海上综合导航系统(手机版海上导航)
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海军导航卫星系统的主要功用是什么?
美国低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统,英文缩写为NNSS。主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位,用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量(测定极移、地球形状和重力场)等。
从1960年4月到80年代初共发射30多颗。第一颗是子午仪1B号,用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定,并验证双频多普勒测速定位导航原理,结果证明卫星导航可行。
1963年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪5B-2号;1964年6月发射第一颗定型导航卫星子午仪5C-1号,并交付海军使用;1967年7月子午仪号导航卫星组网实用并允许民用。
1972年开始执行子午仪改进计划(TIP),共发射3颗卫星,主要试验扰动补偿系统,对大气阻力和太阳辐射压力等引起的轨道摄动作实时补偿,大大提高了轨道预报精度,故称无阻力卫星。1981年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星,改名为新星号(NOVA)。
运行轨道
子午仪号卫星取高度约1000千米的近圆极轨道,采用双频多普勒测速导航体制,使用这样的低轨道是为了避免多普勒效应减弱。由轨道面均匀分开的4~5颗卫星组成围绕地球的空间导航网(导航星座),可使全球任何地方的导航用户能在平均每隔1.5小时左右利用卫星定位一次。
实用型子午仪号卫星采用重力梯度稳定,使天线对地定向。卫星上装有磁力姿态控制系统,使卫星重力杆捕获当地重力垂线,杆端阻尼球用来阻尼天平动,定向精度可达3°~5°。新星号等改进型卫星在俯仰方向上还安装了偏置动量轮进行偏航控制,重力杆改用剪刀形结构,三轴姿态控制的精度优于3°。
导航定位系统
早期的大洋多金属结核调查的导航定位工作采用罗兰C式导航系统。随着科学技术的不断发展,卫星导航取代了上述系统。TRANSIT卫星综合导航系统曾经一度是各国进行大洋调查中定位的主要手段。
3.3.1 TRANSIT导航定位系统
TRANSIT子午仪导航定位系统计有5枚同时操作的卫星,运行于地表上方1000km的圆形极轨道。轨道周期为107min。前后两枚卫星信号地平均间隔时间在赤道地区约为90min,南北纬45°地带间隔时间约为60min,卫星传达利用150MHz和400MHz两个频道带。这种系统操作较之先前的定位精确,而且不受气候的影响,可以全天24小时连续作业;工作方法是首先确定探测的起点和终点,其次为每隔30min确定一次船只的位置及其转向点,确定取样位置,包括投放和回收无缆地质取样器的地点以及有缆地质取样器投放位置、海底接触位置和回收地点。
TRANSIT号人造卫星在轨道上每107min绕地球一次,高度为600n mile,绕行轨道为呈橘子图像的剖面——赤道部分宽,向两极部分收缩。这些人造卫星在南北极之间环绕地球,但它们的轨道不随地球旋转。因此,六个轨道就似一个静止的球形鸟笼,地球则在笼内绕轴自转。因而,地球表面每一点大约一天有两次处于这六个轨道之下。每个人造卫星连续不断地以时间函数广播其位置,只要测出人造卫星飞越船顶时所收到的讯号的多普勒频率率化,就可以非常精确地定出船只相对人造卫星航线的位置。使用这一系统进行卫星定位的精确度在30m以内。船只的速度误差可以造成其它误差。经过两小时后的累积计算定位误差在大多数海上条件下仍可以使位置精确度在2000m以内。这个系统现已被全球定位系统〔GPS)所替代,后者的定位精度更为精确。
