Сарайский Ю. Н., Алешков И. И. Аэронавигация. Часть 2_СПб ГУГА_2013. Аэронавигация часть II. Радионавигация в полете по маршруту

В каждой точке пространства электромагнитная волна характеризуется тремя взаимно перпендикулярными векторами: волновым вектором и векторами напряженности электрического и магнитного полей. Волновой вектор направлен по направлению распространения волны, а его модуль обратно пропорционален длине волны. Модули векторов напряженностей магнитного и электрического полей изменяются по синусоидальному закону и сдвинуты по фазе на 90º.
Скорость распространения электромагнитного излучения называют скоростью света. В вакууме она составляет c=300 000 км/с (более точно –
299 792 458 м/с), но в любой другой среде (в том числе в атмосфере) она меньше и зависит от характеристик среды.
Основными характеристиками электромагнитной волны являются ее период, длина, частота и фаза.
Период T - это длительность одного цикла колебаний. Измеряется в секундах.
Частота f - количество полных циклов колебаний в секунду в данной точке пространства. Измеряется в герцах, Гц (Hz).
На практике чаще используются килогерцы (кГц) и мегагерцы (МГц), иногда гигагерцы (ГГц).
1 кГц=1000 Гц; 1 МГц=1000 кГц=1 000 000 Гц; 1 ГГц=1000 МГц.
Фаза колебаний – величина, которая показывает, какая часть колебания прошла с начала процесса. Измеряется в угловых величинах – градусах или радианах. При этом весь цикл колебания принимается за 360º (2π). Величина фазы зависит, конечно, от того момента, который выбран в качестве начала колебаний. Но разность фаз двух сигналов от этого не зависит (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Сдвиг сигналов по фазе а) фазы совпадают; б) сдвиг по фазе 90 ; в) сдвиг по фазе 180 .

Длина волны λ – расстояние между двумя точками в пространстве, в которых колебание имеет одинаковую фазу.
Частота, длина волны и скорость света связаны друг с другом простыми соотношениями:
.
f
c
;
c
f
;
f
c






Например, если длина волны составляет λ=6 м, то ей соответствует частота
50
/
1 000 000 50 6
/
300000000
МГц
с
м
с
м
f



Все возможные частоты и, соответственно, длины электромагнитных волн разделены на диапазоны. Часть общего спектра электромагнитных волн занимают радиоволны, которые также делятся на диапазоны, указанные в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Диапазоны частот и длин радиоволн
Диапазон частот (frequency) f
Диапазон волн (wave)
λ
Название
Название
Название
Обозначение
Крайне низкие
Extremely Low
ELF
0-3 кГц
Сверхдлинные
СДВ более
100 км
Очень низкие
Very Low
ОНЧ
VLF
3-30 кГц
100-10 км
Низкие
Low
НЧ
LF
30-300 кГц
Длинные
ДВ
10-1 км
Средние
Medium
СЧ
MF
300-3000 кГц
Средние
СВ
1 км – 100 м
Высокие
High
ВЧ
HF
3-30 МГц
Короткие
КВ
100 -10 м
Очень высокие
Very high
ОВЧ
VHF
30-300
МГц
Ультракороткие
(метровые)
УКВ
10-1 м
Ультравысокие
Ultra-High
УВЧ
UHF
300-3000
МГц
Ультракороткие
(дециметровые)
1-0,1 м
Сверхвысокие
Superhigh
СВЧ
SHF
3-30 ГГц
Ультракороткие
(сантиметровые)
10-1 см
Крайне высокие
Extremely high
КВЧ
EHF
30-300
ГГц
Ультракороткие
(миллиметровые)
10-1 мм

