close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

KorolShatrakov

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. М. Король, Ю. Г. Шатраков
ОСНОВЫ РАДИОНАВИГАЦИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2011
УДК 621.396.98
ББК 32.95
К68
Рецензенты:
кафедра «Техническая эксплуатация радиоэлектронных систем»
Московского государственного технического университета
гражданской авиации; доктор физико-математических наук,
профессор А. И. Козлова;
кафедра «Радиосистемотехника» ГОУ
«Московской академии рынка труда информационных технологий»,
доктор технических наук, профессор Ю. Д. Умрихин
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Король, В. М.
К68 Основы радионавигации: учеб. пособие / В. М. Король,
Ю. Г. Шатраков. – СПб.: ГУАП, 2011. – 106 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0675-7
Рассматриваются принципы построения радионавигационных
систем, обеспечивающих определение координат подвижных объектов (самолетов, вертолетов, кораблей и т. д.), излагаются вопросы,
связанные с оценкой навигационных параметров, проводится анализ точности работы систем. Оцениваются тактико-технические характеристики радионавигационных отечественных и зарубежных
систем. Особое внимание уделено перспективным радионавигационным системам, в том числе спутниковым.
Пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Радиотехника».
Подготовлено к публикации кафедрой № 22 «Бортовая радиоэлектронная аппаратура» и базовой кафедрой «Радиотехнические
средства, системы в организации воздушного движения и эксплуатации».
УДК.621.396.98
ББК.32.95
ISBN 978-5-8088-0675-7 © Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2011
© В. М. Король, Ю. Г. Шатраков, 2011
Введение
Возможности авиации, космонавтики, морского судоходства в
значительной степени определяются точностью и надежностью решения задач навигации, уровнем развития навигационных средств,
в частности устройств и систем радионавигации.
Радионавигационные системы (РНС) предназначены для установления местоположения подвижного объекта и возможности движения его по заданному пути независимо от временных и гидрометеорологических условий. С помощью РНС можно определять
также скорость подвижного объекта, пройденный им путь, точное
время нахождения в пути, расположение его относительно других
движущихся и неподвижных объектов. Успешно применяются радионавигационные системы, специально созданные для воздушного, водного и сухопутного транспорта. В то же время существуют и
многофункциональные РНС, которые используются разными видами подвижных объектов одновременно.
Все рассматриваемые в учебном пособии РНС включают в себя
два функционально взаимосвязанных комплекса радиотехнической аппаратуры: передающие опорные станции (ОС), устанавливаемые на неподвижных или подвижных точках с известными координатами, и приемоиндикаторы (ПИ), устанавливаемые на подвижных объектах и позволяющие по принятым сигналам от передающих станций с помощью вычислителей или специальных карт
и таблиц получать необходимые навигационные данные.
Для некоторых РНС характерно также наличие третьего комплекса – аппаратуры управления станциями.
В отличие от других средств радиосвязи радионавигационные системы являются измерительными системами. Полезная информация в них фокусируется не в передающем тракте, а в тракте распространения радиоволн благодаря зависимости параметров
электромагнитного поля принимаемых сигналов от местоположения подвижного объекта. Фактически работа РНС основывается на
свойстве радиоволн распространяться в однородной среде по кратчайшему расстоянию с конечной скоростью 3∙105 км/с.
В настоящей работе рассматриваются РНС, широко применяющиеся на практике. В ней подробно описываются принцип действия, состав и устройство аппаратуры, а также особенности эксплуатации указанных систем, что необходимо при подготовке студентов радиотехнических специальностей. Пособие окажется полезным и аспирантам, которые готовят диссертации по специальности «Радиолокация и радионавигация».
3
Глава 1. Основы радионавигации
История радионавигационных систем началась с момента изобретения радиопеленгаторов, когда подвижные объекты, включая
корабли, а затем летательные аппараты, смогли получать информацию о направлении движения на приводные радиостанции. Эти
станции устанавливались в конечных пунктах движения. Позднее
появились автоматические радиокомпасы.
Инженерная мысль продолжала создавать новые радионавигационные системы и принципы определения координат подвижных
объектов на картах. Появляются радионавигационные системы
ближней радионавигации, которые позволяют прокладывать полный маршрут движения до выбранного пункта на подвижных объектах, а также получать информацию о дальности (расстоянии) до
этого пункта. Одновременно вводятся в эксплуатацию радионавигационные системы дальнего действия, зона ответственности которых
благодаря выбранному диапазону радиоволны позволяет фиксировать координаты подвижного объекта в любой точке земного шара.
Создаются радиосистемы инструментальной посадки летательных аппаратов, а для морских портов – точные системы движения
судов в ограниченных водных акваториях.
С освоением космоса представилась возможность создать радионавигационные системы глобального масштаба, в которых навигационную информацию на подвижных объектах получают путем обработки сигналов от нескольких спутников Земли.
1.1. Понятие о навигации и радионавигации
Навигация – это наука о средствах и способах определения координат при движении различных объектов. Исторически навигация
возникла и развивалась как наука о вождении морских судов. В настоящее время она занимается изучением движения всех объектов.
Основная цель навигации – обеспечение движения по заданной
траектории с целью выхода в заданную точку пространства в заданный момент времени. Одновременно она решает и частные задачи:
определение местоположения объекта в принятой системе координат, курса, скорости, ускорения движения, времени, необходимого
для выхода в заданный район, выдача рекомендаций о необходимых маневрах и т. д.
Под радионавигацией понимают науку, которая решает задачи
навигации с помощью радиотехнических средств. Подобные нави4
гационные средства играют главную роль в обеспечении подвижных объектов информацией о местоположении, так как благодаря
этим средствам обеспечивается коррекция инерциальных систем.
В навигации линией пути называют проекцию траектории движения объекта на поверхность земного шара. Маршрут – это линия
пути, нанесенная на карту. Истинный курс K представляет собой
угол, измеряемый в горизонтальной плоскости между направлением меридиана в точке расположения подвижного объекта и направлением его продольной оси.
Магнитный курс Kм – это угол курса, измеренный относительно
направления магнитного меридиана, который определяют с помощью магнитного компаса. Для нахождения истинного курса K необходимо к значению магнитного курса Kм добавить поправку на
магнитное отклонение DМ, значение которого зависит от местоположения подвижного объекта:
K = Kì + DM.
Угол в горизонтальной плоскости между направлениями на север и пеленгуемый объект называется пеленгом и обозначается П.
Курсовой угол q – это угол между направлением продольной оси
подвижного объекта и направлением на пеленгуемый объект.
Пеленг определяется как сумма углов курса и курсового
Ï = K + q.
Воздушная скорость – это скорость перемещения летательного
аппарата относительно масс воздуха. Полный вектор скорости летательного аппарата относительно Земли определяется суммой векторов воздушной скорости vr и скорости ветра ur:
w r = v r + ur .
Проекции этих векторов на горизонтальную плоскость образуют
треугольник скоростей (рис. 1.1).
Горизонтальная составляющая полного вектора скорости летательного аппарата называется путевой скоростью. Путевая скорость определяет расстояние, пройденное летательными аппаратами над Землей, и поэтому очень важна в навигации.
Путевой угол aп представляет собой угол в горизонтальной плоскости между направлением на север и направлением вектора путевой скорости.
Угол сноса aс – угол в горизонтальной плоскости между проекцией продольной оси летательного аппарата и вектором путевой скорости.
5
а)
б)
N
N
∆M
KM
П
K
αск
я
на
ль
до ь
о
с
Пр о
vr
K
αп
ur
Радиомаяк
ие
ен
правл
wr На полета
q
αс
Рис. 1.1. Схема углов, определяющих положение подвижного объекта
в пространстве
Угол аэродинамического скольжения aск – угол между горизонтальной проекцией продольной оси летательного аппарата и вектором vr .
Положительные направления названных углов отсчитываются
по часовой стрелке.
При движении летательного аппарата его перемещение осуществляется обычно «боком». Это происходит из-за сноса ЛА ветром и
аэродинамического проскальзывания в боковом направлении при
крене.
Направление движения определяется путевым углом:
aï = K + ac .
Угол ветра – это разность между направлением ветра и путевым
углом.
Указанные углы и векторы скоростей приведены на рис. 1.1.
Движение разных объектов осуществляется по траекториям, которые можно представить с помощью геометрических соотношений
(рис. 1.2).
Большой круг – это окружность, которая получается при пересечении земной поверхности плоскостью, проходящей через центр
Земли.
Дуга большого круга называется ортодромией. Она является
кратчайшим расстоянием между двумя точками на земной поверхности (или над ней) и используется при прокладке пути на большие
расстояния. Ортодромия пересекает меридианы под разными углами (кроме движения вдоль экватора). Поэтому путевой угол в процессе движения непрерывно меняется.
6
а)
N
б)
N
α2
α1
B
α1
α1
α1
B
A
A
a
S
S
б
Рис. 1.2. Линии пути подвижного объекта:
а – ортодромия; б – локсодромия
Локсодромия – это линия пути объекта, пересекающая текущие
меридианы под равными углами. Локсодромия используется при
прокладке пути на небольшие расстояния. На рис. 1.2 представлено
расположение линий ортодромии и локсодромии.
В навигации используются местные и глобальные системы координат.
1.2. Системы координат
Местные системы координат применяются для расчета местоположения объектов при небольших перемещениях. В этом случае
кривизной Земли пренебрегают. Такие расчеты проводят при движении в портах, шхерах, проливах, при взлете и посадке, при определении промежуточных пунктов полетов (ППМ) для местных воздушных линий и т. д. Используемые в этих случаях декартовы прямоугольные, сферические и цилиндрические системы координат
приведены на рис. 1.3.
Глобальные системы координат жестко связаны с Землей, охватывают земную поверхность и околоземное пространство. К глобальным системам координат относятся географическая, геоцентрическая, ортодромическая и геоцентрическая инерциальная.
В географической системе координат в качестве основной плоскости отсчета выбирается экватор, в качестве координат – l, ϕ (соответственно долгота и широта) и относительная высота Н.
В геоцентрической системе координат определение широты производится между плоскостью экватора и радиус-вектором точки
7
z
R
0
z
PN
б)
а)
ϕ
y
0
α
x
M
M¢
y
λ
x
Экватор
Гринвичский
меридиан
z
PN
в)
г)
M¢
0
z
M
y
PN
Pо
ϕп
M y
M¢
0
ϕ0
λ0
λ
Экватор
λп
x
Г
Гринвичский
меридиан
Экватор
Ортодромия
x
ζ
д)
PN R
ϕ
0
M
M¢
µ
λ
ξ
Экватор
Рис. 1.3. Системы координат: а – сферическая; б – географическая;
в – геоцентрическая; г – ортодромическая; д – геоцентрическая
инерциальная
расположения объекта. В этой системе координат Землю представляют как шар.
Ортодромическая система координат аналогична геоцентрической и отличается от нее тем, что плоскость большого круга и связанная с ней система координат повернуты относительно земного экватора на некоторый угол. Координаты полюса ортодромии Po(lп, ϕп),
ортодромические координаты lо, ϕо, R (радиус-вектор точки М).
Для определения координат в околоземном пространстве применяется геоцентрическая инерциальная система координат. Основ8
ная плоскость отсчета в этой системе – плоскость небесного экватора. Начало координат совмещено с центром Земли. Оси ориентированы на определенные точки небесной сферы (не вращаются вместе с Землей). Ось ξ направлена в точку весеннего равноденствия (в
созвездии Овен) и совпадает с линией пересечения плоскостей экватора и эклиптики, ось ζ совпадает с осью вращения Земли, ось μ
перпендикулярна осям ξ и ζ. Координатами в системе являются l –
прямое восхождение, g – склонение, R – длина радиус-вектора.
Рассмотрим системы координат, вводимые для навигации морских объектов. Использование разных систем координат не всегда
удобно, особенно в комплексных навигационных системах, в которые информация поступает от разных источников.
Система географических координат. В этой системе координатными осями являются земной экватор и один из меридианов, условно принимаемый за начальный, координатными линиями – меридиан и параллель, проходящие через заданную точку, а координатами – географические широта и долгота.
Географической широтой называется угол между нормалью к
поверхности земного эллипсоида
Гринвичский
ь
P
ал
в заданной точке и плоскостью
меридиан
рм
о
экватора (рис. 1.4). Этот угол изН
q
µ
q¢
меряется дугой меридиана от экλ
ватора до параллели заданной
ϕ
точки. Географическую широ- Q
Q¢
ту обозначают буквой j. Отсчет
широт ведется в обе стороны от
экватора, т. е. к северу и югу (от
0 до 90°). Северные широты приP¢
нято считать положительными
(знак «+») и обозначать буквой N, Рис. 1.4. Система географических
южные – отрицательными (знак
координат
«–»), их обозначают буквой S.
Для отсчета долготы один из меридианов принимается за начальный, или нулевой, а положение другого, в том числе и проходящего через место заданной точки М, определяется относительно
начального меридиана.
Географической долготой называется двугранный угол между
плоскостями начального меридиана и меридиана, проходящего через заданную точку. Такой двугранный угол измеряется сферическим углом при полюсе между указанными меридианами или численно равной ему дугой экватора между ними. По международному
9
соглашению 1984 г. в большинстве стран мира за начальный принят Гринвичский меридиан, проходящий через бывшую Гринвичскую обсерваторию (близ Лондона). Географическую долготу обозначают буквой l.
Отсчет географических долгот ведется к востоку и западу от начального меридиана от 0 до 180°. Восточную долготу (О) принято
считать положительной (знак «+»), западную (W) – отрицательной
(знак «–»).
Система геодезических координат. В этой системе положение
точки на поверхности эллипсоида определяется геодезическими
широтой В и долготой L, которые геометрически согласуются с соответствующими координатами географической системы. Геодезические координаты определяются по результатам геодезических
измеренияй, например, привязкой к триангуляционным пунктам,
приведенным к поверхности земного эллипсоида. Географическая и
геодезическая системы координат относятся к математически правильной фигуре Земли – эллипсоиду вращения.
До 1946 г. в качестве референц-эллипсоида использовался эллипсоид Бесселя, выведенный в 1841 г. Размеры эллипсоида Бесселя следующие: большая полуось а = 6 377 397 м, малая – b = 6 356 079 м,
полярное сжатие a = 1:299,153.
Таблица 1.1
а, м
1/a
AIRY
6 377 563,396
299,324 9646
ASUSTRALIAN NATIONAL
BESSEL
CLARKE 1866
CLARKE 1880
EVEREST
FISCHER 1960
FISCHER 1968
GRS-80
HELMERT
INTERNATIONAL (HAYFORD)
KRASSOWSKI (1940)
NWL-9D = WGC-66
SOUTH AMERICAN 1969
6 378 160
6 377 397,155
6 378 206,4
6 378 249,145
6 377 276,345
6 378 155
6 378 150
6 378 137
6 378 200
6 378 388
6 378 245
6 378 145
6 378 160
298,25
299,152 8128
294,978 6982
293,465
300,8017
298,3
298,3
298,257 2221
298,3
297
298,3
298,25
298,25
6 378 135
298,26
Эллипсоид
WGC-72
10
С 1946 г. в качестве обязательного для всех топогеодезических
работ принят референц-эллипсоид Красовского. Размеры референцэллипсоида Красовского следующие: а = 6 378 245 м, b = 6 356 863 м,
a = 1:298,3.
Названия и параметры некоторых используемых референцэллипсоидов приведены в табл. 1.1.
Система плоских прямоугольных координат. Эта система, аналогичная известной из аналитической геометрии системе декартовых координат, наиболее простая для практического использования. Плоскими прямоугольными координатами называются прямоугольные координаты X и Y изображаемой на плоскости точки,
являющейся сложными функциями ее географических координат.
Так как система плоских прямоугольных координат с единым началом для всей поверхности Земли вызывает большие искажения размеров изображаемых на плоскости фигур, всю земную поверхность
делят на части, или координатные зоны.
В нашей стране установлены зоны
P Гринвичский
протяженностью 6° по долготе. Тамеридиан
ким образом, вся поверхность Земли
разделена на 60 шестиградусных зон.
Отсчет зон ведется к востоку от Гринвичского меридиана (рис. 1.5) от 1-й
...
5960
... ...
до 60-й. Началом отсчета в системе
1 2 3 4
5 6 ...
плоских прямоугольных координат
является точка пересечения экватора и среднего меридиана каждой
зоны, называемого осевым меридианом. Осевой меридиан зоны и экваP¢
тор изображают на плоскости взаРис. 1.5. Зоны
имно перпендикулярными прямыми
в прямоугольной системе
линиями, которые принимают сооткоординат
ветственно за ось абсцисс X и ось ординат Y.
Плоские прямоугольные координаты X и Y выражают в линейных единицах измерения. Если точка расположена к северу от экватора, то абсциссу X считают положительной. Для точки, расположенной к югу от экватора, абсцисса X отрицательная. Ординату Y
принято считать положительной, если точка расположена к востоку
от осевого меридиана зоны, и отрицательной, если она расположена
к западу от него. Во избежание получения отрицательных значений
ординат Y осевому меридиану каждой зоны присваивается значение
11
500 км. Кроме того, перед значением ординаты ставится номер зоны.
Формула для расчета номера зоны по известной долготе имеет
вид
l
n = + 1.
6
Контрольные задания
1. Дать определение навигации и радионавигации. Назвать этапы развития радионавигации.
2. Дать определение маршрута движения объекта, истинного
курса, магнитного курса, пеленга, курсового угла.
3. Дать определение воздушной скорости. Что такое треугольник скоростей.
4. Определить ортодромию и локсодромию.
5. Пояснить используемые в навигации системы координат.
6. Вычислить размеры референц-эллипсоидов Красовского и
Бесселя.
12
Глава 2. Понятие о радионавигационных системах
2.1. Методы определения местоположения подвижных объектов
Комплекс радиотехнических средств, предназначенных для
определения местоположения подвижного объекта, называется радионавигационной системой. В настоящее время существует множество разновидностей таких систем. В их состав входят радиомаяки, спутники, излучающие радионавигационные сигналы, контрольные пункты и аппаратура, посредством которой принимают
радионавигационную информацию, обрабатывают ее и выдают в
исполнительные органы подвижных объектов координаты и другие
сведения. На практике до последних лет существовала тенденция
построения аппаратуры, с помощью которой сигнал принимался от
радиомаяков и обрабатывался универсальными ЭВМ. Однако при
этом аппаратура утяжелялась, увеличивались ее размеры из-за излишеств в комплектации вычислительного комплекса.
Разработка в последние года микроЭВМ на базе микропроцессоров и создание миниатюрных запоминающих устройств позволили
в аппаратуре такого назначения применять вычислители, свободные от названных недостатков, свойственных универсальным ЭВМ,
аппаратура стала малогабаритной и легче. Это позволяет расширить сферу применения радионавигационных систем вплоть до использования индикаторов отдельными группами людей или на малогабаритных объектах (катер, мотоцикл и т. д.).
Радионавигационные системы классифицируются по ряду признаков:
– по назначению – системы дальней навигации, ближней навигации, инструментальной посадки, определения координат с целью
предотвращения столкновения;
– по способу взаимодействия – автономные и неавтономные;
– по способу определения координат – дальномерные, разностнодальномерные, дальномерные с переизлучением, дальномерные с
применением высокостабильных генераторов, фазовые, угломерные, дифференциальные, доплеровские.
Классификация радионавигационных систем производится также по способу измерения сигнала, используемому диапазону волн,
месту установки аппаратуры, поляризации электромагнитного поля и т. д.
Рассмотрим методы определения координат в радионавигационных системах.
13
Дальномерный метод заключается в следующем. Подвижным
объектом либо маяком излучается сигнал. Поверхностью положения в этом случае является сфера с радиусом, равным дальности
действия системы. Центр сферы совпадает с местом размещения передающего (приемного) устройства. В декартовой системе координат уравнение поверхности положения записывается в виде
R 2 = x2 + y2 + z2 . Дальномерный метод с высокостабильными генераторами применяется в фазовых системах. В точке А (рис. 2.1) размещена антенна передающего устройства, излучающего высокостабильный сигнал с частотой w. В точке М, отстоящей от точки А на расстояние
AM = r, находится приемоиндикатор, в котором измеряется разность фаз между принятым сигналом и сигналом опорного генератора, имеющего ту же частоту w. В данном случае измерение разности фаз эквивалентно измерению разности показаний часов, расположенных в точках М и А, переданных радиосигналом. Если часы
идут синхронно, то разность времени t = r/c, где с – скорость распространения радиосигнала. Этой разности времени соответствует
разность фаз сигналов ψ = wr/c.
Неточная начальная синхронизация по фазе j0 обусловливает
ошибку в определении дальности
dψ
l
l
sr =
=
dψ =
dψ.
k
100°
360°
В радионавигации фаза отсчитывается в целых и сотых долях
фазового цикла (с.ц), в теории распространения радиоволн – в радианах и градусах:
1 ñ.ö. = 3,6° » 0,0628 ðàä, 1° = 0,278 c.ö. » 0,0174 ðàä,
1 ðàä » 57,3 » 15,9 c.ö.
Разность частот генераторов df приводит к погрешности, зависящей от времени Т, прошедшего с момента синхронизации:
T
drt = ldψT = l ò dfdt.
0
А
r
М
Рис. 2.1. Дальномерный метод определения координат
14
Если разность частот df за время Т может быть принята постоянной, то погрешность измерения расстояния составит
drt = ldfT = lf (df / f )T = c(df / f )T.
Если требуется определить координату с точностью drt = 1000,
100, 10 м через 5 ч после синхронизации, то необходимо иметь относительную нестабильность генераторов меньше соответственно
ïìï
ïü
1
1,85 ×10-10 ïïï
»
ïï
ïï 3 ×105 ×1,8 ×10-4
ïï
ï
ïï
0,1
df drt ïï
1,85 ×10-11 ýï.
=
=í
»
ïï
f
cT ïï 3 ×105 ×1,8 ×10-4
ïï
ïï
0,01
ïï
-12 ï
ïï
» 1,85 ×10
ïï
5
-4
ïï
îï 3 ×10 ×1,8 ×10
þ
Дальномерный метод с переизлучением заключается в следующем. Из точки М в момент t0 передается сигнал в точку А, где производится синхронизация часов (рис. 2.1) по принятому сигналу,
т. е. в момент времени t0 + t ( t – время распространения). Затем в
момент времени с известной задержкой tк.з, часто называемой базовой, или кодовой, передается сигнал, содержащий информацию о
показаниях часов в точке А. Этот сигнал приходит в точку М в момент времени t0 + t+ tк.з + t. Таким образом, в точке М становится
известно, что с учетом времени распространения разница в показаниях часов ∆t = 2t + tк.з. Соответствующее значение сдвига фаз
Dψ = wDt = w(2t + tê.ç ).
Кодовая задержка tк.з в зависимости от технических принципов
построения системы находится в пределах от нескольких микросекунд до секунд. Очевидно, что в этом случае требование к точности
хода часов, становится легко выполнимым. В частности, для обеспечения drt = 3 м, в течение 1 с стабильность частоты должна составлять 10–8 , что легко реализуется практически:
3
df drt
=
=
= 1×10-8 .
8
f
cT
3
10
1
×
×
Разностно-дальномерный метод. От подвижного объекта до двух
радионавигационных станций разность расстояний описывается
выражением
DR = R1 - R2 = 2d.
15
z
y
M
R2
B
R1
A
0
d
x
Поверхностью положения, которая соответствует разности расстояний, является гиперболоид вращения вокруг оси, совпадающей с базой
размещения радионавигационных
станций. Указанная поверхность положения представлена на рис. 2.2.
Поверхности положения соответствует уравнение
x2
+
y2
+
z2
= 1, Рис. 2.2. Разностно-дальномерный
a2 b2 c2
метод определения координат
где a, b – действительные полуоси;
(поверхность положения)
A
rA
M
rAB
rB
B
Рис. 2.3. Разностнодальномерный метод
определения координат
(геометрические соотношения для
оценки задержки прихода сигнала
от двух станций)
c – мнимая полуось.
Разностно-дальномерный метод
при фазовых измерениях не требует абсолютной синхронизации и не
нуждается в передающем устройстве
на подвижном объекте. По сигналу,
излучаемому в точке А (рис. 2.3) в момент времени t0, производится синхронизация часов в точке В в момент
времени t0 + tAB, где tAB = rAB/c. Затем с некоторой задержкой передается сообщение, которое принимается
на объекте в момент времени
tB = t0 + t AB + tê.ç + tB .
r
r
Здесь tB = B , t AB = AB , c – скорость света.
c
c
Сообщение, переданное из точки А, принимается в точке М в момент времени t A = t0 + t A . Здесь t A = rA / c.
Разность моментов времени приема сообщений
Dt = tB - t A = t AB + tê.ç + tB - t A (2.1)
не зависит от момента времени t0, т. е. точной синхронизации не
требуется. Соответствующая величине Dt разность фаз
1
где k = .
c
16
ψ = wDt = w(t AB + tê.ç )+ k(rA - rB ),
(2.2)
Первое слагаемое представляет собой известную постоянную величину, так как tк.з и rAB известны. Поэтому ψ определяется разностью дальностей rB - rA .
Обращенный разностно-дальномерный метод. Этим методом
пользуются, когда передающее устройство установлено на подвижном объекте, а определение его координат необходимо проводить в какой-либо неподвижной точке. В момент t0 сигнал передается из точки М (см. рис. 2.3). Станция в точке В работает, как и
при разностно-дальномерном методе, передавая сообщение о показаниях своих часов, синхронизированных сигналом из точки М. В
этом случае разность моментов времени приема сообщений в точке
А, пришедших из точек М и В, и соответствующая им разность фаз
также будут выражаться формулами (2.1) и (2.2).
Возможен и другой вариант разностно-дальномерного метода,
при котором сигнал передается в момент времени tA из точки А.
Этот сигнал принимается в точке М в момент времени tA + tA и в момент времени tM = tA + tA + tK(M) излучается заново.
Интервал tK(M) – кодовая задержка станции K. Сигнал, переданный из точки M, используется для определения разности расстояний rB– rA в точке А.
Измеряя разность моментов прихода сигналов tM в точку М из
точек А и В, получаем
r - rA
tBA = t AB - tK(M ) + t B - t A = t AB + tK(M ) + B
.
c
Дифференциальный метод. В случаях, когда синхронизация
станций затруднена, применяется дифференциальный, или компенсационный, метод (рис. 2.4). Пусть в момент времени tA станция
А передает сигнал. Независимо от этого в момент времени tB сигнал
излучает станция В. Эти сигналы будут приняты контрольным пунктом,
M rMN
N
расположенным в точке N соответr¢
ственно в моменты времени t A + A и
c
r¢
rA
t + B , после чего в этой точке проc
r ¢A
изводится синхронизация часов.
r ¢B
rB
Затем через время tк.з передаются
A
их показания, которые будут приняr
B
ты в точке М через время tê.ç + MN
c
после приема соответствующих сигна- Рис. 2.4. Дифференциальный
лов в точке M, т. е. в момент времени метод определения координат
17
tMA(N ) = t A + rA¢ / c + tê.ç + tMN ,
tMB(N ) = tB + rB¢ / c + tê.ç + tMN .
Здесь tMN – время распространения сигнала из точки M в точку
N. Ранее в точке М были приняты сигналы, переданные из точек А
и B в моменты времени
tMA = t A + rA / c,
tMB = tB + rB / c.
После измерения разностей
Dt A = tMA(N ) - tMA ,
DtB = tMB(N ) - tMB
получаем
Dt A = rA¢ / c + tê.ç + tMN - rA / c,
DtB = rB¢ / c + tê.ç + tMN - rB / c.
Если частоты станций А и В примерно одинаковы, т. е.
w A » wB = w, Dw = w A - wB << w,
то можно определить разность фаз
ψ = w A Dt A - wB DtB » w(rB - rA )/ c - w(rB¢ - rA¢ )/ c + Dw(tê.ç + t MN ).
Отсюда вытекает, что при использовании этого метода не требуется точного знания разности частот ∆w и времени tк.з + tMN.
Дальномерно-угломерный метод. В этом случае находят дальность R и угловые координаты a и β. При использовании сферической системы координат (R, a, β) угол в горизонтальной плоскости
определяется координатой a. Поверхностью положения служит
вертикальная плоскость, расположенная под этим углом. Опорным
направлением обычно является направление на север. Уравнение
поверхности можно записать в виде
æxö
a = arctan çç ÷÷÷.
çè y ÷ø
На рис. 2.5, а представлена поверхность положения при дальномерно-угломерном методе определения координат.
18
z
а)
z
б)
M
M0
0
y
0
α
β
y
x
x
Рис. 2.5. Поверхность положения для нахождения угла
в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях
при дальномерно-угломерном методе измерения координат
Угол в вертикальной плоскости определяется координатой b.
Поверхностью положения является конус, полученный вращением
прямой вокруг вертикальной оси. Эта поверхность положения изображена на рис. 2.5, б.
Уравнение поверхности положения для определения угла в вертикальной плоскости можно записать в виде
æ
çç
z
β = arctan çç
çç x2 + y2
çè
(
ö÷
÷÷÷.
1/2 ÷÷
ø÷
)
Дальномерными методами измеряется дальность от подвижного
объекта до нескольких радионавигационных станций с известными координатами. При пересечении поверхности положения сферы
с плоскостью получаем линию положения в виде окружности. Так
как окружность не позволяет однозначно измерять координаты, необходимо вычислить три дальности. На рис. 2.6, а точкой М отмечеа)
ЛП1
б)
ЛП2
O1
R1
R2
M
R3
O3
O2
M
R1
R3
A
C
R2
∆R1
B
∆R2
Рис. 2.6. Определение положения подвижного объекта по трем
дальностям (а) и разностно-дальномерным методом (б)
19
но местоположение подвижного объекта, которое характеризуется
как точка пересечения трех окружностей (линий пересечения сферы с плоскостью).
При разностно-дальномерных методах нахождения координат
линия положения является гиперболой. Объект, расположенный в
точке М, определяет две разности расстояний:
DR1 = R1 - R2 , DR2 = R2 - R3 .
Полученному значению ∆R1 соответствует линия положения, которая представляет собой гиперболу ЛП1, a DR2 – гипербола ЛП2
(рис. 2.6, б). Местоположение объекта определяется как точка пересечения двух линий положения. Станции А, В, С располагаются
так, чтобы исключить двукратное пересечение гипербол в зоне действия станций.
Пеленгационный (угломерный) метод. Метод строится на прокладке двух пеленгов (П1 и П2) на объект, который расположен в
точке М (рис. 2.7). Координаты
N
точки М отыскиваются путем решения треугольника АВМ по известной базе d и углам a1 и a2. ТаП2 ¢
M
ким же образом можно определить
П1¢
местоположение точки М и на подN
N
вижном объекте, если измерить пеленги Ï1¢ и Ï2¢ . Зная Ï1¢ и Ï2¢ , наП1
П2
α2
ходят П1 и П2 (их в этом случае наα1
B
A
зывают обратными пеленгами):
d
Рис. 2.7. Пеленгационный метод
определения координат
Ï1 = Ï1¢ -180°, Ï2 = Ï2¢ + 180°. Дальше, как и в первом случае, решается треугольник АBM.
Местоположение подвижного объекта в пространстве определяется по измерениям трех параметров в системе координат радионавигационной станции. В реальной аппаратуре координаты вычисляют с ошибками, поэтому и местоположение объекта также определяется с ошибкой.
Ошибкой местоположения называют расстояние между измеренным и истинным положением объекта.
Ошибка поверхности положения. Известно, что каждому значению измеренной координаты в радионавигационной системе соответствует определенная поверхность положения. Если навига20
ционный параметр измерен с ошибкой, то и соответствующая поверхность положения также будет вычислена с ошибкой. Ошибкой
поверхности положения в точке расположения объекта называют
расстояние по нормали между истинной и измеренной поверхностями положения.
Примем к рассмотрению прямоугольную систему координат x,
y, z. Выразим координаты, измеренные радионавигационной системой, в общем виде:
P = f (x, y, z).
(2.3)
Если задать малые приращения Р, то от одной поверхности положения в системе координат радионавигационной системы перейдем
к соседней, близлежащей, поверхности. Поэтому уравнение (2.3) характеризует поверхность некоторого уровня в непрерывном скальном поле. Модуль градиента Р определяет скорость изменения второго поля в направлении нормали к поверхности. В прямоугольной
системе координат
dP
dP
dP
gradP = i
+j
+k ,
dx
dy
dz
соответственно
1/2
2
é
2
2ù
êçæ dP ÷ö çæ dP ÷÷ö çæ dP ÷ö ú
gradP = êçi ÷÷ + ç j ÷ + çk ÷÷ ú .
êèç dx ø çè dy ø÷ èç dz ø ú
ë
û
Если заменить дифференциалы на конечные приращения, можно записать
Dn =
DP
.
gradP
(2.4)
Если ∆P принять за ошибку измерения параметра Р, то ∆n определяет ошибку поверхности положения. Опуская промежуточные
преобразования, записываем
Dsn2 =
s2P
(2.5)
.
2
gradP
Если известна дисперсия ошибки измерения параметра s2P , то
можно найти дисперсию ошибки поверхности положения.
При постоянной ошибке параметра sP ошибка поверхности положения sn в разных точках пространства из-за переменной величины gradP различна.
21
Ошибка линии положения. Линию положения в пространстве поa
b
лучают пересечением двух поверхA
∆l
α
ностей положения. Ошибкой линии
α ∆n
1 ∆n2
γ
положения называют расстояние по
b
П1¢
П2 ¢
a
нормали между истинной и измеренM
ной линиями положения. На рис. 2.8
γ
П1
точка М является следом истинной
П2
линии положения в плоскости чертежа. Пеленги П1 и П2 – сечение
Рис. 2.8. Ошибка линии
положения
двух поверхностей положения плоскостью чертежа. Измеренные поверхности положения Ï1¢ и Ï2¢ при пересечении образуют измеренную линию положения, следом которой является точка M′. Расстояние MM′, равное ∆l, является ошибкой линии положения. Найдем
величину ∆l из треугольника AMM′:
M¢
(
1/2
)
Dl = a2 + b2 - 2ab cos(a )
.
Выразим a, b, a через ошибки поверхностей положения Dn1 , Dn2 , g:
DDnn11,, DDnn22,, gg::
a=
Тогда
Dl =
Dn1
Dn2
, b=
, a = π - g.
sin (a)
sin (a )
1/2
1
Dn12 + Dn22 - 2Dn1Dn2 cos(g ))
(
2
sin (g )
.
Перейдя к средним квадратам, получим выражение для дисперсии ошибки:
s2l =
1/2
1
sn21 + sn2 2 - 2M1,2 cos(g ))
(
2
sin (g )
,
где Ì1,2 = Dn1Dn2 – среднее произведение ошибок.
π
При g = ошибка максимальна и равна
2
1/2
s2l = s2n1 + s2n2
.
(
)
Ошибка определения местоположения объекта в пространстве.
Местоположение объекта в пространстве находится как точка пере22
сечения линии положения и третьей поверхности положения. На
рис. 2.9 ЛП, П3 и М – истинные линии положения, поверхность положения и местоположение объекта.
Величины ËÏ ¢, Ï3¢ , M ¢ – измеренные, ψ – угол пересечения ЛП
и П3, ∆l, ∆n3, ∆r – ошибки линии
поверхности и местоположения.
Положим, что ∆l, ∆n3, ψ заданы. Выражения для расчета получаются сложными, а для случая
π
ψ=
2
Dr 2 = Dl2 + Dn32 ,
ЛП¢
ЛП
ψ
∆l
П3
M
∆r
П3 ¢
∆n3
M¢
Рис. 2.9. Ошибка определения
местоположения объекта
в пространстве
Ds2r = Ds2l + Ds2n .
3
Ошибка определения линии положения на плоскости хОy может быть получена как частный случай из выражений (2.4) и (2.5),
если считать пространство двумерным. В этом случае измеренному параметру соответствует кривая на плоскости (линия положения) P = f (x,y) , а ошибки линии положения определяются соотношениями
DP
Dl =
,
gradP
Dsl =
Ds P
,
gradP
где
éæ ö2 æ ö2 ù1/2
dP ú
ê dP
gradP = êçç ÷÷÷ + ççç ÷÷÷ ú .
êçè dx ø è dy ø÷ ú
ë
û
M¢
a
b
α
∆r
∆l1
∆l2
α
A
a
b
Ошибка Dr здесь зависит от оши- ЛП ¢
ЛП2 ¢
1
M
бок линий положения Dl1, Dl2, g. На
γ
ЛП2
рис. 2.10 представлены необходиЛП1
мые геометрические соотношения.
Если положить, что указанные Рис. 2.10. Ошибка определения
линии положения заданы, то
местоположения на плоскости
23
Dr =
1/2
1
Dl12 + Dl22 - 2Dl1Dl2 cos(g ))
(
2
sin (g )
Dsr =
1
sin
2
,
1/2
(s2l + s2l - 2rsl sl cos(g))
(g )
1
2
1
2
,
где r – коэффициент корреляции.
2.2. Рабочая зона системы
Рабочая зона радионавигационной системы ограничена объемом
пространства, в котором обеспечивается установленная точность
работы ее при заданном соотношении Uc / Uø и на входе приемных устройств, а также ошибка определения местоположения объекта с заданной вероятностью не превосходит установленной величины. Указанную область всегда характеризуют радиус-вектором
пространственной фигуры, для которой выполняются приведенные
условия.
Очень часто в вертикальной плоскости для систем с наземным
базированием рабочая область повторяет по форме диаграмму направленности передающей антенны с учетом характера изменения
коэффициента усиления приемной антенны на подвижном объекте
при его эволюции. Для секторных радионавигационных систем, к
которым относятся также курсовые и глиссадные радиомаяки инструментальной посадки, форма диаграммы направленности в горизонтальной плоскости повторяет форму рабочей зоны действия.
Дальномерная система состоит из двух станций, расположенных на концах базы. Положим, что маяки имеют одинаковую точность s0. Тогда, опуская промежуточные вычисления, можем записать выражение для расчета рабочей зоны системы на плоскости:
s0
1/2
rs =
(1 + r cos(g )) ,
2 sin (g )
где g – угол пересечения линий положения, проведенных из точек
размещения маяков.
Кривой равного значения ошибки места соответствует постоянный угол пересечения линий положения. Эта кривая является
окружностью, хорда которой есть база системы. Радиус окружности
и положение центра определяют из соотношений
D
D
R = cos(g ), yö = ctg (g ), xö = 0.
2
2
24
Ошибка определения местоположения будет минимальной при
пересечении линий положения под углом 90° на окружности, диаметр которой равен размеру базы:
s
rs min = 0 .
2
Разностно-дальномерная система состоит на трех станций. На
рис. 2.11 представлены геометричеC
ские соотношения. Местоположеγ
ние объекта определяется как точЛП2
θ2
ка пересечения линий положения
для двух баз АВ и ВС. Связь между
θ2/2
углом пересечения линий положеθ1
ния g с углами Θ1 и Q2, под которыθ1/2
ми просматривается база из точки A
B
М, может быть найдена из свойств
ЛП1
гипербол.
Это свойство состоит в том, что Рис. 2.11. Расчет рабочей зоны
касательная к гиперболе являетразностно-дальномерной
ся биссектрисой внутреннего угла радионавигационной системы
между радиус-векторами (например, AM и ВМ), проведенными из фокусов (А и В). Поэтому
Θ
Θ
g = 1 + 2.
2
2
Коэффициент взаимной корреляции в данном выражении не равен нулю, так как измерения зависимые (точка В является общей
для двух баз). Обычно ошибки измерения параметра (разности расстояний) для двух баз систем одинаковы. Тогда можно записать выражение для нормированной ошибки местоположения:
s
1
´
síîðì = r =
æ
Θ
+ Θ1 ö÷
sP
2 sin çç 1
÷
÷ø
çè
2
1/2
é
æ Θ1 + Θ2 ö÷ úù
ê
ç
cosç
÷÷ ú
ê
çè
ø ú
1
1
2
´êê
+
+ 2r
,
æ ö
æ ö
æ Θ1 ö÷
æ Θ2 ö÷ úú
ê sin2 çç Θ1 ÷÷ sin2 çç Θ2 ÷÷
ç
ç
sin ç ÷÷ sin ç ÷÷ ú
ê
çè 2 ø
èç 2 ø÷
èç 2 ø÷
èç 2 ø û
ë
где sr – ошибка местоположения на плоскости; sP – ошибка измерения разности расстояний (параметра системы); Q1, Q2 – углы, под
25
которыми просматриваются базы из точки пересечения линий положения; r – коэффициент корреляции.
Задав размеры и положение баз в декартовой системе координат
(х, y), можно определить зависимость
Θ1 = f1 (x, y), Θ2 = f2 (x, y).
В результате получим уравнение вида
f (x, y, s íîðì, r)= 0.
Решая это уравнение при заданных síîðì , r, можно построить
линии равных ошибок, которые являются границами рабочей зоны
при допустимых ошибках местоположения sr = síîðì s P .
2.3. Особенности распространения радиоволн
В окружающей земной шар атмосфере различают две области,
оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу
и ионосферу.
Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты 10...15 км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры изменяются при изменении метеорологических условий.
Тропосфера влияет на распространение радиоволн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей.
Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от
высоты 50...80 км и простирающаяся примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ
ионизирован.
Существует большое число свободных электронов (примерно
103...106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем
последовательного отражения от ионосферы радиоволны распространяются на очень большие расстояния.
За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются, при этом условия распространения радиоволн
близки к условиям их распространения в вакуумном пространстве.
26
Радионавигационные системы создаются с использованием всех
диапазонов радиочастот: сверхдлинные (100000...10000 м), длинные
(10000...1000 м), средние (1000...100 м), метровые (10...1 м), дециметровые (1...0,01 м) и сантиметровые (0,01...0,001 м) волны. Дальность действия радионавигационных систем, используемых метровых, дециметровых и сантиметровых волн ограничивается прямой
видимостью между назамной станцией и подвижным объектом. А
сверхдлинные и длинные волны из-за свойств окружающей земной
шар атмосферы распространяются на значительные расстояния и
могут огибать его несколько раз.
На средних волнах в точке приема в точное время кроме полезного поверхностного сигнала появляется мешающий пространственный сигнал, отраженный от ионосферного слоя. Для исключения
его приходится расширять спектр излучающих сигналов.
2.4. Отсчет времени в радионавигационных системах
Синхронизация работы бортовых средств подвижного объекта и
наземных систем является очень сложной, но крайне необходимой
задачей. От точности синхронизации зависит не только точность работы радиотехнических систем, но в ряде случаев и принцип их построения. Так, при точной синхронизации представляется возможным внедрить беззапросные режимы работ в ряде радионавигационных и радиолокационных систем, которые не только повышают
тактические характеристики подвижных объектов, но и создают
условия работы без помех.
Синхронизация радиотехнических средств зависит от работы
устройств или систем единого времени, которые применяются на
подвижном объекте и в наземной аппаратуре. Принцип построения
бортовых систем единого времени (устройств синхронизации) основан на работе автономного хранителя времени, связанного с системой контроля управления, наземными средствами синхронизации
и хранителями времени. Последнее вызвано тем, что в наземных
условиях легче обеспечить более высокую стабильность хранителя
времени, а посредством системы управления представляется возможность устранять накапливаемую ошибку по времени в бортовой
системе синхронизации.
В зависимости от требований к стабильности временных характеристик на борту подвижного объекта в качестве хранителя времени
используются кварцевые генераторы, квантовомеханические стандарты частоты, в том числе атомно-лучевые. Выполнены широкие ис27
Датчик
частоты
Формирователь
синхросигналов
частоты
Формирователь
временной шкалы
частоты
Устройство
фазирования
и кодирования
частоты
Датчик
частоты
Устройство
выдачи времен
ной шкалы
частоты
Рис. 2.12. Структурная схема устройства синхронизации
следования возможности использования в качестве бортовых хранителей времени приборов на новых физических принципах функционирования (водородные и лазерные стандарты). Структурная схема
бортовых устройств синхронизации приведена на рис. 2.12.
Формирование сетки синхрочастот осуществляется с помощью
цифровых делителей, пересчетных ячеек или других элементов вычислительной техники. Сформированные синхрочастоты в виде импульсных синхросигналов поступают в радиотехнические системы
на подвижном объекте. Секундные метки (сигналы частоты в герцах) оцифровываются в формирователе шкалы времени и в виде импульсного последовательного или параллельного кода поступают к
потребителям бортовых систем подвижного объекта.
Учитывая важность информации, передаваемой из бортового
хранителя времени в бортовые системы, связь между ними осуществляется, как правило, по дублированным цепям и даже по троированным с целью организации на входе бортовых устройств мажоритарного органа по приему сигналов времени.
Оцифровка меток выполняется в пределах принятого интервала
для данной системы единого времени. Контроль за работой бортового хранителя времени осуществляется путем передачи на наземные
измерительные пункты по радиоканалу метки 1 Гц и ее оцифровки.
Структура и способ передачи этой информации зависят от построения радиотехнических комплексов.
Различают пассивные и активные методы сверки бортовых и наземных хранителей времени. При пассивном методе на наземном
пункте принимают переданный с подвижного объекта сигнал и
фиксируют значение бортовой шкалы времени. На основе данных
траекторных измерений определяют время распространения сигнала. При этом учитывают параметры, характеризующие состояние
среды на трассе распространения сигнала. По серии измерений про28
изводят статистическую обработку сигналов и находят расхождение шкал времени у бортового хранителя относительно наземного.
При активном методе сверки используется командно-траекторный радиоканал, в котором производится измерение дальности до
подвижного объекта и определяется временное расхождение шкал
в системе. Рефракционные и другие известные погрешности учитываются с помощью вычислений. Активный метод более точен, но
требует использования дополнительной аппаратуры на наземных
пунктах сверки и на борту подвижного объекта. При этом автономность работы подвижного объекта уменьшается.
Повышение точности хранения шкал времени в радионавигационных системах можно достичь путем:
– увеличения стабильности опорного генератора бортового хранителя времени;
– более частого использования операций сверки и закладки поправок в шкалу бортового хранителя времени;
– прогнозирования хода шкалы времени и коррекции его по вычисленным поправкам в промежутках между операциями сверки и
коррекции.
Различают также проведение коррекции шкалы времени бортового хранителя путем изменения хода времени или положения временной метки хранителя (фазирование и коррекция) либо путем математического учета временной информации в радионавигационном
сигнале (без управляющего воздействия на бортовой хранитель).
В космической навигационной системе на борту космических аппаратов устанавливались по четыре хранителя времени (атомные).
В подсистему управления входят пять станций слежения, в числе
которых главная станция слежения, а также три станции закладки
навигационной и временной информации. С каждого космического аппарата информация о времени одновременно поступает на две
станции слежения, что позволяет синхронизировать шкалы станций друг с другом.
В состав аппаратуры станций слежения входят два комплекта
наземного хранителя времени (рабочий и находящийся в горячем
резерве). Они формируют шкалу времени навигационной системы.
Главная станция управления обрабатывает данные измерений, поступающие от станций, и производит оценку состояний работы бортовых хранителей времени (фазы и частоты сигнала, старения и
т. д.), наземных хранителей времени станций слежения (фазы и частоты сигнала) и эфемерид космических аппаратов. Полученные
результаты регулярно передаются на борт космических аппаратов
29
через станции передачи служебной информации. Кроме этого, на
борт передаются коэффициенты корреляции, спрогнозированные
на основе калмановской оценки хода шкалы бортовых хранителей
времени каждого космического аппарата. В качестве опорной шкалы времени в системе GPS выбрана шкала морской обсерватории
США. Погрешность привязки шкалы времени потребителей системы к шкале времени морской обсерватории США не должна превышать 110 нс (1 s).
Эта суммарная погрешность распределяется по составляющим
следующим образом:
– погрешность шкал времени наземных хранителей к шкале времени морской обсерватории США – не более 90 нс (1 s);
– погрешность привязки шкалы времени бортовых хранителей
времени к шкале времени морской обсерватории США – не более
97 нс (1 s);
– погрешность калмановской оценки сдвига шкалы времени бортовых хранителей времени относительно наземных хранителей времени станций слежения – не более 7,5 нс (1 s).
Характеристика стандартов частоты по нестабильности (дисперсия Аллана) составляет:
для бортовых за tn = 1 сут 2 ×10-13 (1 s),
для наземных за tn = 2 ч 3 ×10-14 (1 s).
Для получения информации о текущем времени от системы потребителю необходимо определить расхождение собственной шкалы
времени и шкалы времени систем DТш. Носителями последней, как
отмечалось ранее, являются бортовые хранители времени космических аппаратов. Информация передается потребителю от космических аппаратов в виде секундной метки времени, соответствующей
определенной фазе кода. Номер секунды в пределах суток и поправка DТизл на уход бортового хранителя относительно времени системы
передается в составе информации с космического аппарата:
DÒø = PR + DÒèçë - R / ñ - t,
где Р – псевдодальность до космического аппарата; DТизл – поправка
на уход бортовой шкалы времени относительно шкалы времени наземного хранителя; R – геометрическая дальность до космического
аппарата; c – скорость света; t – дополнительная задержка распространения радиосигнала в ионосфере, тропосфере и аппаратуре потребителя.
30
Потребитель автоматически (с помощью приемоиндикатора) измеряет псевдодальность PR, определяет значение DТизл, заложенное
в сообщение в составе служебной информации с космического аппарата, вычисляет значение геометрической дальности R, используя
эфемериды космического аппарата, также передаваемые в составе
служебной информации, определяет t исходя из априорно известных моделей ионосферы, тропосферы и данных о задержке сигнала
в аппаратуре потребителя при обработке. Указанная процедура для
повышения точности проводится несколько раз.
Дисперсия погрешности формирования шкал времени, вызванная смещением частот между моментами коррекции, может описываться уравнениями соответственно для рубидиевых и цезиевых
стандартов:
2
s2 (t) = 10-20 (t - têîð )+ 1,44 ×10-24 (t - têîð ) ,
2
s2 (t) = 2,5 ×10-21 (t - têîð )+ 5,76 ×10-26 (t - têîð ) ,
где t – текущее время; tкор – время коррекции.
Подсистема контроля и управления в системе корректирует шкалу времени бортовых хранителей с таким интервалом, что среднеквадратическая ошибка погрешности бортового хранителя не превосходит 12 нс.
Использование в системе аппаратуры, работающей на двух частотах f1 и f2, позволяет вычислить при приеме ионосферную задержку и уменьшить значение погрешности до единиц наносекунд.
В тропосфере благодаря использованию моделей удается рассчитать
задержку на распространение с точностью до 1 нc.
Шумовые погрешности при приеме сигналов в системе составляют единицы наносекунд благодаря узкой полосе приема.
Контрольные задания
1. Привести классификацию РНС.
2. Описать дальномерный метод определения координат.
3. Описать разностно-дальномерный метод определения координат.
4. Описать обращенный разностно-дальномерный метод определения координат.
5. Описать дифференциальный метод определения координат.
6. Описать дальномерно-угломерный метод определения координат.
31
7. Описать пеленгационный метод определения координат.
8. Определить ошибку поверхности положения.
9. Определить ошибку линии положения.
10. Определить ошибку местоположения в пространстве.
11. Определить ошибку определения местоположения объекта на
плоскости.
12. Установить рабочую зону РНС при дальномерном методе работы.
13. Рассчитать рабочую зону разностно-дальномерной РНС.
14. Назвать особенности распространения радиоволн и диапазоны волн.
15. Описать принцип отсчета времени в РНС. Охарактеризовать
структурное устройство синхронизации.
32
Глава 3. Системы ближней навигации
3.1. Радиотехническая система ближней радионавигации
Отечественная радиотехническая система ближней навигации
(РСБН) располагает каналом азимута и каналом дальности. Канал
азимута обеспечивает на борту подвижного объекта определение угла на радиомаяк. Принцип работы временной. По азимутальному
каналу диаграмма антенны маяка имеет двулепестковый характер
в горизонтальной плоскости и вращается с частотой 100 об/мин.
Передатчик излучает немодулированные или импульсные колебания. Приемное устройство бортовой аппаратуры выделяет импульс, образующийся при облучении подвижного объекта диаграммой направленности (ДН). Этот импульс при азимуте точки приема,
равном А, запаздывает на время t A = A / Ωâð относительно момента
начала отсчета t0, когда минимум диаграммы направленности маяка совпадает с северным направлением меридиана, проходящего
через точку установки радиомаяка. Здесь Ωвр – частота вращения
азимутальной антенны маяка, равная 100 об/мин (600 град).
Для выделения информации об азимуте применяются измерители времени. Для фиксации на подвижном объекте начала отсчета
времени используют опорный сигнал. Он излучается ненаправленной антенной маяка и содержит две последовательности импульсов:
одна состоит из 35 импульсов, вторая – из 36 (за период одного оборота направленной азимутальной антенны). В момент, когда минимум диаграмм азимутальной антенны проходит через северное направление меридиана, импульсы 35-й и 36-й последовательностей
совпадают, что берется за начало отсчета времени. При прохождении минимума диаграммы азимутальной антенны через подвижный объект этот момент времени фиксируется и сравнивается время
прихода импульсов 35-й и 36-й последовательностей. Далее рассчитывается азимут подвижного объекта относительно маяка систем.
Канал дальности работает по принципу «запрос–ответ» и реализует импульсный метод определения дальности. Информация о
дальности сосредоточена в интервале времени между моментом излучения с подвижного объекта сигнала запроса и моментом приема
сигнала ответа с дальномерного маяка. Этот момент времени определяется выражением
2D
t=
+ tç.ð ,
ñ
33
Опорные сигналы: 36 импульсов
t
Опорные сигналы: 35 импульсов
t
N
А3
ДН1
O
W
РМ
ДН2
Азимутальный
сигнал
А
S
t
∆r
СС
АИ
t
tA
Рис. 3.1. Определение азимута в радиотехнической системе
ближней радионавигации
где D – дальность от подвижного объекта до маяка; c – скорость света; tз.р – задержка сигнала в радиомаяке (РМ).
Запросные сигналы дальности с подвижного объекта состоят из
трех импульсов, ответные сигналы – из двух. Импульсный характер дальномерных сигналов позволяет радиомаяку одновременно
работать со 100 подвижными объектами.
Основные параметры наземного маяка:
частотный диапазон .................................. порядка 1000 МГц
дальность действия .............................400 км (при Н = 10 км)
погрешность измерения азимута 2s............................... 0,25°
погрешность измерения дальности s..............200+0,03% D (М)
На рис. 3.1 представлены временные диаграммы, поясняющие
принцип работы азимутального канала РСБН.
В недавнем прошлом в бортовой аппаратуре применялись аналоговые методы обработки навигационной информации. В последние
годы появились образцы бортовой аппаратуры, в которой принимаемый навигационный сигнал (азимутальный и опорный каналы)
обрабатывается цифровыми методами. Обработка сигналов производится в специализированных вычислителях, построенных на микропроцессорах. Для повышения помехозащищенности антенная
система на подвижном объекте имеет секторный обзор пространства. Переключение антенн на подвижном объекте осуществляется
по сигналам специализированных вычислителей.
34
3.2. Радионавигационная система TACAN
Радионавигационная система TACAN (Tactical Air Navigation)
имеет дальномерный и азимутальный каналы. Дальномерный канал системы работает по принципу «запрос–ответ». В запросчиках
дальномеров применяются цифровые измерители времени задержки. Учитывая, что принцип работы такого канала общеизвестен, в
рамках данной работы его рассматривать нецелесообразно.
Принцип работы канала азимута системы основан на фазовом
методе, построенном на измерении фазы огибающей принимаемых
амплитудно-модулированных колебаний. Особенностью канала азимута является использование двухканального метода измерения. На
маяке системы TACAN формируется многолепестковая диаграмма
направленности в азимутальной плоскости, имеющая форму кардиоиды. Эта диаграмма направленности представлена на рис. 3.2. Она
вращается в азимутальной плоскости с частотой 15 об/с.
Указанная форма диаграмм направленности и ее вращение приводят к амплитудной модуляции принимаемого на подвижном объекте сигнала, излучаемого этой антенной. Модуляция осуществляется соответственно частотами 15 и 135 Гц. Фаза огибающей сигнала есть функция азимута подвижного объекта. На частоте 15 Гц эта
функция однозначная, и точность определения азимута равна точности измерения фазы. На частоте 135 Гц производится уточнение
азимута (точная шкала).
Опорные сигналы передаются с помощью группы импульсов, излучаемых каждый раз, когда основной или дополнительный максиN
40°
T
1/135
1/15
ψ
W
Радиомаяк
O
Грубый отсчет
t
Подвижный
объект
S
ψ
Точный отсчет
Рис. 3.2. Определение азимута в радионавигационной системе
35
мум диаграммы направленности проходит через восточное направление магнитного меридиана. Опорные сигналы служат для синхронизации бортовых генераторов, имеющих частоту 15 и 135 Гц. Опорные сигналы излучаются с помощью основной антенны маяка.
Удвоенная среднеквадратическая ошибка измерения азимута
системы составляет 1°. Измерение дальности обеспечивается с точностью, аналогичной РСБН.
На базе систем TACAN создана и эксплуатируется система
МикроТАСАN для определения координат в группе летательных
аппаратов относительно ведущего.
3.3. Радионавигационная система vor/dme
В системе VOR/DME для определения азимута используется фазовый метод. В зависимости от структуры излучаемого маяком сигнала различают стандартный доплеровский (DVOR) и прецизионный доплеровский (PBVOR) VOR.
В стандартном VOR диаграмма направленности маяка в горизонтальной (азимутальной) плоскости имеет форму кардиоиды. Вращение этой диаграммы приводит к амплитудной модуляции принимаемого сигнала. Фаза огибающей принимаемого амплитудномодулированного сигнала Uc отклоняется от фазы амплитудномодулированного сигнала, принимаемого в северном направлении,
на величину
ψ A = Ωâð t A .
Азимутальный сигнал в системе VOR представляет собой лент����������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
из огибающей принимаемого сигнала, синусоидальное напряжение частоты составляет 30 Гц (частота вращения диаграммы
направленности). Этот сигнал называют сигналом переменной фазы. Опорный сигнал, излучаемый маяком, представляет собой
частотно-модулированные поднесущие колебания со средней частотой fп = 9960 Гц. В качестве модулирующего напряжения служит
сигнал опорной фазы U0, имеющей частоту 30 Гц, и фазу, не зависящую от азимута точки приема. В северном направлении фазы переменного и опорного сигналов частотой 30 Гц совпадают.
Выражение для сигнала, излучаемого маяком, можно записать
в виде
e = Em éê1 + m sin (Ωâð t)- A + mï sin(wï t - mèì cos(Ωâð t))ùú sin wí t,
ë
û
где Em – амплитуда сигнала; m – глубина модуляции сигнала неравномерности диаграммы (кардиоида); Ωвр – частота вращения антен36
Uc
1/Fвр
t
Сигнал переменной фазы
Uc
tA
t
Сигнал опорной фазы
fп–fн
fп–fм fп+Fвр
fп+fн
fп
Рис. 3.3. Формы сигналов в системе
ны; A – азимут подвижного объекта; mп – глубина модуляции поднесущей сигнала; wп – частота поднесущей сигнала; mим – глубина
модуляции частотно-модулированного сигнала; wн – частота несущей сигнала.
Формы сигналов в системе представлены на рис. 3.3. Здесь Fвр –
частота сигнала.
Доплеровский VOR разрабатывался с целью уменьшения влияния отраженных сигналов на точностные характеристики. В
маяке DVOR азимутальный сигнал переменной фазы передается с помощью частотной, а не амплитудной модуляции. Частотномодулированный сигнал меньше подвержен искажениям вследствие случайных изменений амплитуды и поэтому обладает большей помехоустойчивостью по отношению к отражениям от местных предметов. Для устранения искажений амплитуда частотномодулированный сигнал перед частотным детектором подают на
ограничитель.
Принцип работы маяка заключается в следующем. Антенна маяка через ненаправленную диаграмму непрерывно излучает немодулированные колебания в азимутальной плоскости. Эта антенна вращается по окружности радиусом r с круговой частотой Ω. В процессе вращения с изменением периода частоты вращения ее расстояние
до подвижного объекта непрерывно меняется. Вследствие эффекта
Доплера частота колебаний на входе приемника на подвижном объекте меняется периодически (принимаемый сигнал будет модулирован на частоте). Фаза этого сигнала зависит от азимута.
37
Обозначим RO расстояние от центра окружности O до подвижного объекта, а R – расстояние от антенны A1, движущейся по окружности с радиусом r,���������������������������������������������
до подвижного объекта. Так как всегда выполняется соотношение R >> r, угол раствора пренебрежимо мал. Поэтому можно записать
æ
ö
π
R » RO - r cosççΩt - - a÷÷÷.
çè
ø
2
Доплеровская частота определяется радиальной скоростью vR и
длиной волны l:
æv ö
æ 1 dR ö÷
ærΩ
ö
cos(Ωt - a )÷÷÷.
FA = -çç R ÷÷÷ = -çç ×
÷ = -ççç
çè l ø
èç l dt ø÷
è l
ø
Следовательно, путем вращения антенны можно осуществить
передачу азимутального сигнала, пользуясь эффектом Доплера. На
рис. 3.4 представлены геометрические соотношения, определяющие
работу маяка DVOR. Угол Ωt отсчитывается от направления на восток, поэтому фаза опорного сигнала азимута должна совпадать с фазой частотной модуляции в восточном направлении. Необходимость
дополнительного сдвига фазы опорного сигнала на π/2 вызвана тем,
что доплеровская частота равна нулю, когда антенна проходит направления на подвижной объект, в то время как амплитуда сигнала
маяка на входе бортовой аппаратуры достигает максимума.
Радиомаяк DVOR разрабатывался с таким расчетом, чтобы для
приема азимутального частотно-модулированного сигнала в бортовой аппаратуре можно было исПодвижный
пользовать канал для приема опоробъект
ного сигнала маяка VOR, и, наоборот, для приема опорного сигнала
RO
R
N
DVOR – канал азимутального сигα
нала VOR. Это означает, что вид
модуляции сигналов, излучаемых
A1
маяком DVOR, поменялся местаr
ми с видом модуляции сигналов
O
маяка VOR.
Ωt
Таким образом, в маяке DVOR
опорный сигнал азимута представляет собой модулированное
по амплитуде колебание сигналом
Рис. 3.4. Геометрические
соотношения, поясняющие
постоянной фазы с частотой 30 Гц.
принцип работы маяка в системе Для получения спектра сигнала с
38
частотой модуляции в соответствии со спектром, изображенным на
рис. 3.3, используют не одну, а две диаметрально расположенные
вращающиеся по кругу антенны. Одна излучает сигнал с частотой
f0 + 9960 Гц, другая – сигнал с частотой f0 – 9960 Гц. Таким образом, в эфире действует сигнал с двумя боковыми частотами спектра.
Несущая частота спектра излучается ненаправленной антенной,
расположенной в центре круга. Радиус круга, по которому вращаются антенны, составляет примерно 6,75 м. Так как вращать по такому кругу антенну с частотой 30 Гц затруднительно, на практике
применяют коммутацию антенн, расположенных по кругу.
При использовании маяка азимутальная ошибка уменьшается примерно в три раза, а при сильно пересеченной местности – в
пять-десять раз. Удвоенная среднестатистическая ошибка составляет 1,5°.
Прецизионный PDVOR-маяк позволяет практически полностью
исключить влияние рельефа местности на точность канала азимута. В радиомаяках PDVOR информация об азимуте передается так
же, как и в маяке DVOR, а для передачи сигнала опорной фазы служит поднесущая частота fп = 6500 Гц, модулируемая по частоте.
Преимущества могут быть реализованы при использовании специальной бортовой аппаратуры. Применение PDVOR-маяка и специальной бортовой аппаратуры позволяет дополнительно троекратно
повысить точность измерения азимута.
Дальномерный канал системы VOR работает по принципу
«запрос–ответ». Аппаратура построена по цифровому методу обработки информации.
3.4. Автоматизированная система ГРАС
Система ГРАС представляет собой двухканальный некогерентный фазовый радиодальномер сантиметрового диапазона волн,
предназначенный для высокоточного определения местоположения
морских объектов при производстве гидрографических и других задач.
Координаты объекта находят по пересечению двух линий положения – одновременно измеренных расстояний до опорных станций. Запуск системы осуществляется автоматически через задаваемые оператором интервалы времени 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или
256 с. Возможен разовый (ручной) запуск нажатием кнопки или с
помощью сигналов в виде импульсов положительной полярности
напряжением 3...6 В, поступающих от эхолота.
39
В качестве единицы измерения расстояний при фазовом методе
принимается длина волны используемого колебания
l = c / f = cT, где c – скорость распространения радиоволн в данной среде; T и f –
период и частота электромагнитных колебаний.
Измеряемое расстояние может быть представлено в виде суммы
длин волн, укладывающихся в расстояние
æ
Dϕ ö÷
r = ççk +
÷l,
çè
2π ø÷ где k – целое число длин волн.
Поскольку фазовый измеритель способен измерить разность фаз
в пределах одного периода, k не известно, т. е. при r > l необходимо
разрешить неоднозначность фазового отсчета.
В радионавигационной системе ГРАС неоднозначность разрешается описанным ранее методом – использованием нескольких измерительных (навигационных) частот:
FA – основная частота, обеспечивающая однозначное в пределах
100 м l A / 2 ;
FB , FC , FD – вспомогательные частоты, использование которых
обеспечивает разрешение неоднозначности в пределах 1000, 10000
и 100000 м соответственно.
Сущность процессов, происходящих в измерительных каналах,
заключается в следующем. Опорная станция, установленная на берегу в точке с точно известными координатами, и корабельная станция излучают в направлении друг друга электромагнитные колебания, промодулированные по амплитуде соответствующими масштабными частотам FA , FB , FC или FD . Разности фаз излучаемых
и принятых сигналов на корабельной и береговой станциях на масштабной частоте аналогичны и имеют вид
(Ωê - Ωá )t - Ωê t,
где Wк и Wб – фазы сигналов в точках излучения их корабельной и
береговой станциями соответственно; t – время распространения
сигнала; t – время задержки при его обработке.
Операции, производимые на станциях, приведены на рис.3.5.
Разность масштабных частот передатчиков DΩ = Ωê - Ωá . Приведенные разности фаз состоят из общей переменной части DΩt и
разных постоянных Ωá t и Ωê t . Они изменяются по общему закону
DΩt и имеют разные начальные фазы, пропорциональные t.
40
ϕк = Ωкt ϕб = Ωбt
Ωк
Ωб
Излучение
Береговая станция
Корабельная
станция
Прием
ϕб + ϕr= Ωб(t–τ)
Разность фаз
между собственными (к)
и принятыми (б) сигналами:
(Ωк– Ωб)t + Ωбτ =
= ∆Ωt + Ωбτ
Прием
ϕк + ϕr= Ωк(t–τ)
Разность фаз
между собственными (к)
и принятыми (б) сигналами:
(Ωк– Ωб)t + Ωкτ =
= ∆Ωt + Ωкτ
Передача на корабельную
станцию измеренной
разности фаз
∆Ω(t–τ) – Ωкτ
Разность фаз
ψ = ∆Ωt + Ωбτ – ∆Ω(t–τ) + Ωкτ = ∆Ωt –∆Ωt +∆Ωτ + Ωбτ + Ωкτ =
= Ωбτ + Ωкτ – Ωбτ + Ωкτ = 2Ωкτ
Рис. 3.5. Операции, выполняемые на РНС ГРАС
Если разность фаз, измеренную на береговой станции с помощью
дополнительной модуляции несущей, передать на корабельную, то
с учетом запаздывания на трассе на величину t фаза принятого сигнала составит DΩ(t - t)- Ωê t. На корабельной станции измеренная
фаза сравнивается с разностью фаз, измеренной на береговой станции, т. е. ψ = 2Ωê t.
Величина ψ не зависит от частоты Ωб. Тогда, приняв Dϕ = ψ / 2,
получим расстояние
r=
ψc
.
2Ωê
Следовательно, расстояние в пределах половины длины волны
определено по измеренной разности фаз ψ при известной скорости с
и масштабной частоте Wк.
Оба измерительных канала ГРАС работают независимо друг от
друга, и их функциональные схемы аналогичны (рис. 3.6). Сущность работы каждого заключается в следующем.
41
Береговая
станция
Корабельная
станция
2¢
2
Ωк
ρк
1¢
1
3
3¢
4
4¢
5
5¢
7
6
12
8
9
10
6¢
7¢
11
Рис. 3.6. Структура станций РНС ГРАС
На корабельной станции колебание несущей частоты fк передатчика 1 промодулированы по фазе колебаниями масштабной частоты Wк генератора 2 и излучаются в направлении одной из береговых
станций с помощью антенного устройства 3.
Береговая станция излучает колебания с несущей частотой fб,
отличающейся от частоты fк на величину промежуточной частоты
Df = fê - fá . Генерируемые передатчиком 1 колебания промодулированы по фазе колебаниями масштабной частоты Wк от кварцевого
генератора 2, отличающимися на величину измерительной частоты DW = Wк– Wб. Модулированные колебания излучаются с помощью антенного устройства 3 в направлении корабельной станции.
На смеситель 4 поступают ФМ-колебания от корабельной станции и
ФМ собственные колебания.
На выходе смесителя 4′ образуются колебания на промышленной частоте с амплитудной модуляцией измерительной частотой
∆Ω. Последние усиливаются в 5 и детектируются в 6 («сигнал»).
В приемном тракте корабельной станции происходят те же процессы. На выходе 6 образуется «опорный сигнал». Разность фаз
«опорного сигнала» и «сигнала» пропорциональна расстоянию между станциями.
42
Для передачи сигнала от береговой станции к корабельной на
первой напряжением сигнала модулируют по частоте генератор 7
поднесущей частоты fп, который дополнительно модулирует по
фазе несущую частоту fб берегового передатчика 1. Это сложное
колебание принимается корабельной станцией. Сигнал выделяется с помощью детектора поднесущей 7. Напряжение поднесущей
детектируется частотным детектором 8, и, следовательно, выделяется сигнал.
Напряжения сигнала и опорного сигнала на селекторе 9 преобразуются в сигнал импульсной формы, удобной для дальнейшей обработки, так как интервалы между импульсами опорного напряжения и сигнала пропорциональны расстоянию между станциями.
Измерения производятся цифровым отсчетным устройством 10, на
вход которого поступают импульсы от специального генератора 12,
проходящие в устройство 11 за интервал между опорным и сигнальным импульсами.
Частота следования импульсов генератора 12 выбрана так, что
разности фаз, равной 2π , т. е. одному фазовому циклу, соответствует 1000 импульсов.
При использовании основной масштабной частоты FA = 1,5 мГц
(DW = 2πF) фазовые отсчеты, выраженные числом запоминающих
импульсов, повторяют через каждые 100 м. Одному импульсу соответствует расстояние 0,1 м.
Вспомогательные масштабные частоты близки к основной и выбраны так, что их разности с основной частотой соответственно в 10,
100 и 1000 раз меньше F. Получаемые разности отсчетов на частотах FA – FB, FA – FC и FA – FD соответствуют отсчетам на частотах
0,1 FA, 0,01 FA и 0,001 FA. Таким образом, каждая вспомогательная
масштабная частота используется только для определения одной
значащей цифры, соответствующей высшему разряду шкалы фазометра. На корабельной станции системы оборудованы специальным
устройством коррекции, осуществляющим логическую обработку
результатов измерений, с целью проверки однозначности отсчета.
Автоматическое синхронное переключение масштабных частот
в системе достигается путем посылки с корабельной станции на
обе береговые сигнала (кода), который запускает коммутирующие
устройства корабельной и береговых станций на один коммутационный цикл. Для обеспечения совместной работы обеих береговых
станций с несколькими (до 20) корабельными излучение каждой
корабельной станцией осуществляется только в течение измерительного цикла (0,23 с).
43
В промежутках между измерительными циклами (определение
местоположения объекта) включенная корабельная станция работает в режиме, при котором передатчик каждого ее измерительного канала отключается от антенны. При этом часть мощности передатчика через направленный ответвитель поступает в приемный
тракт для обеспечения нормальной работы системы наведения антенн (СНА).
Основные тактико-технические характеристики ГРАС:
дальность действия (энергетическая) при наличии
прямой видимости ......................................... не менее 60 км
минимальное измеряемое системой расстояние................200 м
среднеквадратическая погрешность измерения
расстояния (с учетом необходимых поправок).......не более 0,5 м
допустимая скорость изменения измеряемых
расстояний.............................................до 50 м/с (100 узлов)
допустимое рысканье и качка корабля
по амплитуде с периодом не менее 4...5 с.............. не более ±15°
Контрольные задания
1. Привести принципы работы РСБН.
2. Сформулировать принципы работы системы TACAN.
3. Назвать принципы работы системы VOR/DME.
4. Назвать принципы системы ГРАС.
44
Глава 4. Системы дальней радионавигации
с наземным базированием станций
4.1. Импульсно-фазовые системы длинноволнового диапазона
Для обеспечения морской навигации применяются радионавигационные системы, классифицируемые по используемому частотному диапазону как длинноволновые (ДВ): «Марс-75», «Декка»,
«Лоран-С», РСДН. Радиоволны, соответствующие этому частотному диапазону (километровые), хорошо распространяются не только над морской, но и над земной поверхностью. По принципу действия это разностно-дальномерные РНС. Кроме того, система «Декка» – фазовая РНС, «Марс-75» – РНС с многочастотным сигналом, а
«Лоран-С» и РСДН – импульсно-фазовые (ИФ) РНС. Каждая из указанных систем имеет свои достоинства и недостатки.
В главе рассматриваются наиболее часто используемые длинноволновые РНС, импульсно-фазовые «Лоран-С» и РСДН.
В основе работы систем «Лоран-С» и РСДН лежат импульсный
и фазовый методы измерений разности расстояний. Сущность импульсного метода заключается в следующем.
В точке приема K (рис. 4.1) измеряется интервал времени между моментами прихода двух коротких импульсов, посылаемых двумя береговыми опорными станциями (ведущей А и ведомой В) ∆t = tA – tB.
Разность расстояний AD от точки приема K до ОС находят по
формуле
(4.1)
DD = D A - DB = vð Dt,
где vр – скорость распространения радиоволн.
Одной и той же разности расстояний ∆D соответствуют две изолинии I–I и I′ – I′, симметричные относительно мнимой оси O–Oк
(см. рис. 4.1).
Oк
I
I¢
Для исключения этой неопреK
деленности и возможности рас∆D=vр(tA–tB)
познавания импульсов на экране
tA
для некоторых типов ПИ ведомая
=v р
DA
станция В передает сигналы с постоянной задержкой
A
B
I¢
tï.ç = tâ + tê.ç ,
(4.2)
где tâ = b / vð – время прохождения синхронизирующим сигна-
O I
Рис. 4.1. К объяснению принципа
импульсного метода
45
лом длины базы; tк.з – кодовая задержка. Поэтому в любую точку
пространства импульсы ведущей станции будут приходить раньше,
чем импульсы ведомой.
Из (4.1) и (4.2) имеем
DD = vð (Dt - tï.ç ) = vð Dtè .
Нетрудно показать, что ∆tи изменяется от Dtè min = tê.ç со стороны ведомой станции до Dtè max = 2tâ + tê.ç со стороны ведущей. Разность Dtи измеряется импульсным методом с невысокой точностью
(грубо). Более точно Dtи может быть измерена фазовым методом в результате измерения разности фаз между колебаниями, заполняющими импульсы:
Dϕ =
2π
Dtè ,
T
(4.3)
где Т – период несущих колебаний.
Из (4.3) видно, что
Dtè =
Dϕ
T.
2π
(4.4)
Так как фазовые измерения однозначны только в пределах одного периода, (4.4) можно записать следующим образом:
Dtè = NT + tô + dtô ,
(4.5)
где N – целое число периодов несущих колебаний, не известное в результате фазовых измерений; tф – измеренная доля периода Т; dtф –
погрешность измерения доли периода Т.
Одновременно, измеряя tи импульсным методом, имеем
Dtè = t0 + dt0 , (4.6)
где t0 – грубый отсчет интервала времени; dt0 – погрешность измерения.
Из соотношений (4.5) и (4.6) получаем неизвестное число N:
Dt0 - Dtô dt0 - dtô
N=
.
T
T
Таким образом, условие однозначности имеет вид
46
dt0 - dtô < T / 2.
(4.7)
Обычно dtô  dt0 , поэтому условие (4.7) можно переписать в виде
dt0 < T / 2, (4.8)
т. е. для устранения многозначности фазовых измерений в ИФ РНС
погрешность измерения радионавигационного положения (РНП)
импульсным методом не должна превышать половины периода несущих колебаний.
Стандартная цепь ИФ РНС «Лоран-С» содержит ведущую станцию (Master) и до четырех ведомых (Slave), обозначаемых W, X, Y,
Z, излучение которых жестко синхронизировано.
Все опорные станции излучают радиоимпульсы специальной
формы на одной несущей частоте 100 кГц. Принцип измерения РНП
в ИФ РНС достаточно подробно поясняется рис. 4.2.
При реализации фазовых измерений в 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 Dtф (см.
рис. 4.2, а).
Эти измерения используют внутреннюю фазовую структуру импульсов. Их инструментальная точность примерно 0,005...0,01 фазового цикла, что составляет 0,05...0,1 мкс при периоде высокочастотного заполнения T = 1 / f = 10 ìêñ.
а)
U(t)
10 мкс
t
∆tф
б)
nT
U(t)
t
в)
U¢(t)
U²(t)
U¢(t)
U²(t)
t
ОТ
(SSP)
∆t
ОТ
(SSP)
Рис. 4.2. Принцип измерения радионавигационного положения в ИФ РНС
47
Для устранения многозначности фазовых отсчетов, появления
ошибки в определении РНП, равной nТ ( n = ±1,±2, ...), из огибающей принимаемых радиоимпульсов тем или иным способом (например, двойным дифференцированием (рис. 4.2, б, в)) формируется
импульсное напряжение специальной формы. Точка перехода через
нуль этого напряжения, сформированная таким образом на переднем фронте принимаемого импульса в районе третьего периода высокочастотного заполнения, называется особой точкой (ОТ) (SSP –
Standard Sumpling Point) и служит для формирования грубых отсчетов ∆t0. При этом определение РНП по (4.8) будет однозначным,
если ошибка измерения РНП грубым методом dt0 будет лежать в
пределах dt0 £ 5 ìêñ. Используются методы формирования ОТ без
выделения огибающей радиосигнала.
Импульсный характер излучения ОС позволяет не только обеспечить однозначность фазовых отсчетов, но и производить селекцию поверхностных и пространственных сигналов в точке приема,
тем самым делая принципиально возможными высокоточные фазовые измерения на значительных удалениях от ОС.
Очевидно, что пространственные отраженные от ионосферы сигналы приходят в точку приема с некоторым запаздыванием dt относительно момента прихода поверхностных сигналов Eпов (рис. 4.3),
что при длительности импульса около 200 мкс приводит к их интерференции и получению результирующего сигнала с неустойчивой фазовой структурой, а следовательно, делает невозможным фазовые измерения.
Экспериментальные значения усредненного времени задержки
dt пространственных сигналов Е-1 (однократно отраженных от слоя
Е) по отношению к поверхностным в зависимости от времени суток
E1
E1
2
E
2
E
Eпов
Eпов
Рис. 4.3. Поверхностные и
пространственные сигналы ИФ РНС
48
δt, мкс
150
110
70
30
54,1
91 к
м (но
чь)
73 к
м (де
нь)
38,1
300 500 700 900 1100 1300 R, миль
1340
2500
Рис. 4.4. Задержка пространственных сигналов Е-1
относительно поверхностных
и удаления от ОС (рис. 4.4) позволяют утверждать следующее. В зоне совместного действия поверхностного и пространственного сигналов, производя фазовые измерения в пределах третьего периода
высокочастотного заполнения импульса, можно получить стабильный фазовый отсчет РНП на поверхностном сигнале.
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 от ОС ведутся
на поверхностных сигналах. В ночных условиях определения на поверхностных сигналах возможны на удалениях до 600 миль от ОС,
так как уже на этих расстояниях амплитуды пространственних и
поверхностных волн становятся соизмеримыми. Район от 800 до
1000 миль днем и от 600 до 900 миль ночью представляет собой участок рабочей зоны РНС «Лоран-С» (РСДН), где пространственные
сигналы Е-1 превосходят по амплитуде поверхностные.
На больших удалениях (свыше 100 миль от ОС) вне зоны приема
поверхностного сигнала возможно определение РНП по пространственным сигналам Е-1 с последующим исправлением его поправками. Эти поправки для данной пары станций наносятся на радионавигационные карты системы «Лоран-С» в микросекундах и обозначаются одним из буквенных сочетаний – SS, SG, GS. Первая буква соответствует виду принимаемого сигнала от ведущей станции,
вторая – от ведомой. Так как все станции одной из близлежащих
цепей системы «Лоран-С» излучают импульсы на одной несущей частоте 100 кГц, для обеспечения пространственно-временной селекции сигналов требуется специальная организация их излучения.
49
ВЩМ
BMW
BMX
BMY
BMZ
ВЩМ
TW
TX
TY
TZ
T
Рис. 4.5. Временная диаграмма излучения РНС «Лоран-С»
Ведомые станции принимают сигналы ведущей и используют их
для точной синхронизации по частоте и фазе собственных излучаемых радиоимпульсов. Синхронизация ведется как по огибающей,
так и по фазе высокочастотных заполнений радиоимпульсов.
Сигналы ведомых станций излучаются в определенной последовательности, после чего излучает снова ведущая станция, и т. д.
(рис. 4.5).
Каждая из Nc станций излучает свои сигналы через некоторый
защитный промежуток времени Dtзщ после момента приема сигналов станции, которая в заданной очередности излучений является
предыдущей. Тогда минимально возможный период излучения сигналов для i-й цепи определяется выражением
Ti min =
где
Nc
å lj
1
vð
Nc
å lj + Nctçù ,
j=1
(4.9)
– длина замкнутой линии, соединяющей станции в поряд-
j=1
ке очередности излучения сигналов; Nс – число станций в цепи.
Параметр Ti используется в «Лоран-С» для идентификации сигналов определенной цепи станций. Каждая цепь имеет собственный
период Ti повторения сигналов, выбор которого определяется при
выполнении условия (4.9) в соответствии с алгоритмом
Ti = (n ×100 - N) ×100,
где 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
50
повторения сигналов как Ti / 10. В приемоиндикаторах старых моделей используется прежнее обозначение цепей, состоящее из буквенных сочетаний S, SH, SL, SS для номеров групп п = 5, 6, 8, 10
соответственно с добавлением числа N. Например, цепь 7970 Норвежского моря прежде имела обозначение SL3. Теперь условное обозначение пары станций состоит из условного обозначения цепи и
буквенного обозначения пары станций. Например, пара X Норвежской цепи может быть обозначена как 7970-X или SL3-X. Такие же
обозначения гиперболы соответствующих пар имеются на картах и
в таблицах.
Дальность действия системы зависит от средней мощности излучаемых сигналов, которая равна его импульсной мощности, умноженной на отношение длительности импульса к периоду повторения.
Увеличение импульсной мощности ограничивается эффективностью антенн и их электрической прочностью. Увеличение длительности не приводит к увеличению дальности, так как для измерений используется только начальная часть импульса длительностью
30...40 мкс, которая не подвержена воздействию пространственной
волны. И, наконец, увеличение средней мощности вследствии сокращения Т ограничено условием (4.9). Поэтому в РНС «Лоран-С»
для увеличения средней мощности излучения, и, следовательно,
дальности действия, использован следующий прием. Опорная станция излучает не один импульс за период T, а целую серию, состоящую из восьми импульсов на ведомых станциях и девяти – на ведущей (см. рис. 4.5).
Длительность импульса в пакете составляет около 135 мкс, интервал между импульсами в пакете 1000 мкс, 9-й маркерный импульс ведущей станции отстоит от последнего (8-го) импульса в пакете на 2000 мкс. При излучении восьми импульсов общая мощность сигнала увеличивается в четыре раза по сравнению с мощностью одного импульса.
Начальная фаза высокочастотного заполнения импульсов в пакетах может меняться на 180° в соответствии с законом фазового
кодирования, приведенного в табл. 4.1.
Закон фазового кодирования пакетов всех ведомых станций одинаков и отличается от законов кодирования импульсов ведущей
станции, что обеспечивает поиск и опознавание ее сигналов в автоматических ПИ. Период кодирования Тк содержит два периода Т
следования пакетов: нечетный и четный.
51
Таблица 4.1
Излучения
Импульсы:
четные серии
нечетные серии
Станция
Ведущая
1 2 3 4 5 6 7 8
+ +--+-++--+ + + + +
Ведомая
1 2 34 5 6 7 8
+ + + + +--+
+-+-+ +--
Примечание. Знак «+» условно соответствует фазе несущих колебаний, принятой за 0°, а знак «–» – изменению этой фазы на 180°.
Фазовое кодирование позволяет в значительной степени устранить в бортовых ПИ 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.
Точность поддержания радионавигационного поля в рабочей зоне ИФ РНС обусловливается в значительной мере стабильностью колебаний опорных генераторов ОС, которая определяется цезиевыми
стандартами частоты.
Излучение всех цепей «Лоран-С» синхронизируется Всемирным
координированным временем (UTC). В состав каждой цепи входят
один-два контрольных пункта, на которых периодически проверяется точность взаимных временных сдвигов при излучении сигналов и вырабатываются управляющие сигналы на сведение временных шкал ОС.
При нарушении синхронизации любой станции свыше установленных пределов (0,1 мкс) или формы излучаемых импульсов аварийная станция по команде командного пункта передает 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 165...2100 кВт.
Антенные системы ОС представляют собой зонтичные антеннымачты высотой до 412 м или антенны-полотна в виде квадрата со
стороной 425 м.
Радионавигационные карты РНС «Лоран-С» представляют собой
карты в меркаторской проекции с нанесенными на них сетками ги52
пербол пар станций, сигналы которых принимаются в районе, охватываемом картой. Гиперболы оцифрованы в микросекундах и проведены обычно через 50, 100 мкс в зависимости от масштаба карты.
Обсервованное место находят как точку пересечения соответствующих гипербол. При необходимости нужные гиперболы находят с помощью интерполяции, используя линейку с равномерной шкалой.
Если сигналы разных пар станций ИФ РНС принимаются разновременно, то первую линию положения необходимо привести к месту
взятия второй, передвинув ее по курсу на величину хода за время
между наблюдениями.
При приеме сигналов на пространственной волне значение гиперболы, снятое с ПИ, должно быть исправлено поправкой за разность хода поверхностных и пространственных радиоволн. Дневные поправки обозначаются буквой D, ночные – буквой N. Дневные
поправки всегда меньше ночных.
Как уже отмечалось ранее, возможны три типа поправок: SS, GS
и SG.
Так, вблизи точки с координатами ϕ = 32°N и l = 72°W, расположенной, например, на фрагменте карты N21008-LC (рис. 4.6), к отсчетам РНП (гиперболы) от пары 9960-Х при приеме сигналов типа
9960Y
–23D
–37N
+41D
9960X
SS 03D
SS 06N
SG
2
2¢
V
32°
26000
9960X
0
60
Y
950
99
100
0
90
40
00
0
80
71°
0
10
200
72°
1¢
20
1
0
50
150
31°
30
70°
Рис. 4.6. Учет поправок в ИФ РНС «Лоран-С»
53
SS днем следует придавать поправку 3 мкс, к отсчетам РНП от пары
9960-Х при приеме сигналов типа GS днем – поправку + 41 мкс.
Если судно находится по счислению в точке с координатами
ϕñ = 31°50,4 N, l ñ = 70°59,0 W, а соответствующие измеренные
значения РНП от пары станций 9960-X TSS = 26 089,0 мкс и пары
станций 9960-Y TSG = 40110,4 мкс, то исправленные значения РНП
составляют соответственно T = 26086,0 и T = 40 151,4 мкс, после
чего построением могут быть получены обсервованные координаты
судна (см. рис. 4.6).
Нанеся координаты полученных точек на путевую карту и проведя через точки 1 и 2 линию положений I ЛП, через точки 1′ и 2′ –
линию положений II ЛП, получим обсервованные координаты судна (ϕ0, l0).
Работа с автоматическими ПИ требует, как правило, введения
поправок, учитывающих отклонение скорости распространения радиоволн от истинной, и целого ряда других факторов.
Для установления местоположения по ИФ РНС «Лоран-С» обычно
пользуются двумя гиперболами. Следовательно, радиальная среднеквадратическая погрешность определения местоположения зависит
от погрешностей измерения РНП и геометрического фактора.
Радионавигационным параметром для длинноволновой импульсно-фазовой РНС является интервал времени между моментами
прихода сигналов от ведущей и ведомой станций.
Исследованиями установлено, что при приеме сигналов на поверхностных волнах суммарная среднеквадратическая погрешность
составляет d∆t = 0,4...0,5 мкс на расстояниях до 800...1000 миль,
при приеме сигналов на пространственных волнах dDt = 2...3 мкс на
расстояниях более 1500...1800 миль от станций.
При измерении интервала времени только импульсным методом,
т. е. по огибающей радиоимпульса на поверхностных волнах, получаем dDt = 2...3 мкс, на пространственных волнах dDt = 4...5 мкс и
более.
Результаты расчета радиальной среднеквадратической погрешности определения местоположения точки М для η = 1,64 следующие:
на поверхностных волнах М = 196...246 м;
на пространственных – М = 984... 1476 м (при отсутствии систематических погрешностей из-за неверного определения типа поправки за пространственные волны).
Практика показывает, что обычно погрешности определения
местоположения точки с помощью РНС «Лоран-С» с вероятностью
54
0,95 составляют 0,2...0,3 мили днем на поверхностных волнах при
благоприятных условиях и 0,5...1,0 мили ночью на предельных расстояниях.
Систематические погрешности, определяемые незнанием истинных условий распространения радиоволн, составляют 2...3 мкс,
что на порядок превышает случайные погрешности и оказывает
наибольшее влияние на точность определения местоположения
объекта.
Эти системы широко используются и в авиации.
4.2. Системы сверхдлинноволнового диапазона
Работы по созданию глобальной РНС на СДВ за рубежом начались после второй мировой войны, и к середине 50-х годов были разработаны проекты «Делрак» (1954 г., Великобритания) и «РедаксОмега» (1957 г., США). Усовершенствованный проект, объединяющий положительные качества двух вышеупомянутых работ, и был
назван «Омега».
С 1966 г. РНС «Омега» вступила в число действующих систем
радионавигации. В 1980 г. были установлены восемь станций этой
системы. Они обеспечивают определение местоположения объектов
на всей поверхности Земли.
В нашей стране разработана и эксплуатируется аналогичная
сверхдлинноволновая РНС «Маршрут».
Система «Омега» является фазовой разностно-дальномерной (гиперболической) радионавигационной системой, предназначенной
для навигационных определений на суше, в воздухе, под водой и подо льдом в любое время суток и года, в любых погодных условиях и,
что крайне важно, в любой точке Мирового океана. Поэтому она получила название Глобальной системы.
В состав РНС «Омега», имеющей международный статус, входят
восемь береговых опорных станций (ОС): в Норвегии, США, на Гавайских островах, в Либерии, Японии, на о. Реюньон, на юге Аргентины и в Австралии.
Обозначения ОС, их координаты в Международной геодезической
системе WGS-72, тип используемых антенн, а также учреждения, ответственные за их нормальную работу, приведены в табл. 4.2 [13].
Базовое расстояние между станциями составляет в среднем около 5500 миль. Для определения местоположения судна в любой части земного шара требуется всего шесть станций. Еще две станции
необходимы для получения избыточной информации и возможно55
Таблица 4.2
Станция
Норвегия
(Алдра)
Либерия
(Пэйнсворд)
Гавайи
(Камеок)
Сев. Дакота
(Ла Мур)
Реюньон
(Мафате)
Аргентина
(Трелев)
ОбоКоординаты ОС
значеРНС «Омега»
ние
А
В
С
D
Е
I
66° 25′ 12,62″
13° 08′12,52″
6° 18′ 19,11″
10° 39′52,40″
21° 24′16,78″
157° 49′51,51″
46° 21′57,29″
98° 20′08,77″
20° 58′27,03″
55° 17′23,07″
43° 03′12,89″
65° 11′27,36″
Австралия
(Вудсайд)
G
38° 28′52,53″
146° 56′06,51″
Япония
(Цусима)
Н
34° 36′52,93″
129° 27′12,57″
Антенна
Долинная
Заземленная
мачта 420 м
Долинная
Изолированная
мачта 360 м
Заземленная
мачта 420 м
Изолированная
мачта 360 м
Ответственность
Норвежское
управление
США по контракту*
Береговая охрана
США
Береговая охрана
США
Франция, ВМС
Аргентина, ВМС
Австралия, департамент транспорта
Японская органиИзолированная
зация по безопасмачта 450 м
ности судоходства
Заземленная
мачта 420 м
* Контракт США до 1982 г., затем ответственность принимает Министерство
промышленности и транспорта Либерии.
сти вывода станций из эксплуатации для ремонта. В любой точке
земного шара можно принимать сигналы от четырех станций и получать по ним шесть линий положения с углами пересечения не менее 60°.
В РНС «Омега» используются радиоволны очень низких частот –
10...14 кГц (l = 22...30 км), поэтому система называется сверхдлинноволновой. Радиоволны этого диапазона имеют благоприятные
условия для стабильного распространения на большие расстояния
(до 10 000 км), они мало поглощаются в нижних слоях атмосферы
и хорошо проникают на относительно большие глубины (10...30 м)
под воду.
Опорные станции излучают фазосинхронизированные сигналы
с временным (для рабочих частот) и частотным (для индивидуальных частот) разделением каналов в соответствии с диаграммой излучения (рис. 4.7).
В качестве основной рабочей частоты используется частота f0 = 10,2 кГц. Дополнительные рабочие частоты f1 = 11,05,
56
Сегмент
Станция
1
2
3
4
6
5
7
8
A
10,2
13,6
11,33
12,1
12,1
11,05
12,1
12,1
B
12,0
10,2
13,6
11,33
12,0
12,0
11,05
12,0
11,8
11,8
10,2
13,6
11,33
11,8
11,8
11,05
D
11,05
13,1
13,1
10,2
13,6
11,33
13,1
13,1
E
12,3
11,05
12,3
12,3
10,2
13,6 11,33
12,3
12,9
12,9
11,05
12,9
12,9
10,2
13,6
11,33
11,33
13,0
13,0
11,05 13,0
13,0
10,2
13,6
13,6
11,33
12,8
12,8
12,8
10,2
C
F
G
H
12,8
11,05
0,9 c tп 1,0 c tп 1,1 c tп 1,2 c tп 1,1 c tп 0,9 c tп 1,2 c tп 1,0 c tп
10 c
tп = 0,2 c
Рис. 4.7. Диаграмма излучения опорных станций РНС «Омега»
f2 = 11,1/3, f3 = 13,6 кГц излучаются для разрешения многозначности фазовых отсчетов. С этой целью в бортовом ПИ могут быть получены измерения на разностных частотах:
Df30 = f3 - f0 = 3,4 êÃö,
Df20 = f2 - f0 = 11331 / 3 Ãö,
Df21 = f2 - f1 = 2831 / 3 Ãö.
Точная сетка гипербол создается на частоте f0 = 10,2 кГц, ей соответствует l = 29,4 км. Поэтому ширина «точных» дорожек на базе d0 = l0 / 2 = 29,4 / 2 = 14,7 êì = 8 ìèëü.
Следовательно, при базах, используемых в РНС «Омега», получается около 700 дорожек, т. е. система обладает большой многозначностью.
Для разрешения многозначности необходимо какими-либо другими методами определить местоположение судна с погрешностью
57
не более половины ширины дорожки, т. е. до 4 миль. В некоторых
случаях такую точность можно получить по счислению. Однако в
океане это можно сделать не всегда, поэтому метод привязки, основанный на счислении, для разрешения многозначности РНС «Омега» малопригоден.
Измерения на разностных частотах позволяют увеличить зону
однозначного фазового отсчета до соответствующих величин «грубых» дорожек на разностной частоте:
Df30 ¼d30 = 3d0 = 44,1 êì » 24 ìèëè,
Df20 ¼d20 = 9d0 = 132 êì » 72 ìèëè,
Df21 ¼df21 = 36d0 = 4d20 = 529 êì » 288 ìèëü.
Для разрешения многозначности, как правило, используются частоты f0, f2, f3. Частота f1 = 11,05 кГц включена в диаграмму излучения для разрешения многозначности фазовых отсчетов в случае
навигации объектов при поисковых и спасательных работах и для
самолетной навигации с целью расширения зоны однозначного отсчета фазы и снижения требований к точности автономных средств
навигации, обеспечивающих счисление.
Как следует из диаграммы излучения (см. рис. 4.7), длительность
радиосигналов соответствующей частоты изменяется от 0,9 до 1,2 с,
что позволяет осуществлять в бортовом ПИ синхронизацию собственной временной диаграммы приема с временной диаграммой
излучения станций с использованием корреляционных методов обработки по всем принимаемым сигналам.
Длительность паузы между радиосигналами составляет tп = 0,2 с,
что исключает возможность перекрытия сигналов разных станций в
любой точке рабочей зоны, например, из-за различий задержек сигналов при распространении радиоволн на трассах от соответствующих станций. Кроме того, принятая tп = 0,2 с снижает требования
к точности настройки коммутатора ПИ – допустимая погрешность
установки около 0,1 с.
Цикл излучения ОС составляет 10 с. На этом цикле радиосигналы рабочей частоты всегда занимают четыре сегмента из восьми (см.
рис. 4.7). В остальные четыре сегмента каждая станция излучает
индивидуальные частоты, которые служат для «окраски» станций
и передачи дополнительной информации. Например, обсуждалась
возможность использования индивидуальных частот для передачи
управляющих сигналов внутри системы и специального временно58
го кода, позволяющего осуществлять однозначную привязку местных часов пользователя. В некоторых самолетных ПИ сигналы РНС
«Омега» на индивидуальных частотах используются для определения местоположения судна совместно с сигналами СДВ станций
связи ВМС США.
Временная шкала (эпоха) РНС «Омега» фиксируется на каждой
станции по моментам одновременного прохождения колебаний всех
четырех вырабатываемых навигационных частот через нуль в положительном направлении, которые повторяются с частотой общей
субгармоники данных Fсг = 850/3 Гц (период Тсг = 1/Fсг = 60/17 мс
кратен интервалу 30 с). Точность выработки навигационных частот
на каждой станции обеспечивается атомным стандартом частоты,
состоящим из четырех цезиевых генераторов с относительной нестабильностью Df / f = 10-12.
Эпоха РНС «Омега» синхронизируется Всемирным координированным временем, контролируемым атомной шкалой времени
военно-морской обсерватории США (USNO). Следует отметить, что
шкала ТС периодически сдвигается к шкале UT-2, учитывающей
вращение Земли вокруг своей оси. Все временные сдвиги шкалы
UTC с начала работы РНС «Омега» проводятся ежегодно с 31 декабря на 1 января. Радионавигационная система «Омега» не учитывает эти «прыгающие секунды», поэтому на 1986 г. она опережала
Всемирное координированное время на 15 с, и это опережение вырастает с каждой ежегодной «прыгающей секундой».
В РНС «Омега» отсутствует деление станций на ведущие и ведомые, что является практическим средством достижения избыточности навигационных измерений, так как любые две станции системы могут образовывать навигационную пару и создавать гиперболическую изолинию. Так, восемь станций системы позволяют образовывать в совокупности 28 таких пар.
Независимость работы станций достигается использованием на
каждой из них уже упомянутых ранее атомных стандартов частоты, синхронизируемых как между собой (внутренняя синхронизация), так и относительно шкалы Всемирного координированного
времени (внешняя синхронизация) с учетом приведенного определения и особенностей эпохи РНС «Омега».
Для обеспечения синхронизации излучения береговых станций в непосредственной близости от них развернута сеть контрольных пунктов (КП) с жесткой геодезической привязкой. На
каждом КП в течение идеального цикла измеряются разности
фаз сигналов собственной станции на трех навигационных часто59
тах относительно сигналов остальных станций. На КП измеряют
также невязки собственной временной шкалы станции и шкалы
текущего времени.
Вся эта информация по каналам связи передается в Центр управления системой (ЦУС). В ЦУС по специальной программе на быстродействующих ЭВМ вычисляют сглаженные значения невязок шкал
каждой ОС относительно шкалы среднего времени РНС и оценку
положения шкалы среднего времени относительно шкалы Всемирного координированного времени. На основании полученных результатов формируют сигналы управления положением шкал ОС.
Точность систем внутренней и внешней синхронизации составляет
1 мкс (среднеквадратическое значение).
Мощность излучения опорных станций РНС «Омега» не менее
10 кВт на частоте 10,2 кГц. Передающие антенны опорных станций
имеют достаточно громоздкую и сложную конструкцию, в значительной степени определяющую стоимость опорных станций, – это
либо зонтичные антенны (с изолированной или заземленной мачтой
высотой около 420 м), либо антенны долинного типа, представляющие собой натянутые поперек ущелья (долины) провода.
Исходной информацией для получения местоположения судна в
РНС «Омега» являются измеренные ПИ значения разности фаз радиосигналов соответствующей частоты для выбранных пар опорных станций (гиперболические координаты) и, как следствие, методы определения местоположения, традиционные для разностнодальномерных радионавигационных систем, таких как «Лоран-С»,
РС-10 и др.
Это, во-первых, графоаналитический метод, в котором для случая неавтоматических ПИ для последующей ручной обработки используют радионавигационные карты с сетками гипербол и таблицы с координатами точек гипербол для данной пары станций.
И, во-вторых, аналитический метод, в котором в автоматических
приемоиндикаторах по алгоритмам с применением математических
методов выполняется преобразование гиперболических координат
в географические или прямоугольные с автоматическим расчетом и
учетом поправок.
Установить местоположение судна с помощью радионавигационной карты (планшета) достаточно просто. Для этого необходимо
найти точку пересечения гипербол пар станций, для которых измерены разности фаз.
Для определения местоположения по РНС «Омега» при плавании
в морях и океанах применяются радионавигационные карты (план60
9
87
6
AD8
810
87
3
831
13
834
KKгк
87
10.20
47.9 +4°
ГКО)
76° (∆
837
AB840
01
8 04
807
828
8
BD
825
22
AD8
AB822
0
87
480
7
86
Omega protting chart 7613
64
8
BD
Рис. 4.8. Фрагмент радионавигационной карты
(планшета) РНС «Омега»
шеты). Масштаб планшетов 1:2000000. Фрагмент одного из таких
планшетов приведен на рис. 4.8.
Гиперболы на планшетах имеют разный цвет и соответствуют границам дорожек на частоте 10,2 кГц. На мелкомасштабных планшетах обычно оцифровывают дорожки, номера которых кратны трем.
Эти дорожки являются одновременно границами зон, полученных на
частоте 3,4 кГц, номера дорожек, кратные девяти, служат границами
более широких зон, соответствующих частоте 1,13 кГц. Гиперболам
присваиваются буквенные индексы соответствующих пар станций.
Например, на приведенном планшете (см. рис. 4.8) гиперболы имеют
индексы пар станций АВ, AD и ВD.
Дорожки имеют трехзначные опознавательные номера, которые
получают с помощью счетчика дорожек приемоиндикатора. Линию
положения внутри дорожки находят интерполяцией по дробной части разности фаз, выраженной в сотых долях фазового цикла. Гиперболе, совпадающей с нормалью к базе, присваивается номер 900.
При движении судна номера дорожек на счетчике меняют. При этом
перемещение в сторону увеличения номеров дорожек означает удаление от станции, обозначенной первой буквой, и приближение к
той, которая обозначена второй буквой, и наоборот.
Карты и таблицы для определения местоположения объекта по
РНС «Омега» рассчитываются применительно к средней дневной
61
высоте ионосферы для случая распространения радиоволн над су4 8 12 16 20 24
0
шей vр = 300 574 км/с. При таком
t, ч выборе v при распространении рар
–500
диоволн по освещенной трассе отклонение DvD = vôÅ - vð фактиче–1000
ской фазовой скорости vфD от расtb tb
t31 t32
0
1
четного значения vр будет близко
к нулю, при распространении по
Рис. 4.9. График изменения
теневой трассе оно максимально:
величины ∆v
DVH = vôH - vp = Dvmax .
Графически изменение значения Dv в течение суток можно представить в виде трапеции (рис. 4.9).
Уменьшение фазовой скорости ночью приводит к увеличению
числа фазовых циклов, укладывающихся на данной трассе распространения. Следовательно, при переходе от дня к ночи фазовый отсчет в данной точке будет увеличиваться. Для его компенсации необходимо вводить поправку с отрицательным знаком.
Теоретические и экспериментальные исследования показали,
что изменения фазовой скорости в зависимости от времени суток и
сезона имеют хорошую повторяемость, что делает возможным их
расчет и компенсацию при навигационных определениях.
Поправки в зависимости от условий распространения радиоволн
издаются для 26 районов земного шара (рис. 4.10). Каждый район
ограничивается 30 и 45° по широте и 60° по долготе. В полярных
районах ∆ϕ = 15°, Dl = 180°. Поправки выпускаются в форме таблиц в изданиях «Omega propagation correction tables» по каждой
станции и каждому району для разных частот.
Аргументами для входа в таблицы служат счислимые координаты судна, дата с точностью до полумесяца, время по Гринвичу через
каждый час.
Поправки для пары станций находят как разность поправок соответствующих станций, например, D AB = D A - D B .
Таблицы поправок корректируются. Выдержки из таблиц поправок станций А, В и D для f0 = 10,2 кГц приведены в табл. 4.3.
Величины поправок в ней даны в сотых долях фазового цикла (сантициклах).
Наряду с планшетами для установления места нахождения объекта широко применяются также таблицы для определения местоположения судна с помощью РНС «Омега», содержащие координаты точек гипербол определенных пар станций.
∆v, км/с
62
160° 120°
90°
80°
40°
0°
00
80°
Norway
60°
01
40°
07
Afrika
20°
0°
08
13
14
Reunion
20°
40°
Japan
09
10
Hawaii
15
Australia 16
United
States
11
17
60°
40°
12
Liberia
20°
South
America
18
20°
0°
40°
Argentina
21
20
19
60°
80°
05
04 Canada
06
North Dacota
03
02
USSR
90°
22
80°
23
60°
24
80°
Antarctika
90°
90°
0°
40°
80° 120°
160°
Рис. 4.10. Номера и границы районов поправок
за распространение радиоволн для РНС «Омега»
Таблица 4.3
Координаты 48° N 18°W
Характеристика
сигнала
1–15
00 01
–35 –37
1–15
–64 –65
1–15
–61 –63
Станция А (Норвегия)
… 08 09 10 11 12 …
… –26 –11 –6 –18 –18 …
Станция B (Либерия)
… –11 –6 –8 –7 –5 …
Станция D (Северная Дакота)
… –64 –58 –47 –39 –32 …
23
–36
24
–35
–65
–61
–59
–61
Таблицы составляются для указанных 26 районов земного шара (см. рис. 4.10). Для каждого района существует четыре-шесть таблиц. Каждая таблица пригодна только для одной пары станций.
Таблицы предназначены для гипербол, образующихся при приеме сигналов на частоте f0 = 10,2 кГц. Существуют специальные таблицы и для других рабочих частот.
Покажем, как пользоваться таблицами РНС «Омега», на примере фрагментов табл. 4.4, 4.5. В эти таблицы входят разности фаз с
исправленными значениями и широтами (или долготами), близкими к ϕñ÷ (или l ñ÷ ). Долготы (или широты) выбирают для двух то63
21°
20°36¢
48°30¢
П
48°30¢
I ЛП
II Л
ϕ0=48°13,8¢N
λ0=20°158¢W
48°
20°
III ЛП
48°
Рис. 4.11. К определению местоположения объекта
по РНС «Омега» с помощью таблиц
чек гипербол. Эти точки наносят на путевую карту и проводят через
них линию положения (рис. 4.11). Величина D в табл. 4.4–4.6 представляет собой изменение искомой координаты за один фазовый
цикл, буквой Т в «Omega table» обозначается разность фаз.
Перед анализом точностных характеристик навигационных
определений и влияющих на них факторов, очевидно, целесообразТаблица 4.4
Характеристики отработки сигналов станций BD
BD 871
°
48
48
′
10,4
41,4
BD 872
D′
11,0
10,9
°
48
48
′
21,4
52,3
T
D′
110
100
Долгота
21°
20°
Таблица 4.5
Характеристики отработки сигналов станций AB
AB 834
°
48
48
′
12,4
18,4
AB 835
∆′
–8,7
–8,7
°
48
48
′
03,7
09,6
T
∆′
–8,6
–8,7
Долгота
20°
21°
Таблица 4.6
64
Номер
точки
ϕò
1
2
20°
21°
1
2
20°
21°
l òàáë
∆
Òõ - Ò
II ЛП BD T = 871,25, T = 871
48°41,4′
+10,9′
+0,25
48°10,4′
+11,0′
+0,25
III ЛП AB T = 834,48, T = 834
48°12,4′
–8,7′
+0,48
48°18,4′
–8,7′
+0,48
Òõ - Ò
lò
+2,7′
+2,7′
48°44,1′
48°13,1′
–4,2′
–4,2′
48°08,2′
48°08,2′
но рассмотреть, как определяют в РНС «Омега» рабочие зоны. Это
тесно связано с особенностями распространения сверхдлинных
волн и, в частности, с понятием модальности их распространения
и его влиянием на фазовые измерения. Учитывая свойства полимодального распространения, выделяют четыре зоны в зависимости
от удаленности от береговых станций:
I з о н а (до 30 миль от излучателя). В этом случае потребитель
навигационной информации находится в так называемой «зоне индукции». Электромагнитное поле излучения еще не сформировано,
для навигационных определений эта зона не используется.
II з о н а (до 220 миль от береговых станций). Волноводный характер колебаний еще не установился, электромагнитное поле формируется только поверхностным сигналом. Эта область при известных ограничениях может быть использована для навигационных
определений.
III з о н а (до 1100 миль от станций). Зона интерференции колебаний различных мод. Фазовые измерения ненадежны, могут привести к значительным погрешностям определения местоположения
объекта. Гиперболические изолинии на картах системы «Омега»
наносятся штриховыми линиями, что указывает на ограниченное
использование этой зоны для радионавигации.
IV з о н а (до 6000 миль, собственно рабочая зона РНС «Омега»).
Использование ПИ в этой зоне требует учета поправок за суточный
и сезонный ход фазы, обусловленный изменениями параметров
«природного волновода».
Для количественной характеристики точности нахождения местоположения РНС «Омега» воспользуемся круговой ошибкой. Погрешность определения местоположения судна зависит от погрешности измерения разности расстояний и величины «геометрического фактора».
Погрешность вычисления разности расстояний sDD в свою очередь определяется погрешностью измерения разности фаз sDψ :
sDD = l0 sDψ ,
где l0 – длина волны навигационной частоты f0, на которой производятся фазовые измерения; а sDψ – погрешность измерения разности фаз в долях базового цикла.
Погрешность измерения разности фаз определяется:
– погрешностью синхронизации станций (не более ±0,01 ф.ц.
за сутки);
65
– инструментальной погрешностью ПИ (около ±0,02 ф. ц.);
– погрешностью из-за непостоянства условий распространения
радиоволн (днем ±0,03, ночью – около ±0,05 ф. ц.).
Принимая гипотезу случайности и независимости составляющих погрешности, имеем:
днем
sDψ = ±0,04 ô.ö., sDD = 29,4 × 0,04 = ±1,17 êì = ±0,63 ìèëè,
ночью
sDψ = ±0,06 ô.ö., sDD = 29,4× 0,06 = ±1,77 êì = ±0,96 ìèëè.
Погрешности определения местоположения судна по двум линиям положения при минимально возможном значении геометрического фактора η = 0,7 составляют:
днем
Ì = 0,7 ×1,17 = 0,82 êì = 0,44 ìèëè,
ночью
Ì = 0,7 ×1,77 = 1,23 êì = 0,66 ìèëè.
Минимально возможное значение η получаем в точке пересечения двух ортогональных базовых линий. В этой точке углы визирования баз g1 = g2 = 180° и θ = 90°, поэтому
1
η=
1 + 1 = 0,7.
2 ×1
В переходный период (между днем и ночью) погрешность измерения параметра sDψ = ±(0,07 - 0,08) ô.ö. [4], поэтому точность определения места нахождения объекта в этот период снижается.
Как уже отмечалось, «Омега», по существу, первая система радионавигации, при разработке которой специально предусматривалось использование избыточности навигационной информации, линий положения для повышения точности и надежности местоопределения объектов.
В этой связи интересно отметить, что при определении местоположения судна по трем линиям положения погрешность местоопределения объекта примерно на 25% меньше погрешности, полученной по двум линиям положения.
Приведенные оценки точности местоопределения объекта предполагали, что наблюдения не коррелированы. Однако это не всегда
справедливо. Если одна и та же станция используется для измерения разности фаз с двумя другими, то между полученными линиями положения возможна корреляция.
66
Таблица 4.7
Число пар
отсчетов
Пары
станций
X=AB
362
Расстояние,
мили
r
Примечание
D A = 975 rxy = +0,05 А близко, с одним знаком
Y=AD
DB = 2765 rxz = -0,25
Z=BD
DD = 3600 ryz = +0,88 D далеко, с одним знаком
В с разными знаками
Величина коэффициента корреляции r для РНС «Омега» меняется в широком диапазоне (0 < r < 1 ) . Так, в табл. 4.7 приведены
экспериментальные данные определения коэффициента взаимной
корреляции.
Многочисленные экспериментальные оценки точностных характеристик РНС «Омега», выполненные в нашей стране и за рубежом,
показывают, что реальные радиальные среднеквадратические погрешности определения местоположения объекта в зависимости от
геометрического фактора составляют 3...4 мили. Известны случаи
появления больших погрешностей, которые наблюдались в период
резкого изменения поправок.
Значительное снижение точности определения места нахождения судна по РНС «Омега» может наблюдаться в период возникновения ионосферных магнитных возмущений типа поглощения полярной шапкой. В этот период возникают ошибки измерения разности
фаз до 0,5 ф.ц. при прохождении сигналов через полярные районы.
О начале поглощения полярной шапкой мореплаватели оповещаются заранее.
Существенного улучшения точностных характеристик РНС «Омега» можно достичь использованием дифференциального варианта системы. Теоретические и экспериментальные исследования в диапазоне
СДВ показали существование значительной пространственной и временной корреляции фазовых отсчетов ПИ, расположенных достаточно
близко друг к другу. Радиус этой пространственной корреляции достигает 1400 миль, интервал временной корреляции – нескольких часов.
Таким образом, фазовые отсчеты ПИ, расположенные в радиусе уверенной пространственной корреляции (до 300 миль), будут содержать
примерно одинаковые систематические случайные (поглощение полярной шапкой, внезапные фазовые аномалии и т. д.) погрешности.
Установив контрольный пункт в точке с известными координатами в зоне, требующей навигационного обеспечения повышенной
точности, производят в ней непрерывные фазовые измерения по
сигналам РНС «Омега» на стандартном ПИ системы.
67
Разность между полученным фазовым отсчетом в каждый момент времени и теоретически рассчитанным определяет поправку,
учитывающую любые как случайные, так и систематические изменения фаз. Затем эти поправки по каналам связи транслируются
потребителям, находящимся в зоне действия дифференциального
варианта системы «Омега», с дискретностью, определяемой интервалом ее временной корреляции изменений фаз сигналов.
В качестве передающих устройств КП могут быть использованы
передатчики морских или авиационных радиомаяков. В ряде случаев используется автоматическое введение транслируемых поправок при соответствующем исполнении бортовых ПИ и аппаратуры
ретрансляции их с КП.
Точность определения местоположения судов РНС «Омега» дифференциальным методом повышается до 0,3 мили на расстоянии
50 миль, до 0,5 мили на расстоянии 100...200 миль и до 1 мили на
расстоянии 300 миль от КП, что в несколько раз точнее стандартного режима работы РНС «Омега».
Недостаток корректировки сигналов РНС «Омега» дифференциальным методом состоит в требовании значительного числа КП.
Например, для того чтобы у побережья США было Ì £ 0,25 мили,
требуется 29 КП. В мире в настоящее время существует 15 дифференциальных районов.
Определение местоположения судна возможно с помощью РНС
«Омега» квазидифференциальным методом. В соответствии с этим
методом в момент получения каким-либо методом обсервации высокой точности (например, на стоянке в порту, с использованием спутниковой навигационной системы и т. д.) можно вычислить значение
поправок и в дальнейшем использовать их на заданном интервале
времени при определении местоположения объекта по РНС «Омега».
Квазидифференциальный метод практически реализован в комбинированных ПИ, принимающих одновременно сигналы СДВ РНС
и спутниковой РНС. Например, в ПИ МХ-1105 дифференциальные
поправки для РНС «Омега» находят по эпизодическим обсервациям спутниковой РНС. Поправки используются между спутниковыми обсервациями для определения местоположения объекта по РНС
«Омега» квазидифференциальным методом.
Контрольные задания
1. Привести принцип работы системы «Лоран-С».
2. Описать принцип работы системы «Омега».
3. Охарактеризовать работу систем в дифференциальном режиме.
68
Глава 5. Системы инструментальной посадки
5.1. Системы метрового диапазона
По возможностям посадки самолетов в разных погодных условиях системы инструментальной посадки классифицируются Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). За основу
классификации принято понятие эксплуатационной характеристики системы, которая позволяет обеспечить посадку с установленной
вероятностью.
Системы I категории обеспечивают управление самолетом до высот принятия решения 60 м при дальности видимости до взлетнопосадочной полосы (ВПП) не менее 800 м.
Системы II категории обеспечивают управление самолетом до
высоты принятия решения 30 м при дальности видимости до ВПП
не менее 400 м.
Системы III категории делятся на три подгруппы (IIIа, IIIb,
IIIс):
– система IIIа категории обеспечивает управление самолетом до
высоты принятия решения 15 м при дальности видимости до ВПП
не менее 200 м;
– система IIIb категории обеспечивает управление самолетом до
поверхности ВПП в условиях отсутствия вертикальной видимости
и вдоль нее;
– система IIIс категории обеспечивает управление самолетом до
поверхности ВПП, вдоль нее и при рулении в случае полного отсутствия видимости.
Антенна маяка систем по каналу курса состоит из двух излучателей, которые формируют две пересекающиеся по линии курса диаграммы направленности. Посредством этих диаграмм маяк излучает синфазные амплитудно-модулированные колебания с частотами
модуляции F1 = 90 и F2 = 150 Гц.
Поле этих антенн можно представить в виде
e1,2 = Em1,2f1,2 (ϕ) éëê1 + m1,2sin(Ω1,2t)sinwtùûú ,
где Em1,2 – амплитуда напряженностей полей в максимумах диаграмм направленности; f1,2 (ϕ) – нормированные диаграммы направленности; m1,2 – коэффициенты амплитудной модуляции.
Результирующее поле при Em1 = Em2 = Em можно представить в
виде
69
ep = e1 + e2 = Em [f1 (ϕ) + f2 (ϕ) ]´
ìï1 + m f (ϕ)sin(Ω t)
m2 f2 (ϕ)sin(Ωt) üïï
11
1
´ïí
+
ý.
ïï
f1 (ϕ) + f2 (ϕ)
f1 (ϕ)+ f2 (ϕ)}sin wt ïþï
î
Коэффициенты глубины пространственной модуляции имеют
вид
M1 =
M2 =
m1f1 (ϕ)
,
f1 (ϕ)+ f2 (ϕ)
m2 f2 (ϕ)
.
f1 (ϕ)+ f2 (ϕ)
Линия курса соответствует направлению ϕ = ϕ0, при котором
M2 = M1, а разность глубин модуляции (РГМ) M1 - M2 равна нулю. Сигнал на выходе приемника пропорционален РГМ, т. е. угловому отклонению от оси взлетно-посадочной полосы.
На рис. 5.1 представлены диаграммы направленности антенны
маяка и спектры излучаемых сигналов.
Распространение получили также курсовые маяки с «опорным
нулем». Их применяют в основном для создания систем I категории.
Здесь формируются основной (узкий) и дополнительный (широкий)
каналы.
Глиссадный радиомаяк с равносигнальным излучением имеет
две антенны. Верхняя антенна излучает амплитудно-модулированные колебания с частотой модуляции 150 Гц, нижняя – с частотой
90 Гц.
а)
M2
M2
f
M1 н M
1
2
2
2
2
б)
m2
2
m2
2
fн–180°
fн
m1
2
fн–90°
fн
fн+180°
m1
2
fн+90°
1
Линия ∆ϕ
курса ∆ϕ 2
3
1
2
fн–90°
fн+90°
3
fн–180°
fн+180°
Рис. 5.1. Канал курса систем посадки: а – диаграммы направленности
двух антенн и спектры излучаемых сигналов; б – спектры принимаемых
сигналов в зависимости от местоположения подвижного объекта
70
Если сдвиг фаз токов, питающих антенны, равен нулю, то амплитуда напряженностей полей, создаваемых верхней и нижней
антеннами в дальней зоне, можно представить в виде
Eâ = Emâ fâ (Θ)(1 + m2 sin Ω2t),
Eí = Emí fí (Θ)(1 + m1 sin Ω1t),
где Emâ , Emí – амплитуды напряженностей полей верхней и нижней антенн; fâ (Θ), fí (Θ) – нормированные диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; m1, m2 – коэффициенты
амплитудной модуляции.
Результирующее поле в зоне перекрытия диаграмм направленности записываем в виде
Eð = Eâ + Eí = éë Emâ fâ (Θ)+ Emí fí (Θ)ùû´
ìï1 + m1 Emí fí (Θ)sin (Θ1t) m2 Emâ fâ (Θ)sin (Θ2t)üï
ïý.
´ïí
+
ïï Emâ fâ (Θ)+ Emí (Θ)
ïï
E
f
Θ
+
E
f
Θ
(
)
(
)
m
â
â
m
í
í
î
þ
Коэффициенты глубины пространственной модуляции имеют вид
M1 =
M2 =
m1 Emí fí (Θ)
,
Emâ fâ (Θ)+ Emí fí (Θ)
m2 Emâ fâ (Θ)
.
Emâ fâ (Θ)+ Emí fí (Θ)
Отклонение указателя индикатора глиссады на летательном аппарате пропорционально M1 - M2 , т. е. РГМ. На линии глиссады
(2°40′) РГМ = 0.
5.2. Системы дециметрового диапазона волн
Радиомаячная система инструментальной посадки дециметрового диапазона волн (посадочной радиомаячной группы (ПРМГ))
предназначена для указания летательным аппаратам, оборудованным бортовой аппаратурой РСБН, курса посадки, глиссады планирования и текущей дальности до точки приземления в метеорологических условиях I и II категорий ИКАО.
Принцип действия курсоглиссадных радиомаяков основан на создании в пространстве равносигнальных зон с помощью пересекающихся диаграмм направленности. Каждому положению диаграмм
71
направленности (одному из двух лепестков) в моменты излучения соответствует своя модулирующая частота повторения прямоугольных
импульсов wM1 , wM2 при постоянной несущей частоте wí .
Принцип работы маяка поясняется рис. 5.2, на котором представлены его временные диаграммы.
При обработке сигналов на борту летательного аппарата о положении его относительно задаваемой линии радиовизирования судят по величине коэффициента радиослышимости (КРС)
U - U2
ÊÐÑ = 1
,
U1 + U2
где U1 и U2 – амплитуды напряжения основных частот wM1
(рис. 5.2, в) и wM2 (рис. 5.2, e) в спектре сигнала.
Амплитуды U1 и U2 выделяются из принимаемого сигнала фильтрами, настроенными соответственно на частоты wM1 и wM2 .
Из-за несинхронности модулирующих сигналов для каждого из
них имеется свой временной сдвиг ∆t относительно начала коммуTM1=
а)
2π
ωM1
t
б)
Сигнал генератора одной стороны
∆t
t
Tc
в)
Модулирующие колебания генератора № 1
t
г)
Излучаемые сигналы
2π
TM2=
ωM2
t
д)
Сигналы генератора другой стороны
t
Tc
е)
Модулирующие колебания генератора № 2
Излучаемые сигналы
Рис. 5.2. Временные диаграммы работы маяка системы
посадки дециметрового диапазона
72
тирующего импульса. Он является одним из источников ошибок
определения местоположения объекта относительно линии курса и
глиссады.
С целью уменьшения влияния Земли на формирование равносигнальной зоны глиссадный радиомаяк оборудуется антеннами с
узкими диаграммами в вертикальной плоскости.
Ретранслятор-дальномер включает в себя приемное и передающее устройства. Последнее состоит из блоков радиодальномерных
запросчиков и блока управления и предназначено для преобразования принятых запросных сигналов в высокочастотные кодированные посылки.
5.3. Микроволновые системы
Система снабжает информацией летательный аппарат об угле в
азимутальной плоскости относительно оси ВПП, угле места и дальности. Такая система работает в шестисантиметровом диапазоне
волн и обеспечивает посадку летательных аппаратов при метеоминимуме I, II и III категорий. Определение углового положения летательного аппарата в системе основано на измерении бортовой аппаратурой временного интервала tϕ,Θ между двумя импульсами: И–А
и И–Б, появляющимися на выходе бортового приемника при облучении летательного аппарата антенной маяка во время прямого и
обратного хода луча этой антенны.
Углы в азимутальной и угломестной плоскостях определяют с
учетом выражений
ϕ = Mϕ (tϕ - T0ϕ ),
Θ = MΘ (tΘ - T0Θ ),
где T0ϕ ,T0Θ – временные интервалы между импульсами И–А и И–Б
при нахождении летательного аппарата на курсе посадки и глиссаде снижения; Mϕ , MΘ – масштабные коэффициенты, равные половине скорости сканирования луча антенны курсового и глиссадного
маяков.
Отсчет времени бортовым устройством исчисляется с момента
приема стартового импульса И–0. Стартовый импульс передается
антенной при излучении преамбулы, предшествующей началу сканирования луча в прямом направлении.
На борту фиксируется также момент tц, соответствующий середине цикла сканирования луча.
73
ϕ, град
–40
–30
Обратный ход
–20
–10
Радиомаяк
0
ВПП
Прямой ход
2 4 6 8 10 1214 16 t, мс
10
20
30
tϕ
40
И–0
И–А
Tц
И–Б
t, мс
Рис. 5.3. К принципу действия системы микроволновой посадки
Интервал времени Tц – кодовый интервал между И–0 и моментом tц зависит от углового положения летательного аппарата.
На рис. 5.3 даны необходимые пояснения к принципу действия
системы.
Применение микроволновой системы посадки благодаря использованию узкого луча в диаграмме направленности (1°) позволяет исключить влияние местных предметов и Земли на характеристики
системы. В зависимости от типа летательных аппаратов экипаж может выбирать оптимальную глиссаду снижения.
В состав системы входят курсовой, глиссадный и дальномерный
(маяк ДМЕ) маяки.
Для систем III категории используется также маяк обратного
курса, позволяющий решать задачу ухода на второй круг при невыполнении посадки.
Развитие космических радионавигационных систем ГЛОНАСС и
GPS���������������������������������������������������������
диктует принципиально новый подход к созданию систем инструментальной посадки всех типов летательных аппаратов, а также других автоматизированных систем, связанных с контролем
движения транспорта. Системы ГЛОНАСС и GPS����������������
�������������������
позволяют получать на подвижных объектах географические координаты, высоту
74
над уровнем моря, скорость движения и ускорение. Этой информации достаточно, чтобы сформировать в бортовой аппаратуре в результате ее обработки управляющие сигналы для индикации требуемого положения летательного аппарата на траектории снижения
к ВПП с учетом дальности до точки касания. Передача на борт ЛА
дополнительной информации позволяет системе работать в режиме относительной навигации и повысить точность фиксации его на
траектории снижения к ВПП. Испытания аппаратуры в таком режиме работы продолжаются с момента доведения группировки ИСЗ
в системах до штатного режима.
Результаты, полученные ведущей фирмой США Raytheon�����
�������������
, позволили спланировать внедрение системы точного наведения и посадки самолетов �����������������������������������������������
JPALS������������������������������������������
(����������������������������������������
Joint�����������������������������������
����������������������������������
Precision�������������������������
������������������������
Approachand�������������
������������
Landing�����
����
System) для всех аэродромов и ВМФ на авианосцах.
Планы внедрения JPALS����������������������������������
���������������������������������������
вместо систем ИЛС, МЛС и TLS�����
��������
рассчитаны на 2014–2021 гг. Одной из причин замены традиционно
используемых систем инструментальной посадки ЛА на ���������
JPALS����
являются высокие эксплуатационные расходы первых. Фирма ����
Raytheon���������������������������������������������������������
, разработавшая и внедряющая систему ��������������������
JPALS���������������
, имеет ежегодный оборот в 25 млрд долларов США. Она является лидером в производстве наукоемкой цифровой авионики. С момента создания ее
в 1921 г. она из маленькой компании со штатом в несколько человек
выросла в крупную фирму и в настоящее время насчитывает более
75 тысяч специалистов.
Контрольные задания
1. Назвать категории посадки по требованиям ИКАО.
2. Описать принцип работы курсовой и глиссадной систем метрового диапазона ИЛС.
3. Описать принцип работы курсовой и глиссадной систем дециметрового диапазона.
4. Сформулировать принцип работы сантиметровой системы посадки.
75
Глава 6. Спутниковые радионавигационные
системы
6.1. Обзор развития систем
Запуск первого в мире советского искусственного спутника Земли (ИСЗ) состоялся 4 октября 1957 г.
В 1959 г. на орбиту выведен первый американский навигационный искусственный спутник Земли, а в 1964 г. вступила в эксплуатацию низкоорбитальная система «Транзит», предназначенная для
обеспечения американских атомных ракетных подводных лодок
«Поларис».
В 1967 г. в СССР был выведен на орбиту первый навигационный
спутник «Космос-192» с целью создания низкоорбитальной спутниковой навигационной системы (СНС) «Циклон». Полностью система введена в эксплуатацию в 1976 г. в составе шести космических
аппаратов. В 1976 г. был разработан также гражданский вариант
навигационной системы для нужд торгового морского флота, получивший название «Цикада».
Первый спутник системы GPS США выведен на орбиту 22 февраля 1979 г. Создание группировки GPS было завершено в 1989 г.
Первый спутник системы ГЛОНАСС был запущен в СССР 12 октября 1982 г. Официальное введение системы ГЛОНАСС в действие
состоялось 24 сентября 1993 г. В январе 1994 г. система состояла из
24 спутников. С 1995–2004 гг. число их уменьшилось до 12. В 2004 г.
началось восстановление группировки.
«Галилео» – европейский проект СНС. Европейская система
предназначена для решения навигационных задач применительно к любым подвижным объектам с точностью менее одного метра. Ожидается, что «Галилео» войдет в строй в 2013 г., когда на
орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27
операционных и три резервных). Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих
станций. Первый опытный спутник системы «Галилео» был запущен на расчетную орбиту высотой более 23000 км с наклонением
56° 28 декабря 2005 г.
Ни одно государство не может и не хочет в своем развитии зависеть в какой-либо области от другого, хотя и дружественного в данный момент государства. Поэтому поиск альтернативы системам
GPS и ГЛОНАСС привел к созданию системы «Галилео».
76
14 апреля 2007 г. состоялся первый запуск китайского навигационного спутника «Бэйдоу» (Большая Медведица) для создания СНС
«Компас». 14 апреля 2009 г. на геостационарную орбиту был выведен второй навигационный спутник. Развертываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для эксплуатации только в этой стране. Завершить создание космической навигационной системы КНР
намеревается к 2015 г. Космический сегмент СНС будет сформирован из пяти спутников на геостационарной орбите и 30 спутников
на средней земной. Система будет полностью совместима с российской ГЛОНАСС, европейской «Галилео» и американской GPS.
В Индии создана региональная навигационная спутниковая система IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System). Первый
спутник запущен в 2008 г. Спутниковая группировка IRNSS будет
состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах, причем четыре спутника из семи будут размещены на орбите с наклонением
29° к экваториальной плоскости. Проектная дата завершения работ
2011 г. Система IRNSS будет обеспечивать только региональное покрытие самой Индии и частей сопредельных государств.
В Японии введена в действие навигационная система QZSS
(Quasi-Zenith). Осуществлен запуск спутника. Всего в спутниковый
сегмент войдут три спутника, орбиты которых будут выбраны таким образом, чтобы их подспутниковые точки описывали на земной
поверхности одну и ту же траекторию с одинаковыми временными
интервалами. При этом, по крайней мере, один спутник будет виден
под углом местоположения более 70° в любое время на территории
Японии и Кореи. Эта особенность и определила название навигационной системы – «Квазизенитная». Эта особенность важна для гористой местности или городов с высокими зданиями.
В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальные навигационные спутниковые системы – GPS, ГЛОНАСС и
«Галилео». Практически во всех странах в настоящее время широко
используется только GPS, нормальное функционирование которой
целиком зависит от правительства США.
Использование спутниковых навигационных систем имеет значительные преимущества по сравнению с обычными навигационными средствами. Такие системы характеризуются более высокой
точностью по сравнению с действующими в настоящее время. В сочетании с системами передачи данных «воздух–Земля» СНС позволяет осуществлять автоматическое зависимое наблюдение (ADS) в
любом районе воздушного пространства. Внедрение СНС и возможное в будущем снятие с эксплуатации наземных навигационных
77
средств позволит существенно повысить регулярность, эффективность, экономичность и безопасность полетов воздушного транспорта.
В связи с тем, что в практической деятельности используются
GPS и ГЛОНАСС, далее они будут рассмотрены более подробно.
6.2. Принципы работы систем
В основу определения координат воздушного судна (ВС) положен
принцип измерения дальностей до навигационных спутников. Геометрическая интерпретация реализации этого принципа может
быть объяснена следующим образом.
Предположим, что в любой момент времени позиции спутников
в околоземном пространстве известны и могут быть измерены первичные навигационные параметры – дальности до спутников, находящихся в поле зрения приемника СНС. Измеренная дальность D1
до одного спутника определяет поверхность положения в виде сферы с радиусом, равным измеренной дальности (рис. 6.1).
Дальности D1 и D2 до двух спутников определяют две поверхности положения, пересечение которых определяет линию положения в виде окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника в виде сферы с радиусом D, может иметь
пересечение с линией положения в виде окружности, полученной от
первых двух спутников, только в двух точках: M1 и M2. Таким образом, измеренные дальности до трех спутников ограничивают возможную позицию двумя возможными точками.
D2
D1
S1
S2
M1
D3
M2
S3
Рис. 6.1. Определение позиции ВС по спутникам
78
Методом логического исключения определяют, какая из двух точек является позицией приемника СНС. Например, если одна из точек располагается слишком далеко от поверхности Земли или имеет
слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности, или находится на очень большом удалении от ранее определенной позиции, то такая точка не может быть искомой позицией.
В компьютеры бортовой аппаратуры заложено несколько алгоритмов, позволяющих отличить правильную позицию от ложной.
Дальность D от спутника до приемника СНС определяют путем
измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до потребителя СНС сигналов по формуле
D = ct,
где с – скорость распространения радиосигнала; t – время его прохождения.
Для дальности примерно D = 21000 км и скорости с = 300000 км/с
время прохождения сигнала t = 0,07 с. Поэтому аппаратура потребителя должна быть рассчитана на высокоточное измерение достаточно
малых промежутков времени.
Для нахождения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника сигналов используют метод сравнения псевдослучайных кодов, генерируемых в аппаратуре спутника и приемника
СНС.
Самые общие черты данного метода состоят в следующем. Аппаратура спутников и приемников синхронизирована с очень высокой
точностью. И на спутниках, и в приемниках одновременно генерируются одинаковые последовательности весьма сложных цифровых кодов. Эти коды настолько сложны, что внешне выглядят как
длинные цепочки случайных импульсов, которые принято называть псевдослучайными кодами. А так как аппаратура спутников
и приемников генерирует одинаковые коды в одни и те же моменты времени, время прохождения сигнала от спутника до приемника
определяют по задержке принятого кода. Генерируемые псевдослучайные коды повторяются каждую микросекунду, т. е. через каждые 10–6 с.
Большинство СНС приемников обеспечивает измерение времени
с точностью до Dt = 10–9 с (т. е. до одной наносекунды).
Для высокоточного определения позиции ВС необходимо, чтобы
точность синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителей соответствовала потребной точности измерения времени
прохождения радиосигнала от спутника до приемника.
79
На спутниках устанавливают комплекты из четырех высокоточных атомных часов, и эти часы корректируются наземными станциями управления. СНС-приемники укомплектовывают сравнительно неточными кварцевыми часами.
Погрешность определения момента времени Dt по часам приемника в сравнении с отсчетом по часам спутников определяется компьютером аппаратуры потребителя путем вычисления по специальному алгоритму.
Предположим, что спутники и приемник СНС находятся в одной
плоскости. Если Dt = 0, т. е. погрешности в измерении времени прохождения радиосигнала отсутствуют одновременно от трех спутников, то линии положения пересекутся в одной точке. В тех же случаях, когда погрешность Dt ¹ 0, вычисленные линии положения будут
отстоять от фактических линий положения на величину cDt и образовывать некоторую область возможных положений приемника СНС
(область погрешностей). Размеры этой области определяются величиной cDt и углами пересечения линий положения. По специальному
алгоритму в компьютере приемника СНС после серии измерений
обеспечивается вычисление величины Dt, которая становится третьей координатой, определяющей позицию приемника на плоскости.
Для вычисления погрешности определения времени по часам
приемника СНС и местоположения его в пространстве (т. е. в системе трех координат) необходимо одновременное измерение расстояний до четырех спутников. При этом погрешность во времени Dt является некоторой четвертой координатой, и, следовательно, четыре
поверхности положения в виде сфер с радиусами, равными соответствующим дальностям от четырех спутников, определяют некоторую область возможных положений приемника СНС.
Таким образом, для высокоточного определения позиции ВС в
реальном масштабе времени необходимо сочетание многоканального приемника и быстродействующего компьютера. Приемник обеспечивает одновременный прием сигналов от четырех спутников,
компьютер вычисляет погрешность часов Dt и координат приемника в выбранной системе координат.
В случаях, когда прием сигналов возможен только от трех спутников, то в алгоритмах аппаратуры потребителей СНС в качестве
четвертого спутника принимается центр Земли, следовательно,
одной поверхностью положения является сфера с радиусом, равным
расстоянию от центра Земли до ВС (до приемника СНС). Расстояние
от центра Земли до поверхности общеземного эллипсоида вычисляется компьютером аппаратуры потребителя СНС, а расстояние от
80
поверхности эллипсоида до ВС (абсолютная высота) вводится в него
автоматизированно.
Высокоточное определение местоположения воздушного судна
возможно только при условии точного вычисления координат навигационных спутников на момент измерения расстояний до них. Рабочие орбиты спутников выбирают такими, чтобы была обеспечена
высокая точность сохранения ими заданных орбит и периода обращения относительно центра Земли.
Эфемериды спутников (параметры, определяющие их положение на орбите) измеряются и уточняются с помощью наземного
командно-измерительного комплекса. Информация об эфемеридах всех спутников в виде так называемого «Альманаха» вводится в память компьютера аппаратуры потребителя СНС-сигналов. И,
следовательно, компьютер обеспечивается данными для вычисления координат спутников на любой момент времени. Но так как под
воздействием гравитационных пульсаций Луны и Солнца и давления солнечного излучения на поверхность спутника возникают изменения его эфемерид, на наземном командно-измерительном комплексе определяются эфемеридные ошибки, которые передаются на
спутник. В сигналах, передаваемых спутником, содержится информация о его эфемеридных ошибках.
Данные об эфемеридах спутника, содержащиеся в «Альманахе», и информация об эфемеридных ошибках обеспечивают высокоточное вычисление координат спутника компьютером приемника СНС.
Возможная точность измерения расстояния до спутника оценивается суммарной среднеквадратической погрешностью определения расстояния до спутника sd = 5 -10 м. Точность вычисления
координат позиции приемника СНС определяется не только величиной погрешностей при измерении расстояний до спутников, но
и взаимным расположением поверхностей положения приемника
СНС, т. е. взаимным расположением спутников.
Предположим, что два спутника и приемник СНС расположены
в одной плоскости. Обе линии положения находят с погрешностью
DD. Тогда область возможного положения приемника СНС будет
значительно меньше при угле пересечения линий положения, близком к 90° (рис. 6.2, а), чем при угле пересечения, близком к 180°
(рис. 6.2, б). Возможная погрешность вычисления координат из-за
«геометрического фактора» может возрасти в несколько раз.
При измерении расстояний до четырех спутников погрешности
DD также определяют область возможного нахождения приемника
81
а)
б)
∆D
∆D
∆D
∆D
D1
N
N
D2
D1
D2
N
N
Рис. 6.2. Влияние на определение позиции ВС
«геометрического фактора»
СНС, и точность вычисления координат находится в большой зависимости от взаимного расположения спутников. Если в поле зрения
антенны приемника СНС находится более четырех спутников, то по
заданному алгоритму могут быть выбраны четыре спутника, взаимное расположение которых в данный момент обеспечивает наибольшую точность вычисления позиции ВС.
Для оценки влияния взаимного расположения спутников и приемника СНС на точность определения координат используется критерий GDOP (Geometric Delution of Precision – геометрическое снижение точности, «геометрический фактор»). Геометрический фактор GDOP, как правило, обозначается аббревиатурой DOP (в некоторых приемниках СНС – PDOP (Position Delution of Precision)).
Геометрическое снижение точности – относительная величина
ошибки определения местоположения объекта с помощью системы,
формирующей несколько семейств боковых поверхностей положения. Точнее говоря, это – отношение среднеквадратической ошибки определения местоположения к среднеквадратическому значению ошибок измерения в предположении, что все составляющие
последней статистически независимы, имеют нулевое математическое ожидание и то же стандартное распределение. Критерий GDOP,
с позиции наблюдателя, представляет собой показатель совершенства геометрических характеристик расположения источников сигналов, формирующих указанные боковые поверхности положения.
Низкое значение GDOP более желательно, чем высокое.
Благодаря оптимальному выбору для пеленгования четырех
спутников из находящихся в поле зрения антенны, как правило,
шести-восьми, точность определения позиции ВС повышается в
четыре-шесть раз.
Таким образом, высокая точность определения позиции приемника СНС обеспечивается на основе следующих принципов:
82
– использования в качестве первично вычисляемого навигационного параметра дальности до спутника;
– определения времени прохождения сигнала от спутника с помощью специального генерируемого на нем и в аппаратуре потребителя псевдокода;
– обеспечения точной синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителя;
– вычисления в аппаратуре потребителя с учетом «Альманаха»
и эфемеридных поправок координат спутника;
– оптимального выбора спутников для пеленгования с учетом их
взаимного расположения.
Очень важно представлять себе, что для нахождения места ВС
желательно принимать сигналы тех спутников, которые расположены выше горизонта. В этой связи вводится понятие «угол маски».
Угол маски – это фиксированный угол возвышения относительно горизонта пользователя, ниже которого спутники игнорируются
программным обеспечением приемника. Углы маски применяются
в основном при анализе характеристик GNSS и используются в некоторых моделях приемников. Угол маски определяется характеристиками приемника, мощностью передаваемого сигнала при малых
возвышениях, чувствительностью приемника и допустимыми при
малых возвышениях ошибками.
Минимальный используемый угол маски представляет собой
минимальный угол возвышения спутника относительно горизонта пользователя, при котором данный спутник можно надежно использовать для навигационных расчетов. Изменение минимального
применяемого угла маски зависит от окружающей среды, конструкции и размещения антенны, высоты и углового положения воздушного судна.
Использование псевдослучайного кода в СНС обусловлено необходимостью не только обеспечивать высокоточное измерение времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника СНС, но
и принимать и обрабатывать очень слабые радиосигналы от спутника.
Сигналы от навигационных спутников настолько слабы, что не
могут быть зарегистрированы на фоне естественного радиоизлучения Земли. Естественный радиошум Земли – это случайные вариации электронных пульсаций, в то время как принимаемый псевдослучайный код – это строго определенная последовательность электронных импульсов. А так как псевдослучайный код повторяется
каждую микросекунду, то с помощью быстродействующего ком83
пьютера представляется возможным выполнять многократное сравнение принимаемых сигналов и выделять псевдослучайный код на
фоне естественного радиошума Земли. В результате приемник СНС
может иметь очень небольшую антенну, в целом же аппаратура потребителя характеризуется сравнительно небольшими габаритными размерами и массой, а также относительно небольшой стоимостью. Все это, в свою очередь, способствует превращению СНС в систему массового использования.
Одна из важнейших причин применения псевдослучайного кода в СНС – целесообразность использования всеми спутниками в их
передатчиках одной и той же несущей частоты. Но так как каждый
спутник передает только ему присущий код, приемник легко может
различать сигналы конкретного спутника, и спутники «помнят»
друг друга, работая на одной и той же частоте.
Применение псевдослучайного кода в СНС позволяет собственнику системы контролировать также режим доступа к системе.
Так, в американской GPS применяются два вида кодов:
– C/A-code (Clear/Acquisition-code – код свободного использования);
– P-code (Protected-code – защищенный код).
Код P-code засекречен, и доступ к нему имеет только Министерство обороны США, C/A-code является общедоступным. Но в процесс использования этого кода может быть введен режим ограниченного доступа S/A (Selective Availability), который предназначен
для снижения точности пеленгования простым «загрублением»
сигналов времени, передаваемых спутником.
Для повышения точности определения координат ВС, например,
при выполнении захода на посадку, в СНС предусмотрен дифференциальный режим (см. п. 5.1).
Навигационный спутник вращается относительно центра масс
Земли практически по круговой орбите высотой около 20000 км, и
его положение может быть отмечено относительно центра Земли, а
позицию потребителя СНС-сигналов необходимо указывать относительно поверхности Земли в принятой геодезической системе координат.
Положение навигационного спутника относительно центра масс
Земли определяется в прямоугольной абсолютной геоцентрической
системе координат Oxyz, связанной с текущими экватором и точкой
весеннего равноденствия.
Закон движения i-го навигационного спутника задается прямоугольными координатами xi , yi , zi и скоростью их изменения
84
z
xi¢, yi¢, zi¢, относящимися к некоторому определенному моменту времеSi(xi, yi, zi)
zi
ни t0. Если известны силы, действующие на спутник, то могут быть соDi
ставлены уравнения его движения.
0
Следовательно, для любого момента
yi y
времени t координаты i-го спутниxi
ка xi , yi , zi и скорости их изменеM(x, y, z)
ния xi¢, yi¢, zi¢ могут быть найдены x
путем интегрирования уравнений
Рис. 6.3. Геоцентрические
движения спутника при некоторых
координаты
спутника и ВС
начальных условиях. В результате определения дальности D1 до i-го
спутника может быть составлено следующее уравнение (рис. 6.3):

(x - xi )2 + (y - yi )2 + (z - zi )2 = Di2 ,
где x, y, z – координаты приемника СНС относительно центра масс
Земли; xi , yi , zi – координаты i-го спутника относительно центра
масс Земли.
Полагая, что погрешность измерения времени прохождения сигнала от спутника до приемника СНС Dt = 0, по результатам приема сигналов от трех спутников может быть составлена система трех
уравнений
ì
ï
(x - x1 )2 + (y - y1 )2 + (z - z1 )2 = D12 ,
ï
ï
ï
2
2
2
ï
2
(6.1)
í(x - x2 ) + (y - y2 ) + (z - z2 ) = D2 ,
ï
ï
ï
(x - x3 )2 + (y - y3 )2 + (z - z3 )2 = D32
ï
ï
ï
î
и определены координаты x, y, z потребителя СНС-сигналов относительно центра масс Земли. Затем геоцентрические прямоугольные
координаты переводятся в геодезические.
Связь прямоугольных координат x, y, z с широтой В, долготой L и
высотой Н может быть задана следующей системой уравнений:
ïìï x = (N + H )cos B cos L,
ïï
ïí y = (N + H )cos B sin L,
ïï
ïïz = éê 1 - e2 N + H ùú sin B,
ë
û
ïî
(
(6.2)
)
85
где В, L, Н – геодезические координаты (соответственно широта и
долгота, рад, и высота, м); N – радиус кривизны первого вертикала,
м; е – эксцентриситет эллипсоида.
Значения радиуса кривизны первого вертикала и квадрата эксцентриситета эллипсоида вычисляют соответственно по формулам
a
N=
,
2
1 - e sin2 B
e2 = 2a - a2 ,
где а – большая полуось эллипсоида, м; α – его сжатие.
Уравнения (6.1) и (6.2) только в общем виде характеризуют алгоритмы, решаемые в вычислителях бортовой аппаратуры СНС. Для
определения координат СНС приемника, кроме того, должна быть
вычислена погрешность измерения времени Dt прохождения сигнала от спутников до приемника СНС.
При установлении места воздушного судна с использованием
GPS задача решается во всемирной геодезической системе координат 1984 г. WGS-84 (World Geodetic System 1984), а при использовании ГJIOHACC – в системе геодезических координат Параметры
Земли 1990 г. (версия 2000 г.).
При выполнении точного захода на посадку (с вертикальным наведением) с использованием СНС необходимо учитывать волну геоида для посадочного порога ВПП, поскольку высота ВС определяется в системе координат WGS-84 или ПЗ-90.02, а посадку ВС производит на ВПП, абсолютная высота которой отсчитывается от уровня моря, т. е. от геоида.
Авиационные спутниковые навигационные системы обеспечивают не только определение координат места ВС, но и нахождение его
путевого угла и путевой скорости. Для вычисления путевого угла и
путевой скорости ВС измеряется сдвиг частот в сигналах от каждого спутника.
Полный алгоритм определения координат, путевой скорости и
путевого угла воздушного судна (потребителя СНС-сигналов) обеспечивает:
– вычисление с помощью «Альманаха» и эфемеридных поправок расчетных значений координат каждого из четырех спутников:
xi , yi , zi и скоростей изменения этих координат xi¢, yi¢, zi¢;
– измерение времени ti прохождения сигнала от спутников;
– вычисление погрешностей Dti измерения времени прохождения сигналов от спутников;
86
– вычисление расстояний Ri до спутников;
– вычисление геодезических координат широты ϕ и долготы λ
воздушного судна, а также путевой скорости и путевого угла ВС.
В случаях когда аппаратурой потребителя «захвачены» только
три спутника и, следовательно, высота приемника СНС относительно среднего уровня моря вводится вручную или автоматически (в
навигационных комплексах), радиальная ошибка определения позиции ВС может в два раза превышать ошибку измерения высоты.
Так, если абсолютная высота введена с ошибкой ∆Н = 100 м, то радиальная погрешность в позиции ВС может достигнуть величины
sr = 200 м.
Фактические путевой угол и путевая скорость могут быть определены с высокой точностью только в тех случаях, когда скорость
приемника СНС (скорость ВС) превышает 30 узлов (55,6 км/ч).
При этом средняя квадратическая погрешность определения фактической путевой скорости составляет примерно sw = 0,1 узла
(0,2 км/ч).
Одним из основных направлений использования искусственных
спутников Земли в авиации является их применение для навигации воздушных судов. Система СНС обладают рядом преимуществ
перед традиционными радиотехническими системами (РТС) навигации:
– большая высота полета ИСЗ позволяет создать глобальную зону действия радиотехнических средств, установленных на спутниках, при использовании достаточно простых антенных устройств
как на спутнике, так и на ВС;
– с помощью созвездия ИСЗ обеспечивается создание навигационной системы, охватывающей территорию земного шара;
– нахождение спутника в пределах прямой видимости в любой
точке зоны действия его радиотехнических средств позволяет использовать наиболее помехоустойчивые диапазоны радиоволн и передавать сигналы с наименьшими искажениями;
– обеспечивается практически неограниченная пропускная способность СНС;
– обеспечиваются относительная простота и дешевизна бортового оборудования СНС на ВС, обусловленные отсутствием передатчика и современными технологиями обработки сигналов;
– при дальнейшем развитии СНС возможно комплексное использование спутниковых систем для решения задач навигации, связи
и наблюдения.
87
Навигационные спутники в современных СНС, применяемые
для навигации, находятся практически на круговых орбитах высотой примерно 20000 км. Установлено, что при движении спутников
на таких высотах силы, действующие на спутники и создающие отклонения от расчетных орбит, отличаются высокой стабильностью,
что позволяет точно прогнозировать движение ИСЗ на несколько
месяцев вперед.
Отмеченные достоинства СНС позволяют при их внедрении существенно облегчить решение ряда задач по обеспечению воздушного движения. Наиболее важными из них являются:
– повышение уровня безопасности полетов;
– повышение точности навигации, особенно в районах со слаборазвитой структурой наземного оборудования навигационных РТС
и над водными пространствами;
– уменьшение интервалов эшелонирования ВС и увеличение пропускной способности воздушного пространства;
– спрямление воздушных трасс.
Помимо косвенной выгоды вследствие повышения точности и
надежности навигации ВС значительно снижаются прямые расходы на обеспечение воздушного движения.
Ввиду неоспоримых технических и экономических преимуществ
спутниковых систем ИКАО было принято решение о создании всемирной спутниковой системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения CNS/ATM (Communication, Navigation and Surveillance/Air Traffic Management) с использованием глобальной навигационной спутниковой системы GNSS, функционирующей на основе GPS и ГЛОНАСС. Специально созданным
комитетом ИКАО была разработана концепция будущих аэронавигационных систем CNS/ATM. По масштабу производимых изменений переход к системам CNS/ATM является самой крупной программой, которую когда-либо приходилось решать авиационному
сообществу.
6.3. Основные характеристики систем
Системы GPS и ГЛОНАСС представляют собой автономные среднеорбитальные спутниковые системы, позволяющие с высокой точностью определять пространственные координаты подвижных и неподвижных объектов на поверхности Земли и в околоземном пространстве, а также осуществлять точную координацию времени.
88
Организация работы обеих систем является схожей. Системы
GPS и ГЛОНАСС состоят из трех основных сегментов:
– подсистемы космических аппаратов (ПКА);
– подсистемы контроля и управления (ПКУ);
– навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС содержит
24 спутника, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км,
наклонением 64,8° и периодом обращения 11 ч 15 мин в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе
на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещается по восемь
спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме того, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и
околоземного пространства навигационным полем.
Подсистема контроля и управления (ПКУ) включает в себя Центр
управления системой ГЛОНАСС и сеть станций измерения, управления и контроля, рассредоточенных по всей территории России.
В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования
ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной
информации.
Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для
приема навигационных сигналов.
Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС
выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС, а также
прием и обработка навигационных сообщений, входящих в состав
спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых
навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения,
а также осуществляется «привязка» шкалы времени потребителя к
шкале Всемирного координированного времени.
Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигационных определений, выбор рабочего «созвездия» навигационных космических аппаратов и обнаружение передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навигационного сообщения.
89
Таблица 6.1
Основные характеристики
GPS
ГЛОНАСС
Параметры
Спутники
Число спутников
32*
24
Число орбит
6
3
Высота орбит, км
20200
19100
Период обращения, ч., мин
11,56
11,15
Наклон орбиты, град
55
64,8
Несущая частота (L1), МГц
1575,42
1575,42
Источник питания
Солнечная батарея и аккумулятор
Наземные станции
Станции:
главная управления
1
1
контрольные
5
2
загрузочные
–
4
лазерные слежения
–
1
наземные антенны
3
–
Точность определения
Местоположение в плане, м:
50–70
грубый код с S/A
100
грубый код без S/A
25
точный код
22
Местоположение по вертикали, м:
70
грубый код с S/A
156
грубый код без S/A
43
точный код
27,7
Скорость, м/с
0,2
0,15
Время, мкс
0,34
1,00
Зона действия
Глобальная
Число одновременных пользоваНе ограничено
телей
* Фактическое число спутников, штатное их число – 24. Фактическое число
спутников может меняться.
В системе GPS спутники равномерно распределены на шести орбитах, плоскости которых наклонены под углом 55° к плоскости экватора, и на каждой из них находится по четыре спутника. Орбиты
разнесены вдоль экватора с интервалом 60°.
90
Основные технические данные GPS и ГЛОНАСС приведены в
табл. 6.1.
Для гражданских пользователей GPS предусмотрено стандартное определение местоположения объекта с использованием грубого кода в режиме селективного доступа (S/A) и вне этого режима.
Для более точного определения местоположения ВС предусмотрено
использование точного кода с санкции Министерства обороны США
(см. табл. 6.1).
Принципы функционирования GNSS сравнительно просты, однако для их реализации используются передовые достижения науки и техники.
Все спутники GPS или ГЛОНАСС являются равноправными в
своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах (L1, L2), который может быть принят соответствующим приемником пользователя, находящегося в зоне действия спутника. Передаваемый сигнал
содержит следующую информацию:
– эфемериды спутников;
– коэффициенты моделирования ионосферы;
– данные о состоянии спутника;
– системное время и уход часов спутника;
– сведения о дрейфе спутника.
В приемнике бортового оборудования ВС генерируется код, идентичный принимаемому со спутника. При сравнении двух кодов находится временной сдвиг, который пропорционален дальности до
спутника. Принимая одновременно сигналы от нескольких спутников, можно определить местоположение приемника с высокой точностью. Очевидно, что для функционирования системы необходима
точная синхронизация кодов, генерируемых на спутниках и в приемниках.
Ключевым фактором, определяющим точность системы, является то, что все составляющие спутникового сигнала точно контролируются атомными часами. Каждый спутник имеет по четыре квантовых генератора, являющихся высокоточными цезиевыми стандартами частоты, суточная нестабильность которых 5 · 10–13. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников
составляет 20 нс. Основой для формирования шкалы системного
времени в СНС служит водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет 5 · 10–13. Часы приемника менее точны, но их код посто91
янно сравнивается со спутниковыми часами, и вырабатывается поправка, компенсирующая уход.
Наземный сегмент осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные параметры спутников. Данные о результатах измерений, выполненных
каждой контрольной станцией, обрабатываются на главной станции управления и используются для прогнозирования эфемерид
спутников. Там же, на главной станции управления, формируются
сигналы для коррекции спутниковых часов.
Местоположение ВС с использованием GPS и ГЛОНАСС определяется в геодезических системах координат.
В зависимости от назначения приемоиндикаторы СНС подразделяются на три группы: геодезические, навигационные, бытовые
(рис. 6.4).
Далее рассмотрены ПИ, применяемые только для воздушной навигации.
Приемник спутникового навигационного сигнала (ГЛOHACC/
GPS-приемник) – это микросхема или совокупность микросхем
(иногда по контексту с антенной или без таковой) с соответствующим программным обеспечением, задача которых принимать и декодировать сигналы спутниковой навигационной системы и выдавать на выходе координаты объекта в определенном формате. В
случае когда приемник выдает информацию в навигационный комплекс, то он является датчиком СНС.
Приемоиндикаторы
Геодезические
Навигационные
Морская
навигация
Сухопутная
навигация
Воздушная
навигация
Стационарные
Бытовые
Для путеше
ствий
ий
В телефоне
Переносные
Рис. 6.4. Классы приемоиндикаторов СНС
92
Альтернативным методом контроля достоверности информации,
получаемой от СНС, является сравнение их данных с навигационной информацией, поступающий от других навигационных систем,
таких как ИНС, «Лоран-C», VOR/DME. Такой метод реализован в
аппаратуре и называется эквивалент RAIM, или AAIM. Этот метод
имеет только одно преимущество по сравнению с RAIM – отпадает необходимость в обработке сигналов от одного дополнительного
спутника, что позволяет продолжать навигационные определения
с гарантией их достоверности при видимости только четырех спутников.
Использование информации о барометрической высоте при стыковке оборудования СНС с датчиком высоты производится с целью:
– «согласования» навигационных определений, что существенно
ускоряет процедуры математической фильтрации;
– «поддержки» RAIM, когда барометрическая высота используется как сфера положения только для алгоритма RAIM и только в
тех случаях, когда нет возможности осуществить RAIM по пятому
спутнику (т. е. обрабатываются сигналы только от четырех спутников);
– «поддержки» навигационных определений, когда барометрическая высота используется как сфера положения в режиме
«Approach» (при вводе давления QNH), и при условии, что видимых
спутников не хватает для работы оборудования в режиме 3D, т. е.
при видимости трех спутников.
Контрольные задания
1. Назвать направления развития СНС.
2. Описать принцип работы СНС.
3. Назвать условия получения высокой точности координат подвижного объекта.
4. Привести основные характеристики СНС.
5. Указать состав «Альманаха» спутника в системе.
6. Указать состав информации передаваемой спутником системы.
7. Привести структуру приемоиндикаторов СНС.
93
Глава 7. Дифференциальный
и относительный режимы работы систем
7.1. Принцип работы систем в дифференциальном режиме
Опыт эксплуатации СНС показывает, что сигналы, излучаемые
навигационными спутниками, подвержены различным помехам:
непреднамеренным и преднамеренным, а также атмосферным.
Непреднамеренные помехи. Большинство случаев воздействия
помех на СНС связано с нарушениями в работе бортовых систем. На
основе накопленных в ходе ее эксплуатации данных выявлено несколько источников непреднамеренных помех.
К непреднамеренным помехам искусственного происхождения
относятся излучения радиопередатчиков, могущие создать сигналы с нежелательным уровнем мощности в L-диапазоне. Идентифицированные искусственные непреднамеренные помехи создаются
радиолиниями, гармониками телевизионных каналов, сигналами
запроса систем ближней навигации, гармониками существующих
УКВ-радиостанций, спутниковой связной системой, радиолокационными станциями системы управления воздушным движением.
Вероятность появления таких помех зависит от правил использования спектра и распределения частот, а также обеспечения соблюдения установленных правил каждым государством или регионом.
Воздействие помех на СНС и другие навигационные системы может
быть вызвано также портативными электронными устройствами.
Преднамеренные помехи. В связи с низкой мощностью сигналов
СНС существует возможность их подавления маломощными передатчиками.
Преднамеренная помеха (jamming) – радиопомеха, создаваемая
специально сконструированным источником и предназначенная
для нарушения функционирования аппаратуры потребителей СПС.
К преднамеренным помехам следовало бы отнести также любые действия, направленные на нарушение функционирования СНС, включая атаку на спутники и наземную инфраструктуру управления.
Другим типом преднамеренных помех является радиодезинформация – действия, направленные на то, чтобы заставить приемник
СНС осуществить привязку к ложным сигналам, похожим на штатные, и медленно сойти с заданного направления так, чтобы прошел
достаточно большой промежуток времени до обнаружения постороннего вмешательства.
94
Атмосферные помехи. Существует два ионосферных явления,
которые необходимо учитывать: быстрые и значительные изменения состояния ионосферы и сцинтилляция. Изменения состояния
ионосферы приводят к ошибкам определения дальности, которые
учитываются при разработке системы.
В условиях действия мощных случайных неблагоприятных факторов (геомагнитные возмущения и всплески радиоизлучения Солнца) возможны как значительное ухудшение определения места ВС,
так и потеря сигнала СНС от одного или нескольких спутников.
С целью получения более стабильного неискаженного сигнала от
навигационных спутников, а также для повышения точности определения местоположения ВС вводятся разные функциональные дополнения:
– спутниковая система функционального дополнения SBAS
(Satellite-Based Augmentation System);
– наземная система функционального дополнения GBAS (GroundBased Augmentation System).
В наземных и спутниковых функциональных дополнениях важное место отводится повышению точности определения местоположения ВС дифференциальным методом корректировки спутникового сигнала (рис. 7.1).
Принцип указанного дифференциального метода основан на относительном постоянстве значительной части погрешности СНС как
во времени, так и в пространстве. Реализация дифференциального
метода возможна при наличии двух приемоиндикаторов, один из
которых находится на суше, а другой – на борту воздушного судна.
Геодезические координаты наземного приемоиндикатора (контрольная станция) в выбранной системе координат WGS-84 или
ПЗ-90.02 известны с высокой точностью. Точность определения
∆ϕ, ∆λ, ∆H
Ошибки определения
местоположения ВС (∆ϕ, ∆λ, ∆H)
Рис. 7.1. Дифференциальный метод повышения точности
определения места нахождения ВС
95
координат контрольной станции должна быть не хуже: по широте и долготе 5 см, по высоте относительно поверхности эллипсоида 0,5 м.
Контрольная станция принимает сигналы спутников и определяет текущие координаты, которые в дальнейшем сравниваются
с координатами привязки контрольной станции. По результатам
сравнения определяются поправки к координатам для данного района и текущего момента времени. Полученные поправки передаются радиомаяками потребителям по специальной линии радиосвязи, и после их обработки по радиоканалу СВЧ-диапазона в бортовой
приемник СНС пересыются дифференциальные коррекции, информация о целостности системы и другие служебные сообщения. Сигналы дифференциальной коррекции от радиомаяков передаются на
частотах 283,5–325 кГц. Радиосигналы на этих частотах подвержены отражению от земной поверхности. Поэтому холмистая и горная
местность обычно не влияют на прием сигнала.
Дифференциальный режим используется как в наземных, так
и в спутниковых функциональных дополнениях. Введение дифференциальных поправок позволяет существенно повысить точность
определения местоположения ВС и таким образом применять СНС
для выполнения точного захода на посадку.
В практической деятельности используются локальные и глобальные дифференциальные GNSS.
Локальная дифференциальная GNSS – разновидность дифференциальной GNSS, в которой дифференциальные поправки обеспечивают соответствующие этапы полета в пределах ограниченного
географического района.
Глобальная дифференциальная GNSS также является разновидностью дифференциальной GNSS, в которой указанные поправки
обеспечивают соответствующие этапы полета в пределах целого региона.
Важнейшей особенностью СНС является наличие в бортовой аппаратуре компьютерной базы навигационных данных (NAVDATA).
База навигационных данных бортовой аппаратуры включает в себя
три взаимосвязанные базы данных:
– основную базу навигационных данных;
– базу пунктов пользователя;
– базу маршрутов пользователя (Companyroute).
Основная база навигационных данных охватывает территорию
земного шара от широты 74°N до широты 60°S. Использование навигационной системы возможно за пределами этой территории,
96
но тогда магнитное склонение для правильного вычисления магнитных пеленгов и магнитных путевых углов вводить необходимо
вручную.
Объем навигационной базы данных и ее содержание незначительно варьируются в зависимости от типа СНС.
База данных создается по регионам.
В базу навигационных данных включается информация о навигационных пунктах следующих категорий: аэропортах, радиомаяках VOR.
Основное содержание информации об аэропортах составляют:
– идентификатор;
– наименование;
– ближайший крупный город и государство;
– широта и долгота;
– абсолютная высота;
– частоты каналов связи.
В зависимости от типа бортовой системы в базу навигационных
данных может быть включена также следующая дополнительная
информация об аэропортах:
– принадлежность (гражданский или военный);
– информация о ВПП (грузонапряженность, превышение, размеры);
– система посадки (светотехнические и радиотехнические средства);
– наличие посадочного радиолокатора;
– зона с особым режимом полетов (если аэропорт находится в
пределах такой зоны);
– разница во времени;
– информация об аэродромном обслуживании (наличие марок
топлива и другой сервис).
Кроме того, в некоторые бортовые системы пользователь может
внести дополнительную информацию о каждом аэропорте, состоящую примерно из 30 знаков.
Основное содержание информации о радиотехнических средствах (VOR, VOR/DME, DME, VORTAC, TACAN и т. д.) составляют:
– идентификатор;
– наименование;
– государство местонахождения VOR;
– частота;
– наличие радиомаяка DME;
– широта и долгота.
97
В базу навигационных данных в зависимости от типа навигационной системы может быть включена также информация:
– о минимальных безопасных высотах;
– о зонах, контролируемых органами ОВД (УВД) и классах воздушного пространства;
– о зонах с особым режимом полетов;
– частоты средств связи с органами ОВД.
Основная база навигационных данных обновляется через каждые 28 дней, на территории США – через 56 дней. База навигационных данных поставляется на магнитных носителях информации:
на дискетах или в специальных картриджах, вставляемых в блок
бортовой навигационной системы. Содержание информации навигационной базы данных не может быть изменено или отредактировано пользователем.
7.2. Принцип работы РНС в относительном режиме
Одной из важнейших проблем радионавигации является повышение точности оценки местоположения объекта – носителя бортовой аппаратуры РНС. Использование дифференциального режима
радионавигации позволяет существенно увеличить точность местоопределения объекта в абсолютной системе координат, но требует
введения поправок в бортовую аппаратуру объектов, выполняющих
навигационные определения, организации каналов связи с объектами, создания и эксплуатации контрольных станций (КС) с известными с высокой точностью абсолютными координатами.
К сожалению, далеко не всегда удается обеспечить наличие КС
в радиусе приемлемой пространственной корреляции с бортовой
аппаратурой потребителя, выполняющей навигационные определения в фазовом поле той или иной РНС. Это могут быть причины
сугубо географического характера, когда, например, бортовые ПИ,
установленные на вертолетах-разведчиках ледовой обстановки и
работающие по сигналам высокоточных РНС морского применения
СЧ- и НЧ-диапазонов, радиусом действия до 1000 км, с одной стороны, должны обеспечивать точный съем ледовой обстановки и безусловный возврат вертолета на ледокол, а с другой, морская акватория не позволяет установить неподвижную КС с известными абсолютными координатами.
Это могут быть также причины экономического характера, по
которым, например, каждый эпизодически используемый недостаточно хорошо оснащенный аэродром не может быть оборудован стационарной КС для обеспечения точного захода на посадку.
98
Возможны также причины и временного характера, по которым
для проведения аварийно-спасательных работ с помощью подвижных объектов, оборудованных бортовой аппаратурой потребителя,
не хватает времени для развертывания и точной геодезической привязки стационарной КС.
Кроме того, следует учитывать, что при реализации дифференциального режима в бортовой аппаратуре, и особенно в аппаратуре
КС, требуются дополнительные вычислительные ресурсы, обеспечивающие определение, передачу и учет корректирующей информации.
Вместе с тем анализ задач, решаемых с использованием радионавигационных систем, позволяет установить, что во многих случаях нет необходимости в знании точных абсолютных координат
объектов. Достаточно обеспечить взаимное координирование подвижных объектов или подвижных объектов относительно неподвижной опорной точки, находящихся в одном радионавигационном
поле. Такой подход привел к идее реализации режима относительной радионавигации для глобальных РНС, а также для РНС дальнего (среднего) радиуса действия.
Сущность метода относительной радионавигации заключается
в следующем. Бортовая аппаратура потребителя, сопряженная с
аппаратурой передачи данных, используется на опорной точке для
передачи координат, которые фиксируются ею. Относительно этой
опорной точки ведется координирование других подвижных объектов, для чего они пользуются новой относительной системой координат с центром в опорной точке. Поскольку точные абсолютные
координаты места опорной точки не известны, дифференциальный
метод реализовать невозможно.
Таким образом, вектор оценок текущих относительных координат каждого подвижного объекта
ˆ ï.î (t)- X
ˆ î.ò (t - t),
dˆ (t) = X
(7.1)
где t – разность моментов времени навигационных определений на
ˆ ï.î (t), X
ˆ î.ò (t - t) – вектоподвижном объекте и в опорной точке; X
ры оценок текущих координат подвижного объекта и опорной точки
в моменты времени t и t - t .
Из (7.1) следует, что аналогично дифференциальному режиму
вектор погрешностей текущих относительных координат подвижного объекта имеет вид
Ddõ (t) = DÕï.î (t)- DÕî.ò (t - t).
99
В случае использования разностно-дальномерной радионавигационной системы измеренное значение i-го радионавигационного
параметра может быть представлено в виде
ψ ièçì = ψ ic + Dψ ièí (t)+ Dψ iïîì (t)+ Dψ iíåñò (t),
где ψ ic – постоянная составляющая измеренного значения указанного параметра; Dψ ièí (t), Dψ iïîì (t), Dψ iíåñò (t) – независимые, случайные, гауссовские стационарные функции времени: Dψ ièí (t) –
функция, обусловленная инструментальной погрешностью аппаратуры потребителя; Dψ iïîì (t) – функция, обусловленная помеховой
обстановкой; Dψ iíåñò (t) – функция, обусловленная нестабильностью радионавигационного поля.
Каждая случайная составляющая характеризуется нулевым математическим ожиданием, соответствующими дисперсиями и корреляционными функциями, одинаковыми для каждого i.
С учетом принятого в бортовой аппаратуре потребителей расчетного значения скорости распространения радиоволн vp и ее истинного значения для сигнала от i-й станции при неизменных метеоусловиях vpi (от ведущей станции – vp0) для неподвижной точки можно записать
æD
D ö÷
ψ ic = 2πf ççç i - 0 ÷÷ +Dψ iè , çè vpi vp0 ÷÷ø
æD +d
ö
i - D0 + d0 ÷÷ + Dψ ,
ψ iðàñ÷ = 2πf ççç i
÷
iï
÷
çè vðï
vðï ÷ø
где Dψ iï , Dψ iè – принятая и истинная базокодовые задержки; Di,
D0 – истинные расстояния до i-й и ведущей опорных станций;
ψ iðàñ÷ – расчетное значение i-го радионавигационного параметра;
di, d0 – ошибки в значении координатой и ведущей опорных станций в направлении излучения радиосигнала.
При использовании для обработки измерений метода наименьших квадратов математическое ожидание вектора погрешностей
относительных координат для разностно-дальномерной трехстанционной РНС будет иметь вид
-1 é
ù
M [Ddx ] = Hï.î
ë Liï.î + kdψ1á - (diï.î - d0ï.î )û -1 é
ù
-Hî.ò
ë Liî.ò + kdψ1á - (diî.ò - d0î.ò )û ,
100
где k – коэффициент размерности; dψ1á = Dψ1è - Dψ1ï – вектор поæ vðï
ö÷
-1÷÷ – вектор
грешностей базокодовых задержек; dψ1á Li = Di ççç
÷ø÷
çè vpi
разностей между измеренным и расчетным значениями i-го радионавигационного параметра; Н – матрица градиентов измерений
2 × 2 для трехстанционной разностно-дальномерной РНС.
Поскольку
DDi = Diï.î - Diî.ò  Di , i = 0, 1, 2,
можно считать, что
-1
-1
Íï.î
» Íî.ò
= Í -1 ,
vpiï.î » vpiî.ò = vpi .
В этом случае
é
æ vðï
ö÷
æ vðï
ö÷ù
M [Ddx ] = H-1 êê(Diï.î - Diî.ò )ççç
-1÷÷ - (D0ï.î - D0î.ò )ççç
-1÷÷úú ÷ø÷
÷ø÷
çè vpi
çè vp0
êë
úû
-H-1 [(diï.î - diî.ò ) ].
При независимости инструментальных погрешностей измерений в аппаратуре потребителей, идентичности остальных составляющих и независимости компонент вектора ψièçì корреляционная
матрица случайного вектора Ddx имеет вид
Ð (t) = 2k2 éê H-1 Ht-1 ùú éê s2èí + s2ïîì - Rïîì (t)+ s2íåñò - Ríåñò (t)ùú , (7.2)
ë
ûë
û где Ht-1 – транспонированная обращенная матрица градиентов измерений.
При t = 0 выражение (7.2) принимает вид
P (0) = 2P0 (0),
(7.3)
где P0 (0) = k2 éê H-1 Ht-1 ùú s2èí – корреляционная матрица инструменë
û
тальных погрешностей бортовой аппаратуры потребителя в абсолютной системе координат.
В абсолютной системе координат для простоты оценки точности
местоопределения принято пользоваться не корреляционными ма101
трицами, а радиальными СКП, в том числе и инструментальными
sì , определяемыми выражением
1/2
sì = [trP0 (0) ]
.
(7.4)
Тогда с учетом (7.3), (7.4) по аналогии для относительной системы
координат находим
1/2
sîòí = 2 [trP0 (0) ] = 1,4 sì .
(7.5)
Таким образом, радиальная среднеквадратическая погрешность
оценки относительных координат при DD ® 0 и τ → 0 определяется
в основном инструментальной погрешностью бортовой аппаратуры
потребителя (7.5). Это существенно ниже, чем аналогичные оценки
для абсолютных координат вследствие компенсации входящих в их
состав систематических и сильно коррелированных случайных погрешностей.
Режим относительной радионавигации можно применять в следующих случаях:
– при групповом перемещении кораблей, автотранспорта, самолетов и других воздушных средств для обеспечения не больших при
этом безопасных расстояний между ними в процессе движения;
– в системах предупреждения столкновений воздушных или
морских объектов;
– при решении задач сближения и встречи морских судов, летательных аппаратов и наземного транспорта;
– при организации с помощью последних аварийно-спасательных
и восстановительных работ и т. д.
Такие широкие возможности применения относительной радионавигации объясняются высокими точностными характеристиками режима. Действительно, теоретические результаты неоднократно получали экспериментальное подтверждение при определении
местоположения судна разными методами: маршрутным или постоянного навигационного режима подвижных объектов в точках с координатами, предварительно найденными с помощью аналогичной
бортовой аппаратуры потребителя.
Например, как показывает практика, для длинноволновых РНС,
имеющих в реальных условиях в абсолютных координатах среднее
значение погрешности примерно 150 м при инструментальной среднеквадратической погрешности около 20 м, погрешности вывода лежат в диапазоне от 10 до 60 м для района с геометрическим фактором около 1,3 и удалением от опорных станций 500...700 км.
102
Для практического проведения относительных определений
по сигналам СРНС GPS в США был разработан ряд специализированных комплектов аппаратуры: SERIES, NGPS, V-1000,
MACROMETER, GEOSTARТ 14100 и т. д.
Особенностями этой аппаратуры являются возможность регистрации измерений, выполненных на удаленных пунктах, с дальнейшей совместной обработкой, проведение их на временных интервалах от нескольких часов до нескольких суток, широкое использование в качестве измеряемого параметра фазы несущей с применением разнообразных методов по исключении расхождения фаз
и частот генераторов НИСЗ и определяемых пунктов, а также раскрытие неоднозначности фазовых измерений и т. д. Отметим, что
наибольшее распространение относительные определения получили при решении задач геодезии и геодинамики.
Контрольные задания
1. Назвать принципы работы навигационной системы в дифференциальном режиме.
2. Описать примерную базу данных, включаемую в аппаратуру
потребителей СНС.
3. Назвать причины использования РНС в относительном режиме.
4. Привести уравнение вектора оценок текущих относительных
координат.
5. Привести уравнение вектора погрешностей относительных
координат.
103
Литература
1. Быков В. И., Никитенко Ю. И. Судовые радионавигационные устройства. М.: Транспорт, 1976. 399 с.
2. Кинкулькин И. Е., Рубцов В. Д. Фазовый метод определения координат. М.: Радио и связь, 1999. 280 с.
3. Олянюк П. В., Боложин С. Б., Семенов Г. А. Радионавигационные системы сверхдлинноволнового диапазона. М.: Радио и связь, 1995. 264 с.
4. Приложение 15 к «Конвенции о международной ГА». Изд. 12. Монреаль: ИКАО, 2004. 192 с.
5. Распространение электромагнитного импульса над земной поверхностью / Г. И. Макаров, Э. М. Гюннинен, В. В. Новиков, С. Т. Рыбачек // Проблемы дифракции и распространения волн. Вып. 2. Л. 1962.
С. 132–143.
6. Спутниковые навигационные системы / П. В. Олянюк и др. СПб.:
АГА, 2008. 98 с.
7. Шатраков Ю. Г. Радионавигационные системы подвижных объектов.
М.: МРП, 1990. 92 с.
8. Шатраков Б. Г., Криворученко Ю. Т. Обработка сигналов в радиотехнических системах ближней навигации. М.: Радио и связь, 1992. 370 с.
9. Шатраков Ю. Г., Мосяков Е. А. Морские РНС. М.: Радио и связь, 1991.
94 с.
10. Шатраков Ю. Г., Пахолков Г. А., Игнатьев В. В. Современные системы ближней радионавигации летательных аппаратов. М.: Транспорт,
1986. 402 с.
11. Шатраков Ю. Г., Пахолков Г. А., Кашинов В. В. Угломерные радиотехнические системы посадки. М.: Транспорт, 1992. 362 с.
12. Шатраков Ю. Г., Соломоник М. Е. Корреляционные ошибки УКВ
угломерных радиотехнических систем. М.: Советское радио, 1983. 280 с.
13. Шебшаевич В. С. Сетевая спутниковая РНС. М.: Радио и связь, 1992.
280 с.
14. Шебшаевич В. С., Астафьев Г. П. Дифференциальный режим сетевой
спутниковой РНС // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 1. С 5–32.
15. Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и
связь, 1995. 344 с.
104
Оглавление
Введение.............................................................................. 3
Глава 1. Основы радионавигации............................................ 4
1.1. Понятие о навигации и радионавигации........................ 4
1.2. Системы координат..................................................... 7
Контрольные задания........................................................ 12
Глава 2. Понятие о радионавигационных системах.................... 13
2.1. Методы определения местоположения подвижных
объектов................................................................... 13
2.2. Рабочая зона системы.................................................. 24
2.3. Особенности распространения радиоволн....................... 26
2.4. Отсчет времени в радионавигационных системах............ 27
Контрольные задания........................................................ 31
Глава 3. Системы ближней навигации...................................... 33
3.1. Радиотехническая система ближней радионавигации ..... 33
3.2. Радионавигационная система TACAN ........................... 35
3.3. Радионавигационная система vor/dme........................ 36
3.4. Автоматизированная система ГРАС.............................. 39
Контрольные задания........................................................ 44
Глава 4. Системы дальней радионавигации с наземным
базированием станций.............................................. 45
4.1. Импульсно-фазовые системы длинноволнового
диапазона................................................................. 45
4.2. Системы сверхдлинноволнового диапазона..................... 55
Контрольные задания........................................................ 68
Глава 5. Системы инструментальной посадки........................... 69
5.1. Системы метрового диапазона...................................... 69
5.2. Системы дециметрового диапазона волн......................... 71
5.3. Микроволновые системы............................................. 73
Контрольные задания........................................................ 75
Глава 6. Спутниковые радионавигационные системы................. 76
6.1. Обзор развития систем................................................. 76
6.2. Принципы работы систем............................................ 78
6.3. Основные характеристики систем................................. 88
Контрольные задания........................................................ 93
Глава 7. Дифференциальный и относительный режимы
работы систем.......................................................... 94
7.1. Принцип работы систем в дифференциальном
режиме..................................................................... 94
7.2. Принцип работы РНС в относительном режиме............... 98
Контрольные задания........................................................ 103
Литература...................................................................... 104
105
Учебное издание
Король Виктор Михайлович
Шатраков Юрий Григорьевич
ОСНОВЫ РАДИОНАВИГАЦИИ
Учебное пособие
Редактор А. А. Гранаткина
Компьютерная верстка А. Н. Колешко
Сдано в набор 13.09.11. Подписано к печати 01.12.11. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 6,16. Уч.-изд. л. 5,71.
Тираж 100 экз. Заказ № 592.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
4 135 Кб
Теги
korolshatrakov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа