РНПиС_ответы


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
1 1. Основные методы радиолокаций. Импульсный метод измерения дальности.Опред направ на объект. Основные методы радиолокации. Наибольшее распространение получила активная импульсная Р. Вследствие того, что излучение зондирующего импульса заканчивается раньше прихода отражённого сигнала, для передачи и приёма в импульсных РЛС служит одна и та же антенна. Укрупнённая блок - схема РЛС изображена на рис. 1. Широкое применение в передающих устройствах РЛС нашли магнетроны , однако в большинстве современных РЛС передатчик построен по схеме усилителя электрических колебаний (с выходным каскадом на клистроне или лампе бегущей волны )и имеет задающий ВЧ - генератор, служащий также источником гетеродинного напряжения приёмник а (см. также Радиоприёмные устройства ) , а процессор сигнала представляет собой цифр овое устройство, на к - рое принятые сигналы поступают после аналогово - цифрового преобразователя. Устройство отображения выполняется обычно на приёмных электронно - лучевых трубках и даёт наглядную координатную и дополнит. информацию о наблюдаемых объектах, контролируемых зонах пространства и имеющихся помехах (напр., гидрометеорах). Направление на объект Р. в РЛС с механически управляемой антенной определя ют по угловому её положению, при к - ром величина принимаемого сигнала достигает максимума͖ в РЛС с электронно управляемым лучом вместо угл. положения антенны измеряют угл. положение луча относительно нормали к раскрыву антенны. Импульсный и фазовый метод измерения дальности В современной лазерной локации используются два основных метода измерения наклонной дальности – импульсный и фазовый. Сразу оговоримся, что в лидарах воздушного базирования в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных лидарах – и импульсный, и фазовый. Причины этого явления мы обсудим позднее, а пока рассмотрим эти два метода измерения дальности подробно. 2 Рисунок 6. Рост производительности лазерных локаторов импульсного типа. Импульсный метод Реализация импульсного метода измерения наклонной дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения электромагнитн ых колебаний в атмосфере , замеренная продолжительность распространения лазерного импульса Ti позволяет определить наклонную дальность Di по простой формуле͗ На рисунке 7 представлена типовая форма зондирующего лазерного импульса в лидарах типа ALTM канадской компании Optech =nc., а на рисунке 8 показана принципиальная схема приемопередатчика при реализации данной схемы измерения. Рисунок 7. Типовая форма зондирующего импульса при импульсном методе локации 3 Рисунок 8. Принципиальная схема приемопередатчика при импульсном методе 2.Основные технические характеристики судовых НРЛС Основными тактическими характеристиками судовой НРЛС являются͗ максимальная и минимальная дальности обнаружения объектов͖ разрешающая способность по дальности͖ разрешающая способность по углу͖ точность в определении дальности и направлений. Максимальная дальность обнаружения объектов зависит от импульсной мощности передатчика РИ, коэффициента направленного действия анте нны G, длительности излучаемого импульса т, полосы пропускания приемника НРЛС Af , эффективной отражающей площади объекта SЭ, высоты антенны НРЛС h1 и высоты отражающего объекта кг, а также от чувствительности приемника Pпp.min Технические характеристики НРЛС и величины, от которых зависит максимальная дальность обнаружения, связаны следующей зависимостью͗ Формула (127) определяет дальность действия НРЛС в свободном пространстве. Однако ультракороткие волны сантиметрового диапазона, применяемые в НРЛС , распространяются прямолинейно, поэтому дальность обнаружения ограничивается прямой видимостью. С учетом атмосферной рефракции при нормальном ее состоянии дальность радиолокационного горизонта Д рассчитывается но формуле 4 Минимальная дальность обнару жения объектов зависит от длительности излучаемого импульса х и промежутка времени т1 необходимого для перехода станции с режима «Передача» на режим «Прием». Для уменьшения минимальной дальности обнаружения объектов в судовых НРЛС длительность зондирующи х импульсов т принимается равной 0,1 — 1,0 мксек. При т = 0,5 мксек и t1 = 0,2т = = 0,1 мксек минимальная дальность обнаружения Минимальная дальность обнаружения зависит также от высоты антенны и ширины диаграммы направленности в вертикальной плоскости . Эта зависимость определяется по формуле где h — высота антенны над уровнем моря͖ аb — ширина диаграммы направленности. Разрешающаяся способность НРЛС по дальности — это способность НРЛС изображать на экране ИКО объекты, расположенные на различных расстояниях от судна, но находящиеся на одном пеленге. Она характеризуется минимальным расстоянием AD между объектами, при котором они изображаются на экране ЭЛТ раздельно. Чем меньше расстояние AD, тем лучше разрешающая способность НРЛС. Разрешающая сп особность зависит от длительности зондирующего импульса т, диаметра электронного пятна на экране ЭЛТ, диаметра экрана ЭЛТ и просматриваемого диапазона. Разрешающая способность НРЛС по углу — это способность НРЛС изображать на экране ЭЛТ раздельно объекты , расположенные на различных курсовых углах, но находящихся на одинаковом расстоянии от судна. Она характеризуется разрешающим углом Да — минимальным углом между объектами, при котором они раздельно изображаются на экране ЭЛТ. Этот угол зависит от ширины диа граммы направленности в горизонтальной плоскости ar, диаметра электронного пятна, диаметра экрана и расстояния от центра экрана до отметки объекта. 3. Эксплуатационные характеристики Эксплуатационные характеристики определяют возможности морских НРЛС для решения навигационных задач как самостоятельно, так и во взаимодействии с другими радиоэлектронными средствами. К эксплуатационным характеристикам (иногда – «данным») относятся͗ определяемые координаты и возможность получения траекторий дв ижения целей͖ максимальная дальность действия – D max ; минимальная дальность действия (обнаружения) - D min ; разрешающая способность по определяемым координатам – по дальности - Δ D и по углу - Δα ; точность измерения определяемых координат͖ количество целей, информация о которых может обрабатываться одновременно͖ время приведения НРЛС в рабочее состояние с момента ее включения͖ 5 помехозащищенность͖ надежность͖ работоспособность при различных механических и климатических условиях. Максимальная дальность радиолок ационного обнаружения зависит от технических параметров НРЛС, отражающих свойств объекта, состояния атмосферы, подстилающей (водной) поверхности и других причин. Минимальная дальность действия НРЛС – то есть минимальное расстояние, при котором цель уже ото бражается на ЭЛТ, определяется длительностью зондирующего импульса, временем восстановления чувствительности приемника, инерционностью антенного переключателя, временем восстановления газового разрядника при переходе работы НРЛС из режима «передача» в режи м «прием». Согласно уравнения радиолокации (1) D= 2 D ct следует, что c t D D = 2 . (2) Отсюда следует, что длительность зондирующего импульса τ зи , согласно уравнению (2) определяет дистанцию D ( τ зи ) 150 2 = τ = зи c τ зи , (3) где - τ зи [ мкс ]. Для коротких τ зи ≤1 мкс принято считать, что время восстановления чувствительности приемника НРЛС t в ≈ τ зи . В этом случае минимальная дальность действия определяется уравнением D min =150(t в + τ зи ) ≈ 300 τ зи . (4) Уменьшаться минимальное расстояние будет и при укорочении волноводного тракта, так как при прохождении импульсов от приемопередатчика в антенну (и обратно) потребуется меньше времени. В современных 4. Мертвая зона и теневые сектора НРЛС Однако следует учитывать, что на реальную минимальную дальность действия НРЛС существенное влияние оказывают так называемая мертвая зона и теневые сектора . Из рис.1.13 видно, что мертвая зона – D м.з . зависит от высоты установки антенны НРЛС и ее ширины диаграммы направленности в вертикальной плоскости θ . На рис.1.13 обозначены͗ h - высота установки антенны судовой НРЛС, θ - ширина диаграммы направленности ее антенны в вертикальной плоскости. 6 D м.з . =h . ctg( θ / 2 ) . 5. дальность радиолокационного наблюдения в свободном пространстве Дальность действия НРЛС в свободном пространстве Дальность действия НРЛС в свободном пространстве определяется максимальным расстоянием между НРЛС и объектом, который должна обнаружить НРЛС. Под дальностью действия НРЛС в свободном пространстве подразумевается дальность, зависящая от технических характеристик НЛРС и от отражающих свойств облучаемого объекта [1,9,10]. (Влияние атмосферы, формы Земли и подстилающей поверхности, при этом, не учитываются). 20 Максимальную дальность НРЛС max определяется таким образом͗ D Если бы антенна была ненаправленной, то есть представляла собой изотропный излучатель, то она создавала бы при импульсном излучении мощностью P и плотность потока мощности на поверхности сферы у объекта П 4 2 И D P π = , где͗ P и - импульсная мощность передатчика͖ 4 π D 2 - площадь поверхности сферы радиусом D . Но, так как реальная антенна характеризуется коэффициентом направленного действия 2 а 4 λ ⋅ π G = S , где - площадь раскрыва антенны то, благодаря коэффициенту направленности, на объект воздействует плотность потока мощности (см. рис.2.1.) П 1 а S 4 2 И D P G π = .Под воздействием этого (падающего) потока мощности объект переизлучает (так как на его поверхности возникают СВЧ токи) в пространство мощность, определяемая уравнением Р= П 1 ⋅ S э 2 4 И 7 D P G π = ⋅ S э , где S э - эффективная поверхность отражения цели. Эта мощность создает в окружающем пространстве, то есть – и на раскрыве (поверхности) антенны НРЛС плотность потока мощности, равную П 2 2 2 4 4 (4 ) И D PG D P π = π = ⋅ S э . В свою очередь, учитывая, что антенна обладает определенным коэффициентом усиления G (см. уравнение 27), то есть π λ = 4 2 а G S , (36) то на вход приемника (под воздействием плотности потока мощности П 2 ) воздействует мощность Р пр = П 2 ⋅ S a 2 4 (4 ) И D P GS a π = ⋅ S э . Подставив в полученное уравнение уравнение (36), получим Р пр 3 4 2 2 (4 ) И D P G π λ = ⋅ S э . А с учетом потерь в антенно - волноводном тракте НРЛС, характеризующихся 1 η - к.п.д. передающего тракта и - к.п.д. приемного тракта (обычно ) получим͗ 2 η 0,8 0,9 η 1 ≈ η 2 ≈ K Р пр 3 4 1 2 2 2 (4 ) И D P G 8 π λ η η = ⋅ S э . (37) При условии, что приемник обладает максимальной чувствительностью, то есть Р пр. = Р пр. min , из уравнения (37) находим, что max равно͗ D D max ( ) 4 . 3 1 2 2 э 2 ПР И 4 min Р P G S π λ η η = . (38) Уравнение (38) называют еще уравнением дальности НРЛС в свободном пространстве . Из него видно, что зависит от импульсной мощности передатчика, чувствительности приемника, __ 6. влияние атмосферы на дальность действия НРЛС Влияние атмосферы на дальность действия НРЛС Атмосфера может изменять распространения СВЧ радиоволны от их прямолинейного распространения, а также поглощать и рассеивать энергию СВЧ колебаний [2,15]. В радиолокации, на отображение навигационной обстановки, могут сказываться такие явлени я, как субрефракция и сверхрефракция . Характер и величина атмосферной рефракции зависят от значения вертикального градиента коэффициента преломления по высоте - dh dn , где͗ 0 n = ε 0 - изменение коэффициента преломления ( ε - диэлектрическая проницаемость) ; h − высота. Субрефракция – (см. рис.3.3) возникает при условии dn 〉 0 dh . При этом явлении луч СВЧ колебаний изгибается вверх (луч “а”), что приводит к реальному уменьшению дальности действия (обнаружения целей) НРЛС. Это явление может происходить на высоких широтах, когда холодная масса воздуха проходит над более теплой поверхностью (например, ветер дует над открытой водой после прохождения его надо льдом). Рис.3.4 Сверхрефракция – (см. рис.3.3, луч “в”) возникает при условии dn 〈 0 dh . При этом явлении СВЧ колебания изгибаются вниз. Сверхрефракция может происходить, 9 если воздух, пройдя над теплой сушей, проходит над относительно холодным 23 морем. Сверхрефракцию можно ожидать вблизи суши и в умеренной и тропической зонах. Она может проявиться в о ткрытом море, далеко от берегов, особенно в районах пассатов. В результате сверхрефракции значительно увеличивается дальность обнаружения объектов (больше, по сравнению с нормальным распространением СВЧ импульсов – луч “б”, рис.3.3). Сверхрефракция встреча ется достаточно часто [2,15]. В Ла - Манше, например, ветер обычно дует со стороны суши. Весной и летом, когда температура суши часто выше, чем температура воды, сверхрефракцию можно ожидать почти все время. В Средиземном море, которое также окружено сушей, сверхрефракция наблюдалась девять дней из десяти в течение весны и лета. Чем больше разница температур между воздухом и морем, тем больше будут проявляться эти явления. Поверхностный волноводный радиоканал . Иногда оператор НРЛС может обнаружить цели на чре звычайно больших дальностях, и в то же время он не может обнаружить цели в пределах выбранной шкалы дальности (в том числе и максимальной) при условии, что НРЛС технически исправна. Эти явления происходят во время крайних случаев сверхрефракции. Из - за некоторого состояния атмосферы, СВЧ импульсы НРЛС распространяются под углами 1° или меньше к поверхности моря и могут отражаться слоями атмосферы. Таким образом возникает поверхностный радиоканал . В поверхностном радиоканале, показанном на рисунке 3.4, СВ Ч Рис.3.4 импульсы НРЛС (радарные лучи) преломляются вниз к поверхности моря, затем отражаются