Разностно дальномерный метод определения координат. Методы определения местоположения источников эми. Предложенный метод относится к классу геометрических методов и обладает значительной вычислительной простотой и позволяет

Положение объекта в пространстве определяется тремя координатами х i , i=1,2,3, в той или иной системе координат. Положение объекта на поверхности Земли задается двумя координатами. Методы определения местоположения делятся на следующие группы:

§ обзорно-сравнительные;

§ методы счисления пути;

§ методы позиционных линий.

Обзорно-сравнительные методы основаны на сравнении наблюдаемой карты местности с эталонной, внесенной в память системы. На наблюдаемой карте нанесено положение объекта. Совмещение эталонной карты с наблюдаемой позволяет определить его координаты.

Используемые карты могут иметь различную физическую природу. Это может быть изображение земной поверхности в оптическом или радиолокационном диапазоне, карта звездного неба в оптическом или радиодиапазоне, карта радио­теплового излучения земной поверхности и т.д.

Совмещение карт обычно производится путем нахождения их взаимной кор­реляционной функции. Для двумерных карт

где – взаимная корреляционная функция (ВКФ); – наблюдае­мое изображение; – эталонное изображение; х, у – коорди­наты точки на наблюдаемой карте; х 0 , у 0 – координаты начала отсчета.

Максимум взаимной корреляционной функции наступает, когда х 0 +Dх=х, у 0 +Dу=у. Значения Dх, Dу в этой точке соответствуют смещению эталонной карты относительно реальной. Полное совмещение карт фиксируют по максиму­му ВКФ, поэтому метод иногда называют корреляционно-экстремальным.

Обзорно-сравнительный метод используется в навигации.

Метод счисления пути также применяется в навигации. Сущность метода счисления пути заключается в том, что на объекте (корабле, автомобиле, бронетранспортере и т.д.), стартующем из точки с известными координатами х 0 , у 0 , в каждый момент времени измеряются ускорения а х (t), a y (t) либо скорости v х (t), v y (t) no каждой из координат. Интегрированием ускорения определяют путевую скорость.

Например:

.

,

а затем и саму координату x(t) = x 0 + Dx(t).

Приборы для измерения ускорения (акселерометры) основаны на использовании второго закона Ньютона

где m– масса тела; F – приложенная к нему сила; а – ускорение, полученное телом в результате приложения к нему силы F.

Груз массой m помещается в пружинный подвес. Под действием

ускорения груз перемещается, причем перемещение, которое и измеряют, пропорционально ускорению.

Системы, основанные на измерении ускорения, называют инерциальными. Существуют навигационные системы, в которых измеряется не ускорение a(t), а непосредственно скорость v(t). Для этой цели используется эффект Доплера.

Наибольшее распространение в радиолокации и радионавигации получил метод позиционных линий. В основе метода позиционных линий лежит понятие поверхности положения – такой поверхности в пространстве, на которой измеряемая радиотехническая величина постоянна.

Непосредственно радиотехническими методами могут быть измерены расстояние, разность расстояний и направление. Рассмотрим соответствующие поверхности положения.

1. Поверхность равных дальностей, R = const. Очевидно, это сфера. Пересечение сферы с плоскостью (например, с плоскостью Земли) дает линию положения – окружность (рис. 3.50). Ее уравнение в полярных координатах .

2. Поверхность равных пеленгов (направлений), а = const. Если пеленг отсчитывается в горизонтальной плоскости от географического меридиана (направление север-юг – N-S), его называют истинным пеленгом или азимутом. Пересечение плоскостью равных азимутов поверхности земли дает прямую – линию равных пеленгов (рис. 3.51).

3. Поверхность равных разностей расстояний – поверхность, на которой разность расстояний до двух фиксированных точек пространства остается постоянной. В пространстве – это гиперболоид, а на поверхности земли – гипербола. На рис. 3.52 точки А и В – точки с известными координатами, R А – R B = R AB = const – уравнение линии равных разностей расстояний:

R AB = сDt AB ,

где Dt AB – разность времени распространения сигнала от точки О до точек А и В.

Принципиально важно, что в этом методе расстояния R A и R B не измеряются, а измеряется их разность R AB .

В радиолокации и радионавигации используются следующие методы местоопределения целей, основанные на применении перечисленных поверхностей положения.

Дальномерный метод. Из трех точек пространства производится определение расстояний до объекта. Пересечение двух поверхностей положения (сфер) дает линию положения. Пересечение этой линии с третьей сферой дает местоположение объекта в пространстве.

На рис. 3.53 изображена интерпретация метода применительно к плоскости. Как видно из рисунка, две линии положения пересекаются в двух точках. Для выявления той из них, которая соответствует истинному положению объекта, надо иметь ориентировочные сведения о нем или использовать третью линию положения. Метод широко используется в навигации: с борта судна определяют расстояния R A и R B до точек А и В с известными координатами, затем рассчитывают его местоположение.

Пеленгационный (угломерный) метод, называемый также триангуляционным. Рассмотрим его применительно к плоскости. Из двух точек П 1 и П 2 , положение которых на плоскости известно, определяются направления на объект О (рис. 3.54). Затем положение объекта относительно этих точек определяется путем решения треугольника П 1 П 2 О:

(3.24)

где L – дальномерная база.

Дальность R 1 и пеленг a 1 – координаты объекта в полярной системе координат с центром в точке П 1 .

Пеленгационный метод используется в различных вариантах. В одном из них точка О – излучающий объект, координаты которого следует определить. Это делается путем пеленгования его с помощью неизлучающих устройств, расположенных в точках П 1 и П 2 с известными координатами. Для вычисления дальности R пеленг с одного пеленгационного пункта, допустим П 2 , передается в другой, например по радиоканалу. Данный способ местоопределения получил распространение в системах радиоэлектронной борьбы.

В радионавигационных системах значения углов a 1 и a 2 , измеренные радиопеленгаторами, передаются по радиоканалам на борт объекта О, где и проводятся вычисления.

В другом варианте метода, используемом в радионавигации, в точке О находится потребитель радионавигационной информации с радиоприемным устройством на борту. В точках П 1 и П 2 с известными координатами располагаются передающие радионавигационные устройства.

Бортовое радиоприемное устройство может обладать направленным приемом, то есть способностью пеленгования. Такие устройства называются радиокомпасами. Определяя ими направления на всенаправленные источники излучения П 1 и П 2 (приводные станции), вычисляют затем местоположение объекта навигации. Бортовое радиоприемное устройство может быть всенаправленным. В этом случае в точках П 1 и П 2 устанавливаются пеленговые маяки – радиопередающие устройства, сигналы которых зависят от направления излучения в пределах 0 – 2p по азимуту. Пеленги определяются по принятым сигналам маяков.

Дальномерно-пеленгационный метод. Из одной точки пространства измеряется дальность до объекта R и направление (пеленг) на него (рис. 3.55). Этот метод наиболее часто используется в радиолокации. Дальность R определяется по задержке принятого сигнала относительно излученного:

Угловое положение цели в горизонтальной и вертикальной плоскостях: a – азимут, b – угол места (угол возвышения), определяются амплитудным либо фазовым методами.

Разностно-дальномерный (гиперболический) метод. Рассмотрим его применительно к плоскости (рис. 3.56).

Пусть объект наблюдения (точка О) излучает сигналы. Измеряются разности времени прихода этих сигналов Dt AB , Dt BC в пространственно разнесенные точки А и В, В и С. По ним вычисляются разности расстояний и строятся линии положения (гиперболы), пересечение которых определяет положение объекта. Для синхронизации работы приемных пунктов А, В и С должны существовать линии связи между ними. Имеют место соотношения:

В данном варианте метод используется в системах радиоэлектронной борьбы, когда надо определить координаты источника излучения противоборствующей стороны.

