86

1.3.Фазовые РНС

1.3.1.Принцип работы ФРНС

В основе построения ФРНС лежит понятие «фазовый зонд». Наименование «фазовый зонд» указывает, что приемоизмеритель разностно-дальномерной (гиперболической) системы подобен некоторому 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 реализовать 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. Береговые станции фазовой гиперболической РНС, входящие в одну цепочку,

должны излучать колебания, у которых фазы согласовываются друг с другом либо с

помощью ведущей станции А (см. рис.1.4), либо с помощью точного высокостабильного эталона частоты [6].

Для понимания принципа работы ФРНС рассмотрим пример: излучение станциями

одинаковых частот (рис.1.4).

Пусть станции А и В излучают радиоволны на одной частоте:

ωА=ωВ=ω=2πf, где f — частота колебаний. Рис.1.4. К принципу работы ФРНС Тогда напряженность поля у антенны ведущей

станции А может быть выражена следующим

образом [2,3]: ЕА =EmAsinωt. К ведомой станции В радиоволны, распространяющиеся

со скоростью vp≈с ≈300 000 км/с, придут через некоторое время tAB = DcAB .

(Кратчайшее расстояние между станциями А и В – DАВ, называется базой)

Предполагая переизлучение станцией В принятых колебаний без задержки во

времени, можно записать напряженность поля у ее антенны ЕВ = EmВsinω (t-tAB) . На судно (в точку C) колебания от обеих станций придут через время после их

индуктирующиеся в антенне судового приемоиндикатора при приеме сигналов каждой из станций можно выразить следующим соотношением:

еАС= EmAsinω(t-tAC);

еВС= EmВsinω(t-tВC -tAB).

Фаза этих колебаний определяется выражениями, находящимися под знаком синуса. Поэтому разность фаз принятых колебаний приемником на судне от станций А и В будет равна

φАВ = ω(t-tAC)- ω(t-tВC -tAB)=ω(tВC - tAC)+ωtAB.

87

Таким образом, при постоянной частоте (длине волны) и неизменном базовом

расстоянии между станциями разность фаз колебаний в точке приема определяется только разностью расстояний от нее до станций. Следовательно, постоянная разность фаз будет на всей линии, проходящей через данную точку. Эта линия

представляет собой гиперболу.

Действительно, если φАВ = const, то при ω/c= const (2π/λ=const) и разность

расстояний от судна С до станций А и В DBС -DAС = ∆D = const, то это является

свойством гиперболы.

Так как при использовании ФРНС интересует изменяющийся фазовый сдвиг, то

его постоянную величину 2λπ DAB , получаемую при постоянном базовом расстоянии,

в выражениях (2) и (3) можно исключить и получить более простое соотношение:

Формула (4) является навигационной функцией фазовых РНС.

Участок рабочей зоны ФРНС, заключенный между двумя гиперболами, при плавании судна, в пределах которого разница фаз между ведущей и ведомой

станцией изменяется на 2π , называется фазовой дорожкой. На базе ширина

фазовой дорожки d=λ/2.

Для согласованной работы станций в фазовых РНС применяются высокостабильные генераторы излучаемых частот (атомные стандарты частот).

В любом случае колебания, принятые приемоиндикатором от пары станций, дадут возможность измерения разности фаз между ними только при условии, что

колебания от этих станций в месте их приема можно отделить друг от друга.

Выполнить это можно, разделив сигналы во времени — так называемая временная селекция или по частоте — частотная селекция.

Всвязи с этим принципиально возможны два основных способа излучения береговых станций: в разные промежутки времени колебания одной и той же

частоты или же одновременные колебания различных частот.

Впростейшем случае предполагается одновременное излучение каждой береговой станцией ФРНС сигнала только одной частоты. Однако, в связи с тем, что

одновременный прием двух колебаний одинаковой частоты не позволяет в

приемнике отличить их друг от друга, станции должны излучать колебания так,

чтобы они приходили к приемоиндикатору в разное время. Для этого станции

излучают их попеременно через определенный промежуток. Получающийся при

этом дополнительный сдвиг фаз между колебаниями, будучи постоянным, на работу всей системы не влияет. Приемоиндикатор имеет специальное фазозапоминающее

устройство, которое запоминает фазу первоначально принятых колебаний от станции А и подает их на фазоизмерительное устройство во время прихода колебаний от второй станции - станции В.

Излучение одинаковых частот (режим временной селекции) использовался в фазовых системах дальней навигации «Омега» (США), РСДН-20 (СССР).

Однако, помимо такого режима работы, береговые станции могут излучать последовательно или одновременно несколько сигналов различных частот (от двух

до четырех).

Станции, работающие на одной, общей частоте, образуют цепочку, состоящую

из 3-х или 4-х станций.

До конца 90-х годов прошлого столетия широко использовались ФРНС средней дальности действия (250-300 миль при расстояниях между береговыми станциями цепочек порядка 60-120 миль). Представителями таких ФРНС были «Декка»

88

(Великобритания) и РСВТ (СССР), отличающиеся высокой точностью определения места судна. (Например, при работе в дневное время на удалениях до 100 миль от

береговых станций точность определения места обеспечивалась в пределах 0,01- 0,03 мили, однако в ночное время на дальностях порядка 250 миль она ухудшалась

до 1,0 -1,5 мили) [1,2,6].

В этих системах для различия приемником сигналов цепочки, ведущая и ведомые станции излучали одновременно сигналы на различных частотах,

являющимися когерентными гармониками общей для них, так называемой базисной частоты.

В приемниках таких систем применялась частотная селекция сигналов, а измерение разности фаз между ведущей и ведомыми станциями осуществлялась на так называемой частоте сравнения.

Одним из существенных недостатков ФРНС является повторяющийся фазовый отсчет (многозначность фазовых отсчетов) через 2π (см. уравнение 4), что приводит

к неоднозначности определения места суда.

Для разрешения этой проблемы использовались различные способы [1,2,3]:

-непрерывное наблюдение при перемещении судна за изменением текущей разности фаз сравниваемых колебаний с фиксацией количества фазовых циклов

(способ привязки);

-периодический перевод ФРНС в режим формирования радионавигационного поля грубой фазовой структуры со значительно более широкими дорожками d.

1.4. Разностно-дальномерные РНС

Разностно-дальномерной называется радионавигационная система, навигационным параметром которой является разность расстояний от подвижного

объекта до двух разнесенных в пространстве радионавигационных точек. Если в

качестве радионавигационных точек используются расположенные на земной поверхности передающие станции, то такая система называется разностнодальномерной с опорными наземными передающими станциями.

Парой станций называются две опорные наземные станции разностнодальномерной РНС, создающие семейство линий положения системы. Минимальная

совокупность опорных наземных передающих станций, создающая сетку линий

положения радионавигационной системы, образуют цепь опорных станций.

Береговые опорные станции разделяются на ведущую и ведомые. Ведущей

называется станция, по сигналам которой осуществляется синхронизация излучения в системе; станция, сигналы которой синхронизируются сигналами ведущей станции,

называется ведомой.

Необходимо отметить, что линия положения — множество точек в зоне

действия радионавигационной системы, характеризующееся одним и тем же значением навигационного или радионавигационного параметра. В морской навигации этому определению соответствует термин «навигационная изолиния», а

под линией положения понимается отрезок прямой линии, заменяющей навигационную изолинию вблизи счислимого места судна.

Множество точек, для которых абсолютная величина разности расстояний до двух фиксированных точек (фокусов) является величиной постоянной, называется гиперболой. Значит, каждой величине разности расстояний до ведомой и ведущей станций соответствует определенная гипербола с фокусами в точках размещения

станций.

Поэтому, в этой связи разностно-дальномерные системы называют

гиперболическими.

89

Принцип работы разностно - дальномерных РНС (гиперболических) заключается в следующем.

Допустим, что береговые станции РНС, установленные в точках А и В с известными координатами, 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 построения гиперболической импульсной РНС

интервала между приходами импульсов, излученными береговыми станциями.

Измерив этот временной интервал ∆t (РНП), можно далее найти искомое значение разности расстояний DA - DB=∆D (НП). Для преобразования измеренного значения РНП в искомое значение НП используют навигационную функцию, которая для импульсной системы имеет вид

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 радиотехнические 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 будут 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 значением длины

базовой линии DAB , 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, что 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 определения) предусмотрен ряд дополнительных технических решений, а именно: для устранения неоднозначности РНП, а также обеспечения отсутствия наложения сигналов НО в зоне действия системы, станция В (в

дальнейшем называемая ведомой), излучает свой сигнал спустя через некоторый интервал времени tк после момента прихода сигнала от станции А (ведущей) в точку ее расположения.

Величина tк называется кодовой задержкой и позволяет при необходимости

владельцам РНС изменять оцифровку изолиний по любой ранее заданной во