Фазовые РНС с частотной селекцией сигналов
Федеральное агентство морского и речного транспорта
Федеральное государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Волжская государственная академия водного транспорта
Кафедра судовождения и безопасности судоходства
Лобанов В.А.
СИСТЕМЫ РАДИОНАВИГАЦИИ
Конспект лекций по дисциплинам РНП и ЭРНП для студентов судоводительской и электромеханической специальностей очной и заочной формы обучения
Издательство ВГАВТ
Н. Новгород, 2007
УДК 621.396.932.1(07.1)
Л 68
Лобанов В.А. Системы радионавигации: Конспект лекций по дисциплине Радионавигационные приборы (издание второе). – Н. Новгород.: Изд. ВГАВТ, 2007. – 114 с.
Рассмотрены теоретические основы построения и функционирования основных радионавигационных комплексов (радионавигационные системы, радиолокация, средства автоматизированной радиолокационной проводки и радиопеленгование), автоматические идентификационные системы (АИС), принципиальное устройство и функции приборов, входящих в состав этих комплексов.
Книга предназначена для использования в качестве учебного пособия при подготовке инженеров-судоводителей.
Рекомендовано к изданию на заседании кафедры Судовождения и безопасности судоходства (протокол №8 от 28.06.07)
|
|
|
ã ВГАВТ, 2007
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое пособие представляет собой конспект лекций по дисциплине Радионавигационные приборы, читаемой студентам судоводительского факультета Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ).
Утверждение новой редакции главы V SOLAS-74 и как следствие обновление учебного плана и рабочих программ всех специальных дисциплин подвигнули автора (ведущего преподавателя данного предмета) к пересмотру объёма и содержания основных разделов настоящего предмета.
В свете последних конвенционных требований в качестве основных источников информации и средств решения ряда навигационных задач определены различные приборы: приёмоиндикаторы радионавигационных систем (и в первую очередь современных спутниковых – GPS и ГЛОНАСС), автоматизированные радиолокационные станции (РЛС), средства автоматической радиолокационной проводки (САРП). Кроме того, обязательный состав судового радиооборудования пополнился станциями автоматических идентификационных систем (АИС) и приборами регистрации рейсовых данных. Эксплуатация ряда радиотехнических средств (РЛС, САРП) разрешается специалистам, прошедшим специальную тренажерную подготовку и получившим сертификат международного образца. В свою очередь, проведение такой подготовки требует наличия у обучаемых базовых теоретических знаний по принципам работы упомянутых систем и некоторых первоначальных практических навыков работы с приборами.
|
|
|
Сказанное предопределило более подробное изложение и углубленное изучение материала, касающегося упомянутых систем.
Следует отметить, что увеличение объёма выдаваемого материала по современным радиотехническим средствам привело к сокращённому изучению традиционных радиотехнических систем, таких как радиопеленгование. Однако, автор далеко не безоговорочно принимает утверждение ряда специалистов и судоводителей об отмирании радиопеленгования как «навигационного процесса» (хотя средневолновые радиопеленгаторы исключены из конвенционного состава судового радиооборудования) и является явным противником предания забвению данного раздела в учебном процессе. Оправданием тому служит то, что хотя бы в спасательных целях активно используются, по крайней мере, УКВ-радиопеленгаторы.
Настоящий конспект охватывает теоретическую часть названной дисциплины и является основным источником получения базовой информации для студентов-судоводителей ВГАВТ.
|
|
|
РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Общие положения
Радионавигационная система (РНС) – это особый радиотехнический комплекс, в основном предназначенный для определения судами своего местоположения. В качестве дополнительных навигационных задач РНС могут рассчитывать путевой угол, скорость, обеспечивать движение по заданному маршруту, информировать судоводителя о дате, времени и т.д.
Особенность такого комплекса заключается в том, что он создаёт в пространстве только ему присущую координатную систему, и определения в ней возможны лишь при наличии на судне специального прибора – приёмоиндикатора этой РНС. Следует заметить, что некоторые РНС (например, среднеорбитальные спутниковые) помимо стандартной координатной сетки (открытой для общего пользования) создают уточнённую. Использование последней защищено либо специальными кодами доступа, либо требует (дифференциальные подсистемы) включения в стандартную схему приёмоиндикатора дополнительных устройств.
Любая РНС состоит из сети радиоизлучателей, используемых в качестве навигационных ориентиров (НО). Замеряя с помощью судового приёмоиндикатора (ПИ) какие–либо характеристики этих ориентиров, можно получить ряд изолиний положения (навигационных параметров, НП). Район пересечения этих изолиний в итоге даст обсервованную позицию судна.
|
|
|
В зависимости от замеряемой характеристики навигационного ориентира различают соответствующие виды навигационных параметров. Так, например, для измеренного расстояния – это будет окружность, для разности расстояний – гипербола, для угла – прямая (при определённых допущениях) и пр. Использование параметров двух первых видов очень широко практикуется в современных РНС. В частности, измерения дальности составляют основу спутниковых РНС второго поколения, а разностно-дальномерные – спутниковых систем первого поколения и подавляющего большинства наземных РНС.
Для производства измерений дальности требуется высокая степень временной синхронизации в работе навигационных ориентиров и приёмоиндикатора. Сейчас это достигается применением атомных стандартов частоты.
При разностно-дальномерном способе измеряется разность расстояний до двух навигационных ориентиров. Этому параметру эквивалентно либо время запаздывания высокочастотного импульса одного ориентира относительно другого, либо разность фаз электромагнитных колебаний, пришедших в точку приёма от этих ориентиров. В первом случае требуется чёткая синхронизация излучений ориентиров, во втором – когерентность их работы. При этом первые системы принято называть импульсными, вторые – фазовыми. Широко распространены наземные РНС, использующие комбинацию этих способов замера. Такие системы называются импульсно–фазовыми.
Классификация РНС
В основу классификации РНС положены различные признаки, основными из которых являются следующие.
1. Вариант размещения навигационных ориентиров
1.1. Спутниковые(GPS, ГЛОНАСС, КОСПАС-SARSAT)
1.2. Наземные (Лоран–с, Чайка)
2. Вид используемого навигационного параметра (вид создаваемых изолиний)
2.1. Дальномерные (GPS, ГЛОНАСС)
2.2. Разностно-дальномерные (Лоран–с, Чайка, КОСПАС-SARSAT)
2.3. Радиально–скоростные
3. Вид измеряемого радионавигационного параметра
3.1. Угломерные
3.2. Импульсные (временные, Лоран–а)
3.3. Фазовые (РСДН)
3.4. Импульсно–фазовые (Лоран–с, Чайка).
3.5. Частотные (Цикада).
4. Диапазон используемых радиоволн
4.1. Сверхдлинноволновые
4.2. Длинноволновые (Лоран–с)
4.3. Средневолновые
4.4. Ультракоротковолновые (Все спутниковые РНС)
5. Дальность действия
5.1. Глобальные (спутниковые РНС)
5.2. Дальнего радиуса действия (дальней навигации, радиус действия до 1500 миль Лоран–с, Чайка)
5.3. Системы средней дальности (радиус действия до 500 миль)
5.4. Системы прибрежного плавания (радиус действия до 100 миль, гидрографическая РНС Хайфикс)
Фазовые РНС с частотной селекцией сигналов
При частотной селекции сигналов навигационные излучатели работают непрерывно, каждый на собственной частоте. При этом навигационному параметру – разности расстояний соответствует радионавигационный параметр – разность фаз электромагнитных колебаний, пришедших в точку приёма от двух излучателей:
 ,
| (1) |
где ∆φ – разность фаз;
λср – длина волны сравнения;
DA, DB – расстояния от потребителя до навигационных ориентиров (рис. 1).
Как видно из зависимости (1) постоянной разности фаз будет соответствовать постоянная разность расстояний на поверхности земли, т.е. изолиниями в фазовой РНС являются гиперболы. Под разностью фаз здесь следует понимать число периодов колебаний (длин волн), на которое одно излучение отстаёт от другого.
