Фазовые системы с временной селекцией

Из существующих в настоящее время систем с временной селекцией наиболее широкое применение в судовождении полу­чила система «Омега».

Фазовая радионавигационная система «Омега». В состав этой разностно-дальномерной системы входит 8 береговых станций, которые названы буквами латинского алфавита от А до Н. За счет использования сверхдлинноволнового диапазона частот дости­гается очень большая дальность действия, благодаря чему рабо­чая зона системы из 8 станций покрывает весь земной шар.

При этом имеется даже некоторая избыточность и при выходе из строя одной станции возможность обсерваций сохраняется, а погрешность увеличивается всего лишь на 10—15%. Даже при выходе из строя двух станций погрешность возрастает не более чем на 50%. Средняя квадратическая погрешность определения места при учете поправок за условия распространения радиоволн днем около 1 мили, ночью — 2 мили. В некоторых случаях по­грешности могут быть значительно большими, достигающими при аномальных условиях распространения радиоволн весьма зна­чительных величин. К недостаткам системы относятся многознач­ность, свойственная всем фазовым РНС, и существенная зави­симость получаемых результатов от условий распространения ра­диоволн.

Принцип действия системы. На всех береговых стан­циях в качестве источника опорных колебаний используются атомные стандарты частоты. Синхронизация работы станций по •частоте и фазе осуществляется по сигналам точного времени UT-X, более точной, чем UTC, использующейся для передачи сиг­налов точного времени и образцовых частот. Станции системы не разделяются на ведомые и ведущие; все они фактически яв­ляются ведомыми относительно точного времени. Это позволяет использовать пары станций в любых комбинациях. Станции из­лучают незатухающие колебания. Точные измерения произво­дятся на частоте 10,2 кГц (ширина дорожки на базе около -8 миль). При обычной длине базовой линии около 5 000 миль содержится около 500 точных дорожек. Для разрешения много­значности применен метод излучения дополнительных частот. Частота для разрешения многозначности формируется как раз­ностная между излучаемой дополнительно и частотой точной сетки. •Система для целей судовождения имеет две ступени разрешения многозначности. В первой ступени излучается дополнительная частота 13,6 кГц. Разностная частота для разрешения многознач­ности (в кГц) 13,6—10,2=3,4. Коэффициент сопряжения дорожек 10,2 кГц: 3,4 кГц=3. Ширина дорожки на базе около 24 миль. Во второй ступени излучаемая дополнительно частота 11 '/з кГц. Разностная частота для разрешения многозначности (в кГц) 11 Уз—10,2=1,133. Коэффициент сопряжения с точными дорож­ками 10,2 кГц: 1,133 кГц=9. Ширина дорожки на базе около 72 миль. Для начала работы с системой надо знать свое место с погрешностью, не превышающей половины ширины самой ши­рокой дорожки, т. е. около 36 миль на базе.

Частота точной сети и две дополнительные частоты для раз­решения многозначности передаются поочередно. Диаграмма из­лучения всех станций системы приведена ниже. Длительность цикла передачи сигналов 10 с. Начало цикла синхронизируется по сигналам точного времени. Длительность передачи отдельных сигналов неодинакова (от 0,9 до 1,2 с), что сделано для облегче­ния опознавания принадлежности сигнала к определенной стан­ции.

А	10,2	13,6	11,38
В		10,2	13,6	11,33
С			10,2	13,6	11,33
D				10,2	13,6	11,33
Е					10,2	13,6	11,33
F						10,2	13,6	11,33
G	11,33						10,2	13,6
Н	13,6	11,33						10,2
Длитель­ность сигнала, с	0,9	1,0	1,1	1,2	1,1	0,9	1,2	1,0

 

Береговые станции системы. Представляют собой сложные сооружения, занимающие значительную площадь. Из­лучаемая мощность 10—15 кВт. Излучение такой мощности в СДВ-диапазоне требует применения сложных и громоздких антен­ных устройств. Центральная хмачта такой антенной системы имеет высоту около 360 м, а создающие емкостную нагрузку наклонные радиальные провода крепятся на расстоянии 750 м от основной мачты. Заземленный противовес имеет радиус около километра. На некоторых станциях используются лучевые антенны, натяну­тые между естественными возвышенностями; при этом длина луча достигает 4—5 км. Каждая из станций имеет измеритель­ный пункт, контролирующий разность фаз между колебаниями своей и других станций. Результаты контроля обрабатываются управляющим вычислительным центром.

Влияние условий распространения радиоволн на работу систе­мы «Омега». Выбор сверхдлинноволнового диапазона частот для системы определяется относительно высокой стабильностью фазы и малым затуханием сигналов. Радиоволны этого диапазона распространяются в естественном волноводе, ограниченном двумя сферическими поверхностями,— Землей и слоем D ионосферы, чем и объясняется незначительное ослабление их с расстоянием.

Частоты ниже 8 кГц близки к критическим, испытывают су­щественное поглощение, сопровождающееся уменьшением фазовой скорости распространения, что вызывает колебания фазы сигнала и затрудняет прогнозирование поправки. На частотах выше 20 кГц сказывается рост поглощения в ионосфере, увеличивающий на больших расстояниях затухание сигналов. Для системы «Оме­та» был выбран оптимальный с точки зрения условий распрост­ранения участок диапазона 10—16 кГц.

При волноводном распространении образуется несколько волн поперечно-магнитного типа — моды, обозначаемые ТМ_п, где п= = 1, 2, 3,... — порядковый номер мода, определяющийся числом лолуволн электрической составляющей, укладывающихся между стенками волновода. Разные моды имеют разные фазовые ско­рости распространения, в результате чего в районах действия разных модов фазовое поле вдоль направления распространения имеет интерференционную структуру. Точные фазовые измерения требуют стабильного фазового поля и возможны только при рас­пространении одним типом волн.

С точки зрения условий фазовых измерений весь район, в ко­тором возможен прием сигналов системы, целесообразно разде­лить на зоны.

В ближней зоне (от 25—35 до 150—200 миль от станции) электромагнитное поле определяется поверхностной волной. Су­точных вариаций фазы не наблюдается.

В зоне от 150—200 до 500—1000 миль наблюдается сильная интерференция модов. Под интерференцией волн понимается сло­жение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Использование системы в этой зоне требует знания специальных поправок, определяемых экспери­ментально. В настоящее время эта зона считается нерабочей.

При расстояниях более 1 000 миль от станции поправки можно прогнозировать.

При сверхдальном распространении появляется интерферен­ционное поле между радиоволнами типа TMi в районах антиподов излучателя, куда эти волны приходят с противоположных направ­лений. Здесь точные фазовые измерения невозможны и поэтому излучаемая мощность станций не должна быть слишком большой.

Поправки для компенсации влияния условий распространения радиоволн. Распространение сигналов, излучаемых станциями системы «Омега», происходит в природном волноводе, верхней границей которого является слой D ионо­сферы. Высота этого слоя в течение суток изменяется: днем она около 75 км, ночью — 88—90 км.

Фазовая скорость волн типа ТМ п определяется выражением

Изменение высоты волновода приводит к изменению фазовой скорости распространяющейся в нем волны: днем она максималь­на, с наступлением ночи уменьшается. Скорость распространения радиоволны в природном волноводе зависит также от зенитной высоты Солнца. Эта зависимость описывается полиномом

где ai — коэффициенты, зависящие от параметров ионосферы и длины волны рас­пространяющихся колебаний; z — зенитная высота Солнца в градусах.

Зависимость фазовой скорости от зенитной высоты Солнца приводит к суточным и сезонным изменениям фазы радиоволны. Очень хорошая повторяемость суточных и сезонных изменений фазы основного мода ТМ\ позволила создать систему поправок, компенсирующих эти изменения.

Для расчета изолиний на частоте точной сетки 10,2 кГц при­нята средняя дневная фазовая скорость распространения ТМ\ над сушей, равная 300 547 км/с. Существующие таблицы позво­ляют определить поправки к величинам, рассчитанным по при­нятой скорости, для данного сезона. Поправки приводятся для двухнедельных интервалов и выбираются из таблиц по координа­там судна и времени суток. Кроме основной функции таблицы позволяют увидеть характер и величину изменения поправок во времени, по которым можно до некоторой степени судить о надеж­ности определения навигационного параметра в данных условиях.

При отсутствии таблиц поправки могут быть вычислены методом, описанным В. И. Быковым. Принцип вычисления состоит в следующем. С помощью Морско­го астрономического ежегодника определяется время восхода и захода Солнца для мест расположения станций и счислимого места судна. Учитывая, что ионо­сфера освещается в среднем за 35 мин до восхода Солнца над горизонтом и затемняется на 35 мин позже захода, находят гринвичское время ионосферного восхода и захода. Максимальная величина поправок для усредненных условий составляет (в сотых цикла на один километр расстояния от станции):

ночью, над сушей — 0,0119;

ночью, над морем — 0,0108;

днем, над морем + 0,0025.

По этим данным строятся графики зависимости величин поправок от време­ни суток.

По формулам сферической тригонометрии рассчитывают ортодромические расстояния между судном и станциями, которые умножают на величину поправ­ки для данного времени, снятую с графика. В заключение находят разность по­правок для той пары станций, по которой определяют навигационный параметр, и отсчет по прибору исправляют этой величиной.

Неучитываемые изменения фазы при аномаль­ных явлениях. К аномальным относятся явления, происходя­щие во время солнечных вспышек, и явления, связанные с ионо­сферными возмущениями в полярных областях Земли. Во время солнечных вспышек интенсивность сигналов СДВ увеличивается, а фаза приобретает, дополнительную задержку. Отклонение фазы быстро, за 10—20 мин, достигает максимума, удерживается не­сколько минут, после чего возвращается к нормальному значению

через 1—3 ч. При ионосферных возмущениях в полярных обла­стях Земли наблюдаются авроральные поглощения энергии радио­волн и поглощения типа полярной шапки. Возникают эти явления в период солнечной активности несколько раз в сутки и вызы­ваются проникновением в ионосферу потоков электронов или про­тонов. При этом эффективная высота слоя D уменьшается при­мерно на 10 км, вследствие чего фаза сигналов уменьшается на 10—60 мкс. Влияние аврорального поглощения ограничивается широтами 61—73°, а поглощения типа полярной шапки — широ­тами выше 73°.

Об аномальных условиях распространения радиоволн сообща­ется в навигационной информации, передаваемой по радио (НАВИП). Вид сообщения может быть, например, таким: «Объ­явление по системе «Омега». Поглощение полярной шапкой про­грессирует. Сигналы, проходящие по арктическим трассам, под­вержены фазовым искажениям. Возможна ошибка 1—4 фазовых цикла».

Влияние условий распространения радиоволн на дальность приема сигналов станций. Дальность уверенного приема зависит от соотношения сигнал/помеха. Уро­вень атмосферных помех максимален в экваториальных широтах и уменьшается с увеличением широты. Кроме того, дальность приема сигналов зависит от направления распространения радио­волн; затухание сигналов максимально при распространении в направлении на запад и минимально — в направлении на восток. О степени этого влияния можно судить по тому, что дальность приема сигналов при излучаемой мощности 1 кВт и распростра­нении с востока на запад 4 900 миль, с севера на юг и в обратном направлении — 8 100 миль, а с запада на восток— 11 300 миль.

Дифференциальная система «Омега». Основной источник оши­бок определения места по системе «Омега» — неточное знание поправок, компенсирующих влияние условий распространения радиоволн, и неучитываемые изменения фазы при аномальных яв­лениях. Даже применение приемоиндикаторов, в которых поправ ­ ки рассчитываются автоматически по достаточно сложным алго­ритмам, не решает задачи.

Теоретические и экспериментальные исследования показали наличие существенной пространственной корреляции непрогнози­руемой составляющей фазовых изменений. В результате при одновременных измерениях в разных точках ошибки измерений будут различаться тем меньше, чем меньше расстояние между этими точками. На этом построен дифференциальный метод ис­пользования системы «Омега». Этот метод может быть реализо­ван в различных вариантах. Например, в дифференциальном ва­рианте с привязкой по времени береговой контрольный пункт в установленное время определяет дифференциальные поправки, компенсирующие изменение расчетных или табличных поправок, и передает их. На судах, находящихся в районе действия кон­трольного пункта, исправляют результаты измерений этими по­правками. При передаче поправок контрольным пунктом непре­рывно по радиоканалу и автоматическом вводе в отсчеты приемоиндикатора вариант носит название микросистемы. Если же дифференциальные поправки определяются на самом судне по точным координатам, найденным другим способом, вариант называется дифференциальным с привязкой по месту, а время действия поправок ограничивается временем существования усло­вий освещенности трассы, при которых определялись поправки. При смешанной освещенности по трассе время существования поправок не превышает 30 мин. Последний вариант весьма эф­фективен при использовании для определения поправок обсерва­ций по спутниковым радионавигационным системам. В этом случае он получил название квазидифференциального.

Испытания дифференциальной «Омеги» дали хорошие резуль­таты и в 1979 г. Подкомитетом по безопасности мореплавания ИМО были приняты единые требования к дифференциальному варианту. В частности, предусматривается, что поправки должны передаваться для каждой станции системы «Омега», автомати­чески приниматься и учитываться судовыми приемоиндикаторами. Предлагается в качестве передающих устройств контрольных пунктов использовать морские радиомаяки или аэрорадиомаяки. Такой опыт уже имеется. К 1979 г. во Франции действовало семь станций дифференциальной «Омеги», в качестве передающих устройств которых были применены морские радиомаяки и аэро­радиомаяки. Информация о поправках передавалась фазовой мо­дуляцией сигнала радиомаяка.

Дифференциальный вариант «Омеги» при использовании прие­моиндикатора с автоматическим учетом дифференциальных попра­вок позволяет получить точность определения места (с вероят­ностью 95%): на расстоянии 50 миль от контрольного пункта — 0,3 мили, на расстоянии 100—200 миль — 0,5 мили и на расстоя­нии 500 миль— 1 милю.

Судовые приемоиндикаторы для системы «Омега». В любом судовом приемо- индикаторе системы «Омега» должны обязательно выполняться:

синхронизация временной диаграммы приемоиндикатора с диаграммой из­лучения береговых станций;

измерение разности фаз в точной сети; разрешение многозначности.

В приемоиндикаторах с высокой степенью автоматизации, кроме того, долж­ны решаться также дополнительные задачи: фильтрация измеряемой разности фаз;

оценка отношения сигнал/шум и оптимизация режима фильтрации; вычисление поправок, компенсирующих изменение условий распространения радиоволн;

вычисление географических координат с учетом избыточности радионавига­ционной информации.

В зависимости от комплекса решающихся задач приемоиндикаторы можно условно разделить на приемоиндикаторы с низкой и высокой степенями автома­тизации. К первым относятся простые, в которых автоматизирован только сам процесс фазовых измерений. Синхронизацию временной диаграммы, разрешение многозначности, снятие отсчетов радионавигационных параметров и перевод их •с помощью специальных карт или таблиц в географические координаты, нахождеиие вероятнейшего места с учетом избыточности навигационной информации — все эти задачи при использовании простейших приемоиндикаторов решает судо­водитель.

В наиболее современных конструкциях все перечисленные операции выпол­няются автоматически. Построение таких приемоиндикаторов возможно только с использованием цифровых методов обработки. Они состоят из двух частей: относительно небольшой аналоговой, осуществляющей функции приема и усиле­ния сигналов, и ЭВМ, построенной на микропроцессорной базе.

Приемоиндикаторы радионавигационных систем делят на поколения. К пер­вому поколению относят устройства на радиолампах, ко второму — на дискрет­ных полупроводниковых приборах, к третьему —на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции, к четвертому — построенные с примене­нием больших интегральных схем, как правило, микропроцессорных комплектов. Наиболее современные приемоиндикаторы для системы «Омега» представляют собой устройства четвертого поколения. Для них характерна высокая степень автоматизации всех операций, достигающаяся применением микроЭВМ, снабжен­ной комплексом соответствующих программ.

Аналоговая часть приемоиндикатора. Так как судовая ан­тенна имеет небольшие геометричские размеры, а соответственно и небольшую действующую высоту, чувствительность приемоиндикатора должна быть доста­точно высокой (около 5 мкВ). Приемное устройство обычно супергетеродинное, с многократным преобразованием частоты. Для обеспечения фазовой стабильно­сти все гетеродинные частоты формируются из частоты опорного генератора, путем преобразований, ие нарушающих когерентности колебаний. Требования к фазовой стабильности ниже, чем в устройствах с частотной селекцией, так как сигналы всех станций проходят по общему тракту. С выхода приемного устрой­ства сигналы поступают на фазовые дискриминаторы измерительных каналов. В каждом канале два фазовых дискриминатора, фазы опорных сигналов кото­рых сдвинуты на 90°. В результате амплитуда напряжений на выходах этих дискриминаторов будет пропорциональна синусу н косинусу разности фаз между принимаемым и опорным сигналами. Выходные напряжения дискриминаторов преобразуются аналого-цифровыми преобразователями и в цифровой форме вводятся в вычислительное устройство.

Вычислительное устройство. Измерение разности фаз с помощью ЭВМ возможно двумя способами: вычислением arctg отношения выходных сиг­налов дискриминаторов или моделированием на ЭВМ процесса измерения фазо- измерительной следящей системой. При первом способе достигается быстрота измерений, так как не нужно времени на установление процесса слежения. При втором способе совмещаются процессы измерения и фильтрации. В приемоннди- каторах системы «Омега» применяется комбинированный способ, совмещающий достоинства первого и второго. МикроЭВМ выполняют н остальные функции: разрешение многозначности, расчет и учет поправок и вычисление географиче­ских координат. Обычно не полностью автоматизирован только выбор пар стан­ций, ио и для этой задачи ЭВМ вырабатывает рекомендации, выдавая инфор­мацию о силе сигнала каждой из станций, соотношении снгнал/шум и т. д. МикроЭВМ, использующиеся в приемоинднкаторах, строятся, как правило, на микропроцессорной базе, характеризуются тактовой частотой 1—4 МГц, длиной слова 16—32 битов, объемом памяти порядка 8—16 килобайт.

Чтобы уменьшить вероятность грубых промахов при аномальных явлениях в распространении радиоволн, приемоиндикаторы часто снабжают самописцем, позволяющим увидеть ненормальности в измерениях, получить представление об их характере и величине и в некоторой степени уменьшить ошибки, вызывае­мые аномалиями.

Процесс измерений прн использовании автоматизированного приемоиндика­тора сводится к выбору пар станций и снятию координат судна. Вместе с тем следует отметить, что у судоводителя остается важнейшая и сложная задача — оценка точности и достоверности полученных результатов, для чего совершенно необходимо ясное представление о возможном влиянии условий распространения радиоволи.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: