Спутники GALILEO будут помещены на трех средневысоких орбитах (высота 23222 км). Плоскости орбит расположены через 1200 и наклонены к экватору под углом 560. На каждой орбите будет находиться 10 спутников.

Каждый спутник излучает: навигационные сигналы, данные о системном времени, свои эфемеридные параметры, альманах всех спутников, прогноз точности данных времени и эфемерид. Спутники способны передавать навигационные сигналы на четырех частотах в L- диапазоне, максимально используя полосу частот радионавигационных спутниковых систем.

GALILEO имеет службу поиска и спасения, позволяющую принимать сообщения от буев системы КАСПАС-САРСАТ. Она обеспечивает быстрое и надежное обнаружение терпящих бедствие судов.

Бортовая аппаратура для морских судов базируется на использовании навигационных сигналов, излучаемых спутниками на двух частотах. Она обеспечивает определение горизонтальных координат с 95% погрешностью ±4 м, вертикальных – ±8 м.

СНС GALILEO будет удовлетворять требованиям пользователей к общей навигации, изложенным в резолюции ИМО А.915(22), 2001 г. (см. табл. 4.1).

Расширение области измерений СНС. Возможности вводимых в

ближайшее время в эксплуатацию спутниковых навигационных систем позволят с требуемой точностью находить все элементы движения судна: навигационные параметры, параметры посадки корпуса, параметры качки. Стоимость таких определений будет ниже, чем при использовании измерительных систем других видов (позиционных датчиков, курсоуказателей, приборов для измерения скорости и проходимого расстояния, указателей скорости поворота, датчиков параметров качки). Это говорит о том, что приемоиндикаторы СНС могут стать на судне главными приборами не только для определения позиции судна в открытом море и в прибрежных водах, но и

основными измерителями всех кинематических параметров судна.

4.3.Электронные магнитные компасы.

Конвенционными курсоуказателями на морских судах являются гирокомпасы (ГК) и магнитные компасы (МК). Необходимость установки этих приборов на морских судах определена правилом 19 главы 5 международной конвенции СОЛАС74. В качестве основного датчика курса обычно применяется ГК. Магнитный компас является резервным курсоуказателем.

128

В течение многих лет на флоте используются гирокомпасы с вращающейся массой (ротором) и картушечные магнитные компасы. Курсоуказатели этих видов ниже называются традиционными.

4.3.1. Общие сведения о магнитных компасах.

Магнитное поле Земли имеет такой вид (рис. 4.1), как будто земной шар представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Магнитные полюса Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Северный магнитный полюс находится приблизительно в точке 760N и 1000W, а южный – в точке 680S и 1440E. Геомагнитные полюса лежат не на поверхности Земли, а под ней.

N

S Магнитная

ось

Ось

вращения

Рис. 4.1. Магнитное поле Земли

Магнитная ось наклонена к оси вращения Земли под углом 11,50. На геомагнитных полюсах напряженность магнитного поля имеет вертикальное направление, а на магнитном экваторе – горизонтальное. В промежуточных широтах силовые линии магнитного поля наклонены под определенным углом к поверхности Земли. Геомагнитное поле может характеризоваться напряженностью Н и магнитной индукцией В. В системе СИ напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), а единицей магнитной индукции является тесла.

Величина напряженности магнитного поля на земной поверхности очень мала и зависит от координат места. На магнитном экваторе она составляет порядка 26 А/м, а у полюсов – 51 А/м. Магнитная индукция на экваторе равняется примерно 34 μТ (микротесла), а у полюсов ее значение достигает 66 μТ.

129

Картушечные магнитные компасы. В традиционных морских магнитных компасах для получения значений курса используется свойство магнитной стрелки располагаться вдоль силовых линий магнитного поля. Эти компасы просты по конструкции, надежны, обладают довольно высокой точностью и не требуют для работы никакого вида питания. Принцип действия, конструкция и эксплуатация картушечных компасов хорошо освещены в учебниках и учебных пособиях для судоводителей.

На судах используются картушечные магнитные курсоуказатели многих изготовителей навигационной аппаратуры. В качестве примеров промышленных образцов можно назвать компасы КМ-145, КМ-100, КМ-69, КМС-160, КМС-200 (Россия), магнитный компас “Jupiter” фирмы “C.Plath” (Германия) и ряд других.

Эксплуатационные требования к магнитным компасам

определены в Резолюции ИМО А.382(Х), принятой в 1977 г. Приведем выдержки из этого документа.

Погрешности магнитного компаса необходимо компенсировать. На мостике требуется иметь таблицу и график девиации этого прибора.

Суммарная погрешность компаса, состоящая из погрешности градуировки шкалы, погрешности от несовпадения точки вращения картушки с ее центром и отклонения картушки от направления силовых линий геомагнитного поля, не должна превышать 0.50 на любом курсе.

При вращении компаса вокруг вертикальной оси с постоянной скоростью 1.50/с (при температуре компаса 20±30С) отклонение картушки не должно превышать (36/В)0, когда диаметр картушки меньше, чем 200 мм. Здесь В – индукция горизонтальной компоненты магнитного поля Земли в точке расположения компаса, выраженная в микротесла (μТ). Если картушка имеет диаметр 200 мм и более, то

отклонение картушки в названных условиях не должно превышать

(54/В)0.

Требуется, чтобы погрешность от трения в компасе не превышала (3/В)0 при температуре 20±30С.

Когда горизонтальная компонента геомагнитного поля составляет порядка 18 μТ, после смещения картушки на 400 от меридиана полупериод колебания картушки должен быть, по крайней мере, 12 с. Предписано, чтобы после отклонения картушки на 900 от направления на север, время прихода ее в магнитный меридиан с погрешностью в пределах ±10 не было больше 60 с..

Компас необходимо снабжать средствами для коррекции полукруговой и четвертной магнитной девиации.

Электронные магнитные компасы. Одними из недостатков традиционных магнитных компасов являются: наличие на качке

130

знакопеременной погрешности, вызванной действием ускорений на картушку, и неприспособленность к передаче показаний на авторулевой, автопрокладчик и другим потребителям информации о курсе.

Эти недостатки устранены в электронных магнитных компасах (ЭМК). В них определение курса основано на измерении составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли.

Если на судне с достаточной точностью получить продольную H X и поперечную HY (относительно ДП судна) компоненты

напряженности геомагнитного поля, то по их значениям можно найти магнитный курс судна:

MK = arctan	HY	.	(2.1)
	H X

С приближением к магнитным полюсам уменьшается горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля и увеличивается магнитное наклонение, что делает показания магнитного компаса менее точными и надежными. В районах магнитных полюсов из-за вертикального направления магнитных силовых линий (НХ=0, НY=0) курс определить невозможно.

4.3.2. Магнетометры.

Виды магнетометров. Приборы, измеряющие напряженность магнитного поля, называются магнетометрами. Напряженность магнитного поля Земли очень мала. Поэтому для получения значений курса требуются высокочувствительные датчики магнитной напряженности. К ним относятся:

–флюксгейт (FG) магнетометры;

–магниторезисторные (MR) датчики;

–магнитоэластиковые приборы;

–датчики, основанные на эффекте Холла.

Наибольшее применение в электронных магнитных компасах нашли флюксгейт-датчики. На современном этапе в ЭМК используются и MR-магнетометры.

Электронный магнитный компас включает либо два магнетометра, измеряющих продольную и поперечную (по отношению к корпусу) судна составляющие напряженности геомагнитного поля в горизонтальной плоскости, или совокупность трех магнетометров, дающих значения двух горизонтальных и дополнительно вертикальной компонент напряженности магнитного поля.

