Учебники / 1664-itog

301

стоте, а о спектре доплеровских частот. Огибающая этого спек- тра соответствует форме диаграммы направленности. В расчет- ные формулы следует подставлять средние значения спектра ча- стот. Для этого измерители доплеровских частот построены та- ким образом, что результат измерения есть среднее значение ча- стоты за некоторый интервал времени. Такие измерители реа- лизуют метод "счета нулей" широкополосного сигнала (счита- ется число пересечений сигналом нулевого уровня, т.е. число перидов сигнала на известном интервале измерения).

Доплеровская аппаратура создает на борту направление полета (линии пути) по отношению к продольной оси самоле- та, т.е. в связанной системе координат. Определение координат

методом счисления пути требует знание вектора скорости и интегрирование его в той системе координат, в которой произ- водится навигация - например, в географической системе коор- динат. Для определения линии пути и путевой скорости в та- кой системе необходимо знание курсового угла (угол между про- дольной осью самолета и направлением на север). Курсовой угол измеряется курсовой системой.

Непрерывное измерение вектора путевой скорости (мо- дуля и курса) позволяет путем интегрирования скорости опре- делять пройденный путь, а при известных координатах точки начала измерения и текущие координаты объекта. Эти расчеты выполняются в навигационном вычислителе.

Следовательно, тремя основными частями автономной доплеровской системы навигации являются:

1)доплеровский измеритель W и δ;

2)курсовой прибор;

3)навигационный вычислитель координат объекта. Одна из разработок доплеровской навигационной систе-

мы ДИСС-3 имеет следующие характеристики.

Диапазон измерения путевой скорости 200-1300 км/час, угла сноса 0-25 град.

Среднеквадратическая погрешность измерения путевой скорости 0,7 %, угла сноса 30 мин.

302

Диапазон рабочих высот 20-20000 м.

Вид излучения - непрерывное немодулированное. Мощность излучения - 5 Вт.

Чувствительность приемника - минус 133 дБ/ Вт. Число лучей - 4.

Частота коммутации лучей - 5 Гц. Несущая частота - в диапазоне 10 ГГц.

В состав измерителя входят: высокочастотный и электрон- ный блоки, вычислитель, индикатор и блок питания. Функци- ональная схема высокочастотного и электронного блоков при- ведена на рисунке 15.4, где введены следующие обозначения: А-1 и А-2 передающая и приемная антенны; ВЧБ высокочас- тотный блок; К коммутаторы; БС балансные смесители; УПЧ усили-тели промежуточной частоты; УНЧ усилитель низкой частоты; АРУ автоматическая регулировка усиления; ДС де- текторная секция; ФВн ферритовый вентиль; ГВЧ генератор высокой частоты; ФВ фазовращатель; УС узел стабилизации частоты; ЭБ электронный блок; См смесители; УПФ узкопо- лосный фильтр; ПУ полосовой усилитель; ФИ формирова- тель импульсов; СЗ схема захвата; ГК генератор контроля; СИ счетчик импульсов; СС схема слежения; И интеграторы; П сиг- нал "Память"; ВУ вычислитель; ПУпр пульт управления; ПК пульт контроля; НВ навигационный вычислитель; УпрС уп- равляющий сигнал.

Высокочастотный блок измерителя конструктивно объе- диняет антенную систему, передатчик и приемник. Антенная система состоит из двух волноводно-щелевых частотно-неза- висимых антенн, работающих в режиме стоячей волны. Каж- дая из антенн в зависимости от фазы (0 или 180 град) питающе-

го напряжения одновременно формирует два диаметрально противоположных луча (1 и 3 или 2 и 4). Соответствующие выводы антенн подключаются к передатчику и приемнику ком- мутаторами. Угол наклона лучей к горизонту 60 град, угол по- ворота пар лучей к продольной оси корабля 45 град, ширина луча в вертикальной плоскости около 4,5 град, в другой - около

303

Рисунок 15.4. Структурная схема высокочастотного и электронного блоков измерителя ДИСС-3

304

7 град. Передатчик представляет собой магнетронный генера- тор с устройствами стабилизации (УС) частоты. Защита маг- нетрона осуществляется ферритовым вентилем ФВн. Мощность

генерируемых колебаний контролируется через детекторную секцию ДС. Приемник собран по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты, в качестве гетеродина ис- пользуется клистронный генератор. Сигнал доплеровской час-

тоты после второго преобразования выделяется и усиливается в блоке УНЧ со схемой АРУ.

Электронный блок предназначен для выдачи в вычислитель и сопряженные с ДИСС бортовые системы сигналов, несущих информацию о доплеровских частотах, а также для синхрониза- ции коммутаторов. На входе блока стоитсхема узкополосной филь- трации, состоящая из фильтра со средней частотой 70 кГц с поло- сой пропускания примерно равной максимальной ширине спект- ра сигнала, и преобразователей частоты, переносящих спектр на частоту70 кГц и обратно. Схема измерения частоты построена по принципу счета числа переходов через ноль и служит для получе- ния пропорционального частоте постоянного тока для управле- ния генератором схем слежения. Средняя частота следования пе- реходов через ноль равна средней доплеровской частоте. Схема

захвата предназначена для перехода из режима поиска в режим слежения, а схемы слежения вместе с соответствующими инте- граторами замыкают цепи обратной связи при слежении и выра- батывают пропорциональный доплеровской частоте сигнал по- стоянного тока для вычислителя ДИСС. Генератор контроля ГК служит для получения колебаний двух частот, имитирующих доп- леровский сдвиг в режиме "Контроль".

Вычислитель представляет собой аналоговое электромеха- ническое устройство, вырабатывающее напряжения постоянного тока, пропорцио-нальные путевой скорости и углу сноса. В даль-

нейшем эти напряжения поступают на указатели угла и скорости и на бортовую ЭВМ, где вычисляются текущие координаты.

305

15.3. Инерциальные навигационные системы

Движение корабля, находящегося в гравитационном поле Земли, описывается векторным дифференциальным уравнением

d 2 R = a + aг + aц , dt2

где R — расстояние от центра масс корабля до начала инерци- альной системы координат (центр Земли); а — ускорение под действием внешних сил; аг — гравитационное ускорение; ац — центробежное ускорение.

При навигационных определениях влияние гравитацион-

ного и центробежного ускорений учитывается эквивалентным ускорением свободного падения

g = aг + aц = g0Rз2 R−2 ,

g0 = 978,049(1+ 0,00053sin ϕ)см/с2 ,

где ϕ — географическая широта; g0, Rз — ускорение свободного падения на земной поверхности и радиус Земли соответствен- но.

Принцип действия инерциальных систем, реализующих метод счисления пути, основан на измерении вектора текущего ускорения a (при известном векторе ускорения свободного па- дения) с последующим решением вышеприведённого дифферен- циального уравнения. Для решения нужны начальные условия (постоянные интегрирования) в виде начальных координат ко- рабля.

Инерциальным датчиком ускорения является механичес- кий прибор, называемый акселерометром. Для измерения го-

ризонтальных составляющих ускорения прибор представляет собой груз, закреплённый на пружинных растяжках на горизон- тальной платформе, жестко связанной с кораблём. При отсут- ствии горизонтального ускорения груз занимает некоторое по- ложение, соответствующее нулевомувыходному сигналу. Нали- чие ускорения корабля и платформы приводит к смещению гру- за, так как он стремится оставаться неподвижным в инерциаль-

307

ля на основе измерения текущих составляющих вектора ускоре-

ния необходимо иметь информацию о начальных координатах и скорости корабля, а также об осевом и горизонтальном поло- жении (крен, тангаж и курс) и скорости изменения ориентиров- ки стабилизированной платформы. Введение начальных навига- ционных параметров может производиться до начала движе- ния и в полёте. В последнем случае, как правило, используется информация от радионавигационных систем.

Инерциальные системы по сравнению с радионавигаци- онными обладают следующими преимуществами:

- непрерывность определения местоположения и скорос-

ти;

-абсолютная помехоустойчивость;

-практически, глобальность действия;

-независимость точности навигационной информации от маневрирования корабля;

-максимальный объём навигационной информации (ме- стоположение, скорость, направление и местная вертикаль);

-высокая точность измерения курса и местной вертикали;

-автономность.

Принципиальный недостаток инерциальных систем со- стоит в том, что погрешность определения начальных навига- ционных параметров, несовершенство акселерометров и гирос- копов, возможная погрешность установки этих приборов на ста- билизированной платформе, неточная информация об измене-

нии гравитационного поля вдоль трассы движения вызывают накапливающиеся со временем погрешности местоопределения независимо от того, находится корабль в полёте или на земле. Эта причина приводит к необходимости периодической коррек- ции скорости и места, т.е. требует построения навигационных комплексов.

308

16. СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

16.1. Принципы построения спутниковых радионавигационных систем

Системы дальней и глобальной навигации, описанные в разделе 12 и системы автономной навигации (раздел 14) обес- печивают определение координат с низкой точностью (доли и единицы км). Это приводит к необходимости на ответствен- ных участкахтраектории движения обращаться к системам ближ- ней навигации (раздел 11), системам посадки и т. д.

Низкая точность систем дальней навигации обусловлена следующим. Реализуемый в них метод позиционных линий при местоопределении требует наличия сети радиомаяков на зем- ной поверхности; минимизация их числа для уменьшения сто- имости всей системы приводит, с одной стороны, к прямому ухудшению точности, с другой стороны – к выбору низкочас- тотных сигналов для перекрытия больших территорий. После- днее обстоятельство опять же приводит к низкой точности ме- стоопределения. Желательный переход на высокие частоты (ди- апазон УКВ) связан с увеличением числа маяков на несколько порядков, т. к. распространение УКВ происходит в пределах прямой видимости между маяком и объектом навигации.

Появление искусственных спутников Земли (ИСЗ) поро- дило идею расположения радиомаяков на них. Такие маяки ра- ботают в диапазона УКВ и каждый ИСЗ при достаточной вы-

соте полета обеспечивает передачу навигационного сигнала на территорию, почти равную половине земной поверхности.

Основной сложностью реализации такой идеи является необходимость знания текущих координат ИСЗ, как места рас- положения маяка, при решении навигационной задачи на объек- те. Здесь использован следующий принцип: на объект достав- ляются не текущие координаты (объем этой информации чрез- вычайно велик), а некоторая совокупность данных, по которой

309

можно рассчитать координате ИСЗ на момент навигационных измерений (определений) между ИСЗ и объектом. Минималь- ная совокупность данных состоит из шести чисел, одно из ко- торых является временной характеристикой. Совокупность дан-

ных называется эфемеридами ИСЗ и является характеристикой конкретного ИСЗ, справедливой на определенном временном интервале.

Для создания глобальной спутниковой навигационной системы необходимо было решить следующие проблемы:

1)обеспечить определение совокупности данных для каж- дого ИСЗ (эфемерид ИСЗ), которая позволяет рассчитать коор- динаты ИСЗ в любой момент времени;

2)обеспечить доведение координат ИСЗ (эфемерид) до каждого потенциального потребителя навигационной инфор- мации;

3)обеспечить доведение до всех потребителей шкалы еди- ного времени и синхронизацию работы всех включенных в си- стему ИСЗ.

Первая проблема, заключающаяся в получении эфемерид ИСЗ, решается с помощью системы обеспечения полета всех спутников государства, состоящей из сети измерительных пун- ктов и координационно-вычислительного центра.

Вторая проблема, связанная с доведением эфемерид по- требителю, решается путем передачи их через все навигацион- ные ИСЗ, входящие в систему. При пролете каждого ИСЗ над измерительными пунктами или пунктами передачи информа- ции из координационно-вычислительного центра на борт за- носятся эфемериды всех спутников - так называемый альманах эфемерид и уточненные эфемериды этого спутника. Периоди- чески эфемериды корректируется из центра. Каждый спутник

регулярно излучает на основных рабочих частотах альманах эфемерид и свои эфемериды.

Последняя проблема также успешно решена. Синхрони-

зация шкал времени на борту всех ИСЗ производится с высокой степенью точности из координационно-вычислительного ком-

310

плекса. Шкала времени на объект может доводиться по специ- альным радиоканалам системы единого времени, либо по сиг- налам самих спутников. Возможен вариант применения на объектах высокостабильных эталонов времени, которые синх-

ронизируются периодически и сохраняют постоянство шкалы времени с достаточной точностью в течение нескольких суток, месяцев и более.

Спутниковую навигационную систему принято делить на три подсистемы или сегмента: подсистему ИСЗ, подсистему управления и подсистему потребителей.

Подсистема ИСЗ (подсистема космических аппаратов – КА) - это совокупность спутников, движущихся по определен- ным орбитам и излучающих навигационные сигналы. На ри- сунке 16.1 представлены ИСЗ системы «Навстар».

Рисунок 16.1. Подсистема ИСЗ «Навстар»

Подсистема управления представляет собой наземные средства проведения измерений параметров движения спутни-