RÁDIOVÉ URČOVÁNÍ POLOHY

Transkript

1 Přehled témat: UP 1a ÁDIOVÉ UČOVÁNÍ POLOHY 1. Úvod. Princiy rádiového určování olohy, tyy systémů určování olohy, alikace. 2. Časoměrné a fázoměrné systémy určování olohy, rinci měření časového zoždění, rozlišovací schonost, jednoznačnost, řesnost, DOP faktor. 3. Úhloměrný a dolerovský systém měření olohy a rychlosti, rozlišovací schonost, jednoznačnost, řesnost, DOP faktor. 4. Šíření elmag. vln v atmosféře, vliv terénu a řekážek, odrazy od objektů. 5. adarové rovnice: radarová rovnice monostatického a bistatického rimárního radaru, sekundárního radaru, uravené tvary. 6. ovnice dosahu radarů. Tyy radarových systémů odle koherence a oakovacího kmitočtu, struktury radarů. 7. Primární zracování signálu v radaru komrese ulzu 8. Primární zracování signálu v radaru dolerovská filtrace a extrakce 9. Sekundární zracování signálu v radaru sledování cílů, Kalmanova filtrace 1. Přehled satelitních navigačních systémů NAVSTA, GLONASS, GALLILEO 11. NAVSTA: odrobný ois systému, zdroje chyb měření olohy, řesnost měření, korekce vlivu ionosféry, DGPS, WAAS 12. Navigační řijímač, obsah a struktura datových zráv 13. Základními měřítka výkonnosti a bezečnosti a odvození základních hodnot těchto měřítek z otřeb letectví. Dooručená literatura: Bezoušek P., Šedivý P.: adarová technika, skrita ČVUT Praha, 28 Hrdina Z., Pánek P., Vejražka F.: ádiové určování olohy, ČVUT Praha, 1996

2 TYPY SYSTÉMŮ ÁDIOVÉHO UČOVÁNÍ POLOHY Určování vlastní olohy Navigační systémy Určování olohy jiného objektu adary Satelitní navigační systémy (GPS, GLONASS, GALILEO) Pozemní navigační systémy (LOAN, OMEGA) Letecké navigační systémy (ILS, VO, ISBN, DME) Primární radary (řízení letového a lodního rovozu - ŘLP, maování, ostraha) Sekundární radary (ŘLP, vyhledávání osádek v nouzi, identifikace) Pasivní radarové systémy (ostraha rostoru, ŘLP)

3 PINCIPY ÁDIOVÉHO UČOVÁNÍ POLOHY 1. Časoměrný Vzdálenost mezi body se určuje ze zoždění t signálu: d = c.t Hyerbolický systém: a) Pozemní asivní radar z (t, x, y, z ) 2 t 2 A t 1 t 3 A 3 A 1 t 4 y A 4 x Čtyři ozemní řijímací stanice měří okamžiky říchodu t 1, t 2, t 3, t 4 signálu, vysílaného letadlem v okamžiku t a v místě (x, y, z ). adar může zjistit ouze rozdíly mezi časem říchodu signálu na jednotlivé stanice: t 2 -t 1, t 3 -t 1, t 4 -t 1, které odovídají rozdílům vzdáleností: 2-1, 3-1, 4-1. Geometrické místo bodů, které mají ke dvojici bodů konstantní rozdíl vzdáleností (nař. 2-1 k bodům A 2, A 1 ) je rotační hyerboloid (v rovině hyerbola) odtud hyerbolické systémy. Tři dvojice řijímacích stanic (nař: A 1 -A 2, A 1 -A 3, A 1 -A 4 ) takto generují 3 hyerboloidy, které se v ideálním říadě rotínají v místě letadla.

4 b) Satelitní navigační systém A 3 A 2 A A A (x,y,z ) Družice na známých olohách A 1, A 2, A 3, A 4, vysílají své signály, které zachytí řijímač na letadle a změří jejich zoždění t 1, t 2, t 3, t 4, oroti (známému) okamžiku vysílání. Toto měření je však zatíženo chybou t hodin řijímače vůči hodinám na družicích řijímač může řesně určit ouze rozdíly zoždění: t 2 t 1, t 3 t 1, t 4 t 1,. ozdílům časů odovídají oět rozdíly vzdáleností 2 1, 3 1, 4 1,. To oět vede na hyerbolický systém P2 P3-P4 V P2-P3 P1 P4 P3

5 Elitický systém: Bistatický/multistatický radar Vysílač 1 1ob Objekt 2ob Vysílač 2 1 ob t 1ob t 2ob 2 t 1 t 2 řijímač Přijímač řijímá signály několika vysílačů řicházející jednak o římé dráze od vysílačů (známá oloha), jednak odražené od sledovaného objektu. Vyhodnocuje rozdíly časů říchodu (t kob - t k ) a ři známých vzdálenostech vysílačů k vyočítá součet vzdáleností kob + ob = 1 + c.(t kob - t k ) Množina bodů, které mají od dvou evných bodů stejný součet vzdáleností je elisoid (v rovině elisa) elitické systémy. Každá dvojice vysílač řijímač generuje jeden elisoid ro každý objekt a v růsečíku všech elisoidů leží oloha sledovaného objektu. Kulový systém: Monostatický radar Pokud slyne oloha vysílače a řijímače řejde systém elitický v kulový (geometrickým místem je koule) Vysílač + řijímač Objekt 2 = c.(t ř t vys )

6 2. Fázoměrný Vzdálenost mezi body se určuje na základě rozdílu fáze vlny mezi koncovými body. Naříklad u kulové vlny: ex jk r r Er Er kr ozdíl fází v bodech r a r je tedy roven: k, kde k je tzv. vlnový vektor, r r r r k r r k r r kx x x y y y z z z V říadě, že se vlna šíří odél osy z (k z), zjednoduší se vztah na: z z z z z z k z z z 2 2f c c Změřením rozdílu fází můžeme tedy zětně určit vzdálenost z z : z z 2 k 2 Měření, založená na rozdílu fází dvou vln nazýváme obecně interferometrická Ve skutečnosti ři měření neumíme rozlišit fáze, které se liší o 2, říkáme, že rozdíl fází měříme mod(2). Jednoznačně tedy umíme stanovit fázi ouze v rozmezí ; 2), to znamená délku v rozmezí ; ). V tomto rozmezí můžeme fázi změřit s vysokou řesností. Interferometrická měření vzdálenosti: Měření vzdálenosti k nějaké velké řekážce nebo měření výšky hladiny. Kmitočet je ovšem nutno volit tak, aby maximální vzdálenost byla kratší, než olovina vlnové délky: 2 max. vysílač =.( - odr )/(4), kde odr je změna fáze, k níž dojde ři odrazu. Chyby měření: =./(4) + odr /(4) max./(2) + odr /(2) Vidíme, že ři tomto zůsobu měření rostou chyby římo úměrně max. Východiskem je oužití dvou kmitočtů f 1 a f 2, s vlnovými délkami 1 a 2.

7 Volba kmitočtů může být různá. Můžeme naříklad volit kmitočty tak, aby: 2 max / 1-2 max / 1 1, otom: = N. 1 /2 + 1.( 1 - odr1 )/(4) = N. 2 /2+ 2.( 2 - odr2 )/(4) kde: 1, odr1, 1, odr1 jsou měřené rozdíly fází a fáze odrazu na kmitočtech f 1 a f 2 a) N = 1.( 1 - odr1 ) - 2.( 2 - odr2 )/2( 2-1 ) b) = N. 1 /2+ 1.( 1 - odr1 )/(4) N. 1 /2 max 1 2 max /N Potom: = 1./(4) + 1. odr /(4) ( max /N)/(2) + odr /(2) N se dá v raxi volit až 1 nebo 2, takže dosah velmi řesného měření se tím značně rozšíří. Maximální dosahy touto metodou však obvykle neřesahují 2 m. Interferometrická měření úhlu (interferometr): Jde o zařízení, které slouží k určení úhlu, od nímž doadá rovinná vlna na rovinu, osazenou řijímači. Ve dvou rozměrech to vyadá takto: Směr doadu vlny d vlnolocha L Přijímač 1 Přijímač 2 Jednoduchý interferometr (interferometr s jednou bází: L) Zoždění vlny na řijímači 2: = 2.d/= 2.L.sin/ = arcsin(/2)(/l) Pro jednoznačnost však musí latit: d L A ro chyby: (/2).(/L) (/2) Interferometr s jednou bází Zvýšení řesnosti se dosáhne oužitím dvoubázového interferometru.

