9. Общие сведения о разностно-дальномерных радионавигационных сис­темах: предназначение, классификация, структурные схемы

Разностно-дальномерные радиотехнические системы иначе называются радиотехническими системами дальней навигации (РСДН). Они предназначены для точного определения под­вижными объектами (самолетами, вертолетами, кораблями, подводными лодками) своего местоположения, находящимися в ее рабочей зоне.

Под рабочей зоной системы понимают область земной поверхности, в пределах которой с заданной вероятностью обеспечивается определение местоположения подвижного объекта по сигналам наземных станций со среднеквадратической ошибкой, не превышающей допустимого значения.

РСДН широко применяется при навигации самолетов, кораблей и подводных лодок. Они используются автономно и в составе комплексных систем навигации.

Определение местоположения объекта с помощью бортовой аппаратуры РСДН сводится к измерению относительного запаздывания радиосигналов, излучаемых наземными радио­станциями с известными координатами. В зависимости от типа применяемых радиосигналов различают импульсные (временные), импульсно-фазовые, фазовые и частотные РСДН.

По сравнению с другими навигационными системами РСДН обладает рядом преимуществ, основными из которых являются: высокая точность определения местоположения ЛА; большая дальность действия; неограниченная пропускная способность; возможность использования на любых высотах; скрытность определения навигационных параметров в виду отсутствия на борту передающих устройств.

К недостаткам РСДН можно отнести зависимость работы ведущей станции от ведомых, уязвимость антенн и сложность аппаратуры станций, необходимость периодического ввода поправок в аппаратуру станций на скорость распространения электромагнитных волн и использования на борту специаль­ных вычислителей для преобразования гиперболических координат при определении места объекта.

В настоящее время в ВВС применяются импульсно-фазовые стационарные системы РСДН-3/10, РСДН-4, РСДН-5 и их подвижный вариант РСДН-10, фазовые системы РСДН-20, в которых: используют соответственно длинноволновый и сверхдлинноволновый диапазон радиоволн.

Кроме того, при полетах по международным трассам могут использоваться зарубежные импульсно-фазовые системы «Лоран» и фазовые системы «Омега».

РСДН состоит из наземного оборудования (наземных станций) и бортовой аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах.

Наземные станции представляют собой мощные радиопередатчики с аппаратурой управления и синхронизации. Для определения местоположения подвижного объекта система должна состоять не менее чем из трех наземных станций. Эти станции объединяются в единые группы. Они разнесены одна от другой на расстояния, называемые базой. В общем случае группа наземных станций образует цепочки, в состав которых могут входить до восьми станций.

В каждой группе одна станция является ведущей, остальные ведомые. Ведущая станция синхронизирует работу ведомых станций, обеспечивая согласованные режимы излучения по времени и частоте всех станций данной группы (цепочки).

Группы наземных станций системы могут быть стационарного и мобильного вариантов.

Наземные станции стационарного варианта представляют собой мощные радиопередающие центры, состоящие из комплекса радиотехнического, специального и связного оборудования.

В состав радиотехнического оборудования входят: мощные передающие устройства, комплекс аппаратуры генерирования и формирования эталонных частот, аппаратура формирования навигационных пакетов, управления и контроля, приемные устройства сигналов синхронизации, антенные системы с элементами согласования и настройки, системы управления, бло­кировки и сигнализации. Особое место в составе станции занимают антенно-мачтовые сооружения, высота которых может достигать 460 м, а стоимость составляет до 60% стоимости всей станции. В качестве резервных антенных систем на стационарных станциях используются привязные аэростатные антенны.

В состав специального (общепромышленного) оборудования входят: система энергоснабжения станции с автономными электростанциями, система водяного и воздушного охлаждения радиотехнической аппаратуры, система сжатого воздуха с собственными компрессорными станциями.

К связному оборудованию относятся коротковолновые радиостанции и аппаратура проводной телефонной и телеграфной связи. Кроме того, в состав станции входят контроль­ные пункты, которые оборудуются либо бортовой аппаратурой либо аппаратурой управления и контроля, подобное той, которая устанавливается на станциях РСДН. Контрольные пункты предназначены для контроля параметров синхронизации наземных станций и навигационных параметров в рабочих-зонах систем.

Наземные станции мобильного варианта обладают меньшей мощностью и могут самостоятельно перемещаться для: развертывания в указанном районе. Они имеют сборно-разборные или телескопические антенно-мачтовые устройства, высотой 28…52 м. Станции мобильного варианта могут использоваться при совместной работе со стационарными станциями.

На подвижных объектах устанавливается бортовой приемоиндикатор (БПИ), с помощью которого осуществляется прием радиосигналов наземных станций системы РСДН. При этом основой БПИ являются приемник и устройство для измерения временного интервала между моментами приема радиосигна­лов от ведущей и ведомых наземных станций системы.

БПИ определяет гиперболические координаты подвижного объекта и выдает результат на специальное табло. Одновременно данные могут передаваться в цифровые преобразова­тели координат или в бортовую ЭВМ для преобразования: гиперболических координат в истинные или ортодромические координаты.

В зависимости от подвижного объекта бортовая аппарату­ра системы может иметь различную комплектацию.

Принцип действия системы РСДН приведен на рис. 2. Ведущая станция А и две ведомые станции Б и В, расположенные по обе стороны от ведущей на примерно одинаковых базовых расстояниях от нее b₁ = b₂ = b, образуют цепочку из трех синхронизированных наземных станций.

Точка М соответствует расположению подвижного объекта .(самолета, корабля) с установленным на нем бортовым приемоиндикатором.

Сигналы, излучаемые ведущей станцией А, через опреде­ленный интервал, равный времени распространения радио­волн по базам между ведущей и ведомыми станциями, дости­гают ведомых станций Б и В. Ведомые станции, приняв сиг­налы ведущей станции, используют их для синхронизации по фазе и огибающей собственных сигналов. Сигналы ведомых станций излучаются относительно моментов приема сигнала ведущей станции с определенными, строго фиксированными задержками, значение которых всегда выбирается таким об­разом, чтобы импульсы одной станции не перекрывались импульсами других станций синхронизируемой цепочки во всей рабочей зоне системы.

Рис. 2. Принцип определения МПЛА в РСДН

Сигналы, излучаемые передающей антенной ведущей станции А, достигают приемной антенны бортового приемоиндикатора подвижного объекта М через временной интервал t_ам, пропорциональный расстоянию D_ам от подвижного

объекта до ведущей станции, т. е. (3)

Сигналы, излучаемые передающими антеннами ведомых станций Б и В, достигают приемной антенны бортового приемоиндикатора М соответственно через временные интер­валы t_бм и t_вм, пропорциональные расстояниям D_бм и D_ВМ от подвижного объекта до ведомых станций, т. е. , (4)

(5)

Бортовой приемоиндикатор производит непрерывные измерения по фазе и огибающей радиоимпульсов навигационных пакетов разностей времен прихода сигналов (Δt_АБ и Δt_АВ) от двух пар станций АБ и АВ в точку М расположения подвижного объекта:

(6) (7)

где t_Аб и t_ав - время распространения сигнала по базе от фазового центра передающей антенны веду­щей станции А до фазового центра передаю­щих антенн ведомых станций Б и В;

t_КБ и t_КВ - кодовые задержки ведомых станций Б и В, равные, временным интервалам между мо­ментами прихода сигнала ведущей станции, и моментами излучения сигналов ведомых станций.

Кодовые задержки вводятся с целью обеспечения необхо­димой последовательности прихода сигналов ведомых станций на ЛА во всей рабочей зоне, а в военное время для затруднения использования систем противником.

Постоянные величины t_зБ=t_АБ+t_КБ t_зВ=t_АВ+t_КВ на­зываются задержками излучения ведомых станций Б и В и определяются на станциях в процессе калибровки системы с помощью подвижных контрольных пунктов.

В бортовых приемоиндикаторах подвижных объектов истинные значения постоянных величин t_зБ и t_зВ учитываются при измерении разности времен ∆t_АБ и ∆t_АВ, называемые навигационными параметрами системы.

Измерения навигационных параметров ∆t_АБ и ∆t_АВ по фазе и используемые для устранения многозначности фазовых отсчетов измерения по огибающей радиоимпульсов навига­ционных пакетов выполняются по высокостабильному по­верхностному сигналу в пределах временного интервала, примерно равного первой половине переднего фронта радио­импульса пакета, свободной от влияния нестабильного, отра­женного от ионосферы сигнала.

Измеренные бортовым приемоиндикатором значения навигационных параметров ∆t_АБ и ∆t_АВ соответствуют определенной разности расстояний ∆D_АБ и ∆D_АВ от подвижного объекта М до ведущей станции А и каждой из ведомых стан­ций Б и В (см. рис. 2). Если объект будет двигаться по траектории, на которой значение навигационного параметра не изменяется (т. е. разность расстояний ∆D_АБ или ∆D_АВ постоянна), то такой траектории соответствует вполне опре­деленная линия положения на земной поверхности - плоская гипербола. Причем для расстояний 1000…1500 км кривизну земной поверхности можно не учитывать. В фокусах гипербо­лы, проходящей через точки М и М', находятся ведущая и одна из ведомых станций. Однако по одной паре станций, дающих при измерении навигационного параметра множество непересекающихся гипербол, определить местоположение подвижного объекта невозможно. Поэтому используют семей­ство пересекающихся гиперболических линий положения, образованных двумя парами станций, которые наносятся на карту и оцифровываются в микросекундах (через 50…100 мкс), поскольку бортовой приемоиндикатор подвижного объекта непосредственно измеряет не разности расстояний, а разностные временные интервалы.

При ручном способе определения гиперболических коор­динат местоположения подвижного объекта необходимо найти по карте по отсчетам бортового приемоиндикатора две пере­секающиеся линии положения. Точка пересечения этих линий даст искомые гиперболические координаты местоположения подвижного объекта. Следует учесть, что для правильного определения на карте искомых линий положения необходимо в отсчёты бортового приемоиндикатора ввести поправки, учи­тывающие изменения скорости распространения радиоволн по трассам между наземными станциями и подвижным объектом в зависимости от эффективной проводимости подстилающей поверхности. Измеренные бортовым приемоиндикатором вре­менные интервалы ∆t_АБ и ∆t_АВ могут быть при автоматиче­ском способе преобразованы в геодезические или ортодромические координаты местоположения объекта с помощью циф­ровых преобразователей координат или бортовых электронно-вычислительных машин.