Типи радіотехнічних систем

Рис. 1. Схема фазового методу вимірювання віддалі

Нехай передавач, що знаходиться в точці А, безперервно випромінює синусоїдальні коливання масштабної частоти f. За один період коливання фаза зміниться на 2π, а за f коливань у секунду зміна фази складиме 2πf. Якщо через Δt позначити час, необхідний для розповсюдження хвилі від точки А до точки В, тоді зміна фази за цей час буде дорівнювати 2πfΔt, а при поверненні коливання знову в точку А, поклавши Δt = 2D/v, різниця фаз буде визначатися за формулою

Тоді з отриманого виразу

(1)

де: v – швидкість розповсюдження електромагнітних коливань;

f – частота коливань (задається чи вимірюється);

φ – різниця фаз (вимірюється спеціальними приладами – фазометрами або приводиться до заздалегідь заданої величини); λ = v/f – довжина хвилі коливання.

Генератор

високої

частоти

Фазометр Приймач

D

Рис. 2. Блок-схема фазового методу вимірювання віддалі

На передавальній станції (рис. 2) є генератор-передавач безперервних коливань, приймач і індикаторний пристрій у вигляді фазометра, на який поступають коливання з передавача – опорні коливання і коливання, відбиті відбивачем, встановленим на другому кінці вимірюваної лінії – відбиті коливання. Фазометром вимірюється різниця фаз опорного і відбитого коливань, після чого за формулою (1) визначається віддаль.

В загальному випадку різниця фаз опорного і відбитого сигналів буде дорівнювати сумі = + δ , де – виміряне значення фази коливань, яке визначається пройденою віддалю, δ – сума всіх додаткових зсувів фази, які виникають внаслідок умов розповсюдження хвиль в приймальній і передавальній апаратурі. Тоді віддаль, пройдена хвилею в прямому і зворотному напрямках, можна визначити за формулою

(2)

де l – поправка у віддаль за суму всіх додаткових зсувів фази, яка обумовлена конструкцією апаратури та враховує поправку у довжину за приведення вимірювань до вертикальної осі приладу. Вона називається сталою приладу і визначається для кожної даної системи вимірюванням лінії, довжина якої є відомою.

Зміна фази від 0 до 2π складає повний фазовий цикл, але існують цикли, що дорівнюють π. Через фазові цикли різниця фаз може бути представлена так:

(3)

Підставляючи (3) у (2), отримаємо

При N = 0 і l = 0 отримаємо формулу

з якої видно, що у фазовому методі вимірювань віддаль дорівнює числу півхвиль, які укладаються в ній, або числу довжин хвиль у віддалі 2D.

З формули (3) виходить, що різниця фаз складається з повного числа фазових циклів N і його частини N. Тому при визначені віддалей фазометром вимірюються частини фазового циклу, а також визначається число повних фазових циклів N.

В залежності від способу підрахунку числа повних фазових циклів – способу розв’язування неоднозначності вимірюваної відстані, розрізняють способи радіолага, фазового зонда і радіовіддалеміра.

Перші два способи застосовуються при вимірі відстаней із застосуванням радіогеодезичних систем до об'єктів, що рухаються, у випадку виміру відстаней між двома нерухомими точками радіо- і світловіддалемірами. При цьому неоднозначність розв’язується виміром відстані на двох чи декількох різних масштабних частотах. Зміна частоти модуляції може здійснюватися плавно – спосіб плавних частот, стрибком на заздалегідь фіксованих частотах – спосіб фіксованих частот, або використовуючи плавні і фіксовані частоти – спосіб “коливання частоти”.

Фазові радіогеодезичні системи є основним засобом створення геодезичної основи на

морі.

Широке застосування цих систем для розв’язання задач морської геодезії обумовлене рядом важливих їх переваг, основними з яких є:

1)достатньо висока точність вимірів та визначень;

2)забезпечення необхідної дальності дії;

3)можливість виконання вимірів як в статичному, так і динамічному режимах;

4)висока продуктивність та технологічна сумісність практично з усіма видами морських робіт;

5)безперервність функціонування та забезпечення контролю положення й активного керування судном;

6)висока ступінь автоматизації процесів вимірів;

7)надійність в роботі в різних кліматичних і метеорологічних умовах.

Мають ці системи також високу дозвільну спроможність і можливість організації каналів зв’язку з вузькими смужками пропускання у будь якому діапазоні радіочастот. Широкі можливості фазового зонда дозволяють виконувати виміри на робочих, трансформованих і комбінованих частотах, на частотах, утворених як різниця або сума двох робочих частот і на частотах модуляції.

При використанні фазових систем спостереження практично зводяться до фазових або частотних вимірів отриманих електромагнітних коливань. Віддаль у даному випадку визначається за формулою

Фазові радіогеодезичні системи можуть бути когерентними і некогерентними. У когерентних системах використовується одне джерело коливань масштабної частоти, а частоти коливань станції, що відбиває, залежать від частот коливань станції, що задає. Частіше застосовуються некогерентні (гетеродинні) радіогеодезичні системи, у яких всі станції

випромінюють електромагнітні коливання незалежно одна від іншої, що дає можливість використовувати принцип гетеродинирування і виконувати фазові виміри на низькій різницевій частоті.

Імпульсні системи використовуються для безпосередніх вимірів віддалей за часом проходження імпульсів електромагнітних хвиль в прямому й зворотному напрямах уздовж лінії вимірів. Віддаль визначається за формулою

Імпульсним системам властива більша дальність дії, в той час як фазовим – більш висока точність вимірів. Імпульсні радіогеодезичні системи застосовуються для виміру довгих (декілька сотень кілометрів) ліній і при створенні дрібномасштабних карт. В цих системах станція з індикаторним пристроєм і прийомопередавачем розташовуються на рухомому об’єкті, а на кінцях вимірюваних ліній встановлюють дві станції відповідачі із прийомопередавачами.

Такими радіогеодезичними системами були РИМ (СРСР), Шоран і Хайран (США), що використовували ультракороткі хвилі метрової довжини. З виміряних сторін утворюють мережу трилатерації, одержуючи систему опорних пунктів для забезпечення зйомок дрібного масштабу. Такі зйомки дуже ефективні у важкодоступних малообжитих районах. Так, наприклад, системами Шоран і Хайран було виконано картографування великої території півночі Канади площею в 2000000 км2. Геодезичною основою служили сторони тріангуляції 1 класу і декілька спеціально визначених астрономічних азимутів.

Імпульсні системи виявилися також ефективними для зв’язку материків і островів. Ними були здійснені геодезичні зв’язки Скандинавії, Англії і Ісландії, північноамериканського і європейського материків, Малої Азії й Африки через о. Крит, Північної і Південної Америки через Великі і Малі Антильські острови і ряд інших.

Імпульсні системи з пасивною відповіддю застосовують у радіовисотомірах, а з активною відповіддю – у радіонавігації.

За типом безпосередньо виміряного радіотехнічного параметра системи поділяють на часові, фазові, частотні, амплітудні та змішані. Деякі з перелічених класів, у свою чергу, розділяються на підкласи. Так, фазові системи за способом створення пари когерентних коливань, необхідних для проведення фазових вимірів, поділяють на когерентні та гетероїдні.

У когерентних системах на приймальні пристрої станцій по різних каналах або лініях зв’язку поступають коливання рівних частот. В цьому випадку для їх поділу застосовують прийом часової селекції сигналів. При часовій селекції робота передавальних станцій системи

організується так, щоб коливання від різних станцій випромінювань поступали на вхід

прийомоіндикатора в різні моменти часу. Фазові виміри при цьому виконують безпосередньо на робочих частотах. Альтернативою часовій селекції у когерентних системах є частотна селекція, де частоти сигналів, які одночасно поступають на вхід прийомоіндикаторної станції,

знаходяться у цілочисельному співвідношенні. Для виконання фазових вимірів у даному

випадку прийняті коливання перетворюються (трансформуються) до однієї частоти, яка називається частотою порівняння. Таким чином, когерентні системи поділяються на системи з часовою та частотною селекцією сигналів.

В гетероїдних системах фазові виміри виконуються на частотах биття, утворених як різниця двох близьких за значенням частот, кожна з яких випромінюється відповідною станцією системи.

За типом навігаційно-геодезичних параметрів системи розділяються на кутомірні, віддалемірні, різницеві, сумарні та змішані. Найбільш широко розповсюджені віддалемірні і різницеві радіогеодезичні та радіонавігаційні системи. У віддалемірних системах геометричними параметрами є віддалі або їх приростки. При визначеннях приростків віддалей віддалемірні системи називають радіолагами. У різницевих системах геометричними параметрами є різниці віддалей. Різницевими називають також системи, в яких вимірюють приростки різниць віддалей. Фазові системи такого типу називають фазовими зондами.

За геометричними властивостями сітки ізоліній радіогеодезичних і радіонавігаційних систем розділяють на пеленгаційні, колові, гіперболічні, еліптичні та змішані. До пеленгаційних відносяться системи, ізолінії у яких представлені у вигляді локсодромій або ліній рівних пеленгів. Ці системи в морських геодезичних роботах не застосовуються тому, що мають малу точність вимірів. До колових відносяться віддалемірні системи, в тому числі радіолаги, сітка ізоліній яких приймає вигляд кіл. До гіперболічних відносять системи, в тому числі фазові зонди, сітка ізоліній цих систем має вигляд гіпербол.

У радіотехнічних системах використовуються різні за діапазоном радіохвилі: наддовгі, довгі, середні, короткі та ультракороткі. При наявності даних про частоти випромінювання можна судити про такі важливі параметри, як дальність дії та точність вимірів. При цьому, слід мати на увазі, що дальність дії системи тим більша, чим нижче частота радіохвиль, а точність вимірів підвищується зі збільшенням частоти радіохвиль.

Наддовгохвильові системи мають дальність дії до 10 000 км та забезпечують точність визначення місцеположення з похибками 0,5-5 км. Робочі частоти таких систем знаходяться в межах 10-14 кГц. Системи, які працюють у даному діапазоні радіохвиль, називають системами глобального радіуса дії.

Довгохвильові системи мають дальність дії до 2500 км та забезпечують точність визначення місцеположення з похибками 0,1-1 км. Робочі частоти таких систем знаходяться в

межах 80-130 кГц. Такі системи називають системами далекого радіуса дії.

Середньохвильові системи мають дальність дії до 500 км та забезпечують точність визначення місцеположення з похибками 20-100 м та рахуються як системи середнього радіуса дії. Саме в діапазоні середніх хвиль функціонує більша частина фазових гіперболічних та колових систем, робочі частоти яких 1,5-3 мГц.

Короткохвильові системи застосовуються в радіогедезичних системах, які за технічними характеристиками є близькими до систем середньохвильового діапазону.

Ультракороткохвильові системи в основному представлені коловими радіогедезичними системами, які функціонують як у фазовому, так і в імпульсному режимах. Дальність дії їх в основному обмежена умовами прямої видимості та не перевищує 60 км. В