Флюксгейт магнетометры являются чувствительными элементами большинства морских ЭМК, получивших название флюксгейт-компасов. Первые образцы магнетометров этого типа

131

были созданы еще в 1928 г. Однако требуемую для курсоуказания точность этих приборов удалось получить сравнительно недавно.

FG-магнетометры могут быть разных видов. Классический однокоординатный FG-датчик, показан на рис. 4.2,а. Он измеряет Х- составляющую магнитного поля и состоит из тороида и намотанной поверх него внешней (сигнальной) катушки. Тороид представляет собой кольцевую катушку, намотанную на сердечник с формой тора. Внутренняя обмотка FG-датчика является обмоткой управления (возбуждения).

	UСX		UСX
	A	HKA
	i	HM
	~UB			UСY
	i
	B	Y
	HKB			~UB
	а)	X	б)
		Оси измерений

Рис. 4.2. Х- и XY- флюксгейт магнетометры.

Сердечник тороида изготавливается из легконамагничиваемого материала (ферромагнетика), чаще всего из пермаллоя. Пермаллой представляет собой сплав железа (19%) и никеля (81%).

Принцип работы магнетометра поясняется рис. 4.3 и состоит в следующем. Чувствительный элемент FG-магнетометра является разновидностью феррозонда. На его обмотку возбуждения подается переменное напряжение ~UB. Амплитуда UB такова, что в середине каждого полупериода изменения тока возникает магнитное насыщение сердечника.

Интервал времени, в течение которого при изменении тока возбуждения сердечник изменяет намагниченность, обозначим на рисунке 4.3 как участок I, а промежуток насыщенного состояния сердечника – как участок II.

Вмомент насыщения сердечника его магнитная проницаемость μ резко уменьшается. На участках II ее можно считать равной нулю. В промежутках I (размагничивания и намагничивания) она возрастает от

нуля до некоторого значения μ0 и снова уменьшается до нуля по закону, показанному на рис. 4.3.

Вобщем случае напряжение в сигнальной катушке, согласно закона электромагнитной индукции, равно:

132

Uc = −dΦc / dt ;

где ΦС – поток магнитной индукции, проходящий через контур сигнальной катушки.

Величина магнитного потока может быть представлена в виде

Φc = kμHM ;

где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров магнетометра (диаметра сердечника, числа витков и т.д.); НМ - перпендикулярная плоскости витков сигнальной обмотки составляющая напряженности магнитного поля.

UB	II I II	I II

t

μ

t

UC

t

Рис. 4.3. Характеристика работы FG-магнетометра.

Учитывая это, сигнальное напряжение можно представить формулой:

Uc = − dΦc = −kHM dμ . dt dt

При прохождении переменного тока i через обмотку возбуждения

всердечнике возникает магнитный поток Ф, значения ФА, ФВ которого

вточках А и В сердечника (см. рис. 4.2,а) равны и противоположно направлены. Таким образом, когда внешнее магнитное поле отсутствует, суммарный магнитный поток, проходящий через сигнальную обмотку, равен нулю, и напряжения в ней нет.

На рис. 4.2,а символами НКА, НКВ обозначены векторы напряженности возбуждаемого в сердечнике магнитного поля в точках

А и В.

Когда перпендикулярно плоскости сигнальной обмотки действует

постоянная составляющая НМ внешнего магнитного поля, то в полупериод изменения тока i (как показано на рис. 4.2) она сложится с

НКА и вычтется из НКВ. Во второй полупериод тока направления векторов НКА, НКВ поменяются на обратные, а направление НМ

133

= −kHM sin 2ωt .

останется тем же. В результате суммарный магнитный поток, проходящий через сигнальную обмотку, не будет нулевым.

В промежутках I изменение этого потока вызовет появление сигнального напряжения:

UC = −kHM dμ dt

Полезный сигнал UС (рис. 4.3) имеет вид переменного, несколько искаженного напряжения, частота которого в два раза больше частоты ~UB. Амплитуда сигнального напряжения UС пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля НМ.

Таким образом, значение напряженности внешнего магнитного

поля можно найти путем измерения амплитуды напряжения в сигнальной катушке.

Для получения достаточной чувствительности число витков управляющей и сигнальной катушки должно быть большим 100.

Магнетометр, измеряющий составляющие внешнего магнитного поля по двум ортогональным осям, представлен на рис. 4.2,б. Если на судне этот датчик установить для проведения измерений в горизонтальной плоскости, одну внешнюю обмотку расположить вдоль ДП, а другую - перпендикулярно к ней, то в первой обмотке возникнет напряжение, пропорциональное поперечной HY составляющей

геомагнитного поля, а во второй обмотке – пропорциональное продольной компоненте H X . По значениям H X , HY по формуле (2.1) определяется курс судна.

UC [mV]

20

10

0

-10

-20

-400

-200

0

200

400

В[μT]

Рис. 4.4. Флюксгейт микродатчик и его характеристика

Размеры обычного двухкоординатного флюксгейт магнетометра невелики, порядка 4х7 см2. Двухкоординатные микродатчики значительно меньше (примерно 3,4х5,6 мм2). Однокоординатный микромагнетометр в виде чипа и его характеристика представлены на рис. 4.4.

134

MR-магнетометры основаны на магниторезисторном эффекте. В них используется свойство ферромагнитных материалов (чаще всего пермаллоя) изменять свое электрическое сопротивление R под действием магнитного поля. Изменение сопротивления пластины из пермаллоя определяется составляющей напряженности магнитного поля H , ортогональной к линии тока i (рис. 4.5).

Изменение сопротивления происходит при вариации H в

пределах от –Н0 до +Н0, где Н0 – значение напряженности магнитного поля, при котором наступает состояние насыщения намагниченности пермаллоя. Значение Н0 зависит от температуры.

Пермаллой

Ток i

Н

Рис. 4.5. Элемент MR-датчика в виде пластины из пермаллоя.

Максимальное Rm изменение сопротивления проводника под влиянием магнитного поля зависит от геометрии проводника и его материала. Для пластины из пермаллоя оно составляет от 2 до 3% от R0. Здесь R0 – сопротивление проводника при │H = Н0.

Уравнение, описывающее зависимость сопротивления проводника от значения напряженности магнитного поля, имеет следующий вид:

R = R0 + Rm [1−(H / H0 )2 ].

R

R

R0

											H
-1			0 +1								H 0

Рис. 4.6. R-H характеристика пластины из пермаллоя.

R-H характеристика пластины из пермаллоя показана на рис. 4.6. Для оптимизации характеристик MR-датчика его элементы

изготавливается в виде пластины, состоящей из чередующихся полос из пермаллоя и алюминия, расположенных под углом 450 к линии тока (рис. 4.7). Такие элементы называют зубчатополюсными.

135

R-H характеристики зубчатополюсных элементов, показанных на рисунках 4.7,а,б, имеют вид, представленный соответственно на рис. 4.8, а,б.

Пермаллой Al

a)

б)

Рис. 4.7. Зубчатополюсные элементы MR-датчика.

R

R

a)

б)

Rm

Rm

R0

R0

H

H

-

1 0 +1

H0

-

1

0 +1

H0

Рис. 4.8. R-H характеристики зубчатополюсных элементов

Сам MR-датчик представляет собой мостиковую схему (Рис. 4.9), где UП – постоянное напряжение питания, UС – сигнальное напряжение.

R0+ R	R0- R
UП	+	UС
	-

R0- R

R0+ R

Рис. 4.9. Схема MR-магнетометра.

Значение напряженности внешнего магнитного поля в MRдатчике получается путем измерения сигнального напряжения UС.

Напряжение питания реальных MR-магнетометров находится в пределах от 2 до 10 вольт. Значение выходного сигнала этих датчиков, при измерении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли может достигать 1.5 mV.

136