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导航及定位系统)

发布时间:2019-07-18 15:08 来源:未知 编辑:admin

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  罗兰导航系统long range navigation (在导航领域通常简称“罗兰”,即英文的Loran)是一种导航及定位系统,又称“劳兰”。

  LORAN是远程导航的缩写,是在二战期间在美国开发的双曲线无线电导航系统。它类似于英国的Gee系统,但是在较低频率下运行,以便提供高达1500英里(2,400公里)的距离,准确度为几十英里。它首先用于穿过大西洋的舰队,然后用于远程巡逻机,但主要用于太平洋战区的船舶和飞机。

  原来LORAN是一种昂贵的系统,需要一个阴极射线管(CRT)显示器。这对军事和大型商业用户的使用有限。而在20世纪50年代新的接收机可用的同时,同样改进的电子产品也带来了更高精度的新系统。美国海军开始开发Loran-B,提供了几十英尺的精度,但遇到了重大的技术问题。美国空军处理了一个不同的概念,称为“海伦”,海军接管了罗兰C。 Loran-C提供比LORAN更长的范围和数百英尺的精度。 1958年,美国海岸警卫队接管了这两个系统的行动。

  尽管Loran-C的表现大大提高,LORAN(现称为Loran-A)(或“标准LORAN”)在此期间将会更受欢迎。这主要是由于海军公布的大量剩余的罗兰A装甲,因为船只和飞机用Loran-C替代了它们的装备。 20世纪80年代广泛引入廉价的微电子技术,导致Loran-C接收机价格大幅下降,而Loran-A的使用开始迅速下降。从20世纪70年代开始,罗兰A被拆除;直到一九九七年五月九日为止,日本的连锁店一直保持在北美,中国的连锁店在二零零零年开始活跃起来。

  Loran-A使用与业余无线米频带相同的频率,无线电操作员在严格的规则下以较低的功率水平运行;根据他们的位置和到岸的距离,美国运营商在白天最多限制在200到500瓦,晚上则是50到200瓦。

  1940年10月1日美国陆军信号兵技术委员会会议,微波委员会主席Alfred Loomis提出建立双曲线导航系统。他预测,这样一个系统可以在200英里(320公里)的范围内提供至少1,000英尺(300米)的精度,高飞机的最大距离可达300-500英里(480-800公里) 。这导致了“引导飞机精密导航设备”规范,被送回微波委员会,形成“3号”。初次系统订单在后续会议上发出1940年12月20日,第一架机载雷达系统的开发人员爱德华·乔治·鲍恩(Edward George Bowen)也在12月20日的会议上表示,他知道在英国有类似的工作,但是不了解它提供任何建议。

  项目3在1941年搬迁到新成立的辐射实验室的导航小组。早期系统运行在大约30 MHz,但后来决定尝试使用不同的设备,可以从3 MHz调谐到8 MHz。发现这些较低频率系统的电子性能更加稳定。在首先考虑在山峰上设置变送器后,该小组反而在纽约蒙图克角和特拉华州的芬威克岛两个废弃的海岸警卫队驻扎。在接收端,一辆货车装有一个简单的接收器,并在全国各地发送寻找固体信号,这些信号远离密苏里州的斯普林菲尔德。

  对于生产系统,团队开始使用一个使用圆形J型显示屏的系统来提高精度。J范围提供时间差异,不像管中的线性位移,如在更常见的A范围内,而是作为阴极射线管面部周围的角度。对于给定的显示尺寸,时间差异可以用更长的长度(由因子π表示),从而提高准确度。尽管使用了J-scope,采用频率变化更加稳定,团队发现准确的距离测量非常困难。当时,产生尖锐的信号脉冲的程序还处于起步阶段,它们的信号在时间上有了很大的扩展,难以进行测量。

  在这个时候,该团队已经意识到英国的“Gee”努力,并且意识到Gee使用了一种电子生成的闪光灯系统,它们在显示屏上产生与系统时序准确一致的点数。他们派了一个团队去英国学习频闪概念,并立即采用它的工作。但是作为这次交流的一部分,项目3团队发现Gee在概念上和所期望的表现上几乎与自己的系统完全相同。与他们的系统不同,Gee在很大程度上完成了开发,并且正在进行生产。决定放弃目前的努力,将Gee用在自己的飞机上,并重新开发他们的系统作为远程角色。

  切换到远程角色的决定意味着不需要Gee系统的高精度,这大大减少了解决时序问题的需要。这种目的的改变也要求使用较低的频率,这可以在夜间反射电离层,从而提供超视距的操作。最初选择两个频段,夜间使用1.85和1.95 MHz(160米)和7.5 MHz(40米)。早期接收器上标记为“HF”的7.5 MHz从未在工作中使用。

  在1942年中期,电讯研究机构(TRE)Gee系统的首席开发人员罗伯特·皮皮(Robert Dippy)被派往美国工作了八个月,帮助LORAN发展。当时这个项目主要是由美国海军上尉哈丁主持,他们完全集中在船上。 Dippy说服他们,空降版绝对是可能的,导致美军空军的兴趣。海军对这一轮事件不满意。 Dippy还提出了一些在实践中将非常有用的简单变化。其中,他直接要求机载LORAN接收机在物理上类似于Gee接收机,从而可以通过更换接收机单元将其换成服务。这将证明非常有用;澳大利亚运输司令部的飞机可以在往返澳大利亚的剧院时交换接收机。 Dippy还设计了地面站定时设备。

  在这个时候,这个项目是由美国海岸警卫队加拿大皇家海军加入的。这个项目目前仍然是最大的秘 密,而且很少有实际的信息,特别是与海岸警卫队。加拿大联络是必需的,因为这些驻地的理想选址将需要加拿大海上省份的不同地点的几个车站。新斯科舍省的一个地点被证明是一场战斗;这个网站是由一位渔夫拥有的,他的霸气绝伦的妻子死了,与有罪的海军男子有任何关系。当J.A.的选址委员会Waldschmitt和Lt. Cdmr。阿列耶夫与丈夫讨论这个问题,第三名访客抵达,他提供男子卷烟。他们拒绝了,女主人问他们是否喝酒。当他们说,他们没有,土地被迅速固定。

  在太平洋战争期间,太平洋的巨大距离和缺乏有用的导航点导致了LORAN在船舶和飞机上的广泛使用。 特别是LORAN所提供的准确性使得飞机能够减少额外的燃料,否则这些燃料将会在长时间的使命中找到自己的基础。 这样减少的燃料负荷使得可以增加炸弹载荷。 第二次世界大战结束时,共有72个LORAN电台,使用了75,000多台接收器。

  战后时期增加了太平洋的附加链条。 韩国战争开幕之后,在日本的新连锁店,韩国釜山的连锁店也出现了突破。 中国革命最终结束之前,中国还安装了链条,至少在上个世纪九十年代,这些台站一直保持着空气。 1965年,葡萄牙亚速尔群岛的最后一次重大扩张事件就是向大西洋中部地区提供额外的覆盖。

  在LORAN天空的早期实验中,杰克·皮尔斯(Jack Pierce)注意到,晚上电离层的反射层相当稳定。这导致两个LORAN站可以使用天波信号进行同步,至少在晚上,允许它们在更远的距离上分离。双曲线系统的准确度是基线距离的函数,因此如果站点可以扩展,系统将变得更加准确,因此需要更少的站点。

  1943年4月10日,在距离1,100英里(1800公里)的Fenwick的LORAN车站和Bonavista之间首先尝试了一个测试系统。该测试显示了1/2英里的精度,明显优于正常LORAN。这导致了1943年末的第二轮测试,这次使用了四个站点,蒙托克,东布鲁斯特,马萨诸塞州的鹅莓瀑布,佛罗里达州基韦斯特。广泛的评估航班显示平均误差为1-2英里(1.6-3.2公里)。

  夜间操作模式非常适合RAF轰炸机司令部。四个测试站被拆除并运往大西洋,并重新安装形成两条连锁店,即阿伯丁比兹塔和奥兰加班齐。被称为Skywave同步的LORAN或SS LORAN,该系统提供覆盖苏格兰南部和波兰东部的平均精度为1英里的覆盖范围。该系统于1944年10月开始运行,到1945年被普遍安装在第五集团RAF。

  海岸警卫队在被称为“Skywave Long Baseline LORAN”的系统中也测试了同样的基本概念。唯一的区别是选择不同频率,当天为10.585 MHz,夜间为2 MHz。初步测试于1944年5月在佛罗里达州查塔姆市与佛罗里达州费尔南迪纳市进行,第二批在佛罗里达州霍比湾和波多黎各Point Chinato于1945 - 1月19日至1946年间进行。由于缺乏适当的频率分配,该系统未投入运行。

  LORAN是一个比较脉冲到达时间进行测量的简单系统。理想情况下,CRT上将显示出完美形状的矩形闪光,其前沿可与精度进行比较。在实践中,发射机不能立即打开和关闭,并且由于各种因素,所得到的蓝光在时间上扩散。除此之外,所得到的blip的形状,包络取决于系统的频率,这意味着像LORAN这样的低频系统通常具有比像Gee这样的高频率的精度更低的精度。

  完成相同的时序测量有完全不同的方法,而不是通过比较脉冲包络的时序,而是对信号的相位进行定时。这在电子学中实际上很容易做到,并且可以使用简单的机械指针直接显示。这样一个系统的诀窍是确保主站和从站是相位一致的,这是第二次世界大战期间昂贵而复杂的主张。但是,通过在几个广播电台隔离系统的昂贵部分,使用这种技术的Decca导航系统在1944年开始运行,提供了与Gee类似的精度,但是使用也更容易使用的低成本机械显示器。

  相位比较系统的缺点是,不可能从连续的波信号(如Decca)中知道您正在测量的信号部分。您可以将一个站点的第一个波形与另一个站点的第一个波形进行比较,但第二个波形看起来是相同的。这导致操作员可以产生精确测量的问题,但实际的修复可能在各种各样的位置。 Decca将这些称为“通道”,并使用机械系统来跟踪它们。

  通过结合这两个概念,可以消除这两个问题。由于相位比较在低频下通常更为准确,因此采用这种技术可以获得准确的定位。但是,与Decca的情况一样,不是广播连续的信号,信号将是脉冲的形式。这些将用于使用与Gee或LORAN相同的技术进行粗略的修正,积极地识别车道,然后使用相位比较进行更准确的测量。从开发的角度来看,唯一的问题是选择允许相当精确的脉冲信封的频率,同时在脉冲中仍然具有可测量的波形,以及显影能够显示两个脉冲作为整体,以及其中的波形。

  这些概念在1945年导致了低频LORAN的实验,使用了更低的频率,180 kHz。在美国东海岸,使用气球支持的长天线,建立了一个具有三个发射器的系统。实验表明,在这样低的频率下工作时,设计固有的不精确性太大而无法有效;操作因素引入了压倒能力的错误。然而,这三台发射机在加拿大北部和阿拉斯加北部重新安装了极地导航实验,并运行了三年,直到1950年3月再次关闭。这些实验证明了精确度为0.15微秒,即约50米(0.031英里),远远超过LORAN。最大可用范围是在陆地上1000英里(1600公里),海上1500英里(2,400公里)。使用循环匹配,该系统在750英里(1,210公里)处显示出160英尺(49米)的精度。但是也发现系统使用非常困难,测量结果仍然会混淆在哪些周期上匹配。

  在同一时期,美军陆战队空军对一个非常高的精确度系统感兴趣,炸弹瞄准目标。 Raytheon赢得了开发一个名为Cytac的系统的合同,该系统使用与LF LORAN相同的基本技术,但包括相当大的自动化程度来处理内部的时序,无需操作人员的干预。这被证明是非常成功的,试飞将飞机放在目标的10码范围内。随着飞行任务从短距离的战术轰炸转变为极端核交付,(新形成的)美国空军对这一概念失去了兴趣。然而,他们继续对设备进行实验,在LF LORAN频率上工作,并将其重新命名为Cyclan,与原始设备相比降低了精度,但在大幅度增加的距离上提供了一英里的精确度。

  海军在此期间也一直在尝试一个类似的概念,但采用不同的方法来提取时间。这个系统后来被称为Loran-B,遇到了很大的问题(与另一个空军系统Whyn一样) 1953年,海军接管了Cyclan系统,开始了一系列广泛的研究,远远超过巴西,证明了精度。

  尽管Loran-C的准确性和易用性大大增加,Loran-A仍然广泛使用。这主要是由于两个重要因素。一个是电子学需要阅读Loran-C信号是复杂的,在管子电子学的时代,物理上非常大,通常是脆弱的,而且昂贵。此外,随着军舰和飞机从罗兰A转到罗兰C,老年人的接收人已经过剩了。这些老年单位被商业渔民和其他用户抢走,保持广泛的服务。

  引入晶体管无线电,然后直接解码位置的基于微控制器的系统在价格下降的同时继续改进洛兰A系统。到20世纪70年代初,这些单位相对比较普遍,虽然与无线电测向仪等设备相比,它们仍然比较昂贵。但是在这个时期,电子产品的进步是如此迅速,只有几年之前,Loran-C相同规模和成本的单位都可以使用。这导致1974年决定将罗兰C开放给民用。

  到20世纪70年代后期,海岸警卫队正在逐步淘汰罗兰A,赞成增加罗兰C链。阿留申和夏威夷链条于1979年7月1日关闭,其余是阿拉斯加和西海岸,1979年12月31日,其次是大西洋加勒比海发射机,于1980年12月31日关闭。太平洋和大西洋的几条外国链都跟随着,到1985年,大多数原始的链条已经不再运作。直到1991年,日本的系统仍然停留在空中,为他们的渔船队服务。中国的系统在20世纪90年代以前就被更新了现代系统,而其9个链仍然被列为“无线版)。

  双曲线导航系统可以分为两个主要类别,即计算两个无线电脉冲之间的时间差的那些,以及两个连续信号之间的相位差的比较。这里我们将仅考虑脉冲方法。

  考虑距离彼此距离300公里(190 mi)的两个无线电发射机,这意味着来自一个的无线毫秒来到达另一个。这些站中的一个配备有周期性地发出触发信号的电子时钟。当发送信号时,本台“主”发出信号。 1 ms后,信号到达第二站,即“从站”。该站配有接收器,当它看到来自主机的信号到达时,它触发自己的发射器。这样可以确保主机和从机之间精确地发送1 ms信号,而无需自己准备一个精确的定时器。实际上,增加了固定的时间来解决电子设备的延误。

  聆听这些信号并在示波器上显示这些信号的接收器将在显示屏上看到一系列的闪烁。通过测量它们之间的距离,可以计算两个信号之间的延迟。例如,接收机可以测量两次抖动之间的距离,以表示0.5ms的延迟。这意味着到两站的距离差距是150公里。在这种情况下,可以测量这个延迟的无数个位置 - 距离一个站点75公里,另一个站点225公里,距离一个站点300个,距离另一个300公里的距离150公里。

  当在图表上绘制时,任何给定时间差的可能位置的集合形成双曲线。所有可能的测量延迟的曲线集合形成一组弯曲的辐射线,以两个站之间的线为中心,称为“基线”。为了进行修复,接收机根据两个不同的站进行两次测量。两组曲线的交点通常产生两个可能的位置。使用某种其他形式的导航,例如航位推算,可以消除这些可能位置中的一个,从而提供一个确切的解决方案。

  LORAN塔站成对建成,一个主人和一个奴隶,通常分开约600英里(970公里)。每一对在四个频率1.75,1.85,1.9或1.95 MHz(以及未使用的7.5 MHz)中的一个频率上进行广播。在任何给定的位置,一次可以接收三个以上的电台,因此需要一些识别对的方法。 LORAN采用了改变脉冲重复频率(PRF)的任务,每个站发送一串40个脉冲,每秒33.3或25个脉冲。LORAN塔站于1963年建立在沙约翰斯顿岛。

  使用简单的代码识别站,数字表示频带,脉冲重复频率的字母和链中的站的号码。例如,夏威夷群岛的三个电台被安排为两对2L 0和2L 1.这表明它们在通道2(1.85 MHz)上,使用“L”的重复频率(25个循环),而两个的站是基地重复率,而另外两个(主站和第三站)使用重复率1. PRF可以从25到25和7/16位调整为低,33 1/3到34 1/9为高。这个系统共享了在两个频率上广播的中间塔。

  在Gee的情况下,信号直接从发射机到接收机,产生一个易于解释的干净信号。如果显示在单个CRT轨迹上,操作员将看到一串尖锐的“blips”,首先是主机,然后是其中一个从机,主机,然后是另一个从机。 Gee CRT被构建为能够显示两个迹线,并且通过调整服务器延迟电路,操作者可以使第一个主从信号出现在上显示器上,第二个在下。他们可以同时对两者进行测量。

  相比之下,LORAN是故意设计的,可以使用天空波,所得到的信号要复杂得多。地面波保持相当锐利,但只能在较短的距离接收,主要在白天使用。在晚上,从单个发射机可能接收到多达三十个不同的天空,通常在时间上重叠,产生复杂的返回模式。由于该模式取决于发射机和接收机之间的大气,两个站的接收模式不同。同一时间可能会从一个电台收到一个双反弹的天波,而另一个则是三弹反弹,从而使显示的解释变得非常困难。[13]

  虽然LORAN故意使用与Gee相同的显示器,但信号比Gee长得多,更复杂,直接测量两个信号是不可能的。即使来自主站的初始信号在时间上分散,初始地面波信号如果被接收,则天空接收可能出现在显示器的任何位置。因此,LORAN操作者改为设置延迟,使得主信号出现在一个跟踪上,而从机在第二个信号上出现,从而允许比较复杂的图形。这意味着只能一次进行主/从测量;为了产生“修复”,必须使用不同的站组来重复整个测量过程。测量时间为3至5分钟,是典型的,需要导航员在此期间考虑车辆的运动。

  原来的机载接收机是1943年的AN / APN-4机组,与英国的两件式Gee机身完全相同,可以轻松与这些机组互换。显示器的主机还安装了大多数控件。一般操作从9个站之一开始,标记为0到8,并将扫描速度设置为1,最低设置。然后,操作者将使用强度和聚焦控制来微调信号并提供清晰的显示。

  在最低的扫描速度下,系统还产生了一个送入显示器的本地信号,产生了一个清晰定义的“基座”,沿着两条轨迹显示出一个矩形。来自电台的放大信号也将出现在显示器上,并在时间上高度压缩,使其显示为一系列尖峰(闪烁)。

  使用“左右”开关,操作者将移动上基座,直到其中一个信号尖峰位于其中心,然后使用粗略和精细的延迟控制将基座移动到下部轨迹上以居中。一旦完成,系统设置为扫描速度2,这加快了轨迹,使得由基座概述的部分填满了整个轨迹。以扫描速度3重复该过程,此时在屏幕上只有信号的选定部分可见。转向扫描速度4没有改变时序,而是将信号叠加在一条迹线上,以便最终调谐可以使用增益和放大器平衡控制。目标是完美地对准两条痕迹。[33]

  此时测量开始。操作员切换到扫描速度5,返回到具有两条独立迹线的显示器,信号反转并以较低的扫描速度运行,从而在迹线上出现多次重复信号。混合在信号中的是在时基发生器中产生的电子秤,导致一系列小点出现在现在反转的原始信号上。在5个设置中,刻度上的点表示10微秒的差异,操作员测量位置之间的距离。在50微秒时重复设置6,再次以500微秒设置7。然后将这些设置中的每一个测量的差值相加,以产生两个信号之间的总延迟。然后,对于第二主从设备重复该整个过程,通常是相同链路的第二组,但不总是。

  接收机单元随着时间的推移而大大改善。 AN / APN-4被1945年的AN / APN-9快速取代,这是一个综合收音机和显示重量减轻的一体机。

  白天,电离层只能弱反射短波信号,LORAN可以使用地面波500-700海里(930-1,300公里)。晚上,这些信号被抑制,范围降至350-500海里(650-930公里)。在晚上,天空对测量有用,将有效范围扩展到1,200-1,400海里(2,200-2,600公里)。

  在长距离范围内,双曲线近似从基线中心辐射的直线。当考虑来自单个链路的两个这样的信号时,与该范围相比,所产生的线路图形变得越来越平行,因为基线距离变小。因此,在短距离处,线度的角度交叉,并且该角度随着范围而稳定地减小。由于固定的精度取决于交叉角度,并且所有双曲线导航系统随着距离的增加越来越不准确。

  此外,复杂的一系列接收到的信号使LORAN信号的读取困难,需要一些解释。准确度更多是信号质量和操作员体验的问题,而不是设备或信号的任何基本限制。表达准确性的唯一方法是在实践中进行测量;从日本到天宁岛的航线%。

  AT LORAN是“Air Transportable”,它是一款轻便的LORAN发射机,可以在前轮移动时快速设置。 操作与“正常”LORAN相同,但通常假设图表不可用,必须在现场准备。 移动LORAN是另一个轻型系统,安装在卡车上。

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