Pavadoņu koordinātas aprēķināja pēc to orbītu elementiem.

Kuģa atrašanās vietas noteikšana ar "Transit" sistēmu notika pēc distanču starpības (integrālās) metodes. Pēc šīs metodes tiek mērīti attālumi starp kuģi un divām viena un tā paša pavadoņa pozīcijām. Pavadonis pārvietojoties pa savu orbītu vispirms iet caur punktu S₁, pēc kāda laika caur punktu S₂, vēl pēc kāda laika caur punktu S₃ u.t.t. Attālumu starp šiem punktiem sauc par bāzi. Attālumu starpība starp pavadoņa stāvokļiem S₁ un S₂ ir:

$\Delta \rho _{1}=\rho _{2}-\rho _{1}$,

kur ρ₂ - attālums no novērotāja līdz pavadonim tā pozīcijā S₂. ρ₁ - attālums no novērotāja līdz pavadonim tā pozīcijā S₁. Ir zināms, ka tādu plaknes punktu kopu, kuras brīvi izraudzīta punkta attālumu starpība līdz diviem dotiem šīs plaknes punktiem (fokusiem) ir konstanta, sauc par hiperbolu. Tā kā navigācijas pavadonis pārvietojas telpā nevis plaknē, tad laika momentā T₂, kad pavadonis atrodas pozīcijā S₂, bet iegūtā attālumu starpība ir Δρ₁, kuģa atrašanās vieta būs kaut kur uz rotācijas hiperboloīda virsmas, kura fokuss sakrīt ar pavadoņa pozīciju otrā mērījuma brīdī S₂. Tā kā kuģis atrodas uz Zemes virsmas, tad kuģa vieta būs uz līnijas pa kuru rotācijas hiperboloīds šķērso Zemes virsmu. Iegūtā līnija ir līdzīga sfēriskai hiperbolai un uz tās kuģis atradīsies laika momentā T₂, kad pavadonis atrodas pozīcijā S₂.

Tā kā sistēmā bija tikai astoņi navigācijas pavadoņi, vairumā gadījumu tiešā radioredzamībā atradās tikai viens pavadonis, bet tā kā pavadoņa ātrums bija daudzkārt lielāks nekā kuģa, tad bija iespējams iegūt citas pozīciju līnijas pagaidot, lai pavadonis pārlido pāri kuģim. Pavadonim esot pozīcijā S₃ (laika moments T₃), tika izmērīta jauna attālumu starpība:

$\Delta \rho _{2}=\rho _{3}-\rho _{2}$

un uz Zemes virsmas tika iegūta jau otra hiperbola. Kuģa vieta atradās abu hiperbolu krustpunktā K₁ vai K₂. Tā kā šie abi krustpunkti praksē atradās ļoti tālu viens no otra, par kuģa observēto atrašanās vietu pieņēma kuģa lagrēķina pozīcijai tuvāko.

"Transit" sistēmā attālumus līdz pavadoņiem nemērīja tieši kā mūsdienu pavadoņnavigācijas sistēmās. Attālumu starpību starp kuģi un pavadoni mērīja izmantojot Doplera efektu, kas izpaužas tā, ka svārstību avotam (šajā gadījumā pavadonim) tuvojoties novērotājam, novērotājs uztver svārstības ar lielāku frekvenci nekā tās noraidītas, bet svārstību avotam attālinoties no novērotāja, novērotājs uztver svārstības ar mazāku frekvenci nekā tās noraidītas. Starpību starp uztverto un noraidīto frekvenci sauc par Doplera frekvences nobīdi. Tā ir proporcionāla pavadoņa kustības radiālajam ātrumam attiecībā pret kuģi un nepārtraukti mainās. Uz kuģa uztvertā pavadoņa signālu frekvence tiek salīdzināta ar ģeneratora izstrādātu etalona frekvenci kādā raida pavadonis. Frekvences nobīdi atrod pēc formulas:

$F_{d}=f-f_{0}={\frac {v\ast cos\alpha }{\lambda _{0}}}$,

kur F_d - Doplera frekvences nobīde. f - kuģa aparatūras uztvertā pavadoņa signāla frekvence. f₀ - pavadoņa raidīto signālu frekvence. v - pavadoņa ātrums tā orbītā. α - leņķis starp pavadoņa ātruma vektoru un virzienu uz novērotāju. λ₀ - frekvencei f₀ atbilstošais viļņa garums. No augstāk minētās formulas var tikt iegūts pavadoņa radiālais ātrums:

$v*cos\alpha =V_{\rho }$,

kur V_ρ - pavadoņa radiālais ātrums. Bet zinot laika sprīdi starp novērojumiem, kad pavadonis atradās pozīcijās S₁, S₂ un S₃, kā arī tā radiālo ātrumu (ātrumu ar kādu savstarpēji tuvojas vai attālinās pavadonis un kuģis) šajos brīžos, sareizinot tiek iegūta attālumu starpība, kuru pēc tam, savukārt, izmanto pozīciju līnijas iegūšanai.

Sistēmas apraksts

Piecu "Transit" pavadoņu polārās orbītas

Pavadoņnavigācijas sistēmas "Transit" darbība

Pavadoņnavigācijas sistēmu "Transit" izveidoja ASV 1967. gadā. 1993. gadā tajā bija astoņi pavadoņi, Zemes dienests un uz katra kuģa, kurš gribēja izmantot šo pavadoņnavigācijas sistēmu, uztvērējs. Pavadoņi pārvietojās pa polārām orbītām, to augstums bija apmēram 1 000 km, apriņķošanas periods 107 min.

Tā kā Zemes, Saules un Mēness pievilkšanas spēku rezultātā pavadoņu orbītu elementi nepārtraukti mainījās, uz Zemes atradās novērošanas stacijas, kurās tika novērota pavadoņu kustība pa to orbītām, šie novērojumi nonāca koordinācijas skaitļošanas centrā, kur noteica jaunos pavadoņa orbītas elementus. Dati par pavadoņa orbītas izmaiņām tika pārraidīti atpakaļ uz pavadoni, uz kura bija uztvērējs, atmiņas bloks un raidītājs. No pavadoņa, savukārt, šie dati nonāca uz kuģa un kopā ar izmērītajiem navigācijas parametriem nokļuva kuģa uztvērējaparatūrā un tika ievadīti datorā. Vienlaicīgi uz kuģa tika uztverti arī precīza laika signāli. Visus saņemtos datus apstrādāja datorā un izskaitļoja kuģa koordinātas noteiktajā laika momentā.

Kuģa atrašanās vietu ar Zemes mākslīgajiem pavadoņiem var noteikt, kad pavadonis atrodas tiešās radioredzamības zonā. Maksimālais radioredzamības laiks un attiecīgi arī maksimāli iespējamais pavadoņa signālu mērīšanas periods navigācijas nolūkiem bija 16 minūtes. Visīsākais novērošanas periods, kāds bija nepieciešams atrašanās vietas noteikšanai, bija sešas minūtes.

Mērījumi notika nosakot Doplera frekvences nobīdi noteiktā laika intervālā, kurš bija no 24 līdz 120 sekundēm ilgs. Pēc mērījumu rezultātiem katrā intervālā noteica attālumu starpību no kuģa vietas līdz Zemes mākslīgā pavadoņa atrašanās pozīcijai mērījumu veikšanas sākuma un beigu momentos. Pavisam pavadoņa pārlidojuma laikā varēja iegūt no 8 līdz 40 attālumu starpībām un attiecīgi iegūt tikpat daudz kuģa atrašanās vietas izolīniju (rotācijas hiperboloīdu šķēlumu ar Zemes virsmu). Pēc iegūto datu attiecināšanas uz vienu momentu, mērījumu veikšanas sākuma vai beigu brīdi, noteica kuģa atrašanās vietas ģeogrāfiskās koordinātas.

Kuģa aparatūrā bija jāievada kurss un ātrums, vai nu manuāli vai arī automātiski, tādēļ visus mērījumus automātiski varēja attiecināt uz vienu momentu. Aparatūra pati meklēja un sekoja pavadoņu signāliem un ar datora palīdzību aprēķināja kuģa atrašanās vietas koordinātas, kuras parādīja uz displeja ciparu veidā vai arī izvadīja no datora ar printeri.