Разностно-дальномерный метод местоопределения широко используется в радионавигации. В этом варианте в точке О (см. рис. 3.56) расположен потребитель навигационной информации. В точках А, В и С расположены передающие устройства с известными координатами, излучающие синхронные сигналы. В структуре сигналов содержатся элементы, позволяющие определить их принадлежность тому или иному излучателю. Потребитель оборудован радиоприемным устройством, позволяющим одновременно принимать сигналы передающих пунктов и измерять разность времени их приема Dt AB , Dt BC . Разность расстояний DR AB , DR BC вычисляется по формулам, по разностям расстояний определяется местоположение точки О.

Радиолокационные системы

В условиях возросших боевых возможностей средств воздушно-космического нападения значительно увеличился объем задач, решаемых противовоздушной обороной страны. В первую очередь это касается ведения всех видов разведки, обеспечения противовоздушной обороны важнейших объектов государственного и военного назначения, прикрытие стратегических направлений. Проведение согласованных действий по противовоздушной обороне возможно только в результате применения радиотехнических соединений, частей и подразделений, оснащенных современными РЛС различного назначения и базирования. Ведение боевых действий истребительной авиацией и зенитно-ракетными войсками без анализа воздушной обстановки в реальном масштабе времени не только не эффективны, но и обречены на поражение. Для решения задач по обеспечению безопасности страны в воздушно-космическом пространстве необходимо создание единой системы разведки и предупреждения о воздушно-космическом нападении, которая обеспечит своевременность, полноту и упорядоченность поступления информации.

В общем случае мгновенное положение объекта в пространстве определяется тремя координатами в той или иной системе координат. Для характеристики движения объекта необходимы также производные координат , число которых зависит от сложности траектории движения объекта. На практике чаще всего используют производные не выше второго порядка, т. е. скорость объекта и ускорение . При этом обычно имеют в виду координаты и их производные для центра тяжести объекта. Часто измеряют лишь координаты, а их производные получают путем дифференцирования. Возможно также непосредственно оценить составляющую относительной скорости объекта, перпендикулярную фронту приходящей к антенне электромагнитной волны, путем измерения доплеровского смещения частоты. Интегрированием скорости объекта можно получить соответствующую координату, а ее дифференцированием - ускорение.

При активной радиолокации с учетом двустороннего распространения сигнала (от РЛС до цели и обратно) частота отраженного сигнала вследствие эффекта Доплера отличается от частоты излучаемого на значение с , пропорциональное радиальной составляющей относительной скорости , которая может быть вычислена по формуле

если известна длина волны излучаемого сигнала и измерено значение доплеровского смещения частоты . Следует заметить, что формула (7.2) точна лишь при значениях скорости , много меньших скорости распространения радиоволн , когда можно не учитывать релятивистский эффект.

При радиолокационном определении координат в основу положено свойство радиоволн распространяться в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Скорость распространения радиоволн зависит от электромагнитных свойств среды и составляет в свободном пространстве (вакууме) . Там, где это не вызывает существенных погрешностей, обычно берут приближенное значение скорости . Постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволны позволяют рассчитать дальность D от РЛС до объекта путем измерения времени прохождения сигнала от РЛС до объекта и обратно:

Свойство прямолинейности распространения радиоволн является основой радиотехнических методов измерения угловых координат по направлению прихода сигнала от объекта. При этом используются направленные свойства антенны.

Радиотехнические методы позволяют также непосредственно найти разность дальностей от объекта до двух разнесенных передатчиков путем измерения разности времени приема их радиосигналов на объекте, определяющем свое местоположение.

В радионавигации при нахождении местоположения объекта вводят понятия радионавигационного параметра, поверхностей и линий положения.

Радионавигационным параметром (РНП) называют физическую величину, непосредственно измеряемую РНС (расстояние, разность или сумма расстояний, угол).

Поверхностью положения считают геометрическое место точек в пространстве, имеющих одно и то же значение РНП.

Линия положения есть линия пересечения двух поверхностей положения. Местоположение объекта задается пересечением трех поверхностей положения или поверхности и линии положения.

В соответствии с видом непосредственно измеряемых координат различают три основных метода определения местоположения объекта: угломерный, дальномерный и разностно-дальномерный. Широко применяют также комбинированный угломерно-дальномерный метод.

