Солнце (навигация)

Sonne (по-немецки «солнце») — радионавигационная система, разработанная в Германии во время Второй мировой войны . Он был разработан на основе более ранней экспериментальной системы, известной как Электра , поэтому система также известна как Электра-соннен . Когда британцы узнали об этой системе, они тоже начали использовать ее под названием Consol , что означает «под солнцем».

Электра представляла собой обновленную версию лучевого низкочастотного радиодиапазона (LFR), который использовался в Соединенных Штатах в 1930-х годах. В дальнейшем это было модифицировано для создания Зонне путем электронного вращения сигнала для создания серии лучей, проносящихся по небу. Используя простую синхронизацию сигнала, навигатор мог определить угол до станции. Два таких измерения затем позволили исправить положение радио . Точность и дальность были превосходными: исправления примерно на ¼ градуса были возможны на расстоянии 1000 миль (1600 км).

Зонне был настолько полезен, что нашел широкое применение и в британских войсках, которые взяли на себя управление после войны. Система использовалась для дальней навигации под названием Consol и поддерживалась ИКАО как одна из предложенных аэронавигационных систем дальнего действия. В течение следующих двадцати лет по всему миру были построены новые станции. Система частично использовалась до 1990-х годов, а последний передатчик в Норвегии был отключен в 1991 году.

Фон

Пеленгомерный метод определения местоположения с использованием морской карты. В данном случае штурман сделал три измерения: одно на фоне выдающегося топливного бака на берегу, а два других — на каждой стороне небольшого острова. Использование третьей меры позволяет точнее определить положение, но не является необходимым.

В навигации определение « точки » требует проведения двух измерений. Используя классические методы, обычно это было измерение двух углов или направлений вдоль прямой видимости на выдающиеся ориентиры , такие как маяк . После проведения двух измерений линии положения, чертятся исходящие от ориентиров под обратным углом. Линии в какой-то момент пересекутся, и их пересечение определяет местоположение навигатора. На практике часто используется третье измерение, в результате чего три линии не пересекаются идеально; размер полученной области пересечения треугольника дает приблизительное представление о точности измерения в целом.

РДФ

Появление портативных радиосистем в начале 20 века дало возможность использовать радиовещательные устройства ( маяки ) в качестве ориентира, который был бы виден радиоприемнику на очень больших расстояниях, в сотни миль и более. Угол между навигатором и маяком можно измерить с помощью простого механизма, известного как рамочная антенна . Когда антенна вращается вокруг вертикальной оси, мощность принимаемого сигнала меняется и падает до нуля ( нулевого значения ), когда петля перпендикулярна линии, ведущей к маяку.

Этот метод, известный как радиопеленгация (RDF), полезен, но имеет лишь умеренную точность. Измерения с точностью более нескольких градусов при использовании маленькой рамочной антенны затруднительны, а из-за электрических характеристик не всегда легко сделать более крупную версию, которая могла бы обеспечить большую точность. Более того, добавление рамочной антенны может оказаться невозможным на небольших транспортных средствах или затруднительным для тех, у кого нет специального навигатора.

Было несколько экспериментов с своего рода «перевернутой» версией концепции RDF. Среди них был британский маяк Орфорднесс , который транслировал сигнал из петли, которая постоянно вращалась со скоростью 1 об / мин (6 градусов в секунду). Каждый раз, когда петля проходила на север, она на короткое время передавала сигнал азбуки Морзе для буквы «V». Пользователи слушали сигнал V, а затем включали секундомер , ожидая, пока сигнал исчезнет, ​​когда петля будет вращаться мимо них. Прошедшее время, умноженное на шесть, указывало на угол их пеленга со станции. Второй пеленг на аналогичную станцию ​​в RAE Farnborough позволил исправить ситуацию.

К сожалению, на практике выяснилось, что система была точной только днем ​​и в хорошую погоду, что ограничивало ее полезность для предполагаемой роли управления военно-морскими силами, и система работала только в течение короткого периода времени.

