СУДОВЫЕ РАДИОПЕЛЕНГАТОРЫ

17.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУДОВЫХ РАДИОПЕЛЕНГАТОРОВ

Радиопеленгованием называется определение направления на передающую радиостанцию радиотехническим методом.

В радиопеленговании на море применяется амплитудный метод радионавигационных определений, физическая сущность которого при радиопеленговании заключается в использовании зависимости между амплитудой принимаемых сигналов и направлением на их источник.

Основы радиопеленгования амплитудным методом были заложены в исследованиях А.С. Попова по применению электромагнитных волн для радиосвязи.

Впоследствии радиопеленгование получило широкое распространение для определения места кораблей и судов в море благодаря простоте эксплуатации и надежности радиопеленгаторов.

С появлением новых более точных радионавигационных средств (импульсных, фазовых и спутниковых радионавигационных систем) радиопеленгование стало второстепенным средством навигационных определений, но не утратило полностью своего значения. Объясняется это тем, что радиопеленгатор является универсальным прибором с точки зрения возможности его использования на больших, средних и малых расстояниях и в любых районах моря. Действительно, дальность радиопеленгования при определенной чувствительности радиопеленгатора зависит от мощности пеленгуемой радиостанции и длины радиоволны; не обязательно, чтобы район был оборудован специальными радиостанциями (морскими радиомаяками), так как пеленговать можно постоянно действующие аэрорадиомаяки, широковещательные и связные радиостанции.

Наконец, радиопеленгование до сих пор является единственным радиосредством, позволяющим определить направление на любой передающий объект с неизвестными и известными координатами. Поэтому радиопеленгаторы устанавливаются на корабли и суда различного назначения.

Радиопеленгатор относится к судовой навигационной аппаратуре, предназначенной для пеленгования объектов, излучающих радиосигналы. С помощью радиопеленгатора измеряется угол между нормалью к фазовому фронту радиоволны в точке приема и исходным направлением. Этот угол называется радиопеленгом (РП) или радиокурсовым углом (РКУ), если он измеряется соответственно относительно истинного меридиана или диаметральной плоскости судна.

Судовые навигационные радиопеленгаторы обычно работают в диапазоне средних и длинных радиоволн (от 300 до 1600 м) и вместе с береговыми ненаправленными радиомаяками образуют азимутальную радионавигационную систему.

Место корабля в этой системе определяется как точка пересечения двух или более радиопеленгов на радиомаяки. Более подробно порядок определения места с помощью радиопеленгаторов излагается по учебному курсу «Навигация».

Современные судовые радиопеленгаторы можно классифицировать по ряду признаков.

По способу индикации искомого направления они разделяются на слуховые и визуальные.

В слуховых радиопеленгаторах направление определяется на слух по громкости сигнала. Они могут быть с поворотной или неподвижной рамочной антенной. В радиопеленгаторах с неподвижной рамочной антенной применяется гониометрическое устройство. К слуховым можно отнести радиопеленгаторы типа «Рыбка», «Баркас».

В визуальных радиопеленгаторах для индикации применяются стрелочные индикаторы и электронно-лучевые трубки. К визуальным можно отнести радиопеленгатор типа «Румб».

По способу работы радиопеленгаторы делятся на неавтоматические, у которых при измерениях требуется выполнять вручную ряд более или менее сложных операций, и автоматические, которые после настройки на частоту сигнала радиомаяка указывают направление без участия наблюдателя.

К автоматическим относятся радиопеленгаторы типа «АРП-58СВ», «АРП-50», «АРП-53», «АРП-85». Из зарубежных образцов к автоматическим можно отнести радиопеленгатор типа «FURUNO FD – 177»

В современных морских радиопеленгаторах применяются равносигнальный способ определения направления и способ пеленгования по минимуму сигнала. В обоих случаях используется направленный прием радиоволн с помощью антенн и антенных систем, имеющих диаграммы направленности, резко отличающиеся от круговой.

Обычно антенное устройство судового радиопеленгатора состоит из основной направленной и вспомогательной ненаправленной антенн.

В качестве основной применяется рамочная антенна, а в качестве вспомогательной – вертикальная антенна типа несимметричного линейного электрического вибратора (например, штыревая).

17.2. ПРИЕМ РАДИОСИГНАЛОВ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ И РАМОЧНУЮ

АНТЕННЫ

Когда вертикальная (штыревая) антенна находится под воздействием электромагнитного поля пеленгуемых радиосигналов, то в ней возникает ЭДС, мгновенное значение которой определяется известным выражением:

,

где – амплитуда напряженности электрической составляющей электромагнитного

поля; – действующая высота антенны.

Следовательно, амплитуда этой ЭДС не зависит от горизонтального угла , под которым находится радиомаяк. Таким образом, вертикальная (слегка наклонная) антенна направленными свойствами не обладает и ее диаграмма приема в системе полярных координат имеет вид окружности (рис. 17.1).

0°

180°

Рис. 17.1. Диаграмма приема сигналов на ненаправленную антенну

Ненаправленная антенна радиопеленгаторов обычно представляет собой вертикальный проводник, нижняя часть которого подключена к антенному контуру приемника.

Геометрическая высота h антенны значительно меньше длины радиоволны.

Действующая высота антенны h_Д является функцией f геометрической высоты h и длины волны . Поскольку такая антенна является несимметричным линейным вибратором, ток по ее длине распределяется не равномерно. По этой причине .

Рамочнойназывается антенна замкнутого типа прямоугольной, круглой или иной формы, состоящая из одного или нескольких витков провода. В отличие от вертикальной рамочная антенна обладает направленностью. Когда плоскость рамки перпендикулярна направлению на радиопередающую станцию, напряжение на зажимах обмотки равно нулю. Когда плоскость рамки совпадает с направлением на станцию – напряжение максимально.

Амплитуда суммарного напряжения для любого положения рамки будет равна:

где N – число витков; S – площадь рамки; – длина волны радиопередающей станции;

– угол между плоскостью рамки и направлением на радиостанцию.

На рис. 17.2 показана диаграмма направленности рамки в полярных координатах. Если концы рамки соединить с входом приемника и вращать ее вокруг вертикальной оси, то слышимость сигналов будет изменяться практически по тому же закону, по которому изменяется напряжение рамки.

Рис. 17.2. Диаграмма приема сигналов на рамочную антенну

Направление на станцию (радиомаяк) может быть определено как по максимуму, так и по минимуму слышимости. Однако точность будет неодинакова. Как видно из рис. 17.2, поворот рамки на угол в ту или иную сторону от положения ее на максимуме слышимости ( и ) вызывает незначительное изменение силы сигнала, в то время как поворот ее на тот же угол от положения нулевой слышимости ( и ) резко изменяет слышимость сигналов. Поэтому в радиопеленгаторах со слуховой индикацией используется метод радиопеленгования по минимуму (исчезновению) слышимости.

В реальных условиях работы судового радиопеленгатора форма характеристики направленности рамочной антенны искажается. Одна из причин – антенный эффект рамки – свойство принимать сигналы вне зависимости от направления на радиопередающую радиостанцию.

Основные причины возникновения антенного эффекта: асимметрия схемы подключения рамки к приемнику; различная емкость плеч обмотки рамки по отношению к окружающим проводящим телам; непосредственное наведение напряжения в соединительных проводах и других элементах схемы входной цепи приемника.

Возникающее дополнительное напряжение антенного эффекта на входе приемника не зависит от угла поворота рамки и искажает характеристику приема. В общем случае напряжение антенного эффекта смещено по фазе относительно напряжения рамочной антенны. Фазная составляющая напряжения антенного эффекта вызывает сдвиг точки минимальной (нулевой) слышимости на угол, называемый углом излома оси минимумов на суммарной диаграмме направленности рамочной антенны.

Влияние внефазной составляющей напряжения антенного эффекта (смещенной на 90° относительно напряжения рамки) приводит к появлению расплывчатого минимума при радиопеленговании.

Для уменьшения антенного эффекта тщательно экранируют высокочастотные элементы приемника, соединительные провода и обмотку самой рамки, для чего обмотку рамки помещают в металлическую трубу из материала с хорошей проводимостью. Труба должна иметь разрез, в противном случае из-за полной экранировки обмотки прием сигналов окажется невозможным. Другая мера уменьшения антенного эффекта – применение симметричных схем соединения рамки с приемником. Это достигается соединением с корпусом судна (заземлением) средней точки обмотки рамки.

