Способы оценки местоположения радиоприемных средств. Радионавигационные методы определения координат, угломерно-дальномерный метод, линии положения, погрешность угломерно-дальномерного метода. Соображения относительно конфигурации

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

Радиотехнические методы внешнетраекторных измерений

Аппаратура внешнетраекторных измерений, основанная на радиотехническом принципе, по сравнению с оптической обладает большей дальностью слежения и более универсальна. Она позволяет определять не только угловые координаты ЛА, но и дальность до объекта, его скорость, направляющие косинусы линии дальности и т.д.

Измерение дальности в радиотехнических системах сводится к определению времени задержки t D прихода излучаемых или отраженных радиосигналов, которые пропорциональны дальности

D=ct D ,

где с =3×10 8 м/с - скорость распространения радиоволн.

В зависимости от вида используемого сигнала определение t D может производиться измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига, относительно опорного сигнала. Наибольшее практическое применение нашли импульсный (временной) и фазовой методы. В каждом из них измерение дальности может осуществляться как беззапросным , так и запросным способом. В первом случае дальность D=ct D , во втором - D=0,5ct D .

При беззапросном импульсном методе на борту ЛА и на Земле устанавливаются высокоточные хронизаторы х 1 и х 2 , синхронизируемые перед запуском (Рис. 9.5). В соответствии с импульсами u 1 хронизатора х 1 бортовой передатчик П излучает импульсные сигналы с периодом Т . Наземное приемное устройство П р принимает их через t D =D/c . Интервал t D между импульсами наземного хронизатора u 2 и импульсами u 1 на выходе приемника соответствует измеряемой дальности.

При запросном импульсном методе сигнал посылается наземным передатчиком, принимается бортовым приемником и ретранслируется обратно.

Рис. 9.5. Принцип измерения дальности импульсным беззапросным методом.

Точность этих методов повышается с увеличением частоты импульсов.

Фазовый метод измерения дальности заключается в том, что запаздывание сигнала определяется по фазовому сдвигу между запросным и ответным сигналом (Рис. 9.6).

Рис. 9.6. Фазовый метод измерения дальности

Наземный передатчик излучает колебания:

u 1 =A 1 sin(w 0 t+j 0)=A 1 sinj 1 ,

где А 1 - амплитуда,

w 0 - круговая частота,

j 0 - начальная фаза,

j 1 - фаза колебаний сигнала.

Бортовая аппаратура ретранслирует сигнал u 1 , а наземный приемник принимает сигнал

u 2 =A 2 sin=A 2 sinj 2 ,

где j А - фазовый сдвиг, обусловленный прохождением сигнала в аппаратуре, определяемый расчетным или экспериментальным путем.

Изменение фазы колебаний сигнала u 2 относительно u 1 определяется отношением:

j D =j 2 -j 1 =w 0 t D =LpD/(T 0 c),

откуда дальность

где l 0 - длина волны.

При измерении угловых параметров движения ЛА радиотехническими средствами наибольшее распространение получили амплитудные и фазовые методы.

Амплитудный метод основан на сравнении амплитуд сигналов при различных положениях передающей или принимающей антенны. При этом возможны два варианта выполнения угломерных систем: амплитудные пеленгаторы и маяки. В первом случае передающее устройство П располагается на ЛА, а диаграмма направленности наземного приемного устройства П р периодически занимает положение I или II (Рис. 9.7).

Рис. 9.7. Амплитудный метод измерения угловых параметров

Если угол a =0, то уровень сигнала при обоих положениях диаграммы направленности будет одинаковым. Если a ¹0, то амплитуды сигналов будут различны, и по их разности можно вычислить угловое положение ЛА.

В том случае, когда информацией об угловом положении надо располагать на борту ЛА, применяют амплитудный маяк . Для этого на земле устанавливается передатчик, а диаграмма направленности наземной антенны сканирует, периодически занимая положения I и II. Сравнивая амплитуды сигналов, принимаемых бортовым приемником, определяется угловое положение ЛА.

