Радионавигация

Параметры РНС
В системах, определяющих МП, применя­ется удвоенная СКП определения местоположения (2drms), представляющая собой радиус окружности, которая со­ держит не менее 95% всех возможных местоопределений данного объекта. Используется также вероятная круговая погрешность (CEP), т.е. радиус окружности, содержащей 50% всех место­определений. Считается, что 2drms= 2,5CEP.

Параметры РНС
Вводят следующие определения точности:
прогнозируемая точность - точность местоопределения по отно­шению к истинному положению объекта;
повторяющаяся точность — точность, с которой потребитель на­вигационной информации может возвратиться на позицию, координаты которой были измерены ранее с помощью той же РНС;
относительная точность — точность, с которой потребители на­вигационной информации, использующие одну и ту же РНС, определя­ют свое положение в одной и той же точке и которая характеризуется расстоянием между этими потребителями в момент времени, соответст­вующий определениям местоположений.

Параметры РНС
Эксплуатационная пригодность (называемая иногда доступно­стью) - вероятность того, что в любое время и в любой точке простран­ства РНС обеспечивает потребителя информацией, достаточной для оп­ределения местоположения с заданной точностью.
Целостность (достоверность) - способность системы обнаружи­вать свое неправильное функционирование и оповещать об этом потре­бителей навигационной информации, чтобы исключить использование системы в тех случаях, когда ее эксплуатационные параметры выходят за пределы установленных допусков.

Классификация радионавигационных устройств и систем
Назначение характеризует класс навигационных задач, для решения которых служит РНС. В соответствии с назначением различают:
радиосис­темы глобальной навигации;
радиосис­темы дальней навигации;
радиосистемы ближней навигации;
радиосистемы посадки;
радиосистемы сближения и стыковки ЛА;
радиосистемы предупреждения столкновений движущихся объектов.

Классификация радионавигационных устройств и систем

Классификация радионавигационных устройств и систем
Системы сближения и стыковки (причаливания) предназначены для получения информации о взаимном положении, радиальной скоро­сти и дальности сближающихся объектов на этапе от начала сближения до стыковки.
Системы предупреждения столкновений (СПС) служат для выда­чи экипажу движущегося объекта сигнала об опасном сближении само­летов в воздухе, морских кораблей или автомобилей и команд на вы­полнение безопасного маневра по расхождению конфликтующих объек­тов.

Классификация радионавигационных устройств и систем
Характер источника информативного сигнала влияет на струк­туру РНС и в зависимости от источника принимаемого и обрабатывае­мого в РНУ сигнала различают:
активные;
активные с активным отве­том;
пассивные;
многопозиционные.

Структурная схема активного РНУ

Структурная схема активного РНУ с активным ответом

Структурная схема пассивного РНУ

Структурная схема пассивной многопозиционной РНС

Классификация радионавигационных устройств и систем
Вид навигационного параметра W влияет на форму поверхно­стей и линий положения, т.е. на геометрические особенности РНУ и РНС, от которых зависит точность определения МП. В зависимости от вида W различают:
угломерные;
дальномерные;
разностно-дальномерные;
измерители скорости.

Классификация радионавигационных устройств и систем
Угломерные РНУ относятся к классу пассивных устройств и опре­деляют W, представляющий собой угол в горизонтальной или верти­кальной плоскостях или в плоскостях системы координат, связанной с ЛА.
Дальномерные РНУ (радиодальномеры) определяют W, представ­ляющий собой расстояние R между двумя объектами (W = R) или высоту объекта H (W = H) и могут быть реализованы как в активном, так и в пас­сивном вариантах.
Разностно-дальномерные РНУ относятся к классу пассивных уст­ройств и определяют W= R1 – R2. Здесь R1 и R2 - расстояния от объекта до двух РНТ или от РНУ до двух опорных станций.
Измерители скорости предназначены для определения вектора скорости V или его составляющих (W = V).

Вид информативного параметра сигнала
где
и
В зависимости от того, какой параметр принимаемого на РНУ сигнала информативный различают:
амплитудные;
частотные;
временные;
фазовые.

Классификация радионавигационных устройств и систем
Степень автономности определяет возможность использования РНУ или РНС для навигации на трассах, не обслуживаемых наземными или спутниковыми средствами. Различают:
автономные устройства и системы;
неавтоном­ные устройства и системы.

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Одна из основных задач при проектировании РНУ или РНС заключается в обеспечении такой мощности принимаемого сигнала Р2, при которой элементы W, характеризующие положение и движение объекта, изме­ряются с заданными точностью и вероятностью.
Плотность мощности сигнала на единицу поверхности на расстоянии R от передающей антенны РНУ в направле­нии максимума ее диаграммы направленности, т.е. отношение излучае­мой мощности к площади сферы радиуса R, определяется соотношением

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Мощность сигнала на входе приемника РНУ объекта О, располо­женного в направлении максимума излучения:
Известно, что
Тогда мощность сигнала на входе будет равна
Мощность шума, приведенная к входу приемника,

Дальность действия и точность РНУ и РНС
При радионавигационных измерениях обычно необходимо обеспе­чить прием сигналов опорной станции с любого направления. Для удов­летворения этого требования используют ненаправленные антенны, для которых КУ равен 1. Поэтому

Дальность действия и точность РНУ и РНС
С помощью предыдущего выражения можно рассчитать минимальное значение мощ­ности Pmin передатчика, при котором на требуемой дальности будет обеспечена заданная точность (аналог пороговой мощности Pпор в режиме обнаружения):
Дальность действия активных РНУ с активным ответом разбивается на дальности действия запросчика и ответчика

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Целесообразен вариант активной сис­темы с активным ответом, у которой Rmaxз=Rmaxот, для чего необходимо обеспечить равенство:
В частном случае работы в импульсном режиме (одна антенна на ответчике и одна на запросчике) P1зPminз=P1отPminот.

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Дальность действия (максимальная рабочая высота) актив­ных РНУ. В рассматриваемых устройствах практический интерес пред­ставляет не Rmax, а максимальная рабочая высота (высотность РНУ) над отражающей поверхностью Hmax0, на которой обеспечивается заданная точность определения W:

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Воспользуемся соотношением для дальности действия активного РНУ:
Согласно рисунку на предыдущем слайде, отражающая площадка представляет собой по­верхностно распределенную цель (при непрерывном излучении имеющую форму эллипса), ЭПР которой

Дальность действия и точность РНУ и РНС
Используя приближенную формулу и соотношения, определенные раннее, получим

Влияние условий распространения радиоволн на дальность действия и точность РНУ
В соответствии с несущей частотой сигналов различают диапазоны ра­диоволн, перечень которых приведен в таблице

Траектории радиоволн различных типов
В зависимости от вида траек­тории распространения раз­личают четыре характерных типа ра­диоволн: тропосферные - 1, поверхностные - 2, пространственные - 3, радиоволны и радиоволны волновод­ного типа - 4.

Тропосферные волны (ТВ)
Дальность прямой видимости: ОТ - область тени; Rз= 6370 км - физический радиус Земли.

Тропосферные волны (ТВ)
При постоянстве коэффи­циента преломления атмосферы, т.е. при отсутствии рефракции радиоволны распространяются прямолинейно, и дальность дей­ствия радиолинии ограничивает­ся дальностью прямой видимо­сти:
При учете рефракции радиоволн связь возможна на дальностях, больших Rпв0
Поглощение ТВ в основном вызывается поглощением и рассеянием энергии сигнала гидрометеорами (дождь, снег и т.п.), молекулами кислоро­да и воды, а также пылью и снижает дальность действия РНУ диапазона УКВ. С учетом этих факторов дальность действия РНУ, работающих в УКВ-диапазоне, определяется выражением

Тропосферные волны (ТВ)
Зависимость удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии от длины волны (а) и интенсивности осадков (б)

Влияние отраженных от земной поверхности сигналов на диа­грамму направленности антенны РНУ
Отражение радиоволны от земной поверхности при широкой ДНА

Влияние отраженных от земной поверхности сигналов на диа­грамму направленности антенны РНУ
Искажение ДНА из-за влияния отраженного от земной поверхности сигнала

