01. Основные понятия и определения

1.Введение1.1 Основные понятия и определенияТермин «Навигация» (от лат. Navigo – «плыву на судне»), появившийся врусском языке в петровскую эпоху, первоначально относился к морскому судовождению. В настоящее время этот термин охватывает широкий круг видов деятельности человека, связанных с определением текущего местоположения различных подвижных объектов с целью обеспечения их движения по заданнымтраекториям или контроля этих траекторий. Родственной навигации, как сточки зрения решаемых задач, так и с точки зрения используемых средств, является проблема определения положения на местности неподвижных объектов(«топогеодезическая привязка»).Источниками информации при решении навигационных задач могут бытьразличные факторы и явления естественного и искусственного происхождения:астрономические данные, параметры и законы изменения магнитного, гравитационного и электромагнитного полей, инерциальные явления в движущихся массахи т.п.Системы, не использующие для решения навигационных задач искусственные поля и данные, созданные внешними (не бортовыми) источниками, относятся к классу автономных, в противном случае система называется неавтономной.Радионавигационными называют методы, в которых для решения задачиместоопределения (позиционирования)используются радиосигналы внешнегоискусственного источника с известными координатами.

Радионавигационнойсистемой (РНС) называют совокупность радиоустройств, а также вспомогательных технических средств, расположенных на объекте и вне его, предназначенных для решения задач навигации [ 2].В соответствии с приведенной выше классификацией, радионавигационные системы относятся к классу неавтономных. (Типичным примером автономных систем могут служить системы инерциальной навигации.)В зависимости от того, позволяет или нет, данный метод навигации однозначно определить местоположение (позицию) объекта без привлечения данныхо его предыдущих положениях, различают методы позиционной и непозицион-ной навигации.

В настоящее время наибольшее распространение получили позиционные РНС, автономные системы, как правило, являются непозиционными.Перспективным направлением современной навигационной техники являетсякомплексирование автономных и неавтономных систем, что позволяет реализовать достоинства и в значительной степени скомпенсировать недостаткикаж-дой из них (подробнее см.

ниже).Для дальнейшего изложения нам необходимо ввести ряд терминов, которые являются базовыми для навигации, в том числе – радионавигации, и будутпостоянно использоваться в нашем курсе.Основным содержанием задачи навигационно-временных определений(НВО) в радионавигации является определение вектора состояния потребителя(объекта). В качестве компонент этого вектора обычно рассматривают пространственные координаты x , y , z потребителя, временная поправка п шкалы временипотребителя, относительно системной шкалы, а также составляющие вектораскоростиx , y , z .Существенно, что перечисленные величины не могут бытьнепосредственно измерены радиотехническими методами. Поэтому в РНС реализован косвенный метод: измеряются некоторые параметры принятого радиосигнала – амплитуда сигнала А, время его прихода t , фаза  или разность фаз  ,доплеровский сдвиг частоты Fд.

Измеренным параметрам радиосигнала сопоставляются функционально связанные с ними величины, характеризующие положение потребителя относительно источников навигационных сигналов («опорных радионавигационных точек», ОРНТ): углывизирования ОРНТ, дально-сти R . или разности дальностей R до нескольких ОРНТ , радиальные или угловые скорости перемещения потребителя относительно ОРНТ и т.п., по которым и рассчитываются искомые компоненты вектора состояния.Измеряемые в интересах решения навигационной задачи параметры радиосигнала получили название радионавигационных параметров (РНП), а сопоставляемые им параметры вектора состояния потребителя – навигационных параметров (НП).

Соответствующие функциональные зависимости между ними получилиназвание навигационных функций. В общем случае вид навигационных функцийопределяется многими факторами: видом НП, параметрами движения ОРНТ ипотребителя, выбранной системой координат и т. д.Очевидно, что вектор состояния потребителя может быть полностью определен, если его мерность не превышает числа независимых измерений РНП.Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением навигационного параметра называют поверхностью положения.

Пересечение двухповерхностей положения определяет линию положения, т.е. геометрическое место точек, соответствующих двум значениям двух навигационных параметров.Местоположение потребителя определяется координатами точки пересечениятрех поверхностей положения или двух линий положения. Если, из-за неоднозначности измерений, линии положения пересекаются более чем в одной точке,то необходимо использовать дополнительную поверхность положения или априорную информацию, позволяющую отселектировать истинное положение отложных.1.2 Принципы радионавигационных измерений1.2.1 Угломерные методыФундаментальными свойствами радиоволн, лежащими в основе всех радионавигационных (а также и радиолокационных) измерений является прямолинейность и постоянство скорости их распространения в свободном пространстве.Принципиальная возможность использования радиосигналов для целейнавигации стала очевидной практически одновременно с первыми удачнымиопытами А.С.

Попова по радиосвязи, поскольку в ходе этих опытов была установлена возможность определения направления прихода радиоволн. Поэтомупервые нашедшие практическое применение радионавигационные системы использовали угломерные методы местоопределения, в основе которых лежитсвойство направленного излучения и приема сигналов с помощью соответствующих антенн. Различают два варианта реализации угломерных методов: радиопеленгаторный и радиомаячный.В радиопеленгаторной системе антенна приемника (пеленгатора, П) передатчик является направленной, а передатчик (радиомаяк, РМ) имеет нена-правленную антенну (рис.1). В простейшем случаепеленгация может осу-ществляться по максимуму сигнала, принятого рамочной или дипольной антенной, однако в настоящее время чаще используются многоэлементные или сканирующие антенны, позволявшие реализовать более точный метод равносигнальнойзоны.Рис.1Если для простоты предположить, что П и РМ расположены в однойплоскости, то направление на РМ характеризуется пеленгом  .

Если пеленг отсчитывается от географического меридиана, (направления север-юг), то угол называют азимутом или истинным пеленгом. (Следует иметь ввиду, что иногда азимутом называют угол, отсчитанный в горизонтальной плоскости от любого направления, принятого за нулевое). Очевидно, что линией положения в данном случае будет луч, совпадающий с электрической осью диаграммы направленности антенны П и образующий угол  с линией нулевого отсчета. На практике, при расположении П и РМ на земной поверхности, линией положения будет ортодромия – дуга большого круга, проходящего через точки их расположения. В трехмерном пространстве поверхность положения - это плоскость, содержащая линию положения и перпендикулярная к поверхности Земли.Рис2В радиомаячных системах (см.

рис. 2) направленной является антенна РМ, потребитель использует ненаправленную антенну. В этом случае П измеряет обратный пеленг  0 относительно нулевого направления, проходящегочерез точку нахождения РМ Обычно антенна РМ вращается (сканирует) с постоянной скоростью, известной П. В момент совпадения оси ДНА с нулевым(например – северным) направлением дополнительная ненаправленная антеннаРМ излучает специальный короткий «нулевой» сигнал, принимаемый П и определяющий начало отсчета углов. Фиксируя момент совпадения оси ДНА РМ снаправлением на П ( например – по максимуму амплитуды принимаемого сигнала), можно вычислить обратный пеленг, который пропорционален интервалувремени между временем приема нулевого и максимального сигналов.Очевидно, что для определения координат потребителя на плоскости какрадиопеленгаторным, так радиомаячным способом, необходимо определить пеленги двух РМ, причем соединяющая их прямая не должна проходить через П (смрис 3.).

Трехмерное местоопределение возможно только за счет привлечения дополнительных источников информации, например - барометрического или радио- высотомера.Рис.3Радиопеленгаторные и радиомаячные системы получили широкое применение для судовождения, а затем и в аэронавигации. В настоящее время в миреиспользуется десятки тысяч судовых и аэронавигационных радиомаяков, в томчисле с активным ответом, позволяющих определить не только направление намаяк, но и дальность до него.1.2.2 Дальномерные методыОграничения, присущие радиомаячным системам, использующим амплитудные методы пеленгации, обусловлены тем обстоятельством, что погрешностьместоопределения в них быстро возрастает с увеличением расстояния до источника сигнала.

Действительно, даже при допущении, что угловая погрешность пеленгации источника не зависит от дальности до него, соответствующая линейнаяпогрешность возрастает пропорционально расстоянию (см. рис 4). На практикеугловая погрешность также возрастает вследствие уменьшения мощности сигнала, которая падает пропорционально квадрату дальности. В итоге при расстояниях порядка сотен километров и более точность амплитудной пеленгации оказывается неприемлемо низкой.Рис 1.4Поэтому в 30-е годы ХХ в.

были начаты разработки РНС, использующихболее совершенные методы навигационных определений, основанные на измерении времени прихода (задержки) сигналов, принятых потребителем от нескольких источников (ОРНТ), т.е., в конечном счете, - дальности до них. Интересноотметить, что первые дальномерные РНС, также как первые РЛС, использовалинепрерывные сигналы ифазовые (радиоинтерферометрические) методы изме-рений и лишь затем появились импульсные дальномеры, получившие затемнаибольшее распространение.Большой вклад в развитие дальномерных РНС и РЛС внесли советскиеученые Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси и Е.Я.