3. Особенности радионавигационных средств обеспечения полетов

Вид информативного параметра сиг­нала ν определяет потенциальную, т е предельно достижимую, точность РНУ Источником информации о НП служит принимаемый сигнал u(t) = U_msin(ωt + ψ), где U_m — амплиту да, ω — частота, t — время, ψ — фазо­вый сдвиг. В зависимости от того, какой из параметров полезного сигнала ин­формативный, различают амплитудные, частотные, временные и фазовые РНУ Заключенная в ν информация выде­ляется при сравнении принятого сигна­ла с опорным Отдельную группу РНУ составляют корреляционные уст­ройства с псевдошумовыми сигналами.

Амплитудные РНУ определяют НП по результатам измерения амплитуды сигнала Амплитуда принимаемого сиг­нала зависит не только от НП, но и от многочисленных факторов, учесть ко­торые не всегда возможно Область при­менения амплитудных РНУ ограничи­вается определением угловых коорди­нат. В таких РНУ для уменьшения паразитных (не вызываемых измене­нием НП) вариаций амплитуды сигнала применяется измерение глубины ампли­тудной модуляции m или разности глубин модуляции РГМ, представляющих собой информативные параметры сигнала.

Обязательный элемент амплитудных угломерных РНУ — одна или несколь­ко направленных антенн, с помощью которых формируется сигнал с ампли­тудой U_m(ψ _p), зависящей от угла рассог­ласования ψ_р между осью симметрии ОС диаграммы направленности ДН_И и направлением передатчик — прием­ник НПП (рис 1.8).

Сигнал, амплитуда U_mo которого не зависит от угла рас­согласования при определенном значе­нии последнего, формируется либо дополнительной антенной (ДН_Д), либо при обработке сигналов, принятых от нап­равленных антенн (суммарный сигнал). Информативный параметр сигнала v = m = U_m(ψ_p)/(U_mo)

Погрешность определения угловых координат σ_w=K_п σ_v/f_и’(0), где σ_ν — погрешность измерения ν, которая тем меньше, чем больше отношение сигнал/шум на входе измерителя, f_и(0) — крутизна ДН_И при φ_ρ = 0, К_п — постоян­ный коэффициент, зависящий от пост роения РНУ.

Частотные РНУ определяют НП по результатам измерений частоты сигна­ла, т е ν = ω. Они применяются в основном для определения высоты поле­та (радиовысотомеры малых высот) и скорости ЛА (доплеровские измери­тели скорости), основаны на сравнении частоты отраженного от земной поверх­ности сигнала с частотой опорного сигнала и работают в режиме непре­рывного излучения. Опорным сигналом служат излучаемые колебания. Требуе­мая точность достигается только при ко­герентности отраженного и опорного сигналов, т е при достаточно высо­кой стабильности опорного генератора (генератора высокой частоты), когда уход его частоты за время прохож­дения сигнала от ЛА до земной поверхности и обратно существенно меньше измеряемого сдвига частоты Разница по частоте принимаемого и опорного сигналов в радиовысотомерах является следствием частотной модуляции излучаемых колебаний, а в изме­рителях скорости вызывается доплеровским сдвигом частоты.

Непрерывный характер излучения колебаний приводит к появлению проса­чивающегося или прямого сигнала, по падающего в приемный тракт из-за паразитных электромагнитных связей с передающим Прямой сигнал имеет случайную модуляцию и при детектирова­нии дает шумовое напряжение, ухуд­шающее чувствительность приемника и ограничивающее максимальные рабочие высоты частотных РНУ

Принимаемый сигнал образуется в результате отражения от участка зем­ной поверхности в пределах ДН антенны РНУ Отдельным точкам этого участка соответствуют разные задержки сигнала и различные доплеровские сдвиги частоты В результате отраженный сиг­нал приобретает случайный характер и имеет сплошной спектр Измерители частоты, входящие в частотные РНУ, определяют среднюю или среднюю квад­ратичную частоту спектра случайного сигнала Поэтому любое искажение оги­бающей спектра, например, из-за нерав­номерности коэффициента отражения или наложения шумов приводит к пог­решности частотного РНУ

Временные РНУ определяют ΗΠ по результатам измерения времени запаз­дывания сигнала (ν = t) Сигналы временных РНУ имеют импульсный харак­тер (импульсные устройства)

Временные (импульсные) РНУ при­меняются для определения дальности, разности дальностей и угловых коорди­нат и основаны на измерении интерва­ла времени между импульсными сигна­лами В разностно-дальномерных и угломерных РНУ импульсы, интервал времени между которыми измеряется на ЛА, формируются аппаратурой опор­ных станций (обычно наземных) В дальномерных РНУ измеряется время между излучением с ЛА запросного сиг­нала и приемом ответного сигнала от наземного радиомаяка

Импульсные сигналы временных РНУ имеют форму, близкую к колоколообразной, и отсчет времени произво­дится по некоторой характерной точке огибающей импульса, где крутизна на­растания (или спада) импульса макси­мальна При таком выборе точки отсче­та уменьшаются погрешности измере­ния, которые вызываются помехами и шумами, искажающими форму оги­бающей импульса

Фазовые РНУ определяют НП по ре­зультатам измерения фазового сдвига сигнала (ν = ψ), применяются для опре­деления дальности, разности дальнос­тей и угловых координат и основаны на измерении разности фаз двух сигналов Отличительная особенность фазовых дальномерных РНУ — наличие борто­вых эталонных генераторов с высокой долговременной стабильностью часто ты С фазой колебаний этого генера­тора производится сравнение фазы принимаемого сигнала В фазовых угло­мерных РНУ определяется разность фаз между сигналом, несущим навигацион­ную информацию, и опорным сигналом Опорный сигнал формируется аппара­турой наземного радиомаяка и пере­дается на борт ЛА

Погрешность σ_w определения НП связана с погрешностью измерения фа­зы σψ соотношением σ_w=λσ_ψ/2π и уме­ньшается с уменьшением длины вол­ны λ, на которой производится измере­ние фазы. Однако при уменьшении λ сокращается зона однозначного опре­деления НП, поскольку точно судить о НП можно лишь в том случае, если вызываемый изменением W фазовый сдвиг не превысит 2π Противоречие между требуемой точностью и од­нозначностью определения НП харак­терно для фазовых РНУ

Фазовые РНУ относятся к узкополос­ным устройствам и чувствительны к паразитным фазовым сдвигам, воз­никающим в резонансных элементах трактов обработки при нестабильности частоты их настройки или несущей частоты сигнала Эти фазовые сдви­ги тем меньше, чем шире полоса пропускания тракта Паразитные фазо­вые сдвиги имеют место и при распрост­ранении сигналов и могут привести к существенным погрешностям определе ния навигационных параметров, особенно в системах дальней навигации

Корреляционные РНУ определяют НП при вычислении максимума взаим­ной корреляционной функции (ВКФ) принятого и опорного сигналов Основ­ной областью применения корреляцион­ных РНУ, кроме обзорно-сравнительных систем, является измерение дальности при псевдошумовых сигналах При этом в бортовой аппаратуре должна генери­роваться копия сигнала, прием которого ожидается Необходима точная синхро­низация моментов излучения сигнала и генерации опорного сигнала, так как по сдвигу последнего во времени, необхо­димому для получения максимума ВКФ, оценивается дальность. Отличительная особенность такого РНУ — высокая точность, малые энергетические затраты на излучение сигнала и высокая поме­хоустойчивость. Эти качества прояв­ляются тем сильнее, чем шире спектр сигнала. Кроме того, при соответствую­щем формате сигнала высокая точ­ность сочетается с однозначностью из­мерения дальности.

Вид навигационного параметра W влияет на форму поверхностей и ли­ний положения, т. е. на геометрические особенности РНУ, от которых зависит точность определения МЛА. Различают угломерные, дальномерные, разностно-дальномерные РНУ и измерителя скорости.

Угломерные РНУ определяют ΗΠ — угол в горизонтальной или вертикаль­ной плоскости или в главной плоскости системы координат, связанной с ЛА. Применяются радиомаячные и радиопеленгационные РНУ. Радиомаячные уст­ройства (обычно наземные) формируют электромагнитное поле, параметры ко­торого зависят от угловых коорди­нат точки приема. Представителями этой группы являются угломерные РНУ систем посадки и угломерные каналы систем ближней навигации. Радиопеленгационные устройства (радиопе­ленгаторы) определяют угловые коор­динаты источника сигнала путем изме­рения направления прихода радиоволн. Применяются как наземные радиопе­ленгаторы, так и бортовые (радиоком­пасы).

Поверхность положения угломерных РНУ — вертикальная плоскость (при определении угла в горизонтальной плоскости, например азимута) или ко­нус (при определении угла в вертикаль­ной плоскости). Линия положения, об­разованная сечением поверхности положения плоскостью (горизонтальной или вертикальной), в которой опреде­ляется угловое положение ЛА, есть прямая (линия равных азимутов или углов места).

Дальномерные РНУ (радиодально­меры) определяют НП — дальность D (W = D) либо удвоенную дальность (W = 2D) до РНТ. Радиодальномеры без ответчика (W = D) основаны на сравнении параметров сигнала, приня­того от аппаратуры, установленной в РНТ, с сигналом бортового эталона и составляют основу спутниковых нави­гационных систем и систем дальней навигации. Дальномеры с ответчиком определяют W=2D сравнением сигна­ла, принятого от ответчика (дальномерного радиомаяка), с запросным сигна­лом. На принципе «запрос-ответ» пост­роены радиодальномеры систем ближ­ней навигации. К дальномерным уст­ройствам относится и радиовысотомер (W = 2H, где Η — высота полета). По­верхность положения дальномерных РНУ — сфера радиуса D, а линия положения — окружность (линия рав­ных дальностей).

Разностно-дальномерные РНУ опре­деляют W = D₁—D₂, где D₁ и D₂ — расстояние ЛА от двух РНТ, в ко­торых расположены передающие ра­диостанции (PC). Разность расстояний D_p = D₁—D₂ находится сравнением па­раметров сигналов, принимаемых от передающих радиостанций. Наиболь­шее применение разностно-дальномерные РНУ получили в системах дальней навигации.

Поверхность положения разностно-дальномерных РНУ — гиперболоид, образованный вращением гиперболы D_p = const (вокруг оси, проходящей через РНТ (фокусы гиперболы)), а сама гипербола является линией положения РНУ.

Измерители скорости предназначены для определения вектора горизонталь­ной скорости V_г или вектора полной скорости V. Информация о W (ком­поненты V) заключена в доплеровском сдвиге частоты F_Д (v = F_Д), который выделяется при сравнении частоты от­раженного от земной поверхности сиг­нала с частотой излучаемых колебаний. К рассматриваемым РНУ относятся доплеровские измерители скорости и угла сноса (ДИСС), которые обычно используют в качестве датчиков систем счисления пути.

Степень автономности определяет возможность использования РНУ или РНС для навигации ЛА на трассах, не обслуживаемых наземными или спут­никовыми средствами обеспечения по­летов. Различают автономные и неавто­номные РНУ (РНС). Неавтономные РНС делятся на однопозиционные и многопозиционные.

Автономные РНУ определяют нави­гационные параметры с помощью толь­ко бортовой аппаратуры данного ЛА. В таких РНУ реализуются радиолока­ционные принципы, т е НП опреде­ляются по отраженному сигналу (ра­диовысотомеры, ДИСС, метеонавига­ционные радиолокаторы)

Неавтономные РНУ включают как бортовую аппаратуру данного ЛА, так и связанную с ней радиолинией аппаратуру, размещенную в РНТ или на других ЛА К неавтономным относятся системы спутниковой, даль­ней и ближней навигации, посадки.

Многопозиционные РНС — совокуп­ность разнесенных в пространстве и функционально связанных между собой пунктов излучения — РНТ, совместная обработка сигналов которых позволяет с высокой точностью определить как МЛА, так и параметры движения ЛА Повышению точности способствует избыточность информации из-за боль­шого числа пунктов излучения сигналов, которая позволяет выбрать такие источники сигналов, геометрическое расположение которых относительно ЛА наиболее благоприятно в смысле снижения погрешности Типичный пример — спутниковые навигационные сис­темы и системы дальней навигации

Назначение характеризует вид нави­гационных задач, для решения которых служит РНУ или РНС Различают сис­темы дальней и ближней навигации и посадки, а также спутниковые навига­ционные системы

Системы дальней навигации (СДН) относятся к многопозиционным дальномерным или разностно-дальномерным системам, работают в диапазонах ки­лометровых и мириаметровых волн и имеют дальность действия до несколь­ких тысяч километров. Дальномерные СДН — фазовые и требуют для опреде­ления МЛА две наземные станции (РНТ). В разностно-дальномерных СДН измеряется разность фаз когерент­ных сигналов, принятых от трех-четы­рех взаимно синхронизированных на­земных станций (РНТ).

Спутниковые навигационные систе­мы (СНС) — многопозиционные, рабо­тают в диапазоне дециметровых волн и определяют ПМЛА по измерениям да­льности относительно РНТ, за которые принимаются точки расположения на­вигационных искусственных спутников Земли в момент измерения. При соот­ветствующем расположении спутников измерения возможны практически в лю­бой точке земной поверхности (глобальные РНС) Большая точность СНС достигается применением псевдошумо вых сигналов

Системы ближней навигации (СБН) — однопозиционные и обслужи вают зону, в пределах которой возмо­жен прием сигналов наземных радиома­яков (РМ), работающих в диапазоне ультракоротких волн При высотах по­лета до 10 км диаметр этой зоны (даль­ность прямой видимости) не превышает 420 км В основу СБН положено опреде ление азимута и дальности до наземного радиомаяка (РНТ) Угломернодально мерные СБН по виду информативного параметра сигнала относятся к временным (импульсным) и фазовым РНС Системы посадки метрового диапазо на выдают экипажу и САУ информацию о значении и знаке отклонения ЛА от линий курса и глиссады, создаваемых в пространстве наземными курсовыми (КРМ) и глиссадным (ГРМ) радиомаяками, а также о пролете маркерных (МРМ) радиомаяков, уста­новленных на известном расстоянии от начала ВПП Принципиальный недос таток таких систем — формирование в пространстве единственной траектории, лежащей в плоскости оси ВПП под углом возвышения 2 4°, что неприем­лемо для ЛА с укороченным или вертикальным взлетом и посадкой Кро­ме того, на параметры системы посад­ки оказывают существенное влияние местные объекты и рельеф местности Перспективные системы посадки сан­тиметрового диапазона в значительной мере свободны от этих недостатков