Система Decca Navigator была гиперболической радионавигационной системой, которая позволяла кораблям и самолетам определять свое местоположение с помощью радиосигналов от специальной системы статических радиопередатчиков. Система использовала фазовое сравнение двух низкочастотных сигналов между 70 и 129 кГц , в отличие от систем синхронизации импульсов, таких как Gee и LORAN . Это значительно упростило проектирование приемников с использованием электроники 1940-х годов, а работа была упрощена за счет прямого считывания координат Decca без сложности электронно-лучевой трубки и высококвалифицированного оператора.
Система была изобретена и разработана компанией Decca в Великобритании. Впервые она была развернута Королевским флотом во время Второй мировой войны для выполнения важной задачи по расчистке минных полей для высадки десанта в день Д. Союзным войскам требовалась точная система, неизвестная немцам и, следовательно, свободная от помех. После войны она вышла из секретного списка и была разработана компанией Decca Company в коммерческих целях и развернута по всей Великобритании, а затем использовалась во многих регионах мира. На пике своего развития насчитывалось около 180 передающих станций, использующих «цепочки» из трех или четырех передатчиков в каждой, что позволяло определять местоположение путем построения пересекающихся электронных линий. Основное применение Decca заключалось в навигации судов в прибрежных водах, что обеспечивало гораздо большую точность, чем конкурирующая система LORAN. Рыболовные суда были основными пользователями послевоенного периода, но она также использовалась на некоторых самолетах, включая очень раннее (1949) применение движущихся картографических дисплеев . Система была широко развернута в Северном море и использовалась вертолетами, работающими на нефтяных платформах .
Открытие более точной системы Loran-C для гражданского использования в 1974 году вызвало жесткую конкуренцию, но к этому времени Decca уже хорошо зарекомендовала себя и продолжала работу до 2000 года. В конечном итоге Decca Navigator был заменен, вместе с Loran и аналогичными системами, на GPS в 2000 году, когда он стал доступен для общественного использования.
Система Decca Navigator состояла из отдельных групп наземных радиопередатчиков, организованных в цепочки из трех или четырех станций. Каждая цепочка состояла из главной станции и трех (иногда двух) вторичных станций, называемых Red, Green и Purple. В идеале вторичные станции располагались бы в вершинах равностороннего треугольника с главной станцией в центре. Длина базовой линии, то есть расстояние между главной и вторичной станциями, обычно составляла 60–120 морских миль (110–220 км).
Каждая станция передавала непрерывный волновой сигнал, который, сравнивая разность фаз сигналов от главного и одного из вторичных, производил относительную фазовую меру, которая отображалась на дисплее, похожем на часы. Разность фаз была вызвана относительным расстоянием между станциями, как это видел приемник. По мере перемещения приемника эти расстояния изменяются, и эти изменения отображаются движением стрелок на дисплеях.
Если выбрать определенную разность фаз, скажем, 30 градусов, и нанести на карту все местоположения, где эта разность фаз возникает, результатом будет набор гиперболических линий положения, называемый шаблоном . Поскольку было три вторичных элемента, было три шаблона, также называемые красным, зеленым и фиолетовым. Шаблоны были нарисованы на морских картах как набор гиперболических линий соответствующего цвета.
Приемники определяли свое местоположение, измеряя разность фаз двух или более шаблонов с дисплеев. Затем они могли посмотреть на карту, чтобы найти, где пересекались две ближайшие гиперболы. Точность этого измерения была улучшена путем выбора набора из двух шаблонов, которые приводили к пересечению линий под углом, максимально близким к прямому.
Когда две станции передают на фазово-синхронизированной частоте , разность фаз между двумя сигналами постоянна вдоль гиперболического пути. Если две станции передают на одной и той же частоте, приемник не может их разделить. Вместо этого каждой цепочке была выделена номинальная частота, известная как 1f, и каждая станция в цепочке передавала на гармонике этой базовой частоты, как показано ниже:
Указанные частоты относятся к цепи 5B, известной как английская цепь, но все цепи использовали схожие частоты в диапазоне от 70 кГц до 129 кГц.
Приемники Decca умножали сигналы, полученные от ведущего устройства и каждого ведомого устройства, на различные значения, чтобы получить общую частоту ( наименьшее общее кратное , НОК) для каждой пары ведущий/ведомый, следующим образом:
Именно сравнение фаз на этой общей частоте привело к гиперболическим линиям положения. Интервал между двумя соседними гиперболами, на которых сигналы находятся в фазе, назывался полосой . Поскольку длина волны общей частоты была мала по сравнению с расстоянием между главной и подчиненной станциями, существовало много возможных линий положения для заданной разности фаз, и поэтому уникальное положение не могло быть получено этим методом.
Другие приемники, обычно используемые в авиации, делили передаваемые частоты до базовой частоты (1f) для сравнения фаз, а не умножали их до частоты LCM.
Ранние приемники Decca были оснащены тремя вращающимися декодерами , которые показывали разность фаз для каждого шаблона. Каждый декодер управлял вторым индикатором, который подсчитывал количество пройденных полос — каждые 360 градусов разности фаз были одной пройденной полосой. Таким образом, предполагая, что точка отправления известна, можно было определить более или менее определенное местоположение.
Полосы были сгруппированы в зоны , с 18 зелеными, 24 красными или 30 фиолетовыми полосами в каждой зоне. Это означало, что на базовой линии (прямая линия между Мастером и его Подчиненным) ширина зоны была одинаковой для всех трех шаблонов данной цепи. Типичные ширины полос и зон на базовой линии показаны в таблице ниже (для цепи 5B):
Полосы были пронумерованы от 0 до 23 для красного, от 30 до 47 для зеленого и от 50 до 79 для фиолетового. Зоны были помечены от A до J, повторяясь после J. Таким образом, координаты позиции Decca могли быть записаны: Красный I 16.30; Зеленый D 35.80. Более поздние приемники включали микропроцессор и отображали позицию по широте и долготе.
Multipulse обеспечивает автоматический метод идентификации полос и зон, используя те же методы сравнения фаз, которые описаны выше для сигналов более низкой частоты.
Номинально непрерывные передачи волн фактически были разделены на 20-секундный цикл, при этом каждая станция по очереди одновременно передавала все четыре частоты Decca (5f, 6f, 8f и 9f) в фазово-когерентном отношении в течение короткого периода 0,45 секунды в каждом цикле. Эта передача, известная как Multipulse, позволяла приемнику извлекать частоту 1f и таким образом определять полосу, в которой находился приемник (с разрешением зоны).
Наряду с передачей частот Decca 5f, 6f, 8f и 9f также передавался сигнал 8.2f, известный как Orange. Частота биений между сигналами 8.0f (красный) и 8.2f (оранжевый) позволила получить сигнал 0.2f и, таким образом, получить гиперболическую модель, в которой один цикл (360°) разности фаз равен 5 зонам.
Если предположить, что местоположение человека известно с такой точностью, то это дает фактически уникальное местоположение.
В дневное время дальность действия может достигать около 400 морских миль (740 км), а ночью она уменьшается до 200–250 морских миль (460 км) в зависимости от условий распространения радиоволн.
Точность зависела от:
Днем эти ошибки могли варьироваться от нескольких метров на базовой линии до морской мили на краю покрытия. Ночью ошибки небесной волны были больше, и на приемниках без возможностей многоимпульсной обработки не было ничего необычного в том, что позиция перескакивала через полосу, иногда без ведома навигатора.
Хотя в эпоху дифференциальной GPS этот диапазон и точность могли показаться плохими, в свое время система Decca была одной из немногих, если не единственной, системой определения местоположения, доступной многим морякам. Поскольку потребность в точном местоположении меньше, когда судно находится дальше от суши, снижение точности на больших расстояниях не было большой проблемой.
В 1936 году инженер Уильям Дж. О'Брайен заболел туберкулезом , что на два года приостановило его карьеру. В этот период у него возникла идея определения местоположения с помощью сравнения фаз непрерывной передачи волн. Это была не первая подобная система, но О'Брайен, по-видимому, разработал свою версию, не зная о других, и внес несколько усовершенствований в эту область, которые оказались полезными. Первоначально он представлял себе, что система будет использоваться для испытаний самолетов, в частности, для точного расчета скорости движения по земле. Некоторые эксперименты были проведены в Калифорнии в 1938 году, выбирая частоты с гармоническими «биениями», которые позволили бы идентифицировать станцию в сети передатчиков. И армия , и флот США посчитали эту идею слишком сложной, и работа была прекращена в 1939 году. [1]
Друг О'Брайена, Харви Ф. Шварц, был главным инженером компании Decca Record в Англии. В 1939 году О'Брайен отправил ему детали системы, чтобы ее можно было представить британским военным. Первоначально Роберт Уотсон-Уотт рассмотрел систему, но не стал ее дорабатывать, посчитав, что ее слишком легко глушить (и, вероятно, из-за уже существующей работы над системой Gee , проводимой группой Уотта). [2] Однако в октябре 1941 года Британское Адмиралтейское Сигнальное Управление (ASE) заинтересовалось системой, которая затем была классифицирована как Адмиралтейское Оборудование QM . Первые морские испытания были проведены между Англси и островом Мэн на частотах 305/610 кГц 16 сентября 1942 года. [1]
Дальнейшие испытания были проведены в северной части Ирландского моря в апреле 1943 года на частотах 70/130 кГц. Было решено, что исходные частоты не были идеальными, и была выбрана новая система, использующая межсигнальный интервал 14 кГц. Это привело к общим частотам 5, 6, 8 и 9 f , которые использовались на протяжении всего срока службы системы Decca. 7 f была зарезервирована для расширения типа Loran-C , но так и не была разработана. [2] Последующее испытание было проведено в Ирландском море в январе 1944 года для проверки широкого спектра усовершенствований и производственного оборудования. К этому времени конкурирующая система Gee была известна Адмиралтейству, и две системы были испытаны лицом к лицу под кодовыми названиями QM и QH. Было обнаружено, что QM имеет лучший диапазон и точность на уровне моря, что привело к ее принятию на вооружение. [2]
Испытание трех станций было проведено совместно с крупномасштабными учениями по высадке и нападению в заливе Морей-Ферт в феврале/марте 1944 года. Успех испытаний и относительная простота использования и точность системы привели к тому, что Decca получила заказ на 27 приемников Admiralty Outfit QM . Приемник состоял из электронного блока с двумя циферблатами и был известен своим операторам как «Blue Gasmeter Job». Была создана цепочка Decca, состоящая из главной станции в Чичестере и подчиненных в Суонедже и Бичи-Хед . Четвертый ложный передатчик был расположен в устье Темзы как часть обмана, что вторжение будет сосредоточено в районе Кале . 21 тральщик и другие суда были оснащены Admiralty Outfit QM , и 5 июня 1944 года 17 из этих кораблей использовали его для точной навигации через Ла-Манш и траления минных полей в запланированных районах. Промытые участки были обозначены буями в рамках подготовки к высадке в Нормандии .
После первоначальных испытаний на судне Decca провела испытания на автомобилях, проезжая по объездной дороге Кингстона, чтобы проверить точность приемника. При установке на автомобиле было обнаружено, что можно осуществлять навигацию в пределах отдельной полосы движения. Компания возлагала большие надежды на то, что система может быть использована в самолетах, чтобы обеспечить гораздо более точную навигацию в критическом воздушном пространстве вокруг аэропортов и городских центров, где плотность движения самая высокая.
После окончания Второй мировой войны была образована компания Decca Navigator Co. Ltd. (1945), и система быстро расширялась, особенно в районах британского влияния ; на пике своего развития она была развернута во многих основных судоходных районах мира. В 1970 году на борту судов использовалось более 15 000 приемных комплектов. Было 4 цепи вокруг Англии, 1 в Ирландии и 2 в Шотландии, 12 в Скандинавии (по 5 в Норвегии и Швеции и по 1 в Дании и Финляндии), еще 4 в других местах Северной Европы и 2 в Испании.
Канада была еще одним ранним пользователем, с филиалами, созданными в Торонто в 1953 году. [3] [ неудачная проверка ] Первая цепь была установлена на юго-западе Ньюфаундленда в 1956 году в рамках совместной программы обследования ВМС Канады и США. Это привело к коммерческому развертыванию в следующем году в Новой Шотландии и внутренней системе для воздушного движения в оживленном районе Квебек-Сити - Монреаль . Четвертая цепь, охватывающая восточный Ньюфаундленд, была добавлена в 1958 году. Когда встречи в Монреале в 1958 году привели к выбору VOR и DME в качестве стандартных систем авиационной навигации, система Монреаля была перемещена на восток, чтобы охватить район острова Антикости в заливе Святого Лаврентия , а цепь западного Ньюфаундленда была позже перемещена, чтобы лучше охватить пролив Кабота . Также была предложена серия цепей для покрытия Северо-Западного прохода , если бы движение нефтяных танкеров использовало этот район, но этого так и не произошло. Другая сеть была создана на короткое время и охватывала озеро Онтарио в 1971 году в рамках Международного года полевых исследований Великих озер. [4] Последняя канадская сеть закрылась в 1986 году после того, как Loran-C получил широкое распространение.
В конце 1950-х годов в Соединенных Штатах, в районе Нью-Йорка, была создана экспериментальная сеть Decca для использования в навигации вертолетов Vertol 107 авиакомпании New York Airways . Эти вертолеты работали из основных местных аэропортов — аэропорта Айдлуайлд на Лонг-Айленде, аэропорта Ньюарк в Нью-Джерси, аэропорта Ла-Гуардия в районе Квинс, ближе к Манхэттену, и площадки на крыше (тогдашнего) здания PanAm на Парк-авеню. Использование Decca было необходимо, поскольку ее сигналы могли приниматься до уровня моря, не были подвержены ограничениям прямой видимости VOR / DME и не страдали от ошибок наклонной дальности, которые создают проблемы с VOR/DME вблизи передатчиков. Установки Decca на вертолетах New York Airways включали уникальные дисплеи Decca «роликовая карта», которые позволяли пилоту видеть свое местоположение с одного взгляда, концепция, невыполнимая с VOR/DME.
Эта установка цепи считалась в то время весьма спорной по политическим причинам. Это привело к тому, что Береговая охрана США, следуя инструкциям Министерства финансов, которому она подчинялась, запретила использование приемников Decca на судах, заходящих в гавань Нью-Йорка, из опасения, что система может создать фактический стандарт (как это стало в других частях мира). Это также служило для защиты маркетинговых интересов подразделения Hoffman Electronics компании ITT, основного поставщика систем VOR/DME, которые Decca могла бы узурпировать.
Эта ситуация усугублялась проблемами рабочей нагрузки Ассоциации авиадиспетчеров (ATCA) под руководством ее исполнительного директора Фрэнсиса Макдермотта, члены которой были вынуждены использовать радиолокационные данные о местоположении самолетов, передавая эти данные по радио на самолеты из своих пунктов управления. Примером проблемы, приведенным экспертами, было столкновение Douglas DC8 и Lockheed Constellation над Статен-Айлендом, Нью-Йорк [ 5] , которое, по мнению некоторых экспертов, можно было бы избежать, если бы самолеты были оборудованы Decca и могли бы не только определять свои местоположения точнее, но и не страдали бы от ошибок положения rho-theta, присущих VOR/DME.
Другие цепи были созданы в Японии (6 цепей); Намибии и Южной Африке (5 цепей); Индии и Бангладеш (4 цепи); Северо-Западной Австралии (2 цепи); Персидском заливе (1 цепь со станциями в Катаре и Объединенных Арабских Эмиратах и вторая цепь на севере залива со станциями в Иране) и на Багамах (1 цепь). Четыре цепи были запланированы для Нигерии, но были построены только две, и они не были введены в эксплуатацию. Две цепи во Вьетнаме использовались во время войны во Вьетнаме для вертолетной навигации, с ограниченным успехом. В период холодной войны, после Второй мировой войны, Королевские ВВС создали конфиденциальную цепь в Германии. Главная станция находилась в Бад-Ибурге около Оснабрюка, и было две подчиненных. Целью этой цепи было обеспечение точной воздушной навигации для коридора между Западной Германией и Берлином в случае, если может потребоваться массовая эвакуация персонала союзников. Для сохранения секретности частоты менялись через нерегулярные интервалы.
Штаб-квартира Decca Navigator находилась в Нью-Молдене, графство Суррей, недалеко от объездной дороги Кингстона. В Бриксхеме , графство Девон , была школа Decca, куда сотрудники время от времени отправлялись на курсы. Racal , британская оружейная и коммуникационная компания, приобрела Decca в 1980 году. Объединив радарные активы Decca со своими собственными, Racal начала распродавать другие части компании, включая авионику и Decca Navigator.
Значительная часть дохода от системы Decca была получена за счет того, что приемники сдавались в аренду пользователям, а не продавались напрямую. Это гарантировало предсказуемый годовой доход. Когда в начале 1980-х годов истек срок действия патентов на оригинальную технологию, ряд компаний быстро построили новые приемники. В частности, Aktieselskabet Dansk Philips («Danish Philips», ap ) представила приемники, которые можно было купить напрямую, и которые были намного меньше и проще в использовании, чем нынешние аналоги Decca. Версии «ap» напрямую выводят долготу и широту с точностью до двух десятичных знаков (первоначально только в системе отсчета ED50 ) вместо использования дисплеев «декометра», обеспечивая точность лучше, чем ±9,3 м [ требуется цитата ] , что намного лучше, чем у единиц Decca. Это также устранило необходимость в специальных картах, напечатанных с полосами и зонами Decca.
Decca подала в суд на ap за нарушение прав, и в последовавшей судебной тяжбе Decca потеряла монополию. Это стало началом конца для компании. Доходы пошли на спад, и в конце концов в дело вмешалось Министерство транспорта Великобритании, которое в начале 1990-х годов передало управление маяками в руки руководства по эксплуатации системы.
Постановление Европейского союза заставило правительство Великобритании прекратить финансирование. Главное управление маяков прекратило вещание Decca в полночь 31 марта 2000 года. Ирландская цепь, предоставленная Bórd Iascaigh Mhara, продолжала вещание до 19 мая 2000 года. Япония продолжала эксплуатировать свою цепь Hokkaidō до марта 2001 года, последней действующей цепи Decca.
Сразу после войны Decca начала изучать систему дальнего действия, похожую на Decca, но использующую гораздо более низкие частоты, чтобы обеспечить прием небесных волн на больших расстояниях. В феврале 1946 года компания предложила систему с двумя основными станциями, расположенными в аэропорту Шеннон в Ирландии и международном аэропорту Гандер в Ньюфаундленде (сегодня часть Канады). Вместе эти станции обеспечивали бы навигацию по главному маршруту большого круга между Лондоном и Нью-Йорком. Третья станция на Бермудских островах предоставляла бы общую информацию о дальности для измерения прогресса по главному пути. [6]
Работа над этой концепцией продолжалась, и в 1951 году была представлена модифицированная версия, которая предлагала навигацию на очень больших территориях. Она была известна как Delrac , сокращение от «Decca Long Range Area Cover». Дальнейшее развитие, включающее особенности системы POPI Главного почтамта , было представлено в 1954 году, предлагая 28 станций, которые обеспечивали покрытие по всему миру. [6] Предполагалось, что система будет обеспечивать точность 10 миль (16 000 м) на расстоянии 2 000 миль (3 200 км) в 95% случаев. Дальнейшее развитие было прекращено в пользу системы Dectra. [7]
В начале 1960-х годов Радиотехническая комиссия по аэронавтике (RTCA), как часть более широких усилий ИКАО , начала процесс внедрения стандартной системы радионавигации дальнего действия для использования в авиации. Decca предложила систему, которая могла бы предложить как высокую точность на коротких дистанциях, так и трансатлантическую навигацию с меньшей точностью, используя один приемник. Система была известна как Dectra , сокращение от «Decca Track». [7]
В отличие от системы Delrac, Dectra по сути была обычной системой Decca Navigator с модификацией нескольких существующих передающих станций. [7] Они были расположены в цепях Восточного Ньюфаундленда и Шотландии, которые были оснащены более крупными антеннами и мощными передатчиками, транслирующими в 20 раз больше энергии, чем обычные цепные станции. Учитывая, что длина базовых линий цепи не менялась и была относительно короткой, на большом расстоянии сигнал не обеспечивал почти никакой точности. Вместо этого Dectra работала как трековая система; самолеты осуществляли навигацию, оставаясь в пределах сигнала, определенного определенной полосой Decca. [8]
Главным преимуществом Dectra по сравнению с другими системами, предложенными для решения RTCA, было то, что ее можно было использовать как для навигации на средних расстояниях по суше, так и для навигации на больших расстояниях по Атлантике. Для сравнения, система VOR/DME , которая в конечном итоге выиграла соревнование, предлагала навигацию в радиусе, возможно, 200 миль, и не могла предложить решение проблемы дальних расстояний. [8] Кроме того, поскольку система Decca обеспечивала местоположение X и Y, в отличие от VOR/DME с углом и дальностью, Decca предложила предложить ее с их дисплеем с движущейся картой Decca Flight Log для дальнейшего улучшения простоты навигации. Несмотря на эти преимущества, RTCA в конечном итоге выбрала VOR/DME по двум основным причинам: VOR предлагала покрытие примерно в том же диапазоне, что и Decca, около 200 миль, но делала это с помощью одного передатчика вместо четырех у Decca, и частоты Decca оказались восприимчивы к помехам от статики из-за молний, в то время как более высокие частоты VOR были не столь чувствительны. [6]
Decca продолжала предлагать использовать Dectra для дальних полетов. В 1967 году они установили еще один передатчик в Исландии для обеспечения дальности вдоль трассы Шотландия-Ньюфаундленд, а второй предложили установить на Азорских островах . Они также установили приемники Dectra с компьютерами Omnitrac и облегченную версию Flight Log на ряде коммерческих авиалайнеров, в частности, на BOAC Vickers VC10 . Omnitrac мог принимать входные данные от Decca (и Dectra), Loran-C, VOR/DME, компьютера воздушных данных и доплеровских радаров и объединять их все для получения выходных данных широты/долготы вместе с пеленгом, расстоянием до цели, пеленгом и связью с автопилотом. [9] Их усилия по стандартизации этого были в конечном итоге прекращены, поскольку для этих нужд начали устанавливать инерциальные навигационные системы . [8]
Более точная система под названием Hi-Fix была разработана с использованием сигнализации в диапазоне 1,6 МГц. Она использовалась для специализированных приложений, таких как точные измерения, связанные с бурением нефтяных скважин, а также Королевским флотом для подробного картографирования и обследования побережий и гаваней. Оборудование Hi-Fix было арендовано на определенный период с временными цепями, установленными для обеспечения покрытия требуемой области, Hi-Fix был коммерциализирован Racal Survey в начале 1980-х годов. Экспериментальная цепь была установлена с покрытием центрального Лондона, а приемники были размещены в лондонских автобусах и других транспортных средствах для демонстрации ранней системы определения местоположения и отслеживания транспортных средств. Каждое транспортное средство автоматически сообщало о своем местоположении через обычную двустороннюю радиосвязь VHF, данные добавлялись к голосовому каналу.
Другое приложение было разработано подразделением Bendix Pacific корпорации Bendix с офисами в Северном Голливуде, штат Калифорния, но не было развернуто: PFNS — персональная полевая навигационная система, которая позволяла отдельным солдатам определять свое географическое положение задолго до того, как эта возможность стала возможной благодаря спутниковой системе GPS (глобальная система позиционирования).
Дальнейшее применение системы Decca было реализовано ВМС США в конце 1950-х и начале 1960-х годов для использования в районе пролива Язык океана/Эльютера около Багамских островов, разделяющего острова Андрос и Нью-Провиденс. Применение было направлено на гидролокационные исследования, которые стали возможны благодаря уникальным характеристикам дна океана.
Интересной особенностью сигнала Decca VLF, обнаруженного во время испытательных полетов авиакомпании BOAC, а позднее British Airways в Москву, было то, что переключение несущей не удалось обнаружить, даже если несущая была принята с достаточной силой для обеспечения навигации. [ необходимо разъяснение ] Подобные испытания с участием гражданских самолетов являются довольно распространенными и могут быть неизвестны пилоту.
«Низкочастотная» сигнализация системы Decca также позволяла использовать ее на подводных лодках. Одним из «улучшений» системы Decca было предоставление возможности ввода сигнала с помощью кода Морзе для оповещения о начале ядерной войны. Этот вариант никогда не рассматривался правительством Великобритании. Однако сообщения тайно передавались между станциями Decca, тем самым обходя международные телефонные звонки, особенно в сетях за пределами Великобритании.