Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

91

…1,5) мили. РНС «Лоран-А» работала в средневолновом диапазоне на частотах излучения около 2МГц (λ=150 м). 70 ее передающих станций охватывали около 30%

территории земного шара [8,15].Идеология построения и принцип измерения радионавигационного параметра (РНП) в импульсной РНС в общих чертах

рассмотрены в подразделе 1.6.2.

Большое достоинство импульсной РНС — отсутствие при надлежащей организации излучения многозначности измерений, а также возможность селекции

(разделения) поверхностных и пространственных сигналов в точке приема. Вместе с тем относительно низкая точность импульсного метода измерения РНП δ(∆t) = 1 ÷2

мкс не позволяла эффективно использовать систему для обеспечения прибрежной навигации.

Стремление улучшить точность импульсной РНС за счет применения фазовых

методов измерения РНП с одновременным увеличением дальности действия системы при переходе в диапазон длинных волн привело к созданию в середине 50-

х годов импульсно-фазовой РНС (ИФРНС) «Лоран-C». (Под импульсно-фазовой РНС понимается система, в которой для грубых измерений радионавигационного параметра используют огибающие радиосигналов (имеющих форму импульсов), а

для точного определения - используют фазовые измерения несущей частоты этих импульсов) [1,2,8].

В1974 г. решением правительства США ИФРНС «Лоран-C» до появления спутниковой РНС была признана основной гражданской навигационной системой в прибрежной зоне США.

Ожидается, что «Лоран-C» будет находиться в эксплуатации, пока что как

минимум до 2015 года [15].

ВРоссии эксплуатируется система аналогичного назначения, что и «Лоран-C», получившая название «Чайка».

1.6.2.Импульсно - фазовая РНС «Лоран-С». Принцип действия

импульсно - фазовой РНС

Импульсно - фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) объединяют преимущества импульсных и фазовых систем, а именно — однозначность первых и

высокую точность вторых. В этих системах многозначность разрешается применением импульсных измерений, а точные измерения выполняются фазовым

методом. Измерения при этом ведутся как бы на трех шкалах, как, например, в часах: часовая, минутная и секундная стрелки, с последовательным увеличением точности и сужением области однозначности. Импульсная форма огибающей

сигнала позволяет кроме разрешения многозначности решить такие важные задачи,

как временную селекцию и выделение сигналов поверхностной волны. Для выделения сигналов поверхностной волны используется то свойство, что в

длинноволновом диапазоне (в котором реализуются современные морские

импульсно-фазовые РНС) задержка пространственной волны относительно поверхностной превышает 30мкс в пределах всей рабочей зоны (см.рис.1.9). Это позволяет сформировать строб, выделяющий начальную часть принятого сигнала,

не подвергающуюся воздействию пространственной волны [1,3,4].

Дальность действия станций системы при использовании поверхностной

радиоволны достигает 1200 —1400 миль, при этом точность определения места

составляет 0,05 — 1,5 мили. При использовании пространственных волн точность резко снижается.

Передающие радиостанции ИФРНС устанавливаются для обслуживания

некоторой площади земной поверхности в точках с известными координатами

[1,3,4,6,7].

92

Станции системы сводятся в цепи, состоящие из ведущей станции (Master - обозначается М) и четырех или трех ведомых станций (Slaveобозначающихся W, X,

У и Z), излучение которых жестко синхронизировано между собой. Кратчайшее расстояние между ведущей и ведомой станциями цепочки называется базой.

Все станции всех цепей излучают радиоимпульсы специальной формы на одной несущей частоте 100 кГц в последовательности, приведенной на рис.1.8,а.

Рис.1.8. Порядок излучения станций цепи ИФРНС: а) – пример расположения станций цепи;

б) – временные диаграммы последовательности приема и излучения

Ведущая и ведомая станции цепочки РНС образуют пару, которая обеспечивает

создание одной изолинии положения судна.

Станции одной цепочки используют один и тот же период повторения сигналов. (Соответственно - станции другой цепочки используют уже другой период повторения сигналов).

Численное значение периодов повторения сигналов выбирается с дискретом 10

мкс в интервалах от 40 000 до 100 000 мкс и обозначаются числом, равным

уменьшенному в 10 раз периоду. Например, обозначение 9900 соответствует периоду 99 000 мкс.

Для обеспечения распознавания цепей каждой из них присваивается определенная частота повторения импульсов Тп, которая выбирается из следующих

условий.

Периоды Тп повторения радиоимпульсов выбираются возможно меньшими,

для того чтобы в единицу времени передавалось больше полезных сигналов. Однако уменьшение периода Тп повторения радиоимпульсов допустимо до определенного значения Тпmln, ограничиваемого условием, необходимым для

нормальной работы ИФРНС: (поверхностные) земные и ионосферные радиоимпульсы от всех станций, входящих в цепочку, не должны совпадать во

времени между собой в любой точке рабочей зоны системы.

Это условие выполняется, если каждая из Nc станций цепочки (количество

станций Nc может составлять минимум две, максимум – четыре) излучает свои сигналы спустя некоторый защитный промежуток времени tзщ после момента приема сигналов от той станции, которая в заданной очередности передачи сигналов

является предшествующей (рис.1.8,а). Время tзщ определяется задержкой многократно отраженных радиоимпульсов по отношению к поверхностным и обычно

составляет 1000—2000 мкс. Из рассмотрения временной диаграммы (рис.1.8,б) можно заключить, что при излучении одиночных радиоимпульсов период их повторения не может быть меньше, чем

расстояниям станции в порядке очередности излучения сигналов (см. рис.1.8,а).

93

Дальность действия ДВ РНС существенно зависит от средней мощности (энергии) на начальных (свободных от влияния ионосферных волн) участках

поверхностных радиоимпульсов. Увеличение излучаемой импульсной мощности ограничивается пределами эффективности передающих антенн и их электрической

прочностью.

Увеличение длительности импульса не приводит к желаемому результату, так как используется только начальная часть фронта нарастания импульса. Увеличение

полезной средней мощности за счет уменьшения периодов следования ограничивается, как указывалось, необходимостью обеспечения приема сигналов

станций цепочки без перекрытия их радиоимпульсов между собой по всей рабочей зоне системы.

Поэтому в ИФРНС для увеличения полезной средней мощности сигналов каждая

на уровне 6 дБ, а период повторения в серии Т = 1000 мкс, т. е. длительность всей серии («пакета») из восьми импульсов составляет (8 — 1) Т = 7000 мкс.

Ведущие станции цепочек излучают также девятый импульс, который служит в основном для ПИ с визуальным опознаванием сигналов, телеуправления и специальных передач.

Девятый, маркерный импульс ведущих станций отстоит от последнего,

восьмого, импульса на 2000 мкс.

Одиночный радиоимпульс в пакете любой станции имеет вид, представленный на

равной 30 мкс. Эта точка пересечения, так называемая особая точка – ОТ (SSP – Standard Sampling Point), выбирается компромиссно по двум причинам (см.рис.1.11).

94

Рис.1.11. Общий вид принимаемого сигнала при наличии поверхностного и пространственных сигналов

Во-первых, колебания в импульсе должны обладать достаточной мощностью, чтобы приемник смог его обнаружить, а во-вторых, необходимо обрабатывать радиоимпульс в первых периодах колебания его несущей частоты, чтобы

гарантировать, что приемоиндикатор обнаружит и будет обрабатывать поверхностный импульс передающей станции, а не импульс, отраженный от верхних слоев атмосферы.

Радиоимпульсы, отраженные от верхних слоев атмосферы создают большие

ошибки в определении положения. Поэтому форма радиоимпульса разработана таким образом, чтобы исключить этот главный источник ошибки.

Еще одной особенностью сигналов ИФРНС «Лоран С» является то, что в некоторых импульсах пакета используется бинарное фазовое кодирование, т. е.

фаза ВЧ заполнения меняется на 180° по сложному закону, обеспечивающему

идеальные авто - и взаимокорреляционную функции сигналов ведущей и ведомых станций. Период Тк фазового кода составляют два пакета импульсов — нечетный и

четный, т. е. Тк = 2Тп.

С фазовым кодированием, фаза излучаемых сигналов (100 кГц сигналов)

изменяется систематически от импульса к импульсу. Принятые приемником сигналы,

отраженные от верхних слоев атмосферы, будут вне фазы с одновременно принятыми поверхностными сигналами и, поэтому, они не будут обработаны приемником.

Кроме своего основного назначения фазовое кодирование облегчает

автоматическое опознавание сигналов и слежение за ними, позволяя выполнять

эти операции даже в тех случаях, когда уровень сигнала ниже уровня помех.

Ведомые станции, входящие в одну цепочку, различаются между собой

временем задержки излучений пакетов радиоимпульсов относительно момента излучения ведущей станцией. Поэтому пакеты радиоимпульсов каждой ведомой станции появляются после приема пакетов ведущей станции только в определенное

время и отсчеты РНП (в микросекундах) для каждой пары станций одной цепочки ИФРНС будут лежать в своих пределах от минимального (на продолжении линии

базы со стороны ведомых станций) до максимального (на продолжении линии базы со стороны ведущей станции).

Излучение сигналов пакетами из т радиоимпульсов увеличивает

минимальный период повторения излучения Tпmin системы.

95

Лекция №23

2. Спутниковые навигационные системы (СНС)

4-ого октября 1957 года в Советском Союзе впервые в мире был запущен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ). Этот маленький спутник, по

современным стандартам, весом приблизительно 84 килограмма, был выведен на околоземную орбиту с апогеем 942 км и перигеем 230 км. Период вращения вокруг

Земли составлял 96 минут, (спутник находился на орбите до начала 1958 года). Так началась так называемая "Космическая эра" [13,15].

В 1957 г. группа советских ученых под руководством академика В. А.

Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственных спутников Земли по результатам измерений

доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, в точке приема с известными координатами. Была установлена также возможность решения и обратной задачи - нахождение координат точки приема по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, параметры движения

которого известны [1,2,3].

Использование ИСЗ в качестве радионавигационной опорной станции, координаты которой хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени, позволило создать ряд проектов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

В настоящее время ИСЗ широко используются в различных областях народного

хозяйства, в том числе и на морском флоте, где наибольшее распространение спутники нашли для целей навигации, морской радиосвязи, спасения на море, гидрометеорологии и др.

Использование спутниковых систем для этих целей становится возможным,

если установить на ИСЗ соответствующую радиотехническую аппаратуру, которая

должна быть связана по радиоканалу с судовой аппаратурой.

Для управления работой ИСЗ на Земле должна быть размещена сеть специальных станций. Назначение спутниковой системы существенно влияет на вид орбиты ИСЗ, а это в свою очередь определяет характеристики его

радиотехнической аппаратуры.

Наземные станции управления располагают таким образом, чтобы можно было

осуществлять регулярный контроль (слежение) за траекторией спутников и передачу необходимой информации на них. Для этого требуется обычно несколько станций слежения, расположенных в различных районах земного шара, координационновычислительный центр и станции ввода данных на спутники об изменении их траектории. Обновление данных на ИСЗ должно выполняться с такой периодичностью, чтобы точность определения не выходила за гарантированные

пределы.

Аппаратура на спутнике должна обеспечивать прием сигналов наземных станций (а в некоторых системах — и судового оборудования) и излучение собственных сигналов с мощностью, достаточной для работы во всей зоне радиовидимости ИСЗ.

Излучаемые навигационными ИСЗ (НИСЗ) радиосигналы должны содержать информацию о его траекторных данных в течение всего времени работы системы. Для этого на НИСЗ имеется запоминающее устройство, способное хранить траекторные данные спутников, рассчитанные наземными станциями, до их следующего обновления. Антенное устройство ИСЗ обладает направленностью,

позволяющей производить излучение сигналов со спутника к поверхности Земли.