Общие сведения
Термин «навигация» перешел в русский язык из латинского в петровскую эпоху как синоним морского надводного судовождения. В настоящее время он распространился: на вождение воздушных, космических и подводных судов, наземных транспортных средств и подразделений сухопутных войск в отсутствие видимых ориентиров; на геодезическую привязку средств подводной разведки ископаемых; на вождение робототехнических устройств по производственным территориям. Навигационные РЭС подразделяют по:
• характеру физических явлений, используемых для решения задач навигации;
• конкретным их разновидностям;
• признаку использования внебортовых средств;
• признаку возможности первоначального самостоятельного местоопределения.
Так, для решения задач навигации используются физические явления различного характера:
• искусственные и природные волновые поля;
• эффекты инерции вращающихся и не вращающихся масс;
• природные и искусственные статические поля и признаки.
По конкретным разновидностям используемых физических явлений выделяют:
> радионавигацию;
> оптическую навигацию;
> акустическую навигацию;
> инерциальную навигацию;
> навигацию на основе статических геофизических полей.
По признаку использования внебортовых средств выделяют методы навигации:
> неавтономной - с их использованием;
> автономной - без их использования.
По возможности первоначального самостоятельного местоопределения различают методы навигации:
> позиционной, позволяющей определять текущую позицию объекта самостоятельно, без привлечения данных о предыдущей позиции;
> непозиционной, не позволяющей этого. Особенно распространены методы позиционной неавтономной радионавигации и непозиционной автономной навигации, в частности, инерциальной. Освоение ЭВМ облегчило объединение данных и использование методов комплексной навигации.
Радионавигация
Различают следующие виды радионавигации:
> неавтономная глобальная и дальняя навигация летательных аппаратов и надводных судов;
> неавтономная ближняя навигация судов, летательных аппаратов, их посадки в условиях плохой видимости;
> обеспечение безопасности полета летательных аппаратов путем автономного измерения их истинной высоты над поверхностью Земли;
> получение непозиционной радиотехнической информации в интересах автономной навигации путем измерения вектора скорости летательного аппарата относительно Земли.
Возникшие задачи космической радионавигации решаются совместно с задачами управления космическими аппаратами. Как и в радиолокации, в радионавигации используют миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, декаметровые волны. Дополнительно применяют сверхдлинные, длинные и, реже, промежуточные волны. Сверхдлинные волны обеспечивали глобальность навигации в отсутствие ИСЗ, хотя в настоящее время она достигается с помощью ИСЗ на дециметровых волнах.
Специфические требования к радионавигационным системам. Массовость аппаратуры пользователей приводит к требованию максимального ее упрощения, в том числе за счет усложнения остальной аппаратуры. Противоположные требования универсальности, резервирования навигационной аппаратуры, пригодности ее к переходу в режим автономной навигации также существенны в ряде случаев. К РНС, как и к другим РЭС, предъявляются, наряду с этим, требования помехозащищенности и живучести. Выполнение всей совокупности требований облегчается при сочетании принципов неавтономной и автономной навигации, объединения данных различных источников информации, широкого использования первичного, а также вторичного излучения. Противоречивость требований приводит к многообразию структур РНС. По структурным особенностям РИС выделяют:
- маячные позиционные неавтономные РНС, основанные на создании специализированных источников излучения вне объектов навигации и приеме их излучений на этих объектах;
- пеленгаторные РНС, неавтономные и автономные, обеспечивающие получение позиционной информации объектами навигации за счет направленного приема:
- РНС с использованием локационной информации, являющиеся обычно системами объединения позиционной и непозиционной информации.
Маячные дальномерные, угломерно-дальномерные и угломерные РНС
Определение положения объекта в указанных системах проводится по результатам измерений: дальностей от него до нескольких маяков; дальности и направления линии визирования на один маяк; направлений на несколько маяков. Координаты маяков полагаются точно известными. Соответственно говорят о дальномернытх, угломерно-дальномерных и угломерных маячных системах.
Маячные дальномерные РНС. Основаны на измерениях дальности. Как и в радиолокации, используется метод активного запроса и ответа. Совокупность запросчиков на объектах и ответчика на маяке образует систему активного запроса и ответа. В отличие от радиолокации, где один запросчик с остронаправленной антенной поочередно собирал данные от большого числа ответчиков, здесь большое число запросчиков обслуживается одним ответчиком с практически всенаправленной антенной. Точному значению измеряемого параметра - дальности соответствует геометрическое место точек: линия положения объекта в виде окружности г = ct3/2 = const на плоскости и его поверхность положения в виде сферы в пространстве. Пересечение двух линий положения на плоскости или трех поверхностей положения в пространстве определяет позицию объекта П в виде точки. Вследствие ошибок измерения точечная позиция размывается практически в область положения, размеры которой удается сужать. Высокоточные дальномерные системы используют в исследованиях континентального шельфа с судов, ведущих поиск месторождений нефти и газа.
Маячные угломерно-дальномерные РНС. В массовых системах ближней навигации предпочтение отдается угломерно-дальномерному методу. Достаточную для решения этой задачи точность обеспечивают, используя всего один маяк. Его ответный канал обеспечивает измерение дальности до маяка любого запрашивающего объекта. Информация дополняется беззапросным азимутальным каналом маяка. Своеобразие пространственно-временной модуляции этого канала состоит в кодировании излучения в зависимости от азимутального направления излучения. Принятый код определяет на плоскости проведенную через маяк М прямую положения объекта, которая вместе с окружностью положения характеризует позицию объекта П - центр его области положения. Угломерно-дальномерный метод используется, например, в отечественных системах ближней навигации РСБН, в зарубежных системах ближней навигации VOR-DME. В пределах зон действия ошибки местоопределения составляют от километров до долей километра.
Маячные угломерные РНС. Включают однопозиционные маяки с изменением кода сигналов в зависимости от направления излучения. Позицию объекта навигации на плоскости можно находить по результатам приема излучений хотя бы двух таких маяков, не устанавливая на нем передающей аппаратуры. Низкая точность местоопределения не позволяет, однако, применять такие РНС даже в целях ближней навигации, не говоря о более дальней.
Маячные разностно-дальномерные и квазидальномерные РНС
При больших дальностях до маяков передающая часть запросной аппаратуры объектов навигации становится громоздкой. Отказ же от нее требует дополнительных мер повышения точности местоопределения. Одной из таких мер является синхронизация моментов излучения сигналов на маяках - синхронизация на них отсчетов времени. Еще большие возможности открываются при установке электронных часов как на маяках, так и на объектах навигации - синхронизации отсчетов времени на всех элементах РНС. Рассмотрим варианты синхронизации подробнее.
Маячные разностно-дальномерные РНС. Включают группы маяков с синхронизацией моментов излучения сигналов. Для ее обеспечения один из маяков группы является ведущим, остальные — ведомыми. Каждый из ведомых маяков излучает сигнал после приема сигнала ведущего маяка по истечении установленного для него промежутка времени. Известные взаимные сдвиги моментов излучения легко исключаются при приеме кодированных сигналов маяков на объектах навигации. Поэтому после приема излучений любой пары маяков М;, Му можно принять в качестве навигационного параметра разность времен распространения радиоволн от этих маяков до объекта навигации, пропорциональную соответствующей разности расстояния. Для уточнения временного интервала наряду с огибающими сигналов может привлекаться их фазовая структура. Точно измеренным значениям соответствуют линии положения на плоскости в виде гипербол и поверхности положения в пространстве в виде гиперболоидов вращения. Фокусами гипербол и гиперболоидов являются пункты расположения маяков. Точка пересечения двух гипербол на плоскости или соответственно трех гиперболоидов вращения в пространстве позволяет найти позицию объекта. В отличие от дальномерного и угломерного методов рассматриваемый метод местоопределения называют разностно-дальномерным. Серьезным достоинством разностно-дальномерного метода является отказ от использования запросчиков на объектах навигации, что упростило их бортовую аппаратуру. В отличие от угломерного метода существенно повышается точность местоопредепения объектов на больших расстояниях от маяков. Все это привело к широкому использованию разностно-дальномерных маячных систем в дальней и глобальной навигации. Примерами таких систем с наземными маяками давно являлись системы дальней навигации LORAN и глобальной навигации OMEGA. Погрешности измерения положений объекта в пределах зон действия систем составляют от километров до долей километра в зависимости от типа и модификации системы. Разностно-дальномерные радионавигационные маячные системы использовались также при проведении работ на континентальном шельфе. Разностно-дальномерные измерения могут проводиться и в многопозиционных системах пассивной радиолокации.
Маячные квазидальномерные РНС. Рассчитаны на согласование отсчетов времени электронных часов объектов навигации с аналогичными отсчетами времени на маяках. Бытовые электронные часы с нетермостатированными эталонными генераторами колебаний характеризуются в настоящее время уходами отсчетов времени менее секунды за сутки. Относительная нестабильность отсчетов времени составляет при этом менее "1 « 10"5. Совершенствование эталонов позволяет снизить эту нестабильность в 108 раз. Временные уходы снизятся тогда до 0,01 мкс за сутки и менее. Уходы снижаются также при переходе к более частым согласованиям временных отсчетов на маяках и объектах. Резервом повышения точности оказывается, наконец, отслеживание направлений и скоростей неслучайных составляющих уходов времени на объектах. Прием сигналов от двух маяков в отсутствие помех определяет на плоскости уже не гиперболу, а пару точек положения, одна из них отбрасывается на основе грубых координатных данных. Прием сигналов от трех маяков определяет положение объекта в пространстве. Из-за неидеальной синхронизации реализуют фактически не дальномерный, а квазидальномерный метод. При этом последовательный прием сигналов от ряда маяков создает резерв исходных данных, хотя и с известными ошибками. Его расходуют на повышение точности как местоопределения, так и временной синхронизации. Квазидальномерный метод первоначально осваивался в качестве дополнительного режима сверхдлиноволновых глобальных систем OMEGA с наземными маяками, но составляет в настоящее время основу наиболее перспективных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Ошибки местоопределения доводятся до десятков и даже единиц метров. Уменьшенные ошибки соответствуют сложным кодированным сигналам. Надобность в специальных системах ближней навигации и навигации для разведки ископаемых становится проблематичной. В системах GPS и ГЛОНАСС могут проводиться и фазовые измерения, учитывающие малые разности частот и характеризующие производные дальностей. В этом смысле иногда говорят о квазидальномерном квазидоплеровском методе работы этих систем. После широкого освоения спутниковых систем роль наземных навигационных систем систематически снижается. В настоящее время решается вопрос, сохранять ли одну из старых наземных систему LORAN в качестве резерва спутниковой или полностью отказываться от ее использования.
Пеленгаторные РНС
Реализуют угломерный метод определения местоположения объекта навигации на основе направленного приема. Могут создаваться в двух вариантах: запросном и беззапросном. По запросу объекта навигации в первом варианте включается многопозиционная система пеленгаторов. Наряду с пеленгацией по максимуму используется пеленгация по минимуму. По пеленгам из нескольких пунктов приема связной, например, излучающей аппаратуры объекта, определялось и передавалось на объект его положение без установки на нем специализированной навигационной аппаратуры. Недостаточные точность и пропускная способность привели к неконкурентоспособности описанного метода в навигации, хотя многопозиционные системы пеленгаторов используются в радиотехнической и радиоразведке. Беззапросный вариант обеспечивают установкой на объекте воздушной навигации пеленгатора - автоматического радиокомпаса РК. Положение объекта находят по пеленгам наземных излучающих радиосредств PC с известными координатами. В морской навигации используют радиосекстанты - пеленгаторы радиоизлучений Солнца, Луны и т.д. Достоинством последних является автономность навигации, даже в условиях плохой видимости, недостатком - невысокая точность местоопределения.
РНС с использованием радиолокационной информации
В качестве систем, выдающих навигационную информацию, используют следующие типы радиолокаторов.
Радиовысотомеры. Измерители истинной высоты летательных аппаратов над поверхностью Земли. Служат для обеспечения безопасности полета и посадки на Землю. В космических комплексах измеряют высоту полета над поверхностью планеты. Доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса. Измеряют составляющие вектора скорости движения летательного аппарата вдоль поверхности Земли. Выдаваемая информация является непозиционной. Лишь ее интегрирование позволяет найти позицию самолета относительно точки вылета, что используется при автономной навигации самолетов. Измеряемые величины рассчитываются по доплеровским сдвигам частот Fw сигналов, отраженных отдельными участками поверхности Земли. Доплеровские измерители могут использоваться также в космических аппаратах, совершающих облет планеты. В комплексе с радиовысотомерами могут обеспечить один из вариантов слепой посадки летательных аппаратов. Радиолокаторы обзора поверхности. Позволяют визуально или автоматически определять положение объекта по характеру местности. Наряду с навигационными, решают задачи радиолокационного картографирования, радиолокационной разведки, в перспективе -определения влажности и состояния посевов, разведки ископаемых.