Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы (2005) (1151784), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Книга может служить учебным пособием при изучении курсов «Радиотехнические системы» и «Статистическая теория радиотехнических систем» специальности 200700, «Теория и техника радиолокации и радионавигации» специальности 201700. Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 1.1.
Основные понятии и определении Радионавигационной системой называют совокупность устройств, предназначенных для управления движением объектов из одной точки пространства в другую ло оптимальным в данных условиях траекториям. Решение подобной навигационной задачи предполагает, как указывалось, знание на объекте навигации (ОН) своего текущего местоположения в лространстве (МЩ, направления и скорости движения этого ОН, для определения которых используют сганалы специгьэьных радиоустройств, расположенных в радионавигационных точках (РНТ), МП которых точно известно, или сигналы, отраисенные от подстилающей поверхности Радионавигационные системы относятся к классу радиотехнических систем извлечения информации из принимаемого радиосигнала. Определение местоположения требует измерения координат объекта. В некоторых ситуациях необходимо также знание составляющих вектора скорости объекта.
Геометрические или механические величины, которые характеризуют положение и перемещение объекта, называют навигационными элементами (НЭ) и обозначают буквой йг. Радиоэлектронные устройства, выполняющие функцию измерения какого-либо одного НЭ, называют радионавигационными устройствами. Такие устройства могут входить в состав РНС или применяться самостоятельно. Местоположение объекта характеризуется положением центра масс этого объ- й екта в некоторой опорной системе координат.
Выбор опорной системы координат р й зависит от используемой РНС. В радиана- 0 вигации применяют местную либо гло- а бальные системы координат. х М Местная сферическая система координат (рис. !.)) может быть как нелад- Р"с ! ! тчстиэл сфслн"вокал вижной относительно земной поверхности, так и связанной с подвижным объектом, например с ЛА. В неподвижной системе начало координат О располагается в точке размещения антенны РНУ или РНС, а ось Х обычно совмещается с северным (С) направлением меридиана, проходящего через точку О.
В сферической системе по результатам измерения определяются наклонная дальность Л, азимут а и угол места 1ь В РНС вместо измерения р обычно измеряют высоту Н. Если РНУ установлено на ЛА, то ось Х совмещают с его продольной осью, а ось 2 — с направлением правого крыла. В этом случае такая связанная с ЛА координатная система перемещается вместе с ЛА и поворачивается при его эволюциях. Рассматриваемые системы координат используются при дальностях к, не превышмощих нескольких сотен километров (в зоне прямой видимости).
Глобальные системы координат используются в РНС, с помощью которых МП определяется на расстояниях Я>~,, где к = ТУЦН, +,~Н ) — дальность прямой видимости, зависящая от высот подьема передающей Н, н приемной Н, антенн (в км) над земной поверхностью.
В радионавигации наиболее распространены географическая и геоцентрическая глобальные системы. В географической системе координат (рис. 1.2,а) местоположение объекта определяется относительно земного геонда. Географическая широта ф, представляет собой угол между плоскостью экватора (ПЭ) и отвесной линией (ОЛ). Географическая долгота Л, есть двугранный угат между плоскостями Гринвичского меридиана (ГМ) и меспюго меридиана (ММ), проходящего через проекцию объекта на земную поверхность.
В геойентрическай системе координат (рис. 1.2,б) Земля принимается за шар, что существенно упрощает навигационные расчеты. Геоцентрическая широта ф отсчитывается между плоскосп.ю экватора и направлением (НЦ) из данной точки к центру Земли. Геоцентрическая долгота Л определяется так же, как географическая. Рис. 1.3. Географическая (а) и геоцентрическая (б) системы координат Место РНС в схеме управления объектом иллюстрируется на рис, 1.3, где в качестве движущегося объекта выбран ЛА.
Рис. 1.3. Функциональная схема управления полетом В состав схемы входят три РНУ, определяющие соответствующие навигационные элементы И', вычислительные устройства (ВУ), система автоматического управления (САУ). В простейшем случае ВУ-2 и САУ отсутствуют, и экипаж ЛА выполняет полет, используя индикаторы, на которых отображаются измеренные РНУ навигационные элементы нли определенное с помощью ВУ-1 местоположение МП„летательного аппарата. При автоматизации самолетовождения ВУ-2 сравнивает МП„с заданным МП, и выдает в САУ сигналы, под действием которых устраняется отклонение траектории полета от заданной программой полета (ПП).
1.2. Физические основы радионавигационных измереинн Информативный параметр сигнала. Информация о геометрических элементах И; характеризующих положение объекта, закодирована в параметрах принимаемого РНС сигнала, представляющего собой электромагнитное поле. Параметр радиосигнала, в котором содержится информация о И', называется информативным и обозначается в дальнейшем буквой ж Функционально параметры И'и г связаны соотношением Р -м~ (1.1) где ̄— масштабный коэффициент, имеющий размерность единицы И; деленной на единицу ж Информативным параметром может быть как время прихода, частота, начальная фаза или амплитуда ситнала, 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 прн распространении; флуктуаций сигнала при отражении от мешающих объектов; многолучевого распространения радиоволн и др. 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 нз алгоритмов, основанных на оптимальном или квазиоптимальном критерии обнаружения. Качество процесса обнаружения характеризуют вероятностью правильного обнаружения О, т.е. вероятностью действительного обнаружения полезного сигнала и вероятностью ложной тревоги Г, когда за полезный сигнал принимается помеха, а сам сигнал отсутствует.
Обнаружнтель тем лучше, чем больше ьэ и меньше г. Вопросы обнаружения сигналов детально рассматриваются в курсе "Радиолокационные системы". Большинство параметров принимаемого сигнала априори неизвестно. 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 йоиска), способны обнаруживать сигнал за существенно меньшее время, но оказываются более сложными. Следует отметить, что при поиске обнаружение сигнала по информативному параметру эквивалентно грубой оценке этого параметра и элемента Ю'. Эта информация используется прн последующем точном измерении И'.
Принцип определения элементов И' в РНС. Определение элемента И' 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 л.
В такой среде скорость распространения радиоволн г = с/п . Здесь с скорость радиоволн в вакууме (скорость света), равная 299792458,2 ~ 1,! м/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 рас- стоянием между точками излучения и приема колебаний.
Поэтому в точных РНУ необходим учет влияния среды распространения на точность определения элемента И'. В приближенных расчетах влиянием и часто пренебрегают и считают ч = с = сопзд а с = 3 ! 0' м/с. ,Вальнносгь 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) /я = 2й/с, а в РНУ, использующих радионавигационные принципы /и = й/с, где /!— дальность до объекта; с — скорость распространения радиоволн.
Скорость объекта обычно определяют по доплеровскому сдвигу частоты сигнала Гд. В радиолокационных измерителях радиальной скорости, например, доплеровский сдвиг частоты гд связан с радиальной скоростью движения объекта г'„соотношением Е'д = -(2 К/с)/з = -2 !Щ, где / — несущая частота; Х вЂ” длина волны излучаемого сигнала. У~ " " Р" уь генные 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