Для измерения разности фаз необходимо, чтобы колебания источников были когерентны. В общем случае когерентными называются колебания либо одинаковых частот, либо разных, но таких, которые находятся в целочисленном соотношении с некоторой общей для них частотой, именуемой базисной. Именно по последнему принципу работают навигационные излучатели в РНС с частотой селекцией сигналов. При подобной работе результирующее электромагнитное поле от двух излучателей будет иметь такую навигационную структуру, как если бы оба они излучали одну частоту, равную наименьшему общему кратному их рабочих частот. Эту частоту принято называть частотой сравнения. Для этой частоты в рабочем пространстве пары излучателей образуется семейство гипербол, каждой из которых соответствует своя разность фаз. Часть пространства между двумя гиперболами с относительным фазовым сдвигом в 2( (в длину волны сравнения) называется фазовой дорожкой. Упомянутое семейство гипербол образует в рабочем пространстве пары излучателей множество фазовых дорожек (рис. 1).
В общем случае измеренная разность фаз должна включать в себя целую и дробную часть (в разности расстояний обычно укладывается не целое число длин волн сравнения). По сути своей целая часть указывает на номер фазовой дорожки, а дробная – на ту гиперболу положения, которой в пределах этой дорожки соответствует положение судна в момент измерения. Однако для непрерывных колебаний разность фаз можно замерить только в пределах одного периода колебаний (в пределах одной фазовой дорожки), т.е. замеру поддаётся лишь дробная часть разности фаз, а целая остаётся неизвестной. На практике это означает, что полученный результат с равной вероятностью можно отнести к любой точной фазовой дорожке. Этот весьма существенный недостаток всех фазовых РНС называется многозначностью фазовых определений.
|
Рис. 1. Принцип работы фазовой РНС
Очевидно, что для уменьшения степени многозначности необходимо понижать частоту сравнения. При этом ширина фазовых дорожек увеличивается и, следовательно, в рабочем пространстве пары излучателей будет укладываться их меньшее количество. В идеале многозначность не наступает вообще, если длина волны сравнения превосходит базовую линию между излучателями. Однако столь низкие частоты сравнения не используются, т.к. это существенно снижает точность определений.
Для решения проблемы многозначности не в ущерб точности такие РНС работают в двух режимах. Первый (нормальный рабочий режим) на высоких частотах сравнения создаёт семейство точных фазовых дорожек. Замеренная разность фаз при этом будет давать гиперболу положения в пределах какой–то (пока неизвестной) из этих дорожек. Второй (режим устранения многозначности) создаёт семейство грубых (широких) дорожек на пониженных (в несколько десятков раз) частотах сравнения. Степень понижения частоты выбирается так, чтобы точность замера была не хуже такой, которая позволяла бы однозначно указать на то, в пределах какой точной дорожки предыдущего режима находится судно. Обычно пониженной частотой сравнения является базисная частота, а грубые дорожки, созданные на ней, называются зонами.
Следует отметить, что применение данного метода полностью многозначность не устраняет, т.к. после понижения частоты сравнения в рабочем пространстве пары станций сохраняется более одной зоны. Следовательно, предварительно необходимо определение с точностью до зоны. Определить зону не представляется затруднительным, если ведётся счисление, т.к. ширина её достаточно велика (составляет несколько десятков километров).
Импульсные РНС
В импульсной РНС линия положения судна определяется в результате измерения в точке приёма разности времени прихода кратковременных высокочастотных импульсов от береговых станций, излучающих сигналы согласованно друг с другом во времени. Обычно одна станция является ведущей, а несколько остальных – ведомыми, излучающими свои колебания после прихода на них импульсов ведущей станции. В точке приёма разность времени прихода импульсов определится:
 ,
| (2) |
где Db, Da–расстояния от точки приёма до навигационных излучателей;
v–скорость распространения волны;
tc–постоянная задержка по времени, обусловленная временем прохождения волны по базовой линии пары станций.
Зависимость (2) показывает, что изолиниями в импульсной РНС также, как и в фазовой, являются гиперболы. Между станций пары образуется семейство гипербол, каждая из которых имеет своё значение D t. Иными словами, импульсные РНС обладают однозначностью определений. Это очень важное свойство импульсных РНС предопределило их интенсивное использование в 40–50 годы.
Однако точность определения линии положения при измерении Dt с погрешностью 1–2 мкс не может быть лучше нескольких сот метров даже на базовой линии. Практически вследствие влияния пространственных волн, например, в системе Лоран-а, эта точность не превосходит несколько миль (1–3 миль).
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 530; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!