Видео в конце...
Всем привет! Мы продолжаем рассматривать широко используемые технологии навигации. До этого момента мы рассматривали способы определения направления на источник радиосигнала при помощи направленной антенны, установленной на борту воздушного судна. Также был вариант с изменением параметров сигнала при вращении диаграммы направленности радиомаяка, что позволяет самолету оценить направление на источник сигнала путем оценки этого параметра. На этот раз поговорим о способе, который является настолько универсальным, что готов заменить любые другие системы навигации. Интересно? Тогда начинаем...
Почему GPS всех вытесняет?
Пилоты ультралегких самолетов чаще всего не оборудуют свои летательные аппараты широким набором приборов навигации. Это дорого, дает много избыточной нагрузки как на электросеть, так и придает массу. Это довольно критично для такого класса транспортных средств. Однако, легкий планшетный компьютер со специальным программным обеспечением способен взять на себя большинство из функций не установленного оборудования. И это не только средства навигации, но и самые необходимые пилотажные приборы, такие как высотометр, спидометр и авиагоризонт.
Сейчас наверняка будет массу возмущений по поводу адекватности такой замены, но позвольте уточнить, не об адекватной замене речь. Все же прекрасно понимают, что набор датчиков планшетного компьютера сводится чаще всего к G-сенсору и приемнику GPS сигналов. Сейчас важность глобальной спутниковой навигации как никогда высока. Поработав с вычисленными координатами, на экран планшета можно вывести практически любую необходимую навигационную информацию и даже изобразить высотомер и спидометр.
Принцип работы гиперболических систем навигации
Давайте разберемся как устроен качественно отличающийся от всех способ навигации и начнем прародителя спутниковой навигации - это гиперболические системы навигации.
Представим себе 2 радиостанции, излучающие радиоимпульс во всех направлениях. Пунктирными линиями (рис. выше) показаны границы на которых будет наблюдаться фронт волны через определенные временные промежутки. Для красоты границы проведены через каждую миллисекунду. Учитывая скорость света, эти границы расположены через каждые 300 километров. Пусть от одной станции сигнал доходит за 5 миллисекунд, от другой за 6. Приемнику неизвестно в какой момент началась передача, он лишь может подсчитать, что между импульсами 1 миллисекунда. Это вся информация, которую может получить приемник из радиоэфира.
Временной промежуток между импульсами не может сказать о точном местоположении приемника и сейчас мы это увидим на рисунке.
Времени между импульсами ноль миллисекунд соответствует множество точек на местности. Это те места, куда сигналы дойдут одновременно. Из математики известно, что
геометрическое место точек, равноудаленных от двух данных точек есть прямая.
Реально приемник может быть в бесконечном количестве мест на этой прямой и сигналы придут одновременно.
По тому же принципу ситуации, когда один импульс обгоняет другой на 2 миллисекунды соответствует также множество точек.
Еще раз повторимся, приемник ничего не знает о времени начала передачи, но видит лишь разницу во времени между импульсами.
Если разница между импульсами составляет 3 миллисекунды, то множество возможных точек положения приемника на плоскости собирается в кривую, изображенную зеленым цветом.
Все эти кривые в математике являются частными случаями гипербол. Видимо по этой причине такие системы навигации называются гиперболическими. Общим у всех этих систем является измерение времени. Упомянутая выше система
GPS занимается тем, что измеряет время.
Точное положение приемника на плоскости вычисляется при помощи еще одной, как минимум, третьей станции, которая создает еще одну гиперболу, пересекающую уже имеющуюся. Эта точка пересечения и будет геометрическим местом, которое удовлетворяет всем условиям одновременно.
Диапазон длинных волн
Для обеспечения большой зоны обслуживания системы необходимо было выбрать такие радиоволны, что способны распространяться на дальнее расстояние. Как мы уже знаем из прошлых выпусков, такой диапазон длин есть. Это диапазон длинных волн (ДВ). Особенность этого диапазона является отражение от поверхности земли и от ионосферы, что заключает волны в подобие волновода, где они сравнительно слабо затухают.
Расположение передатчиков
Передатчики в одной региональной системе навигации расположены на некотором удалении друг от друга и образуют систему из одной ведущей станции и нескольких ведомых.
Структура сигналов
Структура сигналов представляет собой следующую систему. Строго в соответствии со сверхточными сигналами времени ведущая станция излучает 8 радиоимпульсов с интервалом в 1 миллисекунду и девятый импульс спустя еще 2 миллисекунды.
После ожидания строго определенного интервала задержки, известной всем, начинает излучать первая ведомая станция.
Она выдает в эфир 8 радиоимпульсов. Как только выходит время ожидания для второй ведомой станции - она также излучает 8 радиоимпульсов. Как только только очередь всех ведомых радиостанций прошла и выждан групповой интервал повторения, то цикл повторяется вновь. Интервал между повторениями цикла называется интервал повторения группы.
Пишем сигнал
Попробуем записать сигнал из эфира, используя онлайн приемник, расположенный в Нидерландах. Спектр сигнала одной из систем гиперболического типа (LORAN) сосредоточен вокруг несущей частоты 100 килогерц. Сигнал импульсный, поэтому и спектр его довольно размазан. Средствами онлайн сервиса переносим спектр на нулевую частоту и записываем отсчеты сигнала в файл.
Без особого труда в записанном сигнале находится группа импульсов ведущей станции. 8 импульсов с интервалом 1 миллисекунда, девятый спустя еще две. Перенос сигнала на нулевую частоту убрал заполнение сигнала несущей с частотой 100 килогерц и оставил только огибающую.
Как обрабатывается сигнал?
Поскольку задержки начала излучения сигналов для всех станций в системе известны, то приемнику совершенно не сложно определить получившуюся разницу во времени между приходами пачки импульсов и определить расхождение с паспортными значениями. Далее в дело вступает царица всех наук - математика.
Представленная выше структура сигнала очень хорошо подходит для изучения таких задач радиотехники, как обнаружение сигнала, оценка параметров сигнала.
Что касается математики, то тут тоже есть где развернуться. Решение задачи определения координат приемника может быть с использованием методов аналитической геометрии или даже переборными способами. Перебор может быть тупым или умным, используя метод наискорейшего спуска или другой оптимизационный метод. Таким образом, даже один этот выпуск может превратиться в дюжину интереснейших статей и видео, где мы придем к решению задачи и даже сможем разработать аппаратно-программное средство навигации.
LORAN, Альфа, Omega, Чайка и другие...
Во второй половине 20 века после окончания второй мировой войны военные ведомства многих стран занимались разработкой своих региональных систем навигации, базирующихся на измерении времени задержки прихода радиосигналов. Чайка это советский аналог зарубежной системы LORAN.
Не без основания чрезвычайная простота сигналов таких систем считалась большим минусом в вооруженных силах. Зная характеристики конкурирующих систем можно использовать и их сигналы для увеличения точности навигации и для проведения операций на большом удалении от своих систем.
Появление GPS навигации в какой-то момент времени поставило существование рассматриваемых систем под угрозу и даже породило волну закрытий финансирования соответствующих программ. Однако, ряд факторов остановил процесс уничтожения имеющихся систем и даже способствовал возникновению качественно новой системы навигации гиперболического типа (eLORAN).
О минусах и плюсах системы GPS вы узнаете из следующих выпусков.
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, впереди много интересного, не пропустите.