вверх, снова преломляются вниз в пределах канала, и так далее непрерывно. Простирается радиоканал на достаточно большие расстояния, достигая иногда сотни морских миль. Поверхностный волноводный радиоканал может образоваться на высотах несколько сот метров͗ два прилегающих слоя воздуха могут иметь настолько различные коэффициенты преломления, что верхний слой повторно отражает излученный импульс. Таким образом, имп ульсы НРЛС и их эхо (отражения) могут распространяться на очень большое расстояние. Именно это явление может вызывать необъяснимое изображение навигационной ситуации на индикаторе НРЛС. На дальность действия НРЛС существенно сказывается затухание энергии р адиоволн в кислороде, парах воды, гидрометеорах и др. С укорочением длины волны затухание увеличивается. Максимальное поглощение энергии парами воды происходит на λ =1,34 см и 0,16 см , а кислородом – на λ = 0,5 см и 0,25 см . Затухание радиоволн, вызванное д ождем, туманом, снегом, происходит по двум причинам. Во - первых, капли воды в атмосфере – несовершенный диэлектрик для сантиметровых волн, поэтому возбуждаемые в них колебания расходуются на тепло (тепловая потеря энергии)͖ во - вторых, происходит отражение и рассеяние радиоволн. __ 10 7. влияние сферичности Земли на дальность действия НРЛС Влияние сферичности Земли на дальность действия НРЛС В диапазоне сантиметровых (особенно миллиметровых) радиоволн дифракция (способность радиоволн огибать выпуклую поверхность Земли) выражена очень слабо [2,5]. Поэтому эти радиоволны распространяются практически прямолинейно. Для определения прямолинейного распространения таких радиоволн воспользуемся рис.3.2. Из него следует, что ( + ) 2 − 2 + э 1 э D np = R h R ( ) 2 2 э 2 э R + h − R np 1 D 〉〉 h np 2 D 〉〉 h , (46) где R э - эффективный радиус Земли. Уравнение (46), вследствие того, что и , можно записать͗ ( ) np 1 2 D 2 R h h э = ⋅ + p k 1,33 p или, с учетом коэффициента рефракции , равным для стандартной Рис.3.2 атмосферы k = и радиуса Земли ≈ 6370 км , R э = 1,33 6370 = 8472,1 км . 1 h 2 h ⋅ С учетом того, что 1 морская миля = 1852 метра и, принимая значения высот и в метрах , находим значение дальности прямой радиолокационной “видимости” с учетом сферичности Земли в морских милях . ( ) np 1 2 D = 2,22 ⋅ h + h . (47) 11 8. Влияние водной поверхности 9.Основные свойства радиолокационных объектов….понятие о зеркальном и рассеянном отражении При зеркальном отражении СВЧ энергия в приемник НРЛС не поступает. Если же β λ 〉 8sin h - это шероховатая Рис.2.3. поверхность, создающая так называемое рассеянное отражение. При рассеянном отражении радиоволны распространяются в разные направления, и часть отраженной энергии поступает в приемник НРЛС. На дальних расстояниях (то есть угол β минимален) правая часть уравнения β λ 〈 8sin h увеличивается, а уменьшается. Таким образом, на больших расстояниях волнение от моря сказывается не существенно, в то время как на малых расстояниях миль – волнение сказывается существенно. 10. Эффективная поверхность отражения объектов простейшей формы Распределенными называются объекты, размеры которых превышают линейные размеры радиолокационного луча на местности. Делятся на поверхностные и объемные . Поверхностные - это участки водной поверхности, суши. Отражение от поверхностных объектов (целей) может быть зеркальным и рассеянным . Условием зеркальной поверхности (см. рис.2.3) является выполнение соотношения β λ 〈 8sin h . В этом случае отражение практ ически подчиняется оптическим законам, то есть угол падения β равен углу отражения. Поэтому отраженная радиоволна, как правило, на антенну НРЛС не 12 возвращается (за исключением нормально падающей радиоволны). 11.Эффективная поверхность отражения судов 12. Функциональная Схема НРЛС…. Несмотря на большое разнообразие технической реализации САРП, многие устройства выполняют общие функции. На основании этого можно с помощью упрощенной обобщенной функциональной схемы (рис.9.1) рассмотреть устройство и принцип работы САРП. Большинство САРП состоит из следующих приборов и устройств͗ датчиков информации, сопрягающих устройств и непосредственно индикатора ситуаций. В качестве датчиков информации в САРП применяются одно - или двух - диапазонные судовые РЛС, лаг и гир окомпас. Двухдиапазонная РЛС состоит (см. рис.9.1) из антенн 3 - х и 10 - ти Рис.9.1. Упрощенная обобщенная функциональная схема САРП сантиметрового диапазонов (A3, А10) ; приемопередатчиков 3 - х и 10 - ти сантиметрового диапазонов (ПЗ, П10) и двух индикаторов ИКО1 и ИКО2 . Информация от лага и гирокомпаса подается на ИКО для создания необходимых режимов ориентации изображения и режимов движения. 70 От РЛС поступают следующие данные͗ текущее значение углового положения антенны в пространстве (КУА) , видеосигналы о б окружающей обстановке (ВС) и импульсы синхронизации (ИС) . От лага и гирокомпаса поступает соответственно информация о скорости Vс , и курсе Кс собственного судна. Одно - или двухдиапазонная РЛС может использоваться в обычном режиме, и тогда на ИКО1 и/или И КО2 имеется возможность наблюдать окружающую радиолокационную обстановку и решать типичные радиолокационные задачи. В режиме автоматической радиолокационной прокладки (АРП) РЛС, выполняя обычные функции, является одновременно основным датчиком информации о наблюдаемой обстановке. Импульсы синхронизации в дальнейшем используются для синхронизации канала синхронизатора. Информация об угловом положении антенны после преобразования и кодирования используется в ряде трактов САРП. Данные лага о скорости и гироком паса о курсе судна, после преобразований, используются для формирования вектора скорости собственного судна, для вычисления параметров наблюдаемых целей, для создания режима ИД в режиме АРП и др. В САРП, кроме АРП, предусмотрена возможность ручного ввода данных о скорости и курсе судна. Информация от датчиков поступает в аналоговой форме, а кодирование и вывод ее в цифровой процессор или вычислительную машину требуют дискретной формы ее представления. Основное назначение сопрягающих устройство — преобразов ание данных в аналоговой форме, получаемых от датчиков информации, в дискретную для ее дальнейшего кодирования, преобразования и ввода в цифровой процессор и другие тракты САРП.__ 13 Радиолокационные импульсные передатчики Передатчик импульсной РЛС (рис.4 .1) содержит следующие основные элементы͗ генератор сверхвысокой частоты (ГСВЧ), модулятор, источник питания (выпрямитель). Генератор вырабатывает мощные кратковременные импульсы колебаний сверхвысокой частоты. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых вол н генераторами СВЧ являются магнетроны. Управление колебаниями генератора осуществляется модуляторным устройством, которое состоит из импульсного модулятора и подмодулятора. 13. Виды ориентации…. Виды ориентации Любая РЛС позволяет измерять дальности до объектов и их угловые координаты. В судовых НРЛС такими координатами являются курсовые углы (КУ) или пеленги. Радиокурсовым углом (РКУ), определяемым на экране РЛС, называется угол, заключенный между отметкой линии курса и направлением на объект. РКУ отсчитывается от отметки линии курса, находящейся в диаметральной плоскости судна, и имеет значения 0 ο - 180° левого или правого борта. Направление на объект также можно определять с помощью радиолокационного пеленга (РЛП) представляющего собой угол между п лоскостью географического меридиана и направлением на объект (рис.1.7). Пеленг отсчитывается по часовой стрелке от направления на Север (в пределах 360°), которое выводится на индикатор НРЛС от гирокомпаса. Измерение угловых координат основано на использов ании направленных свойств антенны РЛС в горизонтальной плоскости, т. е. угол между линией курса и 14 осью диаграммы излучения антенны, направленной на объект, будет курсовым углом (РКУ), а угол между Рис.1.7. Определение РКУ и РПУ направлениями на Север и на объект – пеленгом _______ (радиолокационным пеленгом - РЛП). В настоящее время в судовых НРЛС используется три вида ориентации – относительно диаметральной плоскости судна, т.н. ориентация по «КУРСУ», ориентация относительно Севера, т.н. ориентация по «СЕВЕР У» («НОРДУ») и ориентация «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ». В последних двух случаях НРЛС обязательно должна быть сопряжена с гирокомпасом. При ориентации по «КУРСУ» (см. рис.1.8) отсчет углового положения антенны осуществляется относительно диаметрали судна и ази мутальное направление на цель определяется курсовым углом . Отметка курса направлена вверх и находится на нуле отсчета неподвижной шкалы. Визир направлен на цель, находящуюся Рис.1.8.Пример радиолокационного на курсовом угле, например, 80° правого борта. изображения при ориентации При изменении курса судна происходит смещение по «Курсу» всего изображения . Отметка курса при этом 6 остается неподвижной. Навигационное изображение на ЭЛТ при такой ориентации может быть смазанным из - за рыскания судна во время е го движения, в то время как метка курса остается неподвижной. (Разновидностью ориентации по «КУРСУ» является ориентация «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ»). С введением в индикатор данных от гирокомпаса можно сохранить такое положение изображения, при котором северн ая часть компасного меридиана для изображаемой на экране области пространства будет находиться на одном и том же направлении при любом изменении курса судна. Этот режим ориентации изображения называется стабилизацией относительно Севера или ориентацией по «СЕВЕРУ». В данном случае (см. рис.1.9) мнимая линия северной части компасного меридиана всегда будет направлена вверх. Изображение не будет смещаться при изменении курса судна. Изменять свое положение будет только линия отметки курса, направление которой соответствует курсу судна. Величина этого изменения зависит от угла поворота судна. В этом случае отсчет углового положения антенны НРЛС осуществляется относительно истинного меридиана («СЕВЕРА») и угловое положение цели определяется пеленгом. Изображение ориентировано и стабилизировано относительно Севера. По неподвижной шкале отметка курса показывает курс судна, например, 184°. Рис.1.9. Пример радиолокационного Визир направлен на ту же цель. Тогда по неподвижной изображения при шкале отсчитывается радиоло кационный пеленг 264°. ориентации по «Северу» При изменении курса судна изображение остается неподвижным , меняет положение только отметка курса судна. Третий вид ориентации изображения - «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ» дает возможность стабилизации его относитель но Севера и одновременной ориентации относительно курса. При этом линия отметки курса будет вновь направлена только вверх (см. 15 рис.1.10), а изображение будет оставаться неподвижным. Линия отметки курса может смещаться при незначительных изменениях курса су дна (в частности, при «рыскании»). (В некоторых НРЛС ориентир «Север» отображается подвижным маркером). __ 16 14. Возможные виды изображения индикатора…. 15. синхронизатор РЛС «Наяда - 5»…. 17 18 16. Передатчик РЛС. Его назначение, состав. Основные временные соотношения процессов в передатчике. 19 20 21 22 23 24 17. Генератор СВЧ - магнетрон. Оссобенность его работы . 25 26 18. Модулятор радиолокационного передатчика с накопительной ёмкостью 27 19. Модулятор радиолокационного передатчика с накопительной линией 28 29 20. Импульсный линейный модулятор РЛ передатчика 30 21. Основные элементы волноводных линий 31 32 22. Газовый разрядник, назначения, принцип работы 33 34 23. Антенны НРЛС. Их характеристики и конструкции 35 36 37 24. Антенные переключатели, их назначение. Принцип работы 38 39 40 41 26. Структурная схема РЛ приемника. Основные временные соотношения 42 27. Основные блоки РЛ приемника. Их назначение Где то в ответе 26 28. Преобразование частоты в РЛ приемниках. Маломощные генераторы СВЧ (с исп. Клистрона или диода Ганна) 43 44 29. Усилители промежуточной частоты РЛ приемников. Назначение и их особенности 45 46 30. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) РП устройства РЛС. Ёё назначение. Упрощенная функциональная схема. Характеристика дискриминатора. 47 48 31. Временная автоматическая регулировка усиления приемника РЛС Эффективным средством борьбы с помехами, возникающие от морского волн сти сигналов от объектов, расп женная от объектов, расположенных на небо т е ения, а также от близкорасположенных объектов, является временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ). (Уровень „автоматической” регулировки определяется вручную самим оператором). ВАРУ необходима для выравнивания интенсивно оложенных на разных расс тояниях от антенны НРЛС, тем самым, обеспечивая одинаковое (равномерное) воспроизведение на экране индикатора целей, находящихся на различных дистанциях. Дело в том, что энергия, отра льшом расстоянии о НРЛС, на несколько порядков больш , чем от удаленных объектов. Поэтому чувствительный приемник НРЛС будет перегружен сигналами от близких объектов, в частности - от морских волн, в то время как эхо - сигналы от малоразмерных целей (например - буи, малые суда, катера, шлюпки) могут быть подавлены и своевременно не обнаружены. ВАРУ формирует управляющее напряжение (напряжение смещения в каскадахУПЧ) так, чтобы усиление приемника возрастало с увеличением дистанции до объекта. Практически управляющее напряжение ВАРУ имеет экспоненциальную характеристику. Принцип фо рмирования напряжения ВАРУ заключается в том, что одновременно с е ф ть 49 ой сост юще тавляющая Рис.6.5. ные каскады, тем самым увеличивает у потенциометра, может отре м достоинством ВАРУ является возможность устранения помех, вызы излучением зондирующего СВЧ импульса (рис.6.5), автоматически включается схема ВАРУ при мника, которая ормирует импульс, состоящий из прямоугольного импульса (длительнос которого равна длительности зондирующего импульса τ зи) и экспоненциальн авля й. Прямоугольная сос сигнала ВАРУ запирает усилительные каскады приемника на время излучения мощного СВЧ импульса, а экспоненциальная составляющая плавно, по экспоненте, постепенно открывает усилитель усиление приемника во времени (то есть – по дальности). Оператор с помощью схемы ВАРУ, и зменяя величин гулировать усиление приемника таким образом, что объекты с одинаковой эффективной поверхностью отражения или рассеяния, находясь на разных дистанциях, будут воспроизводиться на экране ЭЛТ индикатора с одной и той же интенсивностью. Другим ва жны ваемых отражением от взволнованной поверхности моря, которые постепенно убывают с расстоянием и являются однородными для различных направлений.__ 32. Способы уменьшения влияния на работу судовой РЛС отражений от морской поверхности и гидрометеоров. 33. Упрощенная функциональная схема индикатора РЛС. Основные временные соотношения. Индикатор кругового обзора (ИКО) предназначен для͗ 1. Воспроизведения на ИКО радиолокационного изображения характеризующее надводную остановку на основе информации,получаем ой от приемника НРЛС, лага и гирокомпаса. 2. Измерения координат надводных объектов. 50 3. Оперативного управления работой НРЛС и контроля ее работоспособности. ИКО классифицируется по следующим признакам͗ - по типу используемых воспроизводящих информацию уст ройств͖ - по назначению НРЛС͖ - по методу получения отметки цели͖ - по типу применяемой развертки Упрощенная функциональная схема ИКО приведена на рис.7.1. Блок ЭЛТ состоит из электронно - лучевой трубки (ЭЛТ), отклоняющей системы (ОС) и смещающих катуш ек (СмК). На ЭЛТ отображаются͗ навигационная обстановка, метки дальности, линия электронного визира – электронный визир направления (ЭВН), отметка курса. Канал основной развертки и развертки визира вырабатывает импульсы пилообразного напряжения для создани я основной развертки на различных шкалах дальности и развертки электронного визира направления. Формирователи НКД и ПКД предназначены для формирования неподвижных кругов (колец) дальности и подвижного круга (кольца) дальности. Блок истинного движения (ИД) обеспечивает создание этого режима. Для этого в блок должны поступать данные о скорости судна и гирокомпасного курса. Информация из блока ИД поступает в смещающие катушки. (Данные о скорости судна и его курсе, в случае неисправности лага или гирокомпаса, м ожно ввести вручную). Устройство управления и настройки индикатора и НРЛС – выполняет такие 51 функции͗ - включает и выключает НРЛС͖ - настраивает и регулирует изображение на ЭЛТ индикатора͖ - осуществляет оперативное управление НЛРС͖ - контролирует работоспособн ость НРЛС и др. Ориентация . Подавляющее большинство НРЛС обладает двумя видами ориентации – по “Курсу” и по “Северу” (“Норду”). Пилообразные импульсы основной развертки и развертки визира создают в ОС магнитные поля, под воздействием которых происходит отк лонение электронного луча по радиусу от центра к периметру трубки. В зависимости от способа создания вращающегося магнитного поля применяют ИКО с вращающейся отклоняющейся катушкой (ОК) и с неподвижными ОК. Если отклоняющие катушки неподвижные, то для полу чения вращающейся развертки дополнительно происходит модуляция пилообразных импульсов по закону синуса и косинуса угла поворота антенны. Если же используется вращающаясяотклоняющая катушка (в старых разработках НРЛС) – то она вращается на горловине ЭЛТ со скоростью вращения антенны. В зависимости от шкал дальности изменяется только длительность пилообразного импульса одновременно с длительностью подсвета прямого хода развертка (основной развертки или развертки визира). Амплитуда же пилообразных импульсов сохраняется постоянной, независимо от шкал дальности. Однако, для обеспечения режима истинного движения (ИД) или ручного смещения центра развертки, амплитуда пилообразного напряжения на соответствующих шкалах несколько больше, чем на шкалах, где отсутствую т эти режимы. Отклонение луча из центра экрана ЭЛТ по радиусу к его краю требует подачи в катушку отклонения импульса пилообразного тока с амплитудой, достаточной для отклонения луча на весь радиус экрана. Для получения постоянной скорости отклонения луча амплитуда импульса развертки должна также изменяться (нарастать) с постоянной скоростью. Время нарастания до определенной, конечной амплитуды (это время определяет время прямого хода развертки) определяет масштаб изображения (шкалу дальности) индикатора. Поэтому схема развертки должна обеспечивать получение пилообразных импульсов развертки различной длительности. Одновременно с подачей пилообразных импульсов в отклоняющую катушку на ЭЛТ должен подаваться импульс подсветки, который отпирает трубку только на время прямого хода луча (см. рис.7.2). Рис.7.2. Основные временные соотношения 52 электрических процессов в индикаторе Отклонение луча развертки на воспроизводящем устройстве должно происходить синхронно и синфазно с вращением антенны, обеспечивая тем самым возможность получения необходимого вида ориентировки изображения. Синхронность вращения луча развертки и антенны означает одинаковое число их оборотов за один и тот же период. Синфазность - одинаковые положения диаграммы направленности антенны и линии развертки, отсчитываемые соответственно относительно͗ диаметральной плоскости и нуля азимутального круга - при ориентировке по курсу или относительно меридиана и нуля азимутального круга - при ориентировке по «Северу». Из этого следует, что при ориен тировке 34. Принцип получения радиально - кругового обзора с неподвижной отклоняющей системой. 35. Формирование радиально - круговой развертки в РЛС с модуляцией пилообразного напряжения углом поворота антенны после ГПН (Наяда - 5) Катушки смещения и отклонения луча вызывают отклонение луча по радиусу экрана ЭЛТ, поэтому их магнитные поля должны быть также радиальными (электронный луч отклоняется в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям). В современных НРЛС катушки смещения и отклонения практически идентичны между собой. Каждая из них представляет собой систему взаимно перпендикулярных неподвижных катушек, создающих два взаимно перпендикулярных магнитных поля, которые вызывают радиальные отклонения луча в направлениях 0° - 180° и 90° - 270° азимуталь ного круга экрана индикатора. В катушки смещения подаются постоянные токи, направление и величины которых определяют соответственно - в каком направлении и, на какое расстояние будет смещен центр развертки. В катушки отклонения подаются пилообразные импуль сы токов развертки 53 одинаковой длительности. Соотношение амплитуд импульсов этих токов обусловливает направление радиального отклонения луча на экране. При синусно - косинусном законе изменения амплитуд пилообразных токов в зависимости от угла направления ан тенны обеспечивается радиально - круговая развертка. ЭЛТ вместе с катушками помещают в экран, устраняющий влияние на электронный луч посторонних магнитных полей. Экран трубки закрыт светофильтром из органического стекла, защищающим лицо и глаза оператора от ультрафиолетового излучения ЭЛТ. Светофильтр улучшает условия наблюдения при постороннем освещении и, кроме того, служит защитой при взрыве трубки. Экран снабжен обычно неподвижным азимутальным кругом, нулевое деление которого расположено в верхней (передн ей) части индикатора. В некоторых НРЛС применяют накладной отражательный (зеркальный) планшет, который размещен над экраном и позволяет вести на нем прокладку местоположения эхосигналов. В НРЛС широкое применение получили ЭЛТ с радиально - круговой развертко й, с магнитным управлением электронного луча. 52 Этот тип развертки позволяет легко воспринимать оператором информацию и идентифицировать (сравнивать) с визуально наблюдаемой обстановкой в районе нахождения судна. Упрощенная функциональная__ 36. Возможные виды отображения движения РЛС. Принцип формирования истинного движения судовой РЛС. В настоящее время в судовых НРЛС используется три вида ориентации – относительно диаметральной плоскости судна, т.н. ориентация по «КУРСУ», ориентация относительно Севера, т.н. ориентация по «СЕВЕРУ» («НОРДУ») и ориентация «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ». В последних двух случаях НРЛС обязательно должна быть сопряжена с гирокомпасом. При ориентации по «КУРСУ» (см. рис.1.8) отсчет углового положения антенны осуществляется относител ьно диаметрали судна и азимутальное направление на цель определяется курсовым углом . Отметка курса направлена вверх и находится на нуле отсчета неподвижной шкалы. Визир направлен на цель, находящуюся Рис.1.8.Пример радиолокационного на курсовом угле, например, 80° правого борта. изображения при ориентации При изменении курса судна происходит смещение по «Курсу» всего изображения . Отметка курса при этомостается неподвижной. Навигационное изображение на ЭЛТ при такой ориентации может быть смазанным из - за рыскания судна во время его движения, в то время как метка курса остается неподвижной. (Разновидностью ориентации по «КУРСУ» является ориентация «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ»). С введением в индикатор данных от гирокомпаса можно сохранить такое положение изобр ажения, при котором северная часть компасного меридиана для изображаемой на экране области пространства будет находиться на одном и том же направлении при любом изменении курса судна. Этот режим ориентации изображения называется стабилизацией относительно Севера или ориентацией по «СЕВЕРУ». В данном случае (см. рис.1.9) мнимая линия 54 северной части компасного меридиана всегда будет направлена вверх. Изображение не будет смещаться при изменении курса судна. Изменять свое положение будет только линия отметки к урса, направление которой соответствует курсу судна. Величина этого изменения зависит от угла поворота судна. В этом случае отсчет углового положения антенны НРЛС осуществляется относительно истинного меридиана («СЕВЕРА») и угловое положение цели определяет ся пеленгом. Изображение ориентировано и стабилизировано относительно Севера. По неподвижной шкале отметка курса показывает курс судна, например, 184°. Рис.1.9. Пример радиолокационного Визир направлен на ту же цель. Тогда по неподвижной изображения при шкале отсчитывается радиолокационный пеленг 264°. ориентации по «Северу» При изменении курса судна изображение остается неподвижным , меняет положение только отметка курса судна. Третий вид ориентации изображения - «КУРС СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ» дает возможность стабилизации его относительно Севера и одновременной ориентации относительно курса. При этом линия отметки курса будет вновь направлена только вверх (см. рис.1.10), а изображение будет оставаться неподвижным. Линия отметки курса может смещаться при незначи тельных изменениях курса судна (в частности, при «рыскании»). (В некоторых НРЛС ориентир «Север» отображается подвижным маркером). Рис.1.10. Пример радиолокационного изображения при ориентации по «Курсу стабилизированному» 1.2.2. Индикация относительного и истинного движения В рассмотренных выше режимах индикации радиолокационного изображения судно имеет фиксированное место на экране — центр начала развертки . При этом судно считается неподвижным. 7 При движении судна все отметки целей на экране будут совершать движение со скоростями, величина и направление которых будут определяться суммой скоростей движения судна и самих целей. Иначе говоря, это будут относительные движения отметок в судовой системе координат. Следовательно, все окружающие объе кты, изображаемые на экране, имеют видимое перемещение относительно судна, т. е. все они перемещаются с относительными скоростями по относительным направлениям в масштабе установленного изображения. Такой режим называется режимом индикации относительного движения (ОД). Режим ОД, как правило, осуществляется при ориентации изображения относительно курса либо Севера, а также может быть одновременно ориентирован по курсу и стабилизирован по Северу. В современных радиолокаторах используется также режим индикации истинного движения (ИД). В данном режиме центр начала развертки, принимаемый за отметку своего судна, перемещается по экрану со скоростью в направлении, соответствующему истинному курсу и скорости своего судна в масштабе изображения, стаби лизированного относительно Севера. Все неподвижные объекты на экране должны быть неподвижными, а движущиеся цели – перемещаться своими истинными курсами и скоростями. Для осуществления режима «Истинное движение» из относительного движения отметок целей выч итается собственное движение судна - носителя НРЛС [7]. В НРЛС операция вычитания выполняется смещением центра изображения, 55 который является отметкой своего судна, в направлении и со скоростью, которые вводятся в систему от лага и гирокомпаса. Пределы переме щения изображения своего судна на экране ограничиваются необходимостью - иметь возможность обнаруживать цели по корме и по носу при приближении своей отметки к краю экрана. В НРЛС, при первоначальном включении режима ИД и при последующих переориентациях, о тметка своего судна смещается в сторону, противоположную последнему курсу, на расстояние, соответствующее 2/3 радиуса экрана. Переориентация изображения на ИКО (режим «Возврат» - то есть отметка своего судна смещается по контркурсу на расстояние, соответст вующее 2/3 радиуса экрана) производится автоматически, если отметка своего судна приблизилась к краю экрана на 1/3 его радиуса (. Кроме того, возврат может быть выполнен оператором в любой момент вручную, нажатием соответствующей кнопки. Основным достоинством данного режима является то, что все неподвижные объекты, окружающие судно, воспроизводятся на экране как неподвижные, а отметки от подвижных объектов будут перемещаться по экрану не с относительными скоростями, как в режиме ОД, а с истинными и по истинным направлениям, соответствующим масштабу индицируемого изображения. Для выполнения этого режима в НРЛС должен быть блок истинного движения, в который поступают данные из гирокомпаса и лага. Как правило, этот режим осуществляется на шкалах до 8 м иль включительно. (Если в режиме ИД происходит смещение неподвижных объектов, то это указывает на то, что гирокомпас и/или лаг выдают неточные данные. Введя _______в блок ИД корректирующие данные на указанные приборы и добившись неподвижности неподвижных о бъектов, можно определить погрешность этих приборов). Недостатки относительного радиолокационного изображения при плавании вдоль побережий и в узкостях, а именно размазывание изображений неподвижных объектов и трудность их выделения среди подвижных, начина ют ощущаться только после работы в режиме ИД.__ 37. Назначение НКД(НВД). Способы их формирования. В НРЛС дальность до объекта с низкой точностью определяется с помощью неподвижных колец (кругов) дальности – НКД, а точное определение возможно с помощью подв ижного кольца (круга) дальности – ПКД. (Иногда в литературе эти импульсы обозначаются как НВД и ПВД – неподвижные визиры дальности и подвижный визир дальности). Сформированные метки НКД и ПКД отображаются на линии развертки сигнала, а ПКД – еще и на электр онной линии развертки визира. Для этого импульсы НКД и ПКД (синхронно с запускающими импульсами) подаются на модулятор или катод ЭЛТ. На линиях развертки сигнала и визира НКД и ПКД отображаются в виде ярких, коротких по длительности точек диаметром 0,8…1,0 мм . Для этого их длительность должна быть около 0,05…0,07 мкс . Они подаются на модулятор (или катод) ЭЛТ только во время прямого хода развертки, поэтому при ее вращении создаются видимые кольца (круги). Для т очного измерения дистанции до объекта импульс ПКД совмещается с отсчетным устройством. Число НКД зависит от модели НРЛС. Один из способов формирования НКД представлен на схеме рис.7.8. 56 Структурная схема формирования НКД таким способом приведена на рис. 7.11. Рис.7.11. Структурная схема формирования НКД в НРЛС «Наяда - 5» приведена на рис.7.12. 38. Назначение ПКД(ПВД). Способы их формирования. В НРЛС дальность до объекта с низкой точностью определяется с помощью неподвижных колец (кругов) дальности – НКД, а точное определение возможно с помощью подвижного кольца (круга) дальности – ПКД. (Иногда в литературе эти импульсы обозначаются как НВД и ПВД – неподвижные визиры дальности и подвижный визир дальности). Сформированные метки НКД и ПКД отображаются на линии развертки сигнала, а ПКД – еще и на электронной линии развертки визира. Для этого импульсы НКД и ПКД (синхронно с запускающими импульсами) подаются на модулятор или катод ЭЛТ. 57 На линиях развертки сигнала и визира НКД и ПКД отображаются в виде ярких, коротких по длительности точек диаметром 0,8…1,0 мм . Для этого их длительность должна быть около 0,05…0,07 мкс . Они подаются на модулятор (или катод) ЭЛТ только во время прямого хода развертки, поэтому при ее вращении создаются видимые кольца (круги). Для точного измерения дистанции до объекта импульс ПКД совмещается с отсчетным устройством. В судовых НРЛС получили распространение такие способы формирования ПКД͗ а) фазометрический - в НРЛС 50...60 - х годов разработки͖ б) компараторный (метод сравнения напр яжений)͖ в) комбинированный (сочетание способов а) и б))͖ г) цифровой. Принцип формирования ПКД компараторный способом (методом сравнения напряжений) приведен на схеме рис.7.13 и объясняется временными диаграммами Цифровой способ формирования ПКД. Упро щенная функциональная схема этого способа приведена на рис.7.15 и состоит из таких основных блоков͗ а) блок формирования опорных тактовых импульсов͖ 61 б) блок формирования временного интервала tзад ; в) блок счетчика дистанции с цифровым отсчетом͖ г) блок формирователя импульса ПКД. 39. Назначение отметки курса. Способы ее формирования. Практически все современные НРЛС обладают двумя видами ориентации – относительно диаметральной плоскости судна и относительно истинного меридиана (соответственно ориентация по “КУРСу” и по “СЕВЕРу”). В любом из указанных видов ориентации необходимо формировать отметку 58 курса (ОК). На рис.7.16 в качестве примера приведена одна из схем, с помощью которой формируется отметка курса. Принцип работы схемы заключается в сл едующем. Пока контакт “К” (он расположен в районе редуктора антенны) разомкнут, от источника питания +Е через резистор R1 происходит заряд емкости С1. В момент, когда ось диаграммы направленности вращающейся антенны совпадает с диаметралью судна, контакт “ К” замыкается и конденсатор С1 разряжается на резистор R3. Отрицательный скачек этого напряжения через Рис.7.22. Схема формирования отметки курса резистор R4 и разделительный конденсатор С2 подается на катод электронно - лучевой трубки, создавая при этом на индикаторе НРЛС яркую радиальную развертку. (Обычно за время действия этого импульса происходит 3…5 прямых ходов радиальной развертки. Этим самым создается яркая линия отметки курса). Яркость свечения ОК регулируется потенциометром R2. Точное совпадение диаграммы направленности антенны с диаметральной плоскостью судна достигается путем регулировки контактной группы “К” в блоке антенны. В некоторых НРЛС в качестве контакта “К” используется геркон.__ 40. Электронный визир направления (ЭВН) . Его назначение и способы формирования. 59 60 41. Радиолокационные маяки - ответчики. Их назначение и характеристики. Назначение РМО предполагает их работу с любой судовой РЛС. Согласно требованиям Регистра и Конвенции - 60 по безопасности мореплавания все суд а водоизмещением более 500 per. т должны быть оснащены РЛС трехсантиметрового диапазона волн. Для судовых РЛС в этом диапазоне Регламентом радиосвязи отведена полоса частот 9320 — 9500 МГц . Следовательно, приемник РМО должен иметь полосу пропускания, ширина которой Δ f = (9500 ─ 9320) МГц = 180 МГц . Чувствительность его приемника выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую дальность работы с любой РЛС и в то же время не допустить срабатывание РМО от помех. Ответные сигналы РМО принимаются только в т ом случае, если их несущая частота попадает в полосу пропускания приемника запрашивающей РЛС. Приемники каждой РЛС настраиваются на прием отраженных сигналов и имеют полосу пропускания 4 — 20 МГц . Для приема сигналов РМО необходимо, чтобы их частота в процес се излучения ответа изменялась в пределах возможной настройки приемника РЛС, то есть от 9320 до 9500 МГц . Сигналы от РМО при этом будут видны на экране ИКО судовой РЛС вместе с сигналами, отраженными от пассивных объектов. Изменение (качание) частоты ответ ного сигнала РМО может быть быстрым, когда полная перестройка осуществляется в течение каждого ответного импульса, и медленным, когда перестройка происходит за относительно длительный период (60 — 120 с ). Последний метод нашел более широкое применение, так как позволяет точнее измерить дистанцию, а сигналы от таких РМО в меньшей степени “засоряют” экран ИКО. Ответные сигналы наблюдаются периодически͗ через каждые 15 — 30 оборотов антенны РЛС в течение 2 — 3 оборотов. В зависимости от места установки РМО его анте нная система может быть всенаправленной или секторной.__ 61 Для работы РМО - Ф выделены полосы частот͗ в трехсантиметровом диапазоне волн 9300…9320 МГц ͖ в десятисантиметровом — 2900…2920 МГц . Эти полосы находятся на краю диапазона частот, отведенного для судовых НРЛС. Это сделано для того, чтобы при приеме сигналов РМО - Ф мог быть использован антенно - волноводный тракт НРЛС. Специальная приставка (дополнительный гетеродин) обеспечивает прохождение сигналов по приемному тракту НРЛС. Для эксплуатирующихся НР ЛС такая модернизация не вызывает трудностей даже в судовых условиях, а в современных НРЛС прием сигналов РМО - Ф предусмотрен заводом - изготовителем. В 1980 г. ИМО рекомендовано использование РМО - Ф для обозначения характерных точек пологих берегов, навигацио нных ограждений, подходов к портам, береговых объектов. Ответчики разделены на два типа͗ А — ближнего действия (до 10 миль)͖ В — дальнего действия (10 — 30 миль). Выбор типа запрашиваемого маяка осуществляется автоматически в зависимости от установленной на ИКО шкалы дальности. Это достигается селекцией зондирующих импульсов РЛС по длительности в приемнике РМО - Ф. Структурная схема РМО - Ф и принцип работы незначительно отличаются от РМО с качанием частоты (см. рис. 8.1). Опыт эксплуатации РМО с качанием частоты позволил выявить недостатки такой системы͗ слабую наблюдаемость ответных сигналов в условиях интенсивных помех от моря, гидрометеоров и окружающих объектов͖ наличие секторных и круговых засветок на экране ИКО РЛС, “маскирующих” эхо - сигналы͖ малую степень распознавания сигналов. Массовое и бесконтрольное применение РМО могло привести к чрезмерному засорению радиолокационного изображения. Поэтому вопросы использования СВРЛ специально рассматривались Подкомитетом по безопасности мореплавания ИМО. В соответст вии с рекомендациями ИМО Международная ассоциация маячных служб регламентировала технические характеристики и область применения РМО с качанием частоты. Их применение ограничено навигационным обеспечением береговых и плавучих знаков, опасностей. В исключит ельных случаях разрешена их установка на судах, стесненные в маневрировании или перевозящие опасные грузы. Все РМО разделены на три класса͗ 62 большой дальности (до 25 миль)͖ средней _______дальности (8 — 15 миль)͖ малой дальности (до 6 миль). РМО большой дальн ости предусматривается устанавливать на береговых навигационных знаках на высоте более 30 м над уровнем моря, средней дальности — на плавучих маяках, навигационных знаках или на береговых знаках на высоте менее 30 м над уровнем моря, малой дальности — на б уях или знаках, ограждающих входы в порты, фарватеры.__ 42. Радиолокационные ответчики. Их назначение и характеристики. Радиолокационный ответчик (РЛО или SART – аббревиатура английских слов Search and Rescue Radar Transponder ) обеспечивает определение местоположения судов, терпящих бедствие, посредством передачи сигналов, которые на экране радиолокационной станции представлены серией точек, расположенных на равном расстоянии друг от друга в радиальном направлении. РЛО работает в диапазоне 65 9,2 9,5 ГГц [14]. РЛО может быть запущен любой НРЛС X - диапазона (3,2 см ) в пределах дальности приблизительно 8 морских миль (НРЛС S – диапазона не могут обнаруживать РЛО) [14,22]. Каждый импульс НРЛС, излучаемый антенной и принятый РЛО может запустить передатчик РЛО для передачи ответа. Приемник РЛО сканирует диапазон возможных частот со скоростью 0,4 мкс , а при получении сигнала от НРЛС время сканирования по диапазону увеличивается до t с = 7,5 мкс . Этот процесс повторяется двенадцать законченных циклов, что в целом с оставляет t общ= 95 мкс (см. рис.8.2). В некоторый момент частота РЛО будет соответствовать тактовой частоте НРЛС в пределах ширины полосы пропускания радиолокационного приемника РЛО. Если РЛО находится в пределах дальности, на развертке радиолокационного и ндикатора будут отображаться 12 меток, одинаково расположенных примерно на расстоянии 0,64 морских мили друг от друга. При этом отметка, ближайшая к центру развертки, будет указывать на расстояние до объекта, а остальные метки будут направлены от объекта к периметру ЭЛТ. Когда же расстояние до РЛО уменьшится приблизительно до 1 мили, на ЭЛТ индикатора могут показывать также 12 отметок, которые из - за уменьшения времени ответа принимают 63 Рис.8.2. Временной режим работы SART вид дуг. Для того чтобы увидеть большее количество точек ответа и отличить РЛО от других целей, при поиске РЛО предпочтительно использовать шкалу дальности 6 или 12 миль. Такой выбор обусловлен тем, что общая длина сигнала ответа РЛО, состоящая из 12 точек, может увеличиваться приблизите льно до 9,5 миль от позиции РЛО. На каждом борту любого пассажирского судна и грузового судна валовой вместимостью 500 per. тонн и более должно иметься, по крайней мере, два РЛО. На судах валовой вместимости от 300 до 500 per. тонн должен быть, по крайней мере, один РЛО. РЛО должны быть установлены в таких местах, откуда они могут быть быстро перенесены в спасательную шлюпку или плот. Высота установленной антенны ответчика должна быть, по крайней мере, на 1 метр выше уровня моря. При этом он обеспечивает но рмальную работу на расстоянии не менее 5 морских миль при запросе судовой НРЛС, антенна которой установлена на высоте 15 метров и не менее 30 морских миль при запросе авиационного радара с мощностью импульса не менее 10 кВт , установленного на борту летател ьного аппарата, находящегося на высоте 1000 м. Эксплуатационные требования к РЛО изложены в Резолюции А. 697(17) ИМО. В соответствии с выдержками из этой Резолюции РЛО должен͗ - обеспечивать ручное включение и выключение, индикацию в режиме готовности, име ть плавучий линь͖ - выдерживать сбрасывание в воду с высоты 20 метров͖ - быть водонепроницаемым на глубине 10 метров не менее 5 минут͖ - оборудован визуальными или звуковыми средствами для определения нормальной работы и предупреждения терпящих бедствие о том, что РЛО приведен в действие НРЛС͖ 66 - иметь достаточную емкость батареи для работы в режиме ожидания 96 часов и 8 часов при непрерывном облучении импульсами радара частотой 1 кГц . (Дата замены батарей указана на наружной стороне корпуса РЛО. Батареи питания следует менять через половину срока их службы)͖ - сохранять работоспособность в диапазоне температур от - 20 o С до +55 o С͖ - высота установки РЛО должна быть по крайней мере 1 метр над поверхностью моря͖ - срабатывать на расстоя нии до 5 миль при облучении НРЛС с высотой антенны 64 15 метров и при облучении са__ 43. Некоторые ложные сигналы и помехи в НРЛС. Распределенными называются объекты, размеры которых превышают линейные размеры радиолокационного луча на местности. Делятся на п оверхностные и объемные . Поверхностные - это участки водной поверхности, суши. Отражение от поверхностных объектов (целей) может быть зеркальным и рассеянным . Условием зеркальной поверхности (см. рис.2.3) является выполнение соотношения β λ 〈 8sin h . В этом случае отражение практически подчиняется оптическим законам, то есть угол падения β равен углу отражения. Поэтому отраженная радиоволна, как правило, на антенну НРЛС не возвращается (за исключением нормально падающей радиоволны). При зеркальном отражении СВЧ энергия в приемник НРЛС не поступает. Если же β λ 〉 8sin h - это шероховатая Рис.2.3. поверхность, создающая так называемое рассеянное отражение. При рассеянном отражении радиоволны распространяются в разные направления, и част ь отраженной энергии поступает в приемник НРЛС. На дальних расстояниях (то есть угол β минимален) правая часть уравнения β λ 〈 8sin h увеличивается, а уменьшается. Таким образом, на больших расстояниях волнение от моря сказывается не существенно, в то врем я как на малых расстояниях миль – волнение сказывается существенно. h ( 6 0 ÷ ) ЭПО водной поверхности . Зависит от разрешающей площадки НРЛС (см. уравнение 12) и коэффициента направленности отражающей поверхности в направлении антенны НРЛС. Определяется уравнением S э =S р 2 ЗИ τ ⋅ G = G ⋅ α D c , (33) где͗ S р - разрешающая площадка НРЛС͖ 19 G - коэффициент направленности отражающей поверхности в направлении антенны НРЛС. Его величина зависит от степени волнения (высоты и направления 65 волны) и может изменяться от 0 до 1. Из уравнения (33) следует, что помехи от взволнованной поверхности могут быть снижены путем увеличения разрешающей способности НРЛС, то есть использованием зондирующих импульсов малой длительности и применение антенн с более узкой шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Объемными распределенными объектами являются совокупность большого числа элементарных отражателей, заполняющих некоторый объем, воспроизводимых радиолокатором как один объект. К таким объектам относятся взвешенные в атмосфере жидкие и твердые частицы (дождь, град, туман, грозовые облака и др.). ЭПО объемного объекта равна произведению числа элементарных отражателей, заключенных в данном объеме, в котором они воспринимаются как один объект, на эффективную площадь ра ссеяния одного элементарного отражателя. ЭПО объемной цели определяется уравнением S o =S к NV p , (34) где͗ S к — ЭПР одной элементарной цели (например - дождевой капли)͖ N — количество элементарных целей в разрешающем объеме͖ V р — общий объем, в котором все эле ментарные цели воспринимаются как один объект (см. уравнение 13). Тогда ЭПО объемной цели равняется͗ S o =S к N 2 ЗИ 2 θ ⋅ α D c τ tg . (35) Если, например, в зоне дождя находится какой - либо объект, например судно, то отражение от дождевых капель может создать значительную помеху на экране индикатора для распознания отраженного от судна сигнала. Эту помеху можно несколько снизить укорочением длительности импульсов РЛС и использованием антенны с большей направленностью (меньшим углом α г ). При этом мощность сигнал а от судна практически не снизится, а мощность помех из - за отражения от дождевых капель уменьшится. Помехи от дождевых капель можно также значительно уменьшить, применяя для облучения объектов электромагнитное поле с круговой поляризацией. На практике поле с круговой поляризацией получают с помощью специальной поляризационной решетки из четвертьволновых металлических пластин, расположенных под углом 45° к вектору электрической составляющей поля падающей линейно поляризованной волны. Такая решетка размещаетс я обычно в раскрыве рупорной антенны [12]. 44. Основные требования ИМО к эксплуатационно - техническим характеристикам САРП. Были рекомендованы к применению два типа оборудования͗ устройства оценки опасности сближения судов и с редства автоматической р адиолок ационной п рокладки (САРП или ARPA – аббревиатура английских слов A utomatic R adar P lotting A id). Именно последние средства, начиная с 1984 года определены ИМО [Резолюция Ассамблеи А.422(Х=), ИМО, ноябрь 1979 г.] как обязательные для установки на крупнотоннажных судах. В настоящее время ими оснащено тысячи судов мирового флота. Требования к средствам автоматической радиолокационной прокладки В настоящее время основным техническим средством для решения задач, связанных с предупреждением столкновений судов в условиях ограниченной видимости является РЛС. Однако применяемые сейчас в РЛС оконечные устройства 66 - индикаторы не гарантируют необходимой эффективности и требуют дополнительных устройств с использованием средств вычислительной техники для автомат изации обработки радиолокационной информации. Использование ЭВМ позволяет более полно реализовать потенциальные возможности судовых РЛС, избежать субъективных ошибок судоводителя при интерпретации опасных ситуаций. Автоматизированные системы предупреждения столкновений судов выполняют следующие функции [19]͗ автоматическое обнаружение целей, наблюдаемых в зоне, окружающей судно͖ автоматический или ручной захват (выбранных по желанию штурмана) обнаруженных целей и их автосопровождение, то есть непрерывное из мерение их координат͖ определение параметров движения автосопровождаемых целей (курс и скорость) и элементов сближения (дистанция кратчайшего сближения Дкр и время до точки кратчайшего сближения Ткр ) ; 69 отображение на индикаторе кругового обзора вместе с основной (первичной) радиолокационной информацией векторов скорости встречных целей и другой информации, характеризующей текущую ситуацию (признак степени опасности каждой цели, начала маневра встречной цели и др.), а также на этом же или другом специальн ом индикаторе вычисленных параметров движения целей и элементов сближения с ними͖ сигнализацию об опасных событиях (появление или потеря опасной цели, сближение на близкое расстояние и т. д.)͖ экстраполяцию ситуации (проигрывание) маневра для безопасного расхождения с опасными судами, выбранного либо автоматически, либо по решению штурмана. Такой объем автоматизации предусматривает активное участие штурмана в решении этой задачи только нa началь ном и конечном этапах при принятии самых ответственных решений — захват целей, необходимых для непрерывного автосопровождения, и выбор маневра на безопасное расхождение. В принципе можно автоматизировать и эти процессы. Однако для начального этапа сложност ь заключается в необходимости обеспечения высокой вероятности уверенного обнаружения целей (особенно малых целей на больших дистанциях и вблизи судна при наличии сильных помех от поверхности моря). Кроме того, при большом количестве целей может не хватить памяти ЭВМ и задача не будет решаться полностью. Поэтому наилучшим решением является совмещение обеих возможностей — как автоматического захвата целей при автоматическом обнаружении, так и ручного захвата при визуальном обнаружении на экране.__ 45. Упрощен ная обобщенная функциональная схема САРП. Обобщенная функциональная схема САРП Несмотря на большое разнообразие технической реализации САРП, многие устройства выполняют общие функции. На основании этого можно с помощью упрощенной обобщенной функциональной схемы (рис.9.1) рассмотреть устройство и принцип работы САРП. Большинство САРП состоит из следующих приборов и устройств͗ датчиков информации, сопрягающих устройств и непосредственно индикатора ситуаций. В качестве датчиков информации в САРП применяются од но - или двух - диапазонные судовые РЛС, лаг и гирокомпас. Двухдиапазонная РЛС состоит (см. рис.9.1) из антенн 3 - х и 10 - ти 67 сантиметрового диапазонов (A3, А10) ; приемопередатчиков 3 - х и 10 - ти сантиметрового диапазонов (ПЗ, П10) и двух индикаторов ИКО1 и ИКО2 . Информация от лага и гирокомпаса подается на ИКО для создания необходимых режимов ориентации изображения и режимов движения. 70 От РЛС поступают следующие данные͗ текущее значение углового положения антенны в пространстве (КУА) , видеосигналы об ок ружающей обстановке (ВС) и импульсы синхронизации (ИС) . От лага и гирокомпаса поступает соответственно информация о скорости Vс , и курсе Кс собственного судна. Одно - или двухдиапазонная РЛС может использоваться в обычном режиме, и тогда на ИКО1 и/или ИКО2 имеется возможность наблюдать окружающую радиолокационную обстановку и решать типичные радиолокационные задачи. В режиме автоматической радиолокационной прокладки (АРП) РЛС, выполняя обычные функции, является одновременно основным датчиком информации о наб людаемой обстановке. Импульсы синхронизации в дальнейшем используются для синхронизации канала синхронизатора. Информация об угловом положении антенны после преобразования и кодирования используется в ряде трактов САРП. Данные лага о скорости и гирокомпаса о курсе судна, после преобразований, используются для формирования вектора скорости собственного судна, для вычисления параметров наблюдаемых целей, для создания режима ИД в режиме АРП и др. В САРП, кроме АРП, предусмотрена возможность ручного ввода данны х о скорости и курсе судна. Информация от датчиков поступает в аналоговой форме, а кодирование и вывод ее в цифровой процессор или вычислительную машину требуют дискретной формы ее представления. Основное назначение сопрягающих устройство — преобразование данных в аналоговой форме, получаемых от датчиков информации, в дискретную для ее дальнейшего кодирования, преобразования и ввода в цифровой процессор и другие тракты САРП.__ 46) Первичную и вторичную информацию в САРП необходимо представлять судоводителю в ясной и легкодоступной форме, которая позволяет быстро и однозначно определять качественные и количественные характеристики сопровождаемых объектов. Для существующих, в настояще е время, САРП характерны два метода представления информации. 68 Первый метод основан на совмещенном отображении первичной и вторичной информации на одном экране, второй — на использовании двух отдельных индикаторов для отображения первичного радиолокационно го изображения и вырабатываемых системой данных. Опыт эксплуатации САРП с отображением информации вторым методом показал, что наличие двух экранов приводит к рассеянию внимания судоводителей, требуются дополнительные усилия на сопоставление и идентификаци ю наблюдаемых объектов и их вторичной информации. Поэтому первый метод отображения информации считается более удобным для судоводителя, так как совмещение информации позволяет лучше оценивать текущую ситуацию, контролировать работу автоматических устройств , сравнительно легко опознавать их вторичную информацию. Первичная информация на экране ИКО отображается в виде обычного радиолокационного изображения͗ отметки эхо - сигналов от наблюдаемых объектов, метки НКД, ПКД, метка курса. Вторичная (вычисленная) инф ормация отображается на экране ИКО в графической и буквенно - цифровой форме. Цифровая информация, отображающаяся на экране ИКО или табло, включает, прежде всего, цифровой формуляр цели . Формуляр представляет собой вычисленные цифровые данные о параметра х сопровождаемого объекта ͗ П — пеленг на объект͖ D — дальность до объекта͖ параметры движения цели ͗ К ц — курс цели͖ V ц — скорость цели͖ параметры опасности цели : D кр — дистанция кратчайшего сближения͖ Т кр — время до точки кратчайшего сближения. На индикаторе также в виде цифр указываются время прогнозирования Т п , курс и скорость собственного судна. Кроме этого, на индикаторе может отображаться различная навигационная информация͗ элементы движения собственного судна, радиолокационная прокладка, дан ные о погоде, о температуре воды и информация от других судовых навигационных датчиков указывается в определенных зонах экрана. Выбранные цели отмечаются квадратными символами на экране радара. 47) C редства автоматической радиолокационной прокладки (СА РП или ARPA – аббревиатура английских слов Automatic Radar Plotting Aid CPA – closest point to approach TCPA – the time to closest point to approach 48) Радионавигационные системы (РНС) предназначены для определения навигационных параметров (координатно - временных составляющих вектора состояния) судна, необходимых для обеспечения судовождения по выбранному (заданному) пути. В основу классификации РНС, 69 рабо тающих в пассивном режиме, положены различные признаки, основными из которых можно выделить следующие͗ вариант размещения аппаратуры РНС͖ вид используемого навигационного параметра или, что эквивалентно, вид создаваемых изолиний в зоне действ ия системы͖ вид измеряемого в ПИ радионавигационного параметра͖ рабочий диапазон радиоволн͖ дальность действия системы. В соответствии с первым из приведенных признаков все РНС можно подразделить на РНС наземного базирования излучателей (передатчиков) и излучателей, размещенных на космических аппаратах, которые образуют так называемые спутниковые радионавигационные системы (СРНС). В соответствии со вторым признаком классификации РНС делят на дальномерные, псевдодальномерные, разностно - дальномерные, рад иальноскоростные системы. Возможно использование комбинаций этих методов 49) В основе построения ФРНС лежит понятие «фазовый зонд». Наименование «фазовый зонд» указывает, что приемоизмеритель разностно - дальномерной (гиперболической) системы подобен некото рому зонду в электромагнитном поле береговых станций. Этот зонд не искажает поля. Фазовый зонд изобретен Мандельштамом Л. И., Папалески Н. Д., Щеголевым Е. Я. в 1934 г. Аппаратура выпущенных радиолагов (в том числе ФРНС «Координатор») позволяла реализова ть режим фазового зонда. Во время Второй мировой войны в Великобритании (со ссылкой на существенное значение советских разработок) был создан вариант фазового зонда — система «Декка» [5,6]. В послевоенные десятилетия проведено несколько модернизаций ФРНС «Декка» для обеспечения надежного устранения многозначности фазовых измерений. 50) Принцип работы разностно - дальномерных РНС (гиперболических) заключается в следующем. Допустим, что береговые станции РНС, установленные в точках А и В с известными ко ординатами, одновременно излучают импульсные сигналы с одинаковым периодом Т повторения (рис.1.5). Определение разности расстояний импульсным методом сводится к измерению в точке расположения ПИ (точка X) временного Рис.1.5. К принципу по строения гиперболической импульсной РНС 70 интервала между приходами импульсов, излученными береговыми станциями. Измерив этот временной интервал ∆ t (РНП), можно далее найти искомое значение разности расстояний D A - D B =∆D (НП). Для преобразования измеренного значения РНП в искомое значение НП используют навигационную функцию, которая для импульсной системы имеет вид Δ D = v p ⋅ Δ t . (5) Однако при одновременном излучении береговыми станциями импульсов возникает неоднозначность в измеренных значениях РНП. Действительно, при такой организации излучения НО в силу того, что ПИ нечувствительны к знаку величины ∆ t , используя лишь одни радиотехн ические измерения, не представляется возможным определить, на какой из двух изолиний, симметрично расположенных относительно перпендикуляра к середине базы, находится бортовой ПИ. Более того, на нормали к середине базовой линии импульсы береговых станций б удут накладываться во времени друг на друга, что приводит к тому, что на участках зоны действия системы, близких к этой нормали, радиотехнические методы измерения РНП не могут быть реализованы [1,3,6]. В этом нетрудно убедиться, если задаться конкретным з начением длины базовой линии D AB , которое удобно взять равным, например, 324 милям. Время распространения сигнала по базе будет равно 2000 мкс, и оцифровка изолиний (гипербол) конкретными значениями РНП в микросекундах будет иметь вид, представленный на рис.1.5. Из этого рисунка видно, ч то ПИ покажет разницу времени ∆ t =900 мкс как в реальной точке Х так и в мнимой Х΄, т.е. реальная точка Х на семействе гиперболических линий определилось неоднозначно. Поэтому для обеспечения нормального функционирования импульсной РНС (однозначного опред еления) предусмотрен ряд дополнительных технических решений, а именно͗ для устранения неоднозначности РНП, а также обеспечения отсутствия наложения сигналов НО в зоне действия системы, станция В (в дальнейшем называемая ведомой ), излучает свой сигнал спуст я через некоторый интервал времени t к после момента прихода сигнала от станции А ( ведущей ) в точку ее расположения. Величина t к называется кодовой задержкой и позволяет при необходимости владельцам РНС изменять оцифровку изолиний по любой ранее заданной в о времени программе, предохраняя тем самым от несанкционированного разработчиками использование ее сторонними потребителями навигационной информации. Кроме кодовой задержки, в импульсных РНС, ведомая станция В запускается с задержкой времени, равной врем ени распространения радиоимпульса от ведущей станции А, запускающего станцию В, т.е. общее время задержки равно͗ D AB t з = + t к . (6) v p В этом случае (например, при длине базы 324 мили и t к =1000 мкс ) время задержки запуска ведомой станции будет равно t з = 3000 мкс. Тогда оцифровка изолиний (при смещении по базе на 150 мкс ) имеет вид, представленный на рис.1.6. В любой гиперболической системе пара станций позволяет определить только одну изолинию . Рис1.6. Семейство изолиний разностно - дальномерной РНС А для определения места подвижного объекта (см. рис.1.1) необходимо определить минимум еще одну изолинию. Поэтому, для получения второй изолинии необходимо использовать сигналы еще одной пары станций. В этом случае РНС должна состоять минимум из трех станций – одна из которых будет ведущей, а две остальные – ведомыми. На рис.1.7 показан пример отображения изолиний двух пар цепочек РНС разностнодальномерной РНС 71 Рис1.7. П ример отображени я изолиний варианта – с ведущей станцией А и двумя ведомыми – В и С. 51) 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 ф азовым методом. Измерения при этом ведутся как бы на трех шкалах, как, например, в часах͗ часовая, минутная и секундная стрелки, с последовательным увеличением точности и сужением области однозначности. Импульсная форма огибающей сигнала позволяет кроме ра зрешения 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 морс кие импульсно - фазовые РНС) задержка пространственной волны относительно поверхностной превышает 30 мкс в пределах всей рабочей зоны (см.рис.1.9). Это позволяет сформировать строб, выделяющий начальную часть принятого сигнала, не подвергающуюся воздействию п ространственной 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]. Станции системы сводятся в цепи, состоящие из ведущей станции (Master - обозначается М) и четы рех или трех ведомых станций (Slave - обозначающихся 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 специ альной формы на одной несущей частоте 100 кГц в последовательности, приведенной на рис.1.8,а. 72 Рис.1.8. Порядок излучения станций цепи ИФРНС͗ а) – пример расположения станций цепи͖ б) – временные диаграммы последовательности приема и излучения Ведущая и ведомая станции цепочки РНС образуют пару, которая обеспечивает создание одной изолинии положения су дна. 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 и нтервалах 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 и мпульсов Т п , которая выбирается из следующих условий. Периоды Т п повторения радиоимпульсов выбираются возможно меньшими, для того чтобы в единицу времени передавалось больше полезных сигналов. Однако уменьшение периода Т п повторения радиоимпульсов допуст имо до определенного значения Т п mln , ограничиваемого условием, необходимым для нормальной работы ИФРНС͗ (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 N c станций цепочки (количество станций N c может составлять минимум две, максимум – четыре) излучает свои сигналы спустя некоторый защитный промежуток времени t зщ после момента приема сигналов от той с танции, которая в заданной очередности передачи сигналов является предшествующей (рис.1.8,а ). Время t зщ 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 T п min = MW + t зщ + WX + t зщ + XY + t зщ + YZ + t зщ + ZM + t зщ =+ N c t зщ , v p v p v p v p v pp где l = l 1 + l 2 + l 3 + l 4 + l 5 − длина замкнутой линии, соединяющей по кратчайшим расстояниям станции в порядке очередности излучения сигналов (см. рис.1.8,а). 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. v l 73 Увеличение длительности импульса не приводит к желаемому результату, так как исп ользуется 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 радиоимпу льсов между собой по всей рабочей зоне системы. Поэтому в ИФРНС для увеличения полезной средней мощности сигналов каждая станция излучает не один импульс за период повторения, а целую серию, состоящую из восьми кодированных импульсов (см. рис.1.9 . На этом рисунке не приведены импульсы ведомой станции W). Рис.1.9. Общий вид пакетов радиоимпульсов ведущей и ведомых Длительность каждого станций и их период следования радиоимпульса 100 — 120 мкс 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 излуча ют 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 радиоимпуль с в пакете любой станции имеет вид, представленный на рис.1.10. Максимальная его амплитуда достигается на 65 мкс , а затем по экспоненциальному закону уменьшается до 200…300 мкс . Амплитуда радиоимпульса, т.е. его огибающая, формируется таким образом, чтобы обнаружение сигнала и его дальнейшая обработка в приемнике осуществлялась в момент перехода через ось времени в положительном Рис.1.10. Общий вид одиночного направл ении высокочастотного заполнения радиоимпульса импульсов в конце их третьего периода, т.е. при пересечении несущей частоты на временной оси, равной 30 мкс . Эта точка пересечен ия, так называемая особая точка – ОТ ( SSP – S tandard S ampling P oint), выбирается компромиссно по двум причинам (см.рис.1.11). 74 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 обнаружи т 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 разработ ана 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 Т к фазового кода составляют два пакета импульсов — нечетный и четный, т. е. Т к = 2Т п . 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 сво его 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, различают ся 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 РН П (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). 75 Излучение сигнал ов пакетами из т радиоимпульсов увеличивает минимальный период повторения излучения T п min системы. 52) Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) Использование навигационных искусственных спутников Земли для определения места судна в море возможно с помощью радиосигналов, "связывающих" судно со спутником, который в данном случае является навигационным ориентиром с известными координатами [1,13]. Ме сто судна может быть определено принципиально одним из двух способов͗ 1. На судне - по радиосигналам спутника при известных его координатах в течение всего времени движения НИСЗ или на момент определения места. Этот способ является основным и используется в различных действующих спутниковых РНС. Определение места осуществляется обычно в пассивном режиме, при котором на судне ведется только прием сигналов . (Возможен и активный режим, требующий установки на судне приемопередающей аппаратуры). 2. На наземной кон трольной станции - по радиосигналам запроса со спутника и ответа с судна. Ответ судна не содержит данных о его координатах, рассчитываются они на контрольной станции, где имеются траекторные данные спутника и данные о моменте получения ответа судна. Такой способ пригоден для оперативного определения местоположения судов всего флота. При беззапросном варианте спутник не запрашивает судно, а лишь принимает от него радиосигналы. При этом контрольная станция получает данные для определения места судна. В настоящее время беззапросный способ используется в космической системе поиска аварийных судов и самолетов (КОСПАС — САРСАТ) [16,17]. Спутниковые РНС обеспечивают независимое от времени суток и года глобальное обслуживание и выдают однозначные координаты судна с точностью от нескольких кабельтовых до нескольких метров. Обслуживание информацией судов, находящихся в различных районах Земного шара, может быть обеспечено при наличии определенного количества ИСЗ. Орбиты, по которым происходит полет спутников, выбраны таким образом, чтобы ИСЗ находились в зоне радиовидимости в течение необходимого времени или постоянно. Определение места в некоторых, ранее применявшихся СРНС, например, в СРНС «Транзит» (США) осуществлялось лишь периодически с интервалом от полу часа до нескольких часов в зависимости от района плавания, а в ныне действующих СРНС, например, в СРНС «Навстар» (США)͖ «ГЛОНАСС» (Россия) — в любой момент времени и может быть непрерывным. 76 Непрерывность определения или определение по нескольким параметра м, в том числе - и при использовании эффекта Доплера, обеспечивают получение не только места судна, но и вектора его скорости. В СРНС «Транзит» скорость судна определялась с точностью 0,5 ... 1,5 уз, а в СРНС «Навстар» определяется с точностью 0,2 уз. Ф ункционирование НИСЗ предполагает наличие на Земле системы специальных наземных станций слежения за спутниками и управления всей системой. Как на наземных станциях, так и на спутниках устанавливаются различные радиотехнические устройства, обеспечивающие ра диосвязь между ними и передачу сигналов со спутника на судно. На судне применяется приемоиндикатор, осуществляющий прием радиосигналов, их обработку и выдачу необходимой информации. Все это может быть выполнено только при объединении приемоиндикатора с ЭВ М. Поэтому, несмотря на то, что первые СРНС появились в середине 60 - х годов, массовое применение приемоиндикаторов на судах торгового и рыбопромыслового флота стало возможным спустя не менее 10 лет, когда появились недорогие ЭВМ, выполненные на интегральны х схемах. Например, плата приемника современного приемоиндикатора СРНС «Навстар» содержит͗ высокочастотный приемный тракт, устройства сложной математической обработки принятых из космоса сигналов, компьютер с большим быстродействием и значительной памятью , микроэлектронные схемы его сопряжения с внешними устройствами и другие сложные элементы. Сама плата имеет несколько слоев печатного монтажа и обеспечивает одновременный прием и обработку сигналов до восьми спутников. Управляют этим «ансамблем» уникальные математические алгоритмы, реализованные в виде машинных программ 53) Методы определения места судна Определение места судна с помощью ИСЗ предполагает решение трех отдельных задач, а именно͗ - определение координат спутника (его траекторных данных ) в м омент измерения навигационного параметра͖ - относительную привязку, т. е. нахождение координат судна относительно спутника͖ - вычисление географических координат судна. Координаты спутника и географические координаты судна определяются в результате обработки в ЭВМ судового приемоиндикатора, по специальной программе, траекторных данных ИСЗ и относительных координат ИСЗ — судно. Для нахождения координат судна применимы, в большинстве своем, методы, которые используют обычно в наземных радионавигационных системах. Однако техническое решение определения места судна в спутниковых РНС достигается применением специальных методов определения. 77 Возможны следующие методы определе ния места с использованием ИСЗ [1,2,3]: - угломерный — определяется угловая высота спутника͖ - доплеровский – использование эффекта Доплера – определение сдвига частоты излученного ИСЗ радиосигнала относительно опорной (эталонной) частоты приемоиндикатора͖ - радиально - скоростной — определяется скорость сближения спутника с судном, что равносильно использованию гиперболической РНС с изменяющейся длиной базы͖ - разностно - дальномерный — определяется разность расстояний до одного и того же спутника в различных точ ках его движения по орбите, что равносильно использованию гиперболической РНС с перемещающейся базой. (Этот метод применялся в СРНС «Транзит» и «Цикада»). - дальномерный — определяется наклонная дальность до спутника. Разновидность дальномерного метода - п севдодальномерный метод. В СРНС «Навстар» и «ГЛОНАСС» используют псевдодальномерный, а также доплеровский методы определения места судна. 54) Пассивный псевдодальномерный способ определения места Измерение псевдодальности от космического аппарата (КА) до аппаратуры потребителя (АП) происходит в пассивном режиме, поскольку радиосигнал распространяется от спутника к приемоиндикатору (ПИ) в одном направлении [12]. Если бы был известен момент излучен ия сигнала со спутника, то расстояние от него к ПИ можно определить согласно формуле͗ D = ct, (8) где t - время движения радиосигнала от КА к ПИ. Радиоволна распространяется со скоростью приблизительно равной скорости света в вакууме с = 3·10 8 м/с. Если КА относительно ПИ будет в зените, например на высоте 20180 км, то радиосигналу потребуется время t ≈ 0,06 с, чтобы пройти это расстояние. Поэтому необходимо определять время с высокой точностью, для чего устанавливаются "высокоточные часы" на КА и ПИ. В современных СРНС «Навстар», «Глонасс» применен совершенный способ измерения времени, основанный на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бор товых часов КА с точностью 10 - 9 с. Главной трудностью при измерении времени прохождения 78 радиосигнала явилось точное выделение в ПИ момента Рис.2.4. Принцип генерирования копии одинакового вида кода КА в ПИ времени, в который радиоимпульс излучен с КА. Для этого разработчики СРНС обратились к разумной идее͗ синхронизировать часы КА и ПИ так, чтобы они генерировали абсолютно идентичные последовательности сигналов - коды (см. рис.2.4). От КА приемоиндикатор пр инимается радиосигнал - код "излученный" и проверяется, как давно ПИ генерировал такой же код "опорный" – копию кода КА. Выделенный таким образом сдвиг одинакового вида кода в сигнале КА и сгенерированного в ПИ будет соответствовать времени t пр охождения радиосигналом расстояния от КА к приемоиндикатору. Формирование таким образом "опорных" и "излучаемых" сигналов достигаются наличием в ПИ и КА высокостабильных генераторов - "часов". Время распространения сигнала от передатчика КА к ПИ предс тавляет собой задержку ∆ t , на которую необходимо сдвинуть "опорный" сигнал, выработанный в ПИ, чтобы он с точностью до фазы совпал с принятым (излученным с КА), при этом время задержки будет точно соответствовать времени распространения сигнала от излучат еля к приемнику (см. рис.2.4). Данный "код" выглядит как ряд случайных импульсов - «псевдослучайных последовательностей». (Этим импульсным кодом модулируют несущую частоту сигнала, излучаемого спутником). Таким образом, на КА и в ПИ вырабатываются две абсо лютно идентичные последовательности сигналов - коды, которые поступают в ПИ на смеситель, где и определяется временной сдвиг - т.е. время движения сигнала t от КА к ПИ. Математически эти коды формируются из двух функций полиномов типа [4,9]͗ δ 1 ( x ) = 1 + x 3 + x 10 + ...( x = t ) , δ 2 ( x ) = 1 + x 2 + x 3 + x 6 + x 8 + x 10 + ...( x = t + δ t ). Если их сложить в двоичном коде, сдвигая одну функцию относительно другой, получают 1025 различных вариантов. Из них выбирают 37, которые позволяют выделить сове ршенно некоррелированные сигналы. Полученная последовательность дает возможность распознавать номер КА и определить время прохождения радиосигнала от КА к приемоиндикатору, т.е. измерить навигационный параметр D . D псд – псевдодальность (квазидал ьность - как бы дальность)͗ D псд = c ( t + δ t ) ; или (9) D псд = D + с ⋅ δ t , где D - истинное расстояние (см. уравнение 8)͖ δ t - погрешность в определении t . Таким образом, ПИ измеряет время, за которое радиосигнал прошел от КА к приемоиндикатору. Если бы 79 ПИ имел сверхточные часы (как на КА), точно синхронизированные с часами КА, то трех измерений D псд от трех КА было бы достаточно для определения места судна в трехмерной системе координат (х с , у с , z c ) . Но точность часов ПИ значительно ниже - они (ПИ) стоили бы очень дорого. Тогда для определения места судна и погрешности времени δ t используют измерения до четырех КА. Большую часть δ t составляет погрешность и з - за рассогласование шкалы времени ПИ относительно шкалы времени КА (за счет значительной неточности шкалы времени в ПИ). При измерении D псд до трех КА на поверхности Земли место судна (широта - φ и долгота – λ) находится в пересечении трех Рис.2.6 изо линий - окружностей, внутри треугольника погрешностей (см. рис.2.6). Для определения же еще и высоты антенны ПИ относительно поверхности Земли – необходимы измерения D псд до четырех КА. Вычислительное устройство ПИ будет "прибавлять" или "вычитать" D пс д из измеренных при t 1 , t 2 , t 3 и t 4 до тех пор, пока рассчитанные псевдодальности D псд не образуют пересечение четырех сфер (изоповерхностей) в одной точке. В этом случае определяется место судна, погрешность шкалы времени ПИ относительно шкалы времени в сей системы GPS и каждого КА. Для этого в ПИ имеется 4 канала приема и первичной обработки радиосигнала от КА (в некоторых ПИ 6 - 8 каналов). Излучаемые КА кодированные радиосигналы модулированы по фазе. Принцип фазовой модуляции показан на рис.2.7. Нахождение псевдорасстояний (или их разности) осуществляется при импульсном излучении сигналов спутниками. Однако, для повышения помехозащищенности системы, в действующих СРНС используют псевдошумовую моду ляцию излучаемых сигналов. Рис.2.7.Принцип фазовой модуляции Это дает возможность всем ИСЗ работать на одной и той же несущей частоте (на волне около 19 см и/или 24.4 см), но со своим законом модуляции. Применение псевдошумовой модуляции с длительным периодом неповторяемости сигнала (до нескольких недель) создает условия для построения СРНС, определение места по которой н евозможно, если пользователю не известен код модуляции [2]. Наряду с этим в системе может быть применен и более короткий по времени код модуляции, позволяющий определяться всем желающим пользователям, но с меньшей точностью. 55) Глобальная спутниковая си стема GPS 80 3.1. Назначение, общая характеристика и состав системы Глобальная спутниковая система GPS (Global Position System) или «Navstar» (Navigational Satellite Providing Time and Range) предназначена для высокоточного определения в пространстве трех координат места, составляющих вектора скорости и времени различных п одвижных объектов. Система разработана по заказу и находится под управлением МО США. Министерство Обороны США первоначально разрабатывало систему глобального позиционирования в 70 - х годах только как спутниковую навигационную систему для решения военных задач. В начале 80 - х федеральная комиссия по радио - и навигационному планированию провела объединение разработок Министерства Обороны и Министерства Транспорта в области дальнейшего преобразования системы в глобальный инструмент для местоопределения, нави гации и синхронизации времени (PNT — positioning, navigation, and timing) [9] Глобальная навигационная система состоит из трех главных сегментов͗ космического сегмента, берегового сегмента контроля и управления, и сегмента потребителей . Космическим сег ментом и сегментами контроля и управления управляют Вооруженные силы США, а также космическое командование Военно - Воздушных сил. В основном, сегмент контроля и управления поддерживает целостность всех спутников и данные, которые они передают. Космически й сегмент состоит из созвездия спутников, которые в находятся на орбите, включая эксплуатационные, резервные и неоперативные модули (спутники). Потребительский сегмент - это все пользователи, которые приобрели любое из множества коммерчески доступных при емников. 56) Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС 4.1. Назначение, общая характеристика и состав системы Основное назначение СНРС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация (сухопутных, морских, воздушных) подвижных объектов наземных и низкоорбитальных космических. Термин "глобальная оперативная навигация" означает, что подвижной объект, ос нащенный навигационной аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости [12]. 81 Система разработана по зак азу и находится под управлением Министерства Обороны РФ. Распоряжением Президента РФ от 18 02 99 г. ГЛОНАСС был придан статус системы двойного (военного и гражданского) назначения [10,11]. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство Обороны и Российское авиационно - космическое агентство. , С марта 1995 г., Российская Федерация, являющаяся владельцем СРНС ГЛОНАСС, разрешает использовать систему ГЛОНАСС в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой около 20000 км над поверхность ю Земли. Благодаря использованию бортовых эталонов времени и частоты ,атомных стандартов частоты, в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА. В НАП на подвижном объекте в сеансе на вигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех радиовидимых НКА и используются для измерения не менее чем четырех соответствующих псевдодальностей (ПД) и радиальных псевдоскоростей (ПС). Результаты измерений и эфемеридная информация (ЭИ), принята я от каждого НКА, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не передает ра диосигналы на НКА, а только принимает их от НКА ( пассивная навигация). Радионавигационное поле СРНС ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить [9,11]͗ 1. локальную высоко точную навигацию наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций и НКА͖ 2. высокоточную взаимную геодезическую "привязку" удаленны х наземных объектов͖ 3. взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах͖ 4. неоперативную автономную навигацию низко – и среднеорбитальных космических объектов͖ 5. определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометричес ких измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами. СРНС ГЛОНАСС включает в себя три сегмента͗ космический сегмент с орбитальной группировкой (ОГ) навигационных космических аппаратов͖ сегмент управления - на земный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НКА͖ сегмент аппаратуры потребителей (АП). 57) Однако активно продолжаются работы по европейскому проекту глобальной навигационной спутниковой системы ( G lobal N avigation S atellite S ystem - GNSS), создаваемой по инициативе EC и Европейского космического агентства. 82 На первый взгляд новая система по своей структуре, типам используемых сигналов и характеристикам аналогична GPS/ГЛОНАСС. И все же, несмотря на очевидное сходство, GNSS су щественно отличается от систем GPS и ГЛОНАСС. Во - первых, GNSS создается гражданской организацией, а, следовательно, в ней нет и не может быть режима селективного доступа и в принципе исключена возможность введения каких - либо ограничений. Что же касается си стемы GPS, то никто не гарантирует, что в случае возникновения конфликта в одной из "горячих точек" планеты такой режим не будет введен вновь. Другой, не менее важный фактор - низкая скорость передачи навигационных данных в существующих системах (она рав на 50 бит/с). Как правило, передача их навигационного сообщения объемом 1500 бит занимает не менее 30 с, что неприемлемо для отдельных категорий пользователей. И, наконец, как любая система, GPS не застрахована от случайных сбоев и выхода из строя навига ционных НКА, т. е. от потери целостности системы. Чтобы избежать ошибок определения местоположения, каждый НКА передает сведения о работоспособности своей бортовой аппаратуры. Время обнаружения нештатной ситуации на борту GPS - спутника составляет 2 - 3 ч. Без условно, для большей части пользователей "потеря из информационного поля" одного - двух НКА в течение такого относительно небольшого периода времени остается практически незамеченным, тем более что грубые ошибки в определении местоположения отбрасываются про граммно, а сравнительно небольшие задержки в определении координат некритичны. Однако существует категория потребителей (воздушный и морской флот и т. п.), для которых даже такие небольшие сбои в работе навигационной системы недопустимы. Они могут привести к непредсказуемым последствиям, например, при взлете или заходе на посадку самолетов, при прохождении судна через узкий пролив. Европейский проект глобальной навигационной спутниковой системы GNSS должен быть реализован в два этапа͗ GNSS - 1 и GNSS - 2. На первом этапе (2001 - 2003 гг.) была создана Европейская геостационарная система навигационного дополнения - European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), которая должна обеспечивать те же услуги, что и GPS/ ГЛОНАСС в период с 2004г. до 2015 - 2018 г.г. [30]. Основная часть проекта, GNSS - 2, базируется на новой спутниковой системе, получившей название Galileo . Ее орбитальная группировка должна быть развернута до 2013 г. Поэтому, странами ЕС Европы ведутся интенсивные разработки новой СРНС Galileo («Галилео»). Новая система создается для обеспечения наибольшей точности определения координат. Среди первостепенных задач проектирования новой системы, группой разработки сигналов Galileo Европейской комиссии выделила совместимость и возможность взаи модействия системы Galileo с другими спутниковыми навигационными системами, особенно с NAVSTAR, а также 83 возможность иного использования системы в той части радиочастотного спектра, в которой будет работать Galileo. Европейское сообщество поставило задачу, чтобы система Galileo была открытой глобальной системой, полностью совместимой c NAVSTAR, но одновременно была полностью независимой от нее. Текущий сигнал системы Galileo планируется создать с учетом максимального взаимодействия с системой NAVSTAR, что позволит уменьшить уязвимость систем позиционирования. Под независимостью систем подразумевается их защита или уменьшение вероятности одновременного выхода из строя двух систем. Это может быть достигнуто отчасти путем раздельного обслуживания наземной и к осмической инфраструктуры и систем управления, отчасти – путем введения в действие специально разработанных типов сигналов и иного распределения частот [28]. Работы по практическому созданию Galileo (сокращенно GNSS - 2) начались в 2005 году, а первый этап практической эксплуатации системы планируется начать в 2013 г. Система Galileo будет иметь открытую архитектуру, что обеспечит взаимодействие с существующими системами GPS, ГЛОНАСС, разрабатываемой системой EGNOS и службами поиска и спасения. Запланирован ный перечень ее навигационных услуг гораздо шире, чем у GPS и ГЛОНАСС. Архитектура Galileo включает три основных элемента͗ космический сегмент, наземную инфраструктуру (комплекс управления) и навигационную аппаратуру потребителей.[30,31,32] 58) Диффер енциальный режим GPS Как следует из предыдущих разделов, на точность определения места судна влияет много факторов. Для их уменьшения, а в некоторых случаях – исключения, наиболее эффективным средством является дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками͗ один приемник GPS (1) устанавливается на базовой (контрольной) станции - контрольном Рис.6.1. К сути дифференциального режима пункте (КП) с известными ге одезическими координатами φ кп , λ кп (см.рис.6.1), а другой – в определяемом месте, например на судне (3). Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то можно счит ать, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. Следовательно, величины ошибок также будут близки. Идея заключается в том, что на КП опорные приемоиндикаторы GPS , измеряющие псевдодальности до КА, рассчитывают точные дальности (по точным координатам пункта и КА). Рассчитываются и псевдокоординаты, поправки к координатам или к дальностям. Эти поправки 84 п ередаются по радио на находящиеся поблизости потребители (морские суда - 3) (рис. 6.1). Используя поправки, ПИ определяют навигационные параметры с высокой точностью. Сравнивая измеренные и рассчитанные дальности, исключают коррелированные погрешности͗ по грешности эфемерид (положения КА)͖ погрешности рассогласования шкал времени КА и ПИ͖ погрешности за условия распространения радиоволн - ионосферная и тропосферная͖ геодезические погрешности. Все это вырабатывается в виде поправок. В случае использования DG PS точность места повышается более чем в 4 раза [12]. 6.1.Способы дифференциальных определений 6.1.1. Способ разностей координат ∆φ и ∆λ На контрольном пункте, где находится опорный приемник, рассчитываются по оптимальному (для него) созвездию координаты его места - φ опр , λ опр . Зная φ кп , λ кп рассчитывают поправки согласно уравнений͗ 85 ∆ φ = φ кп - φ опр , ∆ λ = λ кп - λ опр . Эти поправки передаются с помощью передатчиков (2) по радио на потребители (рис.6.1). Однако при этом необходимо выполнения одного существенного условия - использовать на судне необходимо те же КА, что и на КП, т.е. судовой ПИ лишается права выбора оптимал ьного созвездия. По мере удаления судна от КП (более 100 морских миль) поправки менее соответствуют фактическим значениям поправок. 6.1.2. Способ разностей расстояний ∆D Способ заключается в определении дифференци альных невязок псевдодальностей ∆ D , а фактически - определение ∆ t (в наносекундах). На контрольном пункте для каждого видимого КА рассчитывается D геодезич. по координатам КП и КА и определяется псевдодальность по сигналам КА. Тогда ∆ D i = D геодезич. – D псевдодал. Компьютер рассчитывает ∆ t , (в нс). ∆ t i = ∆ D i /с Для всех видимых КА в эфир передается, например͗ "КА1 - задержка 5 нс, КА2 опережение 15 нс" и так далее [12]. Потребитель выбирает для себя оптимальное созвездие КА и принимает для них поправки ∆ t i . Точность определения места при удалении не ухудшается ( как при способе 6.1.1. ), но усложняется устройство ПИ - необходима приставка к ПИ для приема дифференциальных поправок (∆ t i ) и дополнительное математическое обеспечение (компьютер). К тому же определенные поправки "устаревают", их необходимо заново определ ять. Обновление выполняется через 10 с (5 с идет расчет "новых" ∆ t i ). Скорость передачи поправок - 50 бод (50 бит/с). Международная ассоциация маячных служб (=nternational Association of Lighthouse Authorities (=ALA)) установила свой протокол использования специального Международного стандарта выдачи поправок DGPS͗ RTCM - SC - 104 (Radio Technical Commission for Maritime - Special Committee 104). Для их трансляции используются, как правило, морские радиомаяки, установленные по побережью в США, Швеции, Финляндии, Норвегии, Нидерландах и других странах. По количеству КП и взаимодействию с потребителем дифференциальные определ ения делятся на два варианта͗ 1. Общепринятый. Он основан на работе АП с одним КП. При этом учитывается зависимость поправок от эфемеридной информации͖ от высоты КА над горизонтом͖ от условий распространения радиоволн (ионосферной и тропосферной)͖ от удалени я судна (ПИ) до КП (контрольного пункта). Этот вариант прекращают использовать и переходят к развитому варианту. 86 2. Развитой дифференциальный вариант позволяет сохранить высокую точность определения места в радиусе R ~ 1000 миль от КП, практически не завися щую от удаления до КП (рис.6.2). Рис.6.2. Схема построения развитого дифференциального варианта На данном участке побережья (или суши) подбираются и устанавливаются по окружности несколько КП - передатчиков. В центре - главный КП. Все они объединены в сет ь. Все производят измерения и определяют поправки. Эти поправки передаются на главный КП, на котором происходит их совместная обработка по сложной математической модели, затем их объединяют в стандартный формат RTCM - SC - 104 и передают в эфир R ~ 100 0 миль. В настоящее время развитой дифференциальный вариант имеет множество разновидностей, а именно - широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем. 59) Логарифмический усилитель При воздействии на вход приемника мощных сигналов ил и помех происходит его перегрузка. В частности, помехи от дождя или взволнованной морской поверхности маскируют полезные сигналы. Если амплитуды помех превышают амплитуду полезного сигнала, то без специальных методов выделения сигнала его обнаружить невозм ожно. Затруднительно обнаружение полезного сигнала и в случае, если амплитуды помех ниже уровня максимальной амплитуды сигнала, но их количество велико, например, в условиях отражения от морских волн. Чтобы радиолокационный приемник не достигал насыщения п ри изменении входных сигналов в широких пределах, то есть обладал большим динамическим диапазоном усиления, в судовых РЛС применяют устройства, мгновенно регулирующие усиление приемника, предотвращая его насыщение. Если изменения напряжения помех по характеру аналогичны изменениям шумов приемника, то напряжение этих помех можно «сжать» до уровня шумов приемника независимо от интенсивности помех. Известно, что среднее значение выходного напряжения приемника U вых умен ьшается с ростом дальности, а величина флюктуации остается постоянной [10]. Для того чтобы ослабить помехи, необходимо флюктуации сжать до уровня собственных шумов приемника. Для этой цели в судовых НРЛС широко используют метод автоматической регулировки у силения приемника по логарифмическому закону. В связи с тем, что сжатие целесообразно только для мощных сигналов, флюктуации которых превышают уровень собственных шумов приемника, оптимальная амплитудная характеристика такого приемника (или усилителя) долж на быть линейной для сигналов, лежащих ниже определенного уровня, и логарифмической для сигналов, превышающих этот уровень. Тогда закон изменения выходного напряжения U вых в зависимости от входного U вх должен иметь следующий вид͗ dU вых a = , dU вх U вх где͗ а — коэффициент пропорциональности. После интегрирования этого выражения получим 87 dU вх U вых = a ∫ U вх = a ln U вх + С 0 . Если обозначить через U н и k н соответственно входное напряжение и коэффициент усиления каскада, соответствующие началу логарифмического участка амплитудной характеристики, как показано на рис. 6.8, то U вых.н = U н ⋅ k н = a ln U н + С 0 . Отсюда - С 0 = U н ⋅ k н − а ln U н . Полагая коэффициент а=U н ⋅ k н = const, имеем U вх U вых = U н ⋅ k н (ln + 1) . U н Тогда, при входном напряжении, равном U вх U н , амплитудная характеристика приемника является линейной, а при условии, что U вх �U н , характеристика будет логарифмической (ЛАХ). Рис.6.8. Пример ЛАХ Принцип получения ЛАХ (см. рис. 6.9) заключается в следующем͗ все каскады должны быть одинаковы͖ амплитудные характеристики каскадов до насыщения линейны͖ при насыщении U вых не зависит от U вх каскада͖ суммирование осуществляется линейно. Линейно - логарифм ическими характеристиками могут обладать как УПЧ, так и видеоусилители приемников. Возможны различные схемы, обеспечивающие получение логарифмической характеристики в УПЧ. Наибольшее распространение получила схема логарифмического УПЧ с последовательным д етектированием сигналов отдельных каскадов усиления и их суммированием (рис.6.9) [24,28]. 88 Рис. 6.9. Упрощенная схема логарифмического УПЧ Суммарный сигнал выделяется на общей нагрузке R н , с которой он далее поступает на дифференцирующую цепь с малой постоянной времени, как в линейном УПЧ. Линия задержки позволяет всем импульсам с выхода диодов VD 1 — VD n приходить к нагрузке одновременно (учитывается задержка в каждом каскаде УПЧ). Амплитудная характеристика каскадов линейна для малых амплитуд и имеет ограничение при каком - то значении Е огр . Сл едовательно, импульсы большой амплитуды ограничиваются и на сумматор поступают с одинаковой амплитудой, равной Е огр . Входные импульсы различной амплитуды (в большом диапазоне изменения) ограничиваются в различных каскадах УПЧ (самый слабый — в последнем, самый сильный — в первом), и прирост амплитуды выходных импульсов при большой амплитуде происходит в меньшей степени, чем при малой амплитуде. В результате амплитудная характеристика состоит из отдельных линейных участков с постепенно уменьшающимся наклон ом (см. рис. 6.8), приближаясь по форме к логарифмической характеристике. Применение логарифмического УПЧ с дифференцирующей цепью, имеющей малую постоянную времени (МПВ), позволяет снизить уровень отражений от моря и дождя до уровня собственных шумов. После дифференцирующей цепи с МПВ из выходного сигнала УПЧ исключается постоянная составляющая (удаляется среднее значение), и амплитуда помех от моря будет при любых расстояниях на одном уровне с собственным шумом приемника. Следовательно, на выходе лога рифмического УПЧ помехи значительно ослаблены, а амплитуды слабых и сильных отраженных импульсов выравниваются, поэтому регулировка усиления в процессе работы не требуется. Для более эффективного подавления помех от моря также применяется ВАРУ, которая де йствует в нескольких линейных каскадах, включенных перед логарифмическим УПЧ. Динамический диапазон входных сигналов логарифмических УПЧ может достигать 100 дБ , и более. Динамический диапазон выходных сигналов может быть сжат от 30…40 дБ до 3…4 дБ . Преи муществом логарифмических усилителей является также их безынерционность, способность реагировать как на регулярные, так и на случайные помехи, способность мгновенно восстанавливать чувствительность после воздействия сильных помех. 60) 89 61)

Приложенные файлы

  • pdf 25043543
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий