ИМПУЛЬСНЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

22.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ РНС

Импульсными радионавигационными системами называются такие системы, работа которых основана на использовании зависимости между временем распространения радиоволн и навигационным параметром:

x = f (t) (22.1)

Вид функциональной зависимости определяется конкретным типом системы.

В качестве измеряемого навигационного параметра х могут использоваться расстояния (дистанции), разности расстояний, направления (пеленг, курсовой угол).

В основе классификации импульсных РНС лежит вид измеряемого навигационного параметра, по которому они разделяются на следующие типы:

— дальномерные (стадиометрические);

— разностно-дальномерные (гиперболические);

— комбинированные (например, угломерно-дальномерные и др.).

Навигационные измерения в импульсных системах осуществляются путем измерения временного интервала между двумя радиосигналами, огибающие которых имеют форму импульса.

Радиоимпульсы, как известно, представляют собой высокочастотные электромагнитные колебания вида:

(22.2)

где U (t) — огибающая радиоимпульса, которая представляет собой линию, соединяющую вершины высокочастотных колебаний (рис. 22.1);

— несущая круговая частота колебаний.

Огибающая обычно изменяется по определенному закону. Например, для одной из типовых импульсных РНС принята огибающая, подчиняющаяся функции

(22.3)

где — длительность импульса па пулевом уровне ( 90— 120 мкс);

t — текущее время в пределах импульса, определяемое соотношением 0 < t < .

Очевидно, что при измерениях временного интервала между импульсами, имеющими сравнительно большую длительность, необходимо условиться, между какими точками огибающих производить эти измерения. Стабильность этих точек на огибающей (они называются характерными точками — х.т.) существенно влияет на точность измерений. Неустойчивость формы импульса вызывает изменение в положении характерных точек, что приводит к появлению погрешности в измеренном временном интервале.

Поэтому в качестве характерных выбирают такие точки, которые являются наиболее устойчивыми в импульсе. В современной радионавигационной аппаратуре реализовано несколько вариантов. В некоторых случаях используется точка, соответствующая максимуму импульса или энергетической его середине (х.т. 1 на рис. 22.1). Временной интервал Dt_изм при этом измеряется между максимумами импульсов 1 и 2 (рис. 22.2, а).

Рис. 22.2. Измеряемые временные интервалы:

а — между максимумами огибающих; б — между передними фронтами

Несмотря на очевидную простоту данного варианта, он обладает тем существенным недостатком, что амплитуды сигналов подвержены значительным изменениям из-за влияния условий распространения радиоволн, различного удаления от наземных станций и других причин. Положение характерной точки вследствие этих факторов может хаотически изменяться, что в свою очередь приводит к большим погрешностям измеряемого временного интервала. Поэтому такие измерения производятся на этапе грубых, предварительных измерений. Значительно более высокой стабильностью обладают характерные точки, выбранные на переднем фронте огибающих радиоимпульса (х.т. 2 и х.т. 3 на рис. 22.1). Это объясняется тем, что отраженные от атмосферы сигналы, приходящие с некоторым запаздыванием относительно поверхностного сигнала, искажают преимущественно вторую половину импульса, оставляя без воздействия его передний фронт.

Поэтому в импульсных приёмоиндикаторах временной интервал чаще всего измеряется между характерными точками, лежащими на переднем фронте огибающей (см. рис. 22.2, б)

Это либо точки перегиба переднего фронта (х.т. 2 на рис. 22.1), либо другая точка, несколько смещенная относительно точки перегиба (х.т. 3 на рис. 22.1).

Импульсные радионавигационные устройства и системы являются средствами как ближней, так и дальней навигации.

В системах ближней навигации используются сверхвысокие частоты (сантиметрового и дециметрового диапазона), которые распространяются, как известно, в пределах прямой геометрической видимости, т. е. на расстояниях, ограниченных взаимной видимостью передающих и приемных антенн.

Системы дальней навигации являются преимущественно разностно-дальномерными РНС и используют радиоволны средневолнового и длинноволнового диапазонов с длиной волны от 200 до 3000 м.

На частотах ниже 100 кГц ( >3000 м) импульсные методы измерений не используются, так как на этих частотах формирование импульсов с нужными характеристиками (длительностью, формой огибающей) становится затруднительным.

22.2. МЕТОДЫ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Основными методами работы импульсных систем являются дальномерный, разностно-дальномерный и угломерно-дальномерный. Рассмотрим сущность каждого из этих методов.

22.2.1. Дальномерный метод работы импульсных РНС

Измерение расстояний в импульсных РНС реализуется способом «запрос—ответ» и способом «двух генераторов».

Способ «запрос—ответ» нашел применение в импульсных дальномерных РНС, работающих в диапазоне дециметровых волн.

