Основы радиопеленгования

Радиопеленгованием называется определение направления на любой объект, излучающий радиоволны, производимое с помощью специальных радиотехнических установок, называемых радиопеленгаторами, или пеленгаторами.

Для радиопеленгования могут быть использованы также и отраженные радиоволны. Пеленгование по отраженному сигналу применяется в радиолокации.

Направление, по которому к пеленгатору приходят радиоволны, определяемое углом, который оно образует с направлением на север, называется пеленгом.

Если одновременно определить пеленги на один и тот же объект с двух или нескольких пунктов пеленгования, то пересечение пеленгов определит положение этого объекта на местности.

Радиопеленгаторы должны иметь антенны направленного действия. Зависимость величины принятого сигнала от направления приема, выраженная графически, называется диаграммой направленности, или диаграммой чувствительности приемной антенны. Наиболее наглядными такие диаграммы получаются при их построении в полярных координатах.

 

На рис. 89 представлены диаграммы направленности антенн различных типов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Здесь а относится к излучению в горизонтальной плоскости одиночного горизонтального вибратора, возбуждаемого на основной частоте, б — диаграмма излучения того же вибратора в плоскости, перпендикулярной к нему. Сделав вибратор вертикальным, получим, что б является характеристикой его излучения уже в горизонтальной плоскости и т. д., поскольку характеристики связаны с самим вибратором, а не с относительным его расположением в пространстве. Вводя понятие о пространственных характеристиках излучения, можно сказать, что для одиночного вибратора, возбуждаемого на основной частоте, пространственная диаграмма направленности имеет вид тора (или тороида), причем а и б являются двумя взаимноперпендикулярными сечениями этого геометрического тела по осям симметрии.

Основы радиопеленгования

Рис. 89. Диаграммы излучения различных антенн.

 

При возбуждении вибратора на 2-й гармонике распределение излучения в пространстве будет характеризоваться телом вращения, форма осевого сечения которого представлена на рис. 89 в. Это — так называемая четырехлепестковая диаграмма направленности. Создавая сочетание из нескольких вибраторов или из вибраторов и отражателей, можно получать диаграммы направленности самого различного вида. На рис. 89 также показаны: г — диаграмма излучения двух параллельно расположенных на расстоянии λ/2 друг от друга синфазно возбуждаемых на основной частоте вибраторов; д — те же вибраторы, но расстояние между ними сделано равным полной длине волны  λ; е — изменения характеристики направленности одиночного вибратора в перпендикулярной к нему плоскости, вызываемые наличием на расстоянии λ/2 от него пассивных отражателей в виде аналогичного вибратору параллельного провода, проводящей плоскости или проводящего параболического цилиндра.

Для установления собственного месторасположения пеленгатора, если он находится на движущемся корабле или самолете, определяют два пеленга на радиостанции или радиомаяке, местонахождение которых известно, а затем проводят на карте линии пеленгов. Пересечение этих линий и определит координаты.

Поскольку при практическом использовании радиопеленгования в навигации ориентировка производится главным образом по дальнодействующим радиостанциям связи и радиовещания, понадобились приемные антенны направленного действия, рассчитанные на прием длинно, средне- и коротковолновых излучений по различным направлениям. Антенны, состоящие из полуволновых вибраторов с различными отражателями, для этой цели совершенно непригодны, так как из-за их больших размеров подвижные конструкции становятся практически неосуществимы. Наиболее распространенной пеленгаторной антенной поэтому является рамка, или рамочная антенна. Она представляет собой несколько витков провода, намотанных на круглом или многоугольном (квадратном, в частности) каркасе или на деревянной крестовине с пропилами (рис. 90 а). Концы обмотки рамки присоединяются к зажимам „антенна" и „земля" радиоприемника.

Когда рамку пронизывают радиоволны в направлении, перпендикулярном к ее плоскости, в правой и левой ее половинах одновременно возбуждаются э. д. с. равной величины, но направленные навстречу друг другу, вследствие чего разностное напряжение этих э. д. с. на зажимах рамки будет равно нулю. Если же на рамку действуют электромагнитные волны, пришедшие в направлении, близком к плоскости ее витков, наводимые в правой и левой частях рамки, э. д. с. хотя и останутся по-прежнему противоположными по знаку, но равными друг другу уже не будут из-за появляющегося при этом сдвига фаз. Вследствие указанного на зажимах рамки возникнет наведенное высокочастотное напряжение, тем большее, чем точнее рамка направлена своею плоскостью на принимаемую радиостанцию и чем больше размеры рамки. Диаграмма направленности рамки имеет два резко выраженных, симметричных максимума, позволяющих определять направление на принимаемую радиостанцию с точностью порядка 1° по наибольшей громкости приема (рис. 90 б; цифрами I и II обозначены активные стороны рамки).

Симметричная диаграмма направленности не совсем удобна для пеленгования, потому что, пользуясь ею, можно определять плоскость, в которой располагается принимаемая радиостанция, но нельзя узнать, с какой именно стороны от рамки эта радиостанция находится. Для того чтобы сделать пеленгование однозначным, к зажиму рамки, соединенному с зажимом „антенна" приемника, подключают еще и небольшую антенну, способную в отдельности создавать на входе приемника э. д. с. того же порядка, что и рамка. Диаграмма направленности в.этом случае приобретает вид, показанный на рис. 90 в.

По сходству с очертаниями сердца такие кривые в аналитической геометрии называются кардиоидами, поэтому диаграмма в известна под названием кардиоидной.

Основы радиопеленгования

Рис. 90. Устройство и диаграмма чувствительности приемной рамки.

 

Чем больше площадь витков рамки, тем большие э. д. с. она может развивать, тем выше достигаемая точность пеленгования. В связи с тем, что рамки больших размеров затруднительно делать вращающимися, были разработаны системы пеленгаторов с гониометрами. Сущность гониометрического определения направления приходящих сигналов поясняется на рис. 91 а. Две большие одновитковые треугольные рамки I и II неподвижно смонтированы вне помещения с помощью мачт и оттяжек таким образом, чтобы их плоскости были взаимно перпендикулярными друг к другу. Двумя парами проводов (фидерными линиями) эти рамки соединяются с двумя неподвижными и взаимно перпендикулярными катушками сравнительно малого размера. Внутри неподвижных катушек вращается еще одна катушка, выводные концы которой подключены к радиоприемнику. Эта система и называется гониометром.

 

При работе радиостанции, расположенной в плоскости рамки I, на рамку II ничего наводиться не будет, и максимум громкости приема будет получен, когда подвижная катушка гониометра расположится в плоскости катушки I. Если другая работающая радиостанция находится в плоскости рамки II, ее сигналы с наибольшей громкостью будут слышны при условии, что подвижная катушка гониометра будет повернута на 90°, так чтобы связь была наибольшей уже с катушкой II. При случайном промежуточном направлении приходящих сигналов результирующее магнитное поле обеих неподвижных катушек гониометра будет всегда ориентировано относительно этих катушек в точности так же, как направление приходящего сигнала ориентировано по отношению к обеим рамкам I и II. 

Основы радиопеленгования

Рис. 91. Устройство гониометра (а) и антенны Эдкока (б).

Направление результирующего магнитного поля в гониометре определяют вращением подвижной катушки по максимуму напряжения, поступающего на вход радиоприемника. Часто пеленгование производят и по минимуму напряжения, потому что он выражен резче, чем максимум.

Таким образом, гониометр позволяет заменить вращение громоздкой приемной рамочной антенны вращением легкой роторной катушки, причем пеленгование производится с такой же точностью, как если бы вращалась сама система приемных рамок. Гониометры можно питать не только от рамочных, но и от вибраторных антенн, располагаемых вертикально. Такие антенны, по своему действию подобные рамкам, известны под названием антенн Эдкока. На рис. 91 б приведена типичная схема одной из таких антенных систем. Четыре полуволновых вибратора связаны попарно двумя фидерными линиями с катушками связи, включенными в середину каждого фидера. Вибраторы каждой пары повернуты относительно друг друга на 180°, вследствие чего волны, приходящие по направлению, перпендикулярному к проходящей через оба вибратора плоскости, индуктируют в них уничтожающие друг друга взаимно противоположные напряжения. При воздействии на вибраторы волн, распространяющихся в плоскости самих вибраторов, возникающие напряжения из-за некоторого сдвига фаз уже перестают быть равными и от катушки связи может быть отобрана результирующая разностная э. д. с. Все происходит далее в точности так же, как и в случае с рамочными антеннами.

Максимум или минимум громкости сигнала, получаемый при определенной позиции подвижной катушки гониометра, позволит и здесь определять направление, по которому принимаемые сигналы поступают в пункт установки пеленгатора.

Особым видом пеленгования является обнаружение очагов грозовой деятельности. Установки для регистрации атмосферных разрядов, или атмосфериков, используемые в метеорологической службе, являются длинноволновыми пеленгаторами кругового обзора, оборудованными медленно вращающимися с постоянной скоростью рамками, в свою очередь, вращающими с той же скоростью регистрационные барабаны. Добавлением небольшой антенны симметричную диаграмму чувствительности рамки превращают в диаграмму кардиоидного вида, вследствие чего прием сигналов производится по одному лишь направлению. Вращение барабанов и рамок происходит со скоростью порядка четырех оборотов в час, причем барабан за каждый оборот смешается вдоль своей оси на 3—4 мм. Неподвижно укрепленная над барабаном ондуляторная головка включена на выходе питающегося от рамки радиоприемника. Перо ондулятора прочерчивает на поверхности барабана гладкую винтовую линию, пока атмосфериков нет, и извилистую или сильно размазанную линию, когда плоскость рамки совпадает с направлением приходящих атмосфериков. Атмосфе- рики мощных грозообразований могут быть обнаружены на расстоянии порядка 2—3 тыс. км. Для точного определения расположения таких очагов на карте пользуются данными одновременных наблюдений на нескольких станциях, расположенных в разных городах страны, что полностью соответствует методике обычного пеленгования.

В связи с появлением и развитием радиолокации были разработаны пеленгаторные устройства и для волн короче 10 м, так как специальный пеленгатор высокой точности является обязательной частью всякого радиолокатора. В методике пеленгования появились новые приемы, повышающие точность определения направления, по которому приходит принимаемый радиолуч.

Одним из таких усовершенствований явился метод равносигнальной зоны. Если ориентировкой на максимум или минимум слышимости пеленгуемых сигналов удавалось достигать точности пеленга порядка 1°, то с помощью метода равносильной зоны эту точность удалось значительно увеличить.

 

Сущность метода состоит в использовании специальной антенны с диаграммой направленности, периодически изменяющей на некоторый угол направление оси излучения, как показано на рис. 92 а.

Очевидно, принятый сигнал останется постоянным при изменении положения диаграммы только в том случае, когда он приходит по направлению МБ, при любых других направлениях сигналы будут неодинаковы, как показано на рис. 92 б. Если частота переключений, например, 200 гц, то соответствующий этой частоте тон будет слышаться, когда МБ не совпадает с МН, и исчезать при точном совпадении этих направлений. Использование метода равносигнальной зоны позволяет строить современные радиолокаторы с точностью определения угловых координат их приемной пеленгаторной установкой, превышающей 0°,02. Несколько более подробно вопросы точного определения координат радиолокационными устройствами рассматриваются в гл. XI.

Основы радиопеленгования

Рис. 92. Иллюстрация к пояснению метода равносигнальной зоны.