Loran C

Tirdzniecības kuģa Loran C uztvērējs

Loran C ir akronīms no angļu valodas vārdiem long range navigation (tāla darbības rādiusa navigācija). Tā bija elektroniska sistēma ar uz Zemes izvietotiem raidītājiem, kuri pārraidīja zemas frekvences impulsus ar kuru palīdzību kuģi un lidaparāti varēja noteikt savu atrašanās vietu. Sistēma, kura izmantotu šādu principu, tika pirmo reizi piedāvāta 1930. gados un izmantota kā Apvienotās Karalistes Gee sistēma Otrā pasaules kara sākumā. Gee sistēma izmantoja vadošos un vadāmos raidītājus, kuri tika izvietoti apmēram 100 jūdžu attālumā un lietoja frekvences no 30 līdz 80 MHz. Ultraīsviļņu izmantošana ierobežoja sistēmas izmantošanu tikai tiešas redzamības attālumos, bet tas nebija būtisks trūkums, jo sistēmu izmantoja bumbvedēju navigācijā bombardējot Vāciju.

Sistēmu attīstīja Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts un jau 1943. gadā ASV Krasta apsardze sāka izmantot raidītāju ķēdi. Šo sistēmu vēlāk pārdēvēja par Loran A. Sistēma darbojās frekvenču diapazonā no 1850 līdz 1950 kHz ar attālumu starp vadošo un vadāmajām stacijām līdz pat 600 jūras jūdzēm. Loran A izmantoja virsmas viļņus attālumā no 600 līdz 900 jūras jūdzēm no krasta dienas laikā un debesu viļņus attālumā no 1250 līdz 1500 jūras jūdzēm no krasta nakts laikā. Sistēmas precizitāte bija apmēram 1 jūras jūdze, izmantojot virsmas viļņus, un 6 jūras jūdzes, izmantojot debesu viļņus. Loran A uztvērējs darbojās izmērot laika starpību ar kādu tika uztverti signāli no ķēdes vadošās un vadāmās stacijas. Katra laika starpība starp vadošās un vadāmās stacijas pārraidi deva vienu pozīciju līniju. Atrašanās vietu varēja noteikt krustojoties divām pozīciju līnijām izmantojot divus piemērotus vadošās un vadāmo staciju pārus. Katrā staciju ķēdē vadāmās stacijas pārraide bija aizkavēta laikā attiecībā pret vadošo staciju. Šādu aizkavējumu sauca par kodēšanas kavējumu (coding delay — angļu val.) un tā lielums bija tāds, lai ķēdes uztveršanas rajonā vadošās stacijas impulsu vienmēr uztvertu pirms vadāmās stacijas impulsa.

1980. gadā ASV Loran A nomainīja Loran C. Sistēmu Loran A turpināja izmantot citās pasaules daļās, līdz arī tur to nomainīja Loran C. Pēdējās Loran A ķēdes bija izvietotas Ķīnas piekrastē. Loran C sistēma attīstījās no Loran A un tās darbības pamatprincipi ir tādi paši.

Darbības princips

Divi raidītāji, kuri izstaro impulsu grupas vienlaicīgi, un pozīciju līnijas ar impulsu grupu uztveršanas laiku starpībām.

Hiperbolas, kuras veido divi staciju pāri: M-X un M-Y.

Pieņemot, ka radioviļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir 300 000 000 m/s, impulsa noieto attālumu var izteikt ar laiku, kāds nepieciešams dotās distances veikšanai:

$d={v\cdot t}$,

kur d — attālums, v — radioviļņu ātrums, t — laika periods, kāds nepieciešams impulsam, lai veiktu doto distanci.

Loran pozīciju līnijas

Ja divi raidītāji vienlaicīgi pārraida vienu un to pašu impulsu grupu, tad uztvērējs, kurš atrodas uz bāzes līnijas starp abiem raidītājiem un vienādā attālumā no abiem, uztvers abas impulsu grupas vienlaicīgi. Turpretī, ja šis uztvērējs atradīsies tuvāk vienam no raidītājiem, tad tas uztvers šī raidītāja impulsu grupu ātrāk par otra raidītāja impulsu grupu. Pie tam būs arī citi punkti, ne tikai uz bāzes līnijas, kuros abu signālu uztveršanas laika starpība būs tāda pati. Ja savieno visus punktus, kuros signālu uztveršanas laika starpība ir vienāda — iegūst pozīciju līniju.

Iegūtajai pozīciju līnijai ir hiperbolas forma ar abiem raidītājiem tās fokusos. Šī iemesla dēļ Loran un citas līdzīgas sistēmas dēvē arī par hiperboliskajām navigācijas sistēmām. Ir iespējams novilkt arī citas pozīciju līnijas, kurās impulsu grupu uztveršanas laika starpība būs cita.

Centrālā līnija ir bāzes līnijai perpendikulāra līnija, kura novilkta caur bāzes līnijas viduspunktu un kurā impulsu grupas no abiem raidītājiem pienāk vienlaicīgi — tas ir uztveršanas laika starpība ir nulle. Visas pozīciju līnijas ir simetriski novietotas abās pusēs centrālajai līnijai. Pie tam abās pusēs būs pa pozīciju līnijai ar vienādu impulsu grupu uztveršanas laika starpību. Atšķirība ir tikai tajā, no kura raidītāja pienāks pirmā impulsu grupa. Ja vienīgā ar uztvērēju iegūstamā informācija ir laika starpība, var rasties nenoteiktības kļūda. Lai to likvidētu, var likt vienam no raidītājiem uzsākt raidīt savu impulsu grupu tikai tad, kad līdz tam nonāk impulsu grupa no pirmā raidītāja. Tad pozīciju līniju izvietojums nemainās, bet katrai no tām ir sava, unikāla laika starpība.

Šādā gadījumā vienu no stacijām, kura pārraida pirmā, sauc par vadošo, bet otru par vadāmo staciju. Lai arī šādā veidā var likvidēt nenoteiktības kļūdu, tiek radīta cita problēma. Rajonā ap bāzes līnijas pagarinājumu aiz vadāmās stacijas abu impulsu grupu uztveršanas laika starpība ir mazāka par atsevišķa impulsa ilgumu. Bet uz paša bāzes līnijas pagarinājuma impulsu grupu uztveršanas laika starpība būs nulle. Tādējādi šajos rajonos nebūs iespējams uztvert impