ИМПУЛЬСНО - ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

24.1 ПРИНЦИП ИМПУЛЬСНО - ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Все рассмотренные ранее РНС используют какой-либо один из параметров радиосигнала: амплитуду, фазу или время распространения. В то же время, комбинированное использование двух или более параметров радиосигнала в одной системе оказывается чрезвычайно выгодным, так как позволяет, сохранив достоинства используемых методов, исключить их недостатки. Так возникла идея создания импульсно-фазовых РНС, реализующих одновременно импульсные и фазовые измерения. Известно, что основными достоинствами импульсных РНС являются однозначность отсчетов во всей рабочей зоне системы, а также возможность исключения помех от влияния пространственных радиоволн. Недостатком импульсных измерений, основанных на определении временного положения характерных точек огибающих, является их невысокая точность. Причиной погрешностей является флюктуация положения характерной точки.

Необходимо подчеркнуть, что здесь речь идет о радионавигационных системах дальнего действия. В импульсных системах ближнего действия, работающих в диапазоне ультракоротких радиоволн, за счет очень малой длительности импульса (порядка 0,5—0,8 мкс) удается достичь высокой точности измерений.

Фазовые измерения позволяют определять временное запаздывание сигналов с точностью до сотых и даже тысячных долей периодов высокочастотного заполнения, однако они дают неоднозначные измерения навигационного параметра и сильно подвержены влиянию пространственных радиоволн, что практически не позволяет использовать фазовые системы ночью на больших удалениях. Импульсно-фазовая система, работая в импульсном режиме, обеспечивает однозначные измерения во всей рабочей зоне системы, обладает возможностью разделения поверхностного и пространственного сигналов и в то же время дает наиболее точные измерения, присущие фазовым системам в пределах дальности распространения поверхностных радиоволн.

В настоящее время используется несколько вариантов импульсно-фазовых измерений. Один из них состоит в следующем. Пусть наземные станции излучают импульсные радиосигналы (рис. 24.1), которые аналитически описываются выражением: (24.1)

где U(t) — огибающая радиоимпульса;

Т — период несущих колебаний.

Рис. 24.1. К принципу импульсно-фазовых измерений

В точку приема эти колебания приходят с запаздыванием относительно момента их излучения, пропорционально пройденным расстояниям D_ВЩ от ведущей станции, D_ВМ — от ведомой станции.

Таким образом, сигнал ВЩ станции в точке приема описывается выражением:

24.2)

а сигнал ВМ станции — выражением

(24.3)

где - (если принять, что ВЩ и ВМ станции излучают сигналы одновременно).

Измерения производятся в два этапа. На первом этапе грубых измерений измеряется временной интервал между характерными точками огибающих сигналов аналогично тому, как это выполняется в приемоиндикаторах импульсных РНС (см. рис. 24.1),

На втором этапе производятся точные измерения, в процессе которых измеряется сдвиг фазы высокочастотного колебания ведомой станции относительно фазы колебания ведущей станции. Аргументы косинусов в формулах (24.2) и (24.3) являются текущими фазами колебаний ВЩ и ВМ станций. Разность фаз равна:

(24.4)

Формула (24.4) показывает однозначную связь временного интервала между какими-либо одноименными точками высокочастотного заполнения импульсов ВЩ и ВМ станций и разностью фаз этих колебаний. Другими словами, точные измерения могут проводиться либо прямыми фазовыми методами, т. е. применением типовых фазометрических устройств, либо измерением временного интервала между какими-либо одноименными точками высокочастотного заполнения. Обычно для этого используются точки перехода через нуль соответствующих периодов колебаний. Те точки перехода через нуль, которые приняты для измерений, называются характерными точками высокочастотного заполнения.

Выбор периода высокочастотного заполнения для измерений существенно сказывается как на возможностях технической реализации, так и на точности измерений. Основная трудность заключается в опознавании выбранного периода. Вопрос стоит следующим образом.

Если навигационный параметр измеряется как временной интервал между началами каких-либо одноименных i-x периодов ведущего и ведомого сигналов (i=1, 2, 3, ..., n, где п—количество периодов в импульсе), то как опознать этот i-й период, учитывая, что все периоды между собой идентичны? Опознавание это основано на использовании закона изменения огибающей радиоимпульса. Для измерения используется та точка перехода через нуль, которая по времени совпадает с характерной точкой огибающей. Обычно радиоимпульс формируется таким образом, чтобы характерная точка переднего фронта огибающей не была подвержена влиянию пространственных волн Е1 и Е₂ (не далее 30—35 мкс от начала импульса, см. рис. 24.2).

Рис. 24.2. Положение отраженных импульсов относительно поверхностного

Так как период колебания равен 10 мкс (для несущей частоты f=100 кГц), с характерной точкой огибающей совпадает начало третьего или четвертого периода высокочастотного заполнения. В то время, как огибающая импульса вследствие помех подвержена флюктуациям, положение нулевых точек во времени в каждом пункте приема остается практически постоянным, что и обеспечивает высокую точность измерений.

В некоторых современных импульсно-фазовых РНС применяются и другие способы технической реализации измерений, однако общим для всех них является применение измерений вначале по огибающей, а затем—по высокочастотному заполнению. Необходимо иметь в виду, что надежность разрешения многозначности точных измерений зависит от точности измерения на первом, грубом этапе.

Если они будут произведены с погрешностью, превышающей допустимое значение, то в процессе точных измерений временной интервал может быть измерен между разноименными периодами сигналов ВЩ и ВМ станций и измеренный навигационный параметр будет отличаться от истинного на один или несколько периодов высокочастотного заполнения.

Это может произойти в том случае, если из-за искажения фронта импульса ВЩ станции характерная точка его огибающей окажется близкой, например, к началу пятого периода, а импульса ВМ станции — к началу четвертого периода. Тогда измеренный временной интервал будет меньше истинного значения на величину одного периода ВЧ заполнения.

Исходя из этого, измерения по огибающей должны быть выполнены с погрешностью, не превышающей половины периода несущей частоты. Для f = 100 кГц допустимая погрешность грубых измерений определяется из условия:

В этом случае точные измерения будут выполнены с погрешностью, не превышающей 0,01—0,001 периода несущей частоты:

Возможность измерения навигационного параметра с такой высокой точностью является одним из основных достоинств импульсно-фазовой системы.