Tā kā pavadoņnavigācijas sistēmā "Transit" darbojās tikai astoņi pavadoņi, kuģa atrašanās vietu nevarēja noteikt jebkurā laikā, bet ar vidējo intervālu apmēram 90 minūtes uz ekvatora un virs 30 minūtēm polārajos rajonos. Starp pavadoņnavigācijas sistēmas observācijām kuģiem bija jāiet pēc grafiskā lagrēķina vai arī jāizmanto kāda no radionavigācijas sistēmām. Lagrēķinu varēja vest arī automātiskā režīmā.

Ieslēdzot uztvērējindikatoru, bija nepieciešams ievadīt:

• datumu un Griničas vai kuģa laiku (ar precizitāti līdz 14 minūtēm);
• kuģa atrašanās vietas ģeogrāfiskās koordinātas (ar precizitāti 60 līdz 100 jūras jūdzes);
• kuģa kursu un ātrumu, ja tas nenotiek automātiski;
• antenas augstumu virs references elipsoīda virsmas h_a.

Pēdējo aprēķina sekojoši:

$h_{a}=h_{ud}+h_{g}$,

kur h_ud - antenas augstums virs ūdenslīnijas. h_g - ģeoīda korekcija. Tā ir starpība starp references elipsoīda un ģeoīda virsmām un to atrada no īpašas kartes - shēmas. h_g svārstās no +100 līdz -100 metriem. Jaunāka tipa indikatoros h_g tika ievadīts automātiski, stūrmanim bija jāievada tikai h_ud.

Observācijas pēc pavadoņnavigācijas sistēmas iedalīja drošās un nedrošās. Ja observācija bija droša, to automātiski pieņēma datora atmiņā un tālākajā lagrēķinā. Nedroša observācija tika pieņemta lagrēķinā tikai pēc stūrmaņa komandas. Tādējādi nosakot kuģa vietu pēc pavadoņnavigācijas sistēmas stūrmanim atkrita novērojumi un aprēķini, tomēr viņa ziņā palika observācijas analīze un lēmums, pieņemt to vai nepieņemt lagrēķinā. Padomju Savienībā un vēlāk Krievijā tika attīstīta līdzīgas pavadoņnavigācijas sistēmas "Ciklon" un "Cikada". Pirmā bija paredzēta militāriem mērķiem, otrā civiliem. Pavadoņnavigācijas sistēmu "Transit" ar laiku nomainīja GPS, bet "Ciklon" un "Cikada" vietā stājās GLONASS.

Uztvērējs

Bez kuģa koordinātu un ātruma noteikšanas ar pavadoņnavigācijas sistēmas uztvērējaparatūras un datora palīdzību varēja risināt vēl virkni navigācijas uzdevumu:

• analītisko lagrēķinu, t.i. starp observācijām pēc žirokompasa un lagas datiem tika nepārtraukti aprēķinātas koordinātas, ņemot vērā arī straumes elementus;
• kursa un attāluma aprēķinu, ejot uz noteiktu vietu pa lielo loku. Datorā tika ievadītas gala punkta koordinātas un dators izskaitļoja un regulāri parādīja uz displeja vajadzīgo kursu;
• kursa un attāluma aprēķinu ejot pa loksodromu pēc ievadītajām gala punkta vai pagrieziena punkta koordinātām;
• nonesuma aprēķinu un kuģa faktiskā ātruma aprēķinu;
• kursa pārvešanu, t.i. pēc žirokompasa labojuma un nonesuma tika aprēķināts žirokompasa kurss iešanai uz vajadzīgo punktu;
• laika aprēķinu, kad būs iespējama nākamā observācija pēc pavadoņnavigācijas sistēmas "Transit";
• kuģa cirkulācijas un citu manevrēšanas elementu noteikšanu, nolasot ik pēc 10 sek. no indikatora displeja kuģa koordinātas un atliekot tās uz liela mēroga planšetes. Šī metode īpaši efektīva lieltonnāžas kuģiem, kuriem pie nelieliem stūres pārlikšanas leņķiem cirkulācijas līkne stipri atšķiras no riņķa līnijas;

Augstāk minētie uzdevumi nebija visi iespējamie, kuru klāsts papildinājās attīstoties navigācijas automatizētajām sistēmām.

Ārējās saites

• 1996. gada 200 000 m³ ūdeņraža tankkuģa projekts (angliski)