ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 1 страница

23.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФАЗОВЫХ РНС

23.1.1 Общая характеристика фазовых радионавигационных систем

Фазовыми радионавигационными системами называются такие системы, которые для определения места подвижного объекта используют информацию, содержащуюся в фазе сигнала. Определение навигационного параметра в фазовой радионавигационной системе основано на использовании аналитических зависимостей, связывающих фазу с навигационным параметром:

(23.1)

где Р — навигационный параметр;

— фаза.

Эта связь может быть установлена на основе зависимости, описывающей напряженность электрического поля радиоволн с помощью синусоидальной или косинусоидальной функций.

Рис. 23.1

Состояние колебаний на участке распространения D в разные моменты времени

Фазовые измерения (при использовании сравнительно простых технических средств) позволяют обеспечить наибольшую точность определения навигационного параметра, поэтому фазовый метод измерений в настоящее время нашел широкое применение при создании радионавигационных систем высокой точности.

Впервые фазовый метод радионавигационных измерений был изобретен и применен на практике в СССР академиками Л.И. Мандельштамом, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголевым в 1934 году. Построенный ими фазовый дальномер, на который был получен патент, явился толчком к проведению целого ряда исследовательских и опытно-конструкторских работ. В результате этих работ фазовый метод измерений получил широкое развитие и был положен в основу работы целого ряда радионавигационных систем, используемых для обеспечения судовождения.

Работа фазовых систем основана на свойстве радиоволн распространяться от передатчика к приёмнику в первом приближении с постоянной скоростью и по кратчайшим расстояниям.

При распространении радиоволн из точки А в точку Б происходит «фазовый набег» или запаздывание радиосигнала по фазе на величину (рис. 23.2)

, (23.2)

где t_АБ — время распространения сигнала от точки А до точки Б (t_АБ= t_А – t_Б);

f — частота излучаемых колебаний;

v — фазовая скорость распространения радиоволн.

Рис. 23.2. Запаздывание по фазе при распространении колебаний

При этом электромагнитное поле в точке А характеризуется выражением , а в точке Б соответственно

Зависимость (23.2), связывающая значения фазы, расстояния и фазовой скорости, положена в основу построения фазовых дальномерных и разностно-дальномерных радионавигационных систем, которые наиболее широко используются на практике.

Для двух гармонических функций может быть введено понятие сдвига фаз , обусловленного разностью фаз двух колебаний:

(23.3)

Тогда сдвиг фаз

, (23.4)

где .

Таким образом, у колебаний с разными частотами сдвиг фаз является функцией времени t и круговой частоты , т. е. .

Фазовый сдвиг непрерывно изменяется, и если при этом сравниваемые колебания когерентны, то в процессе изменения значения фазового сдвига будут повторяться через общий временной период Т₀ (рис. 23.3).

Поэтому под разностью фаз колебаний с разными частотами понимают одну из мгновенных разностей фаз, выраженных в долях общего периода Т₀. На практике удобно разностью фаз двух колебаний считать наименьшую мгновенную разность фаз между началами колебаний, принимая за начало колебаний момент перехода синусоиды через нулевое значение в положительном направлении. Эту разность фаз можно выразить не только в долях периода Т₀, но и в долях периода колебаний и или какой-либо другой частоты сравнения. Для приведения колебаний к одной частоте в процессе измерений используют масштабные коэффициенты, на которые умножают фазы сравниваемых колебаний.

Если колебания имеют одинаковую частоту , то с учетом формулы (23.4) сдвиг фаз равен сдвигу начальных фаз колебаний (рис. 23.4)

(23.5)

Рис. 23.4. Разность фаз колебаний одинаковых частот

В радионавигационных системах измеряют разность начальных фаз колебаний принимаемого сигнала и вспомогательного сигнала (опорного), выполняющего роль начальной точки отсчета фазы. Тогда формула (23.5) примет вид:

(23.6)

Для удобства описания фазовых соотношений принимают тогда .

Простейшим видом фазовых систем являются системы, у которых информация содержится в фазе несущей частоты гармонического сигнала, т. е. сигнал модулируется по фазе функцией .

В этом случае сигнал описывается выражением, имеющим следующий вид:

.

Если известна функция и если, принять, что и , то после демодуляции на выходе фазоизмерителя = .

В общем случае сигнал может иметь и дополнительную модуляцию:

,

где и — детерминированная функция времени.