Одновременно с мерами, уменьшающими антенный эффект, применяется компенсация остаточного напряжения антенного эффекта. Принцип компенсации заключается в том, что на вход приемника подается дополнительное напряжение из вспомогательной ненаправленной антенны, равное по амплитуде, но противоположное по фазе напряжению антенного эффекта. Компенсации подвергается внефазная составляющая напряжения. Обусловлено это тем, что критерий правильного подбора компенсирующего напряжения – острое, вполне четкое уменьшение слышимости сигналов в положении рамки на минимуме. Влияние фазной составляющей напряжения антенного эффекта рамки учитывается как систематическая погрешность радиопеленгатора при его калибровке.

Компенсационное устройство радиопеленгатора должно быть обязательно управляемым. Это требование вызвано тем, что напряжение антенного эффекта и особенно дополнительные внефазные напряжения, вызывающие расплывчатый минимум слышимости при радиопеленговании, зависят от длины волны (частоты) пеленгуемых сигналов, направления на пеленгуемую радиостанцию и пр.

Как следует из формы диаграммы направленности рамочной антенны (см. рис. 17.2), получаемый отсчет направления на пеленгуемую радиостанцию двузначный. Он указывает только плоскость, в которой находится пеленгуемый радиомаяк, но не указывает, с какой именно стороны от наблюдателя расположен радиомаяк или другая радиопередающая радиостанция.

Для определения стороны радиомаяка используется одновременный прием сигналов на рамку и ненаправленную антенну. Результирующая диаграмма комбинированного приема в полярных координатах показана на рис. 17.3. Штриховой окружностью радиусом изображена амплитуда напряжения, наводимого из антенны. Двумя соприкасающимися окружностями обозначено изменение амплитуды напряжения самой рамки. Знаки „+” и „–„ показывают изменение фазы напряжения при повороте рамки. При условии совпадения по фазе в результате алгебраического сложения напряжений и получим характеристику изменения суммарного напряжения при повороте рамки на полный оборот 360°. Эта характеристика имеет форму кардиоиды и обладает однозначностью отсчета, так как при повороте рамки напряжение на входе приемника, а следовательно, и слышимость сигналов будет максимальна при и исчезает или будет минимальна при .

Для точного пеленгования применение кардиоиды нецелесообразно. Так как она имеет минимум более тупой, чем восьмерка. Кроме того, обеспечение необходимых фазовых и амплитудных соотношений между U рамки и антенны для получения кардиоиды достигается путем настройки резонансных цепей и регулировки усиления рамочного и антенного каналов, что довольно трудно реализовать во всем диапазоне f, используемом в радиопеленгаторе.

17.3. РАДИОПЕЛЕНГАТОРЫ ГОНИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА

На судах широко применяются радиопеленгаторы гониометрического типа, называемые также радиопеленгаторами с неподвижными рамками (рис. 17.4). В состав радиопеленгатора входят: 2 неподвижные, жестко скрепленные между собой рамки, гониометр и приемник.

Гониометр состоит из трех многовитковых обмоток или катушек. Обмотки а и б неподвижные или статорные, намотанные под углом 90° относительно друг друга, называются полевыми. Катушка в, свободно вращающаяся вокруг своей оси внутри полевых катушек, называется искательной, или роторной. Как видно из рис. 17.4 каждая полевая катушка соединяется с соответствующей обмоткой рамки.

Рис. 17.4. Гониометрическая схема радиопеленгатора

Искательная катушка подключается на вход приемника. Одна из рамок, например, А, при установке ориентируется вдоль диаметральной плоскости судна или параллельной ей, а рамка Б оказывается поперечной. К искательной катушке перпендикулярно ее плоскости укреплен указатель, перемещающийся по азимутальному кругу G, ориентированному таким образом, что нуль азимутального круга совпадает с плоскостью полевой катушки а, соединяемой с продольной рамкой А.

Напряжение, создаваемое электромагнитным полем пеленгуемой радиостанции с каждой из обмоток рамок, будет зависеть от напряженности поля, курсового угла на пеленгуемую радиостанцию (радиомаяк) и от действующей высоты рамки. Тогда напряжение на зажимах обмотки рамки А:

Соответственно напряжение на зажимах обмотки рамки Б:

где h_А и h_Б – действующая высота рамок; E_m – амплитуда напряженности поля.

Под действием этих напряжений в цепи каждой рамки возникает ток, а вокруг полевых катушек – магнитные поля H_{а и} H_б, совпадающие по фазе, но смещенные в пространстве на 90°. Суммарное магнитное поле H_o внутри гониометра равно геометрической сумме полей H_a и H_б (рис. 17.5,а).

Поле H_o индуктирует в обмотке искательной катушки напряжение пеленгуемых сигналов, которое зависит от положения искательной катушки относительно вектора поля . Когда плоскость катушки перпендикулярна вектору поля , напряжение в обмотке максимально. При совпадении плоскости искательной катушки с вектором напряжение равно нулю. В промежуточных положениях это напряжение пропорционально синусу угла между вектором и плоскостью искательной катушки. Таким образом, искательная катушка гониометра по принципу действия аналогична поворотной рамке.

Если по тем или иным причинам максимальный ток одной из полевых катушек, например в катушке а, окажется меньше, чем в катушке б, то это вызовет уменьшение максимального значения магнитного поля до . Тогда при пеленговании, как следует из рис. 17.5,б, вектор результирующего поля сместится относительно вектора на угол , являющийся углом ошибки в определении направления.

Эта ошибка не остается постоянной, а изменяется для разных курсовых углов на радиомаяк по закону

(17.1)

Если имеет место уменьшение поля катушки то это выражение изменит свой знак на обратный:

17.4. ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ВИЗУАЛЬНЫЙ РАДИОПЕЛЕНГАТОР

Двухканальный визуальный радиопеленгатор (ДВРП) состоит из двух неподвижных взаимно перпендикулярных рамок, двухканального радиоприемника и ЭЛТ с электростатическим управлением (рис. 17.6.).

Напряжение пеленгуемых сигналов с каждой из обмоток рамок поступает на вход соответствующего канала приемника супергетеродинного типа, оканчивающегося каскадами усиления промежуточной частоты. С выхода каналов приемника усиленное напряжение сигналов каждой из рамок подается на отклоняющие пластины ЭЛТ. Например, напряжение, снимаемое с обмотки продольной рамки I, после усиления в первом канале поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки 1,3; напряжение, снимаемое с обмотки поперечной рамки II, c выхода второго канала приемника подается на горизонтально отклоняющие пластины 2,4.

Рис. 17.6. Схема ДВРП

Напряжение промежуточной частоты сигнала на выходе приемного канала связано:

с продольной рамкой

,

с поперечной рамкой

где K₁ и K₂ – коэффициенты усиления каналов приемника; и – углы изменения

фазы сигналов после прохождения через усилительные каналы приемника;

– промежуточная частота.

Суммарное воздействие обоих напряжений E₁ и E₂ сигналов пеленгуемой радиостанции отклонит электронный луч ЭЛТ на угол a (см. рис. 17.6). Угол отклонения определяется выражением

,

где и – чувствительность отклоняющих пластин.

Если оба канала приемника идентичны, т. е. h₁=h₂; K₁=K₂; и трубка не имеет искажений , то после сокращений получим или . Следовательно, угол отклонения электронного луча a равен курсовому углу на радиомаяк.

Длина светящейся лини на экране ЭЛТ не зависит от значения курсового угла на радиомаяк, а определяется уровнем напряжений E₁ и E₂. Пропорционально изменяя эти напряжения, можно получать различную длину светящейся линии.

Пеленгование будет безошибочным, если оба канала, включая рамки, входные цепи, усилители и отклоняющие системы трубки, будут строго одинаковы. При нарушении этого условия возникают ошибки в определении радиокурсового угла или радиопеленга.

При неодинаковом усилении каналов приемника, когда , возникает ошибка в определении направления, имеющая четвертной характер изменения. При неравенстве фаз выходных напряжений каналов приемника на экране трубки вместо прямой светящейся линии создается эллипс.

Практически схема ДВРП имеет регулировку усиления каналов (баланс по усилению) и изменения фазы напряжения сигналов в каждом канале (баланс фаз). В схеме предусматривается также возможность определения стороны, т. е. однонаправленный прием сигналов, и имеется слуховой канал для контроля пеленгуемых сигналов и прослушивания позывных.

