Ц. С. Карагьозов доплеровски автономни радионавигационни системи

Доплеровските автономни радионавигационни системи (ДАРНС) определят текущото местоположение (координатите) на въздушния подвижен обект, като:

• 
  използват информация за началното местоположение на обекта;
  
• 
  непрекъснато измерват пътната (хоризонталната) скорост, направлението на полета и местната вертикала;
  
• 
  непрекъснато интегрират пътната скорост и добавят резултата към началните координати.
  

Фиг. 4.Доплеровска автономна радионавигационна система

В състава на типовата ДАРНС влизат:

• 
  доплеровски измерител на скоростта и ъгъла на отнасянето (сноса – рус.) (ДИСС);
  
• 
  датчици на курса и вертикалата;
  
• 
  бордов компютър;
  
• 
  бордов еталон за време.
  

При хоризонтален полет доплеровското изместване на честотата на отразения сигнал с дължина на вълната λ₀, приеман от трите антени, е:

където V_xoр е скорост на подвижния обект в хоризонтална плоскост; β е ъгъл на отнасянето, а ε₁ и ε₂ са установъчните ъгли на антените на ДИСС.

Съвместното решаване на горната система от три уравнения позволява определянето на пътната (хоризонталната) скорост и ъгъла на отнасяне:

;

(1)

Бордовият компютър, използвайки информацията от ДИСС и датчиците на курса и вертикалата, разлага модула на пътната скорост на ортогонални съставящи, свързани с географската координатна система на Земята и, интегрирайки тези съставящи, изчислява изминатия за определено време път и страничното отклонение от зададения курс независимо от осевата ориентация на подвижния обект по тангаж и крен.

В качеството на датчици за курса и вертикалата основно се използват жиро-компаси (като датчици на курса) и верткални жироскопи (като датчици на вертикалата). Тези датчици не осигуряват достатъчно висока точност на фиксиране на направленията на пространствената ориентация, но са достатъчно надеждни и относително евтини. Ако изискванията към точността на навигационните определяния на подвижния обект са определящи, в качеството на автономни датчици на курса и вертикалата се използват стабилизирани в пространството платформи, които се използват и като съставни елементи на инерциалните навигационни системи.

При полети над морска повърхност или относително равнинни участъци от сушата, вместо жироскопичен датчик на геоцентрическата вертикала може да се използва модифициран доплеровски измерител на скоростта и ъгъла на отнасянето – ДИСС, определящ наред с трите скорости и трите наклонени разстояния. За тази цел се използва линейно-честотно модулиран сигнал от предавателя, който се излъчва по трите канала на доплеровската РЛС. В този случай приеманите по трите канала отразени сигнали ще се различават по честота от излъчените както за сметка на радиалната скорост (по доплеровското изместване на честотата), така и за сметка на различните наклонени разстояния, тъй като трите лъча на РЛС са под различен ъгъл спрямо подстилащата повърхност.

Решавайки системата (2) от шест уравнения, модифицираната ДИСС едновременно определя трите ортогонални в геоцентрическата (инерциалната) координатна система съставящи на радиалната скорост на подвижния обект, изчислява фактическите ъгли на тангажа и крена и определя отклонението на плоскостта на ПО от местната вертикала. Същият измерител позволява и изчисляването на фактическото вертикално разстояние (височината) на ПО над подстилащата повърхност.

В сравнение с другите радионавигационни системи ДАРНС има следните предимства:

• 
  непрекъснатост на измерване на пътната скорост и изчисляване на местоположението на ПО;
  
• 
  автономност;
  
• 
  глобалност на навигационното осигуряване;
  
• 
  сравнително висока точност.
  

• 
  зависимост от датчиците на курса;
  
• 
  необходимост от информация за местаната вертикала за преизчисляване на пътната скорост в географска координатна система;
  
• 
  натрупване на грешки при определяне на местоположението с нарастване на изминатия път.
  

• 
  използване на съвременна компонентна база;
  
• 
  разработване на методи за компенсация на растящата грешка на местоопределяне в зависимост от изминатия път.
  

• 
  измерване на наблюдаваните от борда на ПО текущи характеристики на физическите полета на Земята;
  
• 
  формиране на корелационни функции на получените измервания с комплекс от еталонни характеристики (съответстващи на различни участъци от картата и съхранявани на борда на ПО);
  
• 
  намиране на екстремалната от тези корелационни функции, за която наблюдаваният от борда на ПО участък в максимална степен съответства на даден елементарен участък от картата по своите характеристики;
  
• 
  привързване на моментното местоположение на ПО към координатите на горепосочения участък от картата;
  
• 
  коригиране на “по-грубите” инерциална или доплеровска автономна РНС.
  

Такъв вид неавтоматизирана система за местоопределяне на ПО по топографска карта, макар и да е максимално проста, има съществени недостатъци:

• 
  силно зависи от метеоусловията и осветеността на земната повърхност;
  
• 
  отвлича летеца от решаването на други задачи;
  
• 
  не е възможно използването й на безпилотни летателни апарати.
  

В зависимост от ОБЕМА на ИНФОРМАЦИЯТА, КЕС се класифицират като системи, в които информацията в текущия момент от времето се снема от ТОЧКА, от ЛИНИЯ (РЕД), или от ПЛОЩ (КАДЪР).

Системите с точково сондиране могат да използват както повърхностни полета (на релефа, на радиолокационния или радиотоплинния контраст и т.н.), така и пространствени полета (гравитационно или геомагнитно).

Системите с редово и кадрово сондиране, като правило, използват само повърхностни полета, доколкото ПО има малки размери в сравнение с интервалите на корелация на пространствените полета. Вследствие на това практически не може да бъде получена допълнителна информация (некорелирана със съседните участъци) за пространственото поле.

Характерна особеност на реализирането на корелационно-екстремалните методи за навигация по карта на физическите полета на Земята е намирането на нейната повърхност на специални участъци (полигони) с ярко изразени статистически характеристики на навигационните параметри. Обаче даже на специално подбрани полигони статистическите характеристики на физическите полета на Земята (корелационни функции, спектрални плътности, интервали на корелация и т.н.) съществено зависят от конкретния полигон. По тази причина не съществуват общи математически модели на повърхностните физически полета на Земята. Създаването на еталонни карти на всеки полигон се свежда до неговото картографиране и експериментално определяне на статическите характеристики на физическите полета на повърхността му.

Точността на местоопределянето на КЕС зависи не само от характеристиките на полигона, но и от точността на измерване на самия радионавигационен параметър (височина, коефициент на радиолокационното отражение, температура и др.) и от реализацията на алгоритъма на корелационно-екстремалната обработка.

На фиг. 5 е представена опростената структурна схема на корелационно-екстремална автономна РНС.

Фиг. 5. Корелационно-екстремална автономна НС

Нейните основни елементи са:

• 
  измерител на навигационния параметър (ИНП);
  
• 
  формировател на изображението (ФИ);
  
• 
  цифрово запомнящо устройство (ЦЗУ);
  
• 
  корелатор (К);
  
• 
  инерциална навигационна система (ИНС);
  
• 
  блок на грубите датчици (БГрД);
  
• 
  блок за оценка на местоположението (БОМ).
  

Формирователят на изображението извършва дискретизация и мащабиране на сигналите на ИНП в съответствие с условията на текущите измервания (височина, курс и скорост на ПО, а също и тангаж и крен на платформата, на която е закрепен ИРНП). За изпълнение на тези операции от ФИ и ИНП, допълнително се използва информация за грубото местоположение на ПО, получавана с помощта на ИНС и грубите коригиращи датчици (барометрически висотомер, датчик на въздушна скорост и др.).

Корелаторът сравнява измереното мащабирано изображение на местността с различни участъци от еталонната карта и изчислява за всеки от тях корелационната функция с наблюдавания участък от местността.

Управлението на избора на съответната еталонна карта от общия албум се извършва също с помощта на ИНС.

Блокът за оценка на местоположението анализира информацията за съвкупността от корелационните функции, формирани от корелатора, съпоставя тази информация с информацията за местоположението на ПО, получавана от “грубата” ИНС и определя точните координати на ПО като координати на този елементарен участък от еталонната карта, чието поле максимално се корелира с наблюдаваното в дадения момент на изхода на ФИ изображение. Този блок формира коригиращи сигнали по положение и скорост за ИНС.

В зависимост от използваното физическо поле на Земята АКЕРНС могат да се класифицират като релефометрически, радиолокационни и топлинни.

РЕЛЕФОМЕТРИЧЕСКИТЕ КЕНС се използват за автономна навигация на ПО, летящи на малка височина. Навигационният параметър се формира чрез изваждане на измерената от радиолокационния висотомер височина от барометрическата височина, непрекъснато измервана от съответния барометричен висотомер:

Н_РЕЛ = Н_РЛ – Н_БАР,

където Н_РЕЛ е текущата височина на релефа на местността.

По този начин на изхода на ФИ се формира едномерната наблюдавана карта на местността, съответстваща на един от редовете на матрицата на еталонната карта на релефа на местността.

Разрешаващата способности точността на тези НС се определят от минималния размер на клетката на еталонната карта, съответстваща на разрешаващата способност на измерителя на височината, броя на сравняваните елементи и ширината на спектъра на техните пространствени честоти, който е обратно пропорционален на интервала на корелация на еталонната карта. За типова апаратура “ТЕРКОМ” с размер на елемента (клетката) за разрешаване 120х120 m и брой на елементите 64 (7,8 km по дължината на трасето), кръговата вероятна грешка практически съвпада с размерите на елементарната клетка на еталонната карта.

Предимства:

• 
  стабилност на релефа;
  
• 
  независимост от метеоусловията;
  
• 
  добра шумоустойчивост, доколкото излъчването на бордовата РЛС се извършва надолу и обхваща малък участък от местността, поради което ПО достатъчно бързо се оказва извън обхвата на евентуална наземна станция за смущения.
  

• 
  “не работят” над водна повърхност или равнинна местност;
  
• 
  висока трудоемкост при съставяне на еталонните карти;
  
• 
  за формиране реалното изображение на местността се изисква точно измерване на собствената скорост на ПО, а за точно местоопределяне – кадър с достатъчно “разтегнат” по трасето размер;
  
• 
  точността намалява с нарастване на височината на полета на ПО.
  

Радиолокационният профил на местността, получаван с помощта на активна РЛС, описва физическата структура на визирания участък от местността (дървета, пътища, езера, сгради и т.н.).

Основният проблем, възникващ при съставяне на радиолокационни карти, е изчисляването на коефициентите на отражение на отделните участъци от местността, чиято отразяваща способност зависи от ъгъла на визиране, сезона, метеоусловията и др.

За автономна навигация на ПО на големи, средни и малки височини радиолокационните датчици се комплексират с висотомер. В този случай бордовата РЛС формира четири странични лъча и един допълнителен вертикален лъч на радиовисотомера. Страничните лъчи осигуряват корелация по площ за големите и средните височини, а вертикалният лъч – релефометрическа корелация за малките височини.

РАДИОМЕТРИЧЕСКИТЕ КЕАНС основно се използват за автономна навигация на ПО над равнинна местност с недостатъчно изразен релеф, но имащи добър радиотоплинен контраст. Основното им предимство е способността им да работят във всякакви метеоусловия (дъжд, сняг, мъгла, ниска облачност), а също така в задимена или запрашена атмосфера.

Процедурата на съставяне на еталонните радиотоплинни карти е по-проста в сравнение с радиолокационните такива. С това се обяснява и по-широкото използване на радиотоплинните НС, особено за местоопределяне на нисколетящи ПО. Основен недостатък на тези НС е малкият им радиус на действие (около 5 km), доколкото нивото на радиотоплинния сигнал на входа на радиометричия приемник съществено зависи от степента на затихване на радиотоплинното излъчване в атмосферата.

1. 
   В. В. Шкирятов. Радионавигационные системы и устройства. М., “Радио и связь”, 1984.
   
2. 
   М. И. Финкельщейн. Основы радиолокации. М., “Радио и связь”, 1983.