ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

21.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ

СИСТЕМ

Радионавигационная система (РНС) – радиотехнический комплекс, включающий в себя систему береговых или космических синхронизированных излучателей и бортовых приемоиндикаторов (ПИ) и предназначенный для определения местоположения объектов-потребителей навигационной информации. Другими словами РНС – совокупность радиотехнических устройств, предназначенных для определения места судна. В литературе можно встретить другое определение:

РНС – система разнесенных радиостанций, которые работают совместно и согласовано друг с другом, создавая в пространстве определенные взаимно - пересекающие линии положения.

РНС, в отличие от средств радиосвязи, являются измерительными системами. Полезная информация в РНС образуется не в передающем тракте, а в тракте распространения радиоволн благодаря функциональной зависимости параметров электромагнитного поля принимаемых сигналов от координат судна.

Кроме основной задачи определения местоположения, РНС могут обеспечивать суда (объекты) навигационной информацией о параметрах их движения (V, ПУ), элементах их суммарного сноса под действием совокупности различных факторов, реализовывать функции контроля за фактическим перемещением судна относительно выбранной траектории движения.

В состав РНС входят:

- передающие или приемопередающие радиостанции, размещаемые в опорных неподвижных точках или на подвижных объектах, координаты которых известны;

- приемоиндикаторы или приемопередающие станции, устанавливаемые на судах, координаты которых неизвестны;

- наземная аппаратура контроля и управления опорными станциями.

Наземные станции входят в состав радиотехнических средств навигационного оборудования (РТСНО). К ним относятся радиомаяки (РМ^к) и опорные наземные станции РНС.

К судовым средствам радионавигации относятся:

- радиопеленгаторы;

- радиолокационные станции (РЛС);

- приемоиндикаторы (ПИ) различных типов;

- радиосекстаны.

К достоинствам РНС можно отнести следующее:

- высокая точность измерения навигационного параметра (НП);

- независимость измерений НП от условий видимости;

- возможность определения места судна на больших удалениях от берега;

- всепогодность, независимость от времени суток (для большинства систем);

- большая эффективность обеспечения навигационной безопасности при плавании в узкостях в условиях плохой видимости;

- малая затрата времени на выполнение навигационных определений.

С помощью РНС решаются следующие задачи:

- определение места судна в море;

- обеспечение навигационной безопасности плавания вблизи берегов, узкостях, по рекомендованным курсам и фарватерам;

- навигационное обеспечение, при выполнении судами специальных работ (в т.ч. боевых действий кораблей);

- координирование океанографических, гидрографических и др. специальных работ (в т.ч. определение маневренных элементов движения судов).

К РНС предъявляются следующие требования:

- иметь необходимую дальность действия;

- обеспечивать требуемую точность определения НП;

- обеспечивать минимальные затраты времени на навигационные определения;

- быть помехоустойчивой, надежной, живучей;

- иметь необходимую пропускную способность;

- иметь допустимые вес и габариты;

- быть экономичной;

- работать в требуемом диапазоне частот.

Следует отметить, что в настоящее время нет РНС, которые удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям. Поэтому существуют и развиваются различные типы РНС, которые удовлетворяют части таких требований.

В основу построения всех РНС положено известное свойство радиоволн – распространяться по кратчайшему расстоянию с конечной скоростью, значение которой известно.

21.1.1. Понятие о навигационном и радионавигационном параметрах

Тот параметр радионавигационного поля, в результате измерения которого в ПИ выделяется необходимая навигационная информация, носит название радионавигационного параметра (РНП).

В свою очередь геометрическая величина, определяющая местоположение объекта в пространстве и связанная с радионавигационным параметром известной аналитической зависимостью, называется навигационным параметром (НП).

Связь РНП и НП устанавливается навигационной функцией, вид которой определяется типом конкретной системы радионавигации.

Геометрическое место точек, соответствующее конкретному значению НП, образует некоторую изоповерхность. Очевидно, что вид изоповерхности определяется используемым в данной РНС навигационным параметром. Пересечение двух изоповерхностей, определяемых двумя полученными значениями НП, образует изолинию. Несложно сделать вывод о том, что для обеспечения трехмерной навигации с координатами, например широта, долгота, высота над некоторой уровенной поверхностью, минимальное количество образуемых в пространстве изоповерхностей должно быть равно трем. Наличие избыточных изоповерхностей позволяет существенно повысить точность определения места объекта при надлежащей обработке измерений в бортовых ПИ.

При обеспечении навигационной информацией морских объектов в качестве одной из изоповерхностей в большинстве случаев используют уровенную поверхность океана, что сокращает количество необходимых навигационных ориентиров (НО) при одновременных измерениях, а также сводит задачу определения местоположения судна к получению двух изолиний на поверхности Земли.

21.1.2. Классификация радионавигационных систем

В основу классификации РНС положены различные признаки, из которых в качестве основных можно выделить следующие:

I. Вариант размещения аппаратуры РНС.

II. Вид используемого навигационного параметра или, что эквивалентно, вид создаваемых изолиний в зоне действия системы.

III. Вид измеряемого в ПИ радионавигационного параметра.

IV. Рабочий диапазон радиоволн.

V. Дальность действия системы.

I. В соответствии с первым из приведенных признаков все РНС можно подразделить на:

- РНС наземного базирования излучателей;

- спутниковые навигационные системы (СНС).

II. В соответствии со вторым признаком классификации существующие РНС делят на:

- дальномерные;

- разностно-дальномерные;

- радиально-скоростные системы.

Возможно использование комбинаций этих методов.

В ряде случаев рассматривают комплекс радиотехнических средств, включающий в себя радиомаяки и бортовые радиопеленгаторы как угломерную систему радионавигации (азимутальную).

Рис. 21.1.

Дальномерный способ определения местоположения

Изолинии в этом случае являются окружностями (если поверхность Земли считать сферической), и задача определения местоположения судна сводится к решению двух нелинейных уравнений:

(21.1)

относительно неизвестных координат j_{0 ,} l₀ точки Х расположения бортового ПИ.

При использовании спутниковых навигационных систем, в которых НО – спутник, который перемещается в пространстве, можно использовать один и тот же НО для определения места судна, измеряя дистанции D_i (i=1, 2) до него в два последовательных момента времени t_i (i=1, 2).

Техническая реализация получения НП в дальномерной системе при беззапросном варианте ее построения, не предусматривающем излучения сигналов запроса потребителями навигационной информации, может быть пояснена следующим образом (рис. 21.2).

Рис. 21.2. К принципу измерения навигационного параметра дальномерной РНС

Пусть в момент t₀ НО излучил импульсный сигнал. Этот сигнал будет принят в точке расположения бортового ПИ с запаздыванием относительно момента излучения, равным , где v - скорость распространения радиоволн, которая предполагается известной. Очевидно, что для того, чтобы определить НП — дальность D в рассматриваемом случае, необходимо не только зафиксировать момент t₁ прихода сигнала в точку расположения бортового ПИ, но и знать момент t₀ излучения сигнала НО, что предполагает, в частности, хранение в бортовом ПИ шкалы времени НО.

Практически в бортовых ПИ шкала времени НО восстанавливается за счет использования высокостабильных опорных генераторов — стандартов частоты колебаний. Так, например, для обеспечения точности измерения дальности не хуже 10 м допустимое относительное расхождение частот опорных генераторов ПИ и НО при существующей периодичности заходов судов в порты (интервалах между коррекциями временных шкал) должно лежать в пределах 10^-14 – 10^-15, достижение которого — достаточно сложная техническая задача. Поэтому в настоящее время более широко используется модификация дальномерного способа — псевдодальномерный метод.

При реализации псевдодальномерного метода допускается, что шкала бортового времени ПИ может быть сдвинута относительно шкалы единого времени, используемых НО, на неизвестную, но достаточно малую и постоянную за время определения НП величину Dt.

Псевдодальномерный метод не накладывает жестких ограничений на долговременную стабильность бортового опорного генератора ПИ, но в то же время предполагает существование единой шкалы времени всех НО, образующих единую систему. В этом случае значение НП — псевдодальность связана, в отсутствие прочих погрешностей измерений, с истинной дальностью до НО соотношением:

.

полнении третьих измерений НП, определяет возможное местоположение судна.

Аналитически задача определения места в этом случае сводится к совместному решению трех уравнении вида (21.1), записанных относительно измеренных псевдодальностей (i=1, 2, 3). В результате их решения получают не только координаты j₀, l₀ местоположения судна, но и оценивают систематическую погрешность v×Dt определения дальности, вызванную погрешностью Dt эталона времени бортового ПИ.

Псевдодальномерный способ реализован в разработанных СНС с ИСЗ на средневысоких орбитах «НАВСТАР» (США) и «ГЛОНАСС» (Россия). Существуют проекты использования в псевдодальномерном режиме импульсно-фазовой РНС «Лоран-С».

Разностно-дальномерный способ использует в качестве НП разность расстояний DD до НО. Для определения места судна достаточно измерить разности расстояний DD_i , (i=1, 2) до двух пар излучателей сигналов РНС. Поскольку сигнал от одного НО может использоваться для образования НП—разности расстояний DD_i , (i=1, 2) дважды, то минимальное число НО, требуемое для определения места объекта, равно 3.

Известно, что геометрическое место точек на земной поверхности, удовлетворяющее условию DD — const, — сферическая гипербола, в фокусах которой находятся излучатели сигналов РНС (НО – навигационные ориентиры). Поэтому разностно-дальномерные системы по виду создаваемых изолиний часто называют гиперболическими.

В качестве измеряемой величины принимаемых радиоволн в гиперболических РНС могут использоваться:

- только разность фаз принимаемых колебаний;

- только разность прихода принимаемых импульсов;

- одновременно и первое и второе.

По существу разностно-дальномерный способ можно рассматривать как вариант псевдодальномерного при невозможности использования предположения о малости расхождения временных шкал бортового ПИ и используемых НО. Влияние этой значительной неопределенности в сдвиге шкал исключается путем перехода к определению НП в виде разности расстояний. При этом при условии постоянства расхождения временных шкал ПИ и НО на интервале навигационных измерений, разности псевдодальностей будут тождественно равны разностям истинных дальностей до НО, что и является основой построения разностно-дальномерных систем радионавигации.

К классу разностно-дальномерных систем относятся абсолютное большинство современных РНС.

Радиально-скоростной способ базируется на измерении скорости сближения (удаления) НО по отношению к потребителю навигационной информации. Этот способ имеет ограниченное применение в низкоорбитальных СНС доплеровского типа.

Угломерная (азимутальная) система радионавигации включает в себя радиомаяки и бортовые радиопеленгаторы и основана на измерении направления на НО по амплитуде принимаемых сигналов, где НП – направление (азимут) на объект. Более подробно амплитудные азимутальные радионавигационные системы рассмотрены в разделе III учебного пособия.

III. Поясним классификацию существующих РНС в соответствии с третьим признаком классификации: по виду измеряемого в ПИ радионавигационного параметра (РНП);

При использовании радионавигационных средств навигационная информация содержится в принимаемом радиосигнале.

При перемещении судна относительно опорных станций радионавигационной системы параметры источников радиосигналов и приемных устройств, входящих в систему, остаются неизменными, а параметры каналов радиосвязи изменяются. Полезная информация образуется в тракте распространения радиоволн, благодаря функциональной зависимости параметров электромагнитного поля радиоволны в точке приема от определяемых координат судна.

Предположим, что электромагнитное поле около антенны передатчика характеризуется электрической составляющей:

(21.2)

где e и E_mах — мгновенное и амплитудное значения напряженности электрического ноля;

t — текущее время;

— круговая частота;

— начальная фаза.

Такое поле еще не содержит полезной информации о навигационных параметрах.

После прохождения радиоволной трассы протяженностью S напряженность электрической составляющей поля в точке приема будет равна:

(21.3)

где n — скорость распространения радиоволн на данной трассе;

— время прохождения радиосигнала от передатчика до точки приема;

W - функция ослабления поля, зависящая от длины трассы, а также от проводимости s и диэлектрической проницаемости e подстилающей поверхности на трассе;

изменение фазы радиосигнала на трассе.

Любой из четырех параметров электрического поля радиоволны (амплитуда, время распространения, частота, фаза) может быть связан с определяемым навигационным параметром х функциональной зависимостью вида:

.

Наличие таких зависимостей позволяет реализовать соответственно амплитудный, импульсный, фазовый и частотный методы измерений навигационного параметра.

Вид используемого параметра радиосигнала позволяет разделить РНС по РНП (техническому признаку) на амплитудные, импульсные (временные), фазовые и частотные.

Существуют РНС, у которых для определения навигационного параметра используются совместно два вида радионавигационных измерений (импульсные и фазовые, амплитудные и импульсные).

Классификация радионавигационных средств по геометрическому (НП) и техническому признакам (РНП) представлена в табл. 21.1.

Таблица 21.1

В угломерных РНС используются амплитудные методы.

Импульсные (временные) РНС используют для выделения необходимой навигационной информации в бортовых ПИ измерения запаздывания принимаемого импульсного сигнала относительно моментов времени, определяемых в конечном итоге единой шкалой времени НО. Представитель данного класса РНС — система «Лоран-А» (США).

В фазовых РНС используют фазовые методы измерения запаздывания сигналов береговых станций. Фазовые РНС благодаря высокой точности фазовых измерений получили большое распространение. К данному типу относятся РНС «РСВТ-1с» (Россия), «Декка» (Великобритания).

Для обеспечения навигации морских и воздушных транспортных судов успешно используются также комбинированные — импульсно-фазовые РНС: «РСДН-3»,«РС-10», «МАРС-75» (Россия) и «Лоран-С» (США),

К частотным РНС относятся доплеровские СНС «Цикада» (Россия) и «Транзит» (США), эксплуатация которых в настоящее время ограничена.

IV. По используемому частотному диапазону радиоволн РНС классифицируются следующим образом (табл. 21.2):

- сверхдлинноволновые, длинноволновые («РСВТ-1с», «Марс-75», «РСДН-3», «Декка», «Лоран-С»);

- средневолновые («РС-10», «Лоран-А»);

- ультракоротковолновые (СНС «Глонасс», «Навстар»).

Табл. 21.2

V. По дальности действия РНС принято классифицировать в соответствии со следующей системой:

глобальные (все эксплуатируемые СНС);

дальней навигации, имеющие максимальную дальность около 1500 миль («Лоран-А», «Лоран-С», «РСДН-3»);

системы средней дальности действия — до 500 миль («РСВТ-1с», «Марс-75», «Декка»);

4. прибрежного плавания с дальностью действия до 100 миль («РС-10», специальные высокоточные гидрографические системы типа «Хайфикс»).

Кроме приведенных выше основных пяти критериев, РНС могут классифицироваться по другим характерным особенностям, например по точности определения НП и места судна, степени автоматизации бортовых ПИ и т. п.

21.2 ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РНС

В основу построения любой системы радионавигации, как уже говорилось выше, положено свойство радиоволн распространяться в однородной среде по кратчайшему расстоянию с конечной скоростью, которая предполагается известной. Поэтому знание фактической скорости распространения радиоволн, учет особенностей их распространения — одна из важнейших задач, решаемых при построении системы радионавигации.

Поле излучения вертикальных антенн передающих станций РНС нормально поляризовано, т.е. электрическая составляющая поля ориентирована по вертикали места, магнитная составляющая лежит в горизонтальной плоскости и изменяется синфазно с . Векторы и ортогональные вектору Пойнтинга, определяющему направление распространения электромагнитной энергии. Амплитуды электрической и магнитной составляющих поля в свободном пространстве связаны соотношением:

где — волновое сопротивление свободного пространства;

и —соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости свободного пространства.

При этом скорость распространения радиоволн определяется зависимостью:

.

Тогда в предположении, что передатчик РНС излучает гармонические колебания , колебания в точке приема, расположенной на расстоянии D от излучателя, можно записать:

где А (D) — множитель ослабления интенсивности колебаний.

Рис. 21.4. Семейство изолиний разностно-дальномерной импульсной РНС

При распространении радиоволн в атмосфере их скорость v_a отличается от с и зависит от коэффициента преломления п в атмосфере:

.

Для нормальных параметров атмосферы (стандартная атмосфера) n = 1,000326, что приводит к уменьшению скорости распространения радиоволн в атмосфере до v_a = 299 694 км/с.

При анализе условий распространения используется деление их на поверхностные волны, распространяющиеся вблизи земной поверхности по кратчайшему расстоянию, и пространственные, отраженные от ионосферы.

21.2.1. Особенности распространения поверхностных радиоволн

Скорость распространения поверхностных радиоволн зависит не только от состояния атмосферы, но и от характера подстилающей поверхности Земли на трассе их распространения. Влияние подстилающей поверхности достаточно точно учитывается введением переменной e¢ – комплексной относительной диэлектрической проницаемости:

,

где — рабочая длина волны РНС в атмосфере;

— проводимость подстилающей поверхности.

Токи смещения и проводимости в почве (воде) пропорциональны e и 60ls соответственно и определяют потери в подстилающей поверхности. Степень затухания поверхностных радиоволн на трассе распространения возрастает с укорочением длины волны и уменьшением проводимости s подстилающей поверхности.

Наличие подстилающей поверхности обусловливает отставание фазового фронта радиоволн по сравнению с распространением в свободном пространстве, что эквивалентно замедлению фазовой скорости v_Ф колебаний с увеличением расстояния от излучателя и, как следствие этого, - увеличению полного запаздывания t колебаний, распространяющихся вдоль подстилающей поверхности,

.

Графики зависимостей t_доп в функции от расстояния D, длины волн , излучаемых колебаний для различных видов подстилающей поверхности, приводятся в специальной справочной литературе.

Все это приводит в принципе к необходимости использования для каждого участка рабочей зоны РНС своего значения v_Ф. На практике для расчета сеток изолиний РНП используют некоторое среднее значение фазовой скорости v_Ф.ср.. Отклонение действительного значения v_Ф от ее среднего (расчетного) значения приводит к возникновению систематических погрешностей, исключаемых специальными поправками, которые помещены в соответствующих Руководствах по использованию РНС. Некоторые современные приёмоиндикаторы автоматически рассчитывают поправки, учитывающие влияние подстилающей поверхности, используя данные карты проводимости , которая хранится в памяти аппаратуры.

21.2.2. Особенности распространения пространственных радиоволн

Под влиянием солнечной радиации в верхних слоях атмосферы образуется ионизированная область – ионосфера, представляющая собой разреженную слабоионизированную плазму, в которой непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации атомов. В ионосфере принято выделять несколько слоев (D, Е, F₁, F₂.), которым соответствуют локальные максимумы электронной концентрации плазмы (рис. 21.5). Так как основной источник ионизации — излучение Солнца, то структура ионосферы значительно меняется в зависимости от уровня освещенности: времени суток, сезона. Так, в ночных условиях слои D и F₁ исчезают, а электронная концентрация слоев Е и F₂ существенно уменьшается, что эквивалентно увеличению их эффективной (отражающей) высоты. Высота слоев ионосферы лежит в зависимости от солнечной активности в следующих пределах: D: 60 – 80 км, E: 90 – 130 км, F₁: 180 – 240 км, F₂: 230 – 400 км.

При падении радиоволн на ионосферу электромагнитная энергия частично рассеивается (поглощается) в ней, и при определенных условиях может наблюдаться процесс отражения радиоволн. Характер и степень отражения зависят от электронной концентрации N отражающего слоя ионосферы, частоты радиоволны f и угла падения c радиоволны на нижнюю границу ионосферы. Физическая основа отражения – изменение коэффициента преломления п среды распространения в ионосфере, являющегося функцией электронной концентрации N и частоты f радиоволны. Причём, чем больше частота f радиоволны, тем бóльшая электронная концентрация N слоя необходима, чтобы «повернуть» радиолуч в направлении к Земле. При заданных значениях N и f существует критический угол падения c_кр, при меньшем значении которого отраженный сигнал от данного слоя ионосферы наблюдаться не будет. В силу этого при фиксированной длине волны l излучателя колебания, отраженные от данного слоя ионосферы, могут наблюдаться, начиная лишь с некоторых дистанций D от береговых станций, определяемых высотой ионосферы h и значением угла c_кр. Пространственные (ионосферные) сигналы в точке приема будут запаздывать относительно момента прихода поверхностных, так как проходят бóльшую трассу распространения. Степень их затухания из-за отсутствия потерь в подстилающей поверхности меньше, чем поверхностных, и поэтому они распространяются на бóльшие дистанции. Напряженность поля пространственных сигналов определяется электрическими параметрами окружающего слоя ионосферы и зависит от частоты радиоволн. Поэтому оценивать влияние пространственных сигналов в радионавигации целесообразно применительно к конкретной РНС.