Сущность его состоит в следующем (см. рис. 22.3). На судне в точке К. установлена запрашивающая (задающая) приемопередающая радиостанция. В точках А и Б, координаты которых известны, установлены также приемопередающие радиостанции, предназначенные для ретрансляции сигналов задающей станции (на рис. 22.3 показана только одна из ретранслирующих

Задающая судовая станция излучает запросные сигналы попеременно на двух частотах f_А и f_Б, на которые настроены приемники наземных станций А и Б соответственно. Импульсы запуска передатчика формируются в блоке индикатора судовой станции. Кроме того, на экране ЭЛТ с помощью специального отметочного импульса (отм. И) фиксируется момент запуска передатчика (рис. 22.4).

Принятые наземной станцией запросные импульсы с приемника подаются в калибратор и далее используются для запуска передатчика, который излучает ответный импульс (см. рис. 22.3). Калибратор выполняет ряд вспомогательных функций. Одной из них является регулировка (калибровка) времени ретрансляции, т.е. времени задержки импульса в трактах наземной станции t_З. Обе наземные станции излучают ответные импульсы на одинаковой частоте f, на которую настроен приемник судовой станции. Принятые судовой станцией импульсы подаются в индикатор, который производит измерение временных интервалов , между моментами излучения запросного и приема ответных импульсов отв. И₁, отв. И₂. В предположении, что задержки импульсов в трактах береговых станций равны нулю, измеряемые промежутки времени будут определяться равенствами:

(22.4)

Отсюда могут быть найдены дистанции D_А и D_Б:

(22.5)

Для измерения искомой дистанции ответные импульсы подаются, на индикатор и наблюдаются на экране ЭЛТ (отв. И₁, отв. И₂).

Два ответных импульса будут смещены на развертке ЭЛТ относительно отметочного на углы и :

(22.6)

где Т — период развертки;

t_изм(А) и t_изм(Б) — промежутки времени, прошедшие от момента излучения запросного импульса до приема ответного импульса, они равны:

Þ (22.7)

где t_З — время задержки ответного импульса в тракте береговой станции в процессе ретрансляции.

Подставив формулы (22.5) и (22.6) в выражения (22.4) и решив их относительно дистанций D_А и D_Б, получим:

(22.8)

Как видно из формул (22.8), для определения искомых дистанций D_А и D_Б должны быть измерены углы и при известных величинах скорости распространения радиоволн v, периода развертки Т и времени задержки при ретрансляции t_З.

Период развертки Т выбирается исходя из максимальной дистанции, измерение которой возможно в данной системе.

Поясним сказанное на примере. Предположим, что система рассчитана на измерение максимальной дистанции 200 км и судно находится на этом удалении от наземной станции. Тогда импульс пройдет расстояние, равное 400 км, за время 1335 мкс. Этой величине и должен быть равен период развертки Т, а частота развертки F будет равна:

Если в процессе работы аппаратуры ответный импульс отклонился на развертке, например, на угол , то при известных значениях v и t_З (v=299793 км/с » 0,3 км/мкс; t_З =2 мкс) искомая величина дистанции, найденная по формуле (22.8), будет равна D_А=49,7 км.

Как видно из вышеизложенного реализация способа «запрос— ответ» предполагает наличие на борту судна передающего устройства, что ограничивает дальность действия, уменьшает пропускную способность системы.

Способ «двух генераторов» не требует передачи радиосигналов с судна. В этом случае между судном и наземной станцией используется только один канал связи в направлении берег—судно.

Сущность этого способа состоит в том, что на наземных опорных передающих станциях и в судовом приёмоиндикаторе устанавливаются высокостабильные генераторы, вырабатывающие импульсы, следующие с определенной частотой повторения (шкалы меток времени).

Если в некоторый начальный момент времени согласовать фазы и частоты генераторов, а затем сохранять в процессе плавания их параметры, то шкала на судне будет воспроизводить опорную шкалу генератора наземной станции. При этом импульсы судовой шкалы будут строго совпадать по времени с моментом излучения импульсов наземной станцией. Приняв на судне импульс от наземной станции, прошедший искомое расстояние D_i; и измерив, временной интервал t_i между принятым импульсом и импульсом судового генератора, можно определить время распространения сигнала от наземной станции до судна:

(22.9)

где v—скорость распространения радиоволн;

—погрешность измерения.

Отсюда, расстояние до наземной станции с учетом погрешности будет равно:

(22.10)

Данный принцип позволяет определить временной интервал лишь в пределах одного периода следования импульсов, количество же целых периодов, истекших за время распространения радиосигнала от береговой станции до судна, остается неизвестным. В этом состоит неоднозначность измерения. Однозначными отсчеты считаются в том случае, если период следования импульсов будет не меньше времени распространения сигналов на максимальное для данной системы расстояние. Это возможно не всегда, поэтому возникающая неоднозначность должна устраняться. Для устранения неоднозначности существуют разные способы. Одним из них является способ определения приближенной дистанции по счислимым координатам судна на момент обсервации.

Но наличие многозначности не является единственным недостатком метода «двух генераторов». Основным условием реализации этого метода является высокая стабильность генераторов, способных достаточно долго хранить совмещенными начало отсчета и излучения. При недостаточной стабильности начальные фазы и частоты генераторов изменяются, поэтому в положениях обеих последовательностей импульсов появляется расхождение Dt_xp, которое к моменту измерения может быть в пределах от нуля до целого периода повторения импульсов. За время навигационных измерений частоты генераторов продолжают изменяться, что может привести к появлению накапливающейся систематической погрешности Dr в измеренной дальности:

Dr =v Dt_xp (22.11)

где v=1.08·10⁹ км/ч — скорость распространения радиоволн;

—погрешность отсчета (сдвиг шкал);

— относительная нестабильность частоты генератора;

— время хранения, т.е. время, прошедшее со времени сверки частот генераторов до момента обсервации.

Оценим это время. Подставив в формулу (22.11) численные значения входящих в нее параметров, получим

(22.12)

В табл. 22.1 приведены погрешности измерения расстояний в километрах, рассчитанные по формуле (22.12).

Таблица 22.1

Современные генераторы обеспечивают стабильность работы в пределах Df/f=10^-10—10^-11.

Из табл. 22.1 видно, что, например, при допустимой погрешности в измеренном расстоянии Dr = 2 км время автономного плавания не превышает 20 ч при Df/f=10^-10 и 200 ч при Df/f =10^-11.

Очевидно, что такая продолжительность автономного плавания не может считаться достаточной. Решение данного вопроса может быть достигнуто использованием рациональных методов обработки получаемой информации.

Один из таких методов состоит в том, что измеряют значения не самих навигационных параметров (в данном случае — расстояний), а некоторых функций, зависящих от этих параметров. Эти функции могут в общем случае включать в себя т параметров и содержать п неизвестных. Если навигационные измерения произвести k раз, так чтобы удовлетворялось условие k ³ т + п, то можно получить систему из k уравнении и, решив ее, найти неизвестные параметры.

Поясним сказанное. Пусть измеряются величины D', которые являются значениями некоторой функции расстояния от судна до береговой станции:

(22.13)

где D — истинное значение дистанции;

Z — постоянная поправка грубо измеренного расстояния;

— коэффициент, характеризующий скорость расхождения фаз генераторов за счет начального расхождения их частот;

t — значения времени, соответствующие моментам производимых измерений.

Тогда, имея k величин грубо измеренного расстояния можно получить систему уравнений:

(22.14)

Решив систему уравнений, получим х, у, т. е. координаты судна, определяющие искомое расстояние.

22.2.2. Разностно-дальномерный метод работы импульсных РНС

Разностно-дальномерными называются такие системы, в которых местоположение подвижного объекта (судна) определяется путем измерения временного интервала между импульсными сигналами, принятыми на судне от наземных опорных станций (рис. 22.5).

Сущность метода состоит в следующем. В точках А и Б, координаты которых известны, расположены передающие радиостанции, излучающие импульсные сигналы. Станции работают синхронно, например, излучают сигналы одновременно. Эти сигналы принимаются судовым приёмоиндикатором, который фиксирует момент их приема. Очевидно, что время распространения сигналов от станций А и Б до судна равно:

,

где v_гр—групповая скорость распространения радиоимпульса.

Рис. 2.5. К принципу измерения разности расстояний

Тогда временной интервал между импульсами будет равен:

(22.15)

Решив равенство (22.15) относительно разности расстояний, получим

. (2.16)

Таким образом, измеренному временному интервалу соответствует вполне определенная разность расстояний . Известно, что геометрическим местом точек, в которых величина остается постоянной, является гипербола, в фокусах которой и расположены наземные станции.

При известных координатах наземных станций может быть рассчитано и нанесено па карту семейство гипербол, соответствующих определенным значениям разностей расстояний или временным интервалам (i=1, 2, 3,...., n). Для получения второй изолинии аналогичные измерения должны быть произведены по второй паре наземных станций. Местом судна является точка пересечения гипербол.

Важнейшим требованием к наземным станциям является синхронность их работы, т.е. жесткая связь моментов излучения сигналов. Это обеспечивается тем, что одна из станций пары является ведущей (ВЩ) и управляет работой второй станции, которая называется ведомой (ВМ).