Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы радиолокации и радионавигации. Учебное пособие.pdf
а)
б)
Рис. 1.8. Поверхности и линии равных разностей расстояний
Рис. 1.9. Вид локсодромии на земном шаре
61
B
PHT
α
0
α
A
0
α
0
α
0
Рис. 1.10. Линия равных пеленгов
Линией равных разностей расстояний называется такая линия положения, все точки которой имеют одинаковую разность расстояний от двух
точек на земной поверхности. Семейство линий равных разностей расстояний на земной поверхности будет представлять собой семейство гипербол с фокусами в точках (
А и В) расположения радионавигационных
точек (рис. 1.11).
Уравнение ЛРРР имеет вид
х
а
2
2
у
1
−
2
=
,
22
ас
−
где х и у – текущие координаты МП ЛА в прямоугольной системе коорди-
нат
ОХgY
ДД
−
=a – действительная полуось гиперболы;
;
g
21
2
Д
АВ
с = –
2
половина длины базы d, под которой понимается наименьшее расстояние
между двумя РНТ.
62
Рис. 1.11. К пояснению уравнения ЛРРР
Методы линий (поверхностей) положения основаны на определении МП ЛА, как точки перечисления 2-х и более линий (3-х и более поверхностей) положения, соответствующих определённым постоянным параметрам. Для определения МП ЛА требуется нескольких неподвижных
(или закономерно перемещающихся) РНТ. Если наклонная дальность
до ЛА в 10 и более раз превышает его высоту, то задачу оп
ределения
МП ЛА решают на плоскости. Методы линий положения подразделяется
на следующие виды (рис. 1.12):
– дальномерный (рис. 1.12, а);
– угломерный (рис. 1.12, б);
– разностно-дальномерный (рис. 1.12, в);
– угломерно-дальномерный (рис. 1.12, г).
Достоинством способа линий положения является определение МП
ЛА без учёта и знания пройденного пути. Недостаток – дискретная фиксация МП ЛА.
дом счисления пути называется определение координат МП
Мето
ЛА, основанное на вычислении пройденного пути относительно известного начального положения (х
, z0) ЛА. Для счисления пути необходимо
0
располагать данными о направлении (курсе) движения ЛА и его
скорости v(t) (или ускорении a(t)) движения относительно Земли.
Текущие координаты МП ЛА определяются следующим образом:
t
x
0
∫
0
ττ+=
dxtx
)(v)( ;
t
ττ+=
dztz
)(v)( ,
z
0
∫
0
где в случае наличия данных о составляющих вектора ускорения a(t) движения ЛА относительно Земли и начальных значениях составляющих
вектора скорости
t
xxx
0
∫
0
ττ+=
dat
)(v)(v ;
t
ττ+=
dat
)(v)(v .
zzz
0
∫
0
Достоинства способа: непрерывное определение места ЛА; автономность системы; автоматическое счисление пути. Недостаток – накопление
погрешностей определения МП ЛА во времени, так как необходимо выполнять интегрирование.
Обзорно-сравнительный метод основан на определении структуры
какого-либо физического поля, характерного для данной местности, и сравнении параметров этого поля с параметрами, введёнными в зап
оминаю-
щее устройство навигационных систем или навигационными картами.
Достоинства обзорно-сравнительных методов: автономность; отсутствие накапливающихся погрешностей; высокая точность для корреляционно-экстремальных систем; слабое влияния помех в ряде случаев и др.
63
Угломерно-дальномерный
Рис. 1.12. Виды определения МП ЛА методом линий положения
64
Недостатки обзорно-сравнительных методов: независимость в ряде
случаев определения МП ЛА в плохих метеоусловиях и безориентирной
местности (моря, пустыни и т.п.); демаскировка ЛА в случае применения
РЛС и других визирных средств с излучением.
1.4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ
Практическая реализация РТСН осуществляется в виде различных
радионавигационных устройств (РНУ), радионавигационных систем
(РНС) и комплексных систем навигации. РНУ – радиотехническое средство, основанное на определённом принципе действия и предназначенное
для самостоятельного измерения НЭ (НП).
Под РНС подразумевают совокупность взаимосвязанных между собой радиотехнических систем, расположенных в различных точках пространства, основанных, как пр
авило, на определённом принципе действия
и предназначенных для решения задач определения МП ЛА, посадки,
предупреждения столкновений ЛА и т.п.
Основным достоинством радионавигационных устройств и систем
(РНУ и С) является независимость их работы от условий видимости и
слабая зависимость работы от времени года и суток, а также в большинстве случаев и от мете
орологических факторов.
Недостатки РНУ и С:
– точность РНУ и С во многом зависит от условий распространения
радиоволн;
– РНС не являются автономными в своём действии, так как они со-
стоят из наземных и бортовых РНУ или бортовых РНУ, расположенных
на различных ЛА (например, системы предупреждения столкновений).
Как инфо
рмационные системы, радионавигационные средства относятся к классу систем извлечения информации, так как основной их функцией является получение (извлечение) количественных данных о координатах подвижных объектов, параметрах их движения и пространственновременной ориентации относительно заданных траекторий.
1.5. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Точность РНУ и РНС характеризуется величинами погрешностей,
под которыми понимаются отклонения результатов измерений от истинных значений измеряемых величин. Возникающие при измерении навигационных параметров погрешности можно разделить на четыре группы.
1.
Методические погрешности, которые обусловлены несовершен-
ством метода измерений, неточностью исходных математических моделей, описывающих сигналы и процессы, а также несовершенством алгоритмов, являющихся основой построения РНУ и РНС.
65
2. Инструментальные погрешности, которые возникают из-за несо-
()(
ξ
вершенства радионавигационной аппаратуры.
3.
Погрешности, обусловленные условиями измерения.
4.
Субъективные (личные) погрешности. Причина погрешностей –
недостаточная натренированность оператора, несовершенство его органов
чувств и степени профессиональной подготовки.
Все погрешности можно разделить на систематические и случайные.
Систематические – это погрешности, имеющие одни и те же величи-
ну и знак и не зависящие от числа измерений.
Случайными называются погрешности, которые от измерения к из-
мерению изменяются случайным об
разом.
Погрешности измерений характеризуют либо абсолютной, либо от-
носительной величиной.
Абсолютная погрешность – это разность между измеренным и истинным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины. Обычно она выражается в пр
оцентах.
Решающее значение на точность радионавигационных измерений
оказывают случайные погрешности. Обычно полагают, что они имеют
нормальный закон распределения плотности вероятности (рис. 1.13):
xp
π
2
1
=
)(
⎧
⎪
−
exp
⎨
D
⎪
ξ
⎩
где x – значение измеряемого навигационного параметра;
ность вероятности значения параметра
параметра
=
D
ξ
– среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности измерения.
σ
ξ
ξ; x –
2
– дисперсия погрешности измерения навигационного параметра;
σ
ξ
m = Δx – погрешность навигационных измерений;
ξ
p(x)
⎫
−
mx
ξ
2
D
ξ
1
⎪
=
⎬
⎪
ξ
⎭
;
m – математическое ожидание
ξ
⎧
⎪
−
exp
⎨
πσ
2
⎪
⎩
22
⎫
)
−
mx
⎪
ξ
, (1.1)
⎬
2
σ
2
⎪
ξ
⎭
)(xp
– плот-
1 .
≈
σ
πσ402
ξξ
m
0
Рис. 1.13. График плотности распределения вероятности
66
ξ
x
p(x)F(x)
∞
−
x
σ
{
}
=σ+<ξ
≤
{
}
=σ+<ξ
≤
{
}
=σ+<ξ
≤
=
∫
dyypxF)()(
1.0
πσξ21
0.5
0
Рис. 1.14. Нормальная плотность вероятности
и соответствующая ей функция распределения
ξ
1
=
xm
exp
2
πσ
ξ
−
2
−
)()(mx
ξ
2
2
σ
ξ
Функция распределения )(xF (рис. 1.14), соответствующая плотно-
сти вероятности (1.1), определяется выражением
где
)(Ф
– табулированный интеграл вероятности (функция Лапласа).
Вероятность попадания случайной величины ξ, распределённой
по нормальному закону (1.1) с параметрами
равна
{}
P ФФ
=β<ξ≤α
Обычно в соотношении (1.4) берут, чтобы погрешность измерения не
превышала по абсолютному значению:
σ , что соответствует
ξ
σ2 , что соответствует
ξ
, что соответствует
σ3
ξ
Максимальной погрешностью в радионавигации считают такую погрешность, в пределах которой укладывается 95% погрешностей всех измерений: М
max
=
.
σ2
ξ
x
∫
∞−
1
=
2
⎛
⎜
⎜
⎝
⎛
⎜
==
Ф)()(
dzzpxF
⎜
⎝
x
2
t
−
∫
π
∞−
⎞
−β
ξ
⎟
−
⎟
σ
ξ
⎠
⎞
−
mx
x
⎟
, (1.2)
⎟
σ
ξ
⎠
2/
dtex
(1.3)
m и
ξ
⎛
⎜
⎜
⎝
σ−
σ−
σ−
, в интервал [α, β)
ξ
⎞
−α
mm
ξ
⎟
. (1.4)
⎟
σ
ξ
⎠
mmP ,
ξξξξ
mmP
mmP
ξξξξ
ξξξξ
0,683
0,99733
,
0,95422
.
67
Предельной погрешностью Мпр считают погрешность, в пределах ко-
σ
σ±=
σ
σ
σ+σ
−
торой укладывается 99,7% погрешностей всех измерений: М
ние функции p(x)
при
меньше, чем при максимуме, где оно равно 0,4/
3mx
равно 0,0044/
ξξ
, т.е. почти в 100 раз
ξ
. Это означает, что кривая
ξ
p(x) практически полностью расположена на интервале
=
3 . Значе-
пр
ξ
mm
).3,3[
ξξξξ
Глава 2. МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
2.1. УГЛОМЕРНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЕ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2.1.1. Общие сведения об угломерно-дальномерных РНС и области их боевого применения
Для решения задач навигации ЛА широкое применение находят
угломерно-дальномерные радионавигационные системы (УДРНС), являющиеся комбинированными РНС.
Примерами комбинированных УДРНС, в частности, являются радиотехнические системы ближней навигации (РСБН), включающие в себя наземные отечественные радиомаяки типов РСБН-4Н, Е-329, работающие
c бортовой аппаратурой РСБН-7С, А-324, и зарубежные радиомаяки типов VOR/DM
E, TACAN и т.п., а также радиотехнические системы посадки (РТСП), измеряющие отклонения ЛА от плоскостей курса, глиссады
и дальность до взлётно-посадочной полосы (ВПП) (ПРМГ-4, ПРМГ-5,
СП-75 и др. с соответствующей бортовой аппаратурой).
УДРНС решают следующие задачи: обеспечение вождения ЛА по
маршруту; управление воздушным движением (УВД); возврат ЛА в зону
родрома посадки; выполнение предпосадочного манёвра с заходом на
аэ
ВПП со снижением до высоты 30...60 м.
Система РСБН является радионавигационной системой, использующей полярную систему координат, в полюсе О которой располагается радиомаяк, с большой точностью ориентированный и геодезически привязанный к местности. Система РСБН состоит из наземного азимутальнодальномерного радиомаяка (АДРМ) и бортовог
о оборудования ЛА. В такой
системе местоположение ЛА определяется двумя координатами: наклонной
дальностью Д до известной точки на земле О и азимутом ϕ, измеряемым
относительно северного меридиана, проходящего через эту точку.
По принципу действия УДРНС (РСБН) делятся на:
– фазовременные, в которых информация об азимуте ЛА заложена в фазе огибающей пр
инятых амплитудно-модулированных сигналов,
а о дальности до АДРМ – во времени запаздывания этих сигналов.
68
Примером являются зарубежные РСБН типа VOR/DME, использующие в
азимутальном канале непрерывные амплитудно-модулированные колебания, и TACAN, в которых применяются импульсные колебания;
– временные, в которых определение текущего расстояния от ЛА до
наземного АДРМ (или ответчика радиодальномера) и текущего азимута ЛА
осуществляется временным методом (точнее, амплитудно-временным).
Рассмотрим УДРНС на примере РСБН, которая состоит из наземно
го
АДРМ и бортового оборудования ЛА.
Системы РСБН работают в дециметровом диапазоне радиоволн и
имеют от 40 до 176 частотно-кодовых каналов (ЧКК) в зависимости от
модификаций наземной и бортовой аппаратуры. Так, для РСБН-4Н диапазон рабочих частот передающих устройств радиомаяка:
– по азимутальному каналу 873,6…903,7 МГц, 905,1…935,2 МГц;
– по дальномерному каналу 939,6…1000,5 МГ
ц.
Шаг сетки частот 0,7 МГц. Число частотно-кодовых каналов 88.
Приёмное устройство дальномерного канала радиомаяка работает
в диапазоне 770,0…812,8 МГц, количество частотных каналов 22, разнос соседних частотных каналов 2 МГц, число ЧКК – 88 (4 кода на каждой частоте).
Пропускная способность систем РСБН определяется максимальным
количеством ЛА, одновременно обслуживаемых одним радиомаяком
(от 100 до 200 ЛА). Пропускная способность ка
нала азимута не ограничена.
Максимальная дальность действия системы РСБН определяется вы-
сотой полёта ЛА и рельефом местности и не превышает 450...560 км.
Зона действия системы РСБН определяется областью пространства,
в пределах которой обеспечивается получение информации о местоположении ЛА в виде азимута или дальности с заданной точностью и вероятностью. Для РСБН-4Н зон
а действия над радиомаяком (рис. 2.1) ограничена нерабочей зоной, представляющей собой область пространства в виде телесного угла с вершиной в точке размещения антенны радиомаяка (РМ), в пределах которого невозможно определить местоположение
ЛА по сигналам данного радиомаяка.
Бортовое оборудование системы РСБН обеспечивает непрерывное
определение местоположения ЛА: наклонной дальности Д и азиму
та ϕ по
0
45
Рис. 2.1. Рабочая зона РСБН-4Н (заштрихована)
Рабочая
зона
69
отношению к наземному радиомаяку. Кроме того, бортовое оборудование
предназначено для формирования сигналов управления, необходимых для
автоматизации маршрутного полёта, возврата ЛА в зону аэродрома посадки, выполнения предпосадочного манёвра с заходом на ВПП со снижением до высоты 30…60 м и выдачи этих сигналов в систему автоматического управления полётом ЛА.
Наземное оборудование АДРМ об
еспечивает работу бортового оборудования РСБН и позволяет наблюдать на контрольных индикаторах
кругового обзора (ИКО) и выносных индикаторах кругового обзора
(ВИКО) на командно-диспетчерских пунктах (КДП) за положением ЛА,
имеющим бортовое оборудование, определять их координаты и осуществлять индивидуальное опознавание. На ИКО координаты самолётов определяются по расположению отметок с то
– по азимуту ±
– по дальности ±
1°;
3 км при масштабе развёртки 100 и ± 6 км при
чностью:
масштабе развёртки 400 км.
Наземные АДРМ могут работать в ненаправленном (всенаправленном) режиме (наземные радиомаяки типа РСБН-2Н, РСБН-4Н) и направленном режиме (наземный радиомаяк типа Е-329).
В направленном режиме передача и приём всех радиосигналов осуществляется одной вращающейся направленной антенной в момент совпадения её ДН с направлением на ЛА. Кр
оме того, в направленном режиме АДРМ имеют два вида работы: «Секторный» и «Молчание». В первом
случае излучение всех сигналов осуществляется только в определённом
секторе с дискретностью 10°, а во втором – только по запросным сигна-
лам дальномерного канала бортового оборудования.
2.1.2. Принципы построения систем РСБН
Упрощённая структурная схема бортового и наземного оборудования
типовой РСБН при работе в ненаправленном режиме представлена на рис. 2.2.
Бортовое оборудование состоит из антенно-фидерной системы (АФС),
приёмника (ПРМ), передатчика (ПРД), схем измерения азимута θ и дальности Д (СИАД), а также индикаторов азимута (ИА) и дальности (ИД).
Наземное оборудование азимутально-дальномерного радиомаяка состоит из ра
ства (РПРМУ), импульсно-навигационной аппаратуры (ИНА), привода
вращения антенны (ПВА), двигателя (Д), редуктора (Р), вращающегося перехода (ВП), вращающейся антенны WA1, имеющей двухлепестковую ДН
с ярко выраженным минимумом, ИКО, двух передающих (WA2, WA3) и
двух приёмных (WA4, WA5) неподвижных и ненаправленных (всенаправленных) в горизонтальной плоскости антенн.
70
при ненаправленном режиме работы
диопередающего устройства (РПДУ), радиоприёмного устрой-