HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƯỜNG LORAN C

Hệ thống loran A là hệ thống sử dụng các trạm phát đặt trên bờ phát đi các tín hiệu theo chu kì và tại nơi nào đó sử dụng máy thu đo hiệu thời gian của tín hiệu tới từ 2 trạm phát đó.. T

HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƯỜNG LORAN A

Loran là 1 hệ thống vô tuyến dẫn đường dùng để xác định vị trí ở cự li xa (loran: long range navigation)

Hệ thống loran A là hệ thống sử dụng các trạm phát đặt trên bờ phát đi các tín hiệu theo chu kì và tại nơi nào đó sử dụng máy thu đo hiệu thời gian của tín hiệu tới từ 2 trạm phát đó Từ hiệu thời gian tìm ra hiệu khoảng cách tới 2 trạm phát, qua đó xác định được đường đẳng trị là đường hyperbola có tiêu cự là các trạm phát

Hệ thống Loran A đo hiệu khoảng cách thông qua

đo hiệu thời gian của tín hiệu nên gọi là hệ thống xung

BÀI 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

1 Nguyên lý xác định vị trí:

Giả sử có 2 trạm phát M, S và 1 máy thu đặt tại R

Khoảng cách giữa M và R là DM

Khoảng cách giữa S và R là DS

Thời gian sóng đi từ M đến R là tM

Thời gian sóng đi từ S đến R là tS

Như hình vẽ, trạm M ở gần nơi thu hơn nên sóng từ M sẽ đến R trước Hiệu thời gian sóng từ trạm S đến sau trạm M là:

∆t = tS - tM =DS/C –DM/C=∆D/C⇒∆D =C ∆t

Như vậy nếu ta đo được hiệu thời gian tới của 2 tín hiệu ta sẽ xác định được hiệu khoảng cách tới 2 trạm phát đó nghĩa là ta xác định được 1 đường đẳng trị Nếu có 1 cặp đài khác ta sẽ xác định thêm được 1 đường nữa ⇒ xác định được vị trí tàu

Ta cũng thấy rằng với cùng 1 giá trị ∆t nhưng nếu tín hiệu trạm S đến trước ta sẽ tìm được 1 đường đẳng

S

tM=

DM/C

tS= Ds/C R

M

trị thứ 2, tức là cùng 1 giá trị ∆t ta sẽ xác định được 2 đường đẳng trị Vì thế hệ thống Loran A mang tính lưỡng trị

Để khắc phục tính lưỡng trị này, trong hệ thống loran A người ta áp dụng phương pháp tạo thời gian trễ

2 Cách bố trí đài phát :

Hệ thống loran A làm việc theo nguyên tắc từng cặp đài, nhưng để xác định được vị trí ta cần ít nhất 2 cặp đài Để giảm bớt đài phát người ta thường bố trí các đài kép, nhất là đối với đài chính Một đài chính – đài kép kết hợp với 2→4 đài phụ Đường cơ sở đối với hệ thống Loran A thường từ 200→ 400 NM

3 Quan hệ thơi gian phát tín hiệu:

a) Quan hệ thời gian phát:

Đầu tiên đài chính phát ra tín hiệu xung ( trong khoảng 10 Ms) Khi tín hiệu của đài chính đến đài phụ thì đài phụ giữ lại 1 khoảng thời gian rồi mới phát tín hiệu của mình (trong khoảng 10 Ms) Khi tín hiệu đài phụ tới đài chính thì đài chính cũng giữ chậm lại 1 khoảng thời gian rồi mới phát tín hiệu của mình

Quá trình cứ luân phiên như vậy

Khoảng thời gian từ lần phát tín hiệu trước đến lần phát tín hiệu thứ hai cách đều nhau Tần số phát và tần số lập xung trong 1 cặp đài là như nhau

Ta gọi:

tM: thời gian tín hiệu đi từ trạm chính đến nơi thu

tS: thời gian từ khi trạm chính phát tín hiệu đến khi tín hiệu của trạm phụ đến nơi thu

tS =DS/C + DMS/C + tCh = tS’+ tM-S + tch

tch: thời gian giữ chậm , thông thường:tch =TX/2 + tg

TX: chu kì lập xung

Tg: thời gian chậm mã

Ta có:

∆t =tS –tM = tM-S+ TX/2+ tg+ (ts’ –tM)=tconst +∆D/C

X

Z

Ta thấy ứng với mỗi giá trị ∆t ta xác định được 1 giá trị ∆D như vậy ta đã loại trừ được tính lưỡng trị của loran A và giá trị ∆t đo được luôn luôn >T/2 cho thấy tín hiệu đài phụ bao giờ cũng đến sau đài chính và người ta căn cứ vào đó để phân biệt tín hiệu đài phụ và đài chính

b) Chu kỳ lập xung:

Chu kỳ lập xung của loran A phải thoả mãn 1 số đièu kiện sau:

Tín hiệu sóng trời và sóng đất từ đài chính và đài phụ không được chồng chéo lên nhau tại bất

kì vị trí thu nào

Các xung phát đi sao cho tại nơi thu sẽ phân biệt giữa tín hiệu đài chính và đài phụ

Chu kỳ phát xung phải chọn là nhỏ nhất để có thể phát được nhiều xung trong 1 đơn vị thời gian Để thoả mãn 3 điều kiện trên người ta lấy chu kỳ lập xung:

TX =2(2tMS + tC + tg), tC: là thời gian sóng trời đến chậm so với sóng đất

Từ chu kỳ lập xung ta thấy rằng: TX/2< ∆t <TX

4 Cách phân biệt cặp đài loran A :

Để phân biệt cặp đài loran A người ta dựa vào các yếu tố:

•Tần số phát ( tần số sóng mang)

Kênh I: 1950khz (1)

Kênh II: 1850khz (2)

Kênh III: 1900khz (3)

Kênh IV: 1750khz (4)

•Tần số lập xung (PRR-pulse repition rate )

Tần số lập xung được chia làm 3 tần số lập xung

cơ bản:

H :tần số cao (high)

L :tần số thấp (low)

S :tần số lập xung đặc biệt (special)

Trong mỗi tần số cơ bản lại chia thành 8 tần số lập xung riêng biệt, kí hiệu từ 0→7

Vậy mỗi cặp đài loran A được đặc trưng bởi tần số phát, tần số lập xung cơ bản và tần số lập xung riêng biệt

Ví dụ : 2H3 : cặp trạm làm việc ở kênh 2 (1850 khz), ở dãi tần số lập xung cơ bản H , tần số lập xung riêng biệt 3

Bài 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO HIỆU THỜI GIAN Ở

MÁY THU LORAN A

Để đo hiệu thời gian tới của các tín hiệu tại nơi thu người ta sử dụng màn ảnh kiểu ống phóng tia điện tử tĩnh điện Có 2 phương đo: tạo thang đo điện tử và

đo gián tiếp bằng thời trễ nhân tạo

1 Phương pháp tạo thang đo điện tử:

Người ta tạo trên màn ảnh 2 dòng quét, chiều dài mỗi dòng TX/2 tính hiệu đài chính ở dòng trên và tín hiệu đài phụ ở dòng dưới

Ơû dòng quét dưới người ta tạo ra các vạch chia điện tử với khoảng cách qui địng sẵn bằng µs Người

ta dùng mắt để đếm số vạch điện tử giữa 2 tín hiệu, sau đó nhân với giá trị của 1 vạch sẽ cho giá trị hiệu thời gian ∆t Giá trị ∆t đó đã bớt đi 1 lượng TX/2 Phương pháp này ít sử dụng vì độ chính xác thấp, nhất là trong trường có nhiễu

2 Phương pháp đo gián tiếp bằng thời gian trễ nhân tạo:

Phương pháp này người ta tạo ra trên màn ảnh 2 đường quét, chiều dài mỗi đường bằng TX/2 (bằng ½ chu kỳ lập xung)

Ngoài ra người ta còn tạo ra 2 xung nền A và B:

 Xung nền A cố định ở dòng quét trên

 Xung nền B di chuyển ở dòng quét dưới Khi xung nền A và B đứng cùng trên 1 đường thẳng thì bộ tính thời gian ở vị trí 0 (hiệu thời gian đo bằng 0)

(HÌNH)

Để đo hiệu gian ∆t , đầu tiên người ta đưa sườn trái của xung nền B về trùng sườn trái của xung nền A.Sau đó di chuyển xung nền B sao cho sườn trái của nó cách tín hiệu trạm phụ giống như xung đài chính cách sườn trái xung nền A (thường đã được điều chỉnh

trùng sườn trái) Khi đó ở cơ cấu chỉ báo sẽ cho ta biết hiệu thời gian ∆t

Tuy nhiên phương pháp này khó thực hiện và thiếu chính xác nên trong thực tế người tiến hành đo theo 3 độ quét chậm, trung bình và nhanh (hình a,b,c,d):

Quét chậm: tiến hành như trên.

Quét trung bình:

Vẫn để xung phân biệt quét vào bản cực gây lệnh thẳng đứng và xung răng cưa vào bản cực gây lệch nằm ngang nhưng thời gian tồn tại của xung răng cửa chỉ tồn tại của xung nền (độ rộng xung nền) Trên màn chỉ thị sự xuất hiện hai dòng quét nhưng xung (nền) được phóng đại lớn như hình c

Quét nhanh:

Không đưa xung vuông vào cực gây lệnh đứng nữa, đồng thời xung răng cửa đưa vào cực gây lệnh ngang với thời gian tồn tại chỉ ở phần đầu của xung nền Khi đó trên màn hình chỉ còn 1 đường quét và phần đầu của xung (nền) được phóng đại to Khi đó làm chập sườn trái hai xung (nền) đó ta sẽ đọc được thời gian chính xác

ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG LORAN A

Hệ thống Loran A làm việc theo nguyên tắc phát xung và đo hiệu khoảng cách thông qua đo hiệu thời gian của chúng nên gọi hệ thống xung Mỗi giá trị ∆t ứng với 1 đường đẳng trị hyperbola

Hệ thống làm việc ở sóng trung, tần số 1750 +1950 kMz Độ rộng của xung khoảng 40 µs công suất các trạm khoảng vài chục đến vài trăm kw

Tầm hoạt động:

Nếu sử dụng sóng đất ban ngày 600->700 Nm đêm 400->500Nm

Nếu sử dụng sóng trời, tầm xa có thể 1200 +

1400 Nm cả ngày và đêm

Nếu máy thu: Loran A có lắp thêm bộ phận tần số 100kMz thì co thể thu các tín hiệu của Loran C Ngày nay thông thường các máy thu Loran kết hợp A &C

Độ chính xác: kém so với Loran C & Decca, do phương pháp làm bằng sóng trên màn ảnh khó thực hiện chính xác

Về ban ngày sử dụng sóng đất sai số từ 1->3 km trời 5->10km

HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƯỜNG LORAN

C

Loran C về nguyên lý cũng giống như hệ thống Loran A Tuy nhiên, việc đo hiệu thời gian của hai sóng tín hiệu chính xác hơn nhờ có sự kết hợp với đo hiệu pha của chúng, nên Loran C còn được gọi là hệ thống xung pha

1 NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

1 Nguyên lý xác định vị trí: (giống như Loran A)

2 Cách bố trí đài phát:

Hệ thống loran C hoạt động theo từng cụm

thống nhất, mỗi cụm từ 3→5 đài Đài chính thường bố trí ở giữa, các đài phụ ở xung quanh Đường cơ sở từ

500 đến 700 NM , cụm đài loran C thường viết đài chính trước, các đài phụ sau

Ví dụ: MXYZ , MWXYZ

(hình)

3 Phương thức phát và quan hệ thời gian phát tín hiệu:

Tất cả các đài trong 1 cụm loran C đều phát trên cùng 1 tần số sóng mang là 100khz

Thời gian phát xung tín hiệu là 250µs (Tx = 250µs) Tín hiệu phát ra gồm nhiều xung:

 Đài phụ phát 1 nhóm gồm 8 xung với Tx = 250µs, khoảng cách giữa các xung là 1000µs

 Đài chính phát 1 nhóm gồm 9 xung với Tx = 250µs, khoảng cách giữa các xung là 1000µs, chỉ khác khoảng cách giữa xung thứ 8 và 9 cách nhau 2000µs (có trường hợp cách nhau 500µs)

Cách thức phát tín hiệu như vậy để dễ phân biệt giữa tín hiệu đài chính và đài phụ

Đầu tiên đài chính phát 1 nhóm gồm 9 xung Khi tín hiệu đài chính tới đài phụ thứ I , đài phụ này giữ chậm lại 1 khoảng thời gian, sau đó mới phát tín hiệu của mình gồm 1 nhóm 8 xung

Tín hiệu của đài phụ đầu tiên đến đài phụ thứ hai thì đài phụ thứ hai cũng giữ chậm lại 1 khoảng thời gian nào đó rồi phát tín hiệu của mình

Quá trình cứ tiếp tục như thế cho tới khi tín hiệu của đài phụ cuối cùng tới đài chính thì đài chính cũng giữ chậm lại 1 khoảng thời gian rồi phát tín hiệu kế tiếp thứ hai của mình và quá trình được lập lại Như vậy trên màn hình của máy thu, tín hiệu của các trạm sẽ xuất hiện lần lượt từ đài chính đến đài phụ cuối cùng

(hình)

4 Cách phân biệt cụm đài loran C:

Để phân biệt cụm đài loran C người ta dùng tần số lập xung FX

tần số lập xung được chia thàn 3 nhóm tần số cơ bản:

 Nhóm I:ký hiệu SH: nhóm tần số cao chậm (slow high)

 Nhóm II : ký hiệu SL: nhóm tần số thấp chậm

 Nhóm III: ký hiệu SS: nhóm tần số đặc biệt chậm

Mỗi nhóm tần số cơ bản lai chia thành 8 tần số lập xung riêng biệt, ký hiệu từ 0 đến 7

FSH =16.2/3 + N/36 (=102/6 +N/62) hz

FSL = 12.1/2 + N/64 (=102/8 + N/82) hz

FSS = 10 + N/100 (=102/10 +N/102) hz

BÀI 2: CÁCH ĐO HIỆU THỜI GIAN TRÊN MÁY THU

CHỈ BÁO

Ta có hiệu thời gian: ∆t = n.T + tI

Tại máy thu , tín hiệu đài chính và đài phụ tới không đồng thời nên muốn đo pha của các dao động tín hiệu đó người ta phải đưa các dao động đó về cùng 1 thời điểm hay phải có bộ lưu giữ pha dao động Mặt khác nếu đo pha sẽ nãy sinh tín đa trị (nT ),cho nên ở máy thu loran C người ta tiến hành đo hiệu thời gian qua hai bước:

Bước I: đo thô: bước này tiến hành giống như ở loran A tức là làm chập đường bao tín hiệu để xác định trị số nT

Bước II: đo tinh: tiến hành làm trùng pha các dao động sóng mang giữa tín hiệu đài chính và đài phụ để xác định trị số ti

Trong thực tế việc tiến hành đo hiệu thời gian ∆t

ở loran C được tiến hành theo 4 bước ứng với 4 tốc độ quét:

 Tốc độ quét I:để tìm kiếm và nhận biết các bó xung của trạm chính và phụ, xác lập chúng vào vị trí cho đúng

 Tốc độ quét II:kiểm tra xem việc xác lập vị trí các tín hiệu đã đúng chưa

 Tốc độ quét III: đo sơ bộ hiệu thời gian giữa các tín hiệu , sau khi cân bằng biên độ thì làm trùng thành trước đường bao các xung tín hiệu (giống loran A)

 Tốc độ quét IV: tiến hành đo chính xác: đo pha các dao động sóng mang 100khz, chú ý điều chỉnh để trên máy chỉ báo chỉ tồn tại 3 đến 4 dao động đầu

(hình)

ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG VTDĐ LORAN C

Hệ thống Loran C phát tín hiệu là 1 nhóm xung nên dễ phân biệt với nhiễu, phân biệt tín hiệu đài chính với đài phụ, tăng tầm hoạt động xa hơn so với Loran A:

+sóng đất: ban ngày 1000Nm

600Nm +sóng trời: cả ban ngày lẫn ban đêm có thể tới 2000Nm

Độ chính xác: cao hơn Loran A do kết hợp nguyên tắc xung pha (Loran A- Decca), sai số từ 100: 1000 m

Do tầm hoạt động xa nên bị ảnh hưởng giữa sóng tại nơi thu, cho nên trong máy thu người ta có bộ phận tạo ra xung ngắt có độ dài 30µs tức là người ta chỉ lấy 30 µs đầu của tín hiệu tới để lấy ra cac tín hiệu hoàn toàn là sóng đất

Do đài phát phát ra 1 nhóm xung nên tại điểm thu sóng trời của xung lần trước sẽ ảnh hưởng tới sườn trước của xung lần sau trong cùng một nhóm xung Để khử hình ảnh này người ta mã hoá pha các xung radio Thực chất cùa nó là biến đổi pha của các sóng mang trong mỗi xung đi 180 o Khi đó pha của các bó xung chẳn khác pha của các bó xung lẻ Đài phát đồng thời phát đi 2 nhóm xung mã hoá khác nhau Tại nơi thu 2 nhóm xung này sẽ được mã hoá trở lại thành

1 nhóm xung không có ảnh hương sóng trời