Фазовый метод основан на измерении разности расстояний от ЛА до двух базисных точек О 1 и О 2 (Рис. 9.8).

Рис. 9.8. Фазовый метод определения угловых параметров

При этом расстояния до объекта R 1 и R 2 определяются по разности фаз Dj гармонических колебаний, излучаемых источником, расположенном в пунктах О 1 и О 2 . Косинус направляющего угла q определяется:

где В - расстояние между пунктами О 1 и О 2 .

Примером комплекса внешнетраекторных измерений, применяемом в полигонной практике, может служить система «Трасса» (Рис. 9.10). Данная аппаратура, разработанная и выпускаемая СКБ измерительной аппаратуры НТИИМ, использует координатно-угломеро-базовый принцип.

Она состоит из двух следящих телевизионных теодолитов 1, системы управления 2, системы синхронизации единого времени 3, системы регистрации и обработки информации 4. Система «Трасса» позволяет получать информацию о координатах, скорости, коэффициенте лобового сопротивления, а также наблюдать поведение объекта на экране монитора.

Рис. 9.10. Система внешнетраекторных измерений “Трасса”:

1-следящий телевизионный теодолит; 2-система управления; 3-система синхронизации единого времени; 4-системы регистрации и обработки информации

Основные характеристики системы «Трасса» приведены ниже:

Погрешность измерения угловых координат при угле места до 60 град:

В статике - 15 угл.сек

В динамике - 30 угл.сек,

Максимальные параметры сопровождения объекта

Угловая скорость - 50 град/сек,

Угловое ускорение - 50 град/сек 2 ,

Частота регистрации угловых координат изображений объекта – 25-50 кадров/сек.

Важнейшей задачей внешнебаллистических исследований является определение пространственного местоположения центра масс ЛА, которое однозначно определяется тремя пространственными координатами. При этом в навигации используются понятия поверхностей и линий положения.

Под поверхностью положения понимают геометрическое место точек местоположения ЛА в пространстве, характеризуемое постоянным значением измеряемого навигационного параметра (например, угла места, угла азимута, дальности и т.п.). Под линией положения , понимают пересечение двух поверхностей положения.

Положение точки в пространстве может быть определено пересечением двух линий положения, трех поверхностей положения и линии положения с поверхностью положения.

В соответствии с видом измеряемых параметров различают следующие пять методов определения местоположения ЛА: угломерный, дальномерный, суммарно и разностно-дальномерный и комбинированный.

Угломерный метод основан на одновременном измерении углов визирования ЛА из двух различных точек. Он может быть основан как на оптическом, так и на радиотехническом принципах.

При кинотеодолитном методе поверхностью наложения при a=const является вертикальная плоскость, а поверхностью положения при b=const - круговой конус с вершиной в точке О (Рис. 9.11, а).

Рис. 9.11. Определение координат объекта кинотеодолитным методом,

а) поверхность и линия положения, б) схема определения координат

Пересечение их определяет линию положения, совпадающую с образующей конуса. Следовательно для определения местоположения ЛА необходимо определить координаты точки пересечения двух линий положения OF 1 и OF 2 (Рис. 9.11, б), полученных одновременно с двух измерительных пунктов О 1 и О 2 .

В соответствии с рассматриваемой схемой координаты ЛА определяются по формулам:

где В - расстояние между измерительными пунктами,

R - радиус Земли в данной местности.

При использовании дальномерного метода координаты ЛА определяются точкой пересечения трех сферических поверхностей положения с радиусами, равными дальности D . Однако при этом возникает неопределенность, связанная с тем, что три сферы имеют две точки пересечения, для исключения которой используют дополнительные способы ориентирования.

Разностно и суммарно-дальномерный метод основан на определении разности или суммы дальностей от ЛА до двух измерительных пунктов. В первом случае поверхностью положения является двухполостной гиперболоид и для определения координат объекта необходимо иметь еще одну (ведущую) станцию. Во втором случае поверхность положения имеет вид эллипсоида.

Комбинированный метод обычно используется в радиолокационных системах, когда местоположение ЛА определяется как точка пересечения сферической поверхности положения с радиусом равным дальности (D=const ), конической поверхности положения (b=const ) и вертикальной поверхности положения (a=const ).

Доплеровский метод определения скорости и местоположения ЛА основан на эффекте изменения частоты несущего сигнала, излучаемого передатчиком и воспринимаемого приемным устройством в зависимости от скорости их относительного перемещения:

F д =¦ пр -¦ 0 ,

где F д - частота Доплера,

¦ пр - частота принимаемого сигнала,

¦ 0 - частота передаваемого сигнала.

Измерение частоты Доплера может быть проведено беззапросным или запросным методом. При беззапросном методе радиальная скорость ЛА при длине волны сигнала l 0 , определяется:

V r =F д l 0 ,

при запросном методе:

V r =F д l 0 /2.

Для определения дальности следует проинтегрировать результаты измерения скорости полета за время движения объекта от начальной точки. При расчете координат используются зависимости для суммарно-дальномерных систем.

Схемы определения параметров ЛА, основанные на эффекте Доплера, приведены на рисунке 9.12.

Рис. 9.12. Схема определения координат ЛА доплеровским методом:

а) без ретрансляции сигналов, б) с ретрансляцией сигналов

При проведении внешнетраекторных измерений движения ЛА малых размеров (пуль, артиллерийских и реактивных снарядов) используются доплеровские полигонные радиолокационные станции ДС 104, ДС 204, ДС 304 изготавливаемые НТИИМ.

Рис. 9.13. Доплеровские полигонные радиолокационные станции

ДС 104, ДС 204, ДС 304

Они используют запросный метод и позволяют определять скорости на любом участке траектории, текущие координаты в вертикальной плоскости, вычислять ускорения, числа Маха, коэффициент лобового сопротивления, средние и срединные отклонения начальной скорости в группе выстрелов.

Основные технические характеристики станции ДС 304 следующие:

Минимальный калибр - 5мм,

Диапазон скоростей - 50 – 2000 м/с,

Дальность действия - 50000 м,

Погрешность измерения скорости - 0,1%,

Частота зондирующего сигнала - 10,5 ГГц,

Уровень генерируемой мощности сигнала - 400 мВт.

Задача определения местоположения транспортного средства заключается в определении его координат на поверхности Земли. Системы определения местоположения подразделяются на системы локального определения местоположения и системы дистанционного определения местоположения. В случае локального определения местоположения объект сам определяет свое положение. В качестве примера можно привести систему GPS. Дистанционное определение местоположения осуществляется из центрального пункта, который определяет местоположение отдельных объектов. В таком режиме работают, например, радиолокаторные системы.

Для определения местоположения используются, в основном, четыре технических метода: прямое определение местоположения, косвенное определение местоположения, спутниковые системы и наземные передатчики. Из них наиболее распространенным стало косвенное определение местоположения в сочетании со спутниковыми системами. Существенное преимущество систем заключается в том, что они не нуждаются в создании центральных пунктов или сложной инфраструктуры связи.

Известно, что использование датчиков (рис.13.4) только одного типа не позволяет, как правило, определить местоположение объекта с высокой точностью и достаточной надежностью. Поэтому часто комбинируются данные различных датчиков с помощью различных методов и алгоритмов.

Рисунок 13.4 – Датчики, используемые для определения местонахождения ТС

Прямое определение местоположения . Казалось бы, что это – самый простой метод определения местоположения, так как местоположение определяется в момент прохождения транспортного средства через данное сечение, образованное, например, радиомаяком. В данном случае часто говорят о датчике положения, сигнал которого может передаваться не только с помощью радиоволн, но также с помощью световых или инфракрасных лучей. Существенным условием является наличие в транспортном средстве бортового устройства, способного вести связь с радиомаяком. Кроме того, должна быть создана достаточно густая сеть маяков, покрывающих данную область.

При отсутствии бортового устройства используются видеокамеры, которые позволяют прочитать номерные знаки и по ним определять проезд ТС через данную сеть. Основным недостатком такой системы, которая используется для электронной платы за проезд, является высокая стоимость создаваемой инфраструктуры. Она содержит не только цену радиомаяков, но и цену всей сети связи. Поэтому эту систему не рекомендуется использовать только для определения местоположения ТС.

Косвенное определение местоположения . Данный метод является одним из простейших, и он основан на принципе, по которому можно подсчитать положение ТС, движущегося в двухразмерном пространстве, если известно его исходное положение (рис. 13.5). Этот метод заключается в суммировании приращений траектории и углов направления относительно исходной точки, т. е. определяется положение относительно опорной точки.

Рисунок 13.5 – Метод косвенного определения местоположения

Основной недостаток метода заключается в суммировании погрешностей при каждом измерении.

Спутниковая навигация . Современный этап развития методов определения координат связан с созданием спутниковых систем навигации.

Спутниковые системы первого поколения – это американская система Transit и советская система Цикада . Система Transit изначально разработанная для управления подводными лодками была запущена в 1964 г. и состояла из 7 низкоорбитальных спутников. С 1967 г. она стала доступна для гражданских пользователей. В 2000 г. система была выведена из эксплуатации.

Развертывание системы Цикада было начато в 1967 г., когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник. Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Советский Союз и Россия имеет военный вариант системы, называемый «Циклон».

В обеих системах координаты определялись на основании доплеровского сдвига частоты от каждого спутника, по которому определялось положение наблюдателя относительно спутника. Высота орбит спутников и в той и в другой системе 1000 км, точность навигации около 100 м. Хотя эти системы и покрывали основные потребности в навигации судов, но имели и существенные недостатки – низкое быстродействие, отсутствие непрерывной доступности, возможность позиционировать только медленно движущиеся объекты и др.

Спутниковые системы второго поколения – это уже работающие, или вводимые в эксплуатацию, системы это американская NAVSTAR (GPS) , российская ГЛОНАСС, европейская ГАЛИЛЕО, китайская БЕЙДОУ , индийская IRNSS .

GPS (Global Positioning System) – спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное определение координат объектов в любой точке земной поверхности в любое время суток. На сегодняшний день в научной и другой специализированной литературе, а так же во многих официальных документах, аббревиатуру GPS относят исключительно к американской системе NAVSTAR, хотя изначально предполагалось, что так будут называть все глобальные спутниковые системы позиционирования.

NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range) – навигационная система, обеспечивающая измерение времени и расстояния.

GPS была разработана в США и находится под управлением министерства обороны. Развертывание системы началось в 1977 г., когда был запущен первый спутник, а осуществлено полностью в 1993 г. Первоначально основным назначением GPS была высокоточная навигация военных объектов, но уже в 1983 г. система стала открытой для гражданского использования, а в 1991 г. были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования странам бывшего СССР.

На настоящий момент в орбитальную группировку входит 32 спутника.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Первый спутник был запущен в 1982 г., в 1995 г. развертывание системы было закончено, было запущено 24 спутника, однако многие из них вышли из строя, и до недавнего времени система не функционировала в полном объеме. Запуск новых спутников в 2009–2011 гг. существенно изменил ситуацию. На 14 ноября 2011 г. в орбитальную группировку входило 30 спутников, из которых 23 использовалось по целевому назначению. Таким образом, в конце 2011 г. ГЛОНАСС стала обеспечивать навигацию практически по всему Земному шару.

Галилео – Европейская спутниковая навигационная система. Первые экспериментальные спутники были запущены в 2005 и 2008 гг. В октябре 2011г. были запущены два первых рабочих спутника, еще два предполагается запустить в 2012 г. Всего предполагается к запуску 30 спутников. 27 рабочих и 3 запасных.

Бэйдоу (китайской название созвездия Большой Медведицы) – китайская спутниковая навигационная система. 27 июля 2011г. был запущен 9-й спутник. Предполагается, что в пределах Азиатско-Тихоокеанского региона система начнет оказывать навигационные услуги уже в 2012г. Полностью развертывание системы, состоящей из 35 спутников, намечено завершить в 2020 г.

IRNSS – индийская навигационная спутниковая система, находится в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

В зависимости от класса используемого наземного оборудования точность определения координат объектов при помощи GPS и ГЛОНАСС лежит в интервале от 10 м до единиц миллиметров (точность определения абсолютных координат на Земле), а время проведения измерений в большинстве случаев составляет от секунд до единиц минут. На сегодняшний день методы спутниковой навигации являются наиболее точными из всех существующих для определения координат наземных и околоземных объектов.

Назначение спутниковых систем. Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС – системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны).

Общий состав системы. Система глобального позиционирования (GPS) включает в себя 3 сегмента (рис. 13.6):

Космический сегмент (все рабочие спутники).

Управляющий сегмент (все наземные станции системы: основная управляющая и дополнительные для контроля).

Сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи).

Космический сегмент. Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют «сетку» над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести.

Рисунок 13.6 – Общий состав системы GNSS

Полностью развёрнутая спутниковая система (рис. 13.7) имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для «горячей» замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях. При необходимости в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника располагаются несколько эталонов времени и частоты «высокоточные атомные часы». Работает всегда один эталон, а располагается их в спутнике несколько (от трёх до четырёх).

Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника (рис. 13.8).

а) орбиты GPS спутников в 6 различных плоскостях; б) позиции спутников на карте

Рисунок 13.7 – Космический сегмент системы

Таким образом, несмотря на погрешность часов приемника и ошибок по времени, позиция вычисляется с точностью примерно 5–10 м.

Рисунок 13.8 – Четыре спутника для определения позиции в 3-D пространстве

Источники ошибок при распространении сигнала представлены на рис. 13.9.

Рисунок 13.9 – Источники ошибок при распространении сигнала

Спутниковая дальнометрия. Системы спутниковой навигации используют высоко расположенные спутники, которые размещаются таким образом, чтобы из любой точки n на земле можно было провести линию, по крайней мере, к четырем спутникам.

Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков .

Определение местоположения абонента в сетях GSM . Теоретически системы определения местоположения (ОМП) позволяют определить координаты абонента с точностью до нескольких десятков метров и являются реальной альтернативой системам глобального спутникового позиционирования, но лишь на территории обслуживания сотовых сетей.

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином «местоположение » следует понимать не нахождение географических координат – широты и долготы, что в принципе также возможно, а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте).

Согласно принятой классификации, СМП делятся на два основных типа: системы, для функционирования которых необходима доработка или замена абонентских устройств, и, работающие с обычными мобильными терминалами (системы позиционирования внутри сотовой сети).

В первом случае потребуется либо новая SIM-карта, либо новый аппарат, а возможно, и то и другое. Во втором случае никаких изменений в аппаратной части мобильного терминала не требуется, а необходимо только изменение программной части, таким образом, все затраты на развертывание системы несет оператор сети.

Для определения положения мобильного аппарата могут быть использованы три основных параметра радиосигналов: направление прихода, амплитуда и время задержки.

Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризовать расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике уровень сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность определения места и используется в качестве вспомогательного параметра.

Направление прихода сигналов может автоматически определяться, по различию фаз сигналов на элементах антенны. Можно также использовать несколько базовых станций, расположенных по соседству. Использования секторных антенн, вместо всенаправленных, позволяет определить направление прихода сигналов с большей точностью. Пересечение пеленгов из двух или большего числа мест обеспечивает с определенной точностью определение положения мобильного телефона.

При реализации угломерного метода – метод направления прихода сигналов – Angle of Arrival – АОА измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона α1 и α2 (град) (рис. 13.10) относительно линии базы, соединяющей две сотовые станции сети.

Рисунок 13.10 – Принцип реализации угломерного метода

При реализации дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1 [c] и Dt2 (сек) (рис. 13.11) распространения сигнала радиотелефона абонента не менее, чем до двух сотовых станций сети относительно их временных шкал, которые должны быть синхронизированы между собой, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Рисунок 13.11 – Принципиальная схема реализации дальномерного метода.

При реализации разностно-дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1[c], Dt2[c] и Dt3[c] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до трех базовых станций сети относительно их синхронизированных временных шкал, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Недостатками такой системы местоопределения можно назвать:

· Низкую точность в местоопределении (по сравнению со спутниковыми системами);

· Привязку к определенному оператору сотовой связи (GPS – глобальная система);

· Неравномерность качества услуги (зависимость от зоны действия сигнала).

Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов . С помощью достаточно большого количества дорожных указателей или контрольных пунктов (КП), точное местоположение которых известно в системе, на территории города создается сеть контрольных зон. Местоположение транспортного средства определяется по мере прохождения им КП. Индивидуальный код КП передается в бортовую аппаратуру, которая через подсистему передачи данных передает эту информацию, а также свой идентификационный код в подсистему управления и обработки данных. Таким образом, реализуется метод прямого приближения. Однако на практике чаще используется инверсный метод приближения – обнаружение и идентификация транспортных средств осуществляется с помощью установленных на них активных, пассивных или полуактивных маломощных радиомаяков, передающих на приемник КП свой индивидуальный код, или же с помощью оптической аппаратуры считывания и распознавания характерных признаков объекта, например, автомобильных номеров. Информация от КП далее передается в подсистему управления и обработки данных.

Очевидно, для зоновых систем точность местоопределения и периодичность обновления данных напрямую зависит от плотности расположения КП по территории действия системы. Методы приближения требую развитой инфраструктуры связи для организации подсистемы передачи данных с большого числа КП в центр управления и контроля, а в случае использования оптических методов считывания требуют и сложной аппаратуры на КП, и поэтому являются весьма дорогим при построении систем, охватывающих большие территории. В то же время, инверсные методы приближения позволяют минимизировать объемы бортовой аппаратуры – радиомаяка, либо вовсе обойтись без устанавливаемой на автомашину аппаратуры. Основное применение данных систем – комплексное обеспечение охраны автомашин, обеспечение поиска автомашин при угоне. Примером подобной системы является система «КОРЗ-ГАИ», обеспечивающая фиксацию приближения угнанной оборудованной автомашины к посту ГАИ.

Наиболее развита сеть дорожных указателей, с помощью которых реализуются системы как прямого, так и инверсного приближения в Японии. Дорожные указатели в Японии образуют общенациональную сеть. В Европе в 70-80гг. активно внедрялись системы избирательного обнаружения, идентификации и определения местонахождения транспортных средств, разработанных фирмами Philips и Cotag International Ltd (Великобритания). Дорожные указатели в виде электромагнитных петель размещаются непосредственно в дорожном покрытии. На ТС устанавливается полуактивный импульсный радиоответчик, включаемый при воздействии на него электромагнитного поля петли. В настоящее время в европейских странах активно действует компания ANANDA Holding AG. Начиная с 1992г. во Франции, а затем в 12 странах Европы и в Мексике разворачиваются системы INMED/VOLBACK, предназначенные для обнаружения местонахождения похищенных автомашин. Приемные антенны контрольных пунктов встраиваются в дорожное покрытие, столбы и прочие элементы оформления проезжих частей. Передатчик на автомашине имеет размеры около 5х4х2 см. Контрольные пункты связаны в единую общеевропейскую сеть. Во Франции 1500 КП образуют 400 зон. По оценке французских специалистов эффективность возврата угнанных автомашин, оборудованных передатчиками системы INMED/VOLBACK, составляет более 85% против 60% для необорудованных автомашин. Общая численность оборудованного автотранспорта в Европе по оценке ANANDA Holding AG должна составить не менее 500 тысяч автомашин.

Контрольные вопросы

1. Специальные автоматические устройства для мониторинга работы транспортных средств. Краткая характеристика.

2. Виды чип-карт для цифровых тахографов.

3. Системы определения местоположения транспортных средств.

4. Способы определения местоположения транспортных средств.

5. Спутниковые навигационные системы для определения местоположения ТС.

6. Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков.

7. Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов.