LORAN

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Antenă Lampedusa Loran-C Station - Slave 7990X

LORAN ( LO ng RA nge N avigation, din limba engleză de distanță lungă de navigație ) este un sistem de navigație radio terestră care utilizează unde radio LF (frecvență joasă) care exploatează intervalul de timp dintre semnalele primite de la trei sau mai multe stații pentru a determina poziția o navă sau o aeronavă .

Versiunea LORAN utilizată astăzi se numește LORAN-C și funcționează pe banda de frecvență de la 90 la 110 kHz , inclusă în porțiunea LF a spectrului radio. Diferite națiuni folosesc acest sistem, inclusiv Statele Unite ale Americii , Japonia și diferite țări europene . Rusia folosește un sistem aproape identic, pe aceeași bandă de frecvență, numit Chayka .

Până în prezent, utilizarea LORAN este în declin rapid, datorită apariției unor sisteme de poziționare prin satelit mai eficiente și precise, precum GPS . În ciuda acestui fapt, există încă încercări de îmbunătățire și reabilitare a sistemului.

Istorie

Sistemul LORAN a fost dezvoltat de Departamentul Apărării al Statelor Unite din sistemul britanic GEE , care a fost utilizat în timpul celui de-al doilea război mondial . Utilizarea sistemelor de radionavigație a înlocuit navigația astronomică în domeniul aeronautic , revoluționând sistemele de determinare a poziției aeronavelor și navelor.

Primii LORAN au avut o rază de aproximativ 1 800 km (1000 mile ), care datorită propagării favorabile , s-au extins la peste 5 500 km (3000 mile) noaptea, contra cca 644 km din sistemele GEE ale vremii. Sistemele LORAN au fost utilizate deja în timpul celui de-al doilea război mondial și au fost exploatate pe scară largă de către Marina SUA și Marina Regală . Ulterior, sistemul a fost utilizat pe scară largă de către Garda de Coastă SUA .

Inițial a fost desemnat LRN , Loomis Radio Navigation , numit după fizicianul Alfred Lee Loomis care, pe lângă inventarea sistemului, a jucat un rol crucial în cercetarea și dezvoltarea militară în timpul războiului.

Principiul de funcționare

Schema simplă a principiului de funcționare al LORAN. Diferența de timp dintre recepția semnalelor sincronizate de la stațiile A și B este constantă de-a lungul fiecărei curbe hiperbolice .
Navigare radio hiperbolică LORAN-C ( fișier info )
Reglare la 100 kHz în modulație de amplitudine - eșantion audio
LORAN-C-Signal

Metoda de navigație utilizată de sistemul LORAN se bazează pe intervalul de timp dintre semnalele primite de o pereche de emițătoare radio sincronizate. Intervalul de timp, în condiții ideale, este direct proporțional cu diferența de distanță față de cele două emițătoare și, prin urmare, definește o linie de poziție hiperbolică , numită linie TD ( temporizare ), ale cărei focalizări sunt ocupate de cele două stații care emit semnalul. Prin urmare, LORAN face parte din familia sistemelor de radionavigație hiperbolică.

Dacă sunt cunoscute pozițiile stațiilor, poziția receptorului trebuie să aparțină hiperbolei corespunzătoare intervalului de timp măsurat. Din acest motiv, o singură pereche de stații nu permite determinarea poziției bidimensionale pe punctele infinite ale hiperbolei. Același principiu trebuie aplicat și unei alte perechi de emițătoare, care vor identifica o a doua hiperbolă: poziția căutată va fi la intersecția celor două hiperbole distincte. În practică, sistemul LORAN se bazează pe doar trei stații, împerecherea uneia de două ori.

Sistem LORAN

În cazul LORAN, o stație, numită master , este utilizată pentru ambele aplicații ale principiului și este comparată separat cu fiecare dintre cele două stații slave sau secundare . Având în vedere două stații secundare, diferența de timp (prescurtată TD, din denumirea în limba engleză) între stația master și prima stație secundară identifică o curbă, în timp ce diferența de timp dintre master și cealaltă stație secundară identifică o altă curbă. Cele două curbe, adesea numite linii TD , se intersectează într-un punct geografic în raport cu pozițiile celor trei stații.

În practică, sistemul LORAN este implementat prin grupuri geografice sau lanțuri constând dintr-o stație master și cel puțin două (dar adesea mai multe) stații secundare, cu un interval de repetare dat numit interval de repetare de grup (al intervalului de repetare a grupului, prescurtat GRI) și definit în microsecunde

Stația principală transmite în mod repetat o serie de impulsuri intercalate cu GRI. Stațiile secundare primesc semnalul de la master, așteptând un anumit interval (în ordinea milisecundelor ), numit întârziere de codare secundară ( întârziere de codificare secundară) înainte de a trimite semnalul de răspuns. Într-un lanț dat, fiecare întârziere de codificare secundară este diferită pentru a permite identificarea originii fiecărui semnal, chiar dacă în practică receptoarele moderne LORAN nu exploatează acest factor.

Stațiile sunt sincronizate cu ceasuri atomice de cesiu , cu o eroare de 5 × 10 −7 s .

Sistemul cu rază lungă de acțiune vă permite să utilizați căi ortodromice între oricare două puncte, incluse în zona de acoperire.

Lanțuri LORAN

Fiecare lanț LORAN din lume folosește un GRI unic, desemnat prin numărul de microsecunde împărțit la 10 (întârzierile GRI sunt de obicei multipli de 100 microsecunde). Prin urmare, lanțurile LORAN sunt adesea menționate prin GRI, de exemplu GRI 9960 .

Datorită naturii curbelor hiperbolice, este posibil ca o combinație specială dintre un master și două secundare să definească o grilă în care axele se intersectează în unghiuri acute. Pentru o precizie geografică ideală, ar fi mai ușor să lucrați într-un sistem de coordonate carteziene (unde axele se intersectează în unghi drept ). Pe măsură ce receptorul se deplasează prin zona acoperită de un lanț, o rețea care este la început aproape carteziană devine din ce în ce mai înclinată; în consecință, una sau ambele secundare ar trebui reselectate astfel încât liniile TD să se intersecteze la colțuri mai apropiate de unghiuri drepte. Aproape fiecare lanț, pentru a permite acest lucru, are, prin urmare, cel puțin trei până la cinci secundare.

Cartografie LORAN

Harta nautică a portului New York cu liniile TD ale sistemului LORAN-A. Rețineți că liniile tipărite nu se extind peste apele interioare.

Acolo unde este disponibilă acoperirea LORAN, hărțile marine includ reprezentări vizibile ale liniilor TD la intervale regulate, acoperind apele. Intervalul de timp asociat este indicat pentru fiecare linie. Liniile care reprezintă un cuplaj master-sclav dat sunt tipărite în diferite culori.

Datorită problemelor de interferență și propagare suferite de semnalele LF de la elementele de pământ și structurile create de om, precizia semnalului LORAN scade dramatic în apele interioare. În consecință, hărțile nautice nu introduc linii TD în aceste zone, pentru a evita să se bazeze pe LORAN pentru navigație în aceste zone.

Receptoarele tradiționale LORAN afișează, în general, intervalul de timp dintre fiecare împerechere între master și unul dintre cele două secundare selectate. Valoarea este legată de numerele asociate liniilor TD marcate pe card.

Receptoarele moderne LORAN sunt capabile să afișeze direct coordonatele geografice în loc de intervale, cu o mai mare precizie și ușurință în utilizare.

Transmițătoare și antene

Stația LORAN Malone , Florida
Ceasuri atomice de cesiu pentru sincronizarea semnalului.

Transmițătoarele LORAN-C funcționează cu puteri cuprinse între aprox 100 kW a 4 MW , comparabil cu stațiile de radiodifuziune cu unde lungi . Multe emițătoare LORAN-C utilizează turnuri de transmisie izolate la sol cu ​​înălțimi cuprinse între 190 și 220 de metri . Turnurile sunt dimensionate inductiv și sunt echipate cu un inductor de sarcină . O stație care utilizează acest tip de antenă este emițătorul Rantum LORAN-C .

Se folosesc și turnuri de transmisie fără cravată cu înălțimi similare. Un exemplu este emițătorul Carolina Beach LORAN-C .

