Введение.

 

Одной из основных задач в судовождении является определение истинного места судна независимо от види­мости и состояния моря с любой периодичностью во вре­мени. В настоящее время наиболее полно эта задача ре­шается с помощью наземных и частично спутниковых радионавигационных систем (РНС). Как следствие ре­шения основной задачи РНС позволяют определять аб­солютную путевую скорость судна, путевой угол, прой­денный путь, время (с точностью до 0,1 мкс), а также обеспечивать диспетчерское управление движением су­дов в стесненных условиях и на подходах к пор­там.

РНС включают в себя три функционально взаимосвязанных комплекса радиотехнической аппаратуры:

1) передающие станции, устанавливаемые на неподвижных или подвижных точках с известными координатами;

2) приемоиндикаторы, устанавливаемые на судах, военных ко­раблях и других подвижных объектах и позволяющие по принятым сигналам от передающих станций с помощью вычислителей или спе­циальных карт и таблиц определять необходимые навигационные дан­ные;

3) береговая аппаратура управления передающими станциями.

РНС, в отличие от средств радиосвязи, являются измерительными системами. Полезная информация в РНС образуется не в передающем тракте, а в тракте распространения радиоволн благодаря функциональной зависимости параметров электромагнитного поля принимае­мых сигналов от координат судна. По существу РНС базируются на свойстве радиоволн распространяться в однородной среде по крат­чайшим расстояниям с конечной скоростью (~ 300 м/мкс).

Важное значение имеет и свойство интерференции радиоволн, которое обусловливает появление перемежающихся зон максимальной и минимальной интенсивности суммарного поля от двух источников когерентных колебаний.

РНС классифицируются по ряду критериев. Один из основных критериев — вид параметра электромагнитного поля, в результате измерения которого выделяется полезная информация о данных, не­обходимых для навигации судна.

Если полезная информация выявляется при измерении величины сдвига временного положения принимаемого радиоимпульса относительно эталонной и общей для береговой и судовой аппаратуры шкалы времени, то РНС относится к временной. Временные РНС, как правило, являются импульсными.

В фазовых РНС временное положение сигнала оценивается из фазовых измерений. Особенностью фазовых РНС является то что они позволяют определить запаздывание одного колебания относительно другого лишь в пределах периода.

Если мгновенная частота излучаемых колебаний непостоянна и меняется по неко­торому закону, тогда по измерениям частоты при­нимаемого колебания относи­тельно эталонной можно определить расстояние и РНС такого типа следует отнести к частотным.

В принципе можно построить и амплитудную РНС, в которой полезная информация о дальности получается при измерении амплитуды электрической составляющей поля. Однако непостоянство величины ослабления сигнала делает такие измерения дальности недостоверными.

Амплитудные РНС находят широкое применение в основном для измерения углов между эталонным направлением и направлением на передающую станцию.

Второй критерий классификации РНС обусловливается геометри­ческими величинами, которые измеряются приемоиндикатором: углом, расстоянием, разностью расстояний, линейной комбинацией рас­стояний. Прежде чем обсуждать это направление классификации РНС, целесообразно привести некоторые понятия и термины из курса об­щей навигации.

Определение места судна в на­вигации математически решается как задача об отыска­нии положения точки на земной поверхности или на проекции этой поверхности (на навигационной карте). Как известно, положение точки на поверхности может быть определено пересечением минимум двух линий. Для того чтобы РНС могли способствовать решению задач навигации, они должны давать возможность построить на карте эти две линии положения (ЛП) судна с доста­точной точностью. Измеряемыми геометрическими вели­чинами в РНС могут быть углы, расстояния до излуча­теля, разности расстояний до двух излучателей.

Угломерные РНС применяются на сравнительно не­больших расстояниях от береговых передающих стан­ций, радиомаяков и имеют недостаточную точность оп­ределения места.

Дальномерные РНС, несмотря на их преимущество с геометрической точки зрения перед любыми другими си­стемами, пока не нашли широкого применения на мор­ском флоте из-за отсутствия генераторов колебаний — хранителей времени высокой стабильности, которые формируют шкалу времени.

Наивысшие точности определения места среди них на средних дальностях дают фазовые радионавигационные системы.

Однако фазовые РНС дают многозначные отчеты и зависят от распространения пространственных, отражен­ных от ионосферы радиоволн. Это ограничивает даль­ность действия систем ночью до 150—240 миль.

Для устранения многозначности фазовых отсчетов из­лучаются специальные сигналы, а в судовые устройства вводятся дополнительные индикаторные цепи. Поэтому наряду с фазовыми РНС создавались и импульсные, главным достоинством которых является возможность разделения сигналов, распространяющихся поверхност­ными и пространственными лучами. Такое разделение сигналов позволяет использовать поверхностные радио­импульсы для точных определений места на значитель­ных удалениях от береговых станций. Использование пространственных радиоимпульсов еще более увеличи­вает рабочую область РНС для определений места суд­на с точностью, достаточной при плаваниях в открытом море. Однако импульсные РНС уступают фазовым систе­мам по точности, простоте и быстроте определений ме­ста.

Стремление увеличить дальность действия РНС при сохранении точности фазовых измерений привело к раз­работке импульсно-фазовых систем с излучением сигналов в диапазоне длинных радиоволн. Определение места судна в импульсно-фазовых РНС производится путем измерения разности фаз между несущими колебаниями, заполняющими радиоимпульс. Огибающая радио­импульсов служит для устранения многозначности фазо­вых измерений.

Импульсно-фазовые системы объединяют положительные и исклю­чают отрицательные свойства импульсных и фазовых РНС, работающих в диапазоне длинных и средних волн.

Импульсные системы позволяют избавиться от влияния простран­ственных радиоволн и поэтому обеспечивают перекрытие обширных рабочих зон, но в импульсных системах точность измерения времен­ного положения огибающей радиоимпульсов существенно ниже, чем точность фазовых измерений.

Фазовые системы используют непрерывные сигналы и позволяют измерять временное запаздывание сигналов с точностью до сотых до­лей периодов высокочастотных составляющих этих сигналов, но под­вержены сильному влиянию отраженных от ионосферы радиоволн, что практически не позволяет использовать фазовые системы на больших удаленьях ночью.

Основные принципы работы длинноволновой импульсно-фазо­вой системы (ИФРНС) «Лоран-С». Береговые передающие станции ИФ РНС работают группами, образующими единую цепочку. Цепочка со­стоит из ведущей станции и нескольких ведомых станций (двух—пяти) излучения радиоимпульсов которых строго синхронизированы передачами ведущей станции. Каждая ведомая станция с ведущей образуют пару, которая определяет гиперболические изолинии системы. Длина баз пар станций — от 600 до 800 миль.

return false">ссылка скрыта

Такие сравнительно длинные базы обеспечивают хорошие углы пересечения линий положения судна, полученные от разных пар на значительных расстояниях от береговых станций.

Ведомые станции принимают радиоимпульсы ведущей станции и используют их для точной синхронизации по частоте и фазе собствен­ных излучаемых радиоимпульсов. Синхронизация ведется как по оги­бающим, так и по фазе высокочастотных заполнений радиоимпульсов. Сигналы ведомых станций излучаются в определенной очередности, после чего излучает снова ведущая станция и т. д. Каждая из N стан­ций излучает свои сигналы спустя некоторый защитный промежуток времени t_зщ после момента приема сигналов станции, которая в за данной очередности излучений является предшествующей.

Все цепи системы работают на несущей частоте 100 кГц и отлича­ются лишь периодами повторения, которые объединяются в четыре группы и обозначаются буквами S, SH, SL, SS. Каждая группа со­стоит из восьми рекуррентных частот повторения, обозначаемых поряд­ковым номером N от 0 до 7. Численное значение периодов следования в микросекундах определяется: для цепочек, обозначаемых S, — фор­мулой T_S= (500 — N)×100; для цепочек, обозначаемых SH, — фор­мулой T_SH = (600 — N)×100; для цепочек, обозначаемых SL, — формулой T_SL = (800 —N)×100 и для цепочек, обозначаемых SS, — формулой T_SS= (1000—N)×100.

Дальность действия системы зависит от средней мощности излучаемых сигналов, которая равна импульсной мощности сигнала, умноженной на отношение длительности импульса к периоду повторения.

Увеличение импульсной мощности ограничивается эффективностью антенн и их электрической прочностью. Увеличение длительности им­пульса не приводит к желаемому результату, так как в импульсно-фазовой системе используется только начальная часть импульса дли­тельностью 30—40 мкс, которая не подвержена воздействию простран­ственной волны. И, наконец, увеличение средней мощности можно по­лучить, уменьшая значение Т. Однако величина Т, как указывалось выше, определяет возможность приема сигналов ведущей и ведомых станций без перекрытия их между собой во всей рабочей зоне системы. Поэтому уменьшение значения Т допустимо до определенных значений.

В системе «Лоран-С» применен особый способ увеличения средней мощности. Он заключается в том, что. станция излучает не один им­пульс за период Т, а целую серию, состоящую из восьми импульсов на ведомых станциях и девяти—на ведущей. Девятый импульс излучается для визуального опознавания ведущей станции и для пе­редачи простейших команд ведомым станциям. Длительность каждого импульса 100—120 мкс на уровне 6 дБ, промежуток между импульсами в серии 1000 мкс, т. е. длительность всей серии из восьми импульсов составляет 7000 мкс.

Излучения серии («пакета») приводят к техническим усложнениям системы. Основной из причин усложнения является необходимость ус­транения влияния пространственных радиоволн кратного отражения каждого предыдущего импульса «пакета» на последующий поверх­ностный импульс в серии.

Устранение влияния пространственных волн от предыдущих им­пульсов на последующие достигается применением фазового кодиро­вания, которое заключается в изменении фазы колебаний высокочас­тотного заполнения в каждом импульсе серии на 180°. При этом фазирование импульсов четных серий отличается от фазирования нечетных серий и для устранения влияния пространственных волн используется два периода Т повторения серий импульсов.

В табл. 1 показано фазовое кодирование, примененное в системе «Лоран-С». Здесь знак « + » условно отвечает фазе несущих колебаний, принятой за 0°, а знак «—» изменению этой фазы на 180°.

Таблица 1

Излучения	Ведущая	Ведомая
Импульсы	1 2 3 4 5 6 7 8	1 2 3 4 5 6 7 8
Четные серии	+ + - - + - + -	+ + + + + - - +
Нечетные	+ - - + + + + +	+ - + - + + - -

Фазовое кодирование импуль­сов в серии устраняет влияние пространственных волн предыдущего импульса в серии на последующий и облегчает автоматическое опознавание ведущей станции и слежение за ней при превышениях уровня шумов над сигналом. В настоящее время осуществляется авто­матическое слежение за сигналами ведущей станции до соотношений сигнал/помеха = 1 : 10 (20 дБ) на отсчетном уровне импульсов. При таком высоком уровне шумов визуальное опознавание сигналов станции на экране индикатора невозможно, так как шумы полностью маскируют полезные сигналы.

Сигналы «Лоран-С» используются не только для навигации, но и в качестве сигналов точного времени.