книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

пространства целесообразно проводить наблюдения в больших секторах обзора с помощью широконаправленных антенн, так как при этом влияние вариаций и неоднородностей фонового радио­ излучения ослабевает из-за усредняющего действия диаграммы направленности антанны. Применяется также сканирование диа­ граммы направленности антенны.

Конструктивные измерения на судах сводятся часто к опреде­ лению углового и спектрального распределения «радиояркости» излучения помех и объектов. Каждая реализация, связанная с на­ блюдением распределения «радиояркости» или ее спектра, может быть представлена согласно общим конструктивным представлениям в виде’Р-функции, аргументами которой являются некоторые харак­ терные признаки. Регистрация реализаций должна осуществляться так, чтобы они были пригодны для программирования и позволяли выполнять при автоматическом распознавании функции зрительного восприятия.

Перечислим некоторые морские и воздушно-космические объекты, собственное излучение которых представляет интерес в задачах обнаружения на море.

Прежде всего отметим значительную радиоконтрастность суши и моря, которая обусловлена большим различием их излучательной способности. Эта радиоконтрастность в микроволновом диапазоне волн составляет величину порядка 100— 180 К, что позволяет обна­ руживать береговую линию и острова на больших дальностях. Данное свойство может быть использовано для навигации с помощью средств пассивной радиолокации (ПРЛ). Подобные средства оказы­ ваются весьма эффективными и при исследовании ледовой обстановки поверхности моря, так как излучательная способность льда в микро­ волновом диапазоне тоже значительно отличается от излучательной способности воды (0,9 против величины 0,35 для свободной ото льда поверхности воды).

Контрастными источниками радиоизлучения являются надводные корабли. Их яркостная температура значительно меньше яркостной температуры моря и суши, что вообще характерно для металлических объектов, имеющих температуру окружающей среды. Металлические объекты обладают хорошей отражательной способностью в радио­ диапазоне, вследствие чего их яркость оказывается малой в сравнении с яркостью радиофона. Однако при наличии деревянных элементов (палуб, надстроек и т. п.), яркостная температура которых значи­ тельно выше яркостной температуры моря, с помощью систем боль­ шой разрешающей способности могут быть обнаружены отдельные детали корабля, что позволяет судить о его типе.

Поскольку микрорадиоволны не распространяются за горизонт, дальность обнаружения морских объектов средствами ПРЛ ограни­ чивается пределами прямой видимости, определяемыми высотой расположения наблюдателя.

Согласно общим энергетическим соображениям, дальность обна­ ружения объекта обусловливается его радиоконтрастностью, погло­ щением радиоволн в атмосфере, а также флюктуационной чувстви-

1 0 0

тельносгью и отношением диаметра зеркала антенны к длине волны,

во время движения судов, возможно, позволит определять их ско­ рость и курс. Подводная лодка при движении в погруженном со­ стоянии также оставляет на поверхности моря кильватерный след. Слабая радиоконтрастность кильватерного следа, наличие сильного фонового радиоизлучения и его вариаций усложняют условия обна­ ружения подводной лодки. Однако современное состояние техники радиофизических измерений открывает возможность обнаружения таких слабых сигналов. По данным работы [152], в США создана бортовая ПРЛС, которая позволяет решить проблему круглосуточ­ ного всепогодного обнаружения подводных лодок с самолетов в зо­ нах, составляющих тысячи квадратных километров.

К возникновению сильного радиоизлучения приводит аэро­ динамический нагрев обшивки сверхзвуковых летательных аппаратов при прохождении ими плотных слоев атмосферы, а также образование около обшивки высокотемпературного плазменного слоя. Кроме того, источником радиоизлучения являются факелы ракетных дви­ гателей и аэрозольный «след», возникающий от продуктов сгорания в нижних слоях атмосферы, а также остаточное излучение на больших высотах, имеющее плазменную природу. Это тоже подчеркивает перспективность рассматриваемых радиофизических измерений.

Наряду с возможностью использования новых контрастных свойств объектов и относительной независимостью от условий погоды и времени суток (с точки зрения освещенности), к достоинствам ПРЛС относится скрытность и связанная с ней помехозащищенность. Важным обстоятельством является также возможность работы большого числа ПРЛС без взаимных помех. Это позволяет исполь­ зовать несколько ПРЛС с различными рабочими длинами волн в едином комплексе, управляемом электронной вычислительной машиной. Такие комплексы при большой чувствительности позволят,

исубмиллиметровых волнах.