В настоящее время на судах широко применяются импульсно-фазовые РНС «Лоран-С» и «Чайка» (РСДН-3, Россия). Ведутся работы по объединению в северной части Тихого океана цепей РНС «Лоран-С» и «Чайка» в общую цепь.

Рис. 24.3. Варианты расстановки наземных станций импульсно-фазовых РНС дальнего действия

24.2 ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВАЯ РНС «ЛОРАН-С»

Импульсно-фазовая радионавигационная система (ИФРНС) «Лоран-С» (LORAN—Long Range Navigation) разработана в США и введена в эксплуатацию в конце 50-х годов. Это второе поколение систем типа «Лоран».

Как было изложено в главе 22 импульсная система первого поколения «Лоран-А» разработана в 1942 г. и используется для обеспечения навигации на удалениях порядка 600— 700 миль от береговых станций (при использовании поверхностных сигналов) при точности определения места 0,5—1,5 мили. РНС «Лоран-А» работает в средневолновом диапазоне на частотах излучения около 2 МГц (l=150 м). Идеология построения и принцип измерения радионавигационного параметра (РНП) в импульсной РНС в общих чертах рассмотрены ранее.

Большое достоинство импульсной РНС — отсутствие при надлежащей организации излучения многозначности измерений, а также возможность селекции (разделения) поверхностных и пространственных сигналов в точке приема. Вместе с тем относительно низкая точность импульсного метода измерения РНП мкс не позволяет эффективно использовать систему для обеспечения прибрежной навигации.

Стремление улучшить точность импульсной РНС за счет применения фазовых методов измерения РНП с одновременным увеличением дальности действия системы при переходе в диапазон длинных волн привело к созданию импульсно-фазовых РНС.

В 1974 г. решением правительства США импульсно – фазовая РНС «Лоран-С» признана основной гражданской навигационной системой в прибрежной зоне США. В настоящее время развернуто 16 цепей импульсно – фазовой РНС «Лоран-С», включающих в себя 51 станцию, которые обеспечивают навигацию морских и воздушных транспортных средств в северном полушарии. Кроме этого, широко используются цепи тактических импульсно – фазовых РНС «мини-Лоран» («Accufix». США, «Pulse-8», Великобритания) для обеспечения высокоточной радионавигационной информацией ограниченных районов. Все технические параметры данных систем, за исключением дальности действия, соответствуют системе «Лоран-С», что предполагает использование в их рабочих зонах обычных приемоиндикаторов импульсно – фазовых РНС.

В 1980 г. в связи с широким развёртыванием импульсно-фазовых РНС прекращена эксплуатация всех станций РНС «Лоран-А», находящихся в ведении США. Эксплуатируется лишь ряд цепей этой системы, обеспечивающих побережье Японии.

Стандартная цепь импульсно – фазовой РНС «Лоран-С» состоит из ведущей станции (Master) и до четырех ведомых (Slave), обозначаемых буквами W, Х; У, Z, излучение которых жестко синхронизировано между собой. Все береговые станции излучают радиоимпульсы специальной формы на одной несущей частоте 100 кГц.

Дальность действия системы составляет до 1200 миль при работе на поверхностных сигналах при точности определения РНП с использованием ПИ с реализацией фазовых методов измерений 0,1—0,3 мкс (соответствующая средняя квадратическая погрешность определения навигационного параметра 90—150м).

Использование пространственных сигналов увеличивает дальность действия системы в 2 раза с одновременным ухудшением точности определения места до 1,5—3 миль.

Принцип измерения РНП в импульсно – фазовой РНС поясняется рис. 24.4. Пусть в точке расположения приемоиндикатора последовательно принимаются импульсы, одновременно излученные ведущей ВЩ и ведомой ВМ станциями (рис. 24.4,а).

При реализации фазовых измерений в импульсно – фазовой РНС «Лоран-С» фиксируются моменты перехода через нуль в положительном направлении высокочастотного заполнения импульсов в конце их третьего периода, которые и формируют точный фазовый отсчет РНП Dt_Ф. Эти измерения действительно будут фазовыми, так как используют внутреннюю фазовую структуру импульсов. Их инструментальная точность лежит в пределах 0,005—0,01 фазового цикла, что составляет 0,05—0,1 мкс при периоде высокочастотного заполнения Т = 1/f = 10 мкс. Очевидно, что в реальных условиях, особенно при наличии помех измерениям различной природы, возможна ошибка в определении РНП, равная пТ (п = ±1, ±2...), что эквивалентно проявлению многозначности фазовых отсчетов. По аналогии с фазовыми системами структуру радионавигационного поля в рабочей зоне импульсно – фазовой РНС можно в принципе оценивать в терминах образующихся фазовых дорожек. Ширина фазовой дорожки на базовой линии в системе «Лоран-С» постоянна и составляет .

В целях устранения много-значности фазовых отсчётов в импульсно–фазовой РНС сохра-нён метод измерения РНП, ис-пользуемый в РНС «Лоран-А», а именно:

ется особой точкой — ОТ (SSP — standard sampling point) и служит для формирования грубых (импульсных) отсчетов РНП . При выполнении грубых измерений принципиальное значение имеет вопрос о необходимой их точности для успешного решения задачи устранения многозначности фазовых отсчетов. Определение РНП будет однозначным, если ошибка измерения РНП грубым (импульсным) методом будет лежать в пределах

В современных приёмоинди-каторах ОТ радиоимпульса фор-мируется на высокой частоте без выделения огибающей радио-сигнала в соответствии с алго-ритмом (рис. 24.5, а)

Эпюры напряжений, пояс-няющие данный способ форми-рования ОТ, приведены на рис. 24.5, б, в, г. Коэффициент усиле-ния k подбирается таким образом, чтобы выровнять амплитуды третьей отрицательной полувол-ны колебаний u_вх(t) и третьей положительной полуволны u_вх(t—Т/2).

с положительной полуволной u_о.т, позднего (ПСИ) — с отрицательной полуволной, среднего (ССИ) — с точкой перехода через нуль u_о.т.

Создание РНС дальней навигации на ДВ с реализацией фазовых методов измерения РНП оказалось возможным благодаря импульсному характеру излучения береговых станций и обусловленной этим возможностью производить селекцию поверхностных и пространственных сигналов в точке приема.

