ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2 страница

или

. (23.17)

Точность получаемого пеленга зависит от величины D, точности измерения и стабильности измеряемого фазового сдвига .

Погрешность угла может быть вычислена по формуле:

Для повышения точности измерения угла необходимо увеличить , однако в этом случае результат измерения угла может стать многозначным.

23.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФАЗОВЫХ РНС С ВРЕМЕННОЙ И

ЧАСТОТНОЙ СЕЛЕКЦИЕЙ СИГНАЛОВ

В морской навигации нашли широкое применение фазовые разностно-дальномерные (гиперболические) РНС, использующие фазовые методы измерения РНП для выделения из радиосигналов необходимой навигационной информации о местоположении объекта.

При построении фазовых РНС потребовалось решить проблемы обеспечения когерентности (взаимной согласованности) колебаний, излучаемых береговыми станциями в целях создания в рабочей зоне системы радионавигационного поля с высокостабильной фазовой структурой и возможности опознавания и разделения (селекции) в бортовых приёмоиндикаторах (ПИ) колебаний, приходящих от различных станций.

Когерентность в фазовых РНС обеспечивается либо синхронизацией излучения ведомых станций колебаниями ведущей станции, либо применением высокостабильных атомных стандартов частоты колебаний на каждой из береговых станций с периодической коррекцией их временных шкал.

По способу решения второй из названных выше проблем фазовые РНС делятся на 2 типа: с временной и частотной селекцией сигналов станций.

23.3.1. Фазовые РНС с временной селекцией сигналов

При временной селекции сигналов станции фазовые РНС (например, А и В) излучают когерентные колебания на одной навигационной частоте в виде импульсных сигналов достаточно большой длительности в определенной временной последовательности (рис. 23.9, а).

Пусть станция А, начиная с момента t = 0, выполнила излучение колебания, создающего вектор напряженности электрического поля . Спустя интервал времени t_к станция В излучила колебания с вектором поля . Интервал t_к выбран таким образом, чтобы обеспечить отсутствие наложения во времени сигналов различных станций фазовых РНС в любой точке рабочей зоны системы. Пусть равенство частот излучения и постоянство времени t_к обеспечиваются на каждой станции применением атомных стандартов частоты. Предполагается также, что временная диаграмма излучения береговых станций известна потребителю навигационной информации, что позволяет обеспечить соответствующую работу коммутатора (рис. 23.9, б).

Рис. 23.9. К принципу действия фазовых РНС с временной селекцией.

Интервалы: t₁ —запоминание фазы е_А; t₂ — хранения фазы е_А; t₃ — фазовые измерения

В точке X расположения судна электромагнитные колебания с вектором Е_A создадут ЭДС на входе ПИ (рис. 3.9, в):

(23.18)

где — действующая высота антенны ПИ.

Это колебание после усиления подается на фазозапоминающее устройство ФЗУ с целью получения «копии» сигнала станции , что осуществляется посредством подстройки колебаний опорного генератора ФЗУ под частоту и фазу колебаний станции А.

В момент прихода сигнала станции В на входе приемника будет действовать ЭДС:

(23.19)

Колебания [формула (23.19)], поступая после усиления на фазоизмерительное устройство ФИУ, сравниваются по фазе с колебаниями е_А, являющимися копией сигнала [формула (23.18)].

ФИУ укажет разность фаз:

(23.20)

В выражении (23.20) последнее слагаемое — величина постоянная и учитывается при построении радионавигационных карт.

* В целях наглядности изложения амплитудные значения действующих в схеме напряжении полагаются единичными и при аналитическом описании колебаний опущены.

Поэтому окончательно зависимость (23.20), учитывая соотношение можно записать в виде:

(23.21)

Эта формула—навигационная функция фазовых гиперболических РНС.

23.3.2. Фазовые РНС с частотной селекцией сигналов

При частотной селекции сигналов станции одновременно излучают колебания на различных частотах, являющихся в целях обеспечения их когерентности гармониками общей для них, так называемой базисной частоты.

