Základy rádiové navigace

Transkript

1 Základy rádiové navigace

2 Obsah Definice pojmů Způsoby navigace Principy rádiové navigace Pozemské navigační systémy Družicové navigační systémy

3 Definice pojmů Navigace Vedení prostředku po stanovené trati pomocí navigačních prostředků se vyhodnocuje odchylka od stanovené trati a provádí se korekce, tzv. pilotáž Určování polohy Stanovení polohy (zeměpisných souřadnic) prostředku (uživatele)

4 Způsoby navigace Pilotáž (Map Matching - porovnávání s mapou) Odchylka trasy se určuje porovnáním význačných bodů v terénu s navigační mapou. Za nepříznivých povětrnostních podmínek obtížná nebo nemožná Deduced reckoning (let nebo jízda naslepo) Trasa letu je stanovena předem (kurzy, rychlosti, letové doby) Odchylka od stanovené trasy se neurčuje! Je nutné počítat s faktoru ovlivňující trajektorii letu (jízdy) směr a rychlost větru směr a rychlost mořských proudů přesnost vedení prostředku v daném kurzu atd.

5 Branné cvičení 80. léta 20. století (příklad deduced reckoning navigace) Úkol č. 5 Jděte z výchozího bodu po trase kurs vzdálenost m m m m m

6 Rádiová navigace Poloha resp. odchylka od trasy se vyhodnocuje na základě zpracování rádiových signálů AoA Angle of Arrival - směr příchodu signálu SS Signal Strength - síla signálu ToA Time of Arrival - čas příchodu signálu TDoA Time Difference of Arrival - rozdíl časů příchodu signálů DS Doppler shift - Dopplerův posuv kmitočtu nosné vlny Elektronické vyznačení trasy Elektronické vyznačení bodu

7 AoA směr příchodu signálu Aplikace sever φ uživatel maják Směrové antény Radiokompas DF Automatický radiokompas ADF Radar Dopplerovský směrový zaměřovač VHF Direction Finder (VKV směrový zaměřovač letadel) Zaměřování ukradených vozidel

8 Radiokompas Zaměření kurzu k radiomajáku pomocí směrové antény Rámová magnetická anténa Radiomajáky DV, SV rozhlasové vysílače Speciální všesměrové majáky NDB Konstrukce antény několik kruhových závitů v kovové trubce, na vrcholu rozřízlé, aby netvořila závit nakrátko Kombinace rámové a všesměrové antény vyzařovací charakteristika - kardioida - jedno minimum Vyzařovací charakteristika v horizontální rovině -osmičková -zaměřuje se na minimum -2 minima - problém s neurčitostí + anténa radiokompasu

9 Určování polohy určí se kurske dvěma všesměrovým majákům NDB poloha se určí jako průsečík příslušných radiál v navigační mapě přesnost závisí na přesnosti měření kurs k NDB1 kurs k NDB2 NDB1 NDB2 sever

10 Navigace letová trasa je vyznačena všesměrovými radiomajáky NDB letadlo letí od majáku k majáku problém s bočním větrem NDB1 skutečná dráha letu (psí křivka) rychlost vzhledem k zemskému povrchu zamýšlená dráha letu rychlost větru rychlost vzhledem k atmosféře

11 Dopplerovský směrový zaměřovač y rotující anténa Ω φ R n Rotační pohyb antény způsobí, že v důsledku Dopplerova jevu bude přijímaný signál kmitočtově modulovaný harmonickým signálem s periodou otáčení antén. Fáze modulačního signálu závisí na směru φ příchodu signálu. x směr příchodu signálu Souřadnice rotující antény xt R t ( ) = sin( Ω ) () = cos( Ω ) yt R t rychlost dx( t) vx () t = = RΩcos( Ωt) dt dy() t vy () t = = RΩsin Ωt dt ( ) Dopplerův posuv kmitočtu způsobuje vzájemná rychlost antén v t = v t cosϕ + v t sinϕ = ( ) ( ) ( ) R ( t) ϕ R ( t) R sin( t ϕ ) n y x = Ωsin Ω cos + Ωcos Ω sinϕ = = Ω Ω Kmitočet přijímaného signálu c+ vn fc frx = fc = fc RΩsin( Ωt ϕ ) c c kmitočtová modulace fáze závisí na směru příchodu signálu

12 Dopplerovský směrový zaměřovač Rotující anténu lze nahradit přepínáním antén rozmístěných po kružnici Ω

13 SS síla signálu Měří vzdálenost od majáku na základě úrovně přijímaného signálu Uživatel se nachází na kružnici resp. na povrchu koule o poloměru R Při použití více majáků lze určit polohu jako průsečík příslušných kruhů resp. koulí Radiokomunikační rovnice P λ = PGG 4π R dp v v p 2 Aplikace měření vzdálenosti k prahu vzletové a přistávací dráhy u systému ILS (nepoužívá se) R maják pokusy s navigací uvnitř budov uživatel

14 ToA čas příchodu signálu Měří vzdálenost od majáku na základě doby šíření signálu Uživatel se nachází na kružnici resp. na povrchu koule o poloměru R Při použití více majáků lze určit polohu jako průsečík příslušných kruhů resp. koulí uživatel R = ct z maják vysílaný signál časové značky t přijímaný signál t z t zpoždění signálu způsobené šířením

15 ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy ct R = z 2 odraz od cíle Signál radaru je vysílán směrovou anténou, což dovoluje určit směr cíle (kombinace AoA a ToA) Pasivní odraz od cíle S PG v 4π R = plošná hustota výkonu a 2 Schopnost cíle odrážet rádiové vlny se popisuje pomocí efektivní odrazné plochy A ef. Cíl se chová jako izotropní zářič. P O = SA odražený výkon od cíle ef Radarová rovnice 2 2 λ 2 λ = pd O a = v ef a 3 4 P P G PA G 4π R 4 ( π ) Výkon přijímaného signál klesá se čtvrtou mocninou vzdálenosti cíle!!! R

16 ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy odraz od terénu cτ z h= 2

17 ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar tz t R= c 2 p kódovaný dotaz kódovaná odpověď dotazovač odpovídač t p - doba zpracování signálu v odpovídači Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy

18 ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr tz t R= c 2 p kódovaný dotaz kódovaná odpověď odpovídač Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar odpovídač t p - doba zpracování signálu v odpovídači Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy Signál radaru je vysílán směrovou anténou, což dovoluje určit směr cíle (kombinace AoA a ToA) Sekundární radar řeší nevýhodnou energetickou bilanci primárního radaru. Cíl musí být vybaven rádiově aktivním odpovídačem sekundárního radaru.

19 ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar R = ct z značky v přesně definovaných časech t z t zpoždění signálu Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy způsobené šířením Problém Maják a uživatel musí mít synchronizovanou časovou základnu. Chyba 1µs představuje chybu ve vzdálenosti 300m.

20 TDoA rozdíl časů příchodu signálů Řeší problém přesnosti časové základny uživatele u systémů ToA Signál vysílán dvěma nebo více synchronizovanými majáky Uživatel vyhodnocuje rozdíl časů příchodu signálu od majáků maják2 maják1 uživatel Aplikace Loran C Omega Deca Tamara a její nástupci maják3 Hyperbola křivka s konstantním rozdílem vzdálenosti (zpoždění) mezi ohnisky

21 DS Dopplerův posuv kmitočtu nosné vlny Měří vzájemnou rychlost uživatele a majáku v1 vd1 P1 (x1,y1,z1) Aplikace Transit GNSS stanovení vektoru rychlosti uživatel (x,y,z) dráha družice

22 Elektronické vyznačení trasy A-N range vznikl v 20 letech, sloužil do 50 let pracuje na khz výkon vysílače 1500 W 2 vertikální rámové antény 1 anténa vysílá morse A (tečka čárka) 2 anténa vysílá morse N (čárka tečka) A elektronický paprsek Aplikace A-N Range VOR ILS TACAN N N A elektronický paprsek

23 Elektronické vyznačení bodu Aplikace Marker maják

24