2. Радиодальномеры

Радионавигационное устройство, предназначенное для измерения линейных координат, называется радиодальномером. В момент времени (рис. 1) передатчик включается. Спустя время (в момент ) сигнал передатчика достигает приёмника. Искомое расстояние определится как

(2)

где – скорость распространения электромагнитных волн.

Рисунок 1 Схема измерения дальности

Передатчик может включаться периодически. Необходимо, чтобы в месте расположения приёмника были часы, по которым, зная заранее время включения передатчика, можно было бы определить . Такие часы, обеспечивающие синхронность работы приёмника и передатчика, называются хронизаторами

(рис. 1).

Хронизатор ставится как на передающей, так и на приёмной стороне. При неточной работе хронизаторов возникает ошибка измерения расстояния. Из уравнения (2), при условии , получим

,

(3)

где – ошибка дальномера;

– нестабильность хронизаторов;

– время полета.

Если ошибка дальномера должна быть не более 1 км за 10 часов рабо­ты, то нестабильность хронизаторов . Такая нестабильность соответствует точности хода часов секунды за 1000 лет. В качестве хронизаторов используются кварцевые генераторы, стабильность которых не превышает . Поэтому измерение расстояния по схеме (рис. 1) сопровождается недопустимо большими ошибками.

Рисунок 2 Схема измерения дальности с ретранслятором

Измеряемая дальность определяется из выражения

,

(4)

где – время прохождения сигнала до ретранслятора и обратно.

Приёмник и передатчик управляются одним хронизатором, допусти­мая нестабильность которого лежит в пределах существующих техниче­ских возможностей кварцевых генераторов.

Увеличение точности работы хронизатора и системы измерения Хд це­лесообразно лишь до определённого предела. При идеальном хронизаторе ошибка измерения расстояния определяется непостоянством скорости распространения радиоволн. Экспериментально установлено, что

.

(5)

Это ставит предел точности измерения расстояния, так как

.

(6)

Для измерения расстояния применяются фазовые, частотные и временные (импульсные) радиодальномеры.

2.1 Фазовый радиодальномер

К фазовым дальномерам принято относить такие радионавигационные устройства, в которых информация о навигационном параметре содержится в фазе принимаемого сигнала. Возможны два варианта фазовых РНУ. В первом из них информация содержится в фазе несущих колебаний (РНУ типа Н), во втором – в фазе модулирующего колебания (РНУ типа М). Фазовые РНУ применяют для определения расстояния, разности расстояний и угловых навигационных параметров. Упрощённая структурная схема фазового радиодальномера типа М приведена на рис. 3.

Рисунок 3 Фазовый радиодальномер типа М

1 – генератор масштабной частоты; 2 – амплитудный модулятор; 3 – генератор высокой частоты; 4 – усилитель мощности; 5 – антенна передатчика; 6 – приемник ретранслятора; 7 – передатчик ретранслятора; 8 – антенна приемника;

9 – приемник; 10 – измеритель разности фаз; 11 – индикатор дальности

В дальномере обязательно использование ответчика, в задачу которого входит не только увеличение дальности действия, но и изменение несущей частоты ответного сигнала. Необходимость такой операции вызывается тем, что в запросчике дальномера используется режим непрерывного излучения. Поэтому на входе приёмника обычно присутствует не только ответный сигнал, но и прямой, идущий от передатчика. Во избежание интерференции прямого и ответного сигналов их разносят по частоте.

Передатчик фазового дальномера работает в режиме амплитудной модуляции. Источником модулирующего сигнала служит генератор масштабной частоты (1). В приёмнике запросчика (9) принятый сигнал усиливается и детектируется. Выделенный модулирующий сигнал поступает на измеритель разности фаз (10), где производится сравнение его с фазой модулирующего напряжения, служащего опорным сигналом.

Если пренебречь фазовыми сдвигами модулирующего сигнала в передатчике, ретрансляторе и приёмнике, то нетрудно получить связь разности фаз принятого и опорного сигналов от расстояния между запросчиком и ответчиком. Модулирующий сигнал можно записать как

,

(7)

где – фаза сигнала в момент излучения.

Излучённый сигнал после ретрансляции возвращается к запросчику в идеальном случае с той же фазой

.

(8)

Поэтому разность фаз опорного и принимаемого сигналов в момент приёма пропорциональна дальности

(9)

или

,

(10)

где – длина волны соответствующая масштабной частоте .

Отсюда

,

(11)

где – масштабный коэффициент.

Фазовым РНУ свойственна неоднозначность измерений. Если отсут­ствуют дополнительные устройства, то изменяется в пределах

.

(12)

Выражение (12) является условием однозначности измерений. При показания измерителя разности фаз повторяются.

Максимальная дальность, соответствующая диапазону однозначного измерения разности фаз определится как

.

(13)

Чем выше масштабная частота (короче длина волны ), тем меньше дальность однозначного отсчёта . Так, при , .

Для увеличения достаточно уменьшить масштабную частоту. Од­нако это уменьшит точность измерения. Действительно, дифференцируя (11) и переходя к конечным приращениям, получим

.

(14)

При данной ошибке измерителя разности фаз дальномерная ошибка тем меньше, чем меньше масштаб, т. е. чем меньше длина волны . При точности измерителей разности фаз возможно измерение дальности с точностью порядка .

Устранить противоречие между требованием высокой точности и однозначностью отсчёта можно, используя две масштабные частоты. Более низкая масштабная частота позволяет грубо, но однозначно измерить расстояние от до , более высокая – для точного измерения расстояния.