Еще более короткими электромагнитными волнами по сравнению с приведенными в таблице обладает оптическое излучение (инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое) и ионизирующее электромагнитное излучение
(рентгеновское излучение и гамма-излучение).
Вообще электромагнитное излучение имеет сложную структуру и обладает как волновыми, так и квантовыми свойствами. Рассмотрим лишь некоторые из его свойств, которые могут понадобиться в дальнейшем.
Рефракция (refraction). Рефракция (преломление) заключается в искривлении траектории радиоволн при прохождении через среду (например, атмосферу), плотность которой изменяется.
Дифракция (diffraction). Первоначально под термином дифракция понималась способность радиоволн огибать препятствия. В настоящее время это явление понимается шире – как любое отступление от законов геометрической оптики, в соответствии с которыми электромагнитные волны
(свет, радиоволны и т.п.) в однородной среде распространяются строго по прямой. Дифракция представляет собой сложное явление, которое упрощенно можно понимать как способность волн «расходиться»,
«расплываться» в пространстве по мере распространения и проникать в те области, которые находятся в тени какого-либо объекта.
Отражение (reflection.) Это возвращение радиоволн при встрече с границей раздела двух сред с различными электрическими свойствами
«обратно» в первую среду. Радиоволны могут отражаться от земной поверхности, от фюзеляжа ВС и т.п.
Радиоволны разных частот обладают различным характером распространения.
Прямолинейно распространяющиеся волны (Space Waves) – это радиоволны, распространяющиеся в однородной среде по прямой линии. К ним относятся радиоволны ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, в котором работает большинство радионавигационных средств. Поскольку радиоволны распространяются по прямой, а Земля круглая, то казалось бы по законам геометрической оптики такие радиоволны не могут огибать земную поверхность и заходить за горизонт.
Однако на самом деле атмосфера не является однородной средой. Чем ближе к поверхности земли, тем больше ее плотность. Вследствие этого радиоволны подвержены рефракции (преломлению). Траектория радиоволны искривляется и может отклоняться от прямой линии на десятки угловых минут. Вследствие этого «прямолинейно распространяющиеся» волны могут несколько заходить за горизонт (рис. 2.3).
Поверхностные волны (Surface Waves). Это радиоволны, способные огибать земную поверхность. К ним относятся радиоволны длинноволнового
(ДВ) и средневолнового (СВ) диапазонов. Такое поведение волн объясняется их дифракцией. Фронт распространяющейся волны как бы наклоняется в сторону поверхности земли, поскольку в той его части, которая ближе к земле затухание (attenuation) радиоволн больше. Это затухание (ослабление)

вызвано тем, что волна индуцирует в самой поверхности земли напряжение, которое «препятствует» ее распространению, как бы тормозит ее. Фронт волны наклоняется в ту же сторону, в которую «уходит» поверхность закругляющейся Земли, поэтому радиоволна распространяется за горизонт.
Насколько далеко – зависит от мощности излучаемого сигнала и электропроводимости подстилающей поверхности. Поскольку вода является лучшим проводником, чем суша, дальность распространения поверхностной волны над морем больше.
Рис. 2.3. Виды радиоволн
Пространственные волны (Sky Waves). Они основаны на отражении радиоволн от ионосферы. Ионосфера – это верхние электризованные слои атмосферы. Радиоволны КВ, СВ и ДВ диапазонов способны отражаться от ионосферы и возвращаться к земле. Но отражение произойдет только в случае, когда волна пересекает ионосферу под достаточно острым углом.
Если же радиоволны распространяются по направлению, близкому к нормали
(направлению «вверх»), то волны не отразятся и проникнут за пределы ионосферы.
Поскольку угол отражения от ионосферы равен углу падения, а этот угол невелик, то получается, что отраженные радиоволны достигнут поверхности земли на достаточно большом удалении от радиостанции.
Таким образом, на небольших удалениях от радиостанции принимаются поверхностные волны, на больших удалениях – пространственные (рис.2.4).
А на промежуточных удалениях образуется мертвая зона (dead space), в

которой волны либо не принимаются вообще, либо пространственная волна складывается с поверхностной волной. В этом случае из-за интерференции эти волны «мешают» друг другу, происходят быстрые изменения интенсивности результирующего поля, называемые замираниями.
Рис. 2.4. Характер распространения радиоволн
Частным случаем пространственных волн можно считать радиоизлучения волноводного типа. Для излучений очень низкой частоты
(ОНЧ), когда длина волны более десяти километров, земная поверхность по своим свойствам становится похожей на проводник и способна отражать радиоволны. Вследствие этого радиоволны, отраженные от ионосферы, падают на земную поверхность, отражаются также и от нее, снова отражаются от ионосферы и т.д. Радиоволна как бы следует вдоль канала
(волновода), образованного ионосферой и землей. Такие волны могут распространяться на удаление до 8-10 тысяч километров.
Диаграмма направленности антенны. Радиоволны излучаются и принимаются через антенну (antenna или aerial). В зависимости от конструкции и конфигурации антенны мощность излучения или чувствительность приема может быть различной по разным направлениям.
Это свойство антенны характеризуют ее диаграммой направленности
(Antennae polar diagrams).
Понятно, что чем дальше приемник находится от источника излучения
(антенны), тем меньше мощность принимаемого сигнала, поскольку он ослабевает в пространстве. Можно задаться каким-либо фиксированным уровнем мощности (например, равным половине от излучаемой мощности) и рассмотреть все точки в пространстве, в которых мощность будет иметь именно такое значение. Эти все точки в пространстве образуют поверхность, которую и называют диаграммой направленности (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Пример диаграммы направленности в пространстве
Обычно рассматривают диаграмму направленности отдельно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Если антенна ненаправленная, то есть во все стороны излучает одинаково, то в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь вид окружности с центром в точке расположения антенны. Радиус- вектор для всех точек этой окружности будет одинаков. Это значит, что мощность принимаемого сигнала одинакова по всем направлениям и зависит только от удаления.
Но антенна может быть сконструирована таким образом, что мощность излучения в разные стороны различна и тогда диаграмма направленности будет наглядно показывать, в каком направлении мощность больше, а в каком меньше. Диаграмма направленности может иметь вид кардиоиды, одного или нескольких лепестков (lobes), или какую-то более сложную форму, рис. 2.6.
Рис. 2.6. Примеры диаграмм направленности в горизонтальной плоскости

Модуляция. Если передатчик просто передает синусоидальные колебания на какой-то частоте, то прием такого сигнала не несет никакой полезной информации. Для того, чтобы передать полезную информацию несущие колебания модулируются полезным сигналом. Модуляция (от латинского modulatio — размеренность, ритмичность) - это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала
(сообщения).
Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Таким образом полезное информационное колебание как бы накладывается на заведомо известную несущую частоту.
В радиотехнике используются различные виды модуляции. Самым примитивным и древним является телеграфная модуляция (keying) , когда несущий сигнал просто прерывается с помощью телеграфного ключа.
Излучение происходит не непрерывно, а «кусочками» - короткими, называемыми «точками» (dot) или длинными «тире» (dash). Каждому сочетанию точек и тире соответствует определенная буква или цифра, например, в соответствии с азбукой Морзе, которая была предложена американским изобретателем Сэмюэлом Морзе (1791-1872) еще до изобретения радио (рис. 2.7).
Амплитудная модуляция (amplitude modulation, AM) основана на том, что амплитуда несущего сигнала изменяется в соответствии с амплитудой полезного сигнала (рис. 2.8).
Частотная модуляция (frequency modulation, FM) основана на изменении частоты несущей в соответствии с амплитудой полезного модулирующего сигнала (см. рис. 2.9).
Рис. 2.7. Сэмюэл Морзе

Рис. 2.8. Амплитудная модуляция
Рис. 2.9. Частотная модуляция
Импульсная кодовая модуляция (pulse code modulation, PCM) используется в цифровых технологиях и основана на двоичном кодировании.
Наличие импульса соответствует «1», а его отсутствие (пропуск) – «0». С помощью последовательности нулей и единиц, передаваемых таким способом, можно закодировать любую информацию.
2.2. Обобщенный метод линии положения
Навигационный параметр. Место самолета можно определить с помощью различных технических, в том числе радионавигационных. средств и разными методами. Но как показал профессор В.В.Каврайский, практически все эти способы можно рассматривать как частные случаи
обобщенного метода линий положения. Это не какой-то конкретный способ

определения МС, а абстрактный теоретический подход, некая схема, выражающая то общее, что содержится в любом способе местоопределения.
Понимание обобщенного метода линий положения позволяет легко осваивать любые конкретные способы определения МС, независимо от того, на каких конкретных технических средствах они основаны, а также позволяет с единых позиций, унифицированными методами оценивать точность применяемых методов.
Основными понятиями, на которых основан этот метод, являются понятия навигационного параметра и линии положения.
В полете с помощью приборов можно измерить самые разные величины: пеленги, дальности, путевую скорость , угол сноса, температуру воздуха и т.д. В широком смысле слова их можно назвать навигационными параметрами, потому что эти величины используются для навигации.
Но в узком смысле, с точки зрения обобщенного метода линий положения, под навигационными параметрами понимаются не любые величины, применяемые в навигации, а только те, значения которых жестко связаны с точкой в пространстве, в которой производится их измерение.
Навигационный параметр - это физическая или геометрическая величина, значение которой функционально связано с данной точкой пространства.
Напомним понятие функции, широко используемое в математике. Если говорят, что y является функцией x, то это означает, что каждому значению
x соответствует определенное значение y, то есть, что эти величины жестко взаимосвязаны. Неважно, каким образом задана эта связь. В математике она наиболее часто выражается формулой, по которой можно рассчитать y при любом заданном x. Но эта связь может быть задана и любым другим способом: графиком функции, таблицей… Неважно, каким образом она задана, главное, что она существует.
В приведенном определении навигационного параметра говорится, что его значение является функцией не величины (числа), а точки в пространстве. Это означает, что за каждой точкой «закреплено» определенное значение этой величины (навигационного параметра).
Следовательно, для того, чтобы решить, является ли какая-либо измеренная величина навигационным параметром (в узком смысле, с точки зрения обобщенного метода линий положения), необходимо только выяснить, является ли ее значение вполне определенным в данной точке, либо может быть в этой точке различным, то есть с данной точкой жестко не связано.
Приведем примеры некоторых величин, и рассмотрим, являются ли они навигационными параметрами.
1) Наклонная дальность до радиостанции. Наклонная дальность – это расстояние от какой-то конкретной радиостанции до данной точки
(например, до ВС) по прямой. Если ВС в данный момент времени находится в какой-то точке пространства, то конечно, его расстояние до радиостанции
(наклонная дальность) является вполне определенной величиной, например,

137 км, а не 100 км, не 64 км и т.п. Следовательно, наклонная дальность – это навигационный параметр, являющийся в данном случае геометрической величиной.
2) Атмосферное давление. В любой момент времени в каждой точке околоземного пространства имеется вполне определенное значение атмосферного давления, например, 756 мм рт.ст или любое другое.
Следовательно, атмосферное давление тоже является навигационным параметром, это физическая величина.
Не имеет значения, что атмосферное давление непрерывно меняется во времени и уже через минуту его значение в этой же точке, может быть, будет уже другим. Здесь важно, что в любой данный момент оно имеет вполне определенное значение.
3) Путевая скорость, то есть скорость перемещения ВС относительно
Земли. Конечно, эта величина широко используется в навигации, но ее можно назвать навигационным параметром только в широком смысле слова, но не с точки зрения метода линий положения, поскольку она не попадает под приведенное определение. Действительно, разве можно сказать, что за данной точкой пространства закреплено какое-то определенное значение путевой скорости? Конечно, нет. Во-первых. если в данной точке сейчас не находится ВС, то путевой скорости в этой точке вообще не существует. Во- вторых, даже если через точку пролетает ВС, то очевидно, что его путевая скорость может быть различной и будет зависеть от истинной воздушной скорости ВС, от курса ВС, от скорости и направления ветра в данной точке.
Следовательно, за самой точкой не закреплено никакое конкретное значение путевой скорости, поэтому она не является навигационным параметром.
4) Магнитное склонение. Магнитное склонение – это угол между северными направлениями истинного и магнитного меридианов. В любой точке однозначно определено направление на северный географический полюс (северное направление истинного меридиана) и однозначно определено направление горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли (северное направление магнитного меридиана). Следовательно, в каждой точке имеется вполне определенный угол между этими направлениями ( магнитное склонение). Поэтому ΔМ – это навигационный параметр.
Разумеется, можно привести множество примеров величин, которые в соответствии с приведенным определением являются навигационными параметрами. Но в навигации используются только те из них, которые реально могут быть измерены в полете, то есть те, для измерения которых на борту действительно имеются соответствующие приборы.

перейти в каталог файлов