Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В предыдущем разделе мы касались лишь геометрических принципов работы РГС, не интересуясь вопросами их техниче­ского осуществления.

Рассмотрим теперь радиогеодезические системы с аппара­турной точки зрения, обратив внимание в первую очередь на физические и технические принципы их работы.

Как явствует из классификационной табл. 10, по характеру излучения РГС подразделяются на импульсные и с непрерыв­ным излучением радиоволн, а по методам измерений — на вре­менные, фазовые и фазово-временные. Во временных системах всегда используется импульсное излучение, поэтому термин «импульсная система» однозначно определяет как характер излучения, так и метод измерения. В чисто фазовых системах используется непрерывное излучение, в фазово-временных — импульсное. .

В импульсных системах прямым образом реализуется вре­менной (импульсный) метод, рассмотренный в § 3. Импульсные системы могут быть как круговыми, так и гиперболическими. Основной недостаток импульсных систем — сравнительно боль­шая абсолютная ошибка, присущая импульсному методу изме­рения расстояний. Поэтому их выгодно использовать при боль­ших дальностях, когда относительная ошибка измерений невелика.

В последнее время, однако, достигнут значительный про­гресс в отношении точности импульсных систем благодаря при­менению корреляционных методов аппаратурной обработки им­пульсных сигналов.

Фазово-временные системы, называемые также импульсно­фазовыми, выделились в отдельный самостоятельный класс РГС. В таких системах импульсы излучения представляют собой радиоимпульсы с некоторой частотой заполнения. Для разрешения неоднозначности обычно используются временные измерения импульсным методом, а для точного определения — фазовые измерения на частоте заполнения.

Подавляющее большинство РГС являются фазовыми.

Перейдем к рассмотрению общих принципов построении аппаратуры фазовых РГС. Су­ществуют два основных вари-. анта такого построения — ко­герентный и некогерентный (гетеродинный).

Когерентные фазовые си­стемы. Это системы без моду­ляции, в которых фазовые из­мерения производятся на несущих частотах. Такие си­стемы могут быть построены с использованием частотного или временного разделения каналов, обеспечивающего возможность раздельного при­ема на подвижной станции колебаний от базисных станций. Рассмотрим, например, си­стемы с частотным разделением, основанным на идее когерент­ного преобразования частоты, осуществляемого путем умно­жения частоты на некоторый целесообразно подобранный коэф­фициент. Такие системы могут быть как круговыми, так и гиперболическими. •

Круговая когерентная система. Принцип построения круго­вой системы с когерентным преобразованием частоты показан на рис. 89. Передатчик подвижной станции Р излучает коле­бания частоты ар. Эти колебания принимаются на базисных станциях А и В, где происходит умножение частоты на различ­ные коэффициенты а и b и передача обратно на станцию Р. Таким образом, на подвижную станцию приходят сигналы с различными частотами tiu = fl(Op и ав=Ьар[32]. Двухканальный фазометр измеряет по каждому каналу разность фаз пришед­шего сигнала и опорного сигнала от своего передатчика. Как видно из рис. 89, в каждом канале необходимо измерить раз­ность фаз сигналов различных частот: ал и ар в канале АР и ав и top в канале ВР. Обычно для осуществления фазовых из­мерений сигналы по каждому каналу приводят к какой-то од­ной частоте, умножая частоту одного из поступающих на фазо­метр сигналов на соответствующий коэффициент.

Для ослабления помех от гармоник коэффициенты а и b выбирают равными не целым числам, а дробным, например 2/3, 3/2, 3/4, 4/3 и т. д. В частном случае Ь=1/а, например, а=2/3, 6 = 3/2.

Рассмотрим работу одного из каналов, скажем, канала АР.

Колебания частоты сор, пришедшие на станцию Л, приобретают фазовый сдвиг q? i = щ—АР • Колебания частоты со а при рас­пространении до станции Р получают сдвиг <р2 = а>л • Сум­марный фазовый сдвиг, который должен быть измерен фазо­метром, равен

фир = фі + фг = Ир-^£- + «>л-?^£— (4-47)

Пусть колебания приводятся к частоте юл, Для чего сигнал частоты юр перед подачей на фазометр умножается по частоте на а=сол/сор. Так как при умножении частоты умножается и фаза, то получаем

Флр = ©я = 2©л

V (Dp V V

Аналогично для второго канала ВР, приводя сигналы, на­пример, к частоте toр (умножением сигнала ©в на 1 /& = юр/о»в), получим

При перемещении станции Р расстояния АР и ВР непре­рывно изменяются и соответственно изменяются разности фаз (4.48) и (4.49). Очевидно, что приращениям расстояний Дглр и Лгвр соответствуют приращения разности фаз

Афлр = 2<0л = -^-АгАР (4.50)

V *А

Афвр = 2юр—= ——А ГдР. (4.51)

V Ар

Из этих равенств следует, что при изменении расстояний на половину длины волны разность фаз меняется на 2я, т. е. на один фазовый цикл. Поэтому, если при движении станции А осуществлять непрерывную регистрацию фазовых циклов, то для получения изменения расстояний по каждому каналу до­статочно зарегистрированное число фазовых циклов М, в об­щем случае нецелое, умножить на половину длины волны:

А Гар = Мар.-^-; (4.52)

&rBP = MBP—£-• (4.53)

Так как M = N+AN, где N—целое число фазовых циклов,

AN— дробная часть цикла, то

и в этих формулах мы узнаём обычные уравнения фазовой дальнометрии, примененные к случаю движущегося объекта.

Гиперболическая когерентная система. Если в круговой си­стеме, изображенной на рис. 89, на подвижной станции Р оста­вить только приемно-фазометрическую аппаратуру, а передат­чик отделить и разместить его в неподвижной точке С между станциями А и В, то мы получим гиперболическую систему с центральной базисной станцией С (рис. 90). Станция С из­лучает колебания частоты ©с, а на отражающих станциях А и В происходит прием и преобразование этой частоты совер­шенно так же, как и в круговой системе. Поэтому работа ги­перболической когерентной системы аналогична работе круго­вой системы с той разницей, что из-за другого расположения передатчика в формулах для разностей фаз будут фигурировать не расстояния, а разности расстояний: гАР— гСР в одном канале и гВР — гСР в другом канале, и в окончательном ре­зультате для приращений разностей расстояний получаются следующие соотношения:

А (гар—i’qp) — ^-b (Ni + &N і); &(гвр—r qp) = (N H + AN n),

где индексы I и II относятся к каналам базисов АС и ВС.

Так как в гиперболической системе подвижная станция только приемная, то такие системы могут работать с неограни­ченным количеством подвижных станций (фазовых зондов), называемых часто приемоиндикаторами.

Для определения N и AN при способах радиолага и фазо­вого зонда могут быть использованы цифровые счетчики (ин­дикаторы), ведущие непосредственный счет фазовых циклов. Иногда используется и более «старый» метод графической ре­гистрации фазовых циклов, при котором сигналы с фазометров обоих каналов подаются на регистратор, ведущий двухканаль­ную запись фазовых циклов в виде штрихов на бумажной ленте или фотопленке (фазограмме), на которую также наносятся метки в момент нахождения подвижной станции в исходной и определяемой точках. Величины N и AN находятся путем под­счета количества полных штрихов и оценки дробной доли штриха на интервале между соответствующими метками. Пре­дусматривается также возможность определения знака при­ращения (по наклону штрихов).

с Рис. 90. Схема построения гиперболической фазовой системы когерентного типа

Как уже упоминалось ранее, если в аппаратуре РГС преду­смотрено несколько «комплектов» рабочих частот (многоча­стотные системы), то в этом случае число N определяется по результатам измерений на всех этих частотах (аналог способа фиксированных частот, см, § 4,глава 1).При этом не требуется геодезической привязки исходной точки маршрута, но надо приближенно знать координаты подвижной станции. Известны и другие (аналитические) методы разрешения неоднознач­ности [8].

Некогерентные фазовые системы. В когерентных системах требование жесткой связи частот передающих станций застав­ляет принимать специальные меры по поддержанию этой связи. При разбалансе частот нарушаются фазовые соотношения, и поэтому станции снабжаются дополнительной аппаратурой контроля и подстройки (системами фазовой подстройки ча­стоты). Другими словами, в когерентных РГС необходима по­стоянно поддерживаемая синхронизация станций.

Этот недостаток полностью устраняется в некогерентных фазовых системах, принципиально не требующих синхрониза­ции передающих станций, которые могут работать совершенно независимо друг от друга. Такая независимость (некогерент­ность) стала возможной благодаря использованию принципа гетеродинирования, почему некогерентные системы называют также гетеродинными. С применением гетеродинирования в ра — диодальномерных устройствах мы уже неоднократно встреча­лись ранее — при рассмотрении основ фазового метода (§ 4) и в геодезических радиодальномерах (§ 19). Здесь мы кратко остановимся на применении гетеродинного принципа к построе­нию радиогеодезических систем. Использование гетеродиниро­вания в РГС, помимо ликвидации необходимости синхрониза­ции станций, позволяет также выполнять фазовые измерения на низкой частоте со всеми вытекающими отсюда преимуще­ствами.

Как должна быть построена гетеродинная радиогеодезиче­ская система? Известно несколько вариантов ее построения. Во-первых, она может быть круговой или гиперболической. Во-вторых, в ней может использоваться модуляция излучаемых колебаний.

Круговая некогерентная УКВ-система. Из круговых гетеро­динных РГС мы ограничимся рассмотрением систем с модуля­цией, построенных на основе схемы УКВ-радиодальномера (типа теллурометр) *. Эта схема подробно разбиралась в § 19, и здесь нет необходимости на ней останавливаться. Напомним лишь, что радиодальномер состоит из двух неподвижных стан­ций— ведущей и ведомой, имеющих различные несущие ча­стоты, модулируемые различными масштабными частотами, и измерения выполняются на низкой частоте, равной разности масштабных частот станций и образующейся в результате гете­родинирования несущих частот с последующим детектирова­нием.

Чтобы на основе такого радиодальномера построить круго­вую радиогеодезическую систему, необходимо:

— ведущую станцию (точнее, ее приемную часть) сделать двухканальной, способной работать одновременно с двумя ве­домыми станциями, имеющими различные несущие частоты;

— поместить ведущую станцию на подвижной объект, а ве­домые станции установить в пунктах с известными координа­тами, т. е. разнести на концы базиса круговой системы.

Разумеется, при этом нужно предусмотреть целый ряд тех­нических деталей — автоматическое синхронное переключение масштабных частот на всех станциях, метод регистрации раз­ности фаз по каждому каналу (например, цифровой или записью на фазограмме) и т. п.; эти вопросы могут быть решены в конкретных системах различным образом.

Двухканальность ведущей станции может быть обеспечена при общей антенне и смесителе применением двухканального усилителя промежуточной частоты и последующего раздель­ного детектирования по обоим каналам (рис. 91).

Круговые системы, построенные на изложенном принципе, обладают двумя очень важными преимуществами. Во-первых, они позволяют измерять сразу сами расстояния, а не их прира­щения, поскольку неоднозначность разрешается в процессе из­мерений применением нескольких масштабных частот. Во-вто­рых, и это еще более важно, они являются наиболее высоко­точными из всех типов радиогеодезических систем, что обусловлено использованием схемы геодезического радиодально­мера УКВ-диапазона. .

, , * Существуют также круговые гетеродинные РГС без модуляции — на­пример, система Торано 0; подробное ее описание можно найти в [8].

Рис. 91. Общая схема круговой гетеродинной системы на основе радиодальномера

К настоящему времени разработано несколько таких си­стем, основные данные которых приведены в конце настоящего параграфа.

Гиперболическая некогерентная система. В некогерентных системах гиперболического типа фазовые измерения выполня­ются на низкой частоте, образованной гетеродинированием не­модулированных (несущих) частот станций. Следует отметить, что модуляция в таких системах частично используется, но она играет вспомогательную роль, являясь средством передачи (ре­трансляции) низкочастотного сигнала.

Рассмотрим работу гиперболической гетеродинной системы на примере широко применяемой в СССР системы «Поиск» [33]. Ее блок-схема показана на рис. 92. Система работает в режиме фазового зонДа и измеряет приращения разностей расстояний. Всего в системе пять станций: три базисных — А, В и С, по­движная станция (фазовый зонд) Р и еще одна станция R — ретранслятор. Станции работают в частотном диапазоне 1,6-=- — т-2,5 МГц. На центральной базисной станции С имеется сдво­енный передатчик, излучающий попеременно частоты ©с и ю’с — Попеременный режим обеспечивается коммутатором К, пооче­редно (4—6 раз в секунду) подключающим антенну к соответ­ствующему генератору. На боковых базисных станциях А и В

Рис. 92. • Блок-схема фазовой гетеродинной гиперболической системы «Поиск»

имеются передатчики, непрерывно излучающие частоты ©А и ©в соответственно. При этом ©а = ©с+Аса і, ©в=юс’+А©2, где Дюі и Д©2 — низкие частоты (численное значение их составляет обычно 460 и 660 Гц). Излучение базисных станций принима­ется как на подвижной станции Р, так и на ретрансляционной станции R, и в соответствующих приемниках происходит сме­шение принимаемых частот (гетеродинирование), в результате которого соответствующей фильтрацией выделяются колебания низких частот А©і (в первом канале) и Д©2 (во втором ка­нале). На ретрансляторе частотами А©і и Д(о2 попеременно модулируется несущая передатчика ©я. Модулированное излу­чение ретранслятора принимается на подвижной станции и де­тектируется. Таким образом, в первом канале образуются два сигнала частоты Д©ь а во втором канале —два сигнала ча­стоты Д©2. Эти низкочастотные сигналы в каждом канале по­ступают на фазометр. .

Рассмотрим работу первого канала (соответствующего ба­зису АС). Текущие фазы колебаний, излучаемых передатчи­ками станций А и С, можно представить выражениями

фл = ю^ + <рл; (4.58)

ФС = ©с< + ф“, (4.59)

где ф° — соответствующие начальные фазы. Излучение от стан­ций А и С принимается на подвижной станции Р и на ретран­
сляторе R. Фазы колебаний, пришедших в Р, будут равны

Фея;

В приемниках станций Р и R происходит смешение коле­баний, пришедших от Л и С, и образование сигналов разност­ной частоты Д(0] =о)а — ©с, выделяемых низкочастотными фильтрами. Фазы этих сигналов, очевидно, будут равны:

фр=ф-4р — фер = Д©1*— ~^~ + +(фл — фс);

• V V

(4.64)

Фя = фля—Фея = -^-+ (фд—фс)-

(4.65)

Сигнал с фазой фр на станции Р подается на один вход фазометра. Сигнал же с фазой фн передается из R в Р моду­ляцией по ретрансляционному каналу и подается на второй вход фазометра. При этом за счет передачи его фаза стано­вится равной Фяр = Фя—А(ох Trp ■, т. е.

Фяр = Дю^—©л-^- + ©с-^- — Д®і-^-+(фл—Фс)-

(4.66)

Таким образом, фазометр первого канала определяет раз­ность фаз

Фі = Фя—Фяя= — (®с + Д©і)-^+ ©с-^-+©л-^—®сХ

V V V

Х^+Ащ_ГЕР_ + ь= ГСР-ГАР _ ГАР-ГЦР _

V V О V v

+ (4.67)

V V

где через г|)і обозначены дополнительные, не поддающиеся учету фазовые задержки, неизбежные в реальной аппаратуре.

Так как выражение (4.67) не содержит начальных фаз ф°а и <р°с, то базисные станции не нуждаются в синхронизации.

Из (4.67) видно, что разность фаз <pi зависит от разности расстояний от фазового зонда до центральной и боковой стан­ций гср — гАР. Именно эта зависимость положена в основу из­мерений. Однако, как видно из формулы, <pi зависит еще от нескольких линейных величин: расстояний Гея, rAR и разности расстояний гАР—rRp, а также от неизвестной нам величины фі-

Рассмотрим, что будет происходить при движении станции Р. Так как расстояния от базисных станций до ретранслятора Ген и гад постоянны, то содержащие их члены не будут изме­няться при движении фазового зонда. Величина фі определя­ется фазовыми задержками в аппаратуре, а также искаже­ниями фазового поля у антенн из-за влияния подстилающей поверхности. Ее возможные изменения не могут быть надежно учтены, и она обычно принимается за величину постоянную. Таким образом, три последних члена в (4.67) при движении станции Р не будут изменяться. Поэтому, если станция пере­местилась из одной точки в другую, то регистрируемое прира­щение разности фаз будет, очевидно, определяться выражением

АФ[ = <вс А {гср~ГАр) -А(ох А {ГАР~ TRp) . (4.68)

Выражая приращение разности фаз в фазовых циклах, пе­репишем (4.68) в виде

2ЛМ + АNx) = *q М’ср-мр) _Дй)1 ММр-гдр) t (4>69)

V V

откуда для приращения разности расстояний найдем

А {гср—глр) — (Nі + АЛ^) + ——— А (гар—гRP),

сое ®с

или

А (гСр—rAp) = Xc(Nl + bNi) + А 1 А (гар — rRp)- (4-70)

(DC

Точно так же можно получить выражение для приращения разности расстояний по второму каналу

А (гср—гвр) ~ (Nu + АЛ^и) Н—————————- А (тВР — гRP). (4.71)

CDc

Так как Дші<(Ос, Acd2<(o’с, то вторые члены в этих равен­ствах имеют небольшую величину. Они гораздо меньше первых членов и считаются поправочными. При работах, не требующих высокой точности, их вообще не учитывают. В случае необхо­димости (при аэрофотосъемочных работах) они могут быть оп­ределены по приближенным значениям величин (гар — Глр) и (Гвр — Глр).

Числа N и AN определяются по записи фазовых циклов, вы­полняемой двухканальным регистрирующим устройством. В по­следних модификациях системы «Поиск» используются также цифровые счетчики фазовых циклов и различные устройства для автоматизации измерений вплоть до выдачи координат на печать и вычерчивания курса фазового зонда [2, 8].

Заканчивая на этом обзор основных аппаратурных решений, отметим одно перспективное направление — использование так называемого бортового хранения фазы опорного сигнала, позво­ляющее строить системы с односторонней связью между пере­датчиком и приемником в каждом канале и, в частности, сделать ненужной ретрансляцию опорных низкочастотных сиг­налов в гетеродинных системах типа «Поиск». В системах с бор­товым хранением фазы на подвижной (приемной) и базисных (передающих) станциях устанавливаются исключительно вы­сокостабильные генераторы — атомные стандарты частоты, до­пускающие строгую синхронизацию друг с другом. Тогда гене­ратор на подвижной станции будет сохранять начальную фазу колебаний, излучаемых передатчиком базисной станции, т. е. будет служить опорным генератором, и фазометр на подвиж­ной станции включается между этим генератором и приемни­ком, принимающим излучение от базисной станции. Таким об­разом, на подвижной станции становится возможным измерение фазового сдвига колебаний, прошедших только в одном на­правлении от базисной станции до подвижной. Чем выше ста­бильность частоты используемых атомных стандартов, тем продолжительней может быть работа системы (расфазировка, обусловленная нестабильностью частоты порядка 10~12 за 1 ч, приводит к линейной ошибке порядка нескольких метров за каждый час работы). В системе с бортовым хранением фазы одна наземная станция может работать с любым количеством подвижных станций, находящихся в радиусе ее действия. При­мером системы с бортовым хранением фазы может служить круговая гетеродинная система Торан О, в которой использу­ется рубидиевый эталон частоты со стабильностью примерно 2 • 10“12 за 1 ч.

Комментарии запрещены.