Предусматриваемая в приемнике балансировка усиления состоит в том, что на вход обоих каналов приемника подается одинаковая амплитуда напряжения, например от вспомогательной антенны. В случае если усиление каналов оказывается различным, угол, под которым будет располагаться светящаяся черта на экране трубки, составит меньше или больше 45°. Производя балансировку, т.е. регулируя усиление каналов приемника, добиваются получения угла наклона светящейся черты на экране трубки, равного 45°. Аналогичным образом осуществляется балансировка фаз обоих каналов приемника. Изменяя фазу напряжения сигналов на выходе обоих каналов, добиваются получения вместо эллипса светящейся линии на экране ЭЛТ.

Дальнейшее усовершенствование ДВРП – радиопеленгатор с переключением или коммутацией каналов (рис. 17.7). Вход и выход обоих каналов приемника синхронно переключаются с частотой в несколько десятков герц. Напряжение сигналов от рамки I через каналы 1 или 2 в зависимости от положения переключателей S1, S2 на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Аналогично напряжение сигналов от рамки II через оба канала поочередно поступает на горизонтально отклоняющие пластины трубки.

Рис. 17.7. Схема ДВРП с переключением каналов

Если усиление и фазовые сдвиги обоих каналов для данной частоты сигналов одинаковы, то изображение на экране ЭЛТ имеет вид, как обычно, прямой светящейся черты. Когда фазовые сдвиги обоих каналов совпадают, а усиление неодинаково, то напряжение сигналов, поступающих на отклоняющие пластины ЭЛТ с выхода каналов 1 и 2, оказываются разной амплитуды. На экране трубки будут изображаться 2 линии (рис. 17.8): одна под углом a₁, а вторая под углом a₂. Истинное значение курсового угла или пеленга a₀ будет занимать промежуточное положение, показанное на рис. 17.8 штриховой линией.

В случае если в обоих каналах имеет место разбалансировка усиления и фазы одновременно, изображение на экране трубки будет иметь вид двух перекрещивающихся эллипсов.

Рис. 17.8. Разбалансировка каналов по усилению

Регулируя каналы приемника по усилению и фазе, добиваются получения на экране трубки изображения в виде одной светящейся черты. Главное достоинство ДВРП с переключением каналов – отсутствие необходимости в предварительной балансировке каналов, так как она производится в процессе пеленгования. Это упрощает управление радиопеленгатором и повышает точность пеленгования.

К основным преимуществам двухканальных визуальных радиопеленгаторов можно отнести:

- безынерционность, позволяющая пеленговать станции, излучающие кратковременные сигналы;

- возможность оценивать качество пеленгования по виду изображения на экране;

- возможность визуального счета сигналов секторных радиомаяков без подключения дополнительных приборов;

- возможность определять направления на 2-3 одновременно работающие станции, частоты которых попадают в полосу пропускания приемоусилительных трактов.

К недостаткам относятся:

- неполная автоматизация радиопеленгования

- невозможность автоматической передачи навигационной информации на счетно-решающие устройства.

17.5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РАДИОПЕЛЕНГАТОРЫ СО СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ

В автоматических радиопеленгаторах в процессе радиопеленгования устанавливается и постоянно поддерживается заданная ориентация диаграммы направленности антенной системы относительно направления на источник радиосигналов.

В настоящее время широкое распространение получили автоматические радиопеленгаторы, работающие по равносигнальному способу. К ним относятся морские радиопеленгаторы типа АРП и авиационные радиокомпасы.

Антенная система таких радиопеленгаторов состоит из поворотной рамки или неподвижной рамочной антенны с гониометром и вертикальной ненаправленной антенны. Диаграмма приема – кардиоида.

Направление эти радиопеленгаторы определяют путем автоматической установки поворотной рамки (или ИК гониометра) в положение пеленга с помощью следящей системы, для которой рамка (ИК) является датчиком сигнала рассогласования, а исполнительным элементом – электродвигатель.

Очевидно, что напряжение, воздействующее на электродвигатель, должно удовлетворять следующим условиям:

- в положении пеленга напряжение должно быть равно нулю, так как электродвигатель в этом случае не должен работать;

- при отклонении датчика от положения пеленга в одну или другую сторону напряжение рассогласования должно менять знак (или фазу), чтобы электродвигатель отрабатывал в нужную сторону, т.е. в направлении, возвращающем датчик в положение пеленга.

Этим условиям удовлетворяют автоматические радиопеленгаторы с фиксацией положения пеленга по минимуму глубины модуляции сигнала рассогласования (например, АРП – 58СВ, АРП – 50, АРП – 53, АРП-85, FURUNO FD–177).

Для реализации равносигнального способа определения направления на входе приемника АРП производится периодическое изменение фазы высокочастотного сигнала рамки на 180°, в результате чего диаграмма приема поочередно занимает левое и правое положение относительно нормали к плоскости рамки nn', которая в данном случае является равносигнальным направлением (рис.17.9)

Переброс (коммутация) диаграммы приема из левого положения в правое и наоборот производится через полпериода колебаний низкой частоты и в случае неравенства амплитуд сигналов при противоположных положениях кардиоиды на входе приемника образуется амплитудно-модулированный высокочастотный сигнал с частотой модуляции , т.е.

, (17.2)

где – угол между плоскостью рамки и направлением на радиомаяк.

После подавления несущей частоты в приемнике информация о пеленге будет заключена в фазе огибающей этого сигнала с частотой F_м. Фаза огибающей будет зависеть от стороны отклонения рамки от положения пеленга, а глубина модуляции – от соотношения амплитуд высокочастотного сигнала при противоположных положениях кардиоиды и различных величинах угла .

Рассмотрим несколько частных случаев (рис. 17.9.).

1. Нормаль к плоскости рамки (О_п) совпадает с направлением на радиомаяк . В этом случае , ; модуляция сигнала частотой коммутации (F_м) отсутствует, напряжение на выходе приемника равно нулю и электродвигатель не работает.

Таким образом, положение диаграммы приема, соответствующее равной интенсивности сигналов при левой и правой кардиоиде, является положением равновесия следящей системы. Стрелка указателя, совмещенная с направлением O_n, покажет на шкале направление на радиомаяк.

2. Нормаль O_n отклонена от направления на радиомаяк влево. В этом случае ; сигнал рассогласования будет определяться выражением (17.2), с начальной фазой, соответствующей отношению > 1. Электродвигатель будет вращать рамку по часовой стрелке до совмещения нормали O_n с направлением на радиомаяк.

3. Нормаль O_n отклонена от направления на радиомаяк вправо. Очевидно, что этот случай будет противоположным по отношению ко второму частному случаю, и электродвигатель будет вращать рамку против часовой стрелки до совмещения нормали O_n с направлением на радиомаяк.

4. Нормаль отклонена нижним концом O_n' от направления на радиомаяк влево.

Тогда ; , т.е. этот случай аналогичен второму частному случаю, и электродвигатель будет вращать рамку по часовой стрелке до совмещения верхнего конца нормали O_n с направлением на радиомаяк. Это говорит о том, что следящая система АРП имеет только одно устойчивое состояние равновесия, соответствующее первому частному случаю.

Действительно, если в исходный момент нормаль O_n' уже будет совмещена с направлением на радиомаяк и , то это положение равновесия будет неустойчивым. Небольшое отклонение рамки по каким-либо причинам от этого положения (например, из-за колебаний питающего напряжения) вызовет появление сигнала рассогласования, и электродвигатель развернет рамку на 180° в положение устойчивого равновесия.

Наличие только одного устойчивого положения равновесия следящей системы приводит к тому, что направление на радиомаяк определяется однозначно.

Рассмотрим, как изложенный выше принцип радиопеленгования реализуется в автоматических радиопеленгаторах.

На рис. 17.10. показана функциональная схема АРП-58СВ с поворотной магнитной антенной.

При отклонении антенны от положения пеленга на угол электромагнитным полем радиомаяка в ней наводится э.д.с.

.

Эта э. д. с. подается на коммутатор фазы (КФ) вместе с напряжением звуковой частоты 40 Гц от генератора низкой частоты (Г), которое равно

(17.3)

Временные диаграммы показаны на рис. 17.11,в.

Коммутатор фазы, управляемый этим напряжением, через полпериода звуковой частоты изменяет фазу высокочастотного сигнала на 180°.

На выходе коммутатора фазы напряжение пропорционально произведению подаваемых на него напряжений

Из этого выражения видно, что высокочастотный сигнал имеет амплитудную модуляцию звуковой частотой и уровень его зависит от угла . Знаки (+) и (–) соответствуют периодическому изменению фазы сигнала на 180°.

С выхода коммутатора фазы напряжение подается на вход приемника вместе с напряжением от вертикальной антенны, где происходит их сложение.

Предварительно схема фазирования (СФ) производит согласование по фазе напряжения от вертикальной антенны с напряжением коммутатора фазы, в результате чего получается напряжение

.

Регулировкой глубины модуляции после коммутатора фазы достигается выполнение равенства

.

Суммарное напряжение на входе приемника будет определяться выражением

(17.4)

При поступлении на входной контур приемника напряжений, соответствующих напряжениям из выражения (14.4), в нем образуется результирующее напряжение, временные диаграммы для которого показаны на рис.17.11,а.

После усиления и детектирования результирующего напряжения амплитудным детектором приемника на выходе его получается напряжение огибающей

(17.5)

где – максимальная амплитуда сигнала на выходе детектора при =0° (рис.14.11,б).

Это напряжение вместе с напряжением звукового генератора подается на управляющую схему (см. рис. 17.10), состоящую из фазового детектора (ФД) и усилителя рассогласования (УР).

Фазовый детектор выделяет напряжение рассогласования, пропорциональное амплитудам и косинусу разности фаз поданных на него напряжений и , которое с учетом выражений (17.3) и (17.5) можно записать в виде

. (17.6)

Усилитель рассогласования усиливает и преобразует это постоянное напряжение в управляющее переменное напряжение (u_у) с частотой 400 Гц, амплитуда и фаза которого определяется амплитудой и знаком напряжения рассогласования по формуле (17.6).

Управляющее напряжение подается на одну из обмоток статора асинхронного электродвигателя (М), на другую обмотку которого с блока питания (БП) подано напряжение возбуждения (u_в), сдвинутое по фазе относительно u_у на 90°. В результате электродвигатель будет разворачивать рамку в положении пеленга при котором e_p=0.

При достижении этого положения на входе приемника останется только немодулированное напряжение от ненаправленной антенны, следовательно, u_Д, u_p и u_у будут равны нулю и следящая система будет находиться в положении равновесия.

Таким образом, схема автоматического радиопеленгатора представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, которая отрабатывает входной сигнал до нулевого уровня.

Наиболее важными характеристиками такой следящей системы являются апериодичность, время установления, скорость отработки и динамическая погрешность.

Апериодичность следящей системы означает, что при отклонении рамки от положения пеленга, система должна возвращаться в положение равновесия без колебательного процесса. Для уменьшения амплитуды колебаний следящей системы применяется демпфирование ее электрическим торможением электродвигателя. Тормозящий момент на валу мотора пропорционален скорости вращения ротора и поэтому не влияет на чувствительность следящей системы, так как в положении равновесия этот момент равен нулю.

Временем установления называется временной интервал между моментом отклонения рамки от положения пеленга и моментом возвращения ее следящей системой в это положение. Величина этого интервала определяет минимальную длительность сигнала, при которой может быть взят пеленг, и помехоустойчивость системы по отношению к помехам, период которых меньше времени установления. Величина времени установления составляет обычно 5-10с.

Скоростью отработки называется максимальная скорость вращения рамки , которая обеспечивается следящей системой.

Эта величина имеет значение при непрерывном изменении пеленга за счет движения корабля. Обычно скорости изменения пеленгов невелики и получение необходимой скорости отработки не представляет затруднений.

Динамическая погрешность возникает вследствие запаздывания следящей системы из-за ее инерционности при непрерывном изменении пеленга. Эта погрешность должна быть мала по сравнению с общей погрешностью радиопеленгатора.

Кроме элементов, показанных на рис. 17.10, в схему радиопеленгатора могут входить усилитель рамочного канала, предназначенный для усиления сигнала и регулировки глубины модуляции после коммутатора фазы, и усилитель антенного канала.

Приемник радиопеленгатора супергетеродинного типа. Для приема и прослушивания незатухающих колебаний имеется специальный гетеродин. Приемник имеет два выхода – пеленгаторный и телефонный.

Пеленгаторный выход предназначен только для автоматического радиопеленгования. Он представляет собой резонансный усилитель, настроенный на частоту коммутации ; напряжение с него подается на управляющую схему.

Телефонный выход служит для прослушивания сигналов радиомаяка и представляет собой обычный усилитель низкой частоты.

Управляющая схема может быть выполнена по-разному, и в частности, по схеме диодного детектирования с балансным мостом, в диагональ которого включена управляющая обмотка электродвигателя (АРП-50,АРП-53), или по схеме фазового детектирования с усилителем рассогласования, нагрузкой которого является управляющая обмотка электродвигателя (АРП-58СВ).

Для снятия отсчета направления на радиомаяк угол поворота рамки (или искательной катушки гониометра) передается на стрелочный индикатор, шкальное устройство которого состоит из двух концентрических шкал.

Одна из них неподвижная; прямая линия, соединяющая ее деления с оцифровкой 0 и 180°, соответствует диаметральной плоскости корабля. По этой шкале отсчитываются радиокурсовые углы.

Вторая шкала – поворотная – является репитером гирокомпаса и по ней отсчитываются радиопеленги.

Автоматические радиопеленгаторы имеют три режима работы.

Первый режим – дежурный. В нем осуществляется круговой прием на вертикальную антенну. Работают только приемник и телефонный выход.

Второй режим – автоматическое радиопеленгование, при котором радиопеленгатор работает по принципу, изложенному выше. Работают все элементы схемы.

Третий режим – слуховое радиопеленгование, при котором АРП работает как слуховой радиопеленгатор. Прием производится только на рамочную антенну. Вертикальная антенна используется для компенсации антенного эффекта рамки (см. главу 18).

Коммутатор фазы используется как усилитель рамочного сигнала. Звуковой генератор и управляющая схема не работают. Индикация пеленга производится на слух с помощью телефонного выхода. Сторона пеленгования не определяется.

Основные характеристики автоматических радиопеленгаторов со следящей системой приведены в табл. 17.1.

Отличительными особенностями конструкции АРП-85 по сравнению с другими АРП являются:

- использование современной элементной базы;

- управление с помощью кнопочного наборного поля;

- применение цифровых индикаторных табло;

- использование активной ненаправленной антенны щелевого типа;

- наличие выносного индикатора в рулевой рубке.

Указанные особенности позволили повысить точность радиопеленгования и снизить массогабаритные характеристики в два с половиной раза по сравнению с АРП-58 СВ

Основные тактико-технические характеристики радиопеленгаторов.

Табл. 17.1

К конструктивным особенностям зарубежных типов радиопеленгаторов, например, FURUNO FD–177 можно отнести, прежде всего:

- наличие индикатора КАНАЛОВ, на которые может настраиваться радиопеленгатор (от 00 до 99);

- наличие индикатора ИНТЕНСИВНОСТИ, который сделан на 10 светодиодах. Число горящих светодиодов указывает уровень принимаемого сигнала;

- наличие индикатора ЧАСТОТЫ, где частота принимаемого сигнала отображается 5-значным числом

- ввод данных и вызов содержимого памяти осуществляется с помощью кнопочного наборного поля;

- наличие селектора класса ИЗЛУЧЕНИЯ. Так, в радиопеленгаторе имеются следующий выбор классов излучения радиомаяков:

1. DSB – конвенционный широковещательный;

2. SSB – класс SSB;

3. СW – класс CW (А1А) – прием сигнала буя;

- наличие селектора РЕЖИМА для настройки, памяти, поиска и приема, как по фиксированному каналу, так и для сканированного приема.

- возможность получения изображения графика поправок компенсации радиодевиации (Radio deviation curve) на панели управления.

Основными достоинствами автоматических радиопеленгаторов со следящей системой являются:

- однозначность пеленга;

- автоматизация процесса получения навигационного параметра;

- возможность автоматического ввода результатов радиопеленгования в счетно-решающее устройство.

К основным недостаткам этих радиопеленгаторов относятся:

- недостаточная помехоустойчивость и возможность получения ложного пеленга при наличии помехи, близкой по частоте к сигналу радиомаяка;

- инерционность следящей системы, приводящая к появлению инструментальных погрешностей;

- невозможность оценки качества результатов радиопеленгования.