Российские национальные требования к точности судовождения

При плавании в стесненных районах, в узкостях, по системам разделения движения (СРД), а также по каналам и фарватерам требования к точности судовождения повышены и более детальны, чем требования ИМО.

Для этих условий плавания Международная ассоциация маячных служб (МАМС) совместно с Международной гидрографической организацией предложила повышенные и более детальные нормы точности плавания судов.

Россия традиционно принимает активное участие в разработке международных стандартов точности судовождения и российские национальные нормы в этой области полностью соответствуют международным. Отечественные нормативы точности приведены в Инструкции по навигационному оборудованию (ИНО) (табл. 4.1).

На основании рекомендаций МАМС отраслевое Наставление по штурманской службе на судах МРФ требует придерживаться точностей места судна и частоты обсерваций в зависимости от ширины полосы следования. При этом точность определения места и частота обсерваций должны обеспечить Р_БП не менее:

0,997 – в каналах с Н  100 метров;

0,993 – на фарватерах с Н  250 метров;

0,950 – на фарватерах, в полосе с Н > 0,2 мили

Отечественные нормативы точности судовождения

П еревод известных радиальных средних квадратических погрешностей места судна М в радиальные погрешности R_Р заданной вероятности Рзад производится по формуле: R_Р = Мk_р,

где k_р – коэффициент, выбираемый из табл. 4.14 МТ-2000.

Оценка точности обсерваций

Точность спутниковых навигационных систем. На современных судах основным и наиболее распространенным способом определения места является использование американской спутниковой системы GPS Navstar (далее GPS) и российской спутниковой системы ГЛОНАСС.

Судоводителями наиболее часто используется услуга стандартного определения места SPS (Standard Positioning Service), официально предоставляемая правительством США пользователям GPS бесплатно до 2110 года. Для точек земной поверхности в широтах φ = 55оN… 55oS, точность SPS в горизонтальной плоскости оценивается радиальной средней квадратической погрешностью (СКП) М_о = 58 м.

Эти стандартные параметры точности определены для наблюдаемого созвездия из 4-х спутников при их возвышении над горизонтом в 5 градусов. Максимальная точность обсервации достигается, когда один из спутников находится в зените, а три остальных спутника располагаются равномерно по азимуту вблизи горизонта. Основными источниками погрешностей определяемых координат судов являются собственные шумы приемной аппаратуры, погрешности измерения времени и расчета эфемерид, влияние атмосферы, а также влияние режима снижения точности SA (режим избирательного доступа – Selective Availability), вводимого правительством США. В зависимости от местоположения судна или времени суток реальная точность GPS может изменяться.

Как правило, приёмник GPS вычисляет координаты судна по наблюдениям более чем четырех спутников. В полночь на 1 мая 2000 года согласно директиве президента США Б.Клинтона режим снижения точности SA был отключен. Однако президент США сохранил за собой право снижать точность сигналов GPS без предупреждения (включать режим снижения точности) в случае угрозы национальной безопасности.

В этих условиях фактическая точность (UERE – User Equivalent Range Error) обсерваций по GPS с использованием услуги SPS значительно выше и составляет Мо = 15 м.

Использование GPS в дифференциальном режиме, при котором в обсервованные координаты автоматически вводятся поправки, принимаемые от контрольных станций, позволяет судоводителям постоянно получать горизонтальную точность с СКП Мо ≈ 5 м в водах Европы и Мо ≈ 3 м в водах Северной Америки.

Потенциальные возможности российской системы ГЛОНАСС не реализованы из-за неполноты космического сегмента системы, так как на орбитах количество спутников пока менее необходимых 24-х. Вместе с тем наклонение плоскостей орбит спутников к плоскости экватора составляет 64,5о, поэтому рабочая зона ГЛОНАСС шире, чем у GPS. Предпочтительным является совместное использование ГЛОНАСС и GPS, как объединенной системы, получившей наименование ГНСС (глобальная навигационная спутниковая система). ГНСС позволяет, как повысить точность обсерваций за счет увеличения количества одновременно наблюдаемых спутников, так и расширить рабочую зону этой системы.

Точность обсерваций по 2-м и 3-м компасным пеленгам. Радиальная средняя квадратическая погрешность определения места по компасным пеленгам двух навигационных ориентиров оценивается известным выражением

,

где θ – угол пересечения пеленгов, r – коэффициент корреляции, m_лп1 и m_лп2 – СКП линий положения.

В свою очередь при измерении пеленгов

,

где m_п – СКП истинного пеленга, Д – дистанция до ориентира.

При независимых навигационных параметрах, когда r = 0, или при взаимно перпендикулярных линиях положения, когда θ = 90о, третье слагаемое под корнем обращается в ноль, поэтому

.

Анализ этих формул приводит к общему выводу, что точность обсервации по двум пеленгам зависит:

– от точности пеленгов – чем меньше погрешности измерения и обработки пеленгов, тем точнее место;

– от угла пересечения пеленгов – чем ближе этот угол к прямому, тем точнее место;

– от дистанций до ориентиров – чем меньше эти дистанции, тем точнее место;

– от коэффициента корреляции (взаимозависимости) пеленгов – при острых углах θ между пеленгами наличие корреляции приводит к повышению точности, а при тупых углах θ корреляция ухудшает точность места.

Полная погрешность истинного пеленга m_п включает:

– случайные (частные) погрешности m – погрешность наведения пеленгатора на ориентир (0,2^о), погрешность отсчета (0,2^о), погрешность за счет наклона репитера (0,1^о…0,2^о), погрешность за счет эксцентриситета картушки репитера (0,4^о);

– повторяющиеся (систематические) погрешности – погрешность установки пелоруса репитера в диаметральной плоскости судна (≈ 0,2^о), погрешность определения поправки гирокомпаса (0,5^о...0,7^о), инерционные погрешности гирокомпаса (0,3^о…1,0^о).

Среднее значение полной погрешности истинного пеленга

.

Оценивая в качестве примера по рассмотренной методике точность обсервации по двум ориентирам, одинаково удалённым на Д = 3,0 мили, с углом пересечения их пеленгов близким к прямому θ = 90^о, при независимых обсервациях r = 0 и с СКП истинного пеленга 1,5о получим

.

При определении места судна по трем пеленгам, они как правило в одной точке не пересекаются, а образуют треугольник погрешностей. Причиной его появления являются рассмотренные погрешности измерения и обработки пеленгов.

Если длина любой из сторон треугольника погрешностей не превышает 0,5 мили, то считают, что причиной его появления являются случайные (частные) погрешности. Такой треугольник называют малым и обсервованное место судна с достаточной для практики точностью принимают в точке пересечения биссектрис внутренних углов треугольника.

Если длина любой из сторон треугольника погрешностей превышает 0,5 мили, то считают, что причиной его появления являются повторяющиеся (систематические) погрешности. Такой треугольник называют большим и для нахождения обсервованного места судна применяют рассмотренный ранее способ «разгона треугольника», который позволяет устранить погрешности повторяющиеся во всех пеленгах.

Для оценки точности места, полученного по трем равноточным пеленгам, рекомендуется упрощенная формула

,

где Дср и Θср – средние арифметические значения дистанций до ориентиров и острых углов пересечения пеленгов.

Оценивая в качестве примера по рассмотренной методике точность обсервации по трем ориентирам, одинаково удалённым на Д = 3,0 мили, с углом пересечения их пеленгов близким к θ = 120о, при независимых обсервациях r = 0 и с СКП истинного пеленга 1,5о получим

.

Следует иметь в виду, что использование при обсервации избыточного третьего пеленга повышает точность (уменьшает СКП) места примерно на 20%, однако значительно повышает степень доверия к полученным координатам. Увеличение количества линий положения более трех нецелесообразно, так как не приводит к существенному повышению точности определяемого места судна, значительно усложняя процесс обсервации.

Точность обсерваций по 2-м и 3-м расстояниям, измеренным с помощью судовой радиолокационной станции. Радиальная СКП определения места по 2-м расстояниям, измеренным с помощью судовой радиолокационной станции (РЛС) также оценивается известным выражением

,

где θ – угол пересечения изолиний дистанций, r – коэффициент корреляции, m_лп1 и m_лп2 – СКП линий положения.

В свою очередь при измерении дистанций

,

где m_Д – СКП измерения расстояний при помощи РЛС.

При надежно откалиброванной РЛС коэффициент корреляции измеренных радиолокационных расстояний практически равен нулю. Поэтому, если расстояния до ориентиров примерно равны

.

Анализ этих формул приводит к общим выводам:

1) точность обсервации по двум радиолокационным расстояниям зависит:

– от точности измерения дистанций – чем меньше погрешности измерений, тем точнее место;

– от угла пересечения изолиний расстояний (угла между направлениями на ориентиры) – чем ближе этот угол к прямому, тем точнее место;

2) точность обсервации по двум радиолокационным расстояниям практически не зависит от дистанций до ориентиров, и от коэффициента корреляции (взаимозависимости) измеренных расстояний.

При измерении расстояний с помощью подвижного круга дальности (ПКД) полная погрешность расстояния складывается из погрешности совмещения ПКД с передней кромкой эхо-сигнала (случайная погрешность) и из погрешности калибровки РЛС (повторяющаяся погрешность). СКП совмещения характеризует точность процесса измерений и составляет 0,6…0,1%, если ориентир точечный и 0,6… 3,0%, если расстояние измеряется до низменных участков береговой черты. СКП калибровки РЛС береговыми специалистами не превышает 0,6%.

Таким образом для современных судовых РЛС среднее значение полной (суммарной) СКП измерения расстояний не превышает 1%:

m_Д = 0,01Д.

Решение примера по оценке точности обсервации по двум ориентирам, одинаково удалённым на Д = 3,0 мили, с углом пересечения их изолиний близким к прямому θ = 90^о, при независимых обсервациях r = 0 и с СКП измеренного расстояния m_Д = 0,01Д, дает следующий результат

.

При определении места судна по трем расстояниям, измеренным РЛС и получении при этом треугольников погрешностей, действуют закономерности и правила, рассмотренные при обработке треугольников погрешностей трех пеленгов.

Для оценки точности места, полученного по трем радиолокационным расстояниям, используется упрощенная формула

,

где Θ_ср – среднее арифметическое значение острых углов пересечения изолиний дистанций (направлений на ориентиры).

Решение примера по оценке точности места, полученного по трем радиолокационным расстояниям до ориентиров, одинаково удалённым на Д = 3,0 мили, с углом пересечения их изолиний θ = 90^о, и с СКП измеренного расстояния m_Д = 0,01Д, дает следующий результат

.

Следует подчеркнуть, что полученный результат соизмерим с точностью стандартного режима обсерваций с использованием GPS и вновь отметить, что увеличение количества линий положения более трех нецелесообразно, так как не приводит к существенному повышению точности определяемого места судна, значительно усложняя процесс обсервации.

Способы определения места судна, точность которых была рассмотрена, относятся к основным, по своим характеристикам удовлетворяют современным требованиям к точности способов обсерваций и рекомендуются к использованию для обеспечения навигационной безопасности плавания.

Остальные традиционные способы обсерваций, доступные современным судоводителям, являются резервными и могут быть использованы в условиях плавания с частично выведенными из строя техническим средствами судовождения, в условиях недоступности ориентиров или при плавании на спасательных средствах.