3.3.2 全球定位系统
全球定位系统是一个连续性的全球导航和定位系统。它为陆地、海上和空中的应用提供精确的三维定位导航。全球定位系统的生产卫星均匀地散开分布在六个轨道平面上。从一个卫星讯号中解译的导航数据包含了精确的卫星轨道数据、系统时间、卫星时钟性能数据和各种状况信息。实际上,卫星轨道数据的一个完全的导航信息中共有两项:①对发送卫星备有精确的轨道参数(天体位置推算表);②对其它可能的卫星则备有较不精确的数据(天文年鉴)。使用者位置的确定是利用“天体位置推算表”,计算接收到的每一个卫星发送的讯号当时使用者的位置来完成的。确定讯号到达使用者的时间的精确度不超出有关各时钟偏差范围。方法是利用卫星所发出的C/A信号码来校准接收机。反传播时间迟延和时钟误差之和根据炮速度加以比例换算以用于计算伪范围。由于大洋多金属结核远离陆地、岛屿,不能使用差分全球定位系统,所以目前使用的全球定位系统其导航定位误差为35m,概率90%。
若要在较小的区域内进行详测,则采用一个长基线声学导航系统。这个系统先要投放一系列声学应答器,在对它们所构成的定位场进行校准后就可以用于测定船只或任何其它配有声学应答器的装置的位置,其误差往往不超过10m。
地质矿产部海洋四号船在东太平洋海域进行多金属结核矿产资源调查中,曾先后采用过MX5000型综合卫星导航系统和ISAH-GPS系统(加拿大Quester Tangent公司生产)进行卫星导航、定位。后者包括有全球定位系统(美国Ashtech公司生产)、多路接口系统及其外围设备。如上所述,全球定位系统的特点是卫星多,能连续实时导航定位,操作简便,功能与精度明显高于子午仪系统。ISAH-GPS系统的多路接口的功能是将调查仪器与GPS联机工作。在地震测量工作中,由GPS系统控制并触发地震放炮,提供位标记并将前述调查资料与导航定位资料一并显示、打印和记带。
对GPS系统进行了3次稳定性试验。结果表明,其离散半径r均小于40m。在3r半径下保证了99%的定位精度(即99%的抽样点在3r半径内),当航速为v,定位时间间隔为t时,则动态定位精度优于3r+vt。若航速小于15km/h,定位取样间隔为2s,定位精度均优于3×40+4.2×2<130m。若航速<28km/h,取样间隔时间为2s,其定位精度优于3×40+7.8×2<140m。这些试验结果表明,运用全球定位系统进行大洋多金属结核调查可以保证获得足够的定位精度。
我国古代海上导航系统是如何定位的?
我国古代海上导航系统一般是通过牵星术、太阳位置、指南针、海道图来进行在海洋中定位的,虽然不如现在的卫星定位系统精准,但已经能够保持古代航船在海洋中不会迷失方位。
牵星术
牵星术是一种根据天文星象辨别方位的航海方法。早在战国时期的时候,人们就利用磁石南北极的原理制作了能够辨别方位的“司南”,但这种发明多应用在陆地定位上,在海上航行中,人们已经可以通过一定的仪器,来测量观察海上天体的高度来辨别自己的方位。在西汉时期,就出现了在海上观星定位的牵星术,并且发行了《海中五星经杂事》和《海中星占验》等相关书籍,提供了许多在航海中对星座、行星等位置的判定经验,让人们在汪洋大海中确定自己的航线。
北极星和太阳
在古代航海中,北极星和太阳有着非同寻常的意义。人们白天依靠太阳的位置来简单判定自己所处的方位和航向,晚上则利用最明亮的北极星来判别自己的方位航向。唐朝时已经发明了一种叫“复矩”的仪器,用来测量海洋中北极星与地面的高度,从而判定出实际的子午线,对海洋航行有很好的定位导航作用。
指南针、海道图
北宋时期海上导航技术得到了重大突破,就是发明了指南针这个仪器。为了让指南针在航海上实现更精确的指向,人们把指南针设计成精确的罗盘结构,大大方便了人们在海上的航行交通和方位判别,定位效率比以前提高了很多,同时发明指南针也是人类史上的一项重要贡献。随着两宋时期频繁的海上航行活动,人们渐渐积累了很多海洋地理经验,不少人就把这些经验绘制成了海道图,由此出现了多条海上安全航线,有效促进了我国乃至世界的航海发展。