Угломерный метод. Этот метод является самым старым, поскольку возможность определения направления прихода радиоволн была установлена А. С. Поповым еще в 1897 г. при проведении опытов по радиосвязи на Балтийском море.

При этом используются направленные свойства антенны при передаче или приеме радиосигнала. Существует два варианта построения угломерных систем: радиопеленгаторный и радиомаячный. В радиопеленгаторной системе направленной является антенна приемника (радиопеленгатора), а передатчик (радиомаяк) имеет ненаправленную антенну. При расположении радиопеленгатора (РП) и радиомаяка (РМ) в одной плоскости, например на поверхности Земли, направление на маяк характеризуется пеленгом а (рис. 7.1, а). Если пеленг отсчитывают от географического меридиана (направление север-юг), то его называют истинным пеленгом или азимутом. Часто азимутом считают угол в горизонтальной плоскости, отсчитанный от любого направления, принятого за нулевое. Определение направления производят в месте расположения приемника, который может быть как на Земле, так и на объекте. В первом случае пеленгование объекта осуществляют с Земли и при необходимости измеренное значение пеленга передают на объект (борт) по каналу связи. При расположении радиопеленгатора на объекте пеленг на радиомаяк измеряют непосредственно на борту.

В радиомаячной системе (рис. 7.1,б) используют радиомаяк с направленной антенной и ненаправленный приемник. В этом случае в месте расположения приемника измеряют обратный пеленг относительно пулевого направления, проходящего через точку, в которой расположен радиомаяк. Часто применяют маяк с вращающейся ДНА. В момент совпадения оси ДНА с нулевым направлением (например, северным) вторая, ненаправленная, антенна РМ излучает специальный нулевой (северный) сигнал, который принимается приемником системы и является началом отсчета углов. Фиксируя момент совпадения оси вращающейся ДНА маяка с направлением на приемник (например, по максимуму сигнала), можно найти обратный пеленг , который при равномерном вращении ДНА маяка пропорционален промежутку времени между приемом нулевого сигнала и сигнала в момент пеленга.

В этом случае приемник упрощается, что важно при его расположении на борту. Поверхностью положения угломерной РНС является вертикальная плоскость, проходящая через линию пеленга.

При использовании наземных РП и РМ линией положения будет ортодромия - дуга большого круга, проходящего через пункты расположения РП и РМ. Она является линией пересечения поверхности положения с поверхностью Земли. Истинный пеленг (ИП) - угол между меридианом и ортодромией. При расстояниях, малых по сравнению с радиусом Земли, ортодромия аппроксимируется отрезком прямой линии. Для определения местоположения РП (рис. 7.1, в) необходим второй РМ. По двум пеленгам и можно найти местоположение РП как точку пересечения двух линий положения (двух ортодромий на земной поверхности). Если система расположена в пространстве, то для определения местоположения РП необходим третий радиомаяк. Каждая пара (РП - РМ) позволяет найти лишь поверхность положения, которая будет в данном случае плоскостью. При определении местоположения приемника предполагают, что координаты РМ известны.

В морской и воздушной навигации вводят понятие курса - утла между продольной осью корабля (проекцией продольной оси самолета на поверхность Земли) и направлением начала отсчета углов, в качестве которого выбирают географический или магнитный меридиан, а также линию ортодромии. Соответственно такому выбору различают истинный, магнитный и ортодромический курсы. Для летательного аппарата (ЛA) в качестве третьей координаты при нахождении местоположения используют высоту полета -абсолютную (отсчитываемую от уровня Балтийского моря), барометрическую (отсчитываемую по барометрическому высотомеру относительно уровня, принятого за нулевой) и истинную (кратчайшее расстояние по вертикали до поверхности под , измеряемое радиовысотомером). При применении радиовысотомера местоположение ЛA определяется уже комбинацией угломерного и дальномерного методов измерения координат.

Дальномерный метод. Этот метод основан на измерении расстояния D между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками.

В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчика ответчика (рис. 7.2, а) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса и ответа одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность . В качестве ответного может быть использован также и отраженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы является поверхность шара радиусом D. Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми. При этом местоположение объекта определяется как точка пересечения двух линий положения. Так как окружности пересекаются в двух точках (рис. 7.2,б) то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнительные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти координаты с высокой точностью. Радиодальномерные методы начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых измерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод. С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: . Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхронизация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигналов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую форму гиперболоида. Если приемоиндикатор и станции А и В расположены на поверхности Земли, то измерение позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с .

Для двух станций можно построить семейство гипербол с фокусами в точках расположения станций А и В. Расстояние между станциями называют базой. Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранееи оцифровывают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. 7.3), база которой должна быть расположена под углом к базе первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций и . Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местоположение приемоиндикатора (ПИ), расположенного на борту объекта.

Точность разностно-дальномерной системы выше точности угломерной и приближается к точности дальномер-ной. Но основным ее преимуществом является неограниченная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, проходящие через центр базы каждой пары станций системы Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превышающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная система может быть использована как угломерная.

В зависимости от видов сигналов наземных станций и метода измерения временного сдвига сигналов принимаемых ПИ различают импульсные, фазовые и импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС.

Принцип импульсной разностно-дальномерной системы был предложен советским инженером Э. М. Рубчинским в 1938 , но широкое распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Первая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Комбинированный угломерно-дальномерный метод. Этот метод позволяет найти местоположение объекта из одной точки. Комбинированный метод обычно применяют в РЛС, которые измеряют наклонную дальность D, азимут и угол места Р (рис. 7.4). Углом места называют угол между направлением на объект и горизонтальной плоскостью (поверхностью Земли). Азимут отсчитывают от направления север - юг или другого направления, принятого за начальное. Путем пересчета основных координат можно найти также высоту , горизонтальную дальность и ее проекции на направление север - юг и запад - восток.

Определение местоположения объекта из одной точки и с помощью одной станции является большим преимуществом комбинированного метода, который широко используется также в радиосистемах ближней навигации.

Рассмотренные методы определения местоположения объекта относительно точек с известными координатами (радионавигационные точки РНТ) с помощью поверхностей и линий положения называют позиционными.

Кроме позиционных методов в навигации применяют методы счисления пути интегрированием измеренных скорости (доплеровским или воздушным измерителем) или ускорения (акселерометром), а также обзорно-сравнительные методы, основанные на сравнении телевизионных, радиолокационных и других изображений местности с соответствующими картами.

Используют и корреляционно-экстремальные методы навигации, основанные на определении структуры какого-либо физического поля,характерного для данной местности (например, рельефа), и сравнении параметров этого поля с соответствующими параметрами, хранящимися в запоминающем устройстве РНС. Преимуществами этих методов являются автономность, малое влияние помех и отсутствие накапливающихся погрешностей при определении местоположения объекта.

Этот метод основан на измере­нии расстояния R между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками. В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчи­ка ответчика (рис. I.5.1) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса t 3 и ответа t о одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность

В ка­честве ответного может быть использован также и от­раженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы явля­ется поверхность шара радиусомR . Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми . При этом местоположение объекта определяется как точка пересече­ния двух линий положения. Так как окружности пересека­ются в двух точках (рис. 2.3), то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнитель­ные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти ко­ординаты с высокой точностью. В свою очередь дальномерные системы делятся на

Радиодальномеры без ответчика;

радиодальномеры с ответчиком;

радиовысотомеры.

Принцип работы радиодальномер без ответчика заключается в том, что при измерении расстоянии между опорной точкой на Земле и объектом (целью) измеряется интервал времени между моментом посылки радиоимпульса наземным радиопередатчиком и моментом приема его бортовым радиоприемником. Для этого на борту и на земле должны быть эталоны времени, которые синхронизируют работу на­земной и бортовой аппаратуры. Параметром радиодаль­номера без ответчика будет расстояние между запросчиком и объектом (целью).

В радиодальномерах с ответчиком из­меряется интервал времени между радиоимпульсами за­проса и ответа. Параметром такого радиодальномера будет удвоенное расстояние между запросчиком и ответ­чиком.

Параметром радиовысотомера является удвоенная высо­та ЛА над поверхностью земли.

Радиодальномерные ме­тоды начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых из­мерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод.

С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: А и В. Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхрони­зация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигна­лов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую форму гиперболоида. Если приемоиндикатор и станции А и В расположены на поверхности Земли, то измерение
позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с
. Для двух станций можно построить семейство гипербол с фо­кусами в точках расположения станцийА и В. Расстояние между станциями называют базой . Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранее и оцифровы­вают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. II.2.3), база которой d 2 должна быть расположена под углом к базе d 1 первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций В 1 и В 2 . Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местополо­жение объекта (цели) по приемоиндикатору (ПИ) расположенного на борту. Точность разностно-дальномерной системы выше точ­ности угломерной и приближается к точности дальномерной. Достоинством данного метода является неограничен­ная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, прохо­дящие через центр базы каждой пары станций системы. Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превы­шающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная система может быть использована как угломерная.

В зависимости от видов сигналов наземных станций и метода измерения временного сдвига сигналов принимаемых ПИ различают:

им­пульсные;

• импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС.

Принцип импульсной разностно-дальномерной си­стемы был предложен советс­ким инженером Э. М. Рубчинским в 1938 г., но широкое распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Пе­рвая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Существуют три основных метода определения пространственных координат объектов:

линий и поверхностей положения;

корреляционно-экстремальный;

счисления пути.

Но последние два в настоящее время применимы только для автономных навигационных систем, т.е. при определении местоположения на самом ЛА. Определение координат целей в настоящее время основывается на применении метода линий и поверхностей положения.

Общность физических основ радиодальнометрии и радиопеленгации находит выражение еще в том, что местоположение цели можно установить не только по ее дальности и углам, измеренным из одной точки О (рис. 1.3), но и путем измерения дальности или углов из разнесенных опорных точек и,(рис. 1.7). Наибольшее применение получили дальномерный, разностно-

дальномерный, угломерный (пеленгационный) и дальномерно-угломерный

(комбинированный) методы определения местоположения целей.

Рис. 1.7. Методы определения местоположения объектов:

а – дальномерный; б – разностно-дальномерный; в – пеленгационный (уг-

ломерный)

В радиолокации для определения местоположения цели (объекта) чаще всего применяют позиционный метод, основанный на использовании поверхностей или линий положения для определения места объекта в пространстве или на поверхности Земли. Поверхность положения представляет собой геометрическое место точек в пространстве, отвечающих условию постоянства параметра (измеряемой координаты относительно опорного пункта (дальности, угла и т.п.)).

Местоположение ЛА в пространстве находится как точка пересечения трех поверхностей положения (ПП). Пересечение двух поверхностей положения дает линию положения (ЛП), которая является геометрическим местом точек с постоянными значениями двух параметров. Чтобыопределить точку в пространстве, требуется пересечение трех поверхностей положения или линии и поверхности положения. В случае нахождения цели иопорных пунктов в одной плоскости достаточно двух ЛП (определения двухкоординат цели, которые измеряются двумя РЛУ) (рис. 1.7).

Дальномерный метод заключается в определении местоположения цели М

(рис. 1.7, а) измерением расстояний между целью и опорными пунктами ,.

Каждая поверхность положения представляет собой сферу с центром в опор-

ном пункте и радиусом, равным дальности. Так как точки М , ,находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусамиис точкой пересечения на целиМ . Имеется еще одна точка пересечения окружностей, но неоднозначность измерений можно исключить.

Разностно-дальномерный метод (рис. 1.7, б) требует наличия на плоскости двух пар опорных пунктов ,и,. Один из них обычно общий

(). Каждая пара станций используется для получения ЛП в виде гипербол сфокусами в опорных пунктах. Эти линии строятся как геометрические места

точек с постоянной разностью расстояний: оти;оти. Точка пересечения гипербол совпадает с целью М.

Угломерный (пеленгационный) метод основан на использовании направленных свойств антенн. Этот метод реализуется посредством радиопеленгатора,установленного на объекте М, и двух радиомаяков, расположенных в опорныхпунктах и(рис. 1.7, в) с базой b.

Радиопеленгатор представляет собой радиоприемное устройство с направленной антенной, а радиомаяк - передающее устройство с ненаправленной антенной. Пеленгатор измеряет азимуты маякаимаяка, и так как ЛПс постоянными пеленгами (= const,= const) представляют собой прямые, проходящие под углами,к направлению юг - север, то они имеют одну точку пересечения, которая является искомой, т. е. совпадает с целью М.

Дальномерно-угломерный метод (рис. 1.2, 1.3, 1.8) требует применения только одной станции, содержащей радиодальномер и радиопеленгатор. Из точки стояния станции О дальномер определяет наклонную дальность цели, а пеленгатор устанавливает направление на цель, т. е. ее азимут α и угол места β.

Цель М находится на пересечении поверхности положения дальномера в виде шара радиуса и ЛП пеленгатора - в виде прямой с угловыми координатами α и β, проходящей через точку О. Этот метод наиболее характерен для радиолокации, а остальные методы - для радионавигации. Однако и в радиолокации местоположение цели определяют иногдаиз двух и более точек. Например, если обычная PЛС производит пеленгацию сбольшими ошибками, то прибегают к дальномерному методу, а если дальномерную часть РЛС нельзя использовать из-за сильных помех или вследствиеприменения пассивной радиолокации, то прибегают к пеленгационному методу.

Рис. 1.8. ПП при определении местоположения объекта позиционным (даль-

номерно-пеленгационным) методом

Таким образом, в радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП. Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Заключение

1. В отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризация и т.д.).

2. В современной радиолокации используются местные и глобальныеСК. Местные СК подразделяются на цилиндрические и сферические СК, глобальные СК – на географические и геосферические.

3. По принципам образования радиолокационных сигналов методы радиолокации разделяются на активные, полуактивные и пассивные. На практике часто их совмещают при проектировании радиолокационных систем.

4. В радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП.

Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Контрольные вопросы :

1. Принцип измерения дальности в радиолокации.

2. Принцип пеленгации в радиолокации.

3. Принцип измерения скорости в радиолокации.

4. Основные элементы сферической СК, используемой в радиолокации.

5. Основные элементы цилиндрической СК, используемой в радиолокации.

6. Основные элементы географической СК.

7. Основные элементы геоцентрической СК.

8. Сущность активных методов формирования радиолокационного сигнала.

9. Сущность полуактивного и пассивного методов формирования радиолокационного сигнала.

10. Сущность дальномерного и разностно-дальномерного методов определения местоположения объекта.

11. Сущность угломерного и дальномерно-угломерного методов определения местоположения объекта.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материалы лекции.

2. Подготовиться к контрольной работе по контрольным вопросам.

Литература:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. –

М.: Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

Цель модуля - описание принципов определения местоположения объектов на основе использования линий положения.

В навигации вообще и в радионавигации в частности задача определения местоположения решается с использованием базовых понятий навигационного параметра и линии положения.

Навигационный параметр (НП) - измеряемая величина, используемая для определения местоположения (МП).

НП - угол, дальность, разность расстояний, сумма расстояний.

Каждому НП соответствует линия положения (ЛП) (поверхность положения) - это геометрическое место точек равных значений НП.

Для определения ЛП при использовании различных методов пеленгации рассмотрим диаграммы определения линии положения:

Угломерная система:

Рисунок 1

Угол определяет угловое МП, в этом случае линией положения является прямая линия.

Технически угломерный метод может быть реализован с помощью вращающейся направленной антенной системы.

Дальномерная система:

Рисунок 2

При использовании дальномерного метода измеряется расстояние до объекта. Антенна используется ненаправленная, но может потребоваться запросно-ответная система.

Линией положения в дальномерном методе является окружность.

Рисунок 3

Особенностью разностно-дальномерного метода является то, что объекты сами по себе ничего не излучают, а только принимают сигналы, антенны используются ненаправленные, а система может обслуживать неограниченное количество потребителей.

Линией положения в разностно-дальномерном методе является гипербола.

Суммарно-дальномерная система:

Рисунок 4

В суммарно-дальномерной системе один навигационный пункт излучает сигнал, объект его переизлучает, после чего сигнал принимается вторым навигационным пунктом.

Линией положения в суммарно-дальномерном методе является эллипс.

Линии положения, соответствующие рассмотренным методам пеленгации приведены в следующей таблице.

Местоположение объекта определяется координатами (точкой) пересечения линий (поверхностей) положения с одинаковым значением навигационного параметра. Для решения навигационной задачи, т.е. для нахождения МП, используют навигационные функции, определяющие функциональную связь между навигационными параметрами и МП объекта.

Для определения МП требуется пересечение, по крайней мере, двух ЛП, поэтому методы определения МП характеризуются выбранной парой методов определения ЛП и могут быть представлены соответствующими диаграммами определения МП.

Диаграммы определения местоположения объектов на плоскости.

1. Угломерная система:

Рисунок 5

2. Дальномерная система

Рисунок 6

ДРМ - дальномерный радиомаяк.

3. Угломерно-дальномерная система:

Рисунок 7

АРМ - азимутальный радиомаяк.

Разностно-дальномерная система:

Рисунок 8

ВМ - ведомая, ВЩ - ведущая.

По такому принципу работают: Лоран - С, Чайка, РСДН.

5. Суммарно-дальномерная система

Рисунок 9

Псевдодальномерная система.

Интересной разновидностью дальномерных методов является псевдодальномерный, для пояснения сути которого рассмотрим следующий вспомогательный рисунок.

Рисунок 10

На данном рисунке - расстояние между объектами и, - скорость света, - неизвестный момент излучения сигнала, - момент приема сигнала, который известен. Проблема неизвестности момента времени может быть решена, если информация об этом моменте кодируется в самом передаваемом сигнале. Но в этом случае из-за неизбежного расхождения часов на величину на объектах и производится измерение не истинной дальности, а псевдодальности

На рисунке пунктирной линией показано смещение линии положения на величину. Однако, задача определения МП в данном случае может быть решена при условии использования трех навигационных пунктов, как это показано на следующем рисунке, на котором сплошные линии соответствуют истинным дальностям, а пунктирные линии соответствуют псевдодальностям.

При этом истинное положение объекта находится в середине треугольника, образованного пунктирными линиями псевдодальностей.

Рисунок 11

Рисунок 12

Проектное задание

Задача. Определить, сколько точек пересечения ЛП на плоскости может быть, если радионавигационная система использует дальномерно-суммарно-дальномерный метод.

Линией положения для дальномерного метода является окружность, а линией положения для суммарно-дальномерного метода является эллипс.

Для определения возможного количества точек пересечения ЛП, следует изобразить на плоскости возможные взаимные положения окружности и эллипса. На приведенных ниже четырех приведены соответствующие положения.

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

Рисунок 16

Из представленных рисунков следует, что если радионавигационная система, использует дальномерно-суммарно-дальномерный метод, то линии положения могут пересекаться в одной, двух, трех и четырех точках.

Дидактические тесты рубежного контроля

Тест 1.Какой тип антенны требуется для реализации угломерного метода? Выберите правильный ответ из приведенной ниже таблицы.

Тест 2. Какой тип антенны требуется для реализации дальномерного метода? Выберите правильный ответ из приведенной ниже таблицы.

Тест 3. Какой вид имеет линия положения в разностно-дальномерной системе? Выберите правильный ответ из приведенной ниже таблицы.

Тест 4. Какой вид имеет линия положения в суммарно-дальномерной системе? Выберите правильный ответ из приведенной ниже таблицы.

Таблица ключей с правильными ответами

Таблица с ключами может быть передана студенту после выполнения тестов. Перевод результатов тестирования в оценку по пятибалльной шкале производится с помощью следующей таблицы