Рис. 24.6. Поверхностные и пространственные сигналы РНС «Лоран-С»

Рис. 24.7. Задержка пространственных Е-1 сигналов относительно поверхностных Е_пов в импульсно-фазовых РНС

Таким образом, в зоне совместного действия поверхностного и пространственного сигналов, производя фазовые измерения в пределах третьего периода высокочастотного заполнения импульса, можно получить стабильный фазовый отсчет РНП.

Дальность приема поверхностных сигналов импульсно-фазовой РНС «Лоран-С» определяется мощностью излучаемых импульсов, уровнем помех в точке приема, техническими характеристиками приемоиндикатора, характером подстилающей поверхности на трассе распространения. Зависимости напряженности поля поверхностных и однократно отраженных от ионосферы пространственных сигналов в функции от дальности до береговой станции (рис. 24.8) рассчитаны для трасс с различным характером подстилающей поверхности (море, суша) и для различных высот ионосферы (день, ночь) при мощности излучения Р₀ = 100 кВт.

Для других значений мощности излучения P_х напряженность поля поверхностной волны Е_х может быть найдена из выражения:

,

где значение Е₀ снимается с графика (рис. 24.8) для заданной трассы распространения.

Рис. 24.8. Зависимость напряженности поля сигналов от дистанции до излучателя в импульсно-фазовой РНС

Приведенные зависимости можно использовать при эксплуатации приёмоиндикаторов импульсно-фазовой РНС для ориентировочной оценки возможного вида сигнала в точке приема (поверхностный или пространственный).

В силу того, что в диапазоне ДВ пространственные сигналы днем значительно поглощаются нижним слоем D ионосферы и отражаются от него только при достаточно больших углах падения, дневные определения РНП до расстояний 600—800 миль до береговых станций ведутся на поверхностных сигналах. В ночных условиях определения на поверхностных сигналах возможны на удалениях до 600 миль от станций, так как уже на этих дистанциях амплитуды пространственной и поверхностных волн становятся соизмеримыми. Район от 800 до 1000 миль днем и от 600 до 900 миль ночью—участок рабочей зоны РНС «Лоран-С», где пространственные сигналы Е-1 превосходят по амплитуде поверхностные, что может затруднить процесс устранения многозначности в неавтоматических приемоиндикаторах с визуальным поиском и совмещением импульсов на экране ЭЛТ.

На больших удалениях, начиная с 1000 миль от береговых станций вне зоны приема поверхностного сигнала, возможно определение РНП по пространственным сигналам Е-1, с последующим исправлением его поправками, учитывающими разность длин трасс поверхностного и ионосферного сигналов. Эти поправки для данной нары станции приводятся на радионавигационных картах системы «Лоран-С» в микросекундах и обозначаются одним из буквенных сочетаний SS, SG, GS. Первая буква относится к виду принимаемого сигнала от ведущей станции, вторая — к виду сигнала ведомой. Буква «S» (Sky wave) означает, что от данной станции принимается пространственный сигнал. «G» (Ground wave) — принимается поверхностный сигнал. Для расчета поправок можно использовать график (рис. 24.7), входя в него по счислимой дистанции по данной береговой станции.

В силу того, что все станции системы «Лоран-С» излучают импульсы на одной несущей частоте, для обеспечения их пространственно-временной селекции потребовалось выполнить условие: в любой точке рабочей зоны системы сигналы разных станций не должны совпадать во времени. Выполнение этого условия достигается специальной организацией излучения сигналов. Каждая станция данной цепи излучает свои сигналы спустя некоторый интервал времени после приема в точке её расположения сигналов от станции, являющейся более старшей по приоритету в излучении. Приоритет устанавливает последовательность излучения в каждой цепи M®W®X®Y®Z®M (рис. 24.9).

Рис. 24.9. Последовательность излучения сигналов береговых станций РНС «Лоран-С»

Время t_З определяется задержкой многократно отраженных пространственных сигналов по отношению к поверхностным и лежит в пределах 1—2 мс.

Тогда минимально возможный период излучения сигналов определяется выражением для i-й цепи:

(24.5)

где – длина замкнутой линии, соединяющей станции в порядке очередности (приоритета) в излучении сигналов; — число станций в цепи.

Следовательно, чем больше станций в цепи и чем больше базовые линии, тем больший период повторения должен быть установлен для нее. Таким образом, несмотря на стремление уменьшить величину для увеличения средней мощности излучения, его нижний предел не может быть меньше .

Именно параметр используется в «Лоран-С» для идентификации сигналов определенной цепи станций. Каждая цепь имеет собственный период повторения сигналов, выбор которого определяется при обязательном выполнении условия (24.5) в соответствии с алгоритмом:

;

n=5, 6, ..., 10 — номер группы;

N=0, 1, ..., 7 — номер «точного» «значения» периода повторения в группе.

Современное обозначение цепей РНС «Лоран-С» ведется так называемым частотным параметром, определяемым через период повторения сигналов, как . В приёмоиндикаторах старых моделей используется прежнее обозначение цепей, состоящее из буквенных сочетаний: S, SH, SL, SS для номеров групп n=5, 6, 8, 10 соответственно с добавлением числа N для определения точного значения периода в пределах группы. Например, цепь 7970 Норвежского моря имела старое обозначение SL3.

Так как для фазовых измерений используются только 3 первых периода высокочастотного заполнения импульсов, на долю которых падает лишь около 6 % мощности импульса (остальная часть импульса излучается, чтобы уложиться в отведенную для РНС «Лоран-С» полосу частот 90—110 кГц), увеличение длительности импульса не приводит к увеличению дальности действия системы.

В импульсно-фазовой РНС «Лоран-С» в целях увеличения средней мощности излучения каждая станция системы излучает в пределах не одиночный импульс, а пакет: ведущая станция—из девяти импульсов, любая ведомая — из восьми импульсов. Интервал между импульсами в пакете — 1000 мкс, 9-й—маркерный импульс ведущей станции, служащий для ее опознавания в приёмоиндикаторах с использованием ЭЛТ, отстоит от последнего 8-го импульса в пакете на 2000 мкс.

Начальная фаза импульсов в пакетах может меняться на обратную в соответствии с законом фазового кодирования (рис. 24.10). Закон фазового кодирования пакетов всех ведомых станций одинаков и отличается от закона кодирования импульсов ведущей станции, что обеспечивает поиск и опознавание ее сигналов в автоматических приемоиндикаторах. Период Т_к кодирования включает 2 периода следования пакетов: нечетный и четный.

Рис. 24.10. Фазовое кодирование импульсов импульсно-фазовой РНС

Фазовое кодирование позволяет в значительной степени устранить в бортовых приемоиндикаторах влияние многократно отраженных от ионосферы предыдущих импульсов в пакете на последующие поверхностные, а также расширяет спектральные составляющие сигнала в пределах рабочей полосы частот системы, что является дополнительным средством борьбы с шумовыми помехами.

Пакеты ведомых станций, входящих в одну цепь, различают в автоматических приёмоиндикаторах по кодовому времени их задержки t_min относительно момента излучения ведущей станции.

В соответствии с рассмотренной выше организацией излучения в РНС «Лоран-С» значение РНП по каждой паре станций будет лежать в своих вполне определенных, приводимых в соответствующих Руководствах пределах от t_min (на продолжении базовой линии со стороны ведомой станции) до t_max (на продолжении базовой линии со стороны ведущей).

Точность поддержания радионавигационного поля в рабочей зоне импульсно-фазовой РНС определяется в конечном итоге стабильностью колебаний опорных генераторов береговых станций, которая определяется цезиевыми стандартами частоты. Излучение всех цепей «Лоран-С» синхронизируется Всемирным координированным временем (UTC). В состав каждой цепи входят 1—2 контрольных пункта (КП), на которых периодически проверяется точность взаимных временных сдвигов при излучении сигналов и вырабатываются управляющие сигналы на сведение временных шкал береговых станций. При нарушении синхронизации любой станции свыше установленных пределов (0,1 мкс) или нарушении формы излучаемых импульсов аварийная станция по команде КП автоматически начинает передавать специальные предупредительные сигналы потребителям. Это либо амплитудная манипуляция двумя первыми импульсами в пакете аварийной ведомой, либо манипуляция 9-м импульсом пакета ведущей в соответствии с кодом Морзе, определяющим аварийную станцию. Цикл манипуляции— 12 с.

При длине базовых линий 600— 1200 миль импульсная мощность излучения передатчиков станций в зависимости от характера подстилающей поверхности в рабочей зоне составляет от 165 до 2100 кВт. Антенные системы береговых станций представляют собой зонтичные антенны-мачты высотой до 412 м или антенны-полотна в виде квадрата со стороной 425 м.

На рис. 24.11 показано размещение береговых станций РНС «Лоран-С» вдоль побережья США, где она принята в качестве стандартной радионавигационной системы для судоходства в прибрежных водах США.Наземные радиостанции, показанные темными кружками, обеспечивают хороший охват зон (оттенены) вдоль восточного побережья США, в Мексиканском заливе и вдоль западного побережья до южной Аляски. Станции «Лоран-С» также служат для навигации в Средиземном море и еще в некоторых районах (см. рис. 24.12). Приемники этой системы проще и дешевле, чем для РНС «Омега», да и исторически она возникла раньше. А точность ее – не хуже, чем в РНС «Омега», только дальность действия меньше.

Рис. 24.11. Размещение береговых станций РНС «Лоран-С» вдоль побережья США

В табл. 24.1 приведены сравнительные характеристики гиперболических РНС «Лоран-А», «Лоран-С», «Декка».

Табл. 24.1

24.3. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СУДОВЫХ ПРИЁМОИНДИКАТОРОВ

ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РНС

Современные ПИ импульсно-фазовых РНС в зависимости от степени автоматизации процессов поиска, опознавания сигналов станций, фазовых измерений и устранения их многозначности можно подразделить на 3 типа:

автоматические, в которых все указанные операции после выбора конкретной цепи импульсно-фазовой РНС выполняются автоматически;

полуавтоматические, использование которых предполагает наряду с ручной установкой номера цепи ИФРНС первоначальный ввод в ПИ счислимых значений РНП для облегчения аппаратурного поиска сигналов станций;

неавтоматические, в которых операции по подавлению помех, поиску и опознаванию сигналов станций осуществляются оператором вручную.

ПИ третьего типа используют ЭЛТ для визуального контроля за операциями, выполняемыми вручную. Очевидно, что работа таких ПИ возможна лишь в случае превышения уровня сигналов импульсно-фазовой РНС над уровнем шумовых помех на экране ЭЛТ, что является существенным ограничением при их использовании. К данному типу бортовой аппаратуры относится ПИ КПИ-5Ф

24.3.1. Судовой приёмоиндикатор КПИ-5Ф

Судовой приёмоиндикатор КПИ-5Ф (рис. 24.13), используется на судах морского флота для определения места судна по сигналам импульсной РНС «Лоран-А» или импульсно-фазовой РНС «Лоран-С».

Рис. 24.13. Упрощенная функциональная схема приемоиндикатора КПИ-5Ф

Радиоприемное устройство длинноволнового канала выполнено по схеме прямого усиления на частоте 100 кГц. Полоса пропускания составляет около 20 кГц. Предусмотрена возможность изменения частоты настройки приемника в пределах ±9 кГц с целью улучшения условий распознавания типа принимаемого сигнала (поверхностный, пространственный). В приемном устройстве используются 4 настраиваемых вручную режекторных (заграждающих) фильтра, позволяющих подавить 4 узкополосные помехи в полосе частот 85—115 кГц, источником которых могут являться, в частности, сигналы фазовой РНС «Декка» или РСВТ-1с.

Опорный кварцевый генератор ОГ ПИ вырабатывает гармоническое напряжение частоты 5 МГц. Это колебание после преобразования в импульсное поступает далее на вход опорного делителя частоты ОДЧ, представляющего собой ряд последовательно включенных триггеров. При поступлении на вход ОДЧ числа импульсов, равного установленному (в ОДЧ) коэффициенту деления, все триггеры его устанавливаются в нулевое (исходное) состояние, что сопровождается выработкой выходного импульса ОДЧ. Коэффициент деления устанавливается регуляторами п («основные частоты») и N («дополнительные частоты») таким образом, чтобы период следования последовательности импульсов канала А (ведущей станции) на выходе ОДЧ был бы равен периоду повторения пакетов выбранной цепи импульсно-фазовой РНС.

РНП — разность моментов прихода сигналов от ведущей и ведомой станций в КПИ-5Ф измеряется компенсационным методом, заключающимся в замене (компенсации) измеряемого временного интервала равновеликой ему, искусственно вырабатываемой в ПИ задержкой времени между измерительными импульсами-стробами. В этих целях синхронизатор прибора вырабатывает также последовательность импульсов канала Б (ведомой станции), временное положение которых может быть сдвинуто относительно импульсов канала А на фиксируемый с точностью до 0,1 мкс интервал времени в пределах до 70000 мкс. Такая импульсная последовательность с калиброванной задержкой вырабатывается следующим образом. В исходном состоянии в реверсивном счетчике РСЧ хранится двоичный код какого-либо числа. В схеме сравнения кодов ССК поразрядно сравниваются двоичные коды числа хранимого в РСЧ и числа, определяющего состояние ОДЧ, которое постоянно меняется в процессе деления частоты колебаний ОГ. В момент времени, когда коды чисел в ОДЧ и РСЧ совпадут, ССК выработает импульс канала Б (ведомой станции). Таким образом, временной сдвиг импульсов каналов А и Б определяется кодом числа, записанного в РСЧ. Это число можно изменить в положении регулятора «Перемещение»—«Б» кнопками «Вправо» (в большую сторону) или «Влево» (в меньшую сторону). При условии установки регулятора «Перемещение» в положение «А», изменяя кнопками «Влево», «Вправо» коэффициент деления ОДЧ в большую или меньшую сторону, осуществляется одновременный сдвиг во времени импульсных последовательностей каналов А и Б относительно принимаемых радиосигналов. Двоичное число, записанное в РСЧ и определяющее временную задержку импульсов канала Б относительно импульсов канала А, преобразуется в дешифраторе ДШ в сигналы управления табло, который включается нажатием кнопки «Отсчет».

Для того чтобы на табло индицировался отсчет РНП, необходимо совместить последовательность импульсов канала А с сигналами ведущей станции, последовательность импульсов канала Б с сигналами ведомой. Причем при реализации фазовых измерений эти измерительные импульсы должны совмещаться с одинаковыми по счету от начала импульсов точками перехода через нуль высокочастотного заполнения (точками слежения) в пределах переднего фронта импульсов (рис. 24.14, а, б). Эта операция выполняется в КПИ-5Ф автоматически при условии, что предварительная (грубая) выставка измерительных импульсов вблизи выбранных точек слежения осуществлена вручную с точностью до половины периода ВЧ заполнения (±5 мкс), что, в свою очередь, контролируется по визуальному совмещению огибающих радиоимпульсов на экране ЭЛТ (рис. 24.14, б, г). Фактически эта последняя процедура, выполняемая последовательно в несколько этапов, обеспечивает устранение многозначности фазовых отсчетов.

Рис. 24.14. К принципу измерения радионавигационного параметра в приёмоиндикаторе КПИ-5Ф

В формирователе последовательностей импульсов ФПИ (см. рис. 24.13), запуск которого осуществляется импульсами каналов А и Б, вырабатываются все импульсные последовательности, необходимые для работы ПИ: измерительные импульсы-стробы; синхроимпульсы для запуска генератора развертки ГР; декодирующие импульсы, управляющие схемой фазового декодирования СФД принимаемых радиоимпульсов; тактовые импульсы для обеспечения работы синхронного фильтра СФ; импульсное напряжение для выработки пьедесталов на линиях развертки.

Все эти импульсные последовательности привязаны во времени к моментам формирования импульсов каналов А и Б. Генератор развертки ГР в зависимости от положения переключателя «Развертка» может формировать развертывающее напряжение на ЭЛТ различной длительности (скорости).

На первой скорости развертки на ЭЛТ поступают радиоимпульсы с выхода приёмного устройства. Длительность развёртки устанавливается равной периоду Т_иi повторения пакетов выбранной цепи ИФРНС. Развертка двухстрочная, что увеличивает временной масштаб изображения при данном диаметре ЭЛТ, а также позволяет выполнить опознавание сигналов станций в режиме работы по системе «Лоран-А». При этой скорости развертки осуществляются поиск и опознавание пакетов ведущей и ведомой станций и установка их на пьедесталы (рис. 4.15, а).

Во втором положении переключателя «Развертка» длительность строк развертки равна около 9000 мкс, на экране ЭЛТ в этом случае будут видны участки периода Т_иi, выделенные пьедесталами. На этой скорости развёртки обеспечивается необходимое расположение пакетов импульсов на пьедесталах и выравнивается их амплитуда (рис. 24.15, б).

Рис. 24.15. Изображение сигналов на экране ЭЛТ КПИ-5Ф при различных положениях переключателя «Развертка»

На третьей скорости развертки длительностью около 400 мкс развертка запускается по 8 раз в пределах каждого пьедестала. На ЭЛТ поступают в этом случае огибающие радиоимпульсов, выделенные амплитудным детектором АД (см. рис. 24.13). Благодаря специальным техническим мерам форма огибающей имеет сложный четырехзубцовый вид для удобства визуального выделения на ней участка переднего фронта импульсов, в пределах которых должны быть выбраны точки слежения. Положение точек слежения на огибающей импульсов индуцируется специальным маркером — темной вертикальной полосой. В этом режиме работы ПИ совмещаются визуально фронты огибающих импульсов ведущей и ведомых станций, а также производится распознавание типа сигнала (поверхностный, пространственный) (рис. 24.15, д).

Четвертая скорость развертки длительностью 50 мкс используется для проверки правильности фазового декодирования сигналов. На экран ЭЛТ поступают участки радиоимпульсов с СФД, управление которой ведётся переключателем «Код-1 —Код-2». На выходе СФД должны наблюдаться радиоимпульсы с одинаковой начальной фазой (рис. 24.15, г). В пятом положении переключателя «Развертка» — «Фазовый отсчет» ФО в работу включается синхронный фильтр СФ, повышающий надежность устранения многозначности за счет более качественного выделения фронтов огибающих импульсов в условиях воздействия шумовых помех. Осуществляется это посредством запоминания в моменты поступления тактовых импульсов с ФПИ амплитудных значений зашумленного сигнала в каждом периоде ВЧ заполнения и последующего накопления их при приеме совокупности сигналов импульсно-фазовой РНС (рис. 24.15, д).

Для автоматизации процессов фазовых измерений и отслеживания значения РНП при перемещении судна в аппаратуре КПИ-5Ф используется специальная система слежения СС, которая включается тумблером «АПЧ». В этом режиме на временной различитель ВР системы слежения СС поступают с одной стороны раскодированные и ограниченные по амплитуде радиоимпульсы, с другой стороны— измерительные импульсы с ФПИ, временное положение которых определяется импульсами каналов А и Б.

Так как операции по визуальному совмещению фронтов принимаемых импульсов предполагаются уже выполненными. Эти измерительные импульсы находятся в пределах передних фронтов соответствующих радиосигналов (ПФРПС).

При наличии временного рассогласования между измерительным импульсом и ближайшей к нему точкой перехода через нуль ВЧ заполнения ВР выработает соответствующее напряжение рассогласования, которое будет накапливаться либо в интеграторе канала А (И_А) при приеме сигналов ведущей станции, либо в интеграторе канала Б (И_Б) при приеме сигналов ведомой. При превышении напряжений на интеграторах некоторого порогового уровня последние выработают команду на перемещение соответствующих измерительных импульсов в сторону уменьшения первоначального временного рассогласования: управляющий сигнал И_А будет воздействовать на коэффициент деления ОДЧ в целях перемещения импульсов каналов А и Б одновременно, управляющий сигнал И_Б изменит код числа, хранимого в РСЧ, для перемещения импульсов канала Б.

По окончании переходных процессов измерительные импульсы будут удерживаться с точностью до динамической ошибки СС в точках слежения принимаемых радиоимпульсов, а на табло будет высвечиваться отсчет РНП. Инструментальная точность измерения РНП аппаратурой КПИ-5Ф оценивается средней квадратической ошибкой 0,1—0,3 мкс.

24.3.2 Судовые автоматические приёмоиндикаторы импульсно-фазовых РНС

В настоящее время на морской флоте в основном применяются автоматические ПИ импульсно-фазовых РНС, построенные на базе специализированной ЭВМ. Многие зарубежные фирмы изготовляют в настоящее время автоматические ПИ, отличающиеся уровнем автоматизации процесса измерения РНП, количеством решаемых вспомогательных навигационных задач. Упрощенная структурная схема автоматического ПИ импульсно-фазовой РНС приведена на рис. 24.16.

Применение средств микропроцессорной техники, запоминающих устройств с большими объемами памяти способствовало: повышению быстродействия бортовой аппаратуры при реализации режимов автоматического поиска и опознавания сигналов импульсно-фазовых РНС, подавлению узкополосных помех в полосе пропускания ПИ; значительному расширению количества навигационных задач, решаемых ПИ последних моделей. В число таких навигационных задач входят:

- хранение координат береговых станций всех существующих цепей импульсно-фазовых РНС;

- автоматический выбор наиболее подходящих с точки зрения геометрии системы и качества сигнала ведомых станций;

- получение более двух изолиний за счет приема и обработки сигналов нескольких (более двух) ведомых станций;

- осуществление преобразования из гиперболической системы координат в географическую;

- учет различия опорных эллипсоидов навигационной карты и преобразователя координат;

- учёт поправок, компенсирующих систематические погрешности измеряемых РНП;

- хранение координат характерных точек маршрута следования судна с вычислением локсодромических и ортодромических пеленгов и дистанций до них;

- контроль за фактическим перемещением судна относительно заданного маршрута с расчетом параметров суммарного сноса судна;

- вычисление путевого угла, скорости судна.

Работоспособность цифровых ПИ сохраняется в помеховой обстановке, характеризующейся предельным значением соотношения сигнал/шум в точке приема 1/10.

Существенное ограничение при использовании автоматических ПИ - отсутствие в них индикации вида используемого для измерений радиосигнала (поверхностный, пространственный), что может дезориентировать штурмана относительно использования той или иной системы поправок за распространение радиоволн. Примером автоматического приёмоиндикатора является судовой приёмоиндикатор LC – 90, выпускаемый известной японской фирмой «Furuno».

24.3.3. Судовой автоматический приёмоиндикатор LC – 90

Приёмоиндикаторы LC–90 продолжают традиции качества приёмо-индикаторов фирмы Furuno (Япония), хорошо зарекомендовавших себя при эксплуатации в море и гарантируют высокую надежность и длительную работоспособность.

Приёмоиндикатор LC–90 предназначен для приёма сигналов импульсно-фазовой разностно-дальномерной РНС «Лоран-С», измерения радио-навигационного параметра для последующего определения места судна путём использования карт с гиперболической сеткой или специальных таблиц, а также непосредственного высвечивания координат (j, l) на экране дисплея. В приёмоиндикаторе LC–90 предусмотрен целый ряд дополнительных функций (см. подраздел 24.3.2), которые описаны ниже.

Режимы работы приёмоиндикатора:

S/С – индикация путевой скорости

(Speed Made Good) и путевого угла (Course Made Good) вместе с текущей позицией судна с использованием маршрута (Route) и путевых точек (Waypoints).

TTG – индикация относительно текущего места судна (или путевой точкой) времени прибытия в заданную путевую точку (Time to go) и расчетной скорости движения по маршруту для прибытия в заданную путевую точку в заданное время (Velocity to Destination).

R/B – индикация расстояния (Range) и пеленга (Bearing) относительно текущего места судна (или путевой точкой) до выбранной путевой точки.

XTE – индикация максимально допустимого бокового отклонения судна от линии пути (Cross-Track Error) со стрелочными индикаторами для показа направления ухода с маршрута и направления для возвращения на него.

NAV – навигационный режим (Navigation Mode) c одновременной инди-кацией бокового отклонения от маршрута, а также дальности и пеленга до выбранной путевой точки.

RTE – режим планирования маршрута (Route Planning Mode). В этом режиме выбираются путевые точки, которые включены в десять различных схем маршрутов (Route Plans).

WPT – режим ввода позиционных данных в путевую точку (Waypoints).

СLС – расчетный режим (Calculation Mode) для выполнения предва-рительных расчетов дистанции и пеленга от одной путевой точки до другой. Кроме того, в этом режиме можно определить путевую точку по дальности и пеленгу от текущей позиции.

ALM – режим для установки и включения аварийно-предупредительной сигнализации.

Дополнительные функции (#) приёмоиндикатора:

#1 – функция инициализации (Initialization Function) для ввода приблизи-тельного текущего места судна и ввода ведущей (GRI) и двух ведомых станций.

#2 – функция ввода значений бокового отклонения от линии пути (Position Offset Function).

#3 – функция усредняющего времени (Averaging Time Function) для выбора числа выравнивающей временной константы, применяемой для ввода j, l и скорости, а также для ввода типа выходных данных внешних устройств (плоттер, принтер).

#4 – функция автоматического ASF (Additional Secondary Factor) для выдачи лучшей точности расчётов, а также функция ввода магнитного отклонения и выбора истинного пеленга (Magnetic Variation Function).

#5 – функция выбора цикла (Cycle Selection Function) для ввода числа, на которое должна быть продвинута вручную отслеживаемая точка.

#6 – функция вывода SNR (отношение сигнал\шум) и ECD (Envelope to Cycle Difference). Эти числа дают оператору показатели качества поступающих сигналов. Дисплей показывает отслеживаемый цикл ведущей и двух ведомых станций, а также отклонение частоты опорного генератора.

Расположение органов управления на панели приёмоиндикатора LC-90 показано на рис. 24.18.

Левую часть панели занимает LCD–дисплей индикации показаний РНС «Лоран-С». Ниже дисплея отображены аббревиатуры, показывающие различные режимы работы приёмоиндикатора.

Клавиатура содержит 23 мембранных сенсорных клавиш и разделена на 4 функциональной области, выделенных разным цветом. Для вызова 6 дополнительных функций нажимается сначала клавиша [#], а затем клавиша с соответствующей цифрой от [1] до [6].

Сенсорные клавиши функционально разделены на следующие группы:

- клавиши вкл\выкл [PWR - OFF] установки уровня освещенности дисплея и клавиатуры [DIM] и стирания цифровых данных [CLR]. Клавиша со стрелкой [6] предназначена для выбора одной из пяти строк на дисплее, на которых будет расположен курсор ввода данных. Эта группа клавишей выделена коричневым цветом и находится в правом верхнем углу;

- цифровые клавиши от [0] до [9] для ввода всех цифровых данных (выделены оранжевым цветом);

- клавиша общего назначения для изменения координат, ввода режимов и функций, клавиша ввода данных [ENT], клавиша выбора режимов [3 MODE 4] и клавиша выбора дополнительных функций [#]. Эта группа клавишей выделена голубым цветом;

- две клавиши оранжевого (или коричневого) цвета [EVT] либо [SAV] для сохранения данных в памяти системы и для подключения вешних устройств (плоттер, принтер), и клавиша вызова данных из памяти [RCL] либо [5].

LC-90 разработан таким образом, что независимо от того включён он или выключен, он сохраняет в памяти всю информацию, необходимую для работы.

При первоначальном включении приёмоиндикатора необходимо ввести своё ориентировочное местоположение с точностью ±3° (в районе расширения базовой линии ±1°). После ввода ориентировочных координат курсор автоматически переместиться на 3 строку (рис. 24.19), здесь возможна отмена или установка автоматического выбора (А) ведущей (GRI) или двух ведомых (S1 и S2) станций. Далее LC-90 начнет поиск ведущей и ведомых станций. Дисплей покажет «9999» для GRI и «99» для обеих ведомых станций. Замигают предупредительные индикаторы «MCYC», «MSNR», «SNR», «CYC» и через 1 минуту на 3, 4 и 5 строках появятся TD номера GRI и S1, S2 соответственно. Ведомые станции представляются первыми двумя цифрами соответствующего периода микросекунд. После этого необходимо вернуться в режим S/С для наблюдения за захватом сигналов РНС. После окончания захвата все сигнальные предупредительные индикаторы погаснут и показания разности времён (TD) станут стабильными. Процесс получения точного места по сигналам РНС составляет от 3 до 5 минут. В районах сильных помех показания позиционных данных в первые 20 минут могут быть не точными.

Путевая скорость (режим S/C) определяется, как скорость относительно дна, путевой угол – относительно магнитного норда, если вверху дисплея стоит отметка MAGV. Приёмоиндикатор автоматически вычисляет число магнитного отклонения (рис. 24.20). Символ «А» указывает на то, что отклонение применяется автоматически. Предварительно программируемые значения магнитного отклонения приблизительно 10° по широте и 10° по долготе. В приёмоиндикаторе предусмотрен ручной ввод магнитного отклонения (функция #4).

В функции #4 имеется возможность смещения разностно-временных отсчетов TD для компенсации искажения гиперболической сетки. LC-90 содержит встроенную таблицу значений такой компенсации для некоторых районов.

В функции #3 предусмотрена возможность выравнивания чрезмерных колебаний скорости. Для этого задаётся постоянная времени, что, в сущности, удлиняет временной интервал, по которому выполняется расчет. Усредняющая постоянная времени влияет на скорость, что приводит к изменениям j, l, но не влияет на показания отсчетов TD (разности времени прихода сигналов от станций). Используемая в данный момент времени константа показывается на 1-ой строке.

Остановимся на функциях, которые позволяют планировать, затем выполнять рейсы к выбранным путевым точкам. LC-90 может вводить путевые точки четырьмя различными способами:

- по координатам j, l;

- по разности времени TD;

- по сохранению текущей позиции судна в путевой точке;

- по дистанции и пеленгу, измеренных от места судна.

Перед введением путевой точки сначала присваивается номер для её идентификации. LC-90 имеет 100 путевых точек, в которые может быть введена позиционная информация. Они пронумерованы от «00» до «99» (рис. 24.21). Предусмотрен просмотр позиций, ранее сохранённых в каждой пронумерованной путевой точки.

Во время планирования рейса ряд путевых точек обычно выбирается заранее, а расчёт дистанции/пеленга выполняется для получения курса на каждом участке пути. Для этого используется режим CLC (рис. 24.22).

Степень отклонения судна от запланированного маршрута называется «Cross Track Error (сокращенно XTE). Угол отклонения от намеченного маршрута, вызванный течением, ветром и другими факторами, относится к понятию «Course offset». LC-90 может рассчитать вектор, необходимый для возвращения судна на курс к выбранной путевой точке (рис. 24.23).

Остановимся на звуковой и световой сигнализации (функция ALM). В LC-90 может срабатывать звуковая и световая сигнализация в 4 случаях:

- аларм Off-course, который предупреждает, что текущее значение бокового отклонения от маршрута превысило заданное;

- аларм Border, предупреждающий о близком подходе к установленной запретной зоне;

- аларм Arrial сигнализирует о подходе к выбранной путевой точке.

- аларм Anchor-Watch предупреждает о дрейфе судна на якорной стоянке.

Информация отображается на дисплее при выборе режима ALM.

Информация по другим различным режимам: расчету скоростей и времени прохождения до выбранной путевой точки; по режиму RTE; использованию в памяти приёмоиндикатора позиции судна и воспроизведению памяти события; преобразованию координат; предупреждающих индикаторов также отображается на экране дисплея при переключении в соответствующий режим.

24.4. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ИМПУЛЬСНО-

ФАЗОВЫХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ РНС

Большинству потребителей необходима навигационная информация, гарантирующая высокую точность определения места, скорости и времени при непрерывности и надёжности функционирования радионавигационных систем. Эта информация должна быть доступна в реальном времени, в любой части земного шара, для неограниченного числа потребителей и при любых погодных условиях.

К современным требованиям потребителей, предъявляемым к РНС, относятся глобальная рабочая зона и высокая точность определения места (10 м при подходах к подходным каналам, фарватерам и в стеснённых условиях плавания, 0,25 м при выполнении картографических и гидрографических работ), а доступность и целостность практически должны быть равны 1.

Однако анализ тактико-технических характеристик существующих РНС, а также их экономических показателей свидетельствует, что ни одна из них в полном объеме не удовлетворяет современным требованиям. При этом каждой из них в настоящее время отводится своя роль в обеспечении безопасности судовождения. Так, наземные РНС ближней дальности имеют небольшие рабочие зоны и высокие точности. В то же время у РНС дальнего действия ограниченные рабочие зоны и точности, не обеспечивающие решение ряда специальных задач.

Спутниковые РНС даже при полномасштабном их развёртывании не полностью удовлетворяют требованиям по доступности. Кроме того, затраты на разработку и эксплуатацию спутниковых РНС значительно превышают эти показатели для наземных РНС.

Большое распространение и массовое признание во всём мире среди наземных РНС получили импульсно-фазовые низкочастотные РНС «Чайка» (Россия) и «Лоран-С» (США, Европа, Азия), которые своим радионавигационным полем практически покрывают все маршруты движения морского и воздушного транспорта.

Высокие показатели этих РНС, большое количество приёмоиндикаторов, относительно небольшие эксплуатационные расходы предопределили их эффективное применение в обозримом будущем.

Наземные РНС «Чайка» и «Лоран-С» до настоящего времени ещё не достигли полной реализации своих потенциальных возможностей, так как главным образом использовались в стандартном разностно-дальномерном режиме. Однако этому режиму свойственны ограничения как по точности определения местоположения объекта (обусловленные геометрическим фактором в зависимости от расположения потребителя относительно наземных станций РНС), так и по размерам рабочей зоны системы. Кроме того, требования потребителей постоянно растут и эти системы не полностью удовлетворяют по точности, доступности и целостности при решении ряда практических задач.

В настоящее время в РНС «Лоран-С» всё более широкое развитие получают другие режимы их использования, а именно: работа с функционально-равноценными станциями, дальномерный режим и одновременная работа по смежным цепям. Всё это способствует повышению точности, достоверности решения навигационной задачи, доступности и увеличению рабочей зоны.

Среди спутниковых РНС во всём мире широко используются среднеорбитальные системы ГЛОНАСС (Россия) и НАВСТАР (США) (см. главу 25), и рядом администраций приняты решения о переходе на их использование в качестве основного элемента навигационного обеспечения при осуществлении транспортной инфраструктуры. Такой подход обеспечивается стремлением большинства государств образовать единую транспортную систему.

До недавнего времени автономное применение существующих наземных и спутниковых РНС обеспечивало решение целого ряда задач морскими, воздушными и наземными потребителями.

С внедрением среднеорбитальных спутниковых РНС ГЛОНАСС и НАВСТАР многие высокие требования различного класса потребителей обеспечиваются в полном объёме (точность, глобальность, оперативность, всепогодность). Однако обеспечение требований потребителей по доступности и целостности требует своего решения. Одним из путей решения этой проблемы, при котором можно достичь значительно большего эффекта, является совместное использование наземных и спутниковых РНС при создании системы единого радионавигационного поля, обеспечивающей требования потребителей по основным показателям: точность, доступность, целостность. При этом объединение может быть осуществлено на следующих уровнях: всех зарубежных наземных и спутниковых РНС (в том числе и российских), аппаратуры потребителя, использующих сигналы как российских, так и зарубежных РНС. Для решения этой задачи требуется согласование систем координат и временных шкал, отчего зависит эффективность их использования.

Например, используемые на судах российские морские навигационные карты созданы на базе системы координат ПУЛКОВО 1942 г., а координаты станций РНС «Лоран-С» и «Чайка» даны в системах WGS-84 и ПЗ-90 соответственно. Эти три системы координат различаются между собой, и для навигации полученные данные должны быть преобразованы к той системе координат, которая используется на судне на морской карте или в электронной навигационной картографической системе. Кроме того, следует отметить, что на судах, кроме российских, могут применяться также карты других государств, основанных на собственных национальных системах координат. В таких случаях данные обсерваций, поступающие с приёмоиндикаторов, должны быть также преобразованы в систему координат используемых карт.

Кроме этого, в настоящее время наземные станции РНС «Лоран-С» привязаны к шкале времени (ШВ) UTC (USNO – United States Naval Observatory) с погрешностью 100 нс (0,1 мкс), а станции РНС ЧАЙКА – к шкале времени UTC (US – Soviet Union) с погрешностью 1,0 – 1,5 мкс.

Принципиально степень совместного использования спутниковых и наземных РНС для морских, воздушных и наземных потребителей различна. В соответствии с выводами Международной ассоциации маячных служб (МАМС), несмотря на то, что спутниковая РНС НАВСТАР зарекомендовала себя как хорошая система, заметные преимущества в увеличении точности определения места, повышения доступности и целостности достигаются при совместном использовании наземных и спутниковых систем. Одновременно МАМС пришла к выводу, что для соз