8 vlnolocha Přijímač P1 Směr doadu vlny d 1 L 1 L 2 Přijímač P2 d 2 Přijímač P3 Interferometr se dvěmi bázemi L 1 a L 2 Krátká báze: L 1 - zajišťuje jednoznačnost ozdíl fází mezi P2 a P1: 1 = 2.L 1.sin/ Přibližné určení : = arcsin( 1 /2)(/L 1 ) Dlouhá báze: L 2 - zajišťuje řesnost ozdíl fází mezi P3 a P1: 2 = 2.L 2.sin/ Uřesnění : = arcsin( 2 /2+N)(/L) kde: N = d 2 / = (L 2 /L 1 ).(d 1 /) = = (L 2 /).sin 3. Směroměrný Zařízení využívá směrové charakteristiky antény. Příklad asivního směroměrného systému: Nejistota určení olohy: dB, 1 13dB, 2 23dB, 2 23dB Nař. ro 1 = 1 km a 13dB = 2 : Nejistota: 3,2 km! 13dB 13dB 1, 1 2, 2 L 23dB 23dB Dvě stanice určí olohu vysílače.

9 4. Dolerovský Jak již bylo ukázáno ři oisu fázoměrného systému dochází ke změně fáze odél dráhy mezi řijímačem a vysílačem: 2 Celková fáze je ak rovna: t t c Jestliže se vysílač a řijímač ohybují vůči sobě, nebo se ohybuje odrážející těleso, může se celková délka dráhy s časem měnit. Řekněme, že jde o rovnoměrnou změnu (t) = v.t. Potom: d d dt v 2 dt c a celková fáze je rovna: v t t t d t c, v kde: d je tzv. Dolerův kmitočet (osuv kmitočtu) c Dolerův jev: Mění-li se délka dráhy arsku mezi vysílačem a řijímačem, liší se kmitočet řijímaného signálu od vysílaného o hodnotu d = -.v/t (Dolerův osuv kmitočtu), kde je kmitočet šířícího se signálu a v je rychlost změny délky dráhy arsku mezi vysílačem a řijímačem. Naříklad: a) Přibližuje-li se vysílač k řijímači tzn. se zkracuje a rychlost v = d/dt je záorná, takže Dolerův osuv d je kladný a řijímač řijímá vyšší kmitočet, než vysílač vyslal. b) Když bude kmitočet řenášeného signálu f = 1 GHz a rychlost v = - 1 km/h, bude Dolerův osuv roven: f d = /3.1 8 = 93,3 Hz Dolerovské systémy tedy měří Dolerův osuv řijímaného signálu a odtud vyhodnocují rychlost změny dráhy arsku. Při jediném měření nelze touto cestou bez znalosti ředběžné olohy určit ani rychlost ani olohu objektu (vysílače, odrážejícího nebo odovídajícího objektu). Pouze ři měření Dolerova osuvu v delším časovém intervalu lze dráhu objektu rekonstruovat. V obecném říadě (neznámý model ohybu objektu) však jde o velmi náročnou matematickou úlohu. Proto je dnes

10 oužití čistě Dolerovských systémů výjimečné a měření Dolerova osuvu se většinou oužívá uze jako dolněk ostatních tyů měření. Příklad Dolerovského systému: (t), d (t) (t) min d (t) min d kmitočet radaru t - d t d t vt t t v t t 2 2 d d 2 t t d t t dt min 2 c dt 2 d 2v c min 2 cdt ; min c t 2 2v dd t t c dt v d c 2 5. Kombinované systémy Zajímavé vlastnosti mají systémy, které kombinují využití jednotlivých metod měření olohy a rychlosti. Nař: Monostatický radar využívá: Časoměrnou metodu ro určení vzdálenosti Směroměrnou metodu ro určení úhlu Dolerovskou metodu ro určení rychlosti Vyhledávací systémy: Časoměrná metoda ro určení vzdálenosti, směroměrná (ří. interferometrická) ro určení směru (dotazovač a odovídač) (Naoak Námořní satelitní vyhledávací systémy Kosas/Sarsat využívají ouze Dolerovskou metodu na dlouhé dráze satelitu) Přistávací systémy DME/ILS: dálkoměrnou metodu (DME) ro určení vzdálenosti letadla od letiště směroměrnou ro určení směru sestuové osy