§4.3. АТОМНЫЕ ЭТАЛОНЫ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ

ВРАДИОИЗМЕРЕНИЯХ

В последние годы в практике судовождения и исследованиях, проводимых на море, все шире применяются квантовые генераторы

иатомихроны (эталоны частоты).

Внастоящее время выпускаются промышленностью и широко используются три основных типа эталонов частоты: пассивная система с оптической накачкой рубидия (газовая ячейка на Rb);

101

цезиевая атомно-лучевая трубка и квантовый генератор на пучке

атомов водорода.

Рубидиевые ячейки с оптической накачкой являются наиболее легкими и компактными приборами, долговременная стабильность частоты которых по крайней мере на два порядка больше, чем у луч­ ших кварцевых генераторов. Кратковременная стабильность частоты этого прибора соответствует кратковременной стабильности лучших кварцевых генераторов при времени усреднения т от долей секунды до 10 с. В течение длительного времени наблюдается некоторый сдвиг частоты, который, однако, в 30— 100 раз меньше, чем у лучших кварцевых генераторов.

Цезиевые атомно-лучевые эталоны частоты выполняются пол­ ностью на полупроводниковых и твердотельных схемах. Они имеют высокую долговременную стабильность и обладают внутренней воспроизводимостью частоты с высокой степенью точности, что позволяет использовать их в качестве первичных мер частоты и эталонов без калибровки частоты. Сравнение частоты серийных приборов фирмы «Hewlettpackard» (США) типа НР-5060А с частотой цезиевого эталона NBS-III показало, что ни для одного из 60 про­ веренных приборов относительное отклонение частоты не превы­ шало ±3-10“ 12 [141]. Этот результат имеет особое значение вслед­ ствие различия конструкции эталона типа NBS-III, длина области взаимодействия которого L = 3,6 м, и промышленной атомно-лучевой трубки (АЛТ) типа НР-5060А (L = 12,5 см). Суммарная погрешность частоты обусловлена в основном неточностью измерения фазового сдвига в резонаторе АЛТ и системой автоматической подстройки частоты. Цезиевые трубки используются в качестве эталонов и первичных мер частоты и времени вследствие того, что внешние условия мало влияют на резонансный переход, а также вследствие полноты экспериментальных данных по ним.

Квантовый генератор на пучке атомов водорода при достаточно высокой воспроизводимости частоты и долговременной стабильности позволяет получить хорошую кратковременную стабильность. Однако приборы этого типа имеют довольно большой сдвиг частоты из-за столкновений атомов со стенками колбы, который, так же как и эффект старения колбы, в настоящее время еще не достаточно хорошо изучен.

Основные характеристики современных и перспективных эталонов частоты приведены в таблице (см. стр. 103).

Стабильность водородного мазера (Н), цезиевого пучка (Cs) и метановой ячейки (СН4), измеренную в широком диапазоне вре­ мени, иллюстрирует рис. 4.9. Как видно из рисунка, не существует эталона, который был бы значительно лучше остальных.

Для всех систем, генерирующих стандартную высокую частоту, требуется кварцевый генератор.

Во временной области от т = 102 с до т = 106 с стабильность водородных мазеров превышает стабильность других эталонов частоты. При т << 102 с стабильность мазера соответствует стабиль­ ности кварцевого генератора, синхронизованного по мазеру. Для

102

более длительных промежутков времени данные по стабильности водородных мазеров и цезиевых эталонов лабораторного типа от­ сутствуют.

В настоящее время в навигации широко применяются измерители, определяющие линии положения. Их делят на две группы: 1) изме-

Рис. 4.9. Экспериментальная зависимость среднеквадра­ тичной погрешности стабильности некоторых эталонов

частоты Jау В )]1/2 от времени.

рители, работа которых основана на использовании искусственно создаваемого физического поля, в частности электромагнитного; 2) измерители, работа которых основана на использовании естествен­ ных физических полей. Все радионавигационные станции (РНС), определяющие различными методами навигационные параметры, используют в работе некоторые закономерности распространения радиоволн.

1 0 3

Если судно движется так, что измеренное до него расстояние остается неизменным, то это значит, что оно движется по линии положения, которая представляет собой окружность на сфере. Для определения места подвижного объекта необходимо определить расстояние до двух передатчиков. Точка пересечения соответствую­ щих окружностей указывает местоположение судна. Это метод

носит название дальномерного.

Разностнодальномерный метод основан на определении разности расстояний от подвижного объекта до двух передатчиков. Если при движении судна измеряемая на его борту разность расстояний AR -- R 1— R 2 не меняется, то это значит, что оно движется по линии положения, имеющей гиперболический характер. Для опре­ деления места судна необходимо знать разность расстояний до двух пар передатчиков, т. е. знать две линии положения, пересекающиеся

между собой.

Сравнительно недавно началась разработка методов построения комплексных систем навигации с высокой степенью точности опре­ деления навигационных параметров [137]. Комплексное исследо­ вание датчиков, работающих с использованием различных физи­ ческих принципов, позволяет значительно повысить информативность системы и тем самым увеличить точность и надежность определения линий положения.

Применение последних достижений кибернетики и особенно бионики дает основание полагать, что в ближайшее время появятся навигационные системы адаптивного типа, т. е. системы, изменяющие структуру и методы работы в зависимости от изменения входных сигналов и внутренних условий. Вероятно, первыми шагами в реали­ зации подобных систем должны быть самонастраивающиеся системы с автоматической индикацией точности.

Основной тенденцией развития комплексных средств навигации является создание таких систем, которые хотя бы отчасти обеспечи­ вали возможность работы с различными классами сигналов в широ­ ком диапазоне частот, а также не реагировали бы на воздействие помех переменного уровня. Однако число сигналов и помех на входе системы в период ее работы столь велико, что спроектировать опти­ мальную систему практически невозможно. Действительно, эту задачу нельзя решить, собрав в одном комплексе ряд систем, так как разра­ ботанные в настоящее время навигационные системы не предназна­ чались для выполнения таких сложных функций, как распознавание сигналов широкого класса на фоне помех, приспособление структуры системы и значений параметров к меняющимся условиям среды, восстановление закона изменения сигнала и введение его в управляю­ щие структуры. Система, выполняющая все эти функции, в прин­ ципе была бы похожа на сложную биологическую систему.

Известно, что морская навигация должна обеспечивать безо­ пасность и экономически выгодное передвижение судов из пункта отправления в пункт назначения независимо от окружающих усло­ вий, т. е. облачного покрова, ветра, состояния моря и видимости над Мировым океаном.

104

Радионавигационные системы при определении координат объекта используют внешнюю информацию, поступающую от наземных станций. Для целей навигации при удалении от континента на большие расстояния выпускается ряд систем передающих станций средневолнового (СВ) и длинноволнового (ДВ) диапазонов. Эти системы входят в состав прибрежных импульсно-фазовых систем, таких, как «Декка», «Лоран-А», «Лоран-С», «Омега» ИЗО]. Принцип действия указанных систем сводится к измерению времени распро­ странения радиоволн от передатчика, расположенного на наземной станции, до потребителя и определению по известной скорости распространения радиоволн расстояния до передатчика, а следо­ вательно, и координат подвижного объекта. Рассмотрим основные характеристики этих систем.

«Декка» — это низкочастотная гиперболическая навигационная система, использующая принцип сравнения фаз незатухающих

ческую линию положения, а два или более измерений определяют место судна. Однако некоторые линии положения дают одну и ту же разность фаз для базовой линии, соединяющей ведущую и ведомую станции. Для устранения неоднозначности наземные станции излу­ чают сигналы опознавания дорожек в определенной временной последовательности. Приемные станции системы «Декка» располо­ жены в виде буквы Y с ведущей станцией в центре; расстояние между станциями 50—75 миль. В состав приемного устройства этой системы входит приемник для сравнения фаз, устройства для опознавания дорожки, источник питания, вычислительное устройство, прини­ мающее информацию о гиперболических координатах с приемоиндикатора, и планшет с подвижной картой. Основным недостатком системы «Декка» является то, что передающий сигнал поверхностной волны маскируется сигналом пространственной волны. Это сильно ухудшает фазовую точность, и опознавание дорожки на расстояниях свыше 250 миль днем и 100 миль ночью может быть совершенно неудовлетворительным.

Система «Лоран-С» (/ — 100 кГц) — гиперболическая импульсно­ фазовая система определения места — использует передачу сигна­ лов низкой частоты на поверхностных волнах и обеспечивает даль­ ность связи свыше 1000 миль. Применение импульсной техники исключает влияние пространственной волны, высокая точность обеспечивается сравнением фаз несущей частоты, а многозначность устраняется путем измерения разности времен между огибающими высокочастотного сигнала. При плохих соотношениях сигнал/шум используются корреляционные методы и фильтрация во временной области. Все передатчики «Лоран-С» работают на фиксированной частоте 100 кГц. Радиочастотное заполнение каждого импульса когерентно частоте повторения. Влияние пространственной волны начинает сказываться по меньшей мере через 30 мкс после начала импульса. Поэтому в наиболее точной приемной аппаратуре исполь-

105

зуютея только три первых периода колебаний. Оптимальное раз­ мещение станций (конфигурация цепочки) — триада или звезда: одна ведущая и три ведомых с расстоянием между ними 600 миль. Существует восемь цепочек «Лоран-С», состоящих из 30 станций. Для опознавания ведущей и ведомой станций используется фазовое кодирование, обеспечивающее гашение длинных серий импульсов на пространственных волнах, что позволяет удерживать точность определения места на одном уровне в любых условиях. Точность определения места судна 0,3 мили. На передающих станциях «Лоран-С» установлены атомные стандарты па пучках атомов цезия, обладаю­ щие большой долговременной стабильностью частоты и, следова­ тельно, обеспечивающие хорошую временную базу. Так как исполь­ зуется один общий стандарт для всех станций, то радиосигналы будут когерентны по несущей частоте и синхронизированы. Точность передачи сигналов времени на несущей частоте ± 1 мкс, точность синхронизации ± 1 мкс.

В системе «Лоран-С» местоположение объекта определяют путем измерения разности времен приема радиосигналов от трех синхро­ низированных передатчиков, расположенных в пунктах с известными координатами. Ведомые передатчики повторяют импульсы ведущего с заранее установленной по коду задержкой времени, известной для данной системы. Положение приемника плавающего объекта находят обычным способом по пересечению пары гипербол. Однако данный метод в силу ряда обстоятельств может привести к так назы­ ваемому геометрическому размыванию точности за счет «плохих» углов пересечения гипербол, условий распространения радиоволн и т. д. Это особенно сказывается в районах береговой линии и ее продолжения, где градиент гиперболической поверхности, соот­ ветствующий постоянной разности прихода сигналов от определен­ ной пары ведущего и ведомого передатчиков, проходит через нуль и, следовательно, самые малые ошибки в определении разности времен приводят к большим погрешностям в определении координат, делая невозможным использование радионавигационных систем для навигации.

Рис. 4.10 иллюстрирует точность определения координат объекта с помощью системы, работающей в разностнодальномерном режиме. Измерения проведены с 50%-ной доверительной вероятностью при среднеквадратичной ошибке, равной 30 м. Если бы такая точность была достигнута при дальномерном методе измерений, то, как видно из рис. 4.11, было бы реализовано значительное улучшение условий навигации.

Как повысить точность при дальномерном методе измерений? Расстояние до передатчика можно было бы легко определить, если бы в приемной части можно было измерить относительно местного источ­ ника времени точный момент излучения сигнала передатчиком «Лоран-С». Действительно, время прихода сигнала можно заметить по местным часам, и тогда соответствующая разность времен (приема и передачи относительно местного времени), умноженная на скорость распространения радиоволн, будет равна расстоянию до передат­

106

чика. Проблема сводится, таким образом, к установке на каждом подвижном объекте, положение которого определяется, синхронных часов, при этом если часы передающих станций синхронизированы, то бортовые часы, идущие синхронно с часами любой станции, будут синхронизированы и с часами других станций. Данный метод требует только двух измерений дальности для определения пересекающихся окружностей. Если бортовые часы не обладают высокой точностью, соизмеримой с точностью часов Земли, то измерение дальности от третьей станции позволит как бы «замкнуть контур» для перекрест-

y,J'W?кп

Рис. 4.10. Изокривые ошибок при определении координат с помощью гиперболической навигационной системы «Лоран-С».

Числа около кривых соответствуют величинам ошибок, вы ра­ женным в метрах.

ной калибровки, а также внести поправку в местные часы, которые можно непрерывно корректировать. Поправка местных часов отно­ сительно ведущих может быть выполнена путем использования периодической последовательности сигналов, присущих системе «Лоран-С». При этом, зная априорное изменение фазы и частоты местных часов, можно применить методику фильтрации Кальмана, которая обеспечивает оптимальную оценку искомых координат (в смысле минимума дисперсии) даже с учетом аномалии в распро­ странении радиоволн в реальном времени [2].

За последнее десятилетие проводились многочисленные измере­ ния стабильности фазы сигналов СВ-диапазона. Исследования пока­ зали, что использование волн СВ-диапазона может обеспечить высокоточное и надежное определение места движущегося объекта

107

в любой точке земного шара. Благодаря таким преимуществам СВ-сигналов, как высокая стабильность и медленное затухание, радионавигационные системы на средних волнах могут обеспечить навигационной информацией весь земной шар при наличии всего нескольких станций.

Гиперболическая фазовая радионавигационная станция дальнего действия «Омега» с восьмью наземными станциями, разнесенными на 5000 миль, как раз и предназначена для выполнения функций глобальной навигации [125]. В этой системе может быть достигнута

Рис. 4.11. Изокривые радиусов ошибок при опре­ делении координат с помощью навигационной си­ стемы «Лоран-С», работающей в дальномерном режиме.

высокая избыточность навигационных параметров для приемоиндикаторов плавающих объектов при измерении разности фаз колебаний, поступающих от нескольких пар станций. Станции передают сигналы, создающие стационарное электромагнитное поле, в пределах кото­ рого положение соответствующего приемника может быть определено с точностью до 1 морской мили. На каждой станции устанавливаются

образование гиперболических координат объекта при измерениях в географические (широта и долгота) не составляло бы труда, если бы скорость распространения сигналов на средних волнах была постоян­ ной. Однако скорость есть функция нескольких параметров: вре­ мени суток, года, направления распространения, солнечной актив­ ности, проводимости поверхности и т. д. Самые большие изменения

108

в фазе и частоте сигналов станции «Омега» являются следствием суточных изменений положения ионосферы, зависящего от зенит­ ного угла Солнца над трассой распространения. Кроме того, имеют место визуальные аномалии фазы, связанные с рентгеновским излу­ чением Солнца в период солнечных вспышек, которые могут при­ вести к резкому изменению фазы распространения на освещенных трассах. Однако благодаря высокой стабильности временной базы на каждой станции и высокой точности коррекции средней фазы всей системы (достигаемой за счет интегрирования) можно значи­ тельно уменьшить все изменения, вызванные суточными флюктуа­ циями времени распространения и другими кратковременными возмущениями на трассе, а также шумами. Каждая станция сохра­ няет фазу передаваемого сигнала в пределах стабильности привязки к средней фазе сетки сигналов системы «Омега» (± 1 мкс). Наконец, система «Омега» может обеспечить передачу сигналов точного вре­ мени в пределах нескольких микросекунд.

В связи с проведением успешных запусков искусственных спут­ ников Земли (ИСЗ) особую актуальность приобрело использование устанавливаемой на них навигационной аппаратуры для обеспе­ чения плавания морских судов в любой части акватории земного шара [148].

При установке радионавигационной точки на ИСЗ, движущихся по заранее рассчитанной эфемериде, получается астрономический ориентир, называемый навигационным ИСЗ. Задаваясь определен­ ными режимами и траекториями полета нескольких ИСЗ, можно создать навигационную систему, которая способна заменить назем­ ные радионавигационные системы. Определение навигационных пара­ метров большинства навигационных систем с использованием ИСЗ основано на получении линий положения. Отличительной особен­ ностью этих систем является то, что установленные на ИСЗ радио­ навигационные точки флюктуируют относительно расчетных зна­ чений их координат. Необходима служба по определению и прогно­ зированию на длительный период траекторий движения (эфемерид) и управлению положением спутника на орбите, поскольку на него действуют различные возмущения (состояние атмосферы, положение Солнца, Луны и т. д.). Для работы систем с использованием ИСЗ необходимо предварительное знание текущих координат ИСЗ и нали­ чие оборудования на борту спутника и объекта, предназначенного для определения навигационных параметров. Нужно рассчитать оптимальное расположение спутников на одной или нескольких орбитах, при котором обеспечивается перекрытие рабочими зонами необходимых районов земного шара, а также получение углов пере­ сечений линий положения и расстояний между этими линиями.

Радионавигационные системы с использованием ИСЗ позволяют удовлетворить на практике таким несовместимым по отношению к другим навигационным системам требованиям, как глобальность рабочей зоны, всепогодность, независимость от времени суток и года и, что самое главное, высокая точность при неограниченном числе объектов, положение которых требуется определить. В связи с услож­

109