КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: «Радионавигационныесистемы»
Тема:«Расчетосновных характеристик ИФ РНС «Лоран‑С» и приемоиндикатора этой системы»
Введение
Одной из основныхзадач в судовождении является определение истинного места судна независимо отвидимости и состояния моря с любой периодичностью во времени. В настоящее времянаиболее полно эта задача решается с помощью наземных и частично спутниковыхрадионавигационных систем (РНС). Как следствие решения основной задачи РНСпозволяют определять абсолютную путевую скорость судна, путевой угол,пройденный путь, время (с точностью до 0,1 мкс), а также обеспечиватьдиспетчерское управление движением судов в стесненных условиях и на подходах кпортам.
РНС включаютв себя три функционально взаимосвязанных комплекса радиотехнической аппаратуры:
1) передающие станции,устанавливаемые на неподвижных или подвижных точках с известными координатами;
2) приемоиндикаторы, устанавливаемыена судах, военных кораблях и других подвижных объектах и позволяющие попринятым сигналам от передающих станций с помощью вычислителей или специальныхкарт и таблиц определять необходимые навигационные данные;
3) береговая аппаратурауправления передающими станциями.
РНС, вотличие от средств радиосвязи, являются измерительными системами. Полезнаяинформация в РНС образуется не в передающем тракте, а в тракте распространениярадиоволн благодаря функциональной зависимости параметров электромагнитногополя принимаемых сигналов от координат судна. По существу РНС базируются насвойстве радиоволн распространяться в однородной среде по кратчайшимрасстояниям с конечной скоростью (~ 300 м/мкс).
Важноезначение имеет и свойство интерференции радиоволн, которое обусловливаетпоявление перемежающихся зон максимальной и минимальной интенсивности суммарногополя от двух источников когерентных колебаний.
РНСклассифицируются по ряду критериев. Один из основных критериев – вид параметраэлектромагнитного поля, в результате измерения которого выделяется полезная информацияо данных, необходимых для навигации судна.
Если полезнаяинформация выявляется при измерении величины сдвига временного положенияпринимаемого радиоимпульса относительно эталонной и общей для береговой исудовой аппаратуры шкалы времени, то РНС относится к временной. Временные РНС,как правило, являются импульсными.
В фазовых РНСвременное положение сигнала оценивается из фазовых измерений. Особенностьюфазовых РНС является то что они позволяют определить запаздывание одногоколебания относительно другого лишь в пределах периода.
Еслимгновенная частота излучаемых колебаний непостоянна и меняется по некоторомузакону, тогда по измерениям частоты принимаемого колебания относительноэталонной можно определить расстояние и РНС такого типа следует отнести к частотным.
В принципеможно построить и амплитудную РНС, в которой полезная информация о дальностиполучается при измерении амплитуды электрической составляющей поля. Однаконепостоянство величины ослабления сигнала делает такие измерения дальностинедостоверными.
АмплитудныеРНС находят широкое применение в основном для измерения углов между эталоннымнаправлением и направлением на передающую станцию.
Второйкритерий классификации РНС обусловливается геометрическими величинами, которыеизмеряются приемоиндикатором: углом, расстоянием, разностью расстояний, линейнойкомбинацией расстояний. Прежде чем обсуждать это направление классификации РНС,целесообразно привести некоторые понятия и термины из курса общей навигации.
Определениеместа судна в навигации математически решается как задача об отыскании положения точки на земной поверхности или напроекции этой поверхности (на навигационной карте). Как известно, положение точкина поверхности может быть определено пересечением минимум двух линий. Для тогочтобы РНС могли способствовать решению задач навигации, они должны даватьвозможность построить на карте эти две линии положения (ЛП) судна с достаточнойточностью. Измеряемыми геометрическими величинами в РНС могут быть углы,расстояния до излучателя, разности расстояний до двух излучателей.
УгломерныеРНС применяются на сравнительно небольших расстояниях от береговых передающихстанций, радиомаяков и имеют недостаточную точность определения места.
ДальномерныеРНС, несмотря на их преимущество с геометрической точки зрения перед любымидругими системами, пока не нашли широкого применения на морском флоте из-заотсутствия генераторов колебаний – хранителей времени высокой стабильности,которые формируют шкалу времени.
Наивысшиеточности определения места среди них на средних дальностях дают фазовыерадионавигационные системы.
Однакофазовые РНС дают многозначные отчеты и зависят от распространения пространственных,отраженных от ионосферы радиоволн. Это ограничивает дальность действия системночью до 150–240 миль.
