Введение

Использование радиочастотных электромагнитных волн для определения местоположения на поверхности Земли.

Радионавигация – это применение радиочастот для определения местоположения объекта на Земле, будь то судно или препятствие. Как и радиолокация, это один из видов радиоопределения. Основными принципами являются измерения от/до электрических радиомаяков, в частности:

Угловые направления, например, по пеленгу, радиофазам или интерферометрии;
Расстояния, например, определение дальности по времени распространения сигнала между одним передатчиком и несколькими приемниками или наоборот;
Разности расстояний по времени прихода сигналов от одного передатчика к нескольким приемникам или наоборот;
Частично также скорость, например, с помощью радиоэффекта Доплера. Важны также комбинации этих принципов измерения – например, многие радары измеряют дальность и азимут цели.

Системы измерения подшипников

Эти системы использовали ту или иную направленную радиоантенну для определения местоположения наземной радиостанции. Затем применялись традиционные методы навигации для определения местоположения по радиосигналу. Они были разработаны до Первой мировой войны и до сих пор используются.

Радиопоиск направления

Первой системой радионавигации был радиопеленгатор, или RDF. Настроившись на радиостанцию и затем используя направленную антенну, можно было определить направление на передающую антенну. Затем проводилось второе измерение с использованием другой станции. С помощью триангуляции эти два направления наносились на карту, и точка их пересечения указывала местоположение определяющего свое положение. Коммерческие АМ-радиостанции можно было использовать для этой цели благодаря их большой дальности и высокой мощности, но также устанавливались цепочки низкомощных радиомаяков, специально предназначенных для этой задачи, особенно вблизи аэропортов и портов. Ранние системы RDF обычно использовали рамковую антенну – небольшое кольцо из металлической проволоки, которое монтировалось таким образом, чтобы его можно было вращать вокруг вертикальной оси. Усовершенствованная версия была представлена Великобританией в 1929 году под названием Orfordness Beacon и использовалась до середины 1930-х годов. За ней последовала серия улучшенных версий, в которых механическое вращение антенн было заменено фазовыми методами, создающими ту же диаграмму направленности без движущихся частей. Одним из наиболее долговечных примеров был Sonne, который был введен в эксплуатацию незадолго до Второй мировой войны и использовался под названием Consol до 1991 года. Современная система VOR основана на тех же принципах (см. ниже).

ADF и NDB

Большой прогресс в технике радиопеленгации (RDF) был достигнут благодаря фазовому сравнению сигнала, измеряемого на двух или более небольших антеннах, или на одной высоконаправленной катушке индуктивности (соленоиде). Эти приемники были меньше, точнее и проще в эксплуатации. В сочетании с появлением транзистора и интегральных схем, системы RDF настолько уменьшились в размерах и сложности, что вновь стали широко распространены в 1960-х годах, получив новое название – автоматический пеленгатор (ADF). Это также привело к возрождению использования простых радиомаяков для работы с этими системами RDF, которые теперь называются недирекционными радиомаяками (NDB). Поскольку низко- и среднечастотные (LF/MF) сигналы, используемые NDB, могут огибать земную поверхность, дальность действия NDB значительно больше, чем у VOR, который распространяется только в пределах прямой видимости. NDB можно классифицировать как маяки большой или малой дальности в зависимости от их мощности. Частотный диапазон, выделенный для недирекционных радиомаяков, составляет 190–1750 кГц, однако та же система может использоваться и с любой обычной коммерческой станцией AM-диапазона.

ВОР

VHF всенаправленный радиомаяк, или VOR, является реализацией обратной системы РДФ, но более точной и способной к полной автоматизации. Станция VOR передает два аудиосигнала на ВЧ-носителе – один – код Морзе частотой 1020 Гц для идентификации станции, другой – непрерывный аудиосигнал частотой 9960 Гц, модулированный с частотой 30 Гц, при этом 0 градусов отсчитывается от магнитного севера. Этот сигнал вращается механически или электрически с частотой 30 Гц, что проявляется как АМ-сигнал частотой 30 Гц, добавляемый к предыдущим двум сигналам, фаза которого зависит от положения воздушного судна относительно станции VOR. Сигнал VOR представляет собой один ВЧ-носитель, который демодулируется в составной аудиосигнал, состоящий из опорного сигнала частотой 9960 Гц, частотно-модулированного с частотой 30 Гц, АМ-сигнала частотой 30 Гц и сигналом "маркер" частотой 1020 Гц для идентификации станции. Преобразование этого аудиосигнала в полезное навигационное средство осуществляется навигационным преобразователем, который принимает опорный сигнал и сравнивает его фазу с переменным сигналом. Разность фаз в градусах отображается на навигационных дисплеях. Идентификация станции осуществляется путем непосредственного прослушивания аудио, поскольку сигналы частотой 9960 Гц и 30 Гц фильтруются из внутренней системы связи самолета, оставляя только идентификацию станции кодом Морзе частотой 1020 Гц. Система может использоваться совместно с совместимым курсоглиссадным и маяковым приемником, что делает воздушное судно способным к использованию системы ILS (инструментальной посадки). Когда заход самолета точен (самолет находится в "правильном месте"), приемник VOR используется на другой частоте для определения, направлен ли самолет в "правильном направлении". Некоторые воздушные суда обычно оснащаются двумя системами приемников VOR, одна – в режиме VOR для определения "правильного места", а другая – в режиме ILS в сочетании с курсоглиссадным приемником для определения "правильного направления". Комбинация обоих обеспечивает точный заход на посадку в неблагоприятных погодных условиях.

Системы баллонов

Системы лучевой связи передают узконаправленные сигналы в эфире, а навигация осуществляется путем удержания самолета в центре луча. Для создания воздушного коридора используется несколько станций, и пилот настраивает приемник на различные станции по мере продвижения по маршруту. Эти системы были широко распространены в эпоху, когда электронное оборудование было громоздким и дорогим, поскольку они предъявляли минимальные требования к приемникам – достаточно было простых речевых радиоприемников, настроенных на нужные частоты. Однако они не обеспечивали навигацию вне зоны действия лучей, что ограничивало их гибкость. Быстрое уменьшение размеров и стоимости электронных компонентов во время и после Второй мировой войны сделало системы, такие как VOR, практическими, и большинство систем лучевой связи быстро устарели.

Лоренц

В эпоху после Первой мировой войны немецкая компания Lorenz разработала способ передачи двух узких радиосигналов с небольшим перекрытием в центре. Транслируя различные звуковые сигналы в этих двух лучах, приемник мог очень точно позиционировать себя вдоль центральной линии, ориентируясь по сигналу в наушниках. В некоторых вариантах система обеспечивала точность менее одного градуса. Изначально известная как "Ultrakurzwellen Landefunkfeuer" (LFF), или просто "Leitstrahl" (направляющий луч), она столкнулась с недостатком финансирования для создания сети станций. Первая широко распространенная радионавигационная сеть, использующая низкие и средние частоты, была разработана в США (см. LFF ниже). В Германии работы были возобновлены в 1930-х годах в виде системы малой дальности, развернутой в аэропортах для обеспечения посадки в условиях плохой видимости. Несмотря на интерес к созданию системы средней дальности, аналогичной американской LFF, ее развертывание не началось, когда эта лучевая система была объединена с принципами синхронизации Orfordness для создания высокоточной системы Sonne. Во всех этих применениях система получила общее название "луч Лоренца". Lorenz стала ранним предшественником современной автоматической системы посадки. Непосредственно перед Второй мировой войной та же концепция была разработана и как система слепого бомбометания. Для этого использовались очень большие антенны, обеспечивающие необходимую точность на больших расстояниях (над Англией), и мощные передатчики. Применялись два таких луча, пересекающихся над целью для ее триангуляции. Бомбардировщики входили в один из лучей и использовали его для навигации, пока не принимали сигнал второго луча во втором радиоприемнике, используя его для определения момента сброса бомб. Система была высокоточной, что привело к "Битве за лучи", когда британские спецслужбы предприняли, а затем и успешно осуществили попытки вывести систему из строя посредством радиоэлектронной борьбы.

Низкочастотный радиодиапазон

Низкочастотный радиодиапазон (LFR, также известный как "Четырехлучевой радиомаяк" и под другими названиями) был основной навигационной системой, используемой самолетами для полетов по приборам в 1930-х и 1940-х годах в США и других странах, до появления VOR в конце 1940-х годов. Он применялся как для маршрутной навигации, так и для захода на посадку по приборам. Наземные станции состояли из четырех антенн, формирующих два перекрывающихся направленных сигнала в виде восьмерок, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Один из этих сигналов передавался кодом Морзе "А" (точка-тире), а другой – "Н" (тире-точка). Это создавало два противоположных квадранта с сигналом "А" и два противоположных квадранта с сигналом "Н" вокруг станции. Границы между этими квадрантами формировали четыре направления или "луча", и при полете по ним сигналы "А" и "Н" сливались в постоянный сигнал "на курсе", указывая пилоту, что он находится на линии курса. При отклонении от курса громкость сигнала "А" или "Н" увеличивалась, предупреждая пилота о необходимости корректировки. Лучи обычно выравнивались с другими станциями, образуя сеть воздушных трасс, позволяя самолетам лететь от аэропорта к аэропорту, следуя по выбранной цепочке станций. Эффективная точность курса составляла около трех градусов, что обеспечивало достаточный запас прочности для захода на посадку по приборам до низких минимальных высот вблизи станции. В период наибольшего распространения в США насчитывалось более 400 станций LFR.

Транспондерные системы

Позиции могут быть определены с помощью любых двух измерений угла или расстояния. Появление радаров в 1930-х годах позволило напрямую определять расстояние до объекта даже на больших расстояниях. Навигационные системы, основанные на этих принципах, вскоре появились и оставались широко используемыми до недавнего времени. Сегодня они используются преимущественно в авиации, хотя GPS во многом заменил их в этой роли.

Радары и транспондеры

Ранние радиолокационные системы, такие как британская Chain Home, состояли из больших передатчиков и отдельных приемников. Передатчик периодически посылает короткий импульс мощного радиосигнала, который излучается в пространство через передающие антенны. Когда сигнал отражается от цели, часть этого сигнала возвращается обратно в направлении станции, где он принимается. Принятый сигнал составляет незначительную часть мощности излучения и должен быть сильно усилен для использования. Те же сигналы передаются по местной электрической проводке на рабочую станцию оператора, оснащенную осциллоскопом. Электроника, подключенная к осциллоскопу, формирует сигнал, напряжение которого возрастает в течение короткого промежутка времени, нескольких микросекунд. При подаче на X-вход осциллоскопа это создает отображение горизонтальной линии на экране. Этот "разверток" запускается сигналом, ответвленным от передатчика, поэтому развертка начинается одновременно с отправкой импульса. Усиленные сигналы от приемника затем поступают на Y-вход, где любое принятое отражение вызывает перемещение луча вверх по экрану. Это приводит к появлению серии "отметок" вдоль горизонтальной оси, указывающих на отраженные сигналы. Измеряя расстояние от начала развертки до отметки, что соответствует времени между излучением и приемом, можно определить расстояние до объекта. Вскоре после появления радиолокации появился радиотранспондер. Транспондер – это комбинация приемника и передатчика, работа которых автоматизирована: при приеме определенного сигнала, обычно импульса на определенной частоте, транспондер отправляет ответный импульс, как правило, с небольшой задержкой. Транспондеры изначально использовались в качестве основы для ранних систем IFF (идентификации "свой-чужой"); самолеты, оснащенные соответствующим транспондером, отображались на экране в рамках нормальной работы радиолокатора, а затем сигнал от транспондера вызывал появление второй отметки через короткое время. Одиночные отметки обозначали противника, двойные – союзника. Дистанционные навигационные системы на основе транспондеров обладают значительным преимуществом в точности определения местоположения. Любой радиосигнал распространяется с расстоянием, формируя веерообразные лучи, как, например, сигнал Лоренца. По мере увеличения расстояния между передатчиком и приемником площадь, охватываемая веером, увеличивается, что снижает точность определения местоположения внутри него. В отличие от этого, системы на основе транспондеров измеряют время между двумя сигналами, и точность этого измерения в основном зависит от характеристик оборудования и больше ни от чего. Это позволяет этим системам сохранять высокую точность на больших расстояниях. Современные транспондерные системы (режим S) также могут предоставлять информацию о местоположении, возможно, полученную от GNSS, что обеспечивает еще более точное определение местоположения целей.

Бомбардировочные системы

Первой навигационной системой, использующей определение расстояния, была немецкая система слепого бомбометания Y Gerät. Она использовала луч Лоренца для горизонтального определения местоположения и транспондер для измерения дальности. Наземная система периодически посылала импульсы, которые возвращались на борт самолета транспондером. Измеряя общее время прохождения сигнала на экране радиолокационного осциллографа, можно было точно определить дальность до самолета даже на очень больших расстояниях. Оператор передавал эту информацию экипажу бомбардировщика по голосовой связи и указывал момент сброса бомб. Британцы разработали аналогичные системы, наиболее известной из которых была система Oboe. Она использовала две станции в Англии, работавшие на разных частотах, что позволяло определять положение самолета методом триангуляции. Чтобы снизить нагрузку на пилотов, для навигации использовалась только одна из станций – перед вылетом над целью с одной из станций проводился круг, и самолету давались указания лететь вдоль этого круга наземным оператором. Вторая станция использовалась, как и в Y Gerät, для определения момента сброса бомб. В отличие от Y Gerät, Oboe была специально разработана для обеспечения очень высокой точности, до 35 метров, что значительно превосходило точность даже лучших оптических прицелов. Одной из проблем Oboe было то, что она позволяла одновременно направлять только один самолет. Эта проблема была решена в более поздней системе Gee H путем размещения транспондера на земле, а передатчика – на самолете. Сигналы затем анализировались на имеющихся блоках индикации Gee в самолете (см. ниже). Gee H не обеспечивала точность Oboe, но могла использоваться одновременно до 90 самолетов. Эта базовая концепция легла в основу большинства навигационных систем, измеряющих расстояние, и используется до сих пор.

Маяки

Ключ к концепции транспондера заключается в том, что его можно использовать с существующими радиолокационными системами. Радар ASV, внедренный Прибрежным командованием Королевских ВВС, был разработан для обнаружения подводных лодок и кораблей путем одновременного отображения сигналов от двух антенн и предоставления оператору возможности сравнивать их относительную силу. Добавление наземного транспондера мгновенно превращало тот же дисплей в систему, способную с высокой точностью наводить самолет на транспондер, или "маяк", выполняющий эту роль. Британцы реализовали эту концепцию в системе Rebecca/Eureka, где работающие от батарей транспондеры "Eureka" активировались бортовыми радиостанциями "Rebecca" и затем отображались на радиолокационных станциях ASV Mk. II. "Eureka" поставлялись французским силам сопротивления, которые использовали их для точного запроса поставок. США быстро переняли систему для десантных операций, сбрасывая "Eureka" вместе с разведывательными группами или партизанами, а затем используя эти сигналы для определения зон десантирования. Система маяков широко использовалась в послевоенный период в системах слепой бомбардировки. Особенно примечательны системы, использовавшиеся морской пехотой США, которые позволяли задерживать сигнал для компенсации точки сброса. Эти системы позволяли войскам на передовой направлять самолеты в точки перед ними, корректируя огонь по противнику. Маяки также широко использовались для временной или мобильной навигации, поскольку системы транспондеров обычно были небольшими и маломощными, их можно было переносить вручную или устанавливать на джип.

ДМЭ

В послевоенную эпоху была развернута общая навигационная система, использующая системы на основе ответчиков, как система дистанционного измерения (DME). DME была концептуально идентична Gee H, но использовала новую электронику для автоматического измерения задержки сигнала и отображения ее в виде числа, вместо ручного измерения оператором на осциллографе. Это создавало возможность путаницы между импульсами запроса DME от разных самолетов, но проблема была решена за счет того, что каждый самолет передавал уникальную последовательность импульсов, которую наземный ответчик повторял обратно. DME почти всегда используется совместно с VOR и обычно располагается на станции VOR. Эта комбинация позволяет одной станции VOR/DME предоставлять информацию об угле и расстоянии, обеспечивая тем самым определение местоположения по одной станции. DME также используется в качестве основы для измерения расстояния в военной системе TACAN, и сигналы DME этих систем могут использоваться гражданскими приемниками.

Гиперболические системы

Гиперболические навигационные системы являются модифицированной формой систем ответчиков, устраняющей необходимость в бортовом ответчике. Название происходит от того, что они не выдают единое расстояние или угол, а вместо этого определяют местоположение вдоль любого числа гиперболических линий в пространстве. Два таких измерения позволяют определить местоположение. Поскольку эти системы почти всегда используются со специальными навигационными картами, на которых нанесены гиперболические линии, они обычно напрямую показывают местоположение приемника, исключая необходимость ручной триангуляции. С оцифровкой этих карт они стали первыми истинными навигационными системами, указывающими местоположение, выдавая координаты приемника в виде широты и долготы. Гиперболические системы были внедрены во время Второй мировой войны и оставались основными передовыми навигационными системами большой дальности до тех пор, пока в 1990-х годах их не заменила GPS.

Вот черт.

Первой гиперболической системой, разработанной, была британская система Gee, созданная во время Второй мировой войны. Gee использовала серию передатчиков, излучающих точно синхронизированные сигналы, при этом сигналы покидали станции с фиксированными задержками. Экипаж самолета, использующего Gee – тяжелые бомбардировщики RAF Bomber Command – определял время прихода сигналов на осциллоскопе на станции навигатора. Если сигналы от двух станций приходили одновременно, самолет должен был находиться на одинаковом расстоянии от обоих передатчиков, что позволяло навигатору определить линию положения на карте, включающую все возможные точки на этом расстоянии от обеих станций. Чаще сигнал от одной станции приходил раньше, чем от другой. Разница во времени между двумя сигналами указывала на принадлежность самолета к кривой возможных местоположений. Проводя аналогичные измерения с другими станциями, можно было получить дополнительные линии положения, что позволяло определить точное местоположение. Gee обеспечивала точность примерно до 165 ярдов (150 м) на малых расстояниях и до 1,6 км на больших расстояниях над территорией Германии. Система Gee оставалась в эксплуатации долго после окончания Второй мировой войны и использовалась на самолетах RAF вплоть до 1960-х годов (приблизительная частота к тому времени составляла 68 МГц).

ЛОРАН

С началом эксплуатации Gee в 1942 году, аналогичные разработки в США были признаны ненужными. Они перенаправили свои усилия на создание системы большей дальности действия, основанной на тех же принципах, но использующей значительно более низкие частоты, обеспечивающие покрытие через Атлантический океан. Результатом стал LORAN – "Долгорадиусная система навигационной помощи". Недостатком использования длинных волн было значительное снижение точности по сравнению с высокочастотным Gee. LORAN широко применялся при сопровождении конвоев в конце войны.

Дека

Другой британской системой той же эпохи был Decca Navigator. Она отличалась от Gee главным образом тем, что сигналы представляли собой не импульсы, задержанные по времени, а непрерывные сигналы, задержанные по фазе. Путем сравнения фазы двух сигналов получалась информация о разнице во времени, как и в системе Gee. Однако это было гораздо проще отображать: система могла выводить значение фазового угла на стрелку циферблата, что исключало необходимость визуальной интерпретации. Поскольку схема управления этим дисплеем была достаточно компактной, системы Decca обычно использовали три таких дисплея, обеспечивая быстрое и точное определение нескольких позиций. Decca нашла наибольшее применение после войны на судах и оставалась в эксплуатации до 1990-х годов.

LORAN-C

Почти сразу после внедрения LORAN в 1952 году началась работа над значительно улучшенной версией. LORAN C (первоначальная система ретроспективно получила название LORAN A) объединила методы измерения времени импульса, использовавшиеся в Gee, с фазовым сравнением сигналов Decca. Полученная система (работающая в низкочастотном (LF) радиодиапазоне от 90 до 110 кГц) отличалась большой дальностью действия (до 3400 миль для станций мощностью 60 кВт) и высокой точностью. Для этого LORAN C передавал импульсный сигнал, модулированный AM-сигналом. Грубое определение местоположения осуществлялось теми же методами, что и в Gee, позволяя определить местоположение приемника в широкой области. Более высокая точность достигалась путем измерения разности фаз сигналов и наложения этого второго измерения на первое. К 1962 году мощные системы LORAN C были развернуты как минимум в 15 странах. LORAN C была достаточно сложна в эксплуатации, требуя целой комнаты оборудования для обработки различных сигналов. Однако с появлением интегральных схем размеры оборудования быстро уменьшались. К концу 1970-х годов устройства LORAN C были размером со стереоусилитель и широко использовались на большинстве коммерческих судов, а также на некоторых крупных самолетах. К 1980-м годам их размеры были еще уменьшены до размеров обычного радиоприемника, и они стали распространены даже на небольших прогулочных судах и частных самолетах. LORAN C была самой популярной навигационной системой в 1980-х и 1990-х годах, и ее популярность привела к выводу из эксплуатации многих устаревших систем, таких как Gee и Decca. Однако, как и предыдущие системы на основе направленных лучей, гражданское использование LORAN C оказалось недолгим, когда технология GPS вытеснила ее с рынка.

Другие гиперболические системы

Схожие гиперболические системы включали в себя глобальную систему дальней связи на очень низких частотах (VLF) / Omega, разработанную в США, и аналогичную систему "Альфа", развернутую в СССР. Эти системы определяли моменты времени импульсов не путем сравнения двух сигналов, а путем сравнения одного сигнала с местными атомными часами. Дорогостоящая в обслуживании система Omega была выведена из эксплуатации в 1997 году, когда вооруженные силы США перешли на использование GPS. Система "Альфа" до сих пор находится в эксплуатации.

Спутниковая навигация

С 1960-х годов навигация все больше переходит к спутниковым навигационным системам. По сути, это гиперболические системы, передатчики которых находятся на орбитах. Тот факт, что спутники движутся относительно приемника, требует учета вычисления их положений, что эффективно возможно только с помощью компьютера. Спутниковые навигационные системы передают несколько сигналов, используемых для декодирования положения спутника, расстояния между спутником и пользователем, а также точного времени. Один из сигналов кодирует данные эфемерид спутника, которые используются для точного определения его местоположения в любой момент времени. Космическая погода и другие факторы приводят к изменению орбиты со временем, поэтому эфемериды необходимо периодически обновлять. Другие сигналы передают время, измеренное бортовыми атомными часами спутника. Измеряя время прихода сигнала (TOA) от как минимум четырех спутников, приемник пользователя может воссоздать точный собственный часовой сигнал и обеспечить выполнение гиперболической навигации. Спутниковые навигационные системы обеспечивают более высокую точность, чем любые наземные системы, доступны практически в любой точке Земли, могут быть реализованы (на стороне приемника) с умеренными затратами и сложностью благодаря современной электронике и требуют всего нескольких десятков спутников для обеспечения глобального покрытия. В результате этих преимуществ спутниковая навигация привела к тому, что почти все предыдущие системы устарели. LORAN, Omega, Decca, Consol и многие другие системы исчезли в 1990-х и 2000-х годах. Единственными другими системами, которые все еще используются, являются средства навигации для авиации, которые также отключаются для дальних перелетов, в то время как новые дифференциальные системы GPS внедряются для обеспечения локальной точности, необходимой для посадки в условиях плохой видимости.