Файл: Курс лекций Владивосток 2010.pdf

64 ной плотности пены. Од- нако при одинаковых зна- чениях ЭПО отражатель, основанный на линзе Лю- неберга, дороже и менее долговечен, чем уголковый отражатель.
Эффективность пас- сивного радиолокационно- го отражателя зависит от следующих факторов: а) тип, конструкция и разме- ры отражателя; б) высоты установки и в) место уста- новки (на берегу или пла- вучем СНО). Если даль- ность радиолокационного обнаружения берега высо- той 60 м составляет при- мерно 20 морских миль, берега высотой 6 м – 7 морских миль, а буя с эф- фективной площадью от- ражения 10 м
2
– 2 морских мили, то при оборудова- нии этих объектов пассив- ными отражателями их дальность обнаружения увеличивается соот- ветственно до 25, 14 и 10 морских миль. Пассивные отражатели при- меняются также для организации радиолокационных дистанционных створов. В этом случае отражатели устанавливаются попарно, по од- ному с каждой стороны фарватера, перпендикулярно его оси и на рав- ном расстоянии от неё.
При проводке судна по радиолокационному дистанционному створу необходимо обеспечивать равенство расстояний до отражате- лей. Если эхосигналы обоих отражателей находятся на одном ПКД, то это означает, что расстояния до них одинаковы и судно находится на оси фарватера. Если же эти расстояния различаются, то необходимо подвернуть в сторону того отражателя, расстояние до которого боль- ше (рис. 4.7). Практика показывает, что радиолокационные дистанци- онные створы обеспечивают достаточно высокую точность плавания.
Рис. 4.7. Плавание по радиолокационному дистанционному створу

65
ЛЕКЦИЯ 5. ГИПЕРБОЛИЧЕСКИЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ (4 часа)
5.1. Общая характеристика гиперболических радионавигационных систем. Изолинии и их свойства.
5.2. Способы определения навигационного параметра. Первые радио- навигационные системы.
5.3. Импульсно-фазовая РНС «Лоран-С», принцип действия, методы и точность определения места. Дифференциальный метод.
5.4. РНС «Чайка» и другие отечественные радионавигационные системы.
Литература: [1], с. 222–300; [2], с. 300–311; [5], с. 383–438; [8], с. 173 –186.
5.1. Общая характеристика гиперболических
радионавигационных систем. Изолинии и их свойства
Среди современных РТС особое место занимают радионавигаци- онные системы (РНС). РНС – это радиотехнический комплекс, вклю- чающий в себя систему береговых синхронизированных излучающих станций и судовые бортовые ПИ, предназначенные для определения места судна. В лекции 1 говорилось, что поскольку навигационным параметром в РНС является разность расстояний, то РНС относятся к разностно-дальномерным (или гиперболическим) РТС. Две береговых станции, обеспечивающие получение одной линии положения, назы- ваются парой. Как правило, РНС состоит из нескольких береговых цепей (или цепочек). Под цепью РНС понимается несколько берего- вых станций (3–5 станций, т. е. 2–4 пары), объединенных в одну груп- пу, что дает возможность получить от 2 до 4 линий положения и оп- ределить место судна.
Как и все РТС, РНС классифицируются по двум признакам: дальности действия и способу определения навигационного парамет- ра. В практике судовождения используются (или использовались) все виды РНС, различаемые по дальности действия: глобальные; дальней, средней и ближней навигации. Наибольшее распространение получи- ли системы дальней и средней навигации.
В РНС навигационный параметр определяется косвенным спосо- бом. Для этого сначала измеряется радионавигационный параметр, по виду которого гиперболические РНС подразделяются на следующие типы:

66
– импульсные (временные), основанные на зависимости расстоя- ния от времени распространения радиоволн;
– фазовые, использующие зависимость фазы колебаний от рас- стояния до судна;
– частотные (доплеровские), в которых используется зависимость частоты колебаний от скорости изменения расстояния между передат- чиком и приёмником радиоволн;
– комбинированные (как правило, импульсно-фазовые), в кото- рых используются первые две из указанных выше зависимостей.
В гиперболических РНС навигационным параметром является разность расстояний до двух точек, называемых фокусами, в которых располагаются передающие станции системы. Расстояние между фо- кусами называется базой, а перпендикуляр к середине базы – норма- лью. На Земле, принятой за сферу, изолинией разности расстояний является сферическая гипербола (рис. 5.1), уравнение которой в пря- моугольной сферической системе координат с нулевой точкой в цен- тре базы, осью х вдоль базы и осью у по нормали к базе имеет сле- дующий вид [1]:
1 2
2 2
2


b
tg
y
tg
a
tg
x
tg
, (5.1) где а и b – параметры гиперболы, равные a =
ΔD/2 и cosb = cosc/cosa и с – половина сфери- ческой базы системы;
ΔD = D
2
–D
1
разность расстояний до точек фокуса В и А (АС и ВС на рис. 5.1).
Для небольших рас- стояний, когда допусти- ма замена их тангенсов самими расстояниями (в угловом выражении), уравнение сферической гиперболы (5.1) сводит- ся к уравнению плоской гиперболы
Рис. 5.1. Сферическая гипербола