Измеряемая разность фаз колебаний выражается, как правило, в частях периода колебаний (долях фазового цикла) или в градусах. С помощью современных фазоизмерительных устройств можно выполнять измерения с инструментальными погрешностями значительно меньшими 1°, однако несовершенство методов учета влияния погрешностей от других источников обусловливает целесообразность использования в РНС фазоизмерителей, имеющих точность ~1/100 периода (0,01 ф. ц.). Важным достоинством фазовых измерений является то, что с их помощью могут быть измерены весьма малые промежутки времени. Например, при использовании радиоволн сантиметрового диапазона даже при низкой точности измерений (0,1 ф. ц.) запаздывание одного колебания относительно другого может быть измерено с погрешностью 10^-11 с, что значительно, точнее, по сравнению с импульсным методом измерений.

Таким образом, использование фазы сигнала в радионавигационных измерениях позволяет получить наиболее высокие точности определения навигационных параметров (расстояний, разности расстояний, углов и т.д.).

Фазовые радионавигационные и радиогеодезические разностно-дальномерные и дальномерные системы способны обеспечить минимальные погрешности при определении места судна, а также при выполнении специальных работ, требующих определения места с высокой точностью.

Новые возможности использования фазы сигнала определились в связи с применением сложных, многочастотных, шумоподобных сигналов. В закон изменения фазы этих сигналов может быть заложена информация, использование которой позволит наиболее эффективно выделять сигналы из помех, обеспечивать высокую помехоустойчивость против организованных помех.

Наряду с использованием в радионавигации и радиогеодезии фазовый метод измерений получил значительное развитие в системах траекторных измерений космических объектов. Таким образом, фазовые системы могут иметь различное назначение, а следовательно, и соответствующее конструктивное решение.

Поскольку инструментальная точность в современных фазовых системах может быть очень высокой, то одной из самых важных проблем является обеспечение точного знания фазовой скорости распространения радиоволн v_ф. При этом в общем случае погрешность навигационного, параметра из-за незнания точного значения скорости должна быть меньше или соизмерима с инструментальными погрешностями. Поэтому реальная точность фазовых радионавигационных систем зависит в основном от умения предвычислять и учитывать погрешности, связанные с изменением фазовой скорости при распространении сигналов над неоднородной подстилающей поверхностью Земли, при отражении от ионосферы, дифракции вокруг выпуклости Земли и рефракции в нижних слоях атмосферы. Развитие теории распространения радиоволн и методов учета влияния условий распространения на фазовую скорость позволяет во многих случаях ограничить указанные выше погрешности до 10^-4—10^-7 по дальности и 0,01° по углу.

Важной проблемой фазовых систем является обеспечение их работы при наличии помех. Эта проблема в настоящее время решается на основе методов статистической радиотехники, использование которых позволяет исследовать статистические характеристики смеси сигнала и помехи, осуществлять оптимальную фильтрацию сигнала, а при конструировании аппаратуры выбирать схемные решения для конкретных условий. При построении фазовых радионавигационных систем важной задачей является также изучение искажений фазы радиосигнала при его прохождении по тракту передатчика или приемника. В настоящее время использование высококачественных деталей и применение наиболее рациональных схем позволяет обеспечить высокую стабильность фазы в аппаратуре. Применение следящих фазоизмерительных систем с цифровыми или аналоговыми устройствами, построенных на основе теории автоматического регулирования, обеспечивает высокую точность измерения фазы.

Указанные выше достоинства фазового метода измерений и большие возможности реализации этих достоинств на базе современной техники и достижений науки обусловливают перспективность использования фазы сигнала, в частности, в радионавигации.

Фазовые радионавигационные системы, используемые для обеспечения судовождения, используют разные методы работы, имеют различную точность, дальность действия и позволяют с достаточной надежностью производить обсервации при выполнении различных задач, решаемых судами.

Средние квадратические погрешности определения навигационного параметра и места в зависимости от дальности действия радионавигационных систем, использующих фазовый метод измерений и различные диапазоны волн, показаны в табл. 23.1.

Для приема сигналов РНС и выполнения измерений используются судовые приёмоиндикаторы, основные тактико-технические характеристики которых различны и зависят от принятых принципов построения, способа обработки сигнала и степени автоматизации.