Transmițătoarele cu puteri de ieșire mai mari de 1000 kW folosesc uneori turnuri supertall , cu unele dintre cele mai înalte înălțimi pentru lucrări de arhitectură.

Alte stații LORAN-C de mare putere, cum ar fi emițătorul George LORAN-C , utilizează patru antene T montate pe patru turnuri cu tirant, dispuse într-un pătrat.

Toate antenele LORAN-C radiază omnidirecțional . Spre deosebire de stațiile de radiodifuziune cu unde lungi, stațiile LORAN-C nu pot utiliza antene de rezervă, deoarece poziția lor ușor diferită ar produce linii de poziție diferite față de antena primară.

Limitări

Sistemul LORAN este afectat de efectele electrice ale vremii , în special de efectele răsăritului și apusului . Cel mai precis semnal este valul de sol care urmează suprafața pământului, mai ales dacă se deplasează peste mare. Noaptea, valul cerului care reflectă ionosfera călătorește pe o cale diferită de cea a pământului, provocând interferențe multiple . Răsăritul și apusul soarelui induc reacții în ionosferă, provocând astfel tulburări speciale sistemelor LORAN. Furtunile magnetice au, de asemenea , efecte vizibile, ca orice alt sistem bazat pe radio .

LORAN necesită recepția de semnale de la emițătoare pe uscat, deci are o acoperire limitată în regiunile cu lanțuri de stații. Cu toate acestea, acoperirea este destul de bună în America de Nord , Europa și Pacific .

Sisteme LORAN

Au fost dezvoltate diferite tipuri de sisteme LORAN, înainte de adoptarea definitivă a LORAN-C, dar nu au depășit stadiul experimental.

  • LORAN-A a funcționat pe banda MF și a fost utilizat înainte de utilizarea LORAN-C mai precisă. Frecvențele utilizate de LORAN-A au fost 1 750 , 1 850 , 1 900 și 950 kHz . Cu toate acestea, LORAN-A a continuat să fie utilizat datorită prețului relativ scăzut al echipamentului și utilizării sale largi în navigația privată și comercială.
  • LORAN-B a fost o variantă a LORAN-A, bazată pe o modificare structurală care vă permite să comparați faza semnalelor recepționate.
  • LORAN-D a fost un sistem cu rază scurtă de acțiune dezvoltat pentru utilizare tactică de către bombardierele Forțelor Aeriene .
  • LORAN-F era un sistem neoficial de control al dronelor .

LORAN-A

LORAN-A a fost folosit în războiul din Vietnam pentru navigația avioanelor mari din SUA ( C-124 , C-130 , C-97 , C-123 , HU-16 Albatros etc.).

Unul dintre receptoarele obișnuite ale aeronavei la acea vreme era R-65 / APN-9, care combina receptorul și monitorul CRT într-o singură unitate relativ ușoară, înlocuindu-le pe cele două separate ale APN-4 anterioare. APN-9 și APN-4 au fost utilizate pe scară largă pe navele de pescuit din Statele Unite în timpul celui de- al doilea război mondial , fiind ieftine, precise și ușor disponibile.

Principala problemă referitoare la utilizarea receptoarelor de aeronave în nave a fost necesitatea unei tensiuni de 115 V c.a. la 400 Hz . Acesta a fost inițial rezolvat cu ajutorul invertoarelor mecanice mari, zgomotoase și ineficiente, de obicei cu intrare de 28 V c.c. și ieșire de 115 V c.a. 400 Hz. În anii 1960, unele companii (de exemplu, Topaz și Linear Systems) au lansat pe piață invertoare de tip solid concepute special pentru dispozitivele LORAN-A de acest tip, care datorită dimensiunilor reduse și eficienței mai mari au înlocuit aproape toate invertoarele mecanice. Ulterior, disponibilitatea invertoarelor în stare solidă cu intrare de 12 V a permis utilizarea dispozitivelor LORAN-A cu surplus de origine chiar și în ambarcațiuni mai mici, fără disponibilitatea tensiunii la 24-28 V.

LORAN-A a jucat un rol important în recuperarea diferitelor nave în derivă, putând oferi o estimare exactă a poziției. A fost, de asemenea, un important ajutor de navigație pentru navele care nu își permiteau un aparat radar , în situațiile în care lipsa unui astfel de dispozitiv a fost parțial compensată de o cunoaștere exactă a poziției navei (de exemplu, ceață în porturi). Prețul scăzut al dispozitivelor excedentare (adesea sub 150 USD) a permis, de asemenea, proprietarilor de nave de pescuit mici să se echipeze cu astfel de dispozitive, cu o creștere semnificativă a siguranței. Echipamentele LORAN-A excedentare erau frecvente la navele comerciale de pescuit, mai rare la iahturi , probabil datorită esteticii spartane.

Pan American World Airlines a folosit APN-9 în primele sale zboruri cu Boeing 707 . APN-9, un surplus al celui de-al doilea război mondial, a fost în mod hotărât datat în comparație cu cockpit-urile moderne din 707, dar a oferit în continuare un ajutor fundamental pentru navigație. Un R-65A / APN-9 placat cu aur, un tribut adus pensionării unui fost căpitan de agenție, este acum expus la Muzeul Aeroportului Internațional din San Francisco .

Ulterior a fost creată și o variantă obscură a modelului APN 9, identificată prin acronimul APN 9A. Conform unui manual tehnic al Forțelor Aeriene ale SUA, care prezintă fotografiile și diagramele de construcție, aparatul era găzduit într-un container identic cu APN 9, dar era complet diferit în ceea ce privește panoul frontal și circuitele interne. Cu excepția secțiunii de radiofrecvență . Modelul 9A a fost echipat cu circuite digitale de divizare a frecvenței realizate cu flip-flop-uri de supapă, care permiteau indicarea timpilor de întârziere (TD) între semnalul stației Master și cel al stației Slave prin comutatoare rotative zecimale plasate pe panoul frontal. În schimb, modelul anterior APN 9 cerea operatorului să numere „vizual” impulsurile de sincronizare ale oscilatorului de cuarț afișat pe ecranul CRT, care au fost apoi adăugate pentru a calcula TD. APN 9A nu a fost utilizat pe scară largă în armată, dacă există, dar existența sa reprezintă un pas important înainte în tehnologia receptoarelor LORAN-A pentru uz non-civil.

În anii șaptezeci, o companie americană, SRD Labs, a comercializat echipamente moderne LORAN-A, inclusiv una complet automată, cu citirea digitală a TD (interval de timp) pe ecranul tubului cu raze catodice și o urmărire automată care a permis actualizarea continuă. de TD-uri. Alte modele produse de SRD au necesitat în schimb alinierea manuală a semnalului master la cele secundare de pe CRT, care au fost apoi menținute aliniate utilizând tehnica PLL și astfel oferind valoarea TD. Aceste dispozitive au urmărit o singură pereche de stații la un moment dat, oferind astfel informații referitoare la o singură linie de poziție: două dispozitive au fost necesare pentru a avea două TD-uri și, prin urmare, a determina poziția față de cele trei stații.

La mult timp după abandonarea LORAN-A, pescarii comerciali se refereau încă la TD prin vechea desemnare. De fapt, diferite dispozitive LORAN-C au inclus convertoare pentru TD-uri, astfel încât să poată fi utilizate și cu denumirile vechiului sistem.

Canal de date LORAN

Canalul de date LORAN (din limba engleză, canalul de date LORAN , prescurtat LDC) este un proiect susținut de Administrația Federală a Aviației și Garda de Coastă a Statelor Unite pentru trimiterea de date cu viteză mică de biți prin sistemul LORAN. Informațiile care pot fi trimise includ mesaje de identificare a stației, timp absolut și corectare a poziției.

În 2001, mesaje de corecție similare cu cele ale sistemului WAS Area Augmentation System (WAAS) al sistemului GPS au fost trimise prin acest sistem într-un test al lanțului LORAN din Alaska . În noiembrie 2005, mai multe stații americane erau active în trimiterea mesajelor de testare prin sistemul LDC.

Recent, în Europa, sistemul LORAN-C a fost utilizat pentru a trimite diferite tipuri de mesaje, inclusiv semnale pentru sistemul GPS diferențial , utilizând o metodă de transmisie de tip LDC, numită EUROFIX .

Evoluții viitoare

Abandonarea sistemului LORAN a fost deja propusă: criticii susțin că ar avea de fapt un cost prea mare în raport cu numărul mic de utilizatori, pe lângă faptul că GPS-ul ar fi o alternativă mai bună în orice caz.

În schimb, susținătorii susțin că există trei beneficii cheie. În primul rând, puterea semnalului este mare, deci este cu siguranță mai protejată prin tehnici de bruiaj radio decât GPS; în al doilea rând, este un sistem independent și ar putea fi folosit ca o copie de rezervă, în timp ce, de exemplu, rețeaua GPS este deținută de Departamentul Apărării al SUA, care ar avea potențialul de a o bloca în mod arbitrar în orice moment. În cele din urmă, semnalele LORAN pot fi combinate cu GPS pentru o precizie mai mare în determinarea locației, comparativ cu utilizarea doar a unuia dintre cele două.

Recent, atât agențiile guvernamentale americane, cât și cele europene au luat decizia politică de a menține și, eventual, de a dezvolta acoperirea lor LORAN.

Planul federal de navigație radio american din 2005, publicat în februarie 2006, prevede că posturile LORAN nu vor fi închise fără o notificare cu cel puțin șase luni și că o evaluare a sistemului va fi finalizată până la sfârșitul anului 2006. Rezultatele vor determina viitorul LORAN, cel puțin în contextul SUA.

E-LORAN

Odată cu conștientizarea vulnerabilităților și limitărilor de propagare și recepție a sistemului GPS, a apărut un nou interes pentru aplicațiile și dezvoltarea LORAN.

Prin urmare, a fost proiectat un sistem îmbunătățit, numit Enhanced LORAN , E-LORAN sau eLoran, care introduce dezvoltări în receptoare și caracteristici de transmisie, crescând acuratețea și utilitatea LORAN tradițional, aducându-l la o rezoluție spațială de 8 metri, pentru a putea concura cu GPS. Receptoarele E-LORAN se bazează simultan pe semnalele tuturor stațiilor primite, fără a fi limitate la un singur lanț și sunt capabile să achiziționeze date până la patruzeci de stații diferite. Aceste caracteristici îl fac un înlocuitor adecvat pentru GPS în situații în care acest lucru nu este eficient sau disponibil.

La 31 mai 2007 , Departamentul Transporturilor din Regatul Unit , prin intermediul autorităților generale ale farurilor (entitatea responsabilă de ajutoarele de navigație) a încheiat o perioadă de contract de 15 ani pentru dezvoltarea și furnizarea serviciilor moderne E -LORAN, vizând îmbunătățirea siguranței vieții umane pe mare în teritoriile britanice și vest-europene. Contractul este împărțit în două etape: din 2007 până în 2010 pentru dezvoltarea sistemului și pentru definirea acordului european privind serviciul, din 2010 până în 2022 pentru furnizarea pe deplin operațională a serviciului E-LORAN. Transmițătorul va fi situat în Cumbria , Marea Britanie și operat de VT Communications , o sucursală a VT Group plc .

Lanțuri și emițătoare LORAN în lume

O listă neexhaustivă a stațiilor LORAN este prezentată mai jos, grupată pe lanțuri și împărțită în funcție de criteriile geografice. Rețineți că aceeași stație poate aparține mai multor lanțuri (de obicei două).

Europa

nordul Americii

Alaska și Canada
Statele Unite

Asia

Orientul Mijlociu
India
China

Oceanul Pacific

Bibliografie

  • (EN) Jennet Conan. Tuxedo Park: un magnat de pe Wall Street și Palatul secret al științei care a schimbat cursul celui de-al doilea război mondial . New York, Simon & Schuster, 2002. ISBN 0-684-87287-0 pp. 231-232.
  • ( EN ) Departamentul Transporturilor și Departamentul Apărării. 2005 Planul federal de radionavigație . 2006. ( PDF )

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85078342 · GND (DE) 4221125-6 · BNF (FR) cb11980078f (data)