Рис. 23.10. К принципу действия фазовых РНС частотной селекцией

Пусть станции А и В одновременно излучают колебания, которые создают векторы напряженности электрического поля:

и ,

где т, n — номера гармоник базисной частоты (рис. 23.10, а).

В точке Х приема эти колебания создадут ЭДС на входах соответствующих частотных каналов ПИ (рис. 23.10, б):

(23.22)

. (23.23)

Если данные колебания после усиления подать непосредственно на ФИУ, то в измеренной разности фаз появится составляющая — функция времени, изменяющаяся с разностной частотой. Это обстоятельство, хотя и не является принципиальным препятствием к созданию фазовых РНС, существенно усложняет ее построение.

Поэтому колебания [см. формулы (23.22) и (23.23)] преобразуют в ПИ в колебания одной частоты — частоту сравнения. Один из возможных вариантов такого преобразования заключается в умножении частот колебаний на величины M/m и М/п соответственно, где М—наименьшее общее кратное между числами т и n. Полученные таким образом колебания частоты сравнения Mw:

(23.24)

(23.25)

подаются далее на ФИУ, которое укажет искомую разность фаз:

(23.26)

где — длина волны сравнения.

Зависимость (23.26), совпадающая по виду с выражением (23.21), наглядно иллюстрирует тот факт, что показания ФИУ оказываются пропорциональными частотам, на которых ведутся фазовые измерения (частотам сравнения Mw), и в этом смысле не зависят от частот излучения береговых станций.

23.4. ТОЧНОСТЬ И МНОГОЗНАЧНОСТЬ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

ФАЗОВАЯ ДОРОЖКА

Рассматривая перемещение судна в радионавигационном поле, образованном фазовой РНС, и анализируя при этом зависимость (23.21), нетрудно заметить, что ФИУ, работающее на частоте сравнения w, укажет изменение разности фаз на 2p при изменении разности расстояний до береговых станций на длину волны сравнения , т. е. при выполнении условия или .

Если изменение разности расстояний будет больше l, то полный фазовый сдвиг , очевидно, будет больше 2p.

ФИУ в этом случае покажет лишь дробную часть фазового цикла , где N—число полных фазовых циклов.

Следовательно, даже при включении ПИ на неподвижном судне при отсчёт РНП не даст однозначного определения НП , а будет соответствовать ряду значений , отличающихся одно от другого на величину l (рис. 23.11).

Участок рабочей зоны фазовой РНС, заключенный между двумя гиперболами, при плавании судна в пределах которого разность фаз сравниваемых колебаний может изменяться на 2p, называется фазовой дорожкой. Число фазовых дорожек, укладывающихся на базовой линии РНС, а при фиксированной ее длине — ширина фазовой дорожки, являются своеобразной мерой многозначности данной фазовой РНС.

Рис. 23.11. Многозначность фазовых измерений

Задачу об определении ширины фазовой дорожки можно решить, используя понятие градиента НП.

Так, при пересечении фазовой дорожки по кратчайшему расстоянию d изменение НП — разности расстояний — будет равно l и в соответствии с определением градиента НП получим для разностно-дальномерной системы:

.

Из последнего выражения следует, что:

(23.27)

В частном случае на базовой линии g =180° и ширина фазовой дорожки d₀ будет равна l/2.

Таким образом, чем больше ширина дорожки d, тем меньше сказывается многозначность фазовых отсчетов при навигационном использовании фазовой РНС, а при условии, что на базовой линии будет укладываться половина длины волны сравнения, многозначность вообще не будет возникать. При подобном подходе к построению фазовых РНС, помимо технических трудностей, связанных с применением очень низких частот (больших длин волн), значительно ухудшается точность фазовых измерений. Разрешим формулу (23.21) относительно искомого значения НП

(23.28)

Из анализа зависимости (23.28) следует, что для улучшения точности определения НП необходимо не только повышать инструментальную точность фазовых измерений, которая лежит в пределах 0,005—0,01 фазового цикла (1 фазовый цикл—360°), но и уменьшать длину волны сравнения l.

Это противоречие в выборе длины волны сравнения обычно решается в фазовых РНС в пользу длин волн, обеспечивающих высокую точность определения НП. Возникающая в этих условиях многозначность фазовых отсчетов может быть разрешена следующими способами:

1) непрерывное наблюдение при перемещении судна за изменением текущей разности фаз сравниваемых колебаний с фиксацией количества полных фазовых циклов (способ привязки);

2) периодический перевод РНС в режим формирования радионавигационного поля грубой фазовой структуры со значительно более широкими дорожками.

Первый способ предполагает первоначальное определение положения судна при включении ПИ с точностью не хуже половины ширины дорожки и последующую непрерывную работу его. Недостатком этого способа является то, что при воздействии радиопомех возможные ошибки фазовых измерений могут привести к безвозвратной потере одного (реже нескольких) фазовых циклов.

Второй способ, используемый в настоящее время в абсолютном большинстве фазовых РНС, реализуется за счет излучения береговыми станциями наряду с основными дополнительных частот и получения фазовых отсчетов на существенно более низких частотах, формируемых тем или иным способом в бортовых ПИ из этого многочастотного канала.

23.5 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФАЗОВЫХ И ВРЕМЕННЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение разностей фаз в РНС осуществляется с помощью специальных устройств, включающих, в общем случае, антенну, приемник, который усиливает принятые сигналы и выполняет их предварительную селекцию, и измеритель фазы. Задачей измерителя фазы является выявление информации, содержащейся в фазе сигнала.

В реальных условиях работа РНС происходит в обстановке, когда принимается не только сигнал, несущий полезную информацию, но и помеха. Следовательно, на практике фазовые измерения выполняются с использованием смеси сигнала и помехи, что обусловливает при создании РНС необходимость выбора методов и схем, позволяющих оптимально измерять фазу сигнала при наличии помех.

Как показано выше, измерить фазу колебаний можно только сравнив ее с фазой другого колебания, принимаемой за начало отсчета. Для измерения оба колебания одновременно подаются на измеритель фазы. Если по условиям работы РНС колебания принимаются разновременно, то предварительно осуществляют «запоминание» фазы одного из колебаний до прихода второго, а затем одновременно подают оба колебания на измеритель фазы. Упрощенная схема, на которой изображен порядок измерения разности фаз, показана на рис. 23.12.

Рис. 23.12. Упрощенная схема измерения разности фаз

В фазовых РНС могут использоваться прямые и косвенные методы фазовых измерений и различные измерители фазы, с помощью которых эти методы обеспечиваются.

При прямых методах разность фаз измеряется непосредственно между сравниваемыми колебаниями с использованием какого-либо фазочувствительного устройства и регистрирующего прибора.

При косвенных методах используется в основном компенсационный метод, т. е. метод, при котором подлежащую измерению разность фаз замещают (компенсируют) уже известной равновеликой ей величиной, искусственно создаваемой специальными устройствами.

Простейшие прямые измерения разности фаз можно выполнить по изображениям на экране электронно-лучевой трубки (см. рис. 23.13). Такой способ измерения был ранее реализован на первых образцах РНС (например, РНС «Координатор»). При работе с ЭЛТ для измерения разности фаз двух колебаний, частоты которых находятся в рациональном отношении, на отклоняющие пластины ЭЛТ подаются соответствующие напряжения и₁ и и₂. В ЭЛТ из накаленного катода К электроны направляются к анодам A₁ и А₂, встречая на пути фокусирующее приспособление, благодаря которому пучок электронов становится параллельным.

Рис. 23.13. Упрощенная схема измерения разности фаз с помощью ЭЛТ

Созданный узкий пучок электронов попадает на флуоресцирующий экран Э. Электрическое поле между отклоняющими пластинами, на которые поданы колебания для измерения разности фаз, вызывает отклонение пучка электронов пропорционально величине приложенных напряжений. При одновременном действии обоих напряжений происходит перемещение луча по сложной траектории (фигура Лиссажу). Если w₁ ¹ w₂ (например, ), то при различных значениях разности фаз Dj от -45 до +45° фигуры будут иметь вид, показанный на рис. 23.13. Для измерения разности фаз производят счет полуциклов, равных p/2 или 90°, т. е. отмечают, сколько раз произошло изменение фигуры из положения для Dj_из = – 45° в положение для Dj_из = + 45°. Для нахождения долей полуциклов любым способом отмечают части изменяющейся фигуры. Например, с помощью кальки можно измерить длину всей фигуры и отметить отрезки, соответствующие её изменению.

Достоинством этого метода является простота технической реализации, наглядность и возможность измерения разности фаз без приведения колебаний к единой частоте. В штурманской практике этот метод неудобен, так как требует непрерывного наблюдения за экраном ЭЛТ. В современных фазовых РНС электроннолучевые трубки используются в некоторых контрольных приборах для наблюдения за качеством принимаемых сигналов.

Более широкое применение в штурманской практике нашли косвенные методы измерения разности фаз. При косвенных измерениях сигналы преобразуются так, чтобы измеряемой разности фаз соответствовала определенная амплитуда напряжения, число импульсов или другой параметр. Косвенные измерения могут быть выполнены с использованием фазового детектора и стрелочного (или цифрового) измерительного прибора.

Фазовые измерения в большинстве ПИ осуществляются с использованием фазометрических следящих систем компенсационного типа, которые могут быть выполнены на аналоговой или дискретной элементной базе.

Рис. 23.14. Функциональная схема компенсационно-следящего
фазометра аналогового типа

Чувствительный элемент этой схемы — фазовый детектор ФД, эквивалентная функциональная схема которого включает в себя перемножитель и интегратор. При подаче на 2 входа ФД колебаний и , разность фаз которых необходимо измерить, на выходе перемножителя будет вырабатываться напряжение, содержащее постоянную и переменную составляющие:

Переменная составляющая в дальнейшем подавляется в интеграторе, представляющем собой фильтр нижних частот. Поэтому на выходе ФД получим управляющее напряжение u_упр, пропорциональное косинусу разности фаз сравниваемых колебаний:

Это напряжение после усиления и преобразования в усилителе управляющего напряжения УУН управляет работой исполнительного двигателя М, который начинает разворачивать ротор фазовращателя ФВ, установленного в цепи одного из сравниваемых по фазе колебаний. Поворот ротора ФВ на угол y вызывает изменение фазы колебаний u₂(t) на этот же угол, что сопровождается изменением (уменьшением) управляющего напряжения u_yпp. Отработка следящей системы закончится тогда, когда напряжение u_yпp рассогласования не станет равным нулю, что будет иметь место при очевидном условии:

(23.29)

Угол поворота ФВ y₀, удовлетворяющий условию (23.29), определяется:

Таким образом, после отработки следящей системы угол y₀ поворота ротора ФВ равен разности фаз сравниваемых колебаний с точностью до динамической ошибки следящей системы.

Постоянный сдвиг фазы на 90° учитывается при градуировке шкалы индикатора разности фаз. Отрицательную обратную связь в следящей системе обеспечивает тахогенератор ТГ. Точность измерения разности фаз рассмотренным методом лежит в пределах 0,005—0,01 фазового цикла.

В современных ПИ все более широкое распространение находит дискретный метод измерения разности фаз колебаний, обеспечивающий точность до 0,001 фазового цикла. В соответствии с этим методом фиксируются моменты времени между переходами через нуль двух сравниваемых колебаний и полученный временной интервал заполняется импульсами высокостабильной частоты повторения. Далее эти импульсы подсчитываются электронным счетчиком. Результат подсчета импульсов легко преобразуется в искомое значение РНП — разность фаз сравниваемых колебаний.

В качестве фазозапоминающего устройства в ПИ фазовых РНС используются опорные генераторы (ОГ) бортовой аппаратуры, снабженные системой автоматической подстройки фазы (АПФ). Функциональная схема системы АПФ ОГ аналогового типа (рис. 23.15) принципиально не отличается от рассмотренной выше фазоизмерительной схемы компенсационно-следящего типа.

Рис. 23.15. Функциональная схема системы автоматической подстройки

фазы (частоты) опорного генератора

Пусть на левый вход ФД схемы АПФ поступает колебание, фазовое состояние которого необходимо «запомнить». При наличии рассогласования по фазе (частоте) между этим колебанием и колебаниями ОГ выработанное ФД управляющее напряжение после усиления и преобразования в усилителе УУН приводит во вращение исполнительный двигатель М. Двигатель одновременно разворачивает ротор фазовращателя ФВ и ротор конденсатора переменной емкости С, включенного в контур ОГ. В результате в процессе отработки схемы синхронно изменяются частота и фаза колебаний ОГ до тех пор, пока управляющее напряжение на выходе ФД не станет равным нулю. В этом случае будет иметь место совпадение колебаний ОГ по частоте и фазе с входными колебаниями.

В ПИ импульсно-фазовых РНС широко используются схемы измерения РНП, чувствительный элемент которых — временные различители (ВР). Временной различитель по существу представляет собой ключевую схему, управляемую измерительными импульсами — стробами.

Функциональная схема использования ВР в измерительном канале ПИ и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены соответственно на рис. 23.16, а и б.

На вход ВР подается гармоническое напряжение 1, слежение за точками перехода через ноль которого необходимо осуществить. Измерительные импульсы малой длительности — стробы 2 поступают на ВР и разрешают прохождение на его выход сигнального напряжения, совпадающего во времени со стробом. Если существует временное рассогласование между точками перехода через нуль сигнального напряжения и стробами, то в зависимости от его знака в интеграторе схемы будет накапливаться напряжение 3 (3') определенной полярности, которое по достижении некоторого порогового значения используется как сигнал на перемещение стробов во времени до совпадения их с точками перехода через нуль входного напряжения (2'').

Рис. 23.16. Функциональная схема использования временного различителя в

измерительном канале ПИ и временные диаграммы, поясняющие его работу

Осуществив подобную процедуру во втором аналогичном канале слежения с другим из сравниваемых по фазе колебаний и, измерив временной сдвиг между стробами первого и второго каналов, получают отсчет РНП — временного сдвига между входными напряжениями либо непосредственно в единицах времени (импульсный отсчет), либо в долях периода сравниваемых колебаний (фазовый отсчет).

Рис. 23.17. Функциональная схема преобразования частоты радионавигационных сигналов

Пусть 2 гармонических напряжения и с разностью фаз смешивают в двух смесителях с колебаниями вспомогательного ОГ (гетеродина) ПИ . На выходах фильтров соответствующих каналов выделяются колебания разностной частоты :

.

Очевидно, что разность фаз этих колебаний, измеренная на разностной более низкой частоте остается неизменной, т. е. равна разности фаз входных высокочастотных колебаний:

.

Таким образом, процесс преобразования частоты в бортовых ПИ фазовых РНС не является препятствием для реализации фазовых измерений НП.

23.6 ФАЗОВАЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКАЯ РНС «ДЕККА»

Радионавигационная система средней дальности действия «Декка-Навигатор» (сокращенно «Декка») относится к классу гиперболических фазовых РНС с частотной селекцией сигналов и работает в длинноволновом диапазоне волн. Разработана в годы второй мировой войны в Великобритании, для целей морской навигации используется с конца 40-х годов и с тех пор получила широкое распространение. В настоящее время в различных регионах земного шара станций системы обеспечивают навигацию в районах интенсивного судоходства: европейские воды от Нордкапа до Гибралтара, район Персидского зал, Бомбея, Калькутты, северо-западное побережье Австралии, восточное побережье Канады, Гвинейский зал., побережье Японии, Южной Африки.

Дальность действия системы составляет 250—300 миль при расстояниях между береговыми станциями цепочек порядка 60—120 миль. Точность определения места зависит от многих факторов. Это в первую очередь взаимное расположение потребителей навигационной информации относительно береговых станций данной цепочки и связанных с этим длин трасс и условий распространения радиоволн, времени суток, геометрического фактора, уровня помех и т. п.

Так, при работе в дневное время на удалениях до 100 миль от береговых станций точность определения места обеспечивается в пределах 0,01—0,03 мили. В ночное время на дальностях порядка 250 миль она может ухудшиться до 1,0—1,5 мили. На рис. 23.19, б показаны зоны действия РНС «Декка».