67 1
2 2
2 2


b
y
a
x
. (5.2)
Следует отметить, что плоская гипербола – незамкнутая кривая, тогда как сферическая гипербола является замкнутой кривой в форме эллипса.
Из приведенных уравнений (5.1) и (5.2) и рис. 5.1 и 5.2 видно, что как сферическая, так и плоская гипербола сим- метричны относительно и базы (ось х), и норма- ли (ось у). Поэтому од- ной и той же разности расстояний соответст- вуют две ветви гипербо- лы, т. е. в определении гиперболы существует неоднозначность, кото- рая на практике разре- шается с помощью счисления или, если это невозможно, специальны- ми техническими приёмами.
Поскольку градиент гиперболы g = 2sin(γ/2), где γ – базовый угол, т. е. между линиями АС и ВС (рис. 5.1 и 5.2), то при средней квадратической погрешности разности расстояния, равной m
ΔD
,
сме- щение линии положения
)
2
/
sin(
2

D
ЛП
m
m


. (5.3)
Из анализа этой формулы следует, что если судно находится на продолжении базы (за пределами участка АВ в ту или иную сторону), то γ= 0 и m
ЛП равна бесконечности, следовательно, линию положе- ния получить нельзя. Если судно находится на нормали к базе, то
sin(γ/2) = max и m
ЛП
= min, т. е. точность здесь будет больше, чем по другим направлениям. Максимальная же точность будет в том случае, если γ = 180
о
. Это возможно, если судно находится в центре базы
(точка О).
В
Рис. 5.2. Плоская гипербола
С

68
Отсюда следует, что гиперболические РНС обладают свойством направленной точности. С удалением судна от нормали к базе базо- вый угол γ уменьшается, и смещение линий положения возрастает, стремясь к бесконечности на продолжении базы. При этом точность определения места судна уменьшается. В районе продолжения базы от каждого фокуса возникает нерабочий сектор, равный 20–30
о
. Поэтому станции цепочек РНС располагаются таким образом, чтобы нерабочие секторы одной пары станций перекрывались рабочими секторами дру- гой пары.
5.2. Способы определения навигационного параметра.
Первые радионавигационные системы
Как сказано выше, в гиперболических РНС навигационный пара- метр определяется на основе измерения какого-либо радионавигаци- онного параметра. Один из способов определения навигационного па- раметра основан на измерении интервала времени между моментом излучения на станциях РНС и моментом приёма на судне импульсных радиосигналов. Этот способ называется импульсным, или временным, и в его основе лежит простая зависимость
D = vt , (5.4) где D – расстояние между станцией и судном, проходимое радиоим- пульсом за время t; v – скорость распространения радиоволн.
Тогда разность расстояний до двух излучающих станций ΔD мо- жет быть рассчитана следующим образом:
ΔD = D
2
–D
1
= v(t
2
– t
1
) = vΔt , (5.5)
где Δt – промежуток времени между моментами приёма двух радио- импульсов, одновременно излучённых двумя станциями пары РНС
(радионавигационный параметр). Следует отметить, что практическая реализация импульсного способа возможна лишь при строгой синхро- низации излучения радиоимпульсов обеими станциями.
Впервые этот способ определения навигационного параметрабыл применен в импульсной РНС «Лоран-А» (Loran-A – сокращение от
Long Range Navigation) в 1942 г. Эта РНС работала на частоте при- мерно 190 кГц и обеспечивала определение места с СКП около ±2 ми- ли днем и ±4 мили ночью. Однако с развитием других РНС, а также спутниковых навигационных технологий РНС «Лоран-А» стала утра-

69 чивать свое значение. В 1980-х годах прекратилась эксплуатация ев- ропейских и американских цепей РНС «Лоран-А», хотя в Китае до сих пор успешно работают 10 станций этой системы, полностью перекры- вающие Желтое, Восточно-Китайское и большую часть Южно-
Китайского морей.
Второй способ определения расстояния связан с измерением фазы принимаемого сигнала (рис. 5.3). Если в точке В измерить фазу Ф из- лученного в точке А сигнала, то расстояние D между точками А и В
будет определяться суммой двух частей: 1) расстояние, проходимое сигналом за полное число периодов колебаний N, которое равно Nλ, и
2) расстояние, проходимое сигналом за время, соответствующее фазе
Ф и равное Фλ/2π, т. е.



2
Ф
N
D


. (5.6)
Следует иметь в виду, что помимо измерения фазы сигнала в точ- ке В здесь существует проблема многозначности, поскольку одна и та же фаза Ф существует в пределах каждого периода колебаний сигна- ла. Эта проблема может быть решена различными способами (привяз- ка по счислению или другой обсервации, выполненной менее точным способом, грубая привязка с использованием импульсного метода, дополнительное измерение на более низких частотах). Если расстоя- ние между точками излучения и приёма сигналов можно определить по соотношению (5.6), то разность расстояний до двух станций РНС, излучающих сигналы, определяется следующим образом:
t
0
D
Рис. 5.3. Фазовый метод определения расстояния
λ
λ
λ
λ
λ
λ
d
B
A

70









2
)
(
)
2
(
)
2
(
1 2
1 1
2 2
1 2
Ф
N
N
Ф
N
Ф
N
D
D
D











, (5.7) где ΔФ = Ф
2
– Ф
1
– разность фаз последних циклов радиоимпульсов двух станций РНС, принятых на судне. Формула (5.7) показывает принципиальную возможность определения разности расстояний до двух станций путём измерения разности фаз радиоимпульсов, излу- чаемых этими станциями.
В морской практике фазовый метод определения навигационного параметра впервые был реализован в РНС «Декка» в 1944 г. Эта РНС работала в диапазоне частот 70–130 кГц и была предназначена для определения местоположения судов и самолетов в любое время суток.
Она относится к классу гиперболических фазовых систем средней на- вигации: дальность действия составляет 250–300 миль. Система была структурирована в виде цепей, каждая из которых включала в себя, как правило, одну ведущую и три ведомых станции. Ведомые стан- ции, входящие в цепь, составляли с ведущей станцией пары, базы ко- торых были равны 70–120 миль. Ведомые станции назывались по цве- ту гиперболических изолиний на навигационных картах: красная, зе- леная и фиолетовая.
Для определения места использовались радионавигационные кар- ты-сетки, адмиралтейские номера которых сопровождались литерой
D. Карты издавались в меркаторской проекции в основных масштабах от 1:200 000 до 1:300 000. Радиальная СКП обсервации по двум лини- ям положения могла быть рассчитана по следующей приближенной формуле:
2 2
1 2
sin
Ф
m
М
d
d




, (5.8) где m
ΔФ
– погрешность измерения разности фаз; θ – угол пересечения гипербол, снимаемый с радионавигационной карты; d
1
и d
2
– значения ширины фазовых дорожек для соответствующих пар станций, сни- маемые с радионавигационной карты, мили или кбт. В соответствии с анализом выражения (5.3) ширина дорожек увеличивается по мере удаления от станций и перпендикуляра, восстановленного в централь- ной точке базы.
При определении места по 3 гиперболам точность обсервации была примерно на 10–15 % больше, чем по двум гиперболам.

71
С 2000 г. начался массовый вывод цепочек РНС «Декка» из нави- гационного использования. В настоящее время в эксплуатации оста- лось лишь несколько цепочек этой системы.
Другим примером фазовой системы является глобальная РНС
«Омега», которая уже более 10 лет (1996 г.) как выведена из эксплуа- тации. Эта система позволяла определять место судна в любой точке
Мирового океана на поверхности и под водой на глубинах до 30 м, поскольку работала на сверхдлинных волнах (22–30 км), распростра- няющихся на большие расстояния и под водой. В состав этой системы входило 8 береговых станций, располагавшихся по всему миру на рас- стоянии 6–8 тыс. км друг от друга и работавших на одной и той же частоте в определенной последовательности, т. е. на основе времен- ной селекции сигналов.
Место судна определялось табличным или картографическим способом. Радионавигационные карты для этой системы были, как правило, генеральными. Измеренные значения разности фаз исправ- лялись поправками, или выбираемыми из специальных таблиц, или приводимыми на картах. Для среднестатистических условий наблю- дений радиальная погрешность определения места составляла при- мерно 1,5 мили днем и 2 мили ночью.
5.3. Импульсно-фазовая РНС «Лоран-С», принцип действия,
методы и точность определения места
РНС «Лоран-С» является импульсно-фазовой системой дальней навигации. Она разработана в США и была введена в обычный режим эксплуатации в конце 1950-х годов. Система работает на более низкой частоте (100 кГц), чем РНС «Лоран-А». Радиоволны этой частоты, длина которых составляет около 3000 м, распространяются вдоль зем- ной поверхности как прямолинейно (поверхностные волны), так и от- ражаясь от одного из атмосферных слоев (пространственные волны).
Судовой ПИ может принимать и поверхностные, и пространственные радиоволны, обеспечивая возможность определения места судна на расстояниях до 1200 миль при работе на поверхностных волнах и поч- ти в два раза больше – на пространственных.
Цепочка РНС «Лоран-С» состоит из четырех-пяти станций, одна из которых является ведущей, остальные – ведомыми, которые на кар- тах и в пособиях обозначаются буквами W, X, Y и Z. Количество ве- домых станций в цепочке определяет количество пар, т. е. количество изолиний, которые могут быть получены с помощью данной цепочки.
Работа РНС «Лоран-С» основана на измерении промежутка времени

72 между моментами прихода импульсов ведущей и ведомых станций
(как в РНС «Лоран-А») и на измерении разности фаз высокочастотных колебаний, заполняющих импульсы (как в РНС «Декка»). Таким обра- зом, в РНС «Лоран-С» используются два метода определения разно- сти расстояний: 1) импульсный – для грубого определения места суд- на и устранения многозначности в фазовых измерениях и 2) фазовый
– для точного определения места судна.
Все береговые станции цепочки РНС «Лоран-С» работают не- прерывно на одной и той же несущей частоте, не излучая никаких по- зывных. Ведомые станции принимают сигналы ведущей станции, с высокой точностью синхронизируют по ним свои генераторы и с не- которой заданной постоянной задержкой излучают свои сигналы.
Следовательно, выражение (5.5) для каждой пары цепочки РНС «Ло- ран-С» приобретает следующий вид:
ΔD = vΔt = v(Δt – t
З
), (5.9)
где t
З
– постоянная задержка, которая, в свою очередь, определяется следующим образом:
t
З
= t
b
+ t
к ,
(
5.10) где t
b
= b/v – интервал времени, в течение которого сигнал ведущей станции проходитрасстояние, равное базе данной пары станций b; t
к
– кодовая задержка, устанавливаемая обслуживающим персоналом станции. Таким образом, временное расположение сигналов ведущей и ведомых станций цепочки РНС «Лоран-С» будет таким, как показа- но на рис. 5.4, где Т – период повторения последовательности излуче- ния сигналов станций. Сигналы ведомых станций представляют собой группу из восьми импульсов, что позволяет в 4 раза увеличить общую мощность сигнала по сравнению с излучением одноимпульсного сиг- нала (это позволяет значительно увеличить дальность действия РНС).
Ведущая станция дополнительно к восьми импульсам излучает не- сколько отстоящий от группы девятый импульс, по которому можно опознать сигналы этой станции.
С учетом этих особенностей работы станций РНС «Лоран-С» из- мерение интервала времени между моментами прихода сигналов ве- дущей и ведомой станций выполняется следующим образом. Если принять, что на рис. 5.2 ведущая станция находится в точке А, а ведо- мая – в точке В, то, учитывая, что ведомая станция работает с посто- янной задержкой t
З
= t
b
+ t
к
, измеренный в точке С интервал времени

73 между моментами прихода импульсов ведущей и ведомой станции будет равен
к
b
B
A
и
t
t
D
D
t





)
(
2 1
(5.11)
В этом случае Δt
и
измеряется импульсным методом, т. е. с невы- сокой точностью (грубо). Более точно Δt
и
можно измерить фазовым методом – путем измерения разности фаз ΔФ между колебаниями, за- полняющими импульсы ведущей и ведомой станций
и
B
A
t
T
t
t
Т
Ф







2
)
(
2
, (5.12) где Т – период несущих колебаний
Из формулы (5.12) видно, что значение Δt
и
связано с разностью фаз ΔФ следующим соотношением:
Т
Ф
t
и

2



(5.13)
2
З
t
1
З
t
3
З
t
4
З
t
Т
Ведущая
станция
W
X
Y
Z
Ведущая
станция
Ведомые станции
Рис. 5.4. Последовательность приема сигналов ведущей и ведомой стан- ций цепочки РНС «Лоран-С» судовым приёмоиндикатором