Радиодиапазон, Лоренц и Электра

Аудиосигналы LFR: N поток , поток A и комбинированный равномерный тон

Другим решением проблемы радионавигации является использование направленного «лучевого» сигнала, который можно принять только в определенной местности. Летательные аппараты, летящие в пределах луча, услышат сигнал по обычному радио. Это представляет проблему; луч должен быть достаточно широким, чтобы его мог обнаружить самолет, но достаточно узким, чтобы служить точным ориентиром.

Первые попытки решить эту проблему были предприняты в Германии еще в 1904 году. О. Шеллер из фирмы Лоренц предложил систему, использующую четыре сигнала, расположенных по общей веерообразной схеме. Каждый из сигналов модулировался на слух сигналом кода Морзе для N (тире-точка) или A (точка-тире), поэтому радио, настроенное на частоту вещания, могло услышать один из этих сигналов. Сигналы намеренно слегка перекрывались, поэтому были области, где слушатель мог слышать оба одновременно. В этом случае пробелы в одном сигнале будут заполнены другим, создавая устойчивый тон, известный как «эквисигнал».

За этим последовало несколько разработок этой базовой концепции, но она не стала практической до Первой мировой войны . К тому времени экономика Германии была ограничена, а деятельность авиации строго ограничена. Затем практическая разработка переместилась в Соединенные Штаты, где она использовалась в модифицированной форме с двумя широкими шаблонами вещания в форме восьмерки, которые позволяли легко захватывать сигнал. Вместо системы посадки ближнего действия, предложенной Шеллером, начиная с 1928 года американская система использовалась для создания системы низкочастотного радиодиапазона (LFR), предлагающей глобальную навигацию между аэропортами.

Чтобы использовать систему, самолет должен был настроиться на станцию ​​по обычному радио. Затем они прислушивались к сигналу и в зависимости от того, слышали ли они A или N, поворачивались, пока не оказывались в середине луча, где слышали равносигнал. Система была настроена таким образом, чтобы луч, направленный на запад от одной станции, имел схему из точек и тире, противоположную лучу, направленному на восток от следующей, поэтому пилот мог настроиться на станции на любом конце определенного участка и услышать одно и то же. сигнал от обоих. Летая от станции к станции, они слышали, как сигнал одной из них затухает, а другой усиливается, пока они не прошли над станцией, где не вошли в «конус тишины».

Система слепой посадки на балке Лоренца.

По мере восстановления экономики Германии в конце 1930-х годов развитие системы Лоренца возобновилось. Эрнсту Крамару было поручено разработать систему слепой посадки, более соответствующую первоначальной концепции Шеллера. Это возникла как система, известная как « луч Лоренца », в которой использовались три антенны и методы фазирования для создания узконаправленных сигналов шириной всего несколько градусов. Передатчики были размещены у концов взлетно-посадочной полосы, и пилот мог слушать сигналы, чтобы донести веерообразный сигнал до взлетно-посадочной полосы. Во время Второй мировой войны в качестве средств ночного бомбометания использовались еще более точные и дальнобойные версии; см . в «Битве лучей» . подробности

Поскольку экономика Германии улучшилась и Luft Hansa приступила к расширению графика, Крамару было предложено разработать систему, аналогичную LFF, для использования в Европе. Рихарда Штрауса Он назвал ее Электрой в честь персонажа одноименной оперы . Используя лучи Лоренца, Elektra позволила сделать каждый сигнал уже, поэтому одна станция могла обеспечить несколько входящих и исходящих путей вместо четырех. Таким образом, можно было бы использовать меньшее количество станций для создания серии воздушных трасс , которые более напрямую соединяли бы аэропорты. Однако к моменту начала войны никаких усилий по развертыванию предпринято не было.

