Физические основы радионавигационных измерений и методы определения местоположения (1014638)

1.1 Физические основы радионавигационных измерений

Информативный параметр сигнала. Информация о геометрических элементах W, характеризующих положение объекта, закодирована в параметрах принимаемого РНС сигнала, представляющего собой электромагнитное поле. Параметр радиосигнала, в котором содержится информация о W, называется информативным и обозначается в дальнейшем буквой ν. Функционально параметры W и ν связаны соотношением

, (1.1)

где – масштабный коэффициент, имеющий размерность единицы W, деленной на единицу ν. Информативным параметром может быть как время прихода, частота, начальная фаза или амплитуда сигнала, так и направление прихода сигнала (два угла в пространстве) и параметры поляризации поля.

В ряде практически важных ситуаций амплитуда (или мощность) принимаемого сигнала мала, а сам сигнал имеет случайный характер. Малая мощность сигнала объясняется большим расстоянием до объекта и поглощением энергии сигнала при его распространении. Случайный характер сигнала – следствие случайных изменений амплитуды сигнала при распространении; флуктуаций сигнала при отражении от мешающих объектов; многолучевого распространения радиоволн и других подобных факторов. В результате принимаемый сигнал по характеру и интенсивности становится подобным шумам и помехам в приемном тракте. Поэтому первой задачей большинства РНУ является обнаружение полезного радиосигнала, т.е. вынесение решения о присутствии сигнала в поступающей на вход приемного тракта смеси полезного сигнала с помехами. Эта статистическая задача решается входящим в РНУ обнаружителем – специальным устройством, которое использует один из алгоритмов, основанных на оптимальном или квазиоптимальном критерии обнаружения. Качество процесса обнаружения характеризуют вероятностью правильного обнаружения D, т.е. вероятностью действительного обнаружения полезного сигнала, и вероятностью ложной тревоги F, когда за полезный сигнал принимается помеха, а сам сигнал отсутствует. Обнаружитель тем лучше, чем больше D и меньше F. Вопросы обнаружения сигналов детально рассматриваются в курсе “Радиолокационные системы”.

Большинство параметров принимаемого сигнала априори неизвестны. Поэтому при обнаружении приходится осуществлять поиск характерного информативного параметра радиосигнала,

отличающего его от сопутствующих шумов и помех. При этом приходится либо поочередно просматривать все значения этого параметра, либо одновременно наблюдать все эти значения. Устройства поиска, основанные на первом методе (устройства последовательного поиска), более просты в реализации, но требуют затрат времени на анализ всех возможных значений параметра. Устройства, основанные на втором методе (устройства параллельного поиска), способны обнаруживать сигнал за существенно меньшее время, но зато оказываются более сложными.

Следует отметить, что при поиске обнаружение сигнала по информативному параметру эквивалентно грубой оценке этого параметра и элемента W. Эта информация используется при последующем точном измерении W.

Принцип определения элементов W в РНС. Определение элемента W основано на свойствах электромагнитных колебаний (радиоволн) распространяться в однородной (изотропной) среде прямолинейно и с постоянной скоростью.

Реальная среда не является однородной и обладает определенным коэффициентом преломления n. В такой среде скорость распространения радиоволн , где с–скорость радиоволн в вакууме (скорость света), равная 299796456,2±1,1м/с. Неоднородность среды, в которой распространяются радиоволны, приводит к тому, что скорость их распространения в реальных условиях не остается постоянной, а траектория радиоволн не совпадает с кратчайшим расстоянием между точками излучения и приема колебаний. Поэтому в точных РНУ необходим учет влияния среды распространения на точность определения элемента W. В приближенных расчетах влиянием n часто пренебрегают и считают v=c=const, а с=3 10⁸м/с.

Дальность в РНС и РНУ измеряют по времени запаздывания принятого сигнала относительно известного времени излучения сигнала. Например, в РНУ, основанных на радиолокационных принципах, время запаздывания отраженного сигнала относительно излучаемого (зондирующего) равно t_R=2R/c, а в РНУ, использующих радионавигационные принципы t_R=R/c, где R–дальность до отражающего объекта, а с–скорость распространения радиоволн.

Скорость объекта обычно определяют по доплеровскому сдвигу частоты сигнала F_Д. В радиолокационных измерителях радиальной скорости, например, доплеровский сдвиг частотыF_Д связан с радиальной скоростью движения объекта V_rсоотношением

F_Д=(2V_r/c)f₀=2V_r/, где f₀несущая частота, а –длина волны излучаемого сигнала.

Угловые координаты можно измерять, используя специальные антенные системы, которые либо формируют электромагнитное поле с параметрами, зависящими от направления излучения, либо позволяют определять направление прихода радиоволны. Простейшим примером является использование направленных свойств антенны РНУ, когда угловое положение объекта определяется с помощью антенны с узкой диаграммой направленности (ДНА) по углу поворота антенны (или ее ДНА), соответствующему максимальному значению амплитуды принятого от объекта сигнала.

Одной из основных задач РНУ является разрешение сигналов, т.е. способность РНУ обнаруживать и раздельно измерять информативные параметры сигналов, соответствующих объектам, незначительно отличающимся по дальности, угловым координатам или скорости, т.е. отличающимся малыми приращениями навигационных элементов W. Способность РНУ различать такие сигналы определяется типом используемого сигнала, шириной ДНА, а также способом обработки сигнала.

В некоторых РНС по принятому сигналу требуется решить задачу опознавания объекта. Для этого обычно используют кодирование сигнала, излучаемого объектом.

1.2 Методы определения местоположения в РНС

Различают следующие три метода определения местоположения объекта: счисление пути, позиционный и обзорно-сравнительный. Рассмотрим кратко сущность этих методов применительно к наиболее сложной задаче – определению местоположения ЛА.

Метод счисления пути. Этот метод основан на интегрировании по времени измеренного вектора скорости ЛА относительно поверхности Земли (рис. 1.2,а).

а) б)

Рис.1.2 Составляющие вектора скорости ЛА (а) и функциональная схема системы счисления пути (б)

В качестве датчика системы счисления применяют доплеровский измеритель скорости ДИС (рис. 1.2,б), что и определяет название такой системы – доплеровская навигационная система. (Информация о скорости ЛА может быть получена также от инерциальной навигационной системы.) С помощью ДИС обычно измеряют модуль вектора скорости V_r в горизонтальном полете (путевая скорость), представляющий собой сумму векторов воздушной скорости V_воз и скорости ветра V_вт, и угол сноса _с, т.е. угол между продольной осью ЛА и направлением вектора V_r.

Вычислительное устройство определяет продольную и поперечную составляющие вектора и рассчитывает текущее местоположение ЛА. Доплеровский измеритель определяет направление вектора относительно продольной оси ЛА. Для нахождения направления полета по отношению к поверхности Земли необходимо знать курс ЛА ψ, информация о котором поступает от курсовой системы КС.

При известном курсе ЛА могут быть получены составляющие скорости и , интегрирование которых дает составляющие пройденного пути и .

Для определения текущих координат ЛА в систему вводят координаты и начального пункта маршрута НПМ, с момента пролета которого начинается счисление пути.

Доплеровская навигационная система не нуждается в наземных станциях. Главной ее особенностью является ухудшение точности определения местоположения со временем, что объясняется интегрированием погрешностей ДИС. Погрешность определения местоположения в системах счисления составляет 1,5% от пройденного пути для доплеровской навигационной системы.

Позиционный метод. Он основан на использовании поверхностей или линий положения для определения местоположения объекта. Поверхность положения представляет собой геометрическое место точек в пространстве, соответствующих одному значению W, т.е. одному значению дальности, угла и т.п. Местоположение объекта находится как точка пересечения трех поверхностей положения (ПП). В местной системе координат (рис.1.3,а) в предположении, что объект расположен в точке М такими поверхностями положения обычно являются ПП₁ (W₁=R=const), ПП₂(W₂=α=const) и ПП₃ (W₃=Н=const).

а) b)

Рис. 1.3 Поверхности (а) и линии (б) положения при определении местоположения объекта позиционным методом

Поверхность ПП₁ – сфера с радиусом R, ПП₂ – вертикальная плоскость, составляющая с плоскостью северного меридиана ПСМ угол α, а ПП₃ – горизонтальная плоскость, находящаяся на высоте Н от плоскости XOZ.

Задача определения положения объекта существенно упрощается, если Н<<R, а поверхность Земли принимается за плоскость (при R≤500км замена части окружности, получающейся при сечении земного шара плоскостью, проходящей через центр Земли, прямой линией приводит к ошибке менее 0,2 % от R). В этом случае для определения положения объекта на плоскости используются линии положения (ЛП), представляющие собой геометрическое место точек на плоскости, имеющих одинаковые значения W. Местоположение объекта определяется как точка пересечения двух линий положения (рис.1.3,б): ЛП₁ (W₁=R=const) и ЛП₂(W₂=α=const). Линия ЛП₁ – окружность с радиусом R, а ЛП₂ – прямая, расположенная под углом α к оси Х, совпадающей с направлением северного меридиана. В рассматриваемой ситуации ЛП образуются при пересечении поверхностей положения ПП₁ и ПП₂ плоскостью XOZ.

В позиционных РНС измеряют элементы W, характеризующие положение ЛА относительно стационарных или подвижных опорных передающих или приемопередающих радиостанций, расположенных в пунктах (РНТ) – радионавигационных точках с известными координатами(или на известных траекториях).

Большинство РНС реализуют позиционный метод, что объясняется возможностью определения местоположения без учета и знания пройденного пути. Однако это возможно только в зоне действия опорных станций. Кроме того, на точность позиционных РНС сильно влияют помехи, отраженные сигналы и т.п. Точность позиционных систем зависит от принципа их построения и от используемого диапазона радиоволн и характеризуется погрешностью от нескольких сотен метров (в системах УКВ диапазона) до нескольких километров в РНС большой дальности, работающих в диапазонах километровых и мириаметровых волн.

Навигационные элементы W, измеряемые в позиционных РНС, относятся к набору из 6 величин, измерение которых можно выполнить радиотехническими методами:

1) дальность, в том числе, псевдодальность,

2) разность дальностей до двух источников сигнала,

3) сумма дальностей,

4) пеленг,

5) обратный пеленг,

6) разность пеленгов.

Линиями положения для перечисленных величин являются соответственно:

1) окружность,

2) гипербола,

3) эллипс,

4) луч из точки расположения потребителя,

5) луч из точки расположения маяка,

6) дуга окружности.

Обзорно-сравнительный метод. Этот метод основан на определении каких-либо характеристик местности, над которой движется ЛА, или характеристик геофизических полей Земли и сравнении их с соответствующими характеристиками, заложенными в память системы. В системах, реализующих данный метод, используется корреляционная связь между этими характеристиками, а для нахождения отклонений от заданной траектории полета – различного типа корреляционные устройства.

а) б)

Рис.1.4 Геометрические элементы (а), используемые в обзорно-сравнительной системе, и структурная схема системы (б): БВ – барометрический высотомер; ДИС – доплеровский измеритель скорости.

Такие системы называют также корреляционно-экстремальными, поскольку экстремум (максимум или минимум) корреляционной функции измеренных и заложенных в память системы характеристик достигается при точном соответствии траектории полета заданной.

Примером реализации обзорно-сравнительного метода может служить система, использующая информацию о поле высот рельефа местности (рис.1.4).

В блок памяти БП перед полетом вводится информация о распределении высот местности в некоторой полосе вдоль маршрута полета. Текущая высота полета определяется радиовысотомером РВ и сравнивается с барометрической высотой . Вычислительные устройства ВУ определяют корреляционную функцию измеренного поля высот и и вырабатывают сигналы Δx и Δy коррекции полета для системы автоматического управления САУ. Погрешность определения МП в такой системе может составлять несколько десятков метров.

При обзорно-сравнительном методе нет необходимости во внешних по отношению к ЛА радиостанциях, ослаблено влияние помех и отсутствуют накапливающиеся погрешности. Однако сложность метода, требующего априорной информации о характеристиках местности на всем маршруте и большой объем памяти системы, а также трудности вычисления корреляционной функции ограничивают пока широкое его применение.