книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

Дальномерные системы принято называть круговыми, так как ли­ ния, на которой может находиться объект с одинаковым значением измеренной дальности, представляет собой окружность. Аналогично разностно-дальномерные системы именуют гиперболическими, так как одно и то же значение разности двух расстояний будет одинако­ вым для всех точек некоторой гиперболы.

В радиолокационных устройствах используются как гармониче­ ские, так и негармонические (модулированные) электромагнитные колебания.

Мгновенное значение напряженности электрического поля гар­ монического электромагнитного колебания в фиксированной точке

где Ет — амплитуда, со — круговая частота и <р0 — начальная фаза являются параметрами колебания, a t — время. Любой из этих пара­ метров может содержать информацию об объекте наблюдения и его положении. Так, фаза колебания со t + ср0 непрерывно меняется от точки к точке волны и может служить, например, мерой удаления объекта наблюдения от станции наблюдения. Устройства, в которых информация об объекте получается по измеренному значению фазы волны, называются фазовыми. Аналогичные устройства, основанные на получении информации об объекте по величине амплитуды волны, называются амплитудными. Частота колебания гармонической волны является, вообще говоря, величиной неизменной. Однако, если объект удаляется от станции наблюдения, происходит изменение

,частоты отраженных колебаний, пропорциональное скорости удале­

ни я объекта. Это изменение принято называть допплеровским смеще­ нием частоты, а приборы и системы, использующие этот принцип,— допплеровскими.

Системы локационного типа, в которых используются модулиро­ ванные колебания, подразделяются на амплитудно-, частотно- и фазомодулированные. Наибольшее распространение получили си­ стемы двух первых типов. В существующих системах используется как прерывистая (импульсная), так и непрерывная, в том числе гармоническая, модуляция. Если модуляция имеет импульсный ха­ рактер, то систему называют импульсной. При гармоническом характере амплитудной или частотной модуляции обычно измеряют разность фаз модулирующего колебания прямой и отраженной волн, а систему называют фазовой, независимо от вида модуляции. Если модулируется частота колебаний и измеряется разность частот коле­ баний прямой и отраженной волн, то систему называют частотной. В последнее время получают распространение системы со смешанным характером модуляции.

В зависимости от назначения радиосредства, используемые для обнаружения и определения местоположения подвижных или не­ подвижных объектов, включая измерение расстояний до них, де-

80

лятся на радиолокационные, радионавигационные и специальные радио- и светодальномерные приборы и системы.

Радиолокационные устройства (радиолокаторы) предназначены для обнаружения, опознавания и определения координат подвиж­ ных объектов. Наиболее часто радиолокационные станции опре­ деляют одновременно удаление, угол наклона и пеленг (аз«імут) цели. Автономные радиолокационные станции широко применяются

ввоенном деле, а также в метеорологии и астрономии.

Крадионавигационным средствам относят радиотехнические устройства, предназначенные для вождения судов, самолетов и кос­ мических кораблей. Вождение подвижных средств требует определе­ ния их местоположения, а также скорости и направления движения. Эти величины определяют при помощи радиотехнических устройств, находящихся на движущихся объектах (бортовые радиоустройства),

атакже в точках земной поверхности с известными координатами. Комплекс наземных- и бортовых радиоустройств, предназначенных для навигации, называют радионавигационной системой. К радиона­ вигационным устройствам относятся также автономные бортовые устройства для определения высоты полета летательного аппарата — радиовысотомеры, и определения путевой скорости — допплеровские системы.

Некоторые радионавигационные системы находят применение в геодезии или даже специально сконструированы для геодезиче­ ских целей. Такие системы называют радиогеодезическими. Одной из отличительных особенностей радиогеодезических систем является повышенная точность определения местоположения подвижных объектов.

Специальные радио- и светодальномеры предназначены для из­ мерения расстояний между подвижными или неподвижными объек­ тами. Устройства такого рода применяют в геологии, геофизике, метеорологии и других областях науки и техники. Большую группу приборов специального назначения образуют геодезические радио- и светодальномеры, отличающиеся от других устройств портатив­ ностью и высокой точностью результатов.

Применяемые в геодезии для измерения расстояний радиоэлек­ тронные средства можно классифицировать следующим образом.

1. Радиогеодезические системы предназначены для определения координат при аэрофотосъемке и для развития геодезических опор­ ных сетей со сторонами в несколько сотен километров. Такие сети строятся как для плановой основы аэрофототопографических съемок сравнительно мелких масштабов, так и для соединения геодезиче­ ских сетей островов и континентов. Ошибки измерения расстояний при помощи указанных систем составляют 1—5 м и больше в зави­ симости от системы.