Дляустранения многозначности фазовых отсчетов излучаются специальные сигналы, а всудовые устройства вводятся дополнительные индикаторные цепи. Поэтому наряду сфазовыми РНС создавались и импульсные, главным достоинством которых являетсявозможность разделения сигналов, распространяющихся поверхностными ипространственными лучами. Такое разделение сигналов позволяет использовать поверхностныерадиоимпульсы для точных определений места на значительных удалениях отбереговых станций. Использование пространственных радиоимпульсов еще болееувеличивает рабочую область РНС для определений места судна с точностью,достаточной при плаваниях в открытом море. Однако импульсные РНС уступаютфазовым системам по точности, простоте и быстроте определений места.
Стремление увеличить дальность действия РНС при сохраненииточности фазовых измерений привело к разработке импульсно-фазовых систем сизлучением сигналов в диапазоне длинных радиоволн. Определение места судна вимпульсно-фазовых РНС производится путем измерения разности фаз между несущимиколебаниями, заполняющими радиоимпульс. Огибающая радиоимпульсов служит дляустранения многозначности фазовых измерений.
Импульсно-фазовые системы объединяют положительные иисключают отрицательные свойства импульсных ифазовых РНС, работающих в диапазоне длинных исредних волн.
Импульсные системы позволяют избавиться от влияния пространственныхрадиоволн и поэтому обеспечивают перекрытие обширных рабочих зон, но вимпульсных системах точность измерения временного положения огибающейрадиоимпульсов существенно ниже, чем точность фазовых измерений.
Фазовые системы используют непрерывные сигналы и позволяютизмерять временное запаздывание сигналов с точностью до сотых долей периодоввысокочастотных составляющих этих сигналов, но подвержены сильному влияниюотраженных от ионосферы радиоволн, что практически не позволяет использоватьфазовые системы на больших удаленьях ночью.
Основные принципы работы длинноволновой импульсно-фазовойсистемы (ИФРНС) «Лоран‑С».Береговые передающие станции ИФ РНС работаютгруппами, образующими единую цепочку. Цепочка состоит из ведущей станции инескольких ведомых станций (двух–пяти) излучения радиоимпульсов которых строгосинхронизированы передачами ведущей станции. Каждаяведомая станция с ведущей образуют пару, которая определяет гиперболическиеизолинии системы. Длина баз пар станций – от 600 до 800 миль.
Такие сравнительно длинные базы обеспечивают хорошие углыпересечения линий положения судна, полученные от разных пар на значительныхрасстояниях от береговых станций.
Ведомые станции принимают радиоимпульсы ведущей станции ииспользуют их для точной синхронизации по частоте и фазе собственных излучаемыхрадиоимпульсов. Синхронизация ведется как по огибающим, так и по фазевысокочастотных заполнений радиоимпульсов. Сигналы ведомых станций излучаются вопределенной очередности, после чего излучает снова ведущая станция и т.д.Каждая из N станций излучает свои сигналы спустя некоторый защитныйпромежуток времени tзщ после момента приемасигналов станции, которая в за данной очередностиизлучений является предшествующей.
Все цепи системы работают на несущей частоте 100 кГц и отличаются лишь периодами повторения, которыеобъединяются в четыре группы и обозначаются буквамиS, SH,SL,SS. Каждая группа состоит извосьми рекуррентных частот повторения, обозначаемых порядковым номером Nот 0 до 7. Численное значение периодов следования в микросекундах определяется:для цепочек, обозначаемых S, – формулой T/>S= (500 – N)×100; для цепочек,обозначаемых SH, – формулой TSH= (600 – N)×100; для цепочек,обозначаемых SL, – формулой TSL= (800 – N)×100 и для цепочек,обозначаемых SS, – формулой TSS= (1000‑N)×100.
Дальность действия системы зависит от средней мощностиизлучаемых сигналов, которая равна импульсной мощности сигнала, умноженной наотношение длительности импульса к периоду повторения.
Увеличение импульсной мощности ограничивается эффективностьюантенн и их электрической прочностью. Увеличение длительности импульса неприводит к желаемому результату, так как в импульсно-фазовой системеиспользуется только начальная часть импульса длительностью 30–40 мкс, которая не подвержена воздействиюпространственной волны. И, наконец, увеличение средней мощности можно получить,уменьшая значение Т. Однако величина Т,как указывалось выше, определяет возможность приема сигналов ведущей и ведомыхстанций без перекрытия их между собой во всей рабочей зоне системы. Поэтомууменьшение значения Т допустимо до определенных значений.
В системе «Лоран‑С»применен особый способ увеличения средней мощности. Он заключается в том, что.станция излучает не один импульс за период Т, а целую серию, состоящуюиз восьми импульсов на ведомых станциях и девяти–на ведущей. Девятый импульсизлучается для визуального опознавания ведущей станции и для передачипростейших команд ведомым станциям. Длительность каждого импульса 100–120 мксна уровне 6 дБ, промежуток между импульсами в серии1000 мкс, т.е. длительность всей серии из восьми импульсов составляет 7000 мкс.
Излучения серии («пакета») приводят к техническим усложнениямсистемы. Основной из причин усложнения является необходимость устранениявлияния пространственных радиоволн кратного отражения каждого предыдущегоимпульса «пакета» на последующий поверхностный импульс в серии.
Устранение влияния пространственных волн от предыдущихимпульсов на последующие достигается применением фазового кодирования, котороезаключается в изменении фазы колебаний высокочастотногозаполнения в каждом импульсе серии на 180°. При этом фазированиеимпульсов четных серий отличается от фазированиянечетных серий и для устранения влияния пространственных волн используется двапериода Т повторения серий импульсов.
В табл. 1 показано фазовое кодирование, примененное в системе«Лоран‑С». Здесь знак«+» условно отвечает фазенесущих колебаний, принятой за 0°, а знак «–» изменению этой фазы на 180°.
Таблица 1Излучения Ведущая Ведомая Импульсы 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Четные серии
+ + – – + – + –
+ + + + + – – + Нечетные
+ – – + + + + +
+ –+ – + + – –
Фазовое кодирование импульсов в серии устраняет влияниепространственных волн предыдущего импульса в серии на последующий и облегчаетавтоматическое опознавание ведущей станции и слежение за ней при превышенияхуровня шумов над сигналом. В настоящее время осуществляется автоматическое слежениеза сигналами ведущей станции до соотношений сигнал / помеха = 1: 10 (20 дБ) на отсчетном уровне импульсов. При таком высоком уровнешумов визуальное опознавание сигналов станции на экране индикатора невозможно,так как шумы полностью маскируют полезные сигналы.
Сигналы «Лоран‑С»используются не только для навигации, но и в качестве сигналов точного времени.
Принцип работы приемоиндикатора в режимеизмерения
/>
Блок-схемаприемоиндикатора ИФ РНС в режиме точных измерений
Упрощенная блок-схема приемоиндикатора в режиме измеренияпромежутка времени между моментами прихода сигналов ведущей и одной из ведомыхстанций.
Все элементы приемоиндикатора, осуществляющие фазовоекодирование и поиск, из этой схемы исключены для большей наглядности изложения.С этой же целью – для облегчения понимания основных принципов работы – можнопредставить, что ведущая и ведомая станции излучают не «пакеты» радиоимпульсов,а одиночные радиоимпульсы.
Принимаемыеимпульсы ведущей и ведомой поступают на фазовый детектор ФД и синхронныйдетектор СД. Схема СД, не отличается от схемы ФД, только опорноеколебание СД сдвинуто по фазе на 90° по отношению к опорному напряжению ФД.
Пусть сигналыua(t) и ив (t) ведущей и ведомой станцийна выходе приемника имеют вид:
иА(t) = U (t–tA)sin w(t–tA) = U (t–tA) sin (wt–jA);
иB(t) = U (t–tB)sin w(t–tB) = U (t–tB)sin (wt–jA),
где tA и tB – моменты приходасигналов А иВ. Эти моменты отсчитываются от момента излучениясигнала ведущей станции А. Функции U(t– tA) и U(t– tB) имеют смысл лишь впределах длительности импульса tи; например, U(t–tA) = 0 при ttAи t>tA+ tи.
Фазоваяавтоподстройка опорного генератора сигналами ведущей станции производитсяследующим образом. Поиск передней части поверхностного сигнала предполагаетсяуже выполненным. Поэтому в схеме должна осуществляться соответствующаякоммутация переключателя П в такт приема сигналов береговых станций, а опорныекратковременные стробы временного различителя ВР1 на выходе ФД должнывыделять лишь ту часть напряжения рассогласования, которая соответствуетпередней части поверхностных радиоимпульсов. Отстробированные напряжения передаютсяна блок фазовой автоподстройки АПФ опорного генератора. В результатефаза j0опорного генератора изменяется до тех пор, пока не будетотличаться точно на 90° от фазы ВЧ заполнения радиоимпульса и постоянноенапряжение на выходе ФД, обусловливаемое поверхностным радиоимпульсом,не станет равным нулю. Таким образом, фаза j» колебания на выходеопорного генератора будет хранить память о фазе ВЧ заполнения, поскольку j0= jА + 90°. Фаза опорногонапряжения СД при этом будет точно совпадать с фазой ВЧ заполненияповерхностного радиоимпульса ведущей станции.