Солнце

В начале войны Люфтваффе обратилось к Крамару, чтобы посмотреть, можно ли адаптировать «Электру» для обеспечения общей навигации, а не полета по лучу. В ответ он объединил концепцию луча из системы Лоренца с вращающимся сигналом из концепции Орфорднесса, но в уникальной системе, которая представляла собой значительный прогресс в форме.

Вместо вращения рамочной антенны Зонне использовал три отдельные фиксированные антенны, расположенные вдоль линии, причем каждая антенна находилась на расстоянии 1 км от следующей, на расстоянии трех длин волн на рабочей частоте 300 кГц (использовалось несколько частот в диапазоне 250–350 кГц). Один передатчик производил сигнал, который направлялся прямо на центральную антенну.

Сигнал также отделялся от основного канала и отправлялся в «ключевой блок». Это дополнительно разделило сигнал на один из двух путей, каждый из которых подключен к одной из двух боковых антенн. Манипулятор на короткое время посылал сигнал на одну антенну, а затем на более продолжительное время на вторую, создавая схему из точек и тире, используемую в системах Лоренца. Поскольку центральная и одна из двух боковых антенн были запитаны в любой момент времени, результирующая диаграмма направленности была кардиоидной .

Ключом к системе Зонне была дальнейшая модификация сигнала до того, как он достигнет антенн. Фазовращатель использовался для задержки сигнала на 90 градусов, когда он был отправлен на одну из боковых антенн, или для опережения его на 90 градусов от другой. Это создало серию пиков или лепестков внутри кардиоидной диаграммы направленности, каждый шириной около 7,5 градусов. Поскольку антенны были физически разделены, пики не перекрывались точно, создавая те же точки, тире и равносигнальные зоны, что и в системе Лоренца.

Наконец, сигнал фазовой задержки медленно «вращался». За период в 30 секунд опережающий сигнал запаздывал на 180 градусов, а запаздывающий сигнал опережал на те же 180 градусов. Это заставило всю кардиоидную диаграмму медленно вращаться: точки по часовой стрелке, тире против часовой стрелки.

Навигация с помощью Sonne

Эта часть карты UK Consol 1946 года иллюстрирует основную концепцию системы Зонне. Навигаторы определяли свое приблизительное местоположение с помощью любой формы навигации, затем настраивались на консольную станцию ​​и начинали считать точки или тире, которые они слышали. Затем они искали это число на карте, выбирая линию, которая была ближе всего к их предполагаемому местоположению. Зеленые линии обозначают пеленги новой станции Буш-Миллс в Северной Ирландии, красные — станции Ставангер в Норвегии.

Раз в минуту сигнал на боковые антенны отключался, создавая чистый тон, который транслировался во всех направлениях от центральной антенны. Это было связано с идентификатором станции азбукой Морзе. Навигатор мог использовать этот 6-секундный период для определения общего направления на станцию ​​с помощью RDF. Это позволило им определить, внутри какой из долей паттерна они ожидали оказаться.

Когда фазовые задержки начались снова, через 2 секунды после окончания идентификатора станции, с ним началась точечно-тиреная манипуляция. Приемник обычно располагается с одной или другой стороны равносигнала, поэтому он слышит либо точки, либо тире — в данном примере скажем, точки. При вращении шаблона выступ точки удалялся от приемника, а сигнал штриха приближался к нему. Таким образом, в течение 30-секундного периода приемник будет слышать точки, затем равносигнал (кратко), а затем тире. Рассчитывая время прибытия равносигнала, навигатор мог определить их местоположение внутри доли.

В то время как Орфорднесс требовал, чтобы эта задержка была рассчитана по часам, Зонне вводил сигнал один раз в секунду, позволяя фиксировать время просто путем подсчета количества точек или тире. Чтобы еще больше упростить этот процесс, была составлена ​​серия морских карт с указанием на них отсчетов. Навигатор просто искал число на карте, чтобы определить направление.

Поскольку узор поворачивался всего на 7,5 градусов за 30 секунд, а время было точным только до секунды, точность системы теоретически составляла 7,5/30, или ¼ градуса. На практике в течение дня на расстоянии 300 морских миль точность составляла ±½ градуса, когда приемник располагался под прямым углом к ​​базовой линии станции, и ±1 градус при 70 градусах к нормали. Как и в большинстве средне- и длинноволновых систем, точность ухудшалась ночью из-за атмосферных воздействий до ±1 градуса в норме и ±2 градуса при 70 градусах.

Развертывание

В навигации существует общее правило: наиболее точные результаты получаются, когда два пеленга расположены под углом как можно ближе к 90 градусам. Поскольку «Зонне» представляла собой систему дальнего действия, имело смысл расположить станции на большом расстоянии друг от друга, чтобы увеличить зону, где между станциями будут большие углы.

Это привело к тому, что в 1940 году началось развертывание двух станций в Испании и одной в Норвегии. Дополнительные станции добавлялись на протяжении всей войны, в том числе в Нидерландах, Франции, Испании и Германии. Всего в конечном итоге было построено 18 вещательных станций, некоторые из которых назывались Sonne, а другие - Elektra, хотя причина такого названия в современных источниках не ясна.

Система была скомпрометирована в результате захвата немецкой подводной лодки U-505 в 1944 году, что привело к полному пониманию системы в Великобритании. Это оказалось настолько полезным, что Зонне был быстро принят на вооружение Береговым командованием Королевских ВВС , которому требовалась система большей дальности, чем Джи предлагал . Чтобы их использование было менее очевидным, во всех британских записях система упоминается как «Консоль».

Использование Береговым командованием стало настолько распространенным, что оно стало полностью зависеть от системы. В конце войны, когда немцы потеряли доступ в Испанию, нехватка запчастей привела к отключению одной из испанских станций. Эдвард Феннесси организовал поставку запасных частей, предоставленных Королевскими ВВС, для поддержания его в рабочем состоянии.

Послевоенное использование

Sonne, теперь известный под кодовым названием Consol в Великобритании, широко использовался в послевоенное время. По сравнению с такими системами, как VOR или RDF , Consol не требовала от навигационного судна ничего, кроме обычного радио и умения считать. Это оказалось настолько привлекательным, что новые станции «Консоль» были открыты во Франции, Северной Ирландии и даже три в США (где она была известна как «Консолан») и несколько в СССР. Это была одна из рекомендованных ИКАО систем дальней навигации.

Хотя были представлены более точные и простые в использовании системы, в частности LORAN-C , низкая стоимость внедрения Consol (радио) позволяла использовать ее в качестве системы для прогулочных лодок в течение многих лет. Большинство вещательных компаний Consol продолжали использоваться до 1980-х годов, а станция Ставангера оставалась в сети до 1991 года. К этому моменту стоимость систем LORAN и GPS падала, и к 2000 году они заменили большинство форм радионавигации.

Список консольных станций

• Плоне , Франция 48 ° 1'16 "N 4 ° 12'55" W , позывной TRQ позже FRQ, частота 257 кГц
• Андёя , Норвегия 69 ° 8'54 "N 15 ° 53'0" E , позывной LEX, частота 332,5 кГц
• Бьёрнойя , Норвегия 74 ° 29'8" с.ш. 19 ° 2'3" в.д. , позывной LJS, частота 332,5 кГц
• Ставангер - Вархауг , Норвегия 58 ° 37'36 "N 5 ° 37'39" E , позывной LEC, частота 319 кГц
• Луго - Оутейру-де-Рей , Галисия , Испания 43 ° 14'53,29 дюйма с.ш. 7 ° 28'55,28 дюйма з.д. , позывной LG, частота 303, затем 285 кГц
• Севилья , Испания 37 ° 31'17,44 дюйма с.ш. 6 ° 1'48,06 дюйма з.д. , позывной SL, частота 311, затем 315 кГц
• Остров Ян-Майен , Шпицберген и Ян-Майен 70 ° 58'25 "N 8 ° 29'43" W , позывной LMC, частота 332,5 кГц
• Бушмиллс , Северная Ирландия, Великобритания 55 ° 12'20 "N 6 ° 28'2" W , позывной MWN, частота 263, затем 266 кГц
• Майами, Флорида , США 25 ° 36'16 "N 80 ° 34'16" W , позывной MMF, частота 190 кГц
• Нантакет, Массачусетс , США 41 ° 15'35 "N 70 ° 9'19" W , позывной ТУК, частота 194 кГц
• Сан-Франциско, Калифорния , США 38 ° 12'13 "N 122 ° 34'8" W , позывной SFI, частота 192 кГц
• Канин Нос , РСФСР, СССР 68 ° 38'18 "N 43 ° 23'30" E , позывной КН, частота 269 кГц
• Ostrov Pankrat'yeva , Russian SFSR, USSR 76 ° 07'30 "N 60 ° 10'30" E , позывной PA, частота 280 кГц
• Rybachi , Russian SFSR, USSR 69 ° 45'12 "N 32 ° 55'0" E , позывной РБ, частота 363 кГц

Андёйя, Бьёрнойя и остров Ян-Майен имели одну и ту же частоту. Они по очереди вели трансляции в течение 4-минутного цикла.

Предлагаемые станции Consol так и не построены

• Кейп-Харрисон, Нидерланды, Канада
• Сент-Джонс, Нидерланды , Канада
• Нанорталик , Гренландия
• Эйрарбакки , Исландия
• Санта-Мария , Азорские острова, Португалия 36 ° 59'48 "N 25 ° 10'32" W , позывной SMA, частота 323 кГц (перепрофилированный радиомаяк)
• Атлантик-Сити, Нью-Джерси , США, позывной ATA, тестовая частота 526 кГц (построен, но остановлен из-за проблем с присвоением частот)
• Мыс Хаттерас, Северная Каролина , США, частота 198 кГц
• Пескадеро, Калифорния , США, позывной PES, частота 190 кГц (вначале строился как самонаводящийся маяк, но так и не был преобразован в консольную станцию, как планировалось)
• Пойнт-Концепшн, Калифорния, США

Ссылки

Цитаты

Библиография

• Бланшар, WF (сентябрь 1991 г.). «Аэронавигационные системы: гиперболические бортовые радионавигационные средства – взгляд штурмана на их историю и развитие» . Журнал навигации . 44 (3). Sonne/Consol, отрывок Джерри Прока, веб-сайт Hyperbolic Radio Navigation Systems. дои : 10.1017/S0373463300010092 . ISSN   1469-7785 . S2CID   130079994 . Проверено 19 октября 2016 г.
• Гроувс, Пол (2008). Принципы GNSS, инерциальных и мультисенсорных интегрированных навигационных систем (PDF) . Технологии и приложения GNSS (онлайн-изд.). Бостон, Массачусетс: Artech House. ISBN  978-1-58053-262-4 . Проверено 19 октября 2016 г.
• Хей, доктор юридических наук (1960). «Средства навигации: Консоль». Учебник радиослужбы: Радиолокационные методы . Том. VII. стр. 254–256. OCLC   504108531 . Проверено 19 октября 2016 г.
• Пирс, Дж.А.; Маккензи, А.А.; Вудворд, Р.Х., ред. (1948). Лоран, Дальняя навигация (PDF) . Серия радиационных лабораторий, Массачусетский технологический институт, 1940–1945 гг. Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ОСЛК   1617019 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 сентября 2012 года . Проверено 19 октября 2016 г.
• Тинкл, Фриц (1978). Бортовые радиоблоки: от искрового передатчика к бортовой РЛС [ Бортовая радиостанция от искрового передатчика до бортовой РЛС ] (PDF) . пер. Мартин Холлман. Кобленц: Бернард и Греф. ISBN  978-3-7637-5289-8 . Проверено 19 октября 2016 г.