Таблица 23.1

23.1.2 Методы работы фазовых РНС и их точность

В зависимости от того, какой навигационный параметр определяется, фазовые РНС разделяют на три группы: дальномерные, разностно-дальномерные и угломерные (азимутальные). Методы работы и сам принцип построения РНС каждой из этих групп имеют существенные различия.

В дальномерной фазовой РНС навигационным параметром является расстояние от подвижного объекта до радионавигационной точки (опорной станции), а местоположение этого объекта определяется по двум и более расстояниям до опорных станций.

Физическая сущность дальномерного метода, используемого в дальномерной фазовой РНС, состоит в том, что при распространении радиоволн происходит запаздывание по фазе принятого сигнала относительно опорного:

(23.7)

где D — расстояние, пройденное радиоволной;

v_ф — фазовая скорость распространения радиоволн.

Рис. 23.5. Состав фазовой дальномерной радионавигационной системы

Приняв начальные фазы сигнала и опорного напряжения и , получим:

(23.8)

откуда

, (23.9)

где — длина волны, соответствующая угловой частоте .

Таким образом, измеряя сдвиг фаз между принятым сигналом и опорным, определяют расстояние D. Частота сигнала, используемая для определения навигационного параметра, называется рабочей частотой, а соответствующая ей длина волны — рабочей длиной волны.

Фазовая РНС. использующая дальномерный метод, как правило, состоит из двух станций (вторая станция на рис. 23.5 не показана). Каждая опорная станция содержит передатчик П, задающий генератор ЗГ и антенное устройство А. Судовое оборудование включает приемник Пр, опорный генератор ОГ и измеритель фазы ИФ. Система может включать несколько опорных наземных передающих станций.

Погрешность определения расстояния в дальномерной РНС определяется по формуле:

(23.10)

Величина этой погрешности зависит от используемой длины волны и погрешности в измерении сдвига фаз . Приняв радиана и =3000 м, погрешность , а при =300 м .

Очевидно, что для реализации такой системы стабильность частот задающего генератора передатчика и опорного генератора фазоизмерителя должны быть достаточно высокими. Погрешность измеряемого расстояния из-за нестабильности частот может быть оценена по формуле:

(23.11)

где – относительная нестабильность генераторов;

t – время, прошедшее с того момента, когда фазы задающего и опорного генераторов были согласованы.

(При и t=1000 с =3 км).

Таким образом, погрешность из-за нестабильности генераторов накапливается со временем, что обусловливает необходимость иметь очень стабильные генераторы для обеспечения высокой точности. Наиболее точные хранители времени и частоты строятся на основе первичных и вторичных квантовомеханических стандартов частоты и кварцевых генераторов.

К первичным относятся самокалибрующиеся стандарты частоты, т. е. обеспечивающие воспроизведение номинала частоты квантовомеханического перехода. Наиболее распространенным первичным стандартом является квантовомеханический генератор на пучке атомов цезия. К первичным стандартам частоты относят также генераторы на атомарном водороде. К вторичным квантовомеханическим стандартам относятся стандарты частоты на газовой ячейке с парами щелочных металлов и пучке молекул аммиака.

Квантовомеханические стандарты частоты и кварцевые генераторы могут использоваться в различных сочетаниях:

— цезиевый стандарт и группа кварцевых генераторов;

— вторичный (рубидиевый или молекулярный) стандарт частоты и группа кварцевых генераторов;

— группа кварцевых генераторов.

Наивысшей достигнутой кратковременной и долговременной стабильностью частоты обладают водородные стандарты частоты (10^-13—10^-14), однако их широкое применение ограничивается высокой стоимостью, большим весом и габаритами.

Особые сложности возникают при установке высокостабильных генераторов на подвижных объектах (кораблях, судах, самолетах). В связи с этим рассмотренный выше дальномерный метод, основанный на применении двух эталонных генераторов, в настоящее время не получил распространения.

Для того чтобы ограничить влияние нестабильности частот на погрешность измерения расстояния, применяют способ, при котором опорная наземная передающая станция ретранслирует колебания, излучаемые передатчиком судовой станции. Упрощенная схема дальномерной РНС с ретранслирующей (ведомой) наземной станцией и ведущей судовой станцией показана на рис. 23.6.

Pиc. 23.6. Состав фазовой дальномерной радионавигационной
системы с ретранслятором

Передатчик П ведущей станции излучает сигнал на частоте , который принимается приемником Пр ведомой станции, поступает на трансформатор частоты Тр. ч, трансформируется по частоте в отношении т/п (где т и п — целые числа) и излучается передатчиком П. Принятый на ведущей станции ретранслированный сигнал подается на измеритель фазы ИФ. Одновременно на ИФ подается также сигнал с передатчика. При этом обеспечивается умножение частоты УМ на т и п соответственно.

В отличие от выражения (23.8) будет осуществлена зависимость:

(23.12)

Навигационный параметр из выражения (23.12) получают в соответствии с выражением:

(23.13)

В рассматриваемой радионавигационной системе приемники и передатчики как ведущей (судовой), так и ведомой (наземной) станций должны работать одновременно.

Возможность одновременной работы судовой и наземной станций может обеспечиваться различными способами. Например, одновременная работа станций обеспечивается, если ведущая станция излучает колебания на частоте f₁ , а ведомая станция производит переизлучение принятого сигнала на частоте f₂.

Важной технической задачей при создании радионавигационной системы с ретрансляцией сигнала является также обеспечение одновременной работы нескольких судовых станций с одной наземной ведомой станцией. Решение этой задачи, как правило, обеспечивается с помощью системы коммутации, позволяющей одновременную работу 5—10 судовых станций с одной наземной.

Основная погрешность навигационного параметра в такой дальномерной системе обусловливается искажениями фаз сигналов при распространении по трассам между станциями и прохождении через различные тракты аппаратуры, а также погрешностью фазоизмерителя. Вместе с тем в системе, работающей описанным выше методом, нестабильность частоты генератора не создает погрешностей, которые со временем накапливаются, как в системе с двумя эталонными генераторами. В этом случае:

или (23.14)

и погрешность из-за нестабильности частот может быть уменьшена до незначительной величины.

В разностно-дальномерной фазовой РНС навигационным параметром является разность расстояний, а местоположение подвижного объекта определяется по двум разностям расстояний; от объекта до двух разнесенных в пространстве радионавигационных точек, в которых установлены станции. В разностно-дальномерной РНС возможно одновременное определение места большого количества объектов, при этом обеспечивается большая дальность действия при минимальной мощности излучаемых сигналов.

Упрощенная схема ведущей и одной ведомой станций такой радионавигационной системы показана на рис. 23.7. Ведущая и ведомая станции в разностно-дальномерной РНС располагаются в точках с известными координатами и излучают сигналы, которые принимаются судовой станцией, где производится измерение разности фаз . При этом:

(23.15)

где т – множитель коэффициента трансформации частоты;

D_b – расстояние между ВМ и ВЩ станциями.

Рис. 23.7. Состав фазовой разностно-дальномерной радионавигационной системы

При известном расстоянии между опорными станциями D_b по результатам измерения можно определить разность расстояний , которая и является навигационным параметром, причем изолинией является гипербола. Для определения на судне в отличие от системы с ретранслятором устанавливается только приёмоизмерительное устройство (приёмоиндикатор). Точность определения навигационного параметра в такой РНС зависит от стабильности сдвига фаз сигналов при распространении в пространстве, прохождении по трактам аппаратуры и точности измерения сдвига фаз в условиях помех. Для обеспечения одновременной работы приемников и передатчиков ведомых станции, а также приема сигнала всех станций судовыми приёмоизмерительными устройствами применяются различные способы. Наиболее широко используется способ временного разделения сигналов, при котором все станции могут работать на одной несущей частоте (способ временной селекции).

Угломерные фазовые РНС, например азимутальные радиомаяки, позволяют определять угловые координаты объектов. Навигационным параметром в таких системах является угол А в горизонтальной плоскости, заключенный между северным направлением истинного меридиана, проходящего через середину расстояния D, и направлением на подвижной объект. В угломерных системах измеряется сдвиг фаз колебаний, принимаемых от антенн, разнесенных в пространстве на расстояние D (рис. 23.8).

Рис. 23.8. Определение азимута с использованием фазового метода измерений

Наведенные в антеннах э.д.с. будут равны:

, (23.16)

где — начальная фаза сигнала в центральной точке расстояния D.

В результате измерения разности фаз можно определить направление прихода радиоволн, характеризуемое углом a между нормалью к линии, соединяющей антенны, и направлением на судно: