Loran-C — это гиперболическая радионавигационная система, которая позволяет приемнику определять свое местоположение, прослушивая низкочастотные радиосигналы, передаваемые стационарными наземными радиомаяками . Loran-C объединила две разные технологии для обеспечения сигнала, который был как дальнобойным, так и высокоточным, что ранее было несовместимо. Ее недостатком была стоимость оборудования, необходимого для интерпретации сигналов, что означало, что Loran-C использовался в основном военными после его появления в 1957 году.
К 1970-м годам стоимость, вес и размер электроники, необходимой для реализации Loran-C, были значительно снижены из-за внедрения твердотельной электроники и, с середины 1970-х годов, ранних микроконтроллеров для обработки сигнала. Недорогие и простые в использовании устройства Loran-C стали обычным явлением с конца 1970-х годов, особенно в начале 1980-х годов, и более ранняя система LORAN [a] была прекращена в пользу установки большего количества станций Loran-C по всему миру. Loran-C стала одной из самых распространенных и широко используемых навигационных систем для больших территорий Северной Америки, Европы, Японии и всей Атлантики и Тихого океана. Советский Союз использовал почти идентичную систему, ЧАЙКА .
Введение гражданской спутниковой навигации в 1990-х годах привело к быстрому снижению использования Loran-C. Дискуссии о будущем Loran-C начались в 1990-х годах; было объявлено несколько дат отключения, которые затем были отменены. В 2010 году были закрыты системы США и Канады, а также станции Loran-C/ЧАЙКА, которые использовались совместно с Россией. [2] [3] Несколько других цепей оставались активными; некоторые были модернизированы для дальнейшего использования. В конце 2015 года навигационные цепи в большей части Европы были отключены. [4] В декабре 2015 года в Соединенных Штатах также возобновилось обсуждение финансирования системы eLoran , [5] и NIST предложил профинансировать разработку приемника eLoran размером с микрочип для распределения сигналов синхронизации. [6]
В Законе о национальной безопасности и устойчивости синхронизации времени 2017 года предлагалось возродить систему Loran в качестве резервной для Соединенных Штатов в случае сбоя GPS, вызванного космической погодой или атакой. [7] [8]
Оригинальная система LORAN была предложена в 1940 году Альфредом Ли Лумисом на заседании Комитета по микроволновым системам армии США. Корпус армейской авиации заинтересовался концепцией навигации самолетов и после некоторого обсуждения выдвинул требование к системе, обеспечивающей точность около 1 мили (1,6 км) на расстоянии 200 миль (320 км) и максимальную дальность до 500 миль (800 км) для высоколетящих самолетов. Комитет по микроволновым системам, к тому времени организованный в то, что впоследствии стало Лабораторией радиации Массачусетского технологического института , занялся разработкой в качестве Проекта 3. Во время первых встреч член группы связи Великобритании, Таффи Боуэн , упомянул, что он знал, что британцы также работают над аналогичной концепцией, но не имел никакой информации о ее эффективности. [9]
Команда разработчиков под руководством Лумиса быстро продвинулась в разработке передатчика и протестировала несколько систем в течение 1940 года, прежде чем остановиться на конструкции с частотой 3 МГц. Были проведены обширные измерения силы сигнала путем установки обычного радиоприемника в универсал и поездок по восточным штатам. [10] Однако конструкция специального приемника и связанные с ним дисплеи на электронно-лучевой трубке оказались большей проблемой. Несмотря на несколько попыток обойти эту проблему, нестабильность дисплея помешала точным измерениям, поскольку выходной сигнал смещался вперед и назад на лицевой стороне осциллографа. [11]
К этому времени команда стала гораздо лучше знакома с британской системой Gee и знала о своей связанной работе над «стробами», генератором временной развертки , который выдавал хорошо позиционированные «пипы» на дисплее, которые можно было использовать для точного измерения. Это означало, что неточность позиционирования на дисплее не имела никакого эффекта: любая неточность в положении сигнала также была в стробе, поэтому они оба оставались выровненными. Команда Project 3 встретилась с командой Gee в 1941 году и немедленно приняла это решение. Эта встреча также показала, что Project 3 и Gee требовали почти идентичных систем с похожей производительностью, дальностью и точностью, но Gee уже завершила базовую разработку и входила в начальное производство, что делало Project 3 излишним. [12]
В ответ на это команда Project 3 приказала Военно-воздушным силам принять Gee, и вместо этого, по просьбе британской команды, переориентировала свои усилия на обеспечение дальней навигации в океанах, где Gee был бесполезен. Это вызвало интерес у ВМС США , и серия экспериментов быстро продемонстрировала, что системы, использующие базовую концепцию Gee, но работающие на более низкой частоте около 2 МГц, будут обеспечивать разумную точность порядка нескольких миль на расстояниях порядка 1250 миль (2010 км), по крайней мере ночью, когда сигналы этого частотного диапазона могли проскочить ионосферу . [ 12] Последовало быстрое развитие, и в 1943 году система, охватывающая западную Атлантику, была введена в эксплуатацию. Затем последовали дополнительные станции, сначала охватывавшие европейскую сторону Атлантики, а затем значительное расширение в Тихом океане. К концу войны было 72 действующих станции LORAN и около 75 000 приемников.
В 1958 году управление системой LORAN было передано Береговой охране США , которая переименовала систему в «Loran-A», причем в то время было введено название со строчной буквы. [13]
Существует два способа реализации измерений времени, необходимых для гиперболической навигационной системы: импульсные системы синхронизации, такие как Gee и LORAN, и фазовые системы синхронизации, такие как Decca Navigator System . [14]
Первый требует резких импульсов сигнала, и их точность обычно ограничена тем, насколько быстро импульсы могут быть включены и выключены, что является функцией несущей частоты . В сигнале есть неоднозначность; одни и те же измерения могут быть действительны в двух местах относительно вещателей, но при нормальной работе они находятся на расстоянии сотен километров друг от друга, поэтому одну возможность можно исключить. [14]
Вторая система использует постоянные сигналы («непрерывная волна») и проводит измерения, сравнивая фазу двух сигналов. Эту систему легко использовать даже на очень низких частотах. Однако ее сигнал неоднозначен на расстоянии длины волны, что означает, что существуют сотни местоположений, которые вернут один и тот же сигнал. Decca назвала эти неоднозначные местоположения ячейками . Это требует использования какого-то другого метода навигации в сочетании с выбором ячейки, в которой находится приемник, а затем использования фазовых измерений для точного размещения приемника в ячейке. [14]
Многочисленные попытки были сделаны, чтобы обеспечить своего рода вторичную систему низкой точности, которую можно было бы использовать с системой сравнения фаз, такой как Decca, чтобы разрешить неоднозначность. Среди многих методов была система направленного вещания, известная как POPI, и множество систем, объединяющих импульсную синхронизацию для навигации низкой точности, а затем использующих сравнение фаз для точной настройки. Сами Decca выделили одну частоту, «9f», для тестирования этой концепции комбинированного сигнала, но не имели возможности сделать это до гораздо более позднего времени. Аналогичные концепции также использовались в экспериментальной системе Navarho в Соединенных Штатах. [15]
С самого начала проекта LORAN было известно, что те же самые дисплеи ЭЛТ, которые показывали импульсы LORAN, могли, при соответствующем увеличении, также показывать отдельные волны промежуточной частоты . Это означало, что сопоставление импульсов можно было использовать для получения грубой фиксации, а затем оператор мог получить дополнительную точность синхронизации, выстраивая отдельные волны в импульсе, как в Decca. Это можно было либо использовать для значительного повышения точности LORAN, либо, альтернативно, предлагать аналогичную точность, используя гораздо более низкие несущие частоты, и таким образом значительно расширять эффективный диапазон. Это потребовало бы синхронизации передающих станций как по времени, так и по фазе, но большая часть этой проблемы уже была решена инженерами Decca. [14]
Вариант с большим радиусом действия представлял значительный интерес для Береговой охраны, которая создала экспериментальную систему, известную как LF LORAN в 1945 году. Она работала на гораздо более низких частотах, чем оригинальная LORAN, на 180 кГц, и требовала очень длинных антенн на воздушных шарах. Испытания проводились в течение года, включая несколько дальних полетов вплоть до Бразилии . Затем экспериментальная система была отправлена в Канаду, где она использовалась во время операции «Muskox» в Арктике. Было обнаружено, что точность составляет 150 футов (46 м) на расстоянии 750 миль (1210 км), что является значительным шагом вперед по сравнению с LORAN. С окончанием операции «Muskox» было решено сохранить работу системы в рамках так называемой «Операции «Musk Calf»», которой руководила группа, состоящая из ВВС США , Королевских канадских ВВС , Королевских канадских ВМС и Королевского корпуса связи Великобритании . Система работала до сентября 1947 года. [16]
Это привело к еще одной крупной серии испытаний, на этот раз недавно сформированными ВВС США, известной как Операция Beetle. Beetle располагалась на крайнем севере, на границе Канады и Аляски, и использовала новые стальные башни высотой 625 футов (191 м), заменяющие антенны на тросах, поднимаемые на воздушных шарах предыдущей системы. Система была введена в эксплуатацию в 1948 году и проработала два года до февраля 1950 года. К сожалению, станции оказались неудачно расположены, так как радиопередача через вечную мерзлоту была намного короче, чем ожидалось, а синхронизация сигналов между станциями с использованием наземных волн оказалась невозможной. Испытания также показали, что система была чрезвычайно сложна в использовании на практике; оператору было легко выбирать неправильные участки волновых форм на своем дисплее, что приводило к значительной реальной неточности. [16]
В 1946 году Римский центр развития авиации разослал контракты на более дальнобойные и более точные навигационные системы, которые могли бы использоваться для навигации дальних бомбардировок. Поскольку ВВС США переходили к меньшим экипажам, например , только три в Boeing B-47 Stratojet , требовалась высокая степень автоматизации. Было принято два контракта; Sperry Gyroscope предложила систему CYCLAN (CYCLe, соответствующая LorAN), которая была в целом похожа на LF LORAN, но с дополнительной автоматизацией, а Sylvania предложила Whyn , использующую навигацию с непрерывными волнами, как Decca, но с дополнительным кодированием с использованием частотной модуляции . Несмотря на большие усилия, Whyn так и не удалось заставить работать, и от нее отказались. [17]
CYCLAN работал, посылая те же самые сигналы типа LF LORAN на двух частотах, LF LORAN 180 кГц и снова на 200 кГц. Связанное оборудование должно было искать растущую амплитуду, которая указывала на начало импульса сигнала, а затем использовать стробирующие затворы для извлечения фазы несущей. Использование двух приемников решило проблему несовпадения импульсов, поскольку фазы могли правильно выравниваться только между двумя копиями сигнала, когда сравнивались одни и те же импульсы. Ничто из этого не было тривиальным; используя ламповую электронику той эпохи, экспериментальная система CYCLAN заполнила большую часть полуприцепа . [ 18]
CYCLAN оказался очень успешным, настолько, что становилось все более очевидным, что проблемы, которые заставили инженеров использовать две частоты, были просто не такими уж плохими, как ожидалось. Оказалось, что система, использующая одну частоту, будет работать так же хорошо, при условии правильной электроники. Это была особенно хорошая новость, поскольку частота 200 кГц мешала существующим трансляциям, и ее пришлось переместить на 160 кГц во время тестирования. [19]
В этот период проблема использования радиоспектра стала серьезной проблемой и привела к международным усилиям по выбору полосы частот, подходящей для дальней навигации. В конечном итоге этот процесс остановился на полосе от 90 до 100 кГц. CYCLAN, по-видимому, предположил, что точность на даже более низких частотах не является проблемой, и единственной реальной проблемой была стоимость задействованного оборудования. [19]
Успех системы CYCLAN привел к заключению в 1952 году нового контракта со Sperry на новую систему с двойной целью: работать в диапазоне 100 кГц, будучи при этом одинаково точной, менее сложной и менее дорогой. Эти цели обычно были бы противоречивыми, но система CYCLAN дала всем участникам уверенность в том, что они могут быть достигнуты. Получившаяся система была известна как Cytac. [20]
Чтобы решить проблему сложности, была разработана новая схема для правильного хронометража выборки сигнала. Она состояла из схемы для извлечения огибающей импульса, другой для извлечения производной огибающей и, наконец, еще одной, которая вычитала производную из огибающей. Результат этой последней операции становился отрицательным во время очень специфической и стабильной части нарастающего фронта импульса, и это нулевое пересечение использовалось для запуска очень кратковременного стробирования выборки. Эта система заменила сложную систему часов, используемую в CYCLAN. Путем простого измерения времени между нулевыми пересечениями главного и вторичного устройств была извлечена синхронизация импульсов. [21]
Выходной сигнал сэмплера огибающей также отправлялся на фазовращатель, который корректировал выходной сигнал локальных часов, которые были зафиксированы на основной несущей с помощью петли фазовой автоподстройки частоты . Это сохраняло фазу основного сигнала достаточно долго для поступления вторичного сигнала. Затем стробирование вторичного сигнала сравнивалось с этим основным сигналом в фазовом детекторе , и в зависимости от разницы фаз создавалось изменяющееся напряжение. Это напряжение представляло собой измерение точного позиционирования. [21]
Система была в целом успешной во время испытаний до 1953 года, но были высказаны опасения по поводу мощности сигнала на большом расстоянии и возможности глушения. Это привело к дальнейшим модификациям базового сигнала. Первая заключалась в передаче серии импульсов вместо одного, что передавало больше энергии в течение заданного времени и улучшало способность приемников настраиваться на полезный сигнал. Они также добавили фиксированный фазовый сдвиг 45° к каждому импульсу, поэтому простые сигналы глушения непрерывной волны могли быть идентифицированы и отклонены. [22]
Система Cytac прошла огромную серию испытаний по всей территории Соединенных Штатов и на море. Учитывая потенциальную точность системы, даже незначительные изменения в синхронизации земной волны, как было обнаружено, вызывали ошибки, которые можно было устранить — такие проблемы, как количество рек, пересекаемых сигналом, вызывали предсказуемые задержки, которые можно было измерить и затем учесть в навигационных решениях. Это привело к серии контуров коррекции , которые можно было добавить к полученному сигналу для корректировки этих проблем, и они были напечатаны на картах Cytac. Используя выдающиеся особенности на плотинах в качестве целевых точек, серия испытаний продемонстрировала, что неоткорректированные сигналы обеспечивали точность порядка 100 ярдов, в то время как добавление корректировок контура коррекции уменьшало ее до порядка десяти ярдов. [23]
Именно в этот момент ВВС США, переняв эти усилия во время перехода от ВВС США , потеряли интерес к проекту. Хотя причины не очень хорошо зафиксированы, похоже, что идея полностью автоматизированной системы бомбардировки с использованием радиосредств больше не считалась возможной. [20] ВВС США участвовали в миссиях, охватывающих около 1000 км (расстояние от Лондона до Берлина), и система Cytac хорошо работала на этих расстояниях, но когда миссия изменилась на трансполярные миссии на 5000 км или более, даже Cytac не обеспечивал необходимой дальности и точности. Они обратили свое внимание на использование инерциальных платформ и доплеровских радиолокационных систем, отменив работу над Cytac, а также над конкурирующей системой, известной как Navarho. [24]
Примерно в это же время ВМС США начали работу над аналогичной системой, использующей комбинированное сравнение импульсов и фаз, но на основе существующей частоты LORAN 200 кГц. К этому времени ВМС США передали оперативное управление системой LORAN Береговой охране, и предполагалось, что то же самое будет справедливо и для любой новой системы. Таким образом, Береговой охране США был предоставлен выбор названия систем, и они решили переименовать существующую систему в Loran-A, а новую — в Loran-B. [1]
После того, как Cytac был полностью разработан, а его испытательная система на восточном побережье США законсервирована, ВМС США также решили повторно ввести Cytac в эксплуатацию для испытаний в роли дальнего действия. Обширная серия испытаний по всей Атлантике была проведена USCGC Androscoggin , начиная с апреля 1956 года. Тем временем, у Loran-B обнаружились серьезные проблемы с поддержанием фазы передатчиков, и эта работа была прекращена. [b] В системы Cytac были внесены незначительные изменения для дальнейшего упрощения, включая сокращение интервала между импульсами с 1200 до 1000 мкс, частота импульсов была изменена на 20 импульсов в секунду , чтобы соответствовать существующей системе Loran-A, и сдвиг фаз между импульсами до чередующегося 0, 180-градусного сдвига вместо 45 градусов на каждом импульсе в цепи. [25]
Результатом стала система Loran-C. Тестирование новой системы было интенсивным, и полеты над водой вокруг Бермудских островов показали, что 50% исправлений лежали в радиусе 260 футов (79 м), [26] значительное улучшение по сравнению с оригинальной системой Loran-A, соответствуя точности системы Gee, но на гораздо большем расстоянии. Первая цепь была создана с использованием оригинальной экспериментальной системы Cytac, а вторая — в Средиземном море в 1957 году. Затем последовали дополнительные цепи, охватывающие Северную Атлантику и большие районы Тихого океана. В то время глобальные карты печатались с затененными секциями, представляющими область, где можно было получить точное исправление с точностью 3 мили (4,8 км) в большинстве рабочих условий. Loran-C работал в диапазоне частот от 90 до 110 кГц.
Loran-C изначально был разработан как высокоавтоматизированный, что позволяло системе работать быстрее, чем многоминутные измерения оригинального LORAN. Он также работал в «цепях» связанных станций, что позволяло производить исправление путем одновременного сравнения двух вторичных станций с одной главной. Недостатком этого подхода было то, что требуемое электронное оборудование, созданное с использованием ламповой технологии 1950-х годов, было очень большим. Поиск компаний со знаниями морской многоканальной фазово-сравнительной электроники привел, по иронии судьбы, к Decca, которая построила AN/SPN-31, первый широко используемый приемник Loran-C. AN/SPN-31 весил более 100 фунтов (45 кг) и имел 52 элемента управления. [27]
Затем последовали воздушные подразделения, и адаптированный AN/SPN-31 был испытан в Avro Vulcan в 1963 году. К середине 1960-х годов подразделения с некоторой транзисторизацией стали более распространенными, и во Вьетнаме была создана цепочка для поддержки военных усилий Соединенных Штатов там. Ряд коммерческих авиакомпаний также экспериментировали с системой, используя ее для навигации на большом кольцевом маршруте между Северной Америкой и Европой. Однако в конечном итоге инерциальные платформы стали более распространенными в этой роли. [27]
В 1969 году компания Decca подала в суд на ВМС США за нарушение патентных прав, предоставив обширную документацию своей работы над базовой концепцией еще в 1944 году, а также «отсутствующую» частоту 9f [c] на 98 кГц, которая была отложена для экспериментов с использованием этой системы. Decca выиграла первоначальный иск, но решение суда было отменено в апелляции, когда ВМС заявили о «военной целесообразности». [28]
Когда Loran-C стал широко распространенным, ВВС США снова заинтересовались его использованием в качестве системы наведения. Они предложили новую систему, наложенную на Loran-C, чтобы обеспечить еще более высокую точность, используя Loran-C fix в качестве грубого сигнала наведения во многом таким же образом, как Loran-C извлекал грубое местоположение из синхронизации импульсов, чтобы устранить неоднозначность в точном измерении. Чтобы обеспечить сверхточный сигнал наведения, Loran-D перемежал еще одну серию из восьми импульсов сразу после сигналов с одной из существующих станций Loran-C, складывая два сигнала вместе. Эта техника стала известна как «Сверхнумерационная межимпульсная модуляция» (SIM). Они транслировались с маломощных портативных передатчиков, предлагая относительно короткое обслуживание высокой точности. [29]
Loran-D использовался только экспериментально во время военных игр в 1960-х годах с передатчика, установленного в Великобритании. Система также использовалась ограниченным образом во время войны во Вьетнаме в сочетании с системой лазерного целеуказателя Pave Spot , комбинация, известная как Pave Nail. Используя мобильные передатчики, навигационный приемник AN/ARN-92 LORAN мог достигать точности порядка 60 футов (18 м), которую лазер Spot улучшил примерно до 20 футов (6,1 м). [29] Концепция SIM позже стала системой для отправки дополнительных данных. [30] [31]
Примерно в то же время Motorola предложила новую систему, использующую псевдослучайные импульсные цепочки. Этот механизм гарантирует, что никакие две цепочки в течение заданного периода (порядка многих секунд) не будут иметь одинаковый шаблон, что позволяет легко определить, является ли сигнал земной волной от недавней передачи или многоскачковым сигналом от предыдущей. Система Multi-User Tactical Navigation Systems (MUTNS) использовалась недолго, но было обнаружено, что Loran-D отвечает тем же требованиям, но имеет дополнительное преимущество, будучи также стандартным сигналом Loran-C. Хотя MUTNS не была связана с системами Loran, ее иногда называли Loran-F . [32]
Несмотря на многочисленные преимущества, высокая стоимость внедрения приемника Loran-C сделала его неэкономичным для многих пользователей. Кроме того, поскольку военные пользователи перешли с Loran-A на Loran-C, на рынок было выброшено большое количество излишков приемников Loran-A. Это сделало Loran-A популярным, несмотря на то, что он был менее точным и довольно сложным в эксплуатации. К началу 1970-х годов внедрение интегральных схем, объединяющих полный радиоприемник, начало значительно снижать сложность измерений Loran-A, и полностью автоматизированные устройства размером со стереоприемник стали обычным явлением. Для тех пользователей, которым требовалась более высокая точность, Decca добилась значительного успеха со своей системой Decca Navigator и выпустила устройства, которые объединяли оба приемника, используя Loran для устранения неоднозначностей в Decca.
То же быстрое развитие микроэлектроники, которое сделало Loran-A таким простым в эксплуатации, работало так же хорошо и с сигналами Loran-C, и очевидное желание иметь систему дальнего действия, которая также могла бы обеспечить достаточную точность для навигации по озеру и гавани, привело к «открытию» системы Loran-C для общественного использования в 1974 году. Вскоре последовали гражданские приемники, и двухсистемные приемники A/C также были распространены некоторое время. Переход с A на C был чрезвычайно быстрым, в основном из-за быстро падающих цен, что привело к тому, что первым приемником многих пользователей стал Loran-C. К концу 1970-х годов Береговая охрана решила отключить Loran-A в пользу добавления дополнительных станций Loran-C для покрытия пробелов в ее покрытии. Первоначальная сеть Loran-A была закрыта в 1979 и 1980 годах, и несколько единиц использовались в Тихом океане в течение некоторого времени. Учитывая широкую доступность карт Loran-A, многие приемники Loran-C включали систему для преобразования координат между единицами A и C.
Одной из причин открытия Loran-C для общественности был переход от Loran к новым формам навигации, включая инерциальные навигационные системы , Transit и OMEGA , что означало, что безопасность Loran уже не была такой строгой, как это было в качестве основной формы навигации. Поскольку эти новые системы уступили место GPS в 1980-х и 90-х годах, этот процесс повторился, но на этот раз военные смогли разделить сигналы GPS таким образом, что он мог одновременно предоставлять как безопасные военные, так и небезопасные гражданские сигналы. GPS было сложнее принимать и декодировать, но к 1990-м годам необходимая электроника уже была такой же маленькой и недорогой, как Loran-C, что привело к быстрому принятию, которое стало в значительной степени универсальным.
Хотя к 2000 году Loran-C был в значительной степени излишним, по состоянию на 2014 год он не исчез из- [обновлять]за ряда проблем. Одна из них заключается в том, что система GPS может быть заглушена различными способами. Хотя то же самое относится и к Loran-C, передатчики находятся под рукой и могут быть скорректированы при необходимости. Что еще более важно, существуют эффекты, которые могут привести к тому, что система GPS станет непригодной для использования на больших территориях, в частности, космические погодные явления и потенциальные события ЭМИ . Loran, полностью расположенный под атмосферой, обеспечивает большую устойчивость к этим проблемам. Были значительные дебаты об относительных преимуществах сохранения системы Loran-C в рабочем состоянии в результате таких соображений.
В ноябре 2009 года Береговая охрана США объявила, что Loran-C не нужен США для морской навигации. Это решение оставило судьбу LORAN и eLORAN в США на усмотрение секретаря Министерства внутренней безопасности . [33] Согласно последующему объявлению, Береговая охрана США, в соответствии с Законом об ассигнованиях Министерства внутренней безопасности, прекратила передачу всех сигналов Loran-C США 8 февраля 2010 года. [2] 1 августа 2010 года передача США российско-американского сигнала была прекращена, [2] а 3 августа 2010 года все канадские сигналы были отключены Береговой охраной США и CCG. [2] [3]
Европейский союз решил, что потенциальные преимущества безопасности Loran достойны не только поддержания работоспособности системы, но и ее модернизации и добавления новых станций. Это часть более широкой системы Eurofix, которая объединяет GPS, Galileo и девять станций Loran в единую интегрированную систему.
В 2014 году Норвегия и Франция объявили, что все их оставшиеся передатчики, составляющие значительную часть системы Eurofix, будут отключены 31 декабря 2015 года. [34] Два оставшихся передатчика в Европе ( Анторн , Великобритания и Зюльт , Германия) больше не смогут поддерживать службу позиционирования и навигации Loran, в результате чего Великобритания объявила, что ее пробная служба eLoran будет прекращена с той же даты. [35]
В обычной навигации измерение своего местоположения или определение местоположения выполняется путем выполнения двух измерений относительно хорошо известных местоположений. В оптических системах это обычно выполняется путем измерения угла до двух ориентиров, а затем проведения линий на морской карте под этими углами, создавая пересечение, которое показывает местоположение судна. Радиометоды также могут использовать ту же концепцию с помощью радиопеленгатора , но из-за природы распространения радиоволн такие приборы подвержены значительным ошибкам, особенно ночью. Более точная радионавигация может быть выполнена с использованием методов синхронизации импульсов или сравнения фаз, которые основаны на времени пролета сигналов. По сравнению с измерениями углов, они остаются довольно стабильными с течением времени, и большинство эффектов, которые изменяют эти значения, являются фиксированными объектами, такими как реки и озера, которые можно учесть на картах.
Системы синхронизации могут показывать абсолютное расстояние до объекта, как в случае с радаром . Проблема в навигационном случае заключается в том, что приемник должен знать, когда был отправлен исходный сигнал. Теоретически можно было бы синхронизировать точные часы с сигналом перед выходом из порта, а затем использовать их для сравнения времени сигнала во время плавания. Однако в 1940-х годах не было подходящей системы, которая могла бы удерживать точный сигнал в течение всего периода оперативной миссии.
Вместо этого радионавигационные системы приняли концепцию мультилатерации , которая основана на разнице во времени (или фазе) вместо абсолютного времени. Основная идея заключается в том, что относительно легко синхронизировать две наземные станции, используя, например, сигнал, передаваемый по телефонной линии, поэтому можно быть уверенным, что полученные сигналы были отправлены в одно и то же время. Однако они не будут получены в одно и то же время, поскольку приемник сначала получит сигнал от более близкой станции. Определить разницу во времени между двумя сигналами можно легко, сначала физически измерив их на электронно-лучевой трубке или простой электронике в случае сравнения фаз.
Разница во времени сигнала сама по себе не раскрывает местоположение. Вместо этого она определяет ряд местоположений, где это время возможно. Например, если две станции находятся на расстоянии 300 км друг от друга, и приемник не измеряет никакой разницы в двух сигналах, это означает, что приемник находится где-то на линии, равноудаленной между ними. Если сигнал от одной из них получен ровно через 100 мкс, то приемник находится на 30 километров (19 миль) ближе к одной станции, чем к другой. Нанесение всех местоположений, где одна станция находится на 30 км ближе, чем другая, дает кривую линию. Определение местоположения выполняется путем выполнения двух таких измерений с различными парами станций, а затем поиска обеих кривых на навигационной карте. Кривые известны как линии положения или LOP. [36]
На практике радионавигационные системы обычно используют цепочку из трех или четырех станций, все из которых синхронизированы с главным сигналом, который транслируется с одной из станций. Остальные, вторичные , располагаются так, чтобы их LOP пересекались под острыми углами, что увеличивает точность определения местоположения. Так, например, заданная цепочка может иметь четыре станции с главной в центре, что позволяет приемнику выбирать сигналы с двух вторичных станций, которые в настоящее время находятся максимально близко к прямым углам, учитывая их текущее местоположение. Современные системы, которые знают местоположение всех вещателей, могут автоматически выбирать станции для выбора.
В случае LORAN одна станция остается постоянной в каждом применении принципа, первичная , будучи спарена отдельно с двумя другими вторичными станциями. При наличии двух вторичных станций, разница во времени (TD) между первичной и первой вторичной станциями определяет одну кривую, а разница во времени между первичной и второй вторичной станциями определяет другую кривую, пересечения которой определят географическую точку по отношению к положению трех станций. Эти кривые называются линиями TD . [37]
На практике LORAN реализуется в интегрированных региональных массивах , или цепях , состоящих из одной первичной станции и по крайней мере двух (но часто и больше) вторичных станций, с равномерным интервалом повторения группы (GRI), определяемым в микросекундах . Количество времени до передачи следующего набора импульсов определяется расстоянием между началом передачи первичного сигнала и следующим началом передачи первичного сигнала.
Вторичные станции получают этот импульсный сигнал от первичной станции, затем ждут заданное количество миллисекунд , известное как задержка вторичного кодирования , чтобы передать ответный сигнал. В данной цепочке задержка кодирования каждой вторичной станции отличается, что позволяет отдельно идентифицировать сигнал каждой вторичной станции. (Однако на практике современные приемники LORAN не полагаются на это для вторичной идентификации.) [ необходима цитата ]
Каждая цепь LORAN в мире использует уникальный интервал повторения группы, число которых, умноженное на десять, дает, сколько микросекунд проходит между импульсами от данной станции в цепи. На практике задержки во многих, но не во всех, цепях кратны 100 микросекундам. Цепи LORAN часто называют этим обозначением, например , GRI 9960, обозначение цепи LORAN, обслуживающей северо-восток Соединенных Штатов . [ необходима цитата ]
Из-за природы гиперболических кривых, конкретная комбинация первичной и двух вторичных станций может привести к «сетке», где линии сетки пересекаются под небольшими углами. Для идеальной точности позиционирования желательно работать на навигационной сетке, где линии сетки ближе к прямым углам ( ортогональны ) друг к другу. По мере того, как приемник перемещается по цепи, определенный выбор вторичных элементов, чьи линии TD изначально образовывали почти ортогональную сетку, может стать сеткой, которая значительно перекошена. В результате выбор одного или обоих вторичных элементов должен быть изменен так, чтобы линии TD новой комбинации были ближе к прямым углам. [38] На практике почти все цепи обеспечивают по крайней мере три, а то и пять вторичных элементов. [39]
Где это возможно, обычные морские навигационные карты включают в себя видимые представления линий TD с регулярными интервалами над водными пространствами. Линии TD, представляющие заданную первичную-вторичную пару, напечатаны различными цветами, и отмечают определенную разницу во времени, указанную каждой линией. На морской карте обозначение каждой линии положения от приемника относительно оси и цвета можно найти в нижней части карты. Цвет на официальных картах для станций и временных линий положения не соответствует какому-либо конкретному соответствию для целей Международной гидрографической организации (МГО). Однако местные производители карт могут раскрашивать их в соответствии со своим стандартом. Всегда проверяйте примечания к карте, ссылку на карту администраций Chart1 и информацию, указанную на карте, для получения наиболее точной информации относительно обследований, данных и надежности.
При рассмотрении задержки и распространения сигнала в отношении LORAN-C необходимо учитывать три основных фактора :
В примечаниях к карте должно быть указано, были ли сделаны поправки ASF (например, карты Канадской гидрографической службы (CHS) включают их). В противном случае перед использованием необходимо получить соответствующие поправочные коэффициенты.
Из-за помех и проблем с распространением, вызванных особенностями рельефа и искусственными сооружениями, такими как высокие здания, точность сигнала LORAN может значительно ухудшиться во внутренних районах (см. Ограничения). В результате на морских картах не будут отображаться линии TD в этих районах, чтобы исключить зависимость от LORAN-C для навигации.
Традиционные приемники LORAN отображают разницу во времени между каждой парой первичной и одной из двух выбранных вторичных станций, которая затем используется для поиска соответствующей линии TD на карте. Современные приемники LORAN отображают координаты широты и долготы вместо разницы во времени, и с появлением сравнения разницы во времени и электроники обеспечивают повышенную точность и лучшее определение местоположения, позволяя наблюдателю легче наносить свое местоположение на навигационную карту. При использовании таких координат, датум , используемый приемником (обычно WGS84 ), должен соответствовать дате карты, или необходимо выполнить ручные вычисления преобразования, прежде чем координаты можно будет использовать.
Каждая станция LORAN оснащена набором специализированного оборудования для генерации точно синхронизированных сигналов, используемых для модуляции/управления передающим оборудованием. До трех коммерческих цезиевых атомных часов используются для генерации сигналов 5 МГц и импульсов в секунду (или 1 Гц), которые используются оборудованием синхронизации для генерации различных зависящих от GRI сигналов управления для передающего оборудования.
Хотя предполагается, что каждая станция LORAN, эксплуатируемая в США, должна быть синхронизирована с точностью до 100 нс относительно всемирного координированного времени (UTC), фактическая точность, достигнутая по состоянию на 1994 год, составляла 500 нс. [40]
Передатчики LORAN-C работают на пиковых мощностях 100–4000 киловатт, что сопоставимо с длинноволновыми вещательными станциями. Большинство используют мачтовые излучатели высотой 190–220 метров, изолированные от земли. Мачты индуктивно удлинены и питаются от нагрузочной катушки (см.: электрическая длина ). Хорошо известным примером станции, использующей такую антенну, является Rantum . Также используются отдельно стоящие башенные излучатели в этом диапазоне высот [ необходимо разъяснение ] . Carolina Beach использует отдельно стоящую антенную вышку. Некоторые передатчики LORAN-C с выходной мощностью 1000 кВт и выше использовали чрезвычайно высокие 412-метровые мачтовые излучатели (см. ниже). Другие высокомощные станции LORAN-C, такие как George , использовали четыре Т-образные антенны, установленные на четырех мачтах с оттяжками, расположенных в квадрате.
Все антенны LORAN-C разработаны для излучения всенаправленной диаграммы направленности. В отличие от длинноволновых вещательных станций, станции LORAN-C не могут использовать резервные антенны, поскольку точное положение антенны является частью навигационного расчета. Немного отличающееся физическое расположение резервной антенны приведет к появлению линий положения, отличных от линий положения основной антенны.
LORAN страдает от электронных эффектов погоды и ионосферных эффектов восхода и захода солнца. Самый точный сигнал — это земная волна , которая следует за поверхностью Земли, в идеале над морской водой. Ночью косвенная небесная волна , отогнутая обратно к поверхности ионосферой , является проблемой, поскольку несколько сигналов могут приходить по разным путям ( многолучевая интерференция ). Реакция ионосферы на восход и заход солнца объясняет особое возмущение в эти периоды. Геомагнитные бури имеют серьезные последствия, как и любая радиосистема.
LORAN использует наземные передатчики, которые покрывают только определенные регионы. Покрытие довольно хорошее в Северной Америке, Европе и Тихоокеанском регионе.
Абсолютная точность LORAN-C варьируется от 0,10 до 0,25 морских миль (от 185 до 463 м). Повторяемая точность намного выше, обычно от 60 до 300 футов (от 18 до 91 м). [41]
LORAN Data Channel (LDC) — это проект, реализуемый FAA и Береговой охраной США для отправки данных с низкой скоростью передачи данных с использованием системы LORAN. Сообщения, которые должны быть отправлены, включают идентификацию станции, абсолютное время и сообщения о коррекции положения. В 2001 году данные, аналогичные сообщениям коррекции GPS системы Wide Area Augmentation System (WAAS), были отправлены в рамках тестирования цепи LORAN на Аляске. По состоянию на ноябрь 2005 года тестовые сообщения с использованием LDC транслировались с нескольких станций LORAN в США. [42]
В последние годы LORAN-C использовался в Европе для отправки дифференциальных GPS и других сообщений, используя аналогичный метод передачи, известный как EUROFIX. [43]
Система, называемая SPS (Saudi Positioning System), похожая на EUROFIX, используется в Саудовской Аравии. [44] Дифференциальные поправки GPS и информация о целостности GPS добавляются к сигналу LORAN. Используется комбинированный приемник GPS/LORAN, и если фиксация GPS недоступна, он автоматически переключается на LORAN.
Поскольку системы LORAN обслуживаются и эксплуатируются правительствами, их дальнейшее существование зависит от государственной политики. С развитием других электронных навигационных систем, таких как спутниковые навигационные системы, финансирование существующих систем не всегда гарантировано.
Критики, призывающие к ликвидации системы, утверждают, что у системы LORAN слишком мало пользователей, она неэффективна с точки зрения затрат и что сигналы Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) превосходят сигналы LORAN. [ необходима цитата ] Сторонники продолжения и улучшения работы LORAN отмечают, что LORAN использует сильный сигнал, который трудно заглушить, и что LORAN является независимой, непохожей и дополнительной системой по отношению к другим формам электронной навигации, что помогает обеспечить доступность навигационных сигналов. [45] [46]
26 февраля 2009 года Управление по управлению и бюджету США опубликовало первый проект бюджета на 2010 финансовый год . [47] В этом документе система LORAN-C была определена как «устаревшая» и поддерживалось ее прекращение с предполагаемой экономией в размере 36 миллионов долларов в 2010 году и 190 миллионов долларов за пять лет.
21 апреля 2009 года Комитет Сената США по торговле, науке и транспорту и Комитет по внутренней безопасности и государственным делам опубликовали материалы к Резолюции о параллельном бюджете на 2010 финансовый год, в которых поддержали продолжение поддержки системы LORAN, признали уже сделанные инвестиции в модернизацию инфраструктуры и признали проведенные исследования и межведомственное заключение о том, что eLORAN является лучшей резервной копией GPS.
Сенатор Джей Рокфеллер , председатель Комитета по торговле, науке и транспорту, написал, что комитет признал приоритетным «поддержание LORAN-C при переходе к eLORAN» как средства усиления национальной безопасности, морской безопасности и задач Береговой охраны по защите окружающей среды.
Сенатор Коллинз, высокопоставленный член Комитета по внутренней безопасности и правительственным делам, написал, что предложение президента по обзору бюджета о прекращении работы системы LORAN-C не соответствует недавним инвестициям, признанным исследованиям и миссии Береговой охраны США. Комитет также признает инвестиции в размере 160 миллионов долларов, уже сделанные для модернизации системы LORAN-C для поддержки полного развертывания eLORAN.
Кроме того, комитеты также признают многочисленные исследования, оценивающие резервные системы GPS и пришедшие к выводу о необходимости резервного копирования GPS, а также определяющие eLORAN как наилучшую и наиболее жизнеспособную резервную систему. «Это предложение не соответствует недавно опубликованному (январь 2009 г.) Федеральному плану радионавигации (FRP), который был совместно подготовлен DHS и Министерством обороны (DOD) и Министерством транспорта (DOT). FRP предложил программу eLORAN в качестве резервной системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) для GPS (Глобальной системы позиционирования)».
7 мая 2009 года президент Барак Обама предложил сократить финансирование (приблизительно 35 миллионов долларов в год) LORAN, ссылаясь на его избыточность по сравнению с GPS. [48] В отношении находящегося на рассмотрении законопроекта Конгресса HR 2892 впоследствии было объявлено, что «Администрация поддерживает цель Комитета по достижению упорядоченного прекращения путем поэтапного вывода из эксплуатации, начиная с января 2010 года, и требование о предоставлении сертификатов, подтверждающих, что прекращение LORAN-C не нанесет ущерба безопасности на море или развитию возможных резервных возможностей GPS или потребностей в них». [49]
Также 7 мая 2009 года Главное контрольно-финансовое управление США (GAO), следственный орган Конгресса, опубликовало отчет, в котором указывается на вполне реальную возможность ухудшения работы или отказа системы GPS в связи с задержками программы, которые привели к переносу запланированных запусков спутников GPS на срок до трех лет. [50]
12 мая 2009 года был опубликован отчет Независимой оценочной группы (IAT) за март 2007 года по LORAN. В своем отчете ITA заявила, что она «единогласно рекомендует правительству США завершить обновление eLORAN и взять на себя обязательство использовать eLORAN в качестве национального резерва GPS на 20 лет». Публикация отчета последовала за обширной борьбой представителей отрасли против федерального правительства за Закон о свободе информации (FOIA). Первоначально завершенный 20 марта 2007 года и представленный исполнительным комитетам Министерства транспорта и Министерства внутренней безопасности (DHS), спонсирующим эту инициативу, отчет тщательно рассматривал существующие навигационные системы, включая GPS. Единогласная рекомендация по сохранению системы LORAN и обновлению до eLORAN основывалась на заключении группы о том, что LORAN работоспособен, развернут и достаточно точен, чтобы дополнять GPS. Группа также пришла к выводу, что стоимость вывода из эксплуатации системы LORAN превысит стоимость развертывания eLORAN, что сведет на нет любые заявленные сбережения, предлагаемые администрацией Обамы, и раскроет уязвимость США к сбоям в работе GPS. [51]
В ноябре 2009 года Береговая охрана США объявила, что станции LORAN-C, находящиеся под ее контролем, будут закрыты по бюджетным причинам после 4 января 2010 года, при условии, что секретарь Министерства внутренней безопасности подтвердит, что LORAN не нужен в качестве резервной системы для GPS. [52]
7 января 2010 года Министерство внутренней безопасности опубликовало уведомление о постоянном прекращении работы LORAN-C. Начиная с 20:00 UTC 8 февраля 2010 года Береговая охрана США прекратила всю работу и трансляцию сигналов LORAN-C в Соединенных Штатах. Передача Береговой охраной США российско-американского сигнала CHAYKA была прекращена 1 августа 2010 года. Передача канадских сигналов LORAN-C была прекращена 3 августа 2010 года. [53]
С потенциальной уязвимостью систем GNSS [54] и их собственными ограничениями распространения и приема, появился новый интерес к приложениям и разработкам LORAN. [54] Улучшенный LORAN, также известный как eLORAN или E-LORAN , включает в себя усовершенствование конструкции приемника и характеристик передачи, которые повышают точность и полезность традиционного LORAN. С заявленной точностью до ± 8 метров [55] система становится конкурентоспособной с неулучшенным GPS. eLORAN также включает в себя дополнительные импульсы, которые могут передавать вспомогательные данные, такие как дифференциальные поправки GPS (DGPS), а также обеспечивать целостность данных от спуфинга. [56] [57]
Приемники eLORAN используют прием "все в поле зрения", включая сигналы со всех станций в диапазоне, а не только с одного GRI, включая сигналы времени и другие данные с сорока станций. Эти усовершенствования в LORAN делают его адекватной заменой для сценариев, где GPS недоступен или деградировал. [58]
В 2017 году Ассоциация морского судоходства США сообщила, что Береговая охрана США сообщила о нескольких случаях помех GPS в Черном море . [59] [60] Южная Корея заявила, что Северная Корея заглушила GPS вблизи границы, мешая самолетам и кораблям. К 2018 году Соединенные Штаты планировали построить новую систему eLoran в качестве дополнения и резервной копии системы GPS. Правительство Южной Кореи выдвинуло планы по запуску трех активных маяков eLoran к 2019 году, чего было бы достаточно для предоставления точных поправок для всех поставок в регионе, если Северная Корея (или кто-либо другой) снова попытается заблокировать GPS. [61] [62] [63] По состоянию на ноябрь 2021 года ни одна система eLoran не была развернута. [64]
31 мая 2007 года Министерство транспорта Великобритании (DfT) через генеральные маячные власти заключило 15-летний контракт на предоставление современной усовершенствованной службы LORAN (eLORAN) для повышения безопасности моряков в Великобритании и Западной Европе. Контракт на обслуживание должен был работать в два этапа: с разработкой и дальнейшим фокусом на Европейское соглашение о предоставлении услуг eLORAN с 2007 по 2010 год и полной эксплуатацией службы eLORAN с 2010 по 2022 год. Первый передатчик eLORAN был расположен на радиостанции Anthorn в Камбрии, Великобритания, и эксплуатировался компанией Babcock International (ранее Babcock Communications). [65]
Правительство Великобритании одобрило строительство семи дифференциальных станций позиционирования судов eLoran вдоль южного и восточного побережья Великобритании, чтобы помочь противостоять угрозе глушения глобальных систем позиционирования. Они должны были достичь начальной эксплуатационной готовности к лету 2014 года. [66] Главные маячные власти Великобритании и Ирландии объявили 31 октября 2014 года о начальной эксплуатационной готовности британской морской системы eLoran. Семь дифференциальных опорных станций предоставляли дополнительную информацию о местоположении, навигации и времени (PNT) с помощью низкочастотных импульсов судам, оснащенным приемниками eLoran. Услуга должна была помочь им обеспечить безопасную навигацию в случае отказа GPS в одном из самых загруженных регионов судоходства в мире, с ожидаемым ежегодным трафиком в 200 000 судов к 2020 году. [67]
Несмотря на эти планы, в свете решения Франции и Норвегии прекратить передачи Loran 31 декабря 2015 года, Великобритания объявила в начале того же месяца, что ее служба eLoran будет прекращена в тот же день. [68] Однако для обеспечения дальнейших исследований и разработки PNT сигнал синхронизации eLoran по-прежнему активен с правительственного объекта в Анторне . [69]
Список передатчиков LORAN-C. Жирным шрифтом выделены станции с антенной вышкой выше 300 метров (984 фута).
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )