Васин В.И. Информационные технологии в радиотехнических системах. Под ред. И.Б.Федорова (2003) (1092038), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Первые нашедшие практическое применение радионавигационные системы использовали принцип пеленгации источника радиоизлучения (радиомаяка) с помощью направленных антенн. Вначале пеленгация осуществлялась по максимуму диаграммы направленности простейших рамочных антенн, затем стали применять многоэлементные или сканирующие антенны, позволявшие реализовать более точный метод равносигнальной зоны.
Радиопеленгаторные системы получили широкое применение для судовождения, а затем и в аэронавигации. В настоящее время в мире используются десятки тысяч судовых и аэронавигационных радиомаяков, в том 450 8.!. Введение числе с активным ответом, позволяющих определить не только направление на маяк, но и дальность до него. Ограничения, присущие радиомаячным системам, использующим амплитудные методы пеленгации, обусловлены тем обстоятельством, что погрешность меспюпределения в них быстро возрастает с увеличением рас стояния до источника сигнала.
Действительно, даже при допущении, что угловая погрешность пеленгации источника не зависит от дальности до него, соответствуюшая линейная погрешность возрастает пропорционально расстоянию. На практике угловая погрешность также возрастает вследствие уменьшения мощности сигнала, которая падает пропорционально квадрату дальности. В итоге при расстояниях порядка сотен километров и более точносп амплитудного метода оказывается неприемлемо низкой. Поэтому в 30-е годы ХХ в. были начаты разработки радионавигационных систем (РНС), использующих фазовые (радиоинтерферометрические) методы пеленгации. Большой вклад в развитие этого направления внесли советские ученые Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси и Е.Я.
Щеголев. Аппаратура, реализующая предложенный и запатентованный указанными авторами «способ определения расстояния между двумя пунктами при помощи электромагнитных волн», основанный на измерении в точке наблюдения разности фаз сигналов, принимаемых от двух источников, нашла практическое применение. Так, в Великобритании была создана система Декка, обеспечивавшая судовождение при удалении от берега до 500 км. В частности, система Декка использовалась для управления кораблями и судами, участвовавшими в боевой операции по высадке десанта союзных войск в Нормандии.
Однако в полном смысле массовое применение РНС началось в период Второй мировой войны с созданием в США разностно-дальномерной системы Лоран-А. (Сходная по принципу действия система Консол была в этот же период создана в Германии, однако после завершения войны ее функционирование и дальнейшее развитие были прекращены.) Принцип действия РНС Лоран-А состоит в измерении в точке приема разности времени прихода импульсных радиосигналов, моменты излучения которых двумя или более передающими станциями синхронизированы.
Линией положения (геометрическим местом точек на поверхности Земли, для которых разность времени прихода пары сигналов постоянна) является гипербола, в фокусах которой расположены передаюшие станции, поэтому РНС данного класса иногда называют гиперболичеекилеи. Поскольку координаты передающих станций известны потребителю, для определения своего местоположения он должен, вычислив разность времени прихода сигнала от двух пар передающих станций, найти точку пересечения соответствующих двух гипербол. 451 8.
Спутниковые радионавиеационные системы Цепочка станций Лоран-А состояла из трех передающих станций: ведущей и двух ведомых. Принцип синхронизации системы предусматривал, что ведомые станции излучали сигналы в момент поступления на них импульса ведущей станции.
Таким образом, устранялась неоднозначность измерений, связанная с тем, что в общем случае гиперболы могут иметь несколько точек пересечения. Станции располагались на расстоянии в несколько сот километров и использовали пять фиксированных частотных каналов в диапазоне средних волн 154...172 м. Дальность действия системы Лоран-А в зависимости от времени суток составляла 1000...2500 км, а погрешность местоопределения была 1...10 км. Для повышения точности использовался метод, основанный на приеме сигналов более чем двух пар станций и выборе гипербол, пересекающихся под углом, близким к прямому. Дальнейшим развитием данного направления РНС явилась система Лоран-С. Ее основное отличие от системы Лоран-А состоит в том, что для измерения разности времени прихода сигналов в ней используется не только огибающая принятого импульсного сигнала, но и фаза колебаний его несущей частоты (100 кГц).
Учет фазовой информации позволил уменьшить погрешность местоопределения примерно до 100 м. Дальность действия Лоран-С при высоте подъема антенн около 200 м достигает 4000 км. До появления спугниковой радионавигации система Лоран являлась наиболее массовым средством радионавигации, и до настоящего времени приемоиндикаторы этой системы входят в штатный комплект навигационного оборудования большинства надводных и воздушных судов. В СССР была создана существующая до настоящего времени гиперболическая система навигации Чайка, аналогичная Лоран-С.
Наряду с импульсно-дальномерными системами в послевоенные годы продолжали развиваться фазовые радионавигационные системы: уже упоминавшаяся выше Декка и разработанная в конце 60-х годов ХХ в. глобальная система Омега. Особенность последней состояла в том, что синхронизация всех передающих станций осуществлялась от единого эталона всемирного времени, а это обеспечило независимость их работы и повысило точность фазовых измерений. В состав системы Омега вошли восемь станций, расположенных в США, Японии, Норвегии, Аргентине, Либерии, на Гавайских островах и о.
Реюньон. Высота мачт антенных систем этих станций составляет 350...400 м, что обеспечило дальность действия системы до 10 тыс. км. В это же время для обеспечения судовождения в арктических районах в СССР была введена в строй фазовая радионавигационная система высокой точности (РСВТ) с дальностью действия в пределах 1000 км, а также система дальнего действия РСДН-20 (Маршрут), работающая в сверхдлинноволновом диапазоне. Принципы навигационных измерений, статистические методы обработки сигналов и другие технические решения, разработанные примени- 452 8.1. Введение тельно к РНС наземного базирования явились научно-техническим фунда ментом для проектирования спутниковых радионавигационных систем, в которых носителем источника навигационного сигнала является искусственный спутник Земли (далее всюду — навигационный космический аппарат, НКА).
Возможность использования в качестве источника навигационного сигнала объекта, движущегося со скоростью порядка нескольких километров в секунду, базируется на том, что орбита НКА и параметры его движения могут прогнозироваться и контролироваться с весьма высокой точностью (см. далее), т. е. известны в любой момент времени. Первые работы в области навигационного использования ИСЗ были опубликованы в 1957 г., одновременно с запуском первого ИСЗ, В 1958— 1959 гг. были проведены работы, определившие технический облик первого поколения СРНС, который был реализован в советской низкоорбитальной системе Цикада. Сходные решения были использованы в американской низкоорбитальной СРНС Транзит.
Система Цикада включала в себя 4 НКА, система Транзит — 6 НКА, высота орбиты НКА этих систем составляла около 1000 км, период обрашения — около 100 мин. При таких параметрах зона радиовидимости НКА для наземного потребителя имеет радиус порядка 2000 км, а время пребывания НКА в этой зоне — 5...15 мин„перерыв между сеансами наблюдения отдельных спутников лежит в пределах от 35 мин (в приполярных зонах) до 90 мнн (вблизи экватора). Суть используемого в этих системах метода навигационных определений, получившего название интегрального доплеровсяого, сводится к следуюшему.
Пусть в точке приема аппаратура потребителя определяет доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала НКА Ел н вычисляет интеграл ч ч ~Р (1),1 А ~„(1) ~ А(17( ) 17( )) Уа АО с с с а где гз — б — фиксированный интервал времени, 1а — известная несущая частота сигнала НКА, с — скорость света. Таким образом, значение интеграла от доплеровской частоты на интервале Лг = 12 — 1, пропорционально разности дальностей до НКА в моменты времени 1~ и 1,. Поскольку координаты НКА на орбите в отсчетные моменты й н б известны (они передаются с НКА потребителю в составе так называемого навигационного сообщения; подробнее см. з 8.2), на основании значений А27 можно рассчитать поверхности положения потребителя относительно НКА, имеюшие внд гиперболоида.
Получив второе значение Л1Ь относящееся к интервалу времени Л1 =1 — 1„рассчитывают вторую анало- 453 8. Спутниковые радионавигационные системы гичную поверхность положения, при этом положение наблюдателя определяется точкой пересечения этих гиперболоидов с земной поверхностью. Полученная точка, вообще говоря, не является единственной, т.
е. решение навигационной задачи не является однозначным, но с учетом имеющихся у потребителя априорных данных о его местоположении может быть выбрано единственное правдоподобное решение. Поскольку период передачи навигационного сообщения равен 2 мин, за время одного сеанса измерений 110...15 мин) могут быть получены дополнительные поверхности положения, которые затем усредняются для повышения точности местоопределения. Успешный опыт эксплуатации СРНС Транзит и Цикада подтвердил перспективность спутниковой радионавигации как основной линии развития радионавигации в целом.
В то же время стали очевидными принципиальные недостатки СРНС первого поколения. Первый недостаток состоял в том, что наличие перерывов между сеансами наблюдения НКА исключало возможность местоопределения в произвольный момент времени или непрерывного местоопределения в течение длительного интервала времени. Уменьшить интервал между сеансами, увеличив количество НКА, было нельзя, поскольку все НКА использовали идентичные сигналы и при их одновременном наблюдении возникали взаимные помехи. Второй недостаток связан с тем, что при интегральном доплеровском методе местоопределения необходимо результаты измерений, соответствующие различным моментам времени, приводить к одному моменту.
Технические средства, существовавшие на момент создания СРНС первого поколения, обеспечивали точность синхронизации бортового эталона времени НКА и опорного генератора аппаратуры потребителя, соответствуюшую погрешности местоопределения неподвижного объекта порядка 50 м (СКО).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
