Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

чика. Проблема сводится, таким образом, к установке на каждом подвижном объекте, положение которого определяется, синхронных часов, при этом если часы передающих станций синхронизированы, то бортовые часы, идущие синхронно с часами любой станции, будут синхронизированы и с часами других станций. Данный метод требует только двух измерений дальности для определения пересекающихся окружностей. Если бортовые часы не обладают высокой точностью, соизмеримой с точностью часов Земли, то измерение дальности от третьей станции позволит как бы «замкнуть контур» для перекрест-

y,J'W?кп

Рис. 4.10. Изокривые ошибок при определении координат с помощью гиперболической навигационной системы «Лоран-С».

Числа около кривых соответствуют величинам ошибок, вы ра­ женным в метрах.

ной калибровки, а также внести поправку в местные часы, которые можно непрерывно корректировать. Поправка местных часов отно­ сительно ведущих может быть выполнена путем использования периодической последовательности сигналов, присущих системе «Лоран-С». При этом, зная априорное изменение фазы и частоты местных часов, можно применить методику фильтрации Кальмана, которая обеспечивает оптимальную оценку искомых координат (в смысле минимума дисперсии) даже с учетом аномалии в распро­ странении радиоволн в реальном времени [2].

За последнее десятилетие проводились многочисленные измере­ ния стабильности фазы сигналов СВ-диапазона. Исследования пока­ зали, что использование волн СВ-диапазона может обеспечить высокоточное и надежное определение места движущегося объекта

107

в любой точке земного шара. Благодаря таким преимуществам СВ-сигналов, как высокая стабильность и медленное затухание, радионавигационные системы на средних волнах могут обеспечить навигационной информацией весь земной шар при наличии всего нескольких станций.

Гиперболическая фазовая радионавигационная станция дальнего действия «Омега» с восьмью наземными станциями, разнесенными на 5000 миль, как раз и предназначена для выполнения функций глобальной навигации [125]. В этой системе может быть достигнута

Рис. 4.11. Изокривые радиусов ошибок при опре­ делении координат с помощью навигационной си­ стемы «Лоран-С», работающей в дальномерном режиме.

высокая избыточность навигационных параметров для приемоиндикаторов плавающих объектов при измерении разности фаз колебаний, поступающих от нескольких пар станций. Станции передают сигналы, создающие стационарное электромагнитное поле, в пределах кото­ рого положение соответствующего приемника может быть определено с точностью до 1 морской мили. На каждой станции устанавливаются

образование гиперболических координат объекта при измерениях в географические (широта и долгота) не составляло бы труда, если бы скорость распространения сигналов на средних волнах была постоян­ ной. Однако скорость есть функция нескольких параметров: вре­ мени суток, года, направления распространения, солнечной актив­ ности, проводимости поверхности и т. д. Самые большие изменения

108

в фазе и частоте сигналов станции «Омега» являются следствием суточных изменений положения ионосферы, зависящего от зенит­ ного угла Солнца над трассой распространения. Кроме того, имеют место визуальные аномалии фазы, связанные с рентгеновским излу­ чением Солнца в период солнечных вспышек, которые могут при­ вести к резкому изменению фазы распространения на освещенных трассах. Однако благодаря высокой стабильности временной базы на каждой станции и высокой точности коррекции средней фазы всей системы (достигаемой за счет интегрирования) можно значи­ тельно уменьшить все изменения, вызванные суточными флюктуа­ циями времени распространения и другими кратковременными возмущениями на трассе, а также шумами. Каждая станция сохра­ няет фазу передаваемого сигнала в пределах стабильности привязки к средней фазе сетки сигналов системы «Омега» (± 1 мкс). Наконец, система «Омега» может обеспечить передачу сигналов точного вре­ мени в пределах нескольких микросекунд.

В связи с проведением успешных запусков искусственных спут­ ников Земли (ИСЗ) особую актуальность приобрело использование устанавливаемой на них навигационной аппаратуры для обеспе­ чения плавания морских судов в любой части акватории земного шара [148].

При установке радионавигационной точки на ИСЗ, движущихся по заранее рассчитанной эфемериде, получается астрономический ориентир, называемый навигационным ИСЗ. Задаваясь определен­ ными режимами и траекториями полета нескольких ИСЗ, можно создать навигационную систему, которая способна заменить назем­ ные радионавигационные системы. Определение навигационных пара­ метров большинства навигационных систем с использованием ИСЗ основано на получении линий положения. Отличительной особен­ ностью этих систем является то, что установленные на ИСЗ радио­ навигационные точки флюктуируют относительно расчетных зна­ чений их координат. Необходима служба по определению и прогно­ зированию на длительный период траекторий движения (эфемерид) и управлению положением спутника на орбите, поскольку на него действуют различные возмущения (состояние атмосферы, положение Солнца, Луны и т. д.). Для работы систем с использованием ИСЗ необходимо предварительное знание текущих координат ИСЗ и нали­ чие оборудования на борту спутника и объекта, предназначенного для определения навигационных параметров. Нужно рассчитать оптимальное расположение спутников на одной или нескольких орбитах, при котором обеспечивается перекрытие рабочими зонами необходимых районов земного шара, а также получение углов пере­ сечений линий положения и расстояний между этими линиями.

Радионавигационные системы с использованием ИСЗ позволяют удовлетворить на практике таким несовместимым по отношению к другим навигационным системам требованиям, как глобальность рабочей зоны, всепогодность, независимость от времени суток и года и, что самое главное, высокая точность при неограниченном числе объектов, положение которых требуется определить. В связи с услож­

109

нением геофизических исследований в море и удалением районов этих исследований возникла необходимость в навигационной аппа­ ратуре, не связанной с береговыми системами и не зависящей от времени суток или гидрометеорологических условий. Навигацион­ ные системы с использованием ИСЗ позволяют решить и эту проблему.

Рассмотрим некоторые системы, в которых в качестве опорных генераторов достаточно широко представлены атомные стандарты.

Американская спутниковая система «Транзит» широко исполь­ зовалась надводными кораблями и подводными лодками ВМФ США, исследовательскими и некоторыми другими судами при океаногра­ фических исследованиях, разведке прибрежных месторождений нефти, прокладке трансатлантического кабеля, при работах карто­ графической экспедиции в районе Северного полюса, подводных работах с использованием батискафа «Триест-2» и т. д. [124]. Для использования системы «Транзит» суда в зависимости от поставлен­ ных задач и требуемой точности определения места оснащают раз­ личными комплектами оборудования. Большинство устройств, вхо­ дящих в геофизический навигационный комплекс совместно с Navy Navigation Sattelite Sisteme (NNSS) применяется для счисления пути. Опорное место определяется с помощью NNSS. Каждый раз во время пролета ИСЗ системы «Транзит» приемник подвижного объекта (структурная схема которого приведена на рис. 4.12) авто­ матически опознает его и следит за сигналами спутника. Он при­ нимает навигационное сообщение и временные метки, передаваемые ИСЗ, измеряет доплеровский сдвиг по частоте принятого сигнала и передает эти данные на ЭЦВМ. ЭЦВМ вычисляет координаты места, которые используются для коррекции местоположения ко­ рабля. При этом приемник работает в автоматическом режиме, а ЭЦВМ — по заданной программе.

Наиболее важной характеристикой геофизической навигацион­ ной аппаратуры является то, что в программе ЭЦВМ используется метод статистической фильтрации и коррекции выходных сигналов от каждого из навигационных датчиков. Поэтому система является самооптимизирующейся. Благодаря самооптимизации отпадает необ­ ходимость проводить отдельные испытания для контроля точности и для калибровки аппаратуры. Калибровка выполняется после долговременной эксплуатации аппаратуры в нормальном рабочем цикле. Для этой цели используются долгие прогоны программ на высоких скоростях.

Каждый навигационный ИСЗ передает: 1) два стабильных радиосигнала на частотах 150 и 400 МГц; 2) навигационные сообще­ ния (эфемериды ИСЗ); 3) сигналы времени. Навигационное сообще­ ние и сигналы времени хранятся в памяти ИСЗ и обновляются приблизительно каждые 12 ч. Эфемериды точно описывают положе­ ние ИСЗ, передающего сообщения каждые две минуты, начиная с четной минуты. Навигационный приемник восстанавливает нави­ гационное сообщение и передает его на ЭЦВМ. С помощью времен­ ных меток приемник измеряет доплеровский сдвиг принятых сигна­ лов, обусловленный относительным смещением ИСЗ и приемника;

110