Радиотехнические системы дальней навигации

РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Скорость распространения радиоволн в однородной и изотропной среде с показателем преломления n равна V = C/n, где C- скорость света в вакууме. Постоянная скорость распространения радиоволн делает возможным определять расстояние по интервалу времени, которое проходила радиоволна.

Кривизна поверхности Земли приводит к тому, что для радиотехнических систем существуют, так называемая, дальность прямой видимости – D_пв. Ограничение дальность действия величиной D_пв особенно проявляется для коротковолновых систем, поскольку в этом диапазоне дифракционные явления (затекания радиоволн в область тени) малы.

Определим дальность D_пв

 

Рисунок 10.1

Пусть одна точка интереса находится на высоте h, а другая на высоте H. Тогда

,

где R- радиус Земли.

В этой формуле высота в метрах, а дальность в километрах.

В тропосфере (нижнем слое атмосферы) из-за изменения температуры и влажности показатель преломления изменяется с высотой, что в свою очередь вызывает эффект рефракции – отклонение распространения радиоволн от прямолинейного.

С учётом рефракции при стандартной атмосфере дальность прямой видимости записывается в виде

.

В ионосфере (верхняя часть атмосферы) коэффициент преломления n зависит от концентрации свободных электронов и частоты радиоволн. Поэтому в ионосфере радиоволны могут проходить сквозь ионосферу и могут отражаться.

 

Дальномерные устройства и системы радионавигации

 

При измерении дальности необходимо определить задержку между излучаемым и принимаемым сигналом, который пропорционален дальности. Для нахождения D(t) от объекта до радионавигационной точки предназначены радиодальномеры (РНД). По принципу действия РНД делятся на автономные и неавтономные. Неавтономные РНД в свою очередь делятся на  РНД с ответчиком и РНД без ответчика.

В свою очередь все дальномеры делятся на временные, фазовые и частотные.

Временной метод

Автономный временной (импульсный) метод без ответчика представляет собой метод непосредственного измерения дальности по времени запаздывания отраженного сигнала D(t) = c×td/2. По такому принципу работают  радиовысотомеры больших высот.

При неавтономном временном методе без ответчика дальность определяется по запаздыванию принятого сигнала относительно эталонного времени. На таком принципе работает приемник СНС.

В РНД с ответчиком имеются два канала связи: запроса и ответа. На борту измеряется суммарное время распространения сигнала от запросчика к ответчику и обратно. Дальность определяется по формуле D(t) = c(td/2-tз). Такой принцип используется в системах РСБН, DME, TAСAN.

 

Фазовый метод без ответчика

На входе устройства измерения дальности принятый сигнал имеет вид

u(t) = U1×sin(w₀t- w₀×D/c +j_доп)

Сигнал опорного бортового генератора имеет вид

U₀(t) = U2×sin(w₀t +j_г)

Где  j_г – разность фаз между опорными генераторами

Бортовой фазометр измеряет разность фаз 

Dj = w₀×D/c + j_г - j_доп = w₀×D/c + y, где y = j_г - j_доп;

Фазометр измеряет разность фаз лишь в пределах одного фазового цикла, а величина Dj может включать в себя и неизвестное число полных фазовых циклов, т.е разность фаз содержит некоторое неизвестное число полных циклов n и дробную часть Dj₁

Dj = 2p n + Dj₁ = w₀×D/c + y

Тогда уравнение для определения дальности с помощью фазового РНД без ответчика имеет вид

2p n + b = w₀×D/c = 2p D/×l₀, где b = Dj₁ - y; Dj₁ – показания фазометра

Из формулы следует что, что измерение расстояния многозначно. Изменение фазы на полный цикл произойдёт при изменении дальности D_max = l₀. При дальнейшем увеличении расстояния показания фазометра  будут повторяться. Часть рабочей зоны РНД, в пределах которой разность фаз изменяется от 0 до 2p, называется фазовой дорожкой. По этому принципу работает ФРНС.

  Фазовый метод  с ответчика

В этом режиме непрерывный радиосигнал запросчика ретранслирует ответчик. Для разделения прямого и ответного сигнала бортовой запросчик и наземный ответчик работают на разных несущих частотах

Такому фазовому РНД с ответчиком также присущ недостаток многозначности измерения расстояния. Значительного уменьшения многозначности можно достичь измерением разности фаз на частотах модуляции по амплитуде несущей колебаний.

 

Частотный метод

Определение дальности в частотном РНД сводится к измерению приращения частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала до объекта и обратно

Если частота излучаемых колебаний со временем нарастает, например, по линейному закону со скоростью b = df (t)/ dt, то приращение частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала t = 2 D/ c равно D f(D) = b t= 2 b D/ c. Измерив разность частот можно вычислить дальность. Частотные РНД применяются в качестве радиовысотомеров малой дальности.

 

 

Фазовые угломерные системы

К ним относятся системы, в которых информация об угловом параметре содержится в фазе принимаемого сигнала. По характеру азимутального сигнала угломерные РНС делятся на системы с непрерывным и импульсным сигналами.

В угломерных РНС с непрерывным азимутальным сигналом радиомаяк (РМ) имеет в горизонтальной плоскости слабонаправленную диаграмму направленности (ДН), которая вращается с постоянной скоростью W_вр. Вращение антенны приводит к амплитудной модуляции принимаемого сигнала на самолёте. В бортовой аппаратуре определяется смещение фазы огибающей принятого сигнала с фазой опорного сигнала, в качестве которого выступает сигнал излучаемый ненаправленной антенной с частотой W_вр и фазой соответствующей нулевому азимуту точки приёма. Разность фаз определяет азимут самолёта. Фазовый метод измерения азимута при непрерывном характере азимутального сигнала применяется в системе VOR.

В угломерном канале системы TAСAN также используется фазовый метод. Принимаемый азимутальный сигнал в этой системе имеет импульсный характер, однако поскольку число излучаемых импульсов за период вращения антенны достаточно большое, то огибающая сигнала, образованная при вращении ДН, передаётся без искажений. Особенностью канала азимута этой системы является применение двухшкального метода измерения азимута. РМ формирует многолепестковую ДН в виде кардиоиды, на которую наложена периодическая функция угла q, имеющая девять периодов по 40° каждый. Диаграмма направленности вращается со скоростью 15об/с, что приводит к амплитудной модуляции принимаемых колебаний с частотами 15 и 135 Гц. Фаза 15 герцового сигнала определяет грубый азимут. Фаза 135 герцового сигнала уточняет азимут. Опорный сигнал передаётся с помощью группы импульсов, излучаемых каждый раз, когда основной максимум диаграммы направленности проходит через северное направление магнитного меридиана.

 

РИС. 10.2. Диаграмма направленности азимутальных радиомаяков

 

 

В угломерном канале системы TAKAN также используется фазовый метод. Принимаемый азимутальный сигнал в этой системе имеет импульсный характер, однако поскольку число излучаемых импульсов за период вращения антенны достаточно большое, то огибающая сигнала, образованная при вращении ДН, передаётся без искажений. Особенностью канала азимута этой системы является применение двухшкального метода измерения азимута. РМ формирует многолепестковую ДН в виде кардиоиды, на которую наложена периодическая функция угла q, имеющая девять периодов по 40° каждый. Диаграмма направленности вращается со скоростью 15об/с, что приводит к амплитудной модуляции принимаемых колебаний с частотами 15 и 135 Гц. Фаза 15 герцового сигнала определяет грубый азимут. Фаза 135 герцового сигнала уточняет азимут. Опорный сигнал передаётся с помощью группы импульсов, излучаемых каждый раз, когда основной максимум диаграммы направленности проходит через северное направление магнитного меридиана.

 

 

Курсовой радиомаяк I и II категории дециметрового диапазона волн (ПРМГ)

Зона действия в горизонтальной плоскости ограничивается секторами вправо и влево относительно линии заданного курса не менее 15°. Дальность действия в секторе 10° не менее 45 км. Коэффициент разнослышимости (КРС) линейно возрастает при угловом отклонении в горизонтальной плоскости от линии курса, где он равен нулю, до углов, где он равен 38%. Сектором курса (СК) называется выраженный в градусах сектор в горизонтальной плоскости, содержащий линию курса и ограниченный геометрическим местом точек, ближайших к линии курса, в которых коэффициент разнослышимости равен 33%.Номинальная ширина сектора составляет ±33% КРС (коэффициент разнослышимости).  В градусах это составляет переменную величину и зависит от длины ВПП. Настройка луча КРМ производится так, чтобы при отклонении на 105 м у входной кромки ВПП показания составили 33% КРС. При этом вертикальная планка на показывающих приборах должна отклониться на 2-ю точку. Отклонение линии курса от оси ВПП у начала ВПП для I категории – не более 10,5 м; для II категории – не более 7,5 м. На ширину сектора накладывается ограничение: он должен быть не менее 3° и  не более 6°.

При стандартной длине ВПП 2,5 км и выносе курсового маяка на 0,5 км ширина сектора составляет 4° (arctan(210/3000)). На ВПП ЛИИ курсовой радиомаяк ПРМГ не соответствует «Нормами годности… НГВА-92». Так при длине ВПП 5.4 км ширина сектора составляет такжете же 4°. Это сделано для того, чтобы обеспечить отработку бортовых посадочных средств самолётов, которые будут эксплуатироваться на стандартных аэродромах.

 

Рисунок 10.6

 

Глиссадный радиомаяк I и II категории дециметрового диапазона волн (ПРМГ)

 

При отклонении от линии глиссады вверх до 1.75q, где угол q - угол наклона глиссады коэффициент разнослышимости возрастает. При отклонении от глиссады вниз до 0.3q коэффициент разнослышимости убывает. Дальность действия в направлении захода на посадку не менее 18 км. Сектором глиссады (СГ) называется выраженный в градусах сектор в вертикальной плоскости, содержащий линию глиссады и ограниченный геометрическим местом точек, ближайших к линии глиссады, в которых коэффициент разнослышимости (КРС) = 33%. Полусектором глиссады (ПСГ) называется выраженный в градусах сектор в вертикальной плоскости, содержащий линию глиссады и ограниченный геометрическим местом точек, ближайших к линии глиссады, в которых коэффициент разнослышимости (КРС) = 16.5%. Граница ПСГ устанавливается относительно глиссады в градусах - 0.12 q;

 

 

Зона действия в вертикальной плоскости ограничивается углами относительно линии горизонта от 0,3q до 1,75q, где угол q - угол наклона глиссады. Дальность действия в направлении захода на посадку не менее 18 км. Сектором глиссады (СГ) называется выраженный в градусах сектор в вертикальной плоскости, содержащий линию глиссады и ограниченный геометрическим местом точек, ближайших к линии глиссады, в которых коэффициент разнослышимости (КРС) = 33%. Полусектором глиссады (ПСГ) называется выраженный в градусах сектор в вертикальной плоскости, содержащий линию глиссады и ограниченный геометрическим местом точек, ближайших к линии глиссады, в которых коэффициент разнослышимости (КРС) = 16.5%. Граница ПСГ устанавливается относительно глиссады в градусах:

- ниже глиссады: I категория - (0.07¸0.14) q;    II категория - (0.10¸0.14) q;

- выше глиссады: I категория - (0.07¸0.14) q;    II категория - (0.09¸0.14) q;

При отклонении на край сектора - ±33%КРС горизонтальная планка на показывающих приборах должна отклониться на 2-ю точку. При стандартном угле наклона глиссады равном 2°40¢ номинальное значение сектора курса охватывает диапазон ±40¢ относительно глиссады. Отклонение средней линии глиссады от установленного положения не должно превышать 0,075q. Для ГРМ I категории допуск на искривление линии глиссады не должен превышать величины, соответствующей 6,6% КРС. Для ГРМ II категории – на дальности более 7 км допуск составляет 6,6%, от 7 до 1 км – линейно уменьшается от 6,6% до 4,4%, на дальности менее 1 км допуск составляет 4,4%.

Ретранслятор дальномер

Зона действия: по дальности не менее 50 км. В горизонтальной плоскости ±15° от оси ВПП. В вертикальной плоскости – от 0,85° до 7° относительно горизонтальной плоскости. Погрешность с учетом наземной и ботовой аппаратуры не более 250 м.

 

Перспективы развития ГНСС

Развитие Системы Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) происходит в двух направлениях. Улучшение непосредственно ГНСС и развитие функциональных дополнений, включающих дифференциальные подсистемы. В части непосредственно ГНСС ожидаются следующие изменения.

Министерство обороны США начало модернизацию системы GPS. В 2005 г. начался вывод на орбиту спутников серии Block IIR-M, способных передавать сигнал L2C – этот момент считается началом модернизации системы. Изначально сигналы на частоте L2 предназначались только для военных, а гражданские пользователи могли использовать только C/A-код на частоте L1. Теперь с сигналом L2C при использовании двухчастотных приемников – измерения в реальном времени можно выполнять куда точнее, чем раньше.

Модернизация системы, ориентированной на оборонные задачи сводится к вводу новых военных кодов, называемых в совокупности M-кодом, которые используют те же области спектра радиосигнала, которые частично используются на частотах L1 и L2.

Новый военный сигнал и структура кода дополнены криптографической защитой и изменениями в формате сообщений передаваемых данных. Спутники нового поколения способны передавать при необходимости M-кодированные сигналы в требуемом регионе с мощностью существенно  больше, чем у существующего P(Y)-кода. Все эти улучшения позволяют военным силам США и их союзникам значительно усилить помехозащищенность и расширить возможности защиты сигнала при проведении военных операций во всем мире. Выдача M-кодированных сигналов началась на спутниках, начиная с серии BlochIIR-M.

Во время процесса подбора гражданского сигнала стало очевидно, что простое добавление C/A-кода на частоте L2 не будет достаточным для использования системы GPS в приложениях, связанных с обеспечением безопасности полетов гражданской авиации, поскольку существует потенциальная опасность внесения помех наземными радарами, работающими на частотах расположенных рядом с частотой L2. Применение частоты L2 (необходимой для обеспечения безопасности полетов) в международном диапазоне ARNS требует изменения частот многих наземных устройств. Как наилучший вариант для гражданской авиации был предложен новый широкополосный GPS сигнал в другой полосе частот. Размещение сигнала Радионавигационного спутникового сервиса космос - земля (RNSS - Radio Navigation Satellite Service) утверждено в мае 2000 года на Международной радио-конференция (World Radio Conference), которая утвердила расположение RNSS в частотном диапазоне от 1164 до 1215 МГц. Третий гражданский сигнал в этом диапазоне в системе GPS имеет название L5, в системе ГЛОНАСС – L3, в системе GALILEO в этом диапазоне размещаются сигналы – E5a, E5b.

Средства передачи третьего гражданского сигнала L5 на частоте 1176.45 Мгц установлены на спутниках серии Block IIF, вывод которых начат с 2009 г. Спутники на частоте L5 излучают сигнал большей мощности, чем сигналы на частотах L2 и L1. Частота L5 широкополосная, с уменьшенной радиочастотной интерференцией и сниженными ионосферными задержками. Полностью обновление системы (транслирование сигнала L5 всеми спутниками созвездия) планируется к 2015 г.

В дальнейшем планируется создать группировку спутников, серии Block III. Запуск первого спутника Block III запланирован на 2013 год. Спутники Block III будут находиться в трёх орбитальных плоскостях (Block II – в шести плоскостях), а существующий C/A-код будет заменён новым кодом, названным L1C.

Ведется работа по вводу европейской навигационной системы GALILEO, которая является еще одной ГНСС. GALILEO – это многоцелевая система в ней предусматриваются 10 навигационных сигналов в диапазонах частот 1164-1215Мгц (диапазон Е5а, Е5b), 1260-1300 Мгц (диапазон Е6), 1556-1592 Мгц (диапазон E2-L1-E1) с    кодовым разделением каналов. GALILEO призвана повысить точность позиционирования по сравнению с современными возможностями GPS/ГЛОНАСС. GALILEO должна стать независимой навигационной основой для стран Европы (на случай возникновения международных конфликтов).

GALILEO имеет 4 канала доступа:

- открытый;

- коммерческий;

- доступ правоохранительных и военных ведомств, этот канал имеет высокий уровень стабильности и защищён от подавления;

- доступ для лиц с повышенным риском для жизни (авиация, морской и железнодорожный транспорт), этот канал имеет высокий уровень информации о целостности системы, он базируется на сигналах Е5, E2-L1-E1

Текущий план предполагает ввод в эксплуатацию системы GALILEO к 2014 г. В систему GALILEO войдет созвездие из 30 спутников (27 основных и 3 резервных), а также сеть наземных станций. Спутники GALILEO будут перемещаться по орбитам, чья высота несколько больше, чем высота орбит спутников GPS, однако принцип определения координат точек местности остается тем же.

В ближайшем будущем планируется создание системы COMPASS – китайской альтернативы GPS. Система будет состоять из 30 спутников на средневысоких орбитах. COMPASS проектировалась таким образом, чтобы удовлетворить потребности всех пользователей, оснащенных компактными приемниками (сами приемники находятся в стадии разработки).

Гуппировку ГЛОНАСС планируется довести до 24 КА  и состоять она будет из модернизированных спутников "Глонасс-М". Гарантированный срок эксплуатации спутников "Глонасс-М" увеличен с 3 до 7 лет. Добавлен открытый сигнал на частоте L2. Это позволяет гражданскому потребителю использовать два сигнала на частоте L1 и L2. Использование двух частот в разных диапазонах позволяет исключить помехи от неоднородностей ионосферы Земли. Уже с 2007 г. за счет ввода в строй спутников "Глонасс-М" и проведения 1-й фазы модернизации наземного сегмента точность существенно улучшена. Во 2-ой фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к 2011 году увеличивается точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов.

С 2011 года начались испытания спутников серии "Глонасс-К" первого этапа, которые дополнительно излучают открытый сигнал L3 с кодовым разделением. В отличие от предшественника, "Глонасс-К" строится по новой негерметичной конструктивной схеме. На нем будет размещена дополнительная аппаратура, в том числе аппаратура спасения терпящих бедствие людей КОСПАС. Вес спутников серии "Глонасс-К" снижен до 950 кг (вес "Глонасс-М" составляет 1415 кг.). Гарантированный срок эксплуатации спутников серии "Глонасс-К" составляет 10 лет.

После 2013 года предполагается использовать спутники "Глонасс-К" второго этапа, в которых в дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появятся два шифрованных сигнала в диапазонах частот L1, L2 и открытый сигнал в диапазоне L1. Все сигналы с кодовым разделением.

 Для спутников серии "Глонасс-К" второго этапа РИРВ разрабатывает новое бортовое синхронизирующее устройство на базе перспективных стандартов частоты. Это позволит снизить погрешности частотно-временных параметров с 6 до 1 нс, что даст уменьшение погрешности в измерении дальности. Ведется разработка аппаратуры для межспутниковых измерений, которая будет измерять псевдодальности и скорости относительного движения пар спутников. Внедрение этой аппаратуры позволит осуществлять независимое сравнение шкал времени спутников. Кроме этого такая аппаратура позволит обеспечить целостность навигационного сигнала, о которой сигнализирует признак достоверности. Сейчас он выставляется с наземной станции и может пройти несколько часов от формирования недостоверного сигнала до снятия достоверности. С вводом аппаратуры для межспутниковых измерений интервал может сократиться до 6 с.

В перспективе, создание спутника "Глонасс-КМ", на котором планируется добавить еще несколько сигналов с кодовым разделением. В частности открытые сигналы в диапазоне частот L1C, L2 и L5, а также шифрованный сигнал в диапазоне L3.

Проводятся и организационные мероприятия. С 1 января 2007 года сняты ограничения на получение и использование геопространственной информации от ГЛОНАСС. Распоряжением Правительства РФ от 20 июня 2007 года в целях повышения тактико-технических характеристик системы ГЛОНАСС, принята к использованию уточненная версия государственной геодезической системы “Параметры Земли 1990 года” (ПЗ-90.02). Система координат ПЗ-90.02 максимально приближена к международной системе координат ITRF2000  и их  оси параллельны.

В поддержку российской системы спутниковой навигации ГЛОНАСС Правительство РФ выпустило постановление, обязывающее с 1 января 2006 года оснащать пассажирский, морской и воздушный транспорт аппаратурой ГЛОНАСС или ГЛОНАСС / GPS, а также использовать терминалы этих систем при проведении геодезических и кадастровых работ. Воздушные суда, имеющие в своем составе аппаратуру GPS должны перейти на ГЛОНАСС или же ГЛОНАСС / GPS к 1 января 2009 г., а морские и речные суда на год раньше.

РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Скорость распространения радиоволн в однородной и изотропной среде с показателем преломления n равна V = C/n, где C- скорость света в вакууме. Постоянная скорость распространения радиоволн делает возможным определять расстояние по интервалу времени, которое проходила радиоволна.

Кривизна поверхности Земли приводит к тому, что для радиотехнических систем существуют, так называемая, дальность прямой видимости – D_пв. Ограничение дальность действия величиной D_пв особенно проявляется для коротковолновых систем, поскольку в этом диапазоне дифракционные явления (затекания радиоволн в область тени) малы.

Определим дальность D_пв

 

Рисунок 10.1

Пусть одна точка интереса находится на высоте h, а другая на высоте H. Тогда

,

где R- радиус Земли.

В этой формуле высота в метрах, а дальность в километрах.

В тропосфере (нижнем слое атмосферы) из-за изменения температуры и влажности показатель преломления изменяется с высотой, что в свою очередь вызывает эффект рефракции – отклонение распространения радиоволн от прямолинейного.

С учётом рефракции при стандартной атмосфере дальность прямой видимости записывается в виде

.

В ионосфере (верхняя часть атмосферы) коэффициент преломления n зависит от концентрации свободных электронов и частоты радиоволн. Поэтому в ионосфере радиоволны могут проходить сквозь ионосферу и могут отражаться.

 

Дальномерные устройства и системы радионавигации

 

При измерении дальности необходимо определить задержку между излучаемым и принимаемым сигналом, который пропорционален дальности. Для нахождения D(t) от объекта до радионавигационной точки предназначены радиодальномеры (РНД). По принципу действия РНД делятся на автономные и неавтономные. Неавтономные РНД в свою очередь делятся на  РНД с ответчиком и РНД без ответчика.

В свою очередь все дальномеры делятся на временные, фазовые и частотные.

Временной метод

Автономный временной (импульсный) метод без ответчика представляет собой метод непосредственного измерения дальности по времени запаздывания отраженного сигнала D(t) = c×td/2. По такому принципу работают  радиовысотомеры больших высот.

При неавтономном временном методе без ответчика дальность определяется по запаздыванию принятого сигнала относительно эталонного времени. На таком принципе работает приемник СНС.

В РНД с ответчиком имеются два канала связи: запроса и ответа. На борту измеряется суммарное время распространения сигнала от запросчика к ответчику и обратно. Дальность определяется по формуле D(t) = c(td/2-tз). Такой принцип используется в системах РСБН, DME, TAСAN.

 

Фазовый метод без ответчика

На входе устройства измерения дальности принятый сигнал имеет вид

u(t) = U1×sin(w₀t- w₀×D/c +j_доп)

Сигнал опорного бортового генератора имеет вид

U₀(t) = U2×sin(w₀t +j_г)

Где  j_г – разность фаз между опорными генераторами

Бортовой фазометр измеряет разность фаз 

Dj = w₀×D/c + j_г - j_доп = w₀×D/c + y, где y = j_г - j_доп;

Фазометр измеряет разность фаз лишь в пределах одного фазового цикла, а величина Dj может включать в себя и неизвестное число полных фазовых циклов, т.е разность фаз содержит некоторое неизвестное число полных циклов n и дробную часть Dj₁

Dj = 2p n + Dj₁ = w₀×D/c + y

Тогда уравнение для определения дальности с помощью фазового РНД без ответчика имеет вид

2p n + b = w₀×D/c = 2p D/×l₀, где b = Dj₁ - y; Dj₁ – показания фазометра

Из формулы следует что, что измерение расстояния многозначно. Изменение фазы на полный цикл произойдёт при изменении дальности D_max = l₀. При дальнейшем увеличении расстояния показания фазометра  будут повторяться. Часть рабочей зоны РНД, в пределах которой разность фаз изменяется от 0 до 2p, называется фазовой дорожкой. По этому принципу работает ФРНС.

  Фазовый метод  с ответчика

В этом режиме непрерывный радиосигнал запросчика ретранслирует ответчик. Для разделения прямого и ответного сигнала бортовой запросчик и наземный ответчик работают на разных несущих частотах

Такому фазовому РНД с ответчиком также присущ недостаток многозначности измерения расстояния. Значительного уменьшения многозначности можно достичь измерением разности фаз на частотах модуляции по амплитуде несущей колебаний.

 

Частотный метод

Определение дальности в частотном РНД сводится к измерению приращения частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала до объекта и обратно

Если частота излучаемых колебаний со временем нарастает, например, по линейному закону со скоростью b = df (t)/ dt, то приращение частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала t = 2 D/ c равно D f(D) = b t= 2 b D/ c. Измерив разность частот можно вычислить дальность. Частотные РНД применяются в качестве радиовысотомеров малой дальности.

 

 

Радиотехнические системы дальней навигации

В США с 1957 г по заказу ВМС США совместно с Береговой охраной (БО) США и при участии стран-партнеров разрабатывалась фазовая радионавигационная система (ФРНС) " “О mega " ”. Система состояла из 8 передающих станций. Станции расположены в США (две), Японии, Австралии, Норвегии, на острове Реюньон (Франция), в Либерии и Аргентине (по одной).

Отечественная фазовая радионавигационная система " “Альфа " ” (ФРНС) разработана в 60-х гг. по заказу Минобороны СССР. Система состояла из 5 передающих станций и обеспечивала почти глобальную рабочую зону (70% поверхности Земли). Станции ФРНС "“Альфа"” были расположены в районах городов Новосибирск (ведущая), Краснодар, Комсомольск-на-Амуре, Мурманск, Чарджоу.

Рабочая зона ФРНС была практически глобальная, но точность, обеспечиваемая системой, не удовлетворяет требованиям основной массы современных потребителей. В связи с этим ФРНС потеряла своё значение. В настоящее время "“Омега"” законсервирована. ФРНС "“Альфа"” прошла модернизацию и пока используется в составе четырёх станций, в дальнейшем после чего будет решаться вопрос о целесообразности её дальнейшего использования. Уникальность этой системы состоит в том, что сигналы наземных станций могут приниматься под водой и подо льдом. Кроме того, многолетние наблюдения позволили заметить зависимость изменения амплитуды и фазы сигнала ФРНС от предстоящих землетрясений. Что позволяет использовать её для краткосрочных предсказаний землетрясений.

Принцип работы ФРНС основан на определении разности фаз принимаемых сигналов от ведущей (А) и одной из ведомых станций, обозначаемых буквами B, C, D, E, F,G, H. Каждому измеренному значению разности фаз Dj_АВ соответствует определённая разность расстояний. Как известно геометрическим местом равных разностей расстояний является гипербола. Фокусом гиперболы является одна из станций пары. По двум парам станций определяют две гиперболы, пересечение которых определяет координаты приёмника.

Фазометр измеряет разность фаз лишь в пределах одного фазового цикла, а величина Dj может включать в себя и неизвестное число полных фазовых циклов, т.е. разность фаз содержит некоторое неизвестное число полных циклов n и дробную часть Dj₁

Dj_АВ = 2p n + Dj₁ = w₀×DD/c + y = 2p×DD/l₀ + y

Из формулы следует что, измерение разности расстояний многозначно. Изменение фазы на полный цикл произойдёт при изменении дальности DD = l₀. При дальнейшем увеличении расстояния показания фазометра  будут повторяться. Часть рабочей зоны РНС, в пределах которой разность фаз изменяется от 0 до 2p, называется фазовой дорожкой. Для устранения многозначности используют несколько несущих частот с разными фазовыми дорожками.   

В 1950-1956 гг. в США по заказу МО США первоначально для навигационного обеспечения ВМС была разработана импульсно-фазовая радионавигационная система (ИФРНС) " “ Loran- C " ”.  

В СССР аналогичная система " “Чайка " ” по заказу ВВС СССР была разработана в 1958 г. Система используется для радионавигационного обеспечения воздушных, морских и наземных потребителей военного и гражданского применения. В состав наземного оборудования системы входят обычно три и более передающие станции. Одна из станций - ведущая, другие – ведомые.

Ведущая и ведомые станции импульсно-фазовых РНС излучают периодические импульсные когерентные сигналы. Синхронизация сигналов ведомых станций, как по моментам излучения, так и по фазе их высокочастотного заполнения осуществляется по сигналам ведущей станции. Сигналы ведомых станций излучаются в определённой очерёдности. Бортовой приёмник измеряет разность между временем прибытия сигналов от ведущей станции и одной из ведомых и уточняет по разности фаз высокочастотного заполнения. Геометрическое место точек постоянной разности времени – гипербола. Вторая гипербола получается при измерении разности между временем прибытия сигналов от ведущей станции и второй ведомой. Пересечение гипербол укажет место потребителя в данное время.

После развертывания космической РНС GPS у многих стран снизилась заинтересованность в продолжениие эксплуатации системы. Однако в Европе такие страны как Великобритания, Франция, Норвегия выражают намерения эксплуатировать систему минимум до 2015 г. В 2008г в США принято решение о замене системы на усиленный Лоран – eLORAN.

В настоящее время в мире эксплуатируются более 26 цепей ИФРНС "Чайка" и "Loran-C", каждая из которых содержит от 3 до 5 станций..  

В Российской федерации эксплуатируется три системы ИФРНС:

Европейская (Тропик-2Е) - Карачев (в р-не Брянска), Петрозаводск, Слоним (Беларусь), Симферополь,  , Сызрань.

Северная (Тропик-2С) - Дудинка, Таймыр, о. Панкратьева, Инта

Дальневосточная (Тропик-2В) – Александровск-Сахалинский, Петропавловск-Камчатский, Уссурийск, Охотск.

С 1995 по 2010 г в опытной эксплуатации функционировала Российско-Амери-канская цепь - Петропавловск-Камчатский, Атту (США), Александровск-Сахалинский.

Следует отметить, что кроме стационарного варианта ИФРНС "“Чайка"” был разработан и серийно выпускался маломощный подвижный вариант этой системы – Тропик-2П. В настоящее время эти станции размещены в нескольких регионах.

С 2003 г. проводится модернизация отечественных наземных станций, что позволяет расширить сферу применения системы и улучшить точностные характеристики. Согласно Российскому радионавигационному плану системы Тропик-2П предполагается заменить системой «Скорпион».

Живучесть ИФРНС объясняется следующими достоинствами

· сравнительно низкая цена аппаратуры потребителей;

• низкие эксплуатационные расходы станции;
• региональное управление системой;
• эффективная интеграция с космическими РНС за счет передачи дифференциальных поправок;
• лучшая, по сравнению со спутниковыми навигационными системами (СНС), доступность сигналов в сложных условиях пересеченной местности, городских застроек и промышленных инфраструктур;
• возможность передачи по радионавигационному каналу сигналов точного времени и оперативной информации.

В Российской федерации в рамках построения единой системы координатно-временного и навигационного обеспечения (ЕС КВНО) планируется привязать моменты излучения сигналов станций ИФРНС и станций ФРНС (Альфа-Д) к системной шкале времени. Это позволит определять координаты не по разности дальностей до пары станций, а непосредственно по дальностям.  В период до 2020 года планируется придать ИФРНС "Чайка" функцию второй базовой компоненты координатно-временного обеспечения за счёт реализации в ней технологии «e-Loran» и развёртывания новых цепей станций.

 К 2020  году сигналами ИФРНС планируется охватить 90% территории России с полномасштабной передачей дифпоправок к ГНСС и ИФРНС. При этом планируется обеспечить точность (s) не менее 20 м., доступность не менее 0.9995, погрешность времени (2s) не более 50 нс.

Планируется внедрение интегрированной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам ГВ связи с тем, что СНСС и ИФРНС, позволяющей повысить надёжность навигационно-временного обеспечения в условиях затруднённого приёма сигналов СНС и воздействия помех. определяют координаты на разных принципах, ИФРНС может стать удобным дополнением к системе СНС.