Импульсный РНД без ретрансляции сигнала: структурная схема, принцип работы, достоинства и недостатки

В РНД без ответчика, обобщенная структурная схема которого представлена на рис. 5, измеряется время распространения сигнала, излучаемого наземной станцией, до ЛА, на борту которого установлен приемник. В состав передатчика наземной станции и бортового приемника входят высокостабильные опорные генераторы, которые перед вылетом ЛА синхронизируются между собой специальным сигналом синхронизации, излучаемым наземной станцией. (ОГ – опорный генератор, УИД – устройство измерения дальности)

Рис. 5. Импульсный РНД без ретрансляции сигнала

На борту ЛА по принятому сигналу измеряется интервал времени t₃=Д/с, а дальность определяется выражением Д=сt₃. (1)

Из формулы (1) следует, что погрешность измерения дальности dД=сdt₃. Величина dt₃ в основном зависит от нестабильности частоты ОГ и времени полета t_пол:

, (2)

где df₀/f₀ - относительная нестабильность частоты ОГ; dt_сп - погрешность измерения времени распространения, обусловленная нестабильностью скорости распространения радиоволн, неточностью синхронизации бортового генератора, действием помех и рядом других факторов.

Для удовлетворения современным требованиям, предъявляемым к точности измерения дальности (dД=1...3 км при t_пол£10 ч), опорные генераторы должны иметь относительную нестабильность частоты df₀/f₀=10^-9...10^-10. Такая высокая стабильность частоты может быть достигнута лишь в атомных и молекулярных генераторах.

Необходимость обеспечения высокой стабильности частоты опорных генераторов является основным недостатком РНД без ответчика.

Достоинства таких РНД заключаются в следующем:

· бортовое оборудование не работает на излучение, благодаря чему достигается высокая скрытность;

· неограниченная пропускная способность;

· сравнительно большая дальность действия, поскольку мощность наземной станции может быть достаточно большой.

Успехи, достигнутые в создании молекулярных квантовых генераторов, делают РНД без ответчика весьма перспективным, так как одна наземная станция может обслуживать неограниченное число ЛА, находящихся в зоне ее действия.

14. Общие сведения об угломерных радионавигационных системах: предна­значение, классификация, структурные схемы

Для решения задач навигации летательных аппаратов (ЛА) широкое применение находят угломерно-дальномерные радионавигационные системы (УДРНС), которые являются комбинированными радионавигационными системами (РНС) и входят в состав КСН.

Под комбинированными понимают такие РНС, в которых либо используется комбинация параметров электромагнитного поля для измерения навигационных параметров (НП), либо определяется комбинация независимых НП. В комбинированных РНС измерители каждого НП функционируют независимо.

Примерами комбинированных РНС, в частности, являются УДРНС ближней навигации (РСБН), включающие в себя наземные радиомаяки типа отечественных РСБН-4Н, Е-329 c бортовой аппаратурой РСБН-7С, А-324 и зарубежные VOR/DME, TACAN.

Областями боевого применения УДРНС являются: обеспечение вождения ЛА по маршруту (определение текущих координат) путем измерения азимута и дальности относительно наземного азимутально-дальномерного радиомаяка (АДРМ); управление воздушным движением (УВД); возврат ЛА в зону аэродрома посадки, выполнения предпосадочного маневра с заходом на ВПП со снижением до высоты 30...60 м при различных видах пилотирования (автоматическом, полуавтоматическом и ручном).

По принципу действия УДРНС (РСБН) делятся на фазовременные и временные. В фазовременных УДРНС информация об азимуте ЛА заложена в фазе огибающей принятых амплитудно-модулированных сигналов, а о дальности до АДРМ - во времени запаздывания этих сигналов. Примерами фазовременных УДРНС являются зарубежные РСБН типа VOR/DME, использующие в азимутальном канале непрерывные амплитудно-модулированные колебания, и TACAN, в которых применяются импульсные колебания. Во временных УДРНС определение текущего расстояния от ЛА до наземного АДРМ (или ответчика радиодальномера) и текущего азимута ЛА, отсчитываемого относительно истинного меридиана, проходящего через точку установки наземного АДРМ, осуществляется временным методом (точнее, амплитудно-временным).

Наземные АДРМ обеспечивают работу бортового оборудования РСБН и дают возможность наблюдать на контрольных индикаторах кругового обзора (ИКО) и выносных индикаторах кругового обзора (ВИКО) на командно-диспетчерских пунктах (КДП) за положением ЛА, пользующихся РСБН, определять их координаты и осуществлять индивидуальное опознавание.

В отечественных радиотехнических системах ближней навигации измерение наклонной дальности на борту ЛА до наземного радиомаяка осуществляется методом радиолокации с активным ответом. Дальность определяется путем измерения на ЛА времени распространения запросного сигнала до наземного радиомаяка и от маяка до ЛА (t_Д). Это время с достаточной степенью точности преобразуется в отсчет даль­ности до радиомаяка, т. е. , (1) где с - скорость распространения радиоволн; Д - дальность от ЛА до наземного радиомаяка.

Отсчет дальности производится по цифровому табло прибора. Для повышения помехозащищенности канала дальности в РСБН радиосигнал передается специальным двухимпульсным кодом на определенной частоте.

Азимут на ЛА определяется по сигналам наземного азимутального радиомаяка временным способом. Азимут определяется путем измерения времени от момента направления азимутальной антенны направленного действия на север до момента, когда диаграмма направленности совпадает с направлением на ЛА, т. е. до облучения ею ЛА. Зная указанное время t_φи скорость вращения азимутальной антенны Ω, можно определить азимут ЛА φ, т. е. φ = Ωt_φ (2)

Для измерения азимута на ЛА азимутальный радиомаяк излучает два вида сигналов: опорные и азимутальные.

Радиомаяк излучает две серии опорных сигналов, представляющих собой двухимпульсные кодовые посылки «35» и «36». За один оборот антенны количество кодовых посылок каждой серии соответственно равно 35 и 36. В момент прохождения азимутальной антенной направления на север сигналы «35» и «36» совпадают и радиомаяк излучает на борт ЛА сигнал, который называется «Северное совпадение».

Для измерения азимута на ЛА кроме опорных сигналов наземный радиомаяк вырабатывает непрерывные азимутальные сигналы, которые излучаются в пространство вращающейся азимутальной двухлепестковой антенной остронаправленного действия. Антенна вращается со скоростью 100 об/мин и последовательно облучает все самолеты, находящиеся в зоне действия радиомаяка.

Рис. 1. Определение азимута временным методом

Оба сигнала, опорный («Северное совпадение») и азимутальный, принимаются приемником на ЛА, дешифрируются и подаются в схему измерения азимута, которая определяет временной интервал t_φ между опорным и азимутальным сигналами и пересчитывает его в азимут, который отображается на табло прибора.

Азимут самолета φ прямо пропорционален измеренному времени t_φ, умноженному на скорость вращения антенны Ω. Следовательно, и точность измерения азимута будет зависеть от этих параметров.

Для повышения точности измерения азимута используют постоянную скорость вращения антенны и защиту азимутальной антенны от влияния ветра специальным ветрозащитным колпаком.

15. Общие сведения о разностно-дальномерных радионавигационных сис­темах: предназначение, классификация, структурные схемы

Разностно-дальномерные радиотехнические системы иначе называются радиотехническими системами дальней навигации (РСДН). Они предназначены для точного определения под­вижными объектами (самолетами, вертолетами, кораблями, подводными лодками) своего местоположения, находящимися в ее рабочей зоне.

Под рабочей зоной системы понимают область земной поверхности, в пределах которой с заданной вероятностью обеспечивается определение местоположения подвижного объекта по сигналам наземных станций со среднеквадратической ошибкой, не превышающей допустимого значения.

РСДН широко применяется при навигации самолетов, кораблей и подводных лодок. Они используются автономно и в составе комплексных систем навигации.

Определение местоположения объекта с помощью бортовой аппаратуры РСДН сводится к измерению относительного запаздывания радиосигналов, излучаемых наземными радио­станциями с известными координатами. В зависимости от типа применяемых радиосигналов различают импульсные (временные), импульсно-фазовые, фазовые и частотные РСДН.

По сравнению с другими навигационными системами РСДН обладает рядом преимуществ, основными из которых являются: высокая точность определения местоположения ЛА; большая дальность действия; неограниченная пропускная способность; возможность использования на любых высотах; скрытность определения навигационных параметров в виду отсутствия на борту передающих устройств.

К недостаткам РСДН можно отнести зависимость работы ведущей станции от ведомых, уязвимость антенн и сложность аппаратуры станций, необходимость периодического ввода поправок в аппаратуру станций на скорость распространения электромагнитных волн и использования на борту специаль­ных вычислителей для преобразования гиперболических координат при определении места объекта.

В настоящее время в ВВС применяются импульсно-фазовые стационарные системы РСДН-3/10, РСДН-4, РСДН-5 и их подвижный вариант РСДН-10, фазовые системы РСДН-20, в которых: используют соответственно длинноволновый и сверхдлинноволновый диапазон радиоволн.

Кроме того, при полетах по международным трассам могут использоваться зарубежные импульсно-фазовые системы «Лоран» и фазовые системы «Омега».

РСДН состоит из наземного оборудования (наземных станций) и бортовой аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах.

Наземные станции представляют собой мощные радиопередатчики с аппаратурой управления и синхронизации. Для определения местоположения подвижного объекта система должна состоять не менее чем из трех наземных станций. Эти станции объединяются в единые группы. Они разнесены одна от другой на расстояния, называемые базой. В общем случае группа наземных станций образует цепочки, в состав которых могут входить до восьми станций.

В каждой группе одна станция является ведущей, остальные ведомые. Ведущая станция синхронизирует работу ведомых станций, обеспечивая согласованные режимы излучения по времени и частоте всех станций данной группы (цепочки).

Группы наземных станций системы могут быть стационарного и мобильного вариантов.

Наземные станции стационарного варианта представляют собой мощные радиопередающие центры, состоящие из комплекса радиотехнического, специального и связного оборудования.

В состав радиотехнического оборудования входят: мощные передающие устройства, комплекс аппаратуры генерирования и формирования эталонных частот, аппаратура формирования навигационных пакетов, управления и контроля, приемные устройства сигналов синхронизации, антенные системы с элементами согласования и настройки, системы управления, бло­кировки и сигнализации. Особое место в составе станции занимают антенно-мачтовые сооружения, высота которых может достигать 460 м, а стоимость составляет до 60% стоимости всей станции. В качестве резервных антенных систем на стационарных станциях используются привязные аэростатные антенны.

В состав специального (общепромышленного) оборудования входят: система энергоснабжения станции с автономными электростанциями, система водяного и воздушного охлаждения радиотехнической аппаратуры, система сжатого воздуха с собственными компрессорными станциями.

К связному оборудованию относятся коротковолновые радиостанции и аппаратура проводной телефонной и телеграфной связи. Кроме того, в состав станции входят контроль­ные пункты, которые оборудуются либо бортовой аппаратурой либо аппаратурой управления и контроля, подобное той, которая устанавливается на станциях РСДН. Контрольные пункты предназначены для контроля параметров синхронизации наземных станций и навигационных параметров в рабочих-зонах систем.

Наземные станции мобильного варианта обладают меньшей мощностью и могут самостоятельно перемещаться для: развертывания в указанном районе. Они имеют сборно-разборные или телескопические антенно-мачтовые устройства, высотой 28…52 м. Станции мобильного варианта могут использоваться при совместной работе со стационарными станциями.

На подвижных объектах устанавливается бортовой приемоиндикатор (БПИ), с помощью которого осуществляется прием радиосигналов наземных станций системы РСДН. При этом основой БПИ являются приемник и устройство для измерения временного интервала между моментами приема радиосигна­лов от ведущей и ведомых наземных станций системы.

БПИ определяет гиперболические координаты подвижного объекта и выдает результат на специальное табло. Одновременно данные могут передаваться в цифровые преобразова­тели координат или в бортовую ЭВМ для преобразования: гиперболических координат в истинные или ортодромические координаты.

В зависимости от подвижного объекта бортовая аппарату­ра системы может иметь различную комплектацию.

Принцип действия системы РСДН приведен на рис. 2. Ведущая станция А и две ведомые станции Б и В, расположенные по обе стороны от ведущей на примерно одинаковых базовых расстояниях от нее b₁= b₂ = b, образуют цепочку из трех синхронизированных наземных станций.

Точка М соответствует расположению подвижного объекта .(самолета, корабля) с установленным на нем бортовым приемоиндикатором.

Сигналы, излучаемые ведущей станцией А, через опреде­ленный интервал, равный времени распространения радио­волн по базам между ведущей и ведомыми станциями, дости­гают ведомых станций Б и В. Ведомые станции, приняв сиг­налы ведущей станции, используют их для синхронизации по фазе и огибающей собственных сигналов. Сигналы ведомых станций излучаются относительно моментов приема сигнала ведущей станции с определенными, строго фиксированными задержками, значение которых всегда выбирается таким об­разом, чтобы импульсы одной станции не перекрывались импульсами других станций синхронизируемой цепочки во всей рабочей зоне системы.

Рис. 2. Принцип определения МПЛА в РСДН

Сигналы, излучаемые передающей антенной ведущей станции А, достигают приемной антенны бортового приемоиндикатора подвижного объекта М через временной интервал t_ам, пропорциональный расстоянию D_ам от подвижного

объекта до ведущей станции, т. е. (3)

Сигналы, излучаемые передающими антеннами ведомых станций Б и В, достигают приемной антенны бортового приемоиндикатора М соответственно через временные интер­валы t_бм и t_вм, пропорциональные расстояниям D_бм и D_ВМ от подвижного объекта до ведомых станций, т. е. , (4)

(5)

Бортовой приемоиндикатор производит непрерывные измерения по фазе и огибающей радиоимпульсов навигационных пакетов разностей времен прихода сигналов (Δt_АБ и Δt_АВ) от двух пар станций АБ и АВ в точку М расположения подвижного объекта:

(6) (7)

где t_Аб и t_ав - время распространения сигнала по базе от фазового центра передающей антенны веду­щей станции А до фазового центра передаю­щих антенн ведомых станций Б и В;

t_КБ и t_КВ - кодовые задержки ведомых станций Б и В, равные, временным интервалам между мо­ментами прихода сигнала ведущей станции, и моментами излучения сигналов ведомых станций.

Кодовые задержки вводятся с целью обеспечения необхо­димой последовательности прихода сигналов ведомых станций на ЛА во всей рабочей зоне, а в военное время для затруднения использования систем противником.

Постоянные величины t_зБ=t_АБ+t_КБ t_зВ=t_АВ+t_КВ на­зываются задержками излучения ведомых станций Б и В иопределяются на станциях в процессе калибровки системы с помощью подвижных контрольных пунктов.

В бортовых приемоиндикаторах подвижных объектов истинные значения постоянных величин t_зБ и t_зВ учитываются при измерении разности времен ∆t_АБ и ∆t_АВ, называемые навигационными параметрами системы.

Измерения навигационных параметров ∆t_АБ и ∆t_АВ по фазе и используемые для устранения многозначности фазовых отсчетов измерения по огибающей радиоимпульсов навига­ционных пакетов выполняются по высокостабильному по­верхностному сигналу в пределах временного интервала, примерно равного первой половине переднего фронта радио­импульса пакета, свободной от влияния нестабильного, отра­женного от ионосферы сигнала.

Измеренные бортовым приемоиндикатором значения навигационных параметров ∆t_АБ и ∆t_АВ соответствуют определенной разности расстояний ∆D_АБ и ∆D_АВ от подвижного объекта Мдо ведущей станции А и каждой из ведомых стан­ций Б и В (см. рис. 2). Если объект будет двигаться по траектории, на которой значение навигационного параметра не изменяется (т. е. разность расстояний ∆D_АБ или ∆D_АВ постоянна), то такой траектории соответствует вполне опре­деленная линия положения на земной поверхности - плоская гипербола. Причем для расстояний 1000…1500 км кривизну земной поверхности можно не учитывать. В фокусах гипербо­лы, проходящей через точки М и М', находятся ведущая и одна из ведомых станций. Однако по одной паре станций, дающих при измерении навигационного параметра множество непересекающихся гипербол, определить местоположение подвижного объекта невозможно. Поэтому используют семей­ство пересекающихся гиперболических линий положения, образованных двумя парами станций, которые наносятся на карту и оцифровываются в микросекундах (через 50…100 мкс), поскольку бортовой приемоиндикатор подвижного объекта непосредственно измеряет не разности расстояний, а разностные временные интервалы.

При ручном способе определения гиперболических коор­динат местоположения подвижного объекта необходимо найти по карте по отсчетам бортового приемоиндикатора две пере­секающиеся линии положения. Точка пересечения этих линий даст искомые гиперболические координаты местоположения подвижного объекта. Следует учесть, что для правильного определения на карте искомых линий положения необходимо в отсчёты бортового приемоиндикатора ввести поправки, учи­тывающие изменения скорости распространения радиоволн по трассам между наземными станциями и подвижным объектом в зависимости от эффективной проводимости подстилающей поверхности. Измеренные бортовым приемоиндикатором вре­менные интервалы ∆t_АБ и ∆t_АВ могут быть при автоматиче­ском способе преобразованы в геодезические или ортодромические координаты местоположения объекта с помощью циф­ровых преобразователей координат или бортовых электронно-вычислительных машин.