2. Геодезические дальномерные устройства, применяемые при измерении выходных сторон триангуляции, трилатерации, сторон полигонометрических ходов, сетей съемочного обоснования и т. п. Эти устройства в свою очередь подразделяются на:

а) геодезические радиодальномеры, служащие для измерения рас­ стояний от нескольких сотен метров до нескольких десятков кило­ метров с ошибками порядка (0,5 - Ю' 4 + 3-Ю""6) D;

б) светодальномеры (электрооптические дальномеры) высокой точ­ ности, предназначенные для измерения базисных сторон триангуля­ ции 1 и 2 классов и сторон полигонометрии 1 класса. Они рассчитаны на измерение расстояний до 30—40 км с наивысшей точностью (от­ носительная ошибка не больше 1:400 000);

в) средние светодальномеры, служащие для измерения расстоя­ ний до 15—20 км с относительными ошибками 1:100 000—1 : 300 000. Приборы этого типа используются для измерения длин сторон по­

геодезических работ, позволяющие измерять расстояния от несколь­ ких метров до нескольких десятков или сотен метров с ошибками 0,1 — 1,0 мм.

§ 9. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВ

При радиолокационном обнаружении объектов и определении расстояний до них должны быть обеспечены как возможность про­ хождения электромагнитной волны между объектом и станцией наблюдения,, так и необходимый уровень принимаемого сигнала. С увеличением расстояния условия прохождения сигнала ухуд­ шаются, поэтому точность измерений понижается и при некотором расстоянии ошибка измерений становится больше предельно допус­ тимого значения. Максимальное расстояние, которое можно изме­ рить с заданной точностью, называют предельной или максимальной дальностью действия или просто дальностью действия прибора или системы.

При дальнейшем удалении объекта от станции наступает такое положение, когда не только неуверенно определяется длина линии, но из-за низкого уровня не может осуществляться регистрация сиг­ нала. Максимальное расстояние, при котором осуществляется уве­ ренная регистрация отраженного сигнала, называется предельной дальностью обнаружения цели или просто дальностью обнаружения.

Дальность обнаружения имеет большое значение для радиолока­ ционных станций, предназначенных для наблюдения за объектами военного назначения, метеоритами и т. п. Для радиогеодезическцх систем и приборов дальность обнаружения является необходимым,

82

в которой, как и в формуле (123), расстояния выражены в километ­ рах, а высоты — в метрах.

Способ выпрямления профиля позволяет быстро и просто про­ верить геометрическую возможность прохождения радиоволн между точками местности при помощи карты с рельефом. Для этого доста­ точно построить профиль между заданными точками местности А и В, Как на рис. 31, б. Проведя через эти точки кривую пути волны, можно установить наличие мешающих препятствий и высоту про­ хождения радиоволны на любом участке ее пути. Кривую можно построить как по высотам, найденным из (118), так и циркулем в виде

окружности с радиусом Rs = —. проходящей через три точки с из­ вестными высотами.

Рассмотрим теперь вопрос о предельной дальности с энергети­ ческой точки зрения.

При измерении расстояний необходимо, чтобы мощность при­ шедшего от удаленного объекта сигнала была не ниже некоторого порогового значения àPmin, обеспечивающего выделение сигнала на фоне помех и гарантирующего необходимую точность измерения времени его распространения на определяемом расстоянии.

При импульсном методе измерения пороговое значение мощности должно обеспечить выделение на фоне помех отраженного импульса и его величину, достаточную для точного измерения времени рас­ пространения (рис. 32).

При фазовом методе измерения пороговое значение мощности

стимой ошибке измерения его фазы.

Рассмотрим сначала дальность действия системы с пассивным отражателем. Обозначим через Р мощность колебаний, излучаемую антенной передатчика. Тогда, принимая антенну за точечный

85

источник излучения, плотность потока мощности излучения Q у объекта в свободном пространстве будет

Q =

где D — расстояние от станции до объекта. Если излучатель снаб­ жен направленной антенной с коэффициентом направленности G*, то

Так как отраженная от объекта энергия будет излучаться по всем направлениям, то плотность потока энергии излучения, соот­ ветствующая отраженному сигналу, у приемной антенны станции наблюдения будет

где S3 — эффективная площадь объекта, зависящая от его разме­ ров, отражательных свойств и положения относительно фронта при­ ходящей волны. Мощность на входе приемника будет -

р Г) А PGAS3

где А — эффективная площадь приемной антенны, связанная с ко­ эффициентом направленности антенны G и длиной волны несущих колебаний К соотношением

Таким образом, в случае радиолокации с пассивным ответом мощность отраженного сигнала у станции обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между станцией и объектом наблюде­ ния. Полагая Рг = Д Р т і п , получим выражение для дальности дей­ ствия Z ) m a x

( 1 2 8 )

Формулу (128) называют основным уравнением радиолокации. Для радиолокации с активным ответом, полагая несущие частоты запросчика и ответчика одинаковыми или достаточно близкими, при одинаковых приемо-передающих антеннах запросчика и ответчика,

* Коэффициент направленности антенны показывает, во сколько раз н у ж н о повысить мощность ненаправленной антенны, чтобы получить от нее ту ж е напряженность поля, к а к у ю дает направленная антенна в направлении макси­ мального излучения .

86

из аналогичных рассуждений найдем плотность потока мощности Ра у ответчика

P3G3A Р3А*

где Р3 — мощность излучения запросчика, а значки «з» и «о» служат для различия параметров запросчика и ответчика. Плотность потока мощности у запросной станции Р'3 будет

ность сигналов у соответствующих станций обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В этом случае предельные даль­

С поглощением особенно приходится считаться в сантиметровом диа­ пазоне радиоволн. Так, если дальность радиолокации в свободном пространстве составляет 100 км, то в атмосфере при длине волны 3 см при сильном дожде дальность сокращается до 30 км.

Если коэффициент поглощения энергии электромагнитных коле­ баний в атмосфере обозначить через а дб/км, то мощность колеба­ ний Р после прохождения расстояния 2D уменьшится до значения Р', определяемого из соотношения

« M g - £ - = a2Z>,

или

, Р 2,3a2Z> п ,п г,

)

а уравнение (128) в виде

Из аналогичных рассуждении для радиолокации с активным от­ ветом получим

При фазовом методе измерения расстояний дальность действия будет определяться также формулами (132) и (133). При этом в пра­

ющую необходимой точности и используемому методу измерения раз­ ности фаз.

Для частотного метода дальность действия устройств будет опре­ деляться также полученными формулами, но A P m i n должно опре­ деляться с учетом особенностей этого метода измерений.

Вопрос о дальности действия светолокационных устройств ре­ шается так же, как и рассмотренных радиолокационных средств. Особенности, которые при этом должны учитываться, подробно будут рассмотрены в главе X .

§10. О Б Щ И Е Т Р Е Б О В А Н И Я К УСТРОЙСТВАМ.

ТЕ Х Н И Ч Е С К И Е Д А Н Н Ы Е Н Е К О Т О Р Ы Х СИСТЕМ И П Р И Б О Р О В

Технические требования, предъявляемые к радиоэлектронным средствам, зависят от их типа, назначения и условий эксплуатации. Общими являются следующие требования:

1. Выбранная радиогеодезическая система (или прибор) должна обеспечивать заданную точность результатов измерений, которая должна быть стабильной в течение времени эксплуатации системы.

2. Применяемые устройства должны обеспечивать необходимую

ную зависимость результатов измерений от внешних условий, в ко­ торых производятся измерения.

4.Так как показания индикаторов радиогеодезичееких устройств имеют периодический (циклический) характер относительно рас­ стояния, то способ разрешения многозначности определения длин линий должен исключать грубые промахи.

5.Устройства должны иметь малый вес и малые габариты, быть удобными в работе и при транспортировке.

6.Необходимо, чтобы прибор или система имели простую регу­ лировку, результаты измерений требовали небольшого числа аппа-

88

ратурных поправок, а процессы измерений и обработки результатов

исистем. Технические данные некоторых радиогеодезических систем

иприборов приведены в табл. 8.

Хотя свето- и радиодальномеры и относятся к приборам одного класса, между ними имеются различия, обусловленные особенно­ стями генерирования, приема и распространения электромагнитных колебаний соответствующих диапазонов.

Преимуществом радиодальномеров является значительно боль­ шая дальность действия по сравнению со светодальномерами вслед­ ствие меньшего затухания радиоволн в атмосфере по сравнению с волнами оптического диапазона. Так, при расстоянии 10 км потери энергии электромагнитных колебаний составят 0,1 дб (—2%) при работе с десятисантиметровым радиодальномером, а при работе со светодальномером — 30 дб (—99,9%). Поэтому радиодальномерные приборы и системы применяются для измерения больших расстоя­ ний, тогда как свето дальномеры — для измерения сравнительно коротких расстояний. Правда, в последние годы в связи с примене­ нием оптических квантовых генераторов указанное ограничение по дальности начинает играть меньшую роль. Большая дальность дей­ ствия радиодальномеров обусловлена применением активных ответ­

условиях и в любое время суток. Дальность действия светодально­ меров зависит от состояния атмосферы и времени суток. В неблаго­ приятных метеорологических условиях при измерениях светодально­ мерами сильно ослабляется уровень сигнала, а в дневное время резко увеличивается уровень шумов (уровень фона). В обоих слу­ чаях резко уменьшается отношение сигнал/фон, которое определяет как точность измерений, так и возможность их выполнения. Если при хорошей прозрачности атмосферы дальность действия светодальномера СВВ-1 в ночных условиях достигает 20 км, то при силь­ ной дымке — не более 2 км.

Оптические квантовые генераторы отличаются высокой монохро­ матичностью излучения и значительной силой света, благодаря чему достигается необходимая величина отношения сигнал/фон даже при измерениях днем. Для увеличения этого отношения в приемных трактах светодальномеров устанавливают узкополоскые оптические фильтры, которые хорошо пропускают полезный сигнал (отражен­

Дальность действия таких светодальномеров, к которым, в частности,

89