ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 3 страница

23.6.1. Береговые станции РНС «Декка», режим излучения сигналов

Стандартная цепочка РНС «Декка» включает в себя 4 береговых синхронизированных излучателя: ведущая станция и 3 ведомых (рис. 23.19, а). Ведомые станции в фазовой РНС «Декка» получили специальные названия по цвету гиперболических изолиний на навигационных картах: красная, зеленая и фиолетовая.

Рис. 23.19. а) - стандартная цепочка РНС «Декка»;

б) – зоны действия РНС «Декка»

Береговые станции цепочек РНС «Декка» создают в пространстве электромагнитное поле высокостабильной фазовой структуры с высокой разрешающей способностью, периодически изменяют её, загрубляют при переходе в режим устранения многозначности фазовых измерений. В основном режиме точных фазовых измерений в целях обеспечения когерентности колебаний береговые станции излучают незатухающие гармонические сигналы частот, являющихся гармониками одной, так называемой базисной частоты 1f; ведущая станция 6f , ведомые станции соответственно красная 8f, зеленая 9f фиолетовая 5f.

Каждая цепочка имеет свое значение базисной частоты 1f, которое в зависимости от обозначения цепочки может лежать в пределах 14,0—14,3 кГц. Цепочки РНС «Декка» обозначаются буквенно-цифровой комбинацией, например, 6Е—цепь Финского зал, 0А — Южная Балтийская, 10В—цепь пр. Скагеррак и т.д. Цифра в обозначении цепочек может принимать значения N=0, 1, 2, .... 10, в качестве букв используются первые 6 букв латинского алфавита: А, В, С, D. Е, F. Если буквам присвоить определенные цифровые значения Q (табл. 23.2), то образование базисных частот в зависимости от обозначения цепочек можно представить в виде формулы:

Таблица 23.2

Используемый в настоящее время режим излучения береговых станций РНС «Декка» носит название МР («Multipulse») и отличается повышенной степенью защиты от ионосферных сигналов в пределах рабочей зоны системы относительно использовавшихся ранее режимов излучения VI и V2. Временная диаграмма излучения береговых станций в этом режиме представлена на рис. 23.20.

Рис. 23.20. Временная диаграмма излучения береговых
станций РНС «Декка» в режиме МР

Полный цикл излучения составляет 20 с. В пределах этого интервала времени каждая станция цепочки почти непрерывно излучает незатухающие когерентные колебания своей частоты:

ведущая станция — 6f (в диапазоне 84—86 кГц в зависимости от конкретного значения базисной частоты 1f данной цепочки); ведомые станции соответственно: красная — 8f (112—115 кГц), зеленая — 9f (126—129 кГц), фиолетовая—5f (70—72 кГц), которые и определяют в процессе преобразования и измерений в бортовых ПИ семейства точных гиперболических изолиний.

Для устранения многозначности получаемых фазовых отсчетов нормальная работа станций кратковременно прерывается на 0,45 с 4 раза за цикл излучения. В течение этих кратковременных перерывов каждая береговая станция цепочки в определенной последовательности — ведущая, красная, зеленая, фиолетовая — излучает одновременно колебания всех четырех частот — 6f, 8f, 9f, 5f, присущие данной цепочке РНС «Декка», причем у остальных станций в эти интервалы времени пауза в излучении. Бортовые ПИ в эти перерывы работают в режиме устранения многозначности — формирования грубой сетки гипербол, синтезируя из принимаемых частот тем или иным способом в зависимости от типа ПИ колебания базисной частоты 1f, фазовые измерения на которой и формируют грубые дорожки (зоны) в РНС «Декка».

Кратковременные перерывы в излучении ведущей станции на 0,1 с, предваряющие переход береговых станций в режим излучения четырех частот одновременно (так называемые стартстопные сигналы), являются управляющими сигналами для перевода ведомых станций и бортовых ПИ в режим устранении многозначности фазовых отсчетов. Передающие станции РНС «Декка» оборудованы аппаратурой высокой степени надежности с применением средств аппаратурного резервирования и допускают работу без обслуживающего персонала в автоматическом режиме. Всё управление и контрольза работой цепи осуществляет обслуживающий персонал пятой станции — станции управления и контроля, на которую, в частности, возлагается задача контроля за излучением станций цепочки, за стабильностью создаваемых изолиний в рабочей зоне системы и передача соответствующих команд управления работой станций цепи.

Для обмена телеметрической информацией между станциями цепи и станцией управления организован отдельный частотный канал па частоте 8,2f («оранжевая» частота) в промежутки времени, когда эта частота не используется для создания так называемых суперзон на разностной частоте 8,2f — 8,0f = 0,2f. Эта вторая ступень устранения многозначности с коэффициентом сопряжения 5 относительно первой используется лишь в воздушной навигации и на временной диаграмме излучения (см. рис. 23.20) частота 8,2f не показана, чтобы не затруднять чтение основной информации.

Мощность излучения береговых станций РНС «Декка» составляет несколько сотен ватт. Передающие антенны имеют диаграмму направленности, обеспечивающую основную часть излучения под малым углом к горизонту в целях уменьшения энергии ионосферного сигнала РНС.

Одно из основных условий функционирования цепи РНС «Декка», как и любой разностно-дальномерной системы, – обеспечение согласованности, синхронизированного излучения станций. Надежная синхронизация излучения ведомых станций колебаниями ведущей должна осуществляться поверхностными сигналами, что возможно при длинах баз до 80 миль.

Такие относительно небольшие базы в свою очередь приводят к незначительным по площади рабочим зонам.

В модернизированных цепочках РНС «Декка» синхронизация излучения передающих станций обеспечивается использованием атомных стандартов частоты на рубидиевой основе с относительной нестабильностью колебаний 1·10^-12, что обусловливает возможный суточный дрейф изолиний, не превышающий 0,04 доли точной дорожки по любому их семейству. При этом возможность отказа от непрерывной во времени синхронизации ведомых радиоизлучением ведущей станции позволяет в целях расширения рабочих зон РНС увеличивать базовые расстояния до 100 – 160 миль, корректируя рубидиевые стандарты частоты ведомых станций один раз в сутки – в момент местного полдня, когда воздействие ионосферных волн минимально. Кроме того, применение подобного способа синхронизации колебаний весьма эффективно для цепочек, базовые линии которых проходят по районам с плохими или нестабильными условиями распространения поверхностных радиоволн.

23.6.2. Судовые приёмоиндикаторы РНС «Декка»

Как уже отмечалось выше, в режиме точных фазовых измерений, определяющим формирование точной сетки гипербол, каждая станция цепочки РНС «Декка» — ведущая, красная, зеленая, фиолетовая — излучает одно гармоническое колебание частоты 6f, 8f, 9f и 5f соответственно. В судовом ПИ фирмы «Декка» (рис. 23.21) все четыре одновременно принятых колебания усиливаются в соответствующих частотных каналах и далее с использованием умножителей частоты преобразуются в частоты сравнения Mf, которые в ПИ данного типа выбраны наименьшими общими кратными для частот излучения каждой пары станций (ведущая — одна из ведомых).

Нетрудно убедиться, что частотами сравнения при таком способе их выбора будут частоты: 24f » 340 кГц — для красной пары станции, 18f » 255 кГц — для зеленой и 30f » 425 кГц — для фиолетовой. После образования из принимаемых сигналов колебаний частот сравнения они подаются на фазоизмерительные устройства ФИУ, число которых равно количеству пар станций. Измеренное значение разности фаз индицируется отдельным фазовым индикатором ФИ, окрашенным соответственно в красный, зеленый и фиолетовый цвета.

Рис. 23.21. Упрощенная функциональная схема судового приемоиндикатора фирмы «Декка» в режиме точных фазовых измерений

Фазовая структура электромагнитного поля, образующаяся в рабочей зоне системы в результате работы красной пары станций, а также строение красного фазового индикатора представлены на рис.23.22.

Большая стрелка фазового индикатора делает один оборот при изменении разности фаз колебаний, приходящих от ведущей и красной станций, на частоте 24f на 360°, т. е. при перемещении судна на ширину одной точной дорожки. Цена деле-ния шкалы—0,01 (1 сантицикл). Если воспользоваться зависимостью (23.27), то можно показать, что на выбранных частотах сравнения в ПИ фирмы «Декка» ширина точной дорожки на базах станций оказывается равной около 440, 590 и 350 м соответственно по каждой паре станции. Причем, естественно, чем выше частота сравнения, тем ширина точной дорожки будет меньше.

30:1, равными коэффициентам сопряжения грубой и точных семейств дорожек по соответствующим парам станций.

Для исключения ошибок штурмана при снятии отсчетов нумерация точных дорожек различна по каждому фазовому индикатору: красный — 24 дорожки, от 0 до 23-й; зеленый — 18 дорожек, от 30-й до 47-й; фиолетовый—30 дорожек, от 50-й до 79-й. Подобный прием позволяет не записывать цвет фазового индикатора при снятии отсчета РНП.

При пересечении судном грубой дорожки ось малой стрелки совершит полный оборот и, приводя во вращение через редуктор N_з : 1 диск, изменит индицируемый в прорези фазового индикатора номер грубой дорожки. Грубые дорожки в РНС «Декка» называются зонами, имеют буквенные обозначения А, В, С, D, Е, F, G, Н, I, J, т. е. всего 10 зон при измерениях по любой паре станций. Оцифровку зон, точных дорожек и изолиний (гипербол) ведут от ведущей станции к ведомой. Заметим, что так как зоны вне зависимости от цвета ведомой формируются на частоте сравнения 1f, то ширина их одинакова и составляет, в частности, на базовой линии около 10500 м в зависимости от конкретного значения базисной частоты данной цепочки. В некоторых цепочках с увеличенными базовыми расстояниями на них укладываются более 10 зон, тогда индексы зон повторяются в том же порядке.

Таким образом, при непрерывных фазовых измерениях в рассматриваемом режиме работы ПИ все соотношения между гиперболами, дорожками и зонами будут автоматически выдерживаться и соответствовать реальному местоположению судна. При начальном входе в пределы рабочей зоны РНС или после перерыва в работе ПИ отсчет номера гиперболы (сантицикл) установится автоматически, в то время как номер дорожки и зоны может оказаться ошибочным.

В целях устранения многозначности фазовых отсчетов — нахождения номера точной дорожки, в пределах которой находится судно, необходимо проводить фазовые измерения на существенно более низких частотах сравнения, образующих, следовательно, значительно более широкие дорожки. В РНС «Декка» в качестве такой низкой частоты выбрана базисная частота для всех пар станций данной цепочки — 1f, что и определило организацию режима временной селекции в системе при устранении многозначности фазовых отсчетов.

Самый простой, на первый взгляд, путь решения этой проблемы — кратковременный перевод береговых станций цепочки на излучение частоты 1f последовательно во времени неприменим по техническим соображениям. Излучение очень низких частот требует больших габаритов антенных систем, а также энергетически невыгодно. Поэтому было найдено другое решение, а именно: синтезировать частоту 1f уже в бортовых ПИ, выделяя ее тем или иным образом из частот, излучаемых береговыми станциями в режиме устранения многозначности фазовых измерений, но лежащих в рабочем диапазоне частот системы 5f — 9f.

В соответствии с режимом излучения береговых станций МР к бортовому ПИ последовательно в свои кратковременные промежутки времени (0,45 с) приходят с интервалом 2,5 с колебания всех четырех частот 6f, 8f, 9f, 5f, излучаемые каждой из береговых станций в очередности; ведущая — красная — зеленая — фиолетовая. Синтез необходимой частоты 1f из этих колебаний в принципе может быть реализован несколькими методами. Наиболее современный метод, реализующий в полной мере преимущества режима МР с целью увеличения дальности надежного разрежения многозначности фазовых отсчетов, заключается в следующем.

По первому стартстопному сигналу после 10 с излучения береговых станций в режиме формирования точной сетки гипербол в бортовом ПИ осуществляются внутренние коммутации, сводящиеся к преобразованию функциональной схемы (рис. 23.21) в схему, изображенную на рис. 23.23, а также установка электронного коммутатора S, управляемого стартстопными сигналами, в последней в верхнее положение.

Рис. 23.23. Упрощенная функциональная схема судового приемоиндикатора фирмы «Декка» в режиме устранения многозначности фазовых измерений

Колебания четырех частот, излучаемые после первого стартстопного сигнала ведущей станцией, принимаются, усиливаются и выравниваются по амплитуде в соответствующих усилительных каналах и подаются на синтезатор частоты 1f. Здесь они суммируются в линейном элементе сложения (рис. 23.24). Результирующее сложное колебание имеет явно выраженные главные максимумы - пики с периодом следования T=1/1f. Далее это колебание подается на селектор главных пиков, являющийся, по существу, ограничителем колебаний снизу.

На выходе селектора вырабатываются импульсы, соответствующие вершинам главных максимумов суммарного колеба-ния. В дальнейшем в фильтре эта импульс-ная последовательность преобразуется в незатухающее колебание частоты 1f, жестко связанное по фазе с фазами частотных со-ставляющих суммарного колебания.

После второго, третьего и четвертого стартстопных сигналов электронный коммутатор переключает выход синтезатора частоты 1f непосредственно на ФИУ, на которое, таким образом, последовательно с интервалом 2,5 с поступает колебание 1f, синтезированное из четырех частот, излученных соответственно красной, зеленой и фиолетовой станциями. На другой вход ФИУ непрерывно поступает колебание от ФЗУ, хранящее фазу колебаний 1f ведущей станции. Таким образом, грубый фазовый индикатор ГФИ, начиная с 12,5 с каждого цикла, последовательно с интервалом 2,5 с выдает отсчет, соответствующий доле грубой дорожки (зоны) по красному, зеленому и фиолетовому семействам соответственно. В целях удобства оцифровка шкал ГФИ ведется уже в номерах точных дорожек соответствующих семейств.

Картина фазовой структуры радионавигационного поля в рабочей зоне цепочки для различных моментов времени внутри 20-секундного цикла излучения представлена на рис. 23.25.

Рис. 23.25. Фазовая структура радионавигационного поля в рабочей зоне цепочки для различных моментов времени в пределах 20-секундного цикла излучения береговых станций:

а – почти постоянно, за исключением случаев б - д;

б – с;

в – с;

г – с;

д – с.

Рассмотренный способ синтеза базисной частоты 1f не единственно возможный. В частности, в более ранних ПИ РНС «Декка» (например, «Пирс-1Д») для синтеза частоты 1f использовались не 4 колебания, а только 2 из них. В этом случае процесс формирования частоты 1f заключался в выделении разностной частоты в смесителях колебаний в соответствии с алгоритмами: в момент излучения четырех частот ведущей станции 1f=6f—5f, ведомых станций 1f=9f—8f.

Подобный способ не реализует преимущества и возможности режима излучения МР с точки зрения надежности устранения многозначности на больших удалениях от береговых станций в условиях действия ионосферного сигнала.

В соответствии с изложенным очевидно, что РНС «Декка» не позволяет автономно определить номер грубой дорожки (зоны), в пределах которой находится потребитель навигационной информации (судно). Для определения номера зоны необходимо использовать средства счисления либо другие средства навигационных определений, обеспечивающих точность не хуже половины ширины зоны РНС «Декка».

23.6.3. Влияние пространственных радиоволн на точность фазовых

измерений и надежность устранения многозначности в РНС «Декка»

Для диапазона ДВ, используемого в РНС «Декка», слой D ионосферы полупроводящий, что обусловливает значительное поглощение падающей энергии. Отражение радиоволн от него возможно лишь при больших углах падения c. В силу этого в дневных условиях пространственные сигналы в РНС «Декка» наблюдаются за пределами объявленной дальности действия системы (около 250 миль) и практически не сказываются на точности определения места. В ночных условиях слой Е хорошо отражает длинноволновые колебания, и пространственные сигналы наблюдаются уже с дистанций порядка 100 миль. В силу непрерывного характера излучения береговых станций поверхностный и пространственный сигналы, интерферируя, приводят к образованию в этом случае радионавигационного поля неустойчивой фазовой структуры.

Девиация фазы dy результирующего поля относительно фазы поверхностных сигналов, определяющая погрешность в определении места судна, выражается исходя из векторной диаграммы (рис. 23.26) в виде:

(23.30)

Рис. 23.26. Векторная диаграмма напряженностей пространственных и поверхностных радиоволн

Зависимость (23.30) для q<<1, имеющих место в рабочей зоне РНС «Декка», можно представить следующим образом:

,

где d t —время запаздывания пространственной волны.

Случайные вариации высоты h отражающего слоя ионосферы определяют случайный характер величины d_j , принимающей с равной вероятностью значения от 0 до 2p.

Вводя новое обозначение , равное отношению среднего квадратического значения амплитуды пространственной волны за данный интервал наблюдения к амплитуде поверхностной волны , и учитывая, что среднее квадратическое значение sindj равно , среднее квадратическое значение фазы результирующего поля запишем в виде:

.

Влияние пространственных волн сказывается не только на точности измерения РНП, но и на надежности устранения многозначности.

Так, интерференция поверхностных и пространственных сигналов приводит к нарушению формы синтезированного колебания 1f, причем наиболее опасным, резко понижающим надежность устранения многозначности является случай, когда колебания с частотами 5f и 6f приобретают дополнительное запаздывание по фазе, а 8f и 9f —опережение. Главный максимум результирующего колебания (см. рис. 23.24) при этом уменьшается, а один из побочных возрастает и достигает значения главного при . Такое отношение амплитуд пространственных и поверхностных волн может наблюдаться в ночных условиях на удалениях около 250 миль от ведущей станции. Это расстояние от ведущей станции и взято в РНС «Декка» за официальную дальность действия системы.

23.6.4. Функциональное построение приёмоиндикаторов РНС «Декка»

В настоящее время на судах морского флота для определения местоположения по сигналам береговых станций РНС «Декка» используется ПИ «Пирс-1M». Принцип действия ПИ поясняет функциональная схема, приведенная на рис. 23.27.

Особенностью ПИ «Пирс-1M» является то, что частотами сравнения в нем выбраны, в отличие от аппаратуры фирмы «Декка», частоты излучения nf ведомых станций. Нетрудно заметить, что переход на более низкие частоты сравнения приводит в этом случае к более широким дорожкам, получаемым при выполнении точных фазовых измерений. Эти дорожки получили название «промежуточных» и имеют коэффициент сопряжения по отношению к точным, формируемым в английских ПИ фирмы «Декка», на частотах Mf: красная пара — 3, зеленая — 2, фиолетовая — 6. Ширина промежуточных дорожек на базе составляет соответственно около 1320, 1180, 2100 м. Оцифровка границ промежуточных дорожек на точных фазовых индикаторах «Пирс-1M» выполнена большими цифрами. Надежность опознавания таких более широких дорожек при реализации в условиях устранения многозначности грубых фазовых измерений выше, чем в ПИ с частотами сравнения Mf. В то же время данное техническое решение привело к некоторому усложнению схемы ПИ «Пирс-1M»: появление второй ступени устранения многозначности, необходимость использования более прецизионных фазоизмерительных схем в каналах точных фазoвыx измерений для сохранения их необходимой точности.

Рис. 23.27. Функциональная схема приёмоиндикатора «Пирс-1M»

Синхронизация ПИ, прием и усиление сигналов.Приёмник «Пирс-1M» включает в себя 4 основных узкополосных канала усиления и преобразования колебаний, один дополнительный канал синхронизации и выполнен по супергетеродинной схеме. Наличие специального канала синхронизации для подстройки с помощью системы фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ колебаний опорного генератора ОГ под частоту и фазу сигнала ведущей станции в целях создания его стабильной копии — эффективное средство помехозащиты ПИ.

Генератор гетеродинных частот ГГЧ вырабатывает частоту 6Δ, номинальное значение которой определяется положением регулятора «Номер цепочки». Колебания 6Δ далее непосредственно используются для преобразования частоты в смесителях основного и дополнительного каналов частоты 6f, а в каналах ведомых станций преобразуются соответственно в колебания 8Δ, 9Δ, 5Δ.

В результате смешивания колебаний 6f, 8f, 9f, 5f поступающих с антенны, с колебаниями блока гетеродинных частот 6Δ, 8Δ, 9Δ, 5Δ в смесителях образуются колебания с частотами 6F, 8F, 9F, 5F, которые остаются неизменными при работе по любой цепочке РНС «Декка». Заметим, что процесс преобразования частоты, описанный в предыдущих подразделах, не сказывается на результатах последующих фазовых измерений, что и будет использовано в дальнейшем при описании работы прибора. Полученные таким образом колебания 6F, 8F, 9F, 5F после усиления в усилителях УПЧ поступают далее на фазовые дискриминаторы для производства фазовых измерений.

Режим точных фазовых измерений.Предполагая первоначально, что приёмные тракты не вносят фазовых искажений, колебания на выходах соответствующих УПЧ можно записать в виде:

(23.31)

(23.32)

где D_m – расстояние от ведущей станции до судна;

v_ф — фазовая скорость распространения радиоволн;

n = 8, 9, 5 в зависимости от «цвета» станции;

D_n – расстояние от соответствующей ведомой станции до судна.

С другой стороны, после окончания отработки системы ФАПЧ канала синхронизации на ее выходе вырабатываются колебания, синфазные с колебаниями ведущей станции, но в гораздо меньшей степени подверженные воздействию случайных помех. Эти колебания поступают через блок ведущего фазовращателя БВФ, дискретный фазовращатель ДФВ на делитель частоты на 6.

Процесс деления частоты колебаний сопровождается появлением многозначности фазы получаемых колебаний, так как он может начаться с любого периода делимого колебания (рис. 23.28).

Возможная дискретность в начальной фазе выходного колебания делителя составляет, очевидно, 2p / k, где k —коэффициент деления.

Тогда на выходе делителя частоты на 6 колебания можно записать в виде:

(23.33)

где x — неизвестное случайное целое число, лежащее в пределах от 0 до 5.

Рис. 23.28. Временные диаграммы, поясняющие появление многозначности фазы колебаний в процессе деления частоты

Далее колебание (23.33) приводится к частотам ведомых станций в соответствующих умножителях частоты:

(23.34)