Bài giảng Định vị & dẫn đường Hàng hải - Đh Hàng hải

Chia sẻ: Vu Van Khanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

522
lượt xem 216
download

Bài giảng Định vị & dẫn đường Hàng hải - Đh Hàng hải

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cùng nắm kiến thức trong bài giảng "Định vị & dẫn đường Hàng hải" thông qua việc tìm hiểu nội dung các chương sau: chương 1 nguyên lý chung của vô tuyến định vị, chương 2 tầm xa của radar hàng hải, chương 3 máy phát radar, chương 4 anten và các đường truyền năng lượng, chương 5 máy thu radar, chương 6 cơ cấu chỉ báo radar, chương 7 những khái niệm chung, chương 8 các phương pháp xác định vị trí, chương 9 hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Định vị & dẫn đường Hàng hải - Đh Hàng hải

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI TÊN HỌC PHẦN : ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HH MÃ HỌC PHẦN : 13230 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG – 2010
YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Định vị và dẫn đường hàng hải Loại học phần : III Bộ môn phụ trách giảng dạy: Điện tử viễn thông Khoa phụ trách: Điện - ĐTTB Mã học phần: 13230 Tổng số TC: 4 TS tiết Lý thuyết Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 90 90 có Điều kiện tiên quyết: SV phải có cơ sở kiến thức về: vật lý điện từ, lý thuyết truyền tin, cấu kiện điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật siêu cao tần, anten và truyền sóng, . Mục tiêu của học phần: Cung cấp kiến thức cơ bản của các hệ thống và thiết bị định vị và dẫn đường hàng hải cho các SV Điện tử viễn thông. Nội dung chủ yếu: Khái niệm về nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống, cấu trúc thiết bị và những kiến thức lý thuyết và chuyên môn của các hệ thống. Nội dung chi tiết: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT Xemina BT KT 50 có VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 8 8 Chương 1: Nguyên lý chung của vô tuyến định vị 1.1. Khái niệm chung 1.2. Hệ thống radar phát sóng liên tục 1.3. Radar phat xung 1.4. Phương pháp xác định góc phương vị. 1.5. Tầm quan sát không gian. 1.6. Những thông số khai thác và kỹ thuật. Chương 2: Tầm xa của radar hàng hải 5 5 2.1. Tầm xa của radar hàng hải trong không gian tự do. 2.2 Nén xung trong radar hàng hải 2.3 Ảnh hưởng của khí quyển. 2.4 Ảnh hưởng của bề mặt biển (mặt đất). 2.5 Ảnh hưởng của sóng biển. Chương 3: Máy phát radar 12 12 3.1 Sơ đồ khối. 3.2 Manhetron. 3.3. Mạch điều chế xung. 3.4 Thyristor và một số mạch điều chế xung. Chương 4: Anten và các đường truyền năng lượng 8 8 4.1 Các đường truyền năng lượng. 4.2 Phối hợp trở kháng trong đường truyền năng lượng 4.3. Chuyển mạch anten. 4.4. Anten và những đặc tính. Chương 5: Máy thu radar 5 5 5.1. Đặc điểm chung. 5.2 Mạch đổi tần. 5.3. Mạch khuếch đại trung tần. 5.4. Tách sóng và khuếch đại thị tần 5.5. Nhiễu tạp và những phươngbpháp hạn chế. 5.6. Tự động điều chỉnh tần số.
Chương 6: Cơ cấu chỉ báo radar. 12 12 6.1. Chức năng và phân loại. 6.2. Monitor. 6.3. Phương pháp tạo quét “bán kính quay”. 6.4. Phương pháp tạo quét mành. 6.5. Cơ cấu chỉ báo số. 6.6. Phương pháp chỉ báo khoảng cách. 6.7. Chỉ báo góc phương vị. 6.8. Radar chỉ báo chuyển động thực. DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 25 Chương 7: Những khái niệm chung 7.1 Nguyên lý dẫn đường bằng vô tuyến điện. 5 5 7.2 Vệ tinh nhân tạo và những đặc tính. 7.3 Hệ tọa độ tham chiếu. 7.4 Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh. Chương 8: Các phương pháp xác định vị trí. 8 8 8.1. Nguyên lý chung. 8.2. chuẩn thời gian và thang đo. Chương 9: Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS. 12 12 9.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 9.2 Khâu vũ trụ. 9.3 Khâumặt đất. 9.4 Khâu thuê bao. 9.5 DGPS – dạng vi sai của GPS. 9.6 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh khác. Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường. Tài liệu học tập: 1. Vô tuyến định vị tầu biển .A.M. Bajrasevski NXB “Cydostrojenie” L.B.Nga 1993 2.Các hệ thống dẫn đường vệ tinh Hàng hải J. Janusevski, Gdynia 2002. 3.Các tổ hợp dẫn đường vệ tinh hàng hải. NXB “Cydostrojenie”. Moscova 1996. 4. Vô tuyến định vị hàng hải. Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh. ĐHHH Việt nam,199 tr. 2005. 5.Dẫn đường vệ tinh Hàng hải. Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh. ĐHHH Việt nam,189 tr. 2005. Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Thi viết hoặc thi vấn đáp. - Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ. Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F. Điểm đánh giá học phần: Z=0,3X+0,7Y. Bài tập lớn: I. Tên các bài. 1 - Khái quát chung về radar hàng hải đi sâu phân tích khối thu phát và bức xạ (Scanner Unit) của radar…………………. 2 - Khái quát chung về radar hàng hải đi sâu phân tích cơ cấu chỉ báo số của radar …………. . 3 - Các phương pháp chỉ báo khoảng cách và góc phương vị trong radar, đi sâu phân tích. 4 - Manhetron: cấu tạo, đặc điểm, phân loại và ứng dụng của nó trong các bộ tạo sóng siêu cao của radar hàng hải. 5 - Thyristor và đường dây dài. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của chúng trong các mạch điều chế xung của radar. Minh họa bằng cách phân tích một mạch điều chế xung cụ thể. 6 – Các phương pháp chỉ báo trong radar hàng hải. Đi sâu phan tích cơ cấu chỉ báo quét tròn trong radar JMA 625. 7 – Những can nhiếu chủ yếu trong radar hàng hải. Phân tíc các phương pháp hạn chế trong các thiết bị cụ thể. 8 – Những đặc điểm của máy thu radar. Đi sâu phân tích mạch đổi tần và chỉ báo dòng diode của mạch trộn tần radar JMA 625.
9 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS. Đi sâu phân tích nguyên lý xác định điểm đo bằng phép đo khoảng cách giả định vệ tinh – thuê bao qua phép đo thời gian lan truyền của sóng. 10 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh vi sai. Nguyên lý hoạt động và các phương pháp gửi trị hiệu chỉnh vi sai tromng các hệ thống hiện hành và tương lai. II. Mục tiêu và Yêu cầu: Các bài tập lớn là những tiểu luận về một vấn đề đặt ra, giúp SV làm quen dần với cách giải quyết những vấn đề đặt ra của đề tài, cách viết, cách phân tích, tổng hợp và cách đưa ra những nhận xét cần thiết. Nhằm củng cố kiến thức và kỹ năng làm đồ án sau này. III. Nội dung: Ở mỗi bài, SV phải đưa ra được hai nội dung: Phần phân tích lý thuyết và phần phân tích các mạch cụ thể. IV. Hình thức đánh giá: Sinh viên bảo vệ và giáo viên đánh giá đồng thời đọc bài viết của SV. V. Hình thức trình bày: Bài nộp có thể viết bằng tay hay chế bản vi tính, song phải đảm bảo các yêu cầuvè kích cỡ, dạng chư dễ đọc và các tiêu chuẩn ấn loát khác. Bìa ngoài cứng theo mẫu mã quy định
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM -o0o- TS. TRẦN ĐỨC INH ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI Hải Phòng, tháng 6 năm 2010
MỤC LỤC NỘI DUNG Trang PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI...................................................................................... 4 Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ..................................4 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................................................................. 4 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC ......................................................................... 4 1.2.1. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC KHÔNG ĐIỀU CHẾ ..................................................... 4 1.3 RADAR PHÁT XUNG............................................................................................................... 5 1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC ............................................................................ 6 1.4.1. PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI ................................................................................. 6 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ......................................................................... 6 1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHA...................................................................................................... 7 1.5 TẦM QUAN SÁT KHÔNG GIAN ............................................................................................... 7 1.6. NHỮNG THÔNG SỐ KHAI THÁC VÀ KỸ THUẬT................................................................. 7 1.6.1 CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC............................................................................................ 7 1.6.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT......................................................................................... 8 Chương 2: TẦM XA CỦA RADAR HÀNG HẢI ........................................................... 9 2.1 TẦM XA HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR HÀNG HẢI TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO .............................................................................................................................. 9 2.2 NÉN XUNG TRONG RADAR.................................................................................................... 9 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN............................................................................................ 10 2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT NƯỚC BIỂN (MẶT ĐẤT) ....................................................... 10 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN ........................................................................................... 11 Chương 3: MÁY PHÁT RADAR .................................................................................. 12 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT RADAR................................................................................ 12 3.2 MANHETRON.......................................................................................................................... 12 3.2.1 CẤU TRÚC MANHETRON ĐỒNG BỘ............................................................................ 12 3.2.2. NGUYÊN LÝ TẠO VÀ DUY TRÌ DAO ĐỘNG ................................................................ 13 3.2.3. ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC VÀ ĐẶC TÍNH TẢI.................................................................... 13 3.3. MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG....................................................................................................... 14 3.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG......................................................................................................... 14 3.3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG TỤ .............................................................................. 14 3.3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI .................................................... 15 3.4 THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI............................... 15 3.4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THYRISTOR. ......................................................................... 15 3.4.2 THYRISTOR TRONG MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG RADAR ............................ 16 Chương 4: ANTEN VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG .................................. 17 4.1 ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG ......................................................................................... 17 4.1.1 CÁP ĐỒNG TRỤC ............................................................................................................ 17 4.1.2 ỐNG DẪN SÓNG.............................................................................................................. 17 4.2 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG................................................ 18 4.3 CHUYỂN MẠCH ANTEN........................................................................................................ 19 4.3.1 CHUYỂN MẠCH CÔNG TẮC.......................................................................................... 19 4.3.2 CHUYỂN MẠCH CÂN BẰNG HAY CHUYỂN MẠCH CẦU .......................................... 19 4.3.3. CHUYỂN MẠCH PHA....................................................................................................... 20 4.4 ANTEN RADAR VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH ............................................................................... 20 4.4.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA ANTEN RADAR .................................................................... 20 4.4.2 ANTEN LOA.................................................................................................................... 20 4.4.3 ANTEN KHE ..................................................................................................................... 21 Chương 5: MÁY THU RADAR .................................................................................... 22 5.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM ................................................................................................................ 22 5.1.1 YÊU CẦU CHUNG ............................................................................................................ 22 1
5.1.2 ĐỘ NHẠY VÀ ĐẶC TÍNH .............................................................................................. 22 5.2 MẠCH ĐỔI TẦN ...................................................................................................................... 22 5.2.1 MẠCH DAO ĐỘNG NỘI DÙNG DIODE GANN ............................................................ 23 5.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN....................................................................................... 23 5.4 TÁCH SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN............................................................................. 24 5.4.1 MẠCH TÁCH SÓNG ....................................................................................................... 24 5.4.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN ...................................................................................... 24 5.5 NHIỄU TẠP VÀ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ......................................................................... 25 5.5.1 CÁC MẠCH TỰ ĐIỀU KHUYẾCH (AGC)....................................................................... 25 5.5.2 MẠCH CHỐNG NHIỄU MƯA VÀ SƯƠNG MÙ ............................................................. 26 5.6 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ........................................................................................... 26 Chương 6: CƠ CẤU CHỈ BÁO RADAR ...................................................................... 27 6.1 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI ............................................................................................... 27 6.2 MONITOR ................................................................................................................................ 27 6.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO QUÉT “BÁN KÍNH QUAY” ................................................................ 27 6.3.1 PHƯƠNG PHÁP “CUỘN QUÉT QUAY” ......................................................................... 28 6.4 PHƯƠNG PHÁP QUÉT MÀNH ............................................................................................... 29 6.5 CƠ CẤU CHỈ BÁO SỐ ............................................................................................................. 30 6.6 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO KHOẢNG CÁCH .......................................................................... 31 6.7 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO GÓC PHƯƠNG ............................................................................ 32 6. 8 RADAR CHỈ BÁO CHUYỂN ĐỘNG THỰC .......................................................................... 33 PHẦN II: DẪN ĐƯỜNG VỆTINH ............................................................................... 35 Chương 7: KHÁI NIỆM CHUNG................................................................................. 35 7.1. NGUYÊN LÝ DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN ..................................................................... 35 7.1.1 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG MẶT ĐẤT............................................................................. 35 7.1.2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH............................................................................... 36 7.2 VỆ TINH VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH .......................................................................................... 36 7.2.1 VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG ................................................................................................... 36 A. Vận tốc vũ trụ cấp I ................................................................................................................ 36 B. Định luật Kepler ...................................................................................................................... 37 7.2.2 QŨY ĐẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO .................................................................. 37 7.2.3 TẦM NHÌN CỦA VỆ TINH .............................................................................................. 37 7.3 HỆ TỌA ĐỘ THAM CHIẾU..................................................................................................... 38 7.3.1 PHÂN LOẠI ...................................................................................................................... 38 7.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH .................................................................. 39 7.4.1 KHÂU VŨ TRỤ................................................................................................................. 40 7.4.2 KHÂU MẶT ĐẤT ............................................................................................................. 40 7.4.3 KHÂU THUÊ BAO ........................................................................................................... 40 Chương 8: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ....................................................... 42 8.1 NGUYÊN LÝ CHUNG .......................................................................................... 42 8.1.1 PHƯƠNG PHÁP DOPPLER.............................................................................................. 42 B. Nguyên lý thu tích phân Doppler .............................................................................................. 42 8.1.2 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN..................................................................................... 43 8.1.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỊ TRÍ ............................................................................... 43 8.2 CHUẨN THỜI GIAN VÀ THANG ĐO .................................................................................... 45 8.2.1 MẪU CHUẨN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ......................................................................... 45 8.2.2 ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ THỜI GIAN. ................................................................................ 45 8.2.3 THANG ĐO THỜI GIAN .................................................................................................. 45 Chương 9: HỆ THỐNG GPS – NAVSTAR .................................................................. 47 9.1 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ......................................................................... 47 9.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................................................... 47 9.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG............................................................................................. 47 9.2 KHÂU VŨ TRỤ ........................................................................................................................ 47 9.2.1 THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO, SỐ LƯỢNG VÀ CÁCH BỐ TRÍ................................................ 47 2
9.2.3 TẦN SỐ SÓNG MANG..................................................................................................... 48 9.2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ............................................................................................. 48 Phổ tần của các tín hiệu phát đi từ vệ tinh trên các tần số L1, L2, trong hệ thống GPS được minh họa trên hình 9.4.................................................................................................................................. 49 9.2.5 MÃ ĐIỀU CHẾ.................................................................................................................. 49 9.2.6 THÔNG BÁO VŨ TRỤ ..................................................................................................... 50 9.2.7 NHIỄU VÀ GÂY NHIỄU CỐ Ý ........................................................................................ 50 9.3 KHÂU MẶT ĐẤT..................................................................................................................... 50 9.3.1 TRẠM DÕI THEO............................................................................................................. 51 9.3.2 TRẠM CHÍNH................................................................................................................... 51 9.3.3 TRẠM HIỆU CHỈNH ........................................................................................................ 51 9.4 KHÂU THUÊ BAO................................................................................................................... 51 9.4.1 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN VÀ MỨC CHÍNH XÁC .............................................. 52 9.4.2 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH ............................................................................... 52 A. Nguyên lý hoạt động của máy thu hiện đại .............................................................................. 52 B. Anten của máy thu................................................................................................................... 52 9.5 DGPS - DẠNG VI SAI CỦA HỆ THỐNG GPS ....................................................................... 55 9.5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG............................................................................................. 55 9.5.2 DẪN ĐƯỜNG VI SAI TRONG HÀNG HẢI ..................................................................... 55 9.5.4 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG DGPS...................................................................................... 56 9.5.5 PHIÊN BẢN MẠNG CỦA DGPS..................................................................................... 57 9.5.6. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA DGPS........................................................................................ 57 9.6. CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH KHÁC .................................................................. 57 9.6.1. HỆ THỐNG GLONASS...................................................................................................... 57 9.6.2 HỆ THỐNG ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS.......................................................................... 57 9.6.3 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH HỖ TRỢ................................................................ 58 9.6.4 CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH CHÂU ÂU............................................................................ 58 3
PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Các định nghĩa: -Vô tuyến định vị là gì? -Mục tiêu của định vì là gi?. - Trạm vô tuyến định vị (trạm radar) là gì? Phân loại theo nguyên lý hoạt động chúng ta có: - Vô tuyến định vị thụ động, -Vô tuyến định vị tích cực, - Tích cực với trả lời thụ động, - Tích cực với trả lời tích cực. Phụ thuộc vào dạng của các sóng thăm dò - Phát sóng liên tục: trong đó có điều chế hoặc không bị điều chế. - phát xung. Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của các hệ thống radar nói chung. a) Chỉ báo Máy thu b) Máy phát Hình 1.1 Các hệ thống định vị: Chỉ báo Máy thu thụ động (a), tích cực (b) 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC 1.2.1. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC KHÔNG ĐIỀU CHẾ Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên hiện tượng Doppler. Hệ thống radar này được mô tả trong hình 1.2. Nếu vận tốc được tính f1 bằng Km/h, tần số bằng Hz, Máy phát bước sóng bằng cm. Chúng ta có: vr Chỉ báo Máy thu FD  55, 6 (1.1) f1 ± Δf 1 Hình 1.2 Hệ thống radar phát sóng liên tục không điều chế. Vận tốc hướng trạm của mục tiêu vr , được tính trên cơ sở  vr hình 1.3: vm 1 vm cos   vm  FD FD  55, 6 (1.2) 1 55, 6 cos  Để xác định khoảng cách tới mục tiêu, cần sử dụng hệ Hình 1.3 Vận tốc hướng trạm thống song song (Doppler) như hình 1.4. Khi đó: 4
c    D   (1.3) 4  f  Máy phát 1 1.2.2. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN Máy thu 1 TỤC CÓ ĐIỀU CHẾ  Máy thu 2 Hệ thống phát sóng điều chế tần số, có thể theo quy luật hàm sin hay quy Máy phát 2 luật tuyến tính như trên hình 1.5. Khoảng cách đến mục tiêu trong Hình 1.4 Hệ thống radar Doppler. hệ thống được xác định: D  FD c / 4f FM (1.3) f f1 a) f Max FD f f Min Tm t Hình 1.5 Điều chế theo quy luật t tuyến tính: Tần số phát (nét liền), phản xạ (nét đứt )-(a);Tần b) số Doppler (b). FD t Thông thường dụng cụ đo tần số Doppler FD trong biểu thức (1.3) là bộ đếm xung, có chu kỳ đếm TD  1/ FD , N. 1.3 RADAR PHÁT XUNG Đây là hệ thống được sử dụng rất rộng rãi và duy nhất trong radar hàng hải. Radar phát xung, phát đi các chùm sóng siêu cao tần có tính chu kỳ, được gọi là các chùm xung “thăm dò”, có độ rộng rất nhỏ so với độ rỗng lớn. Trong khoảng thời gian giữa 2 chùm xung ấy, máy thu của trạm thu nhận các chùm xung phản xạ từ mục tiêu trở về. Mỗi một chùm xung đơn lẻ phản xạ từ mục tiêu trở về máy thu có độ trễ tỷ lệ thuận với khoảng cách của mục tiêu nơi sóng phản xạ trở về:   2 D / c . Bằng phương pháp hiển thị điện tử, tạo quét tương ứng, chúng ta có thể tái tạo được hình ảnh không gian quan sát của trạm và các thông số (khoảng cách và góc mạn) của mục tiêu như được mô tả trên hình 1.6. 5
(1) t Sơ đồ khối của trạm radar hàng hải được mô tả như trong hình 1.7. (2) t (3) Điều chế Tạo sóng t (4) Đồng bộ và nguồn Chuyển mạch t (5) Đi anten Chỉ báo Máy thu Hình 1.7 Sơ đồ khối của radar phát xung. D1 D2 Bao gồm các khối chức năng sau: Khối D3 đồng bộ và nguồn nuôi, Mạch điều chế xung, Mạch tạo dao động siêu cao tần, Cơ cấu chuyển mạch anten, Hệ thống Anten – Phiđơ, Hình 1.6 Nguyên lý chỉ báo Máy thu và Cơ cấu chỉ báo, hiển thị điện tử. của radar phát xung 1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC Tọa độ góc của các mục tiêu được xác định dựa trên tính định hướng của anten. Có hai phương pháp xác định: biên độ hay phương pháp pha. 1.4.1. PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI Nguyên lý hoạt đông được mô tả trong hình 1.8a, dựa vào đặc tính định hướng cao của anten - U ( ) . Độ nhạy của phương pháp được đánh giá: dUV   S  ,   0 (1.4) d Sai số của phép đo:   UV / S (1.5) Độ định hướng của anten được định nghĩa là góc giữa điểm (0,7) giá trị cực đại đối với đặc tính biên độ và điểm (0,5) giá trị cực đại đối với đặc tính công suất như như được mô tả trên hình 1.8b. a) y b) 0,7 Hình 1.8 Xác định góc mạn bằng 0 phương phápbiên độ cực đại (a) và  U ( ) 0,5 góc mở của búp sóng anten (b). 0 x 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ Bằng cáh sử dụng hai anten có đặc tính định hướng giống hệt nhau và bị dịch đi một góc  như hình 1.9a, có thể xác định chính xác góc phượng vị của mục tiêu. 6
a) b) B2 D D1  2 A1 d/2 A2 d 1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHA Để xác định tọa độ góc bằng phương pháp pha, cần dùng hai anten có độ định hướng cao đặt cách nhau một khoảng d như trong hình 1.9b. Với góc  đủ nhỏ sin  :  chúng ta có:   (1.6) 2 d /  Thông qua việc đo sự lệch pha  của tín hiệu thu được từ hai anten ta có thể xác định được góc phương vị của mục tiêu (so với phương thẳng đứng – phương chuẩn). 1.5 TẦM QUAN SÁT KHÔNG GIAN Trong radar hàng hải người ta sử dụng dạng quan sát liên tiếp và đây là quan sát tuyến tính quanh tâm (vòng) như trên hình 1.10. Thời gian “rọi” mục tiêu phụ thuộc vào độ định hướng  H và vận tốc góc quay Ω của anten: 0 H td   N min .TX (1.7)  Hình 1.10 Quan sát nối tiếp Nếu đề cập tới các quan hệ giữa các thông số: (   6n ), tuyến tính quanh tâm của radar. 1.6. NHỮNG THÔNG SỐ KHAI THÁC VÀ KỸ THUẬT 1.6.1 CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC Đây là các thông số liên quan và xác định các chức năng bảo đảm nhiệm vụ dẫn dắt tàu thuyền tốt của các sỹ quan hàng hải. Có thể liệt kê những thông số khai thác cơ bản sau: 1. Tầm xa cực đại: (được xác định tronbg chương 3) 2. Tầm xa cực tiểu: Dmin1  x   c. x / 2 (1.8) Tầm xa cực tiểu còn bị giới hạn bởi “vùng chết” do điểm đặt của anten của radar gây nên. 3. Khả năng phân giải của trạm: 3a. Khả năng phân giải theo khoảng cách: Để có thể phân biệt được hai mục tiêu khác nhau trong cơ cấu chỉ báo, điều kiện cần và đủ là:  .c / 2   x .c / 2 , (1.9) 3b. Khả năng phân giải theo phương vị: Đó là góc phương vị nhỏ nhất giữa hai vật thể kề cận khác nhau mà trạm có thể phân biệt được. Khả năng phân biệt tiềm năng theo phương vị phụ thuộc hoàn toàn vào độ rộng và dạng của đặc tính định hướng anten trong mặt phẳng chân trời. 4. Độ chính xác của phép đo khoảng cách: Đặc trưng bởi sai số nhận được kết quả xác định khoảng cách bằng radar.Sai số phép đo khoảng cách, cũng như tất cả các sai số của các phép đo khác có thể phân ra theo dấu hiệu quy luật xuất hiện thành sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống. 7
4a. Sai số ngẫu nhiên: Khi chế độ công tác của trạm radar thay đổi bởi các nhân tố khác nhau không thể tiên đoán hay đề cập trước được. 6. Tính chống nhiễu của trạm. Khả năng đảm bảo được các thông số cơ bản của trạm trong phạm vi xác định khi có tác dụng của nhiễu. Về số lượng, tính chống nhiễu của trạm radar được đánh giá bởi tầm xa hoạt động của trạm khi có tác động của nhiễu. 1.6.2. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT Các thông số kỹ thuật của một trạm radar có thể kể ra như sau: 1. Độ dài bước sóng. Bước sóng thường dùng nhất trong các trạm radar hàng hải thuộc dải sóng cm và mm là: 8mm; 3,2mm và 10cm. 2. Tần số lặp lại của xung thăm dò Tần số lặp lại này được chọn xuất phát từ yêu cầu xác định đơn trị khoảng cách và sao cho chu kỳ lặp lại của các xung thăm dò lớn hơn thời gian quét thuận và quét ngược của chùm tia ở cơ cấu chỉ báo hiển thị. Trong thực tế tần số xung lặp lại Fx được chọn trong điều kiện: Fx ,min  Fx  Fx ,max và nằm trong phạm vi 400  3200 xung /s. 3. Công suất của máy phát Đây là thông số gây ảnh hưởng tới tầm xa hoạt động của trạm. Có hai dạng công suất khác nhau đó là công suất đỉnh (xung) và công suất trung bình, quan hệ giữa chúng được biểu diễn bằng biểu thức: Px . x  P0 .Tx  P0  Px .( x / Tx )  Px . x .Fx (1.10) 4. Độ nhạy và dải thông của máy thu Độ nhạy máy thu đặc trưng bởi khả năng thu được các tín hiệu yếu khi tác động của tạp nhiễu và được xác định: PR. min  N .m.K .T0 .f (1.12) 5. Hệ số định hướng của anten Mỗi anten đặc trưng bởi tỷ số bức xạ cực đại Amax và bức xạ trung bình: G  Amax / A tr.b = 4 /  H .V (1.13) VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 2.1: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát sóng liên tục không điều chế? Câu 2.2: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát sóng liên tục có điều chế? Câu 2.3: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát xung? Câu 2.4: Liệt kê các thông số khai thác và kỹ thuật của hệ thống Radar hàng hải và nhận xét? 8
Chương 2: TẦM XA CỦA RADAR HÀNG HẢI 2.1 TẦM XA HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR HÀNG HẢI TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO Tầm xa cực đại của radar trong không gian tự do được gọi tắt là tầm xa của radar, nếu bỏ qua các ảnh hưởng của môi trường, bề mặt của biển và trái đất, được xác định: Px xGa 2 S e  21 2 ) Dm ax  4 (2.1) N.m.kTo (4 ) 3 trong đó, Px , Ga - Sa ,  , 1 ,  2 ,  x  1/ f là các thông số kỹ thuật của radar. 2.2 NÉN XUNG TRONG RADAR Để tăng tầm xa cực đại của radar, người ta sử dụng phương pháp phương pháp “dãn – nén” xung được mô tả tron các sơ đồ và hình vẽ sau: . Chuyển đổi Manhetron Điều chế tần số anten Trộn tần Dao động nội Khuếch đại Chỉ báo Hình 2.1 Hệ thống radar Trung tần Tách sóng “ nén – dãn” xung Mạch lọc nén Nguyên lý “dãn - nén” xung được mô tả bằng các đồ thị thời gian như trên hình. 2.2. a) c) Hình 2.2 Phương pháp dãn t t - nén xung trong radar: Xung thăm dò (a);Quy luật biến đổi b) d) tần số phát (b); Xung phản xạ f2 f f2 f sau khi nén (c); Quy luật biến đổi tần số của mạch nén (d). f1 f1  X1 X2 t t Tỉ số độ rộng của xung đầu ra và xung đầu vào là: K nen   X 1 /  X 2  f M . X 1 (2.2) Mạch nén thường hình thành từ các đoạn ống dẫn sóng hay các mạch trễ siêu âm hay các dải dẫn bằng vật liệu dẫn siêu âm với sơ đồ được giới thiệu trên hình 2.3.  X1 X2 Biến đổi điện bằng piezo Hình 2.3. Sơ đồ dây trễ siêu âm Đầu vào Dây trễ Cửa ra phương sai 3 Khuếch đại sửa sai 9
2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN Ảnh hưởng đến tầm xa hoạt động của radar còn phải kể đến suy hao năng lượng của sóng điện từ, trong điều kiện hơi nước, độ mặn, các điều kiện khí tượng thủy văn khác… , được minh họa trên h. 2.4. 10 10 b) a) 5 5  3 ( )  3 ( ) 1 1 dB / Km 1 dB / Km 0,5 0.5 2 . 0., 0,1 0,05 0,05 0.3 1 2 3 4 10 0.3 1 2 3 4 10 [cm] [cm] Hình 2.4 Đồ thị sự suy hao năng lượng điện từ trong khí quyển mặn (a1); Trong hơi nước( a2) và quan hệ giữa suy hao do mưa rơi (đường liền),mây mù (đứt quãng) (b) Cũng cần phải nhận ra rằng, suy hao do tuyết rơi và mưa đá cũng nhỏ hơn suy hao do mưa gây nên. Khi đó, tầm xa cực đại của trạm radar được tính bằng [1]: * Dmax  Dmax .e0,46 0 Dmax * (2.3) Biểu thức trên là biểu thức siêu việt có thể giải bằng phương pháp đồ thị hoặc gần đúng. Hình 2.5  minh họa mối quan hệ giữa tỷ số Dmax / Dmax với tích  3 .Dmax [4].  1,0 Dmax 0,4 Dmax 0,3 0,2 Hình 2.5 Ảnh hưởng của khí 0,1 quyển tới tầm xa cực đại của radar 0,02  3 .Dmax 0,01 1 2 3 10 20 100 200 1000 2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT NƯỚC BIỂN (MẶT ĐẤT) Nếu độ dài của bước sóng phát của trạm nhỏ hơn rất nhiều so với độ cao của anten h1 và vật phản xạ h2 , các xung phản xạ trở về bằng các đường khác nhau như trên hình 2.6. Radar D , E1 Mục tiêu h1 d1 Hình 2.6 Sự phản xạ năng lượng d 2 , E2 h2 từ bề mặt nước Kết quả là, năng lượng sóng phát tới mục tiêu và năng lượng của sóng phản xạ từ mục tiêu về trạm có thể là tổng của hai năng lượng từ hai đường khác nhau đó: E0  E1  E2  E1   E1e j (2.4) 10
Nếu coi công suất hấp thụ được tại anten thu của trạm radar tương ứng với độ nhạy của máy thu: p0.R  pR ,min , biểu thức xác định tầm xa cực đại của trạm radar: 2 Px .Ga .Se .1. 2 4 (h1.h2 ) 0,0583Dmax ** ** Dmax  8 2 .e (2.5) PR.min  Ngoài sự phản xạ năng lượng của sóng từ bề mặt nước, bề mặt cong của trái đất cũng rất ảnh hưởng đến tầm xa hoạt động của radar và được minh họa trên hình 2.7. Radar h2 h1 Re Hình 2.7 Ảnh hưởng của đường cong trái đất tới tầm hoạt động của radar. Với khí quyển chuẩn, bán kính hiệu dụng của trái đất Reo  k .Re  8460 km: D0  4,12( h1  h2 ) (2.6) 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN Sử dụng phương trình cơ bản của vô tuyến định vị (2.1), đề cập tới hiện tượng giao thoa giữa sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ bề mặt biển có gợn sóng, công suất trung bình của tín hiệu phản xạ từ bề mặt gợn sóng của biển: P G 2 .4 .1. 2 .(h 1 h 2 ) 4 . r .C. x PR = x a . S e .i (2.9) 2 D 7 2 Ảnh hưởng của mặt biển không bằng phẳng khi có sóng gió đối phản xạ sóng điện từ và với tầm xa hoạt động cực đại của radar có thể minh họa bằng đường cong D  f ( D0 ) trên hình 2.8 được đưa ra từ công trình [5]. D, Km D, Km a) b) Hình 2.8 Ảnh hưởng của 15 15 phản xạ từ bề mặt gợn sóng của biển tới tầm 10 2 3 10 xa cực đại của radar: 1 3 1– cấp 0-2; 2- cấp 2-4; D0 [Km] 1 2 D0 [Km] cấp 5-8 5 5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 . VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 2.1: Viết công thức xác định tầm xa cực đại của radar trong không gian tự do và nhận xét những nhân tố ảnh hưởng đến tầm xa này. 11
Chương 3: MÁY PHÁT RADAR 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT RADAR Máy phát của radar tàu biển bao gồm các phần tử cơ bản như trong hình 3.1. Điều chế Tạo sóng Đi anten xung siêu cao Nguồn nuôi Hình 3.1 Sơ đồ khối của máy phát radar Trong dải sóng centimet và milimet người ta dùng một đèn điện tử chân không hai cực đặc biệt gọi là manhetron. 3.2 MANHETRON 3.2.1 CẤU TRÚC MANHETRON ĐỒNG BỘ Sơ đồ cấu trúc của đèn được mô tả như trong hình 3.2, theo các mặt cắt dọc B-B và mặt cắt ngang A-A [6]. Hình 3.2 Cấu trúc của manhetron đồng bộ: mặt cắt dọc B-B Và mặt cắt ngang A-A: 1- khối anode, 2- các hốc cộng hưởng, 3-móc ghép cửa ra, 4- đường đồng trục,5 –katode, 6 -giá đỡ katode và dẫn điện sợi đốt , 7- mạch chặn trên katode, 8- vỏ bọc thủy tinh kín chân không cho katode,9 -đáy đèn, 10 –vỏ bọc thủy tinh kín chân không cho mạch ghép cửa ra, 11- vùng tương tác, 12- đáy katode, 13- vòng khuyên cân bằng, 14- mấu chỉnh dung kháng, 15- màng đàn hồi kín chân không, 16 – cơ cấu chỉnh dung kháng. Các hốc cộng hưởng của đèn, được ghép với nhau và năng lượng dao động được dẫn ra như trên hình 3.3A và B. Lối ra B) Lối ra A) Hình 3.3 Ghép từ tính giữa các hốc cộng hưởng (a) và sơ đồ tương đương (b)-(A); Cấu trúc đường dẫn năng lượng siêu cao: Biến áp đồng trục (a); Biến áp khe (b)- (B). 12
3.2.2. NGUYÊN LÝ TẠO VÀ DUY TRÌ DAO ĐỘNG Nguyên lý tạo dao động và duy trì dao động trong đèn được minh họa bằng sự hình thành các đám mây điện tử hình sao biển và sơ đồ mạch điện tương đương như trên hình 3.4. a) Anode b) A c) Ï Katode Lối ra 1 K Ï Tia và chùm K K tia điện tử 2 M L Không gian C A, K C tương tác Hình 3.4 Chuyển động của điện tử trong đèn manhetron (a); Đám mây điện tử hình sao biển trong đèn (b); Sơ đồ tương đương điện của manhetron (c). Từ điều kiện pha giữa các hốc  n : N  n  2n , n = 1,2,3,4,..., có thể tính pha của hốc thứ n :  n = 2 n/N (3.1) Mỗi giá trị lệch pha  n tương ứng với một tần số xác định của hệ thống: M C A,K n  0 / (1  2 cosn )[1+ ] (3.2) L 2c.(1-cos n ) trong đó: 0  1/ LC . Với hệ thống đối xứng lý tưởng có N hốc, ta có N / 2 tần số cộng hưởng khác nhau, khi đó sự lệch pha của do động  n =  . 3.2.3. ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC VÀ ĐẶC TÍNH TẢI Đặc tính công tác của đèn là mối quan hệ giữa công suất hữu ích P , hiệu suất η, dòng anode I a và tần số dao động với sự thay đổi của điện áp nuôi Ea và độ cảm ứng từ B khi đèn được phối hợp tải và được minh họa trên hình 3.6a. Đặc tuyến tải của manhetron là quan hệ giữa công suất ra, tần số dao động với tải không được phối hợp khi điện áp nuôi là cố định được xác định và được vẽ trên hệ trục tọa độ cực ( p ,  ) , như trong hình 3.6b. a) b) 900 Ea -5MHz 3 -10MHz -15MHz B4 E a 0MHz 34kw 42kw 2 P3 B3 00 1800 B2 P2 p 0.8 0.6 0.4 0.2 0 B1 1 I a P I 1 +5MHz +15MHZ a  +10MH Hình 3.6 Đặc tính công tác(a) và đặc tính 2700 tải (b) của đèn manhetron đồng bộ. 13
3.3. MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG 3.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Mạch điều chế xung trong các máy phát radar có nhiệm vụ cung cấp các xung điện áp hình vuông cho anode đèn manhetron . Dạng thực tế của các xung, bằng các xung điều chế có dạng thực tế như trên hình 3.7. Ux 0,9U max U U max Hình 3.7 Dạng xung điều chế 0,1.U max x t o tf tb Các thông số của xung điều chế phải thỏa mãn các điều kiện như: t f = (0,1- 0,2)  x,  x -là độ rộng của xung, tb = (0,2-0,3)  x, độ bằng phẳng đỉnh xung:   U / U max  1  2% . Hình 3.8 minh họa sơ đồ khối của các mạch điếu chế xung trong radar hàng hải. Phần tử Phần tử hạn chế tích năng Nguồn Phần Bộ tạo Hình 3.8 Sơ đồ khối cao áp tử Sun sóng mạch điều chế xung. K 3.3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG TỤ Sơ đồ nguyên lí của mạch điều chế xung dùng tụ được mô tả trên hình 3.10a. a) Tx Ea b) Em Rg t C x UC U1 U2 K R0 C0 t U a , Ia U a ,max Ua I a ,max Hình 3.10 Mạch điều chế xung dùng tụ: Ia Sơ đồ (a); dạng điện áp và dòng(b). t Từ nguyên lý hoạt động của mạch, có thể xác định giá trị của điện dung C: C   x / Rm . (3.3) Sau khi nhân cả tử lẫn mẫu vế phải của (3.9) với công suất xung phát: 2 C  Px . x / U m . (3.4) Trong thực tế giá trị của C được chọn trong khoảng từ một vài phần trăm đến một vài phần mười của micro phrát ( (0, N  0, 00 N  F ) . 14
3.3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI Sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế xung dùng đường dây dài về nguyên tắc được mô tả trong hình 3.11. Tr1 E D1 L1 Hình 3.11 Mạch điều chế xung D2 dùng đường dây dài R2 DL Để thay đổi độ rộng của xung điều chế  x người ta có thể dùng các đoạn ống đơn, kép hai hay kép ba, song rất cồng kềnh. Trong trường hợp đường dây dài nhân tạo, để thay đổi độ rộng của xung phát, người ta sử thay đổi số lượng mắt xích LC trong mạch như trong hình 3.12. a) L L L L b) L1 L2 L3 Hình 3.12 Cấu trúc L0 C0 C1 C2 C3 đường dây dài nhân tạo C C C C tập trung (a) và phối hợp (b). Độ dài của các xung hình thành từ các mạch này được xác định:  x  2n LC , (3.5) ở đây, n - số lượng các mắt xích, LC - cảm kháng và dung kháng của các mắt lọc. Trở kháng sóng của các đường dây dài được xác định:  DL  L / C (3.6) Đây chính là các mắt lọc dải dưới thông với tần số giới hạn trên: f max  1/ 2 LC (3.7) Và C   x / 2n.Rm . (3.8) Để cải thiện dạng xung điều chế người ta sử dụng các đường dây dài nhân tạo mắc phối hợp mắc nối tiếp và song song như trong hình 3.12b. 3.4 THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 3.4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THYRISTOR. Thyristor là một linh kiện bán dẫn có hai trạng thái ổn định, cấu tạo từ ba hoặcnhiều hơn ba tiếp giáp bán dẫn P-N, dụng cụ có thể chuyển từ trạng thái đóng sang mở và ngược lại [7]. Cấu trúc và ký hiệu của thyristor được mô tả trên hình 3.14. Có hai dạng thyristor là : dinistor (h. 3.14a) và thyristor có điều khiển (h. 3.145b). a) b) c) A p1 p1 p1 J1 n1 + J E _ n1 n1 n1 1 + T1 J2 J2 E p2 p2 p2 + E _ G T2 p2 J3 _ J3 n2 n2 + n2 K _ E d) A Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc của:Dinistor (a); SCR Thyristor (b); Sơ đồ tương đương (c) G K và ký hiệu của thyristor (d). 15