Поэтому навыходе СД появится видеоимпульс U(t– tA). Он поступает на схему формированиянапряжения, имеющего одну «точку» смены знака в пределах переднего фронта радиоимпульса.Пусть эта точка отстоит на интервал t0от начала импульсов. С выхода схемы формированияособой точки напряжение поступает на временной различитель ВР2 и служитдля уточнения временного положения измерительных опорных стробов. Опорныестробы, как видно из блок-схемы, получаются из колебаний опорного генератора,прошедших фазовращатель Фв1 и делитель частоты. На выходе делителячастоты и формируются измерительные стробы ведущего канала. Длительностькаждого строба 3–5 мкс, а период повторения Т равен периоду повторениясигналов береговых станций. Если эти стробы не совпадают с особыми точкамиогибающих радиоимпульсов ведущей станции, на выходе ВР2 появится сигналрассогласования. Сигналы рассогласования с выхода ВР2 имеют видкратковременных видеоимпульсов с длительностью, равной длительности опорныхстробов. Полярность этих видеоимпульсов определяется стороной отклоненияопорных стробов от истинного положения особой точки огибающей. Кратковременныесигналы рассогласования накапливаются в соответствующем RС-фильтре и, послеусиления, управляют положением ротора фазовращателя Фв1 до тех пор, покарассогласование не будет исключено. Временное положение tДЧопорных стробов с выходаделителя частоты станет совпадать с особой точкой, т.е. tДЧ= tA+ t.
При движении судна таким образом будет вестись автоматическоеслежение за фазой и огибающей сигналов ведущей станции.
Рассмотримтеперь работу измерительного канала ведомой станции. Во время прихода сигналовведомой станции опорное напряжение на ФД поступает через фазовращатель Фв2. Еслина выходе ФД имеется сигнал рассогласования, то этот сигнал после накопления в RC‑фильтре исоответствующего усиления приведет во вращение двигатель Дв2. Положениеротора Фв2 будет изменяться до тех пор, пока сигнал рассогласования нестанет равным нулю, а фаза колебания jф на выходе фазовращателяне будет отличаться точно на 90° от фазы ВЧ заполнения радиоимпульсов ведомойстанции.
Такимобразом, непрерывное колебание на выходе фазовращателя будет запоминать фазу ВЧзаполнения сигналов ведомой станции, т.е. jф = jВ + 90°.
Как видно изблок-схемы, при этом ФВ2 покажет разность фаз Dj = jВ – jА между ВЧ заполнениямирадиоимпульсов ведущей и ведомой станций. Фазовый отсчет индицируется на частибарабанного счетчика, обозначенной на блок-схеме словом «Точно». Фазовый отсчетопределяется в пределах периода ВЧ заполнения, равного 10 мкс.
Послеотработки Фв2 опорное колебание на СД будет совпадать по фазе с ВЧзаполнением радиоимпульсов ведомой станции. На выходе СД будут появлятьсявидеоимпульсы, повторяющие огибающую U(t– tB) радиоимпульсов ведомыхстанций. Эти видеоимпульсы, аналогично сигналам ведущей станции, поступают насхему формирования напряжения с одной переменной знака в особой точке впределах фронта радиоимпульсов и затем на ВР. Опорные стробы наВР2 теперьпоступают с выхода схемы управляемой задержки.
Схема управляемой задержки позволяет получить измерительныестробы, задержанные относительно измерительных стробов ведущей станции.Величина задержки может изменяться. Существует несколько разновидностей схемуправляемой задержки. Варианты таких схем рассматривались б первом разделе.
Еслиизмерительные стробы ведомого канала не совпадают с особыми точками огибающихсигналов ведомых станций, то появляющийся на выходе ВР2 сигналрассогласования изменит управляемую задержку до необходимого значения.Временное положение tспзопорных стробов на выходе схемы переменнойзадержки будет совпадать с особой точкой сигналов ведомой станции, т.е. tспз = tB+ t.
Отсчетноеустройство схемы переменной задержки укажет значение промежутка Dtмежду моментами появлениястробов с выхода ДЧ и стробов с выхода схемы переменной задержки Dt = tспз– tдч= tВ–tA. Отсчет по огибающейиндицируется на части барабанного счетчика, обозначенной на блок-схеме словом«Грубо».
Счетчик имеетдекадную оцифровку, причем каждая единица крайнего правого барабана счетчикаогибающей соответствует десяти микросекундам. Обе части барабанного счетчикадают единый однозначный отсчет разности запаздывания поверхностных сигналовведомой станции по отношению к сигналам ведущей станции. Однозначность фазовыхизмерений в импульсно-фазовой системе обеспечивается, если ошибка отсчетовогибающей не будет превышать половины периода Т высокочастотного заполнения, т.е. Dt0
Реальнаясхема приемоиндикатора в режиме измерений имеет также устройство,осуществляющее фазовое кодирование опорных напряжений фазового и синхронногодетекторов по закону фазового кода пакетов радиоимпульсов ведущей и ведомойстанций.
Расчетнаячасть
1. Позаданным и исходным данным рассчитать и построить графики форм сигналов U=f(t)
a) на входе приемника. Emaxи Umaxпринять равным единице;
Огибающаяизлучаемых (и принимаемых) сигналов хорошо аппроксимируетсяэкспоненциально-степенной функцией второй степени:
/>;
где Emax – амплитуда импульса;
Огибающая u(t) сигналов на выходеприемника может также аппроксимироваться экспоненциально-степенной функцией:
/>;
где Umax – амплитуда импульса;
tm – промежуток времени отначала импульса до его максимума;
n – параметр аппроксимации;
Если приемниксодержит n каскадов с одиночными контурами и имеет полосу пропускания Ппрна уровне 0,7, то параметры аппроксимации можно найти из формул:
tm =(1,075+e-1.26q+0,06/>)*tmaxвх; />; />;
где q – безразмерный коэффициент;
/>
/>
tm =(1,075+e-1.26*1.675+0,06/>)*67*10-6=87,3345 *10-6 с
Принимая Emax и Umax равными единице, можемпостроить графики огибающих сигналов на входе и выходе приемника рис. 1.
С графикаснимем значения времен при которых огибающая достигает уровней 0,3 и 0,5:
при уровнеслежения 0,3: to = 34 мкс
при уровнеслежения 0,5: to = 41 мкс
b) на выходе схемысинхронного детектора;
На выходесинхронного детектора сигнал будет иметь вид огибающей высокочастотного сигналана выходе приемника.
/>
c) на выходе схемыформирования «особой точки» при двух уровнях слежения 0,3 и 0,5
С выходадетектора видеоимпульс с огибающей подается на схему формирования напряжения,имеющего одну смену знака в пределах фронта радиоимпульса. Существует несколькометодов формирования такого напряжения.
Наиболеешироко применяются методы, эквивалентные следующему: видеоимпульсдифференцируется, усиливается и из получаемого напряжения вычитается недифференцированныйвидеосигнал.
Форму сигналана выходе схемы формирования особой точки можно пронаблюдать построив графикфункции:
/>;
На рисунке 1приведены графики сигналов для двух уровней слежения 0,3 и 0,5.
/>
Рис. 1.Графики огибающих сигналов на входе / выходе приемника и на выходе схемыформирования особой точки при уровнях слежения 0,3 и 0,5.
2. Определитьнапряжённость поля атмосферных шумов в полосе пропускания приёмника
Зонауверенного приема радиоволн зависит от интенсивности сигналов и от уровняатмосферных шумов. Атмосферные шумы создаются в основном грозовыми разрядами.Уровень атмосферных шумов зависит от географического расположения приемногопункта, сезона года и времени суток. Максимальные значения шумов имеют место втропиках, где грозовая деятельность наиболее интенсивна. В ночное время уровеньшумов также значительно больше, чем днем, ввиду лучших условий распространениярадиошумов ночью.
/>Атмосферные шумы характеризуются быстрыми флюктуациями с большимдинамическим диапазоном. Однако среднее за несколько минут значениеинтенсивности шумов остается практически постоянным в течение данного часа.
Эффективноезначение помех Е в полосе пропускания приемника связано с коэффициентом Fаm соотношением:
E=Fa –95,5+20 lg f+10 lg Ппр;
где f – несущая частота, МГц.
Зная своикоординаты определим величину атмосферных помех Fа на частоте 1МГц по рис. 1.21.учебника [1]. Затем по рис. 1.22. того же учебника найдем величинуатмосферных помех на частоте 100 кГц. Подставив значения в формулу получим:
E=110–95,5+20 lg 0,1+10 lg 25*103=37,93дБ;
Величинанапряженности поля помех выражаются в децибелах относительно уровня 1 мкВ/м.
3. Определитьпри двух уровнях отчёта 0,3 и 0,5 допустимые соотношения с/ш на выходе приёмника
Шумоваяошибка фазовых измерений в радианах определяется формулой:
/>;
где />;
Выразимотсюда отношение сигнал/шум /> ипосчитаем его при />рад. (0,05фазового цикла) для каждого из уровней слежения:
/>;
· приуровне слежения 0,3: to = 34 мкс
/>; /> дб;
· приуровне слежения 0,5: to = 41 мкс
/>; /> дб
Шумоваяошибка измерения разности моментов прихода двух сигналов по огибающейопределяется формулой:
/>;
Выразимотношение сигнал/шум /> и посчитаем егопри />мкс (половина периода высокочастотногозаполнения) для каждого из уровней слежения:
/>;
· приуровне слежения 0,3: to = 34 мкс
·
/>;
/>дб;
· приуровне слежения 0,5: to = 41 мкс
·
/>;
/>дб;
Построитьграфик соотношения с/ш на входе приёмника в зависимости от дальности. Изграфика определить максимальную дальность, соответствующую наименьшемудопустимому соотношения для каждого с/ш для каждого из уровней отсчёта.
Дальностьприема поверхностных сигналов РНС «Лоран‑С» зависит главным образом отизлучаемой мощности радиоимпульсов, уровня помех в точке приема, ширины полосыпропускания приемника судовой аппаратуры системы и подстилающей поверхности натрассе распространения радиоволн.
Дляпостроения графика сигнал/шум на входе приемника воспользуемся рисунком 2.18.учебника [1]. Возьмем из графики зависимость напряженности поля поверхностныхволн при излучаемой мощности 100кВт и пересчитаем его применительно к заданноймощности по формуле:
/>;
Затем, знаязначение напряжённости поля атмосферных шумов в полосе пропускания приёмника(вычисленного в пункте 2.5) определим отношение сигнал/шум.
Результатырасчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Дальность
мили
Eпр
100кВт дб
Eпр
100кВт В/м
Eпр
1340кВт В/м
Eпр
1340кВт дб
Eс/Eш
дб
Eс/Eш
отношение 100 1,00E‑01 3,71E‑01 112,27 73,8 4360,03 200 81 1,27E‑02 4,58E‑02 93,27 54,8 551,07 400 68 2,52E‑03 9,21E‑03 80,27 41,8 111,48 600 57 7,1E‑04 2,63E‑03 69,27 30,8 30,87 800 48 2,79E‑04 1,07E‑03 60,27 21,8 13,21 1000 41 1,08E‑04 4,09E‑04 53,27 14,8 5,14 1200 34 4,53E‑05 1,79E‑04 46,27 5,8 1,87 1400 26 2,03E‑05 7,23E‑05 39,27 -0,2 0,82 1600 20 1,01E‑05 3,70E‑05 33,27 -7,2 0,47 1800 14 4,56E‑06 1,59E‑05 27,27 -14,2 0,21 2000 6 1,8E‑06 6,49E‑06 19,27 -22,2 0,07
Из графика(рис. 2.) определим максимальную дальность, соответствующую наименьшемудопустимому соотношения для каждого сигнал/шум для каждого из уровней слежения.
· приуровне слежения 0,3: />дб
Dmax – из графика равно 1710 миль
· приуровне слежения 0,5 – />дб
Dmax – из графика равно 1775миль
/>
Рис. 2.График соотношения сигнал/шум на входе приёмника в зависимости от дальности
Построитьграфик зависимости шумовых ошибок по фазе и огибающей в зависимости от дальностипри двух уровнях отсчёта
Измеренияфазы ВЧ заполнения фронта радиоимпульсов производятся с помощью фазовогодетектора ФД с последующим стробированием полезного сигнала рассогласования спомощью временного дискриминатора.
Шумоваяошибка фазовых измерений в радианах можно выразить формулой:
/>;
где />;
Шумоваяошибка измерения разности моментов прихода двух сигналов по огибающейопределяется формулой:
/>;
Произведемрасчет шумовых ошибок для каждого из уровней слежения. Рассчитанные значенияприведены в таблице 2.
Таблица 2.
Дальность
мили
sjш, рад
при уровне 0,3
sjш, рад
при уровне 0,5
stoш, мкс
при уровне 0,3
stoш, мкс
приёмники уровне 0,3 0,0000 0,0000 0,0003 0,0002 200 0,0001 0,0001 0,0024 0,0018 400 0,0005 0,0004 0,0112 0,0089 600 0,0015 0,0011 0,0389 0,0315 800 0,0040 0,0027 0,0975 0,0792 1000 0,0099 0,0064 0,2463 0,1990 1200 0,0247 0,0148 0,6177 0,4998 1400 0,0551 0,0339 1,3818 1,1188 1600 0,1091 0,0699 2,7579 2,2324 1800 0,2447 0,1551 6,1744 4,9977 2000 0,6159 0,3907 15,509 12,5536
Графическиезависимости изображены на рисунках 3, 4.
/>
Рис. 3.График зависимости шумовых ошибок по фазе в зависимости от дальности при двухуровнях слежения
/>
Рис. 4.График зависимости шумовых ошибок по огибающей в зависимости от дальности придвух уровнях слежения
Определитьотношение напряженности отраженного от ионосферы сигнала к напряженности поверхностногосигнала. Построить графики зависимости максимальных ошибок слежения за фазой Djp= f(D) и огибающей Dtp= f(D), обусловленных влияниемионосферного сигнала, при двух уровнях слежения
Отношениенапряженности отраженного от ионосферы сигнала к напряженности поверхностногосигнала определим воспользовавшись рисунком 2.18 учебника [1].
Зависимостьмаксимальных ошибок слежения за фазой /> и огибающей/>, обусловленных влияниемионосферного сигнала выражаются следующими формулами:
/>; />;
где tз – задержкапространственных сигналов по отношению к поверхностным (рис. 2.19.учебника [1].)
Ошибкаизмерения фазы и огибающей появляется при задержке отраженного сигналаотносительно поверхностного меньше, чем tз то есть tз
Данныерасчетов приведены в таблице 4.
Таблица 4.
Дальность
мили
Eпов
100кВт дб
tз
мкс
Eпр/Eпов
дб
Eпр/Eпов
отношение
Djp= f(D), рад
при уровне 0,5
D tp= f(D), мкс
при уровне 0,5 1000 41 39 -1 0,8913 8,3E‑04 0,3205 1200 37 38,1 -4 0,6310 1,4E‑03 0,3961 1400 31 38,1 -5 0,5623 1,2E‑03 0,3537 1600 23 38,1 -4 0,6310 1,4E‑03 0,3961 1800 16,5 38,1 -3,5 0,6683 1,4E‑03 0,4196 2000 8 38,1 -4 0,6310 1,4E‑03 0,3961
Графикиприведены на рис. 5, 6.
/>
Рис. 5.График зависимости максимальных ошибок слежения за фазой Djp= f(D), обусловленных влияниемионосферного сигнала, при уровне слежения 0,5.
/>
Рис. 6.График зависимости максимальных ошибок слежения за огибающей D tp=f(D), обусловленных влияниемионосферного сигнала, при уровне слежения 0,5.
Вычислитьсуммарные ошибки отсчетов по фазе sjSи огибающей stoSдля двух уровнейслежения. Построить графики sjS=f(D), stoS=f(D); отметить на них точки,где stoS=/>To. Определить надежностьустранения многозначности фазовых измерений и построить график зависимостивероятности устранения многозначности от дальности P=f(D)
Суммарныеошибки отсчетов по фазе sjS и огибающей stoS определяются выражениями:
/>;
/>;
где Djинс – инструментальнаяошибка изменения фазы равна 0,05 фазового цикла;
Dtинс – инструментальная ошибка изменения по огибающей равна 0,5 мкс;
Расчетыприведены в таблицах 5, 6.
Таблица 5.
Дальн.
мили
sjш, рад
при уровне 0,3
sjш, рад
при уровне 0,5
Djp= f(D), рад
при уровне 0,5
sjS, рад
при уровне 0,3
sjS, рад
при уровне 0,5 0,000013 0,000004 0,000000 0,311500 0,311500 200 0,000091 0,000057 0,000000 0,311500 0,311500 400 0,000433 0,000274 0,000000 0,311500 0,311500 600 0,001554 0,000980 0,000000 0,311505 0,311501 800 0,003886 0,002461 0,000000 0,311524 0,311512 1000 0,009765 0,006175 0,000832 0,311653 0,311559 1200 0,024529 0,015511 0,001367 0,312463 0,311891 1400 0,054909 0,034726 0,001221 0,316302 0,313428 1600 0,109557 0,069291 0,001367 0,330207 0,319117 1800 0,245282 0,155117 0,001448 0,396475 0,347993 2000 0,616111 0,389639 0,001366 0,690381 0,498849
Таблица 6.
Дальн.
мили
stoш, мкс
при уровне 0,3
stoш, мкс
при уровне 0,5
Dtp= f(D), мкс
при уровне 0,5
stoS, мкс
при уровне 0,3
stoS, мкс
при уровне 0,5 0,000277 0,000221 0,000000 0,500000 0,500000 200 0,002189 0,001778 0,000000 0,500006 0,500004 400 0,010982 0,008891 0,000000 0,500119 0,500081 600 0,038961 0,031537 0,000000 0,501517 0,500996 800 0,097855 0,079211 0,000000 0,509483 0,506245 1000 0,245813 0,198959 0,320447 0,557159 0,626317 1200 0,617442 0,499773 0,396454 0,794502 0,810524 1400 1,382292 1,118837 0,353341 1,469943 1,275409 1600 2,758035 2,232375 0,396454 2,802987 2,321787 1800 6,174462 4,997691 0,419951 6,194674 5,040165 2000 15,509538 12,553619 0,396454 15,517603 12,569829
Графикиприведены на рис. 7, 8.
/>
Рис. 7.График суммарных ошибки отсчетов по фазе sjS для двух уровней слежения
/>
Рис. 8.График суммарных ошибок отсчетов по огибающей stoS для двух уровней слежения
Определитьнадежность устранения многозначности фазовых измерений P=f(D) можно по формуле:
/>
где To – период высокочастотногозаполнения равен 10 мкс
Рассчитанныеданные помещены в таблицу 7. График изображен на рис. 9.
Таблица 7.
Дальность
мили
stoS, мкс
при уровне 0,3
stoS, мкс
при уровне 0,5.
P(D)
0,3
P(D)
0,5 0,50000 0,50000 1 1 200 0,50000 0,50000 1 1 400 0,50013 0,50008 1 1 600 0,50155 0,50097 1 1 800 0,50951 0,50622 1 1 1000 0,55717 0,62635 1 1 1200 0,79454 0,81057 1 0,99997 1400 1,46997 1,27538 0,98384 0,99441 1600 2,80303 2,32181 0,79281 0,87217 1800 6,19461 5,04013 0,43184 0,51703 2000 15,51759 12,56986 0,18019 0,22156
/>
Рис. 9.График зависимости вероятности устранения многозначности
Подсчитатьзначения геометрического фактора в главном направлении рабочей зоны. Подсчитатьошибки определения места фазовым отсчетам при двух уровнях слежения. Построитьзависимость рабочей зоны системы. На рабочей зоне указать область надежногоустранения многозначности фазовых измерений.
Рабочей зонойРНС называют область земной поверхности, в пределах которой обеспечиваетсяопределение места по сигналам РНС со средней квадратичной ошибкой, непревышающей заданного значения. Геометрический фактор это коэффициент,зависящий только от взаимного расположения подвижного объекта и береговойстанции, а так же вида РНС.
Для РНС сназемными станциями геометрический фактор может быть определен по правиламанализа, исходя из простейших геометрических соотношений.
Геометрическийфактор гиперболической РНС определяется формулой:
/>;
где /> при b=0,5*Dmax;
Таблица 8.
Дальн.
Мили
Геом.
фактор 1,85203 100 1,96471 200 2,03189 300 2,15067 400 2,31653 500 2,59604 600 2,96148 700 3,46859 800 3,91531 900 4,41795 1000 5,04902 1100 5,79207 1200 6,57055 1300 7,57929 1400 8,39178 1500 9,45982 1600 10,0174 1700 12,18701 1800 13,00917
Определитьскорость распространения радиоволн на базе соотношений участков суша – море –суша 2:4:2.
На смешанныхтрассах распространения радиоволн расчет рабочей скорости выполняетсяграфически. Вся трасса распространения радиоволн разбивается на отдельныеучастки (в нашем случае в соотношении 2:4:2).
Определимсоотношения суша – море – суша 2:4:2 для максимальной дальности Dmax = 935 миль (в километрах – 1544.62 км) и дополнительную фазу для каждой дистанции по рисунку 1.13учебника [1]:
/>
Туда – 121градусов
/>
Обратно – 134градуса
так какотношение суша – море – суша симметричное то эквивалентное значение дополнительнойфазы будет равно: />
Скоростьраспространения радиоволн находим по формуле:
/>;
где Va – скоростьраспространения радиоволн в однородной атмосфере равная 299694 км/с
/> км/с
Список литературы
1. Судовыерадионавигационные устройства. Быков В.И., Никитенко Ю.И.М.,«Транспорт», 1976.
2. Быков В.И., Никитенко Ю.И. Импульсно-фазовыерадионавигационные системы в судовождении. 2-е изд. – М., «Транспорт», 1985.