Влияние отраженных от земной поверхности сигналов на диа­грамму направленности антенны РНУ
Влияние ДНА на дальность действия РНУ в вертикальной плоско­сти проследим по связи КНД антенны по мощности с результи­рующей ДНА по напряженности поля . Тогда

Поверхностные волны (ПВ)
Поверхностными называют радио­волны, которые распространяются в непосредственной близости к по­верхности Земли и огибают сферическую поверхность земного шара вследствие явления дифракции.
Почва представляет собой полупроводник с комплексной относи­ тельной диэлектрической проницаемостью .
Отношение характеризует элек­трические свойства почвы: при Кп>1 почва по своим свойствам при­ближается к проводнику, а при Кп<0,1 - к диэлектрику. Основное влияние почва оказывает на поглощение энергии, распространяющейся над ней волны и на фазу принимаемого сигнала.

Поверхностные волны (ПВ)
Зависимость напряженности электрического поля поверхностной волны от длины волны на расстоянии 1000 км от передатчика:
1 - распространение над морем; 2 - распространение над сушей

Дифракция поверхност­ных радиоволн
Шаровой сегмент, огибаемый поверхностной волной
В радиотехнике под дифракцией понимают оги­бание радиоволной встречных препятствий.

Поглощение поверхностных волн в почве
Этот фактор проявля­ется тем сильнее, чем ближе параметры почвы к параметрам диэлектри­ка, т.е. чем меньше Кп.
Дело в том, что в верхнем (пограничном) слое почвы распространяющаяся над ней волна наводит токи смещения или проводимости, на что тратится часть энергии этой волны. Если отноше­ние Кп возрастает (т.е. проводимость почвы растет), то радиоволны слабо проникают в почву и потери в ней уменьшаются.
С другой стороны, при уменьшении Кп почва по своим параметрам приближается к диэлек­трику, экранирующее действие наведенных в ней токов ослабляется и волна проникает в почву на большую глубину, что приводит к умень­шению энергии полезного сигнала.

Дополнительный фазовый сдвиг сигнала
Комплексный характер относительной диэлектрической проницаемости почвы приводит к до­полнительному фазовому сдвигу сигнала, снижающему точность фа­зовых РНУ. Показано, что
откуда следует, что на фазовый сдвиг сигнала влияют те же факторы, что и на поглощение ПВ.
При анализе точности фазовых РНУ обычно оперируют с так на­зываемой эквивалентной задержкой сигнала

Пространственные радиоволны (ПРВ)
Пространственными на­зывают радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате отражения от ионосферы.
Максимальная частота сигна­ла, при которой радиоволны отражаются от данного слоя ионосферы при вертикальном падении радиоволны на ионосферу, называется кри­тической частотой:
При падении радиоволны на ионосферу с углом падения максимальная частота отражаемого сигнала не должна превышать

Пространственные радиоволны (ПРВ)
Приблизительное значение удельного коэффициента поглоще­ния можно рассчитать по формуле

Радиоволны волноводного тина (РВТ)
К этому типу относятся радиоволны, распространяющиеся на очень большие расстояния в свое­ образном сферическом волноводе, образованном земной поверхностью и нижней областью ионосферы, расположенной на высоте 70 - 90 км.
Из соотношений на слайде 38 следует, что при больших углах падения и значениях Nэ характерных для нижних слоев D и E ионосферы (Nэ =108-1012 м-3), от этих слоев могут отражаться сигналы, длина волны которых превышает несколько километров.
Существенно, что чем боль­ше длина волны, тем ниже граница отражающего радиоволну слоя ионо­сферы, т.е. тем меньше «глубина» проникновения волны в ионосферу и меньше потери энергии сигнала, несмотря на значительный удельный коэффициент поглощения в отражающей волну области.

Сравнение свойств радиоволн различных типов
Возможности использования радиоволн различных типов для навигационных целей иллюстрируются таблицы, из которой следует, что для РНУ наиболее предпочтительны ТВ.

Точность позиционных РНС
В любой позиционной системе можно выделить следующие устройства: опорную станцию (ОС), приемное радионавигационное устройство (ПРУ) и вычислитель ме­стоположения (ВМП). Передающая и приемная части системы связаны через среду распространения сигналов (СРС).

Источники погрешностей местоопределения
При нахождении местопо­ложения приходится принимать во внимание форму поверхностей (или линий) положения и геометрические особенности взаимного располо­жения объекта и опорных станций, вводя коэффициент Г, называемый геометрическим фактором и связывающий СКП определения МП с СКП измерения W:
С учетом сказанного СКП МП может быть найдена только при анализе точностного поля системы (слайд 42) и независимости погрешностей, вносимых всеми элементами системы:

Точность определения геометрического элемента, характеризующего положение объекта
В большинстве РНС связь определяемого геометрического элемента W (координат объекта или зависящих от них величин) с измеряемым параметром сигнала может быть описана уравнением
Беря полный дифференциал от этого уравнения и переходя к конечным приращениям, можно получить
Возводя обе части этого выражения в квадрат и усредняя полу­ченный результат в предположении независимости погрешностей и , получаем основное уравнение, связывающее СКП погрешности определения элемента W с дисперсиями обусловленными указанными причинами:

Точность определения геометрического элемента, характеризующего положение объекта
Соотношения для флуктуационных погрешностей характеризующих потенциальную точность измерения информативных парамет­ров сигнала , приведены в таблице.

Точность определения геометрического элемента, характеризующего положение объекта
- среднеквадратиче­ские ширина спектра и длительность сигнала. Для их расчета используют известные формулы:

Предельная точность радионавигационных измерений
Эта ве­личина ограничена степенью достоверности при­нятого при расчетах значения скорости распространения радиоволн. Влияние нестабильности этой скорости наиболее просто рассмотреть на примере определения дальности до объекта по результатам измерения времени , необходимого радиоволне для прохождения расстояния R между передающей и приемной антеннами:
Зная это время, можно определить расстояние до цели с относительной точностью:
Полагая случайными и взаимно независимыми величина­ ми, находим точность радиодальномера:

Предельная точность радионавигационных измерений
Даже при идеальной аппаратуре, когда , точность измерения дальности (предельная точность дальнометрии) зависит от степени знания и учета составляющей :
При распространении сигнала через ионосферу используется зависимость погрешности измерения дальности от час­тоты f сигнала: , где
K - постоянный коэффициент; - неиз­вестная функция, зависящая от параметров ионосферы. Истинное рас­стояние R определяется по результатам измерения из решения систе­мы уравнений:

Погрешность определения линии положения
За погрешность обычно принимают минимальное расстояние в точке расположения объекта между истинной ЛП и ЛП*, найденной по результатам определения элемента W. Примем, что погрешность определения W равна и имеет, как и , гауссовский закон распре­ деления с нулевым средним значением.

Погрешность определения линии положения
Воспользовавшись теорией скалярного поля, можно найти градиент изменения элемента , ко­торый представляет собой вектор, перпендикулярный линиям положе­ния и направленный в сторону возрастания W. Переходя к конечным приращениям, получаем
При гауссовском законе распределения погрешностей погреш­ности также распределены по гауссовскому закону с нулевым, как правило, средним значением и дисперсией . Возводя обе части выражения в квадрат, усредняя и извлекая квадратный корень из ре­зультата, находим

Погрешность определения линии положения
Для нахождения необходимо представить W как функцию коорди­нат X,Y некоторой, например прямоугольной, системы координат. Тогда

Погрешность определения линии положения
Найдем для наиболее распространенных дальномерного и уг­ломерного устройств. В радиодальномерном устройстве определяемый элемент в прямоугольной системе координат записывается как , и линии положения представляют собой окружности с центром в точке О установки радиодальномера. Тогда .

Погрешность определения линии положения
В угло­мерном устройстве, установлен­ ном в точке О, определяется, например, азимут . Элемент W в прямоугольной системе координат записывается
как , откуда . Следовательно
Таким образом, при заданной погрешности угломерного устройства
погрешность определения ЛП (радиальные прямые) тем больше, чем больше расстояние до объекта.