flesh / Книга / 17_g

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

При отсутствии разницы между частотами преобразованного и опорногосигналов (fр=f0)фазыэтихсигналов сдвинутыотносительнодруг

друга на 2 . Для учета сдвига в схему введен фазовращатель на 2 .

Условиями уравновешенного состояния следящей системы являются fр =f0 и р = 0, где р и 0 –начальныефазы колебаний преобразованного и опорного сигналов. Напряжение на выходе фазового детектора равно произведению амплитуд напряжений на его входах и коси-

нусу разности их фаз, с учетом сдвига на 2 в фазовращателе:

где KФД – коэффициент пропорциональности.

При равновесии системы UФД = 0. При равенстве частот fр и f0 возникает фазовый сдвиг между преобразованным полезным сигналом и опорным напряжением. В этом случае баланс фаз нарушается и навыходедискриминатора возникаетнапряжениерассогласования, величина и знак которого зависят от величины и знака рассогласования фаз p – 0. Это напряжениеусиливается и интегрируется в устройстве управления. В свою очередь выходное напряжение устройства управления перестраивает частоту управляемого генератора. Фазировка следящей системы измерителя обеспечивает такую перестройку частоты управляемого генератора, что она ведет к восстановлениюбаланса частоти фазв измерителе. Заметим,чтовыходноенапряжениеустройства управления Uупр в дальнейшем используется в качестве приборного эквивалента скорости.

Несмотря на то, что на рис. 17.24 схемы поиска и захвата не показаны, нетрудно пояснить, как эти процессы происходят. Для перестройки частоты управляемого генератора подается меняющееся управляющее напряжение со схемы поиска, которое обеспечивает изменение частоты по линейному закону. Безусловно, изменение частотыдолжнонаходитьсяв пределах диапазона рабочих частотизмерителя. При появлении во время поиска сигнала, частота которого

258

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

находится в пределах полосы пропускания полосового усилителя, срабатывает схема захвата, отключается схема поиска и замыкается контур автосопровождения измерителя и система переходит в режим слежения.

Точностные параметры следящего измерителя с ФАП в основном определяются точностью установки и стабильностью частоты f0 опорного сигнала. Получение достаточной стабильности частоты является технически несложной задачей.

17.2.Системы радионавигации

17.2.1.Общие принципы построения радионавигационных систем

Навигация переводится как вождение и безусловноиспользуется много столетий на море. Она основывалась на применении астрономических и иных навигационных приборов, а также на визуальных наблюдениях. Однако возможности применения приборной и визуальной ориентировки сильно зависели от погодных условий и ихневсегда можнобылоиспользоватьвавиации. Ужена раннихэтапах развития радиотехники появились предложения к «светильникамна маяках»добавитьисточникэлектромагнитныхколебаний, что далобывозможностьсделатьмаякивидимымивтумане».Кромеэтого предложения А.С. Попова, ему же принадлежит рекомендация поворачивать оборудованный антенной и радиоприемником корабль и по изменению силы сигнала определять направление на излучатель.

Ужепередпервой мировой войной былосделанонесколькоконструкций радиопеленгаторов, причем рамочный радиопеленгатор применялсяв операцияхпервой мировой войны. Если послевойныв течение 10 лет проводились работы по созданию средств вождения морских судов, тоначиная с 1927 г. проводятся работы и в интересах навигации самолетов. В1938г. начатосерийноепроизводстворадиополукомпаса «Чайка». Создаются и внедряются в эксплуатацию коротковолновыеаэродромные радиопеленгаторы, внедряются различ-

259

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

ныетипырадиомаяков. Разрабатываютсяфазовыерадионавигационныесистемы. Вдальнейшемпоявляютсяимпульсныеразностнодальномерные системы («Лоран», ««Джи», «Декка»). Развиваются системыслепогозахода на посадку.С 1955г. начинаетразвиватьсяастрорадионавигация,основаннаянаобнаруженномв 1944г.радиоизлучении Солнца. Освоениекосмоса стимулировалопроведениеработ посозданию систем радионавигации с использованием искусственных спутников Земли.

Целесообразно рассматривать особенности навигации на примереавиации – этонаиболееобщий случай. При решении задач вождения самолетов необходимо учитывать внешние воздействия и наличие других элементов системы: разрешенных маршрутов, положение аэропортов, наличие других самолетов и т.д.

Задача вождениярешаетсякакпилотом, таки в автоматическом режиме. При управлении движением самолета используется и аппаратура на борту самолета, и технические средства, расположенные в определенных пунктах на поверхности Земли. Радионавигационная система является большой системой, содержащей разнообразные по своей природе подсистемы и рассредоточена в пространстве. Специфическими являются требования к точности, дальности и виду используемых координат.

Как любые радиотехнические системы, радионавигационные системы (РНС) используют радиоволны. В случае неавтономных систем как на борту движущегося объекта, так и в определенных точкахна поверхности Земли сизвестными координатами радионавигационных точек(РНТ) должнынаходиться устройства, излучающиеи принимающиерадиоволны, предназначенные для получения информации о пространственном положении и движения самолета. В этом и заключается отличиеРНС от систем радиолокации, где, как правило, решается задача определения положения цели порадиосигналам, отраженным от нее. Благодаря этому отличию, при внешней схожести – и радиолокационные, и радионавигационныесистемы являются системами извлечения информации, принципы действиярадионави-

260

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

гационных систем, виды радиосигналов и их частоты намного разнообразнее, чем в радиолокации.

Определениенаправленияприхода радиоволнынесколькоиное, чем в радиолокации. Сигналы в РНС могут иметь вид непрерывного гармонического колебания с постоянной частотой fS0 и определение направления их прихода необязательно связано с использованием направленныхантенн.

Направление распространения радиоволн в общем случае основано на использовании знаний о фазовом фронте. Фазовым фронтомназываетсяповерхность, на которой фазыэлектромагнитнойволны одинаковые.

На больших расстояниях от точки излучения можно принять фазовый фронт плоским. На рис. 17.25изображеносечениефазового фронта. Рассмотрим разнесенные на расстояние a точки A1 и A2. Из рисунка видно, что фазы поля в этих точках различны. Если в этих точках расположить антенны, то в них будут отличаться фазы наведенных эдс. Будем считать, что сигнал представляет собой гармоническое колебание. Тогда фазовый сдвиг между наведенными эдс в антеннах, расположенных в точках А1 и А2 ,определяется как

где –угол междулинией расположенияточек А1 и А2 и направлением на излучатель.

Рис. 17.25. Сечение фазового фронта электромагнитной волны

261

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Еслиизмеримфазовыйсдвиг междуэдс,наведеннымивантеннах, и используем знаниевеличин a и , томожем вычислить угол :

arccos s 2 a . (17.37)

Опираясь на знание пространственного положения точек A1 и A2, можно определить направление на РНТ, а также линию положения (плоскость), для которой = const.

Можно не измерять разность фаз, а ограничиться измерением разности эдс. В случае, если характеристики антенн в точкахA1 иA2 одинаковы, разность мгновенных значений напряжений

a s 1

As As a s 1 cos .

Если вращать антенную систему, состоящую из двух ненаправленных антенн относительно точки O (центра, соединяющего их линии), то величина Aбудет меняться в соответствии с формой диаграммы направленности (ДН) антенной системы. Отметим, что в зависимости от отношения расстояния a к длине волны s вид диаграммы направленности будет меняться (рис. 17.26).

a s

А1 А2

Рис. 17.26. Диаграммы направленности антенной системы, состоящей из двух ненаправленных антенн в зависимости от значений a/ s

262

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

Поворачивая антенную систему и фиксируя положения, при которых наблюдается максимум и минимум сигнала, можно определитьнаправлениена РНТ.Однакозаметим,чтопри а/ s >> ДНмноголепестковая и сложноопределитьоднозначнонаправлениена РНТ. Для определения направления на РНТ достаточно односторонней радиолинии от РНТ к антенной системе. Если используется направленный прием, то это метод радиопеленгации, а если направленное излучение – имеем дело с РНС, использующей направленные радиомаяки.

Конечная и постоянная скорости распространения радиоволн в теории радиосистем положена в основу при определении дальности. Как это делается в радиолокации, рассмотрено в разд. 17.1. В РНС используется несколькоиной принцип действия измерителей. Имеется возможность поместить в пункте приема и излучения радиотехнические средства, предназначенные для измерения дальности между ними. Рассмотрим метод определения дальности в РНС, основанный на измерении разности фаз. Сигнал, принимаемый на расстоянии D от точки излучения, равен

где c – скорость распространения радиоволн;

s0 – начальная фаза сигнала в точкеизлучения.

Прииспользованиинепрерывныхсигналов,укоторыхAs const, задержка, связанная с конечной скоростью распространения радиоволн, повлияеттолькона фазупринимаемогосигнала. Предположим, что частота s0 обладает крайне высокой стабильностью, начальная фаза s0 известна в точке приема и воспроизводится в опорном колебании, имеющем частоту гет = s0. Тогда, измерив разность фаз при-

нятого и опорного колебаний изм, получим изм s0Dcили

D измc s0 .

Однакоидеальнаястабильностьчастотынедостижима, врезультате чего имеются случайные флуктуации и разность частот

263

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

sr (t) s0(t) 0гет (t) – случайная функция.

Увысокостабильныхгетеродиновразность sr (t)–стационар-

ный случайный процессснулевымматематическиможиданием, дис-

персией D sr и интервалом корреляции k .

Так как речь идет о двух частотах, их случайные расхождения приводят к нестационарности фазового сдвига между ними.

Дисперсию D нест ,t можно представить в виде суммы дис-

2

персий D( sr ) с множителем k , так как выборки sr ti , взятые через интервал корреляции, независимы. Отсюда

D постct s0 .

Отсюда следует, что погрешность измерения расстояния накапливается. Случайное рассогласование частот приводит в более медленному накоплению ошибки, но сравнимо с постоянным. Эта разница составляет порядка пяти раз. Так как на практике период измерения бывает достаточно продолжительным, то погрешность

D1/2 Dнестt достигает недопустимых значений.

В РНС представляется возможным в точках, между которыми необходим контроль дальности, установить запросчик и ответчик. В ответчике осуществляется прием запросного сигнала и формирование ответного на другой несущей частоте. В запросчике, производящем измерение расстояния, используется измерение времени меж-

264

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

ду посылкой и приемом импульсных сигналов: D = 2D/c. Достоинством метода является малое влияние на точность измерения расстояния нестабильности частоты следования импульсов.

Необходимость использования ответчиков, позволяющих осуществлять измерение дальности без накопления погрешности, существенно усложняет систему. При росте дальности измерений необходимо увеличивать мощности, а следовательно, и габариты передатчиков. Речь идет о целой рассредоточенной в пространстве системе, об обеспечении необходимой пропускной способности. Поэтому измерения дальности проводятся только в системах ближней радионавигации на основе импульсных методов.

В системах, предназначенных для работы на больших дальностях, применяют разностно-дальномерныеметоды, основанныена измерении разности расстояний D= D1 –D2, гдеD1 и D2 –дальности до двух РНТ. Для реализации такого метода на борту самолета достаточно иметь приемное устройство с небольшой по габаритам антенной.

На основе измерения углов , дальности D или разности расстояний D, можно найти линию положения (ЛП), на которой измеренное значение неизменно и ЛП строится относительно РНТ. Для определения точки нахождения объекта на плоскости достаточно иметь две линии, а в пространстве – три поверхности положения.

ВомногихпрактическиважныхслучаяхповерхностьЗемли(геоид)можнорассматриватькакплоскость, чтоупрощаетпрокладкуЛП.

Координатыполучаютграфическимпостроениемлибов результатесложных расчетов, связанных с преобразованием системы координат. При одновременномизвлеченииизрадиосигнала информации об угле и дальности до РНТ определение места упрощается, так как можно использовать полярные координаты D и . При решении навигационныхзадачважнознаниескоростидвижения. Составляющие вектора скорости можно получить при дифференцировании координат положения. Однако прямое измерение скорости имеет ряд достоинств. Этоналичиеспециализированногорадионавигационногоустройства, повышающего возможности РНС и снижение погрешности измерений, характерного для многих косвенных методов. Измерение

265

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

в РНС позволяет в качестве источника информации использовать радиосигнал, излучающийся в одной точке и принимаемый в другой.

где с – скорость распространения радиоволн;

dD

dt vr – радиальная скорость относительного движения то-

чек излучения и приема;

vr > 0 – увеличение расстояния D; vr < 0 – уменьшение расстояния D.

Такимобразом, приизмерениичастотысигнала непосредственноизмеряется одна из составляющих скорости движения объекта относительноточки 1. При такихпрямых измерениях точность определения vr высокая.

Неавтономные РНС, исходя из параметра сигнала, несущего информацию, подразделяются на амплитудные, временные(импульсные), фазовые и частотные системы.

На дальность действия и точность неавтономных РНС в основном влияют особенности распространения радиоволн.

17.2.2. Угломерныерадионавигационные системы

Угломерные амплитудные системы были первыми РНС и получили широкое применение. Системы выполняются как с использова-

266

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

нием направленного излучения, так и направленного приема. В первом случае речь идет о направленных радиомаяках, установленных в РНТ, а в местеопределения азимута используется радиоприемноеустройство с ненаправленной антенной, обрабатывающее радиосигнал с целью выделения информации о направлении от маяка на точку приема. Во втором случае в РНТ устанавливается радиопередающее устройство с ненаправленной антенной, а в точке определения направления имеется приемное устройство с направленной антенной. Такое устройство называют радиопеленгатором. Пеленгом называют угол между направлениями на источник излучения и север.

Наначальномэтаперазвитиясистемсрадиопеленгаторомиспользовался принцип, когда направление на источник сигнала определялосьпоположениюантенны,прикоторомсигналдостигалмаксимальнойилиминимальнойинтенсивности. Вдальнейшембылиразработаныавтоматическиерадиопеленгаторы,вкоторыхбезучастияоператора пеленг выводится либо на указатель и в дальнейшем используется в навигационных целях, либо поступает в систему для дальнейшей автоматической обработки. Радиопеленгаторы, используемые в РНС, обладают своей спецификой. В первую очередь, это необходимость определения направления за пределами прямой видимости,в диапазонахот сверхдлинных досредних волн и, следовательно, невозможность получения узконаправленных диаграмм направленности антенн. Для пеленгования часто используют рамочные антенны с диаграммой направленности в виде восьмерки (см. рис. 17.26). Для разделения сигналов от направленных и ненаправленных радиомаяков используют разные несущие частоты. В амплитудных (угломерных) РНС в основном применяютсярадиопеленгаторы,работающиенапринципах«сравнения амплитуд», «следящие» и с «модуляцией амплитуды».

Рассмотрим угломернуюРНС, построенную на принципесравнения амплитуд. Это автоматический радиопеленгатор (АРП), в котором положение антенной системы неизменно. Антенная система состоитиздвух антенн, расположенныхдруготносительнодруга под углом в 90°. Соответственно так же располагаются их диаграммы направленности (рис. 17.28).

267