Первая глобальная радионавигационная система для авиации: OMEGA

Введение

Первая глобальная радионавигационная система для самолетов

OMEGA была первой глобальной радионавигационной системой дальномерного типа, эксплуатировавшейся Соединенными Штатами в сотрудничестве с шестью странами-партнерами. Это была гиперболическая навигационная система, позволявшая судам и самолетам определять свое местоположение, принимая радиосигналы очень низких частот (VLF) в диапазоне 10–14 кГц, передаваемые глобальной сетью из восьми стационарных наземных радиомаяков с помощью навигационного приемника. Система начала функционировать примерно в 1971 году и была выведена из эксплуатации в 1997 году в связи с внедрением Глобальной системы позиционирования.

Предыдущие системы

Для определения местоположения в любой навигационной системе требуется определение двух измерений. Обычно эти измерения производятся относительно неподвижных объектов, таких как заметные ориентиры или известные местоположения радиопередающих вышек. Измеряя угол к двум таким объектам, можно определить положение определяемого объекта. В качестве альтернативы можно измерить угол и расстояние до одного объекта или расстояние до двух объектов. Внедрение радиосистем в 20-м веке значительно увеличило расстояния, на которых можно было проводить измерения. Такая система также требовала гораздо большей точности измерений – ошибка в один градус могла быть приемлема при определении местоположения по маяку в несколько миль, но была бы малополезна при использовании в отношении радиостанции на расстоянии 300 миль (483 км). Были разработаны различные методы определения местоположения с относительно небольшой угловой погрешностью, но даже они, как правило, были полезны только для систем ближнего радиуса действия. Та же электроника, которая обеспечила работу базовых радиосистем, открыла возможность проведения очень точных измерений задержки времени и, следовательно, высокоточных измерений расстояния. Проблема заключалась в определении момента начала передачи. В случае радара это было просто, поскольку передатчик и приемник обычно находились в одном месте. Измерение задержки между отправкой сигнала и получением эхо-сигнала позволяло точно измерять дальность. Для других целей, например, авиационной навигации, приемнику требовалось знать точное время передачи сигнала. Это было невозможно с использованием электроники того времени. Вместо этого две станции синхронизировались, используя один из двух передаваемых сигналов в качестве триггера для второго сигнала после фиксированной задержки. Сравнивая измеренную задержку между двумя сигналами и сравнивая ее с известной задержкой, можно было установить, что положение самолета лежит на изогнутой линии в пространстве. Проведя два таких измерения относительно широко разнесенных станций, полученные линии пересеклись бы в двух точках. Эти точки обычно были достаточно далеко друг от друга, чтобы обычные навигационные системы, такие как счисление пути, могли исключить неверное решение о местоположении. Первыми гиперболическими навигационными системами были британские Gee и Decca, за которыми последовали американские системы LORAN и LORAN C. LORAN C обеспечивала точную навигацию на расстояниях свыше 100 000 км, а благодаря размещению "цепочек" станций по всему миру обеспечивала умеренно широкое покрытие.

Taking a "fix" in any navigation system requires the determination of two measurements. Typically these are taken in relation to fixed objects like prominent landmarks or the known location of radio transmission towers. By measuring the angle to two such locations, the position of the navigator can be determined. Alternatively, one can measure the angle and distance to a single object, or the distance to two objects. The introduction of radio systems during the 20th century dramatically increased the distances over which measurements could be taken. Such a system also demanded much greater accuracies in the measurements – an error of one degree in angle might be acceptable when taking a fix on a lighthouse a few miles away, but would be of limited use when used on a radio station 300 mile (483 km) away. A variety of methods were developed to take fixes with relatively small angle inaccuracies, but even these were generally useful only for short range systems. The same electronics that made basic radio systems work introduced the possibility of making very accurate time delay measurements, and thus highly accurate distance measurements. The problem was knowing when the transmission was initiated. With radar, this was simple, as the transmitter and receiver were usually at the same location. Measuring the delay between sending the signal and receiving the echo allowed accurate range measurement. For other uses, air navigation for instance, the receiver would have to know the precise time the signal was transmitted. This was not generally possible using electronics of the day. Instead, two stations were synchronized by using one of the two transmitted signals as the trigger for the second signal after a fixed delay. By comparing the measured delay between the two signals, and comparing that with the known delay, the aircraft's position was revealed to lie along a curved line in space. By making two such measurements against widely separated stations, the resulting lines would overlap in two locations. These locations were normally far enough apart to allow conventional navigation systems, like dead reckoning, to eliminate the incorrect position solution. The first of these hyperbolic navigation systems was the UK's Gee and Decca, followed by the US LORAN and LORAN C systems. LORAN C offered accurate navigation at distances over , and by locating "chains" of stations around the world, they offered moderately widespread coverage.

Атомные часы

Ключом к работе гиперболической системы было использование одного передатчика для передачи "главного" сигнала, который "вторичные" станции использовали в качестве импульса запуска. Это ограничивало максимальную дальность, на которой система могла функционировать. Для очень коротких расстояний, порядка десятков километров, сигнал запуска можно было передавать по проводам. На больших расстояниях более практичной была беспроводная передача сигнала, однако все подобные системы имели ограничения дальности действия того или иного рода. Радиосвязь на очень большие расстояния возможна с использованием длинноволновых технологий (низких частот), что позволяет создать гиперболическую систему, охватывающую всю планету. Однако на этих расстояниях радиосигналы не распространяются по прямой, а отражаются от различных областей над Землей, известных в совокупности как ионосфера. На средних частотах это как бы "искривляет" или преломляет сигнал за горизонт. На более низких частотах, VLF и ELF, сигнал отражается от ионосферы и земной поверхности, позволяя ему преодолевать большие расстояния, совершая несколько "прыжков". Однако синхронизировать несколько станций с использованием этих сигналов очень сложно, поскольку они могут быть приняты несколько раз из разных направлений после различных "прыжков". Проблема синхронизации сильно удаленных станций была решена с появлением атомных часов в 1950-х годах, которые к 1960-м годам стали коммерчески доступны в портативном исполнении. В зависимости от типа – например, рубидиевые, цезиевые или водородные – точность этих часов составляла от 1 части на 10¹⁰ до лучше, чем 1 часть на 10¹², или отклонение примерно на 1 секунду за 30 миллионов лет. Это значительно точнее, чем система синхронизации, используемая главными и вторичными станциями. К этому времени системы Loran C и Decca Navigator доминировали в задачах на средних дистанциях, а для коротких дистанций широко использовались VOR и DME. Высокая стоимость часов, отсутствие необходимости и ограниченная точность длинноволновой системы устранили потребность в подобной системе для многих применений. Однако военно-морской флот США испытывал острую потребность в такой системе, поскольку в то время он внедрял спутниковую навигационную систему TRANSIT. TRANSIT была разработана для определения местоположения в любой точке планеты с достаточной точностью, чтобы служить опорной точкой для инерциальной навигационной системы (ИНС). Периодические уточнения координат корректировали ИНС, которая затем могла использоваться для навигации в течение более длительных периодов времени и на больших расстояниях. Часто полагали, что TRANSIT выдает два возможных местоположения для каждого измерения – по одну сторону от траектории спутника. Поскольку измерение основано на доплеровском сдвиге несущей частоты, вращение Земли достаточно для разрешения этой разницы. Поверхность Земли на экваторе движется со скоростью 460 метров в секунду, или примерно 1000 миль в час.

Key to the operation of the hyperbolic system was the use of one transmitter to broadcast the "master" signal, which was used by the "secondaries" as their trigger. This limited the maximum range over which the system could operate. For very short ranges, tens of kilometres, the trigger signal could be carried by wires. Over long distances, over the air signalling was more practical, but all such systems had range limits of one sort or another. Very long distance radio signalling is possible, using longwave techniques (low frequencies), which enables a planet wide hyperbolic system. However, at those ranges, radio signals do not travel in straight lines, but reflect off various regions above the Earth known collectively as the ionosphere. At medium frequencies, this appears to "bend" or refract the signal beyond the horizon. At lower frequencies, VLF and ELF, the signal will reflect off the ionosphere and ground, allowing the signal to travel great distances in multiple "hops". However, it is very difficult to synchronize multiple stations using these signals, as they might be received multiple times from different directions at the end of different hops. The problem of synchronizing very distant stations was solved with the introduction of the atomic clock in the 1950s, which became commercially available in portable form by the 1960s. Depending upon type, e. g. rubidium, caesium, hydrogen, the clocks had an accuracy on the order of 1 part in 1010 to better than 1 part in 1012 or a drift of about 1 second in 30 million years. This is more accurate than the timing system used by the master/secondary stations. By this time the Loran C and Decca Navigator systems were dominant in the medium range roles, and short range was well served by VOR and DME. The expense of the clocks, lack of need, and the limited accuracy of a long wave system eliminated the need for such a system for many roles. However, the United States Navy had a distinct need for just such a system, as they were in the process of introducing the TRANSIT satellite navigation system. TRANSIT was designed to allow measurements of location at any point on the planet, with enough accuracy to act as a reference for an inertial navigation system (INS). Periodic fixes re set the INS, which could then be used for navigation over longer periods of time and distances. It was often believed that TRANSIT generated two possible locations for any given measurements one on either side of the orbit subtrack. Since the measurement is the Doppler shift of the carrier frequency, the rotation of the earth is sufficient to resolve the difference. The surface of the earth at the equator moves at a speed of 460 meters per second—or roughly 1,000 miles per hour.

ОМЕГА

Omega был одобрен для разработки в 1968 году с восемью передатчиками и возможностью достижения точности 4 мили (6 км) при определении местоположения. Каждая станция Omega передавала последовательность из трех сигналов очень низкой частоты (VLF) (10,2 кГц, 13,6 кГц, 11,333 кГц в этом порядке) плюс четвертую частоту, уникальную для каждой из восьми станций. Длительность каждого импульса (от 0,9 до 1,2 секунды, с 0,2-секундными интервалами между импульсами) изменялась по фиксированному шаблону и повторялась каждые десять секунд; 10-секундный шаблон был общим для всех 8 станций и синхронизирован с углом фазы несущей, которая, в свою очередь, была синхронизирована с местными эталонными атомными часами. Импульсы в каждой 10-секундной группе идентифицировались первыми 8 буквами алфавита в публикациях Omega того времени. Огибающая отдельных импульсов могла использоваться для установления внутренней синхронизации приемника в 10-секундном шаблоне. Однако именно фаза принимаемых сигналов в каждом импульсе использовалась для определения времени прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Используя гиперболическую геометрию и принципы радионавигации, определение местоположения с точностью порядка достигалось по всему земному шару в любое время суток. Omega использовала гиперболические методы радионавигации, а сеть работала в диапазоне VLF спектра между 10 и 14 кГц. К концу своего 26-летнего срока службы Omega превратилась в систему, используемую преимущественно гражданскими пользователями. Принимая сигналы от трех станций, приемник Omega мог определять местоположение с точностью до, используя принцип сравнения фаз сигналов. Станции Omega использовали очень протяженные антенны для передачи на очень низких частотах (VLF). Это объясняется тем, что длина волны обратно пропорциональна частоте (длина волны в метрах = 299 792 458 / частота в Гц), и эффективность передатчика значительно снижается, если длина антенны меньше 1/4 длины волны. Они использовали заземленные или изолированные мачты с антеннами-зонтиками или проволочные перекрытия через долины и фьорды. Некоторые антенны Omega были самыми высокими сооружениями на континентах, где они находились или все еще находятся. Когда шесть из восьми станций сети стали работоспособными в 1971 году, повседневной деятельностью управляла Береговая охрана Соединенных Штатов в партнерстве с Аргентиной, Норвегией, Либерией и Францией. Японские и австралийские станции стали работоспособными несколько лет спустя. Сотрудники Береговой охраны управляли двумя американскими станциями: одна в ЛаМуре, Северная Дакота, а другая в Канеохе, Гавайи, на острове Оаху. В связи с успехом системы глобального позиционирования (GPS) использование Omega сократилось в 1990-х годах до такой степени, что стоимость эксплуатации Omega стала неоправданной. Omega была окончательно выведена из эксплуатации 30 сентября 1997 года. Вскоре после этого несколько башен были демонтированы. Некоторые станции, такие как станция ЛаМур, теперь используются для подводной связи.

Omega was approved for development in 1968 with eight transmitters and the ability to achieve a 4 mile (6 km) accuracy when fixing a position. Each Omega station transmitted a sequence of three very low frequency (VLF) signals (10.2 kHz, 13.6 kHz, 11.333 kHz in that order) plus a fourth frequency which was unique to each of the eight stations. The duration of each pulse (ranging from 0.9 to 1.2 seconds, with 0.2 second blank intervals between each pulse) differed in a fixed pattern, and repeated every ten seconds; the 10 second pattern was common to all 8 stations and synchronized with the carrier phase angle, which itself was synchronized with the local master atomic clock. The pulses within each 10 second group were identified by the first 8 letters of the alphabet within Omega publications of the time. The envelope of the individual pulses could be used to establish a receiver's internal timing within the 10 second pattern. However, it was the phase of the received signals within each pulse that was used to determine the transit time from transmitter to receiver. Using hyperbolic geometry and radionavigation principles, a position fix with an accuracy on the order of was realizable over the entire globe at any time of the day. Omega employed hyperbolic radionavigation techniques and the chain operated in the VLF portion of the spectrum between 10 and 14 kHz. Near the end of its service life of 26 years, Omega evolved into a system used primarily by the civil community. By receiving signals from three stations, an Omega receiver could locate a position to within using the principle of phase comparison of signals. Omega stations used very extensive antennas to transmit at their very low frequencies (VLF). This is because wavelength is inversely proportional to frequency (wavelength in metres = 299,792,458 / frequency in Hz), and transmitter efficiency is severely degraded if the length of the antenna is shorter than 1/4 wavelength. They used grounded or insulated guyed masts with umbrella antennas, or wire spans across both valleys and fjords. Some Omega antennas were the tallest constructions on the continent where they stood or still stand. When six of the eight station chain became operational in 1971, day to day operations were managed by the United States Coast Guard in partnership with Argentina, Norway, Liberia, and France. The Japanese and Australian stations became operational several years later. Coast Guard personnel operated two US stations: one in LaMoure, North Dakota and the other in Kaneohe, Hawaii on the island of Oahu. Due to the success of the Global Positioning System, the use of Omega declined during the 1990s, to a point where the cost of operating Omega could no longer be justified. Omega was shut down permanently on 30 September 1997. Several of the towers were then soon demolished. Some of the stations, such as the LaMoure station, are now used for submarine communications.

Судебное дело

В 1976 году компания Decca Navigator Company из Лондона подала в суд на правительство Соединенных Штатов за нарушение патентных прав, утверждая, что система Omega была основана на ранее предложенной системе Decca, известной как DELRAC (Decca Long Range Area Coverage), которая была представлена США в 1954 году. Decca представила оригинальные американские документы, подтверждающие, что система Omega изначально именовалась DELRAC/Omega. Decca выиграла дело и получила 44 миллиона долларов в качестве компенсации. Ранее, в 1967 году, Decca уже подавала в суд на правительство США за предполагаемое нарушение патентных прав в отношении системы LORAN C. Decca также выиграла и это дело, однако, поскольку навигационная система LORAN C была признана военной и не имела коммерческого применения, США не выплатили никаких убытков.

Канеохе Омега Передатчик

Kaneohe Omega Transmitter (станция C – ) была одной из двух станций, эксплуатировавшихся Береговой охраной США (USCG). Она была введена в эксплуатацию в 1943 году как передатчик СЧ (VLF) для связи с подводными лодками. Антенна представляла собой проводную конструкцию, натянутую над долиной Хайку. В конце 1960-х годов станция была переоборудована в передатчик OMEGA.

Передатчик Омега Ла Море

Передатчик La Moure Omega (станция D), расположенный недалеко от Ла-Мура, Северная Дакота, США, был другой станцией, обслуживаемой Береговой охраной США (USCG). В качестве антенны он использовал 365,25-метровую свободно стоящую мачту, изолированную от земли. После прекращения работы системы OMEGA станция была преобразована в NRTF LaMoure – центр связи с подводными лодками в диапазоне сверхнизких частот (VLF).

Передатчик Chabrier Omega

Передатчик Chabrier Omega (станция E), расположенный недалеко от Шабрие на острове Реюньон в Индийском океане, использовал зонтичную антенну, установленную на 428-метровой заземленной оттяжной мачте. Мачта была снесена взрывчаткой 14 апреля 1999 года.

Передатчик Трелев Омега

Станция F, Трелев, Аргентина. Демонтирована в 1998 году.

Передатчик "Вудсайд Омега"

Станция G, вблизи Вудсайда, Виктория. Прекратила передачу сигналов Омега в 1997 году, была переоборудована в башню связи для подводных коммуникаций и снесена в 2015 году.

Башня Омега, Цусима

Передатчик "Шуши Ван Омега" (станция H), расположенный вблизи Шуши Ван на острове Цусима, использовал в качестве антенны 389-метровую трубчатую стальную мачту, изолированную от земли. Эта мачта, построенная в 1973 году и являвшаяся самым высоким сооружением в Японии (и, возможно, самой высокой трубчатой стальной мачтой, когда-либо построенной), была разобрана в 1998 году с помощью крана. На её прежнем месте был возведен мемориал высотой около 8 метров, состоящий из основания мачты (без изолятора) и её части. На месте бывшего здания геликоидного излучателя теперь находится детская площадка.

Место проведения испытаний OMEGA

В дополнение к девяти функционирующим башням Омега, башня в Форстпорте, штат Нью-Йорк, использовалась для первоначального тестирования системы.

Культурное значение

Башни некоторых станций ОМЕГА были самыми высокими сооружениями в стране, а иногда даже на континенте, где они находились. В немецком научно-фантастическом романе "Der Komet" (http://www.averdo.de/produkt/72105959/lutz-harald-der-komet/) от крупной кометы, угрожающей столкновения с Землей, защищаются с помощью технологии, разработанной в Зоне 51 на территории заброшенного передающего комплекса OMEGA в Пейнесвилле, Либерия, который обеспечивает необходимое низкочастотное электромагнитное поле. Финал второго сезона сериала "Настоящий детектив" называется "Омега-станция". Третий эпизод сериала Netflix "Gamera Rebirth" частично происходит на станции OMEGA "Цусима".