ПОГРЕШНОСТИ РАДИОПЕЛЕНГОВАНИЯ

18.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ

На рис. 18.1 представлена схема классификации погрешностей радиопеленгования по причинам их происхождения.

Погрешности первой группы – инструментальные – появляются из-за несовершенства конструкции и недостаточно точной регулировки радиопеленгатора. По характеру они являются систематическими.

Погрешности второй группы – субъективные – возникают из-за несовершенства органов чувств наблюдателя (слуха, зрения) и недостаточной его практической подготовки. По характеру субъективные погрешности являются случайными.

Погрешности третьей группы возникают из-за влияния условий распространения радиоволн, наличия помех радиоприему, а также вследствие вторичного излучения металлического корпуса корабля и его надстроек. По характеру эти погрешности могут быть систематическими и случайными.

Приведенная классификация погрешностей не является строгой, поскольку при одних и тех же причинах могут быть разные погрешности. Например, влияние помех приводит к появлению, как инструментальных, так и субъективных погрешностей. С другой стороны, конструктивные недостатки радиопеленгаторов и влияние внешней среды, вызывающие неопределенность отсчета пеленга (например, из-за отсутствия острого минимума при слуховом радиопеленговании или угла нечувствительности следящей системы АРП), увеличивают субъективные погрешности радиопеленгования.

Рассмотрим основные погрешности из показанных на рис. 18.1.

Основными погрешностями, возникающими вследствие несовершенства входных устройств радиопеленгаторов, являются погрешности из-за антенного эффекта рамки и погрешности гониометрической системы.

18.2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗ-ЗА АНТЕННОГО ЭФФЕКТА РАМКИ

Антенным эффектом называется появление на выходе рамочной антенны э.д.с., не зависящей от направления прихода радиоволны к рамке.

Рассмотрим это явление относительно радиопеленгаторов с гониометрической системой.

На рис. 18.2 показана цепь гониометрической системы (принципиальная и эквивалентная схемы).

Точки 0 (середина витка рамки) и 0₁ (середина обмотки полевой катушки) делят эту цепь на два плеча.

Антенный эффект возникает в результате электрической асимметрии плеч рамочной цепи (между точками 0 и 0₁) относительно корпуса корабля.

Причинами возникновения асимметрии являются:

– неравенства электрических параметров плеч рамочной цепи ( , и ), где Z₁ и Z₂ – сопротивления плеч, L_p и L_ПК – половины витка рамки и обмотки полевой катушки соответственно;

– наличие паразитных емкостных связей между цепью рамочной антенны и корпусом корабля ( и ).

Под действием э.д.с. е₁ и е₂, наведенных радиоволной в плечах рамки, между корпусом корабля и плечами цепи гониометра через паразитные емкости будут протекать высокочастотные токи i₁ и i₂, которые называются токами смещения. Паразитные емкости малы по величине и представляют для токов большое емкостное сопротивление. Поэтому токи смещения отличаются по фазе от э.д.с. е₁ и е₂ на углы, близкие к 90°.

Из-за неравенства паразитных емкостей и параметров плеч цепи токи не будут равны по величине. Следовательно, между плечами цепи гониометра появится разность потенциалов, величина которой не зависит от направления прихода радиоволны, т.е. подобна э.д.с. ненаправленной антенны.

Таким образом, к зажимам полевой катушки (точки а и б) будут приложены:

– э.д.с. рамки, которая равна разности е₁ и е₂ и зависит от направления прихода радиоволны;

– э.д.с. антенного эффекта, не зависящая от направления прихода радиоволны.

Под действием этих э.д.с. по обмотке полевой катушки будет протекать полезный высокочастотный ток (идеальной рамки) и ток смещения, отличающийся по фазе от полезного тока на угол , близкий к 90°. Аналогичное явление будет иметь место и во второй гониометрической цепи.

Полезные токи создают в гониометре основное магнитное поле, напряженность которого выражается вектором (рис. 18.3). Токи смещения создают в гониометре дополнительное магнитное поле, вектор которого намного меньше вектора и направление которого может быть произвольным. Основное поле наводит в искательной катушке э.д.с.

Дополнительное поле наводит в искательной катушке э.д.с. антенного эффекта

или

Первая составляющая э. д. с. антенного эффекта совпадает по фазе с основной э.д.с. искательной катушки и называется фазной. Так как угол близок к 90°, то эта составляющая мала по величине. Ее влияние при радиопеленговании проявляется в искажении формы диаграммы направленности рамки, которая будет иметь вид «восьмерки» с небольшим изломом оси минимумов.

Вторая составляющая э. д. с. антенного эффекта отличается по фазе от основной э. д. с. на 90° и называется квадратурной. Величина ее может быть большой, поэтому она оказывает существенное влияние на точность радиопеленгования. С помощью векторной диаграммы (рис 18.3.) найдем амплитуду суммарной э.д.с., наведенной в искательной катушке. Пренебрегая величиной Е_АЭФ , получаем

.

Диаграмма этой э.д.с. (т.е. диаграмма приема) в полярных координатах имеет вид восьмерки с расплывчатыми минимумами, которые не обращаются в нуль.

Расплывчатость минимумов сильно затрудняет слуховое радиопеленгование и значительно снижает его точность.

В двухканальном радиопеленгаторе антенный эффект проявляется в том, что изображение на экране ЭЛТ принимает вид эллипса, угол наклона большой оси которого отличается от истинного значения радиокурсового угла.

Для уменьшения погрешностей от антенного эффекта в современных радиопеленгаторах применяются следующие конструктивные меры:

а) обмотки рамочных антенн помещаются в электростатический экран в виде металлических труб, заземленных на корпус судна. Паразитные емкости между плечами витков рамки и стенками экрана будут сравнительно большими, но практически одинаковыми. Теория и практика показывают, что действующая высота рамки в таком электростатическом экране не отличается от действующей высоты аналогичной рамки без экрана;

б) средние точки обмотки рамок и полевых катушек заземляются по высокой частоте на корпус судна через конденсаторы. Эти меры направлены на достижение электрической симметрии плеч цепей рамок относительно корпуса судна. Однако принятые меры не исключают полного устранения влияния антенного эффекта, поэтому в радиопеленгаторах предусмотрена его электрическая компенсация.

Сущность электрической компенсации антенного эффекта состоит в том, что во входной контур радиопеленгатора искусственно вводится э. д. с., равная по величине и противоположная по фазе э.д.с. антенного эффекта. Для получения этой э.д.с. применяется вертикальная антенна, которая при слуховом пеленговании служит для определения стороны пеленга. В режиме пеленгования эта антенна подключается к входному контуру с помощью специального компенсационного вариометра, конструкция которого позволяет изменять как величину, так и фазу вводимой э.д.с. в значительных пределах.

Такой способ компенсации антенного эффекта применяется, например, в радиопеленгаторах АРП – 50 и АРП – 53 при слуховом режиме пеленгования.

18.3. ПОГРЕШНОСТИ ГОНИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

При рассмотрении принципа действия гониометрической системы предполагалось, что параметры цепей рамка – фидер – полевая катушка для продольной и поперечной рамок идентичны. В действительности, параметры этих цепей не могут быть совершенно одинаковыми, что приводит к неравенству амплитудных значений напряженностей полей полевых катушек и их фазовых сдвигов.

При равенстве параметров цепей вектор расположен под углом P к плоскости поперечной полевой катушки. Предположим, что H_2max=H_Г , а H_1max больше H_Г на величину , т.е.

.

Тогда при курсовом угле радиомаяка P имеем

;

.

В этом случае результирующий вектор поля гониометра отклонится от своего первоначального положения на угол (рис. 18.4). Найдем величину этого угла из треугольника ОАВ

.

Обозначим и по малости угла примем

; ;

тогда

. (18.1)

Таким образом, погрешность из за неравенства амплитуд напряженностей магнитных полей полевых катушек гониометра является функцией курсового угла и имеет четвертной характер.

Так как векторы и не совпадают по направлению, то при сдвиге фаз их полей возникает нелинейно поляризованное суммарное поле, вектор которого вращается с угловой скоростью и описывает своим концом эллипс (эллиптическая поляризация). В этом случае плоскость искательной катушки при радиопеленговании устанавливается вдоль большой оси эллипса и вращающийся вектор будет наводить в ней э. д. с. Следовательно, острого минимума э .д. с. искательной катушки не будет и возникнет расплывчатость минимума диаграммы направленности гониометрической системы, затрудняющая пеленгование и вызывающая субъективные ошибки в определении направления на радиомаяк.

Угол наклона большой оси эллипса к плоскости поперечной полевой катушки не будет равен курсовому углу радиомаяка, т. е. возникнет погрешность в определении пеленга. Эта погрешность, как правило, мала. Поэтому основное влияние сдвига фаз полей полевых катушек проявляется в расплывчатости минимумов диаграммы. Заметим, что компенсация этой расплывчатости может быть произведена вместе с компенсацией антенного эффекта.

18.4. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗ–ЗА УГЛА НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ИНЕРЦИОННОСТИ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ РАДИОПЕЛЕНГАТОРОВ

Эта погрешность появляется вследствие наличия предела чувствительности электромеханической следящей системы АРП, из-за которого эта система будет отрабатывать лишь в том случае, когда э.д.с. на ее входе будет больше некоторой критической величины. При этом появляется угол нечувствительности следящей системы. Так как электромеханическая следящая система обладает инерционностью, то при ее отработке стрелка-указатель может остановиться на любом отсчете в пределах угла нечувствительности. Следовательно, будет иметь место погрешность радиопеленгования.

Величина этой погрешности не превышает половины угла нечувствительности следящей системы и зависит от чувствительности приемника радиопеленгатора, мощности сигнала пеленгуемого радиомаяка и уровня помех в точке приема.

18.5. ПОГРЕШНОСТИ ДВУХКАНАЛЬНОГО РАДИОПЕЛЕНГАТОРА ИЗ-ЗА НЕИДЕНТИЧНОСТИ КАНАЛОВ

При рассмотрении принципа работы этих радиопеленгаторов отмечалось, что неравенство коэффициентов усиления и фазовых характеристик приемоусилительных каналов вызывает появление погрешностей радиопеленгования (см. главу 17).

Если каналы неидентичны только по усилению, то получается:

,

где r₁ – погрешность в определении пеленга.

Отношение коэффициентов усиления можно представить в следующем виде:

,

тогда

.

Разлагая это выражение в ряд Тейлора и ограничиваясь ввиду малости угла r₁ первыми двумя членами разложения, получаем

,

откуда

.

Отсюда следует, что погрешность радиопеленгования, обусловленная неравенством коэффициентов усиления каналов, имеет четвертной характер. Если каналы неидентичны только по фазовым характеристикам, то наряду с эллиптичностью изображения на экране ЭЛТ появляется угловая погрешность радиопеленгования из-за отклонения большой оси эллипса от направления на радиомаяк. Известно, что в этом случае справедливо выражение

.

Решая это выражение относительно угла r₂ ,получаем

.

Таким образом, в этом случае погрешность имеет восьмеричный характер.

Практически всегда имеются неравенство усиления и разбаланс фаз каналов, вызывающие суммарную погрешность радиопеленгования r_S.

18.6. ПОГРЕШНОСТИ ИЗ-ЗА ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ

В радиопеленговании используются радиоволны средневолнового и длинноволнового диапазонов, которые могут распространяться в виде поверхностных и пространственных волн. Поверхностная радиоволна практически имеет вертикальную поляризацию и используется при радиопеленговании. Пространственная радиоволна ввиду нерегулярности процессов, происходящих в ионосфере, имеет ненормальную, неустойчивую поляризацию и не используется в радиопеленговании. Однако в ночных условиях на расстояниях, превышающих 30-50 миль, электромагнитное поле пространственной радиоволны соизмеримо по напряженности с электромагнитным полем поверхностной радиоволны. В результате интерференции колебаний двух полей суммарный вектор напряженности электрического поля будет иметь горизонтальную составляющую, а из-за наличия фазового сдвига между ними этот вектор будет вращаться, описывая своим концом эллипс. Горизонтальная составляющая вектора напряженности электрического поля наводит э.д.с. в горизонтальной части рамок антенны радиопеленгатора. Таким образом, для получения минимума сигнала при пеленговании автоматическими или слуховыми радиопеленгаторами рамка или искательная катушка гониометра будет устанавливаться с определенной погрешностью. Величина погрешности характеризуется углом поворота рамки или искателя, необходимым для компенсации хотя бы фазной составляющей э.д.с., наведенной в горизонтальной части рамок.

Ввиду неустойчивости поляризации пространственной радиоволны измеряемый пеленг будет колебаться в каких-то пределах. Описанное явление носит название ночного эффекта, а погрешности, вызываемые ими,– поляризационными.

Наиболее интенсивные изменения в состоянии ионосферы происходят во время восхода и захода Солнца. Поэтому в это время в зоне наиболее резких проявлений ночного эффекта пеленгование практически невозможно.

В ночные часы при установившемся состоянии ионосферы и отсутствии возмущений магнитного поля Земли колебания радиопеленгов могут иметь закономерный периодический характер. При этих условиях осреднение большого количества последовательно взятых радиопеленгов на один и тот же радиомаяк дает возможность определить направление с удовлетворительной точностью. Условиями, при которых можно производить пеленгование, являются колебания пеленга не более ±5^° и короткий период этих колебаний (10–20с.).

В двухканальном визуальном радиопеленгаторе из-за ночного эффекта наблюдается качание большой оси эллипса (линии) на экране ЭЛТ, причем амплитуда качаний зависит от интенсивности пространственной волны. Практическая безынерционность радиопеленгатора позволяет визуально определить на экране ЭЛТ границы угла качания радиопеленга, что дает возможность найти его осредненное значение с большей точностью, чем при пеленговании автоматическими или слуховыми радиопеленгаторами.

18.7. ПОГРЕШНОСТИ ИЗ-ЗА ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ

Внешние помехи, влияющие на радиоприем, делятся на два вида:

– помехи с широким сплошным спектром частот, к которым, в частности, относятся атмосферные, некоторые индустриальные и шумовые помехи;

– помехи с узким спектром частот от радиостанций.

При радиопеленговании на слух помехи первого вида проявляются как шумы и трески в телефонах, которые маскируют полезный сигнал. Возможность и точность радиопеленгования в этих условиях зависят не только от соотношения интенсивностей помех и сигнала радиомаяка, но и от субъективных особенностей слуха и опыта наблюдателя.

Для АРП со следящей системой влияние внешних помех с широким спектром частот проявляется в беспорядочном отклонении следящей системы от положения равновесия, т. е. от положения пеленга. Эти отклонения тем больше, чем меньше отношение сигнал/помеха на входе приемника АРП.

Для уменьшения отклонений применяется демпфирование следящей системы, которое сглаживает ее колебания, но увеличивает инерционность, что приводит к динамическим погрешностям слежения при изменении пеленга.

При воздействии широкополосных помех на визуальный радиопеленгатор на экране ЭЛТ образуется эллипс с углом наклона большой оси, отличающимся от значения истинного РКУ.

Непрерывное изменение амплитуды и фазы суммарного напряжения помех вызывает при этом соответствующие изменения положения и формы фигуры на экране ЭЛТ, что затрудняет радиопеленгование и вызывает увеличение субъективных погрешностей оператора.

Для уменьшения влияния внешних помех с широким спектром частот на радиопеленгование приемники радиопеленгаторов имеют узкие или регулируемые полосы пропускания по частоте.

Уменьшение погрешностей радиопеленгования от влияния помех может быть достигнуто путем взятия серий отсчетов радиопеленгов с последующим их осреднением.

Помехи от радиостанций при использовании различных типов радиопеленгаторов оказывают неодинаковое влияние на радиопеленгование. Например, при слуховом радиопеленговании сигнал мешающей радиостанции проявляется в виде тона, отличающегося по частоте от тона сигнала пеленгуемого радиомаяка. Вблизи точного значения пеленга на радиомаяк слышимость основного тона уменьшается и затем маскируется тоном мешающей станции, что приводит к увеличению субъективных погрешностей радиопеленгования.

Сильные помехи от радиостанций могут полностью замаскировать полезный сигнал, из-за чего радиопеленгование на слух становится невозможным.

В АРП со следящей системой мешающая станция вызывает устойчивое отклонение указателя пеленга от направления на радиомаяк, т. е. возникает систематическая погрешность, которая приближенно может быть определена по формуле

.

где N_вх – отношение сигнал/помеха на входе приемника АРП;

g – угол между направлениями на радиомаяк и мешающую станцию.

Если N_вх >> 1, то

.

Из приведенных выражений видно, что погрешность в определение пеленга обратно пропорциональна квадрату отношения сигнала к помехе и максимальное значение будет иметь при g = 90°.

В двухканальном радиопеленгаторе с электронно-лучевой трубкой представляется возможным определить направление на радиомаяк и мешающую станцию порознь и тем самым исключить систематическую погрешность. Это явление называется «визуальной избирательностью» радиопеленгатора.

18.8. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗ-ЗА БЕРЕГОВОЙ РЕФРАКЦИИ

При радиопеленговании на небольших удалениях от берега возникают погрешности, которые называются погрешностями из-за береговой рефракции или берегового эффекта.

Сущность этого явления состоит в том, что при распространении радиоволн над неоднородной поверхностью земли (суша–море) происходит дополнительное приращение фазы поля rj. Величина этого приращения зависит от «заполнения» трассы распространения радиоволн сушей, от электрических параметров подстилающей поверхности, а также от характера берегового склона. Дополнительное приращение фазы вызывает искажение фронта радиоволны (рис. 18.5). При отсутствии берегового эффекта линия фронта волны изображается дугой АКВ с центром в точке 0 (радиомаяк). При наличии берегового эффекта линия фронта радиоволны расположится, например, по дуге А₁КВ₁ с центром в точке 0₁ , так как при различном «заполнении» трасс ОА и ОВ сушей приращения фаз rj_А и rj_В будут разными из-за различных углов пересечения берегового склона трассами ОА и ОВ.

При радиопеленговании направление на радиомаяк определяется как нормаль к линии фронта волны в точке приема. Следовательно, в нашем случае, нормаль к фронту волны будет составлять с фактическим направлением на радиомаяк некоторый угол a, который и будет являться погрешностью радиопеленгования из-за берегового эффекта (на рис. 18.5 истинное направление нормали Р, а фактическое P₁).

Величина этой погрешности зависит от угла пересечения направления на радиомаяк с береговой чертой. Если это направление перпендикулярно к береговой черте (b = 90°), то a = 0. Кроме того, величина угла a зависит от удаления корабля от берега. С увеличением расстояния до берега угол a уменьшается, так как уменьшается процент «заполнения» трассы сушей, а следовательно, и rj. При расстоянии до берега 5-10 миль погрешность из-за береговой рефракции a несущественна. На практике учесть эту погрешность трудно, поэтому для ее уменьшения рекомендуется производить пеленгование на расстоянии до берега более 5-10 миль и при угле b > 20°.