Из истории создания фазовых радионавигационных систем

Результаты исследований распространения радиоволн, выполненные академиками АН СССР Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси в начале 30-х годов, явились основой фазовых радионавигационных систем. Первоначально ставилась задача как можно более точного измерения скорости распространения радиоволн над земной поверхностью. По существовавшим в то время теоретическим, к счастью, ошибочным представлениям эта скорость предполагалась сильно зависящей от свойств поверхности Земли и могла составлять до 70% от скорости в свободной атмосфере.

В экспериментах использовались две радиостанции – "задающая" и "отражающая", излучающие одновременно сигналы, фазы которых сравнивались на задающей станции. По величине запаздывания фазы "отраженного" сигнала на задающей станции при известном расстоянии между станциями, рассчитывалась скорость распространения радиоволн (как известно, фаза непрерывного сигнала является наиболее точной мерой времени, хотя и неоднозначной).

Технической основой разработанного метода стало сочетание частотного разделения сигналов задающей и отражающей станций для одновременного излучения и приема сигналов во встречных направлениях и интерференционного измерения разности фаз этих сигналов при целочисленном соотношении частот (3:2, 4:3, 2:3, и т.п.). Для когерентного (связанного по фазам) преобразования частоты принятого на отражающей станции сигнала в частоту, излучаемую ею, был специально разработан способ параметрического "захвата" частоты генератора. Для контроля постоянства фазовых сдвигов в преобразователе частоты и в усилителях приемников был разработан фазовый девиометр в виде генератора колебаний обеих (исходной и преобразованной) частот с постоянным соотношением фаз этих колебаний.

Было установлено, что отклонения скорости радиоволн вблизи поверхности Земли от скорости в свободной атмосфере, в основном, не превышают 0,1 – 0,03%. Разработанная при исследованиях фазовая аппаратура (в первую очередь – принципы ее построения) могла быть использована для решения противоположной задачи: по измерениям фазы радиосигналов находить расстояния между пунктами их излучения и приема.

По заданиям ГС ВМФ и ГУ СМП Ленинградским политехническим институтом были изготовлены фазовые радиодальномеры МПЩ (Мандельштам, Папалекси, Щеголев), которые впервые были применены для координирования промерных галсов в Карском и Восточно-Сибирском морях в 1939–1940 гг. Измерение дальности с помощью МПЩ производилось путем подсчета (на экране ЭЛТ) изменения разности фаз радиоволн, проходящих путь от корабельной задающей станции и береговой отражающей станции и обратно.

Так как изменение разности фаз значительно превышало один цикл (т.е. наблюдаемая картина на экране ЭЛТ менялась многократно), то требовалось подсчитывать количество полных циклов. Для определения места корабля использовали еще и вторую отражающую станцию и второй канал измерений дальности.

Радиодальномеры МПЩ в светлое время суток обеспечивали регулярные (каждые 6–7 ч) определения места на промерных галсах со средними квадратическими погрешностями (СКП) порядка 150 – 500 м при СКП измерения расстояний около 100–150 м и углах пересечения линий положения 30–80° на удалениях от отражающих станций 60–300 км. Продолжительность сеанса обсервации достигла 1 ч. Основной причиной увеличения погрешностей обсерваций являлся неточный учет дрейфа корабля в процессе измерения расстояний. В условиях Арктики мешающих излучений других радиосредств в период 1939–1940 гг. не отмечалось.

В качестве недостатков ФРНС МПЩ можно отметить:

• сравнительно низкую надежность весьма сложной аппаратуры, изготовленной в полукустарных условиях из недостаточно совершенных радиодеталей;
• большую трудоемкость и продолжительность процесса измерения дальностей, требующего приостановки промера, отнимающего до 20% общего времени работы на промерном галсе;
• системой мог пользоваться только один корабль – носитель задающей станции.

Тем не менее к 1941 г. были получены бесценные экспериментальные, методические и технические заделы для развития ФРНС, которые вскоре получили дальнейшее развитие. В 1941 г. Л.И.Мандельштаму и Н.Д.Папалекси за результаты исследований распространения радиоволн была присуждена Сталинская премия 1-й степени по физике. Уже в последний год ВОВ возникла ответственная общегосударственная задача – в кратчайшие сроки очистить от минной опасности акватории прилегающих морей.

Во время войны минные постановки велись всеми противоборствующими сторонами на обширных пространствах шельфа, зачастую без точной фиксации координат поставленных заграждений. Требовалось выполнить траление на больших площадях шельфа на значительных удалениях от берега – потенциальные возможности фазовых РНС оказались востребованными.

Анализ свойств различных вариантов построения ФРНС, при участии специалистов Института, показал, что радиодальномеры на принципах МПЩ для использования тральными силами малопригодны, а более подходят варианты "радиолага" и "фазового зонда". В варианте “радиолага” передающие устройства работают на постоянных частотах. Измерения разностей фаз многозначны. Первоначально многозначность отсчета устраняется при нахождении корабля в пункте с известными координатами (у причала, у панерной вехи и т.п.) расчетом по геодезическим расстояниям до отражающей станции, так называемой, "привязкой".

В процессе последующего движения корабля возникающие изменения (приращения) разности фаз непрерывно фиксируются оператором (по наблюдениям на экране электронно-лучевой трубки или с помощью полуавтоматического регистратора-самописца) с подсчетом проходящих полных циклов изменений фазы.

Для определения места требовалась еще одна отражающая станция (с другим коэффициентом преобразования частот) и второй канал измерения дальности.

После кончины в 1943 г. Л.И.Мандельштама научное руководство созданием ФРНС принял академик Н.Д.Папалекси. По представлению ГУ ВМФ и Института решением Совета Министров СССР был определен разработчик ФРНС – НИИ Министерства Судостроительной промышленности в г.Москве. По ТТЗ Института было решено разрабатывать ФРНС в составе трех передающих станций – задающей (совмещенной с устройствами приема сигналов двух отражающих станций, измерения и регистрации разностей фаз), двух отражающих станций невзаимозаменяемых (работающих при разных соотношениях частот) и нескольких зондовых приемников (одновременно принимающих сигналы от задающей и обеих отражающих станций и осуществляющих измерения и регистрацию разностей фаз их сигналов). ФРНС было присвоено название "Координатор".

Задающая станция выполнялась в комплектации, позволяющей устанавливать ее как на корабле – для работы в варианте “радиолага”, так и на берегу – для работы в варианте “фазового зонда”. При работе системы в варианте “радиолага” сохранялась потенциальная возможность использовать один или несколько зондовых приемников для установки на берегу, например, для контроля за перемещениями корабля с задающей станцией. К сожалению, такой вариант использования зондовых приемников не нашел применения.

В 1944 г. макетные образцы аппаратуры “Координатор” были испытаны на Каспийском море.

В постановке работ по ФРНС "Координатор" активное участие приняли В.А.Климонтович (от ГС ВМФ) и А.П.Арсеньев (от Института). Главным конструктором системы был Б.Н.Савельев.

В 1947 г. опытные образцы системы "Координатор" были поставлены на Черноморский, Северный и Балтийский флоты, где в кратчайшие сроки успешно прошли приемо-сдаточные испытания и немедленно были использованы для гидрографического обеспечения послевоенного минного траления. В 1950 г. система принята на вооружение ВМФ. Тогда же было организовано серийное производство аппаратуры "Координатор" в г.Ленинграде на заводе "Равенство".

В варианте “радиолага” системой может пользоваться только один корабль-носитель задающей станции. В варианте “фазового зонда” все три передающие станции размещаются на берегу, а корабли (в любом количестве) с зондовыми приемниками лишь измеряют разности фаз сигналов, принятых от задающей и отражающих станций. Достоинством варианта “фазового зонда” является также отсутствие на кораблях демаскирующего их радиоизлучения задающей станции.

Методическое руководство гидрографической стороной использования РНС "Координатор" осуществлял НИГШИ ВМФ, техническими вопросами эксплуатации формально занимались органы радиотехнической службы ВМФ на флотах. Однако фактически дело сводилось к поставкам ЗИП'а и некоторых ремонтных материалов. В первые годы освоения РНС "Координатор" поддержание техники в исправном состоянии выполнял личный состав подразделений ГС флотов при консультациях разработчика.

Личный состав радиодальномерных гидрографических партий проявлял подчас подлинные мужество и изобретательность, обеспечивая в сложных полевых условиях бесперебойную работу аппаратуры и тем самым успешное траление кораблей в море.

Особенно большой вклад в быстрое освоение системы “Координатор”, в разработку инструкций, методических пособий по использованию при НГО различных задач флота внесли^*: А.П.Арсеньев, А.И.Баранов, О.А.Борщевский, Н.М.Горшков, В.С.Зябрев, В.Ф.Ивашкевич, Н.Н.Подорожняк, Б.С.Розен, И.А.Станишевский, В.А.Трукшин, И.А.Ярош. В этот период было внедрено несколько десятков рационализаторских предложений и технических усовершенствований, способствующих эффективному применению системы.

По мере завершения послевоенного минного траления система "Координатор" привлекалась для гидрографического обеспечения многих других задач флота: промера на шельфе за пределами видимости береговых ориентиров; артиллерийских стрельб по береговым ненаблюдаемым целям; определения маневренных элементов кораблей; поиска подводных (донных) объектов и т.п.

Система "Координатор" обеспечивала дальность действия в светлое время суток до 200 км от наиболее удаленной станции, в ночное время дальность действия не превышала 80 км из-за влияния отраженных ионосферой сигналов, вызывающих резкие изменения отсчетов разности фаз, приводящие к потере счета фазовых циклов.

Во время обеспечения минного траления система "Координатор" преимущественно работала в варианте радиолага, задающая станция устанавливалась на головном тральщике ордера, который, как правило, не ставил трал, а шел ведущим. Остальные тральщики ордера удерживали свое место в строю по ведущему. При обеспечении артиллерийских стрельб, определении маневренных элементов и промера, система "Координатор" работала, как правило, в варианте “фазового зонда”.

СКП определения навигационного параметра составляли:

• в варианте “радиолага” 4–8 м;
• в варианте “фазового зонда” 7–16 м.

СКП определения места составляли:

• в варианте “радиолага” 15–18 м;
• в варианте “фазового зонда” 40–90 м.

На длительных галсах (на промере, на минном тралении) обычно интервалы времени между последовательными отсчетами составляли 5–10 мин, а при определении маневренных элементов кораблей и при выходах на новый галс – 15–60 с. Однако при столь высоких, по тем временам, точностных характеристиках ФРНС "Координатор" не могла быть признана средством навигационного обеспечения, тем более в боевых условиях, по следующим причинам:

• необходимости привязки начальной точки и непрерывной работы всех станций системы в течение всего похода корабля;
• низкой устойчивости против радиопомех, в том числе от радиовещательных станций;
• существенного сокращения дальности действия и точности определения места в темное время суток.

Для превращения фазовых РНС в средство навигации кораблей, не требующее присутствия на борту гидрографов, требовалось:

• обеспечить устранение многозначности фазовых измерений во всей зоне действия системы без привязки, т.е. в любой момент и в любой точке зоны действия системы;
• повысить устойчивость аппаратуры к естественным и техногенным радиопомехам, в частности, к преднамеренным помехам;
• с целью обеспечения круглосуточной работы системы исключить или хотя бы значительно ослабить мешающее влияние собственных сигналов, претерпевающих отражения в нижних слоях ионосферы с нарушением стабильности фазы.

Эти задачи следовало решить в дальнейшем развитии ФРНС.

1. Новейшие исследования распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Сборник статей под ред. Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси. – М.Л.: ОНТИ 1945. – 296 с.

2. Правила Гидрографической службы N 38. Использование системы "Координатор". – Б.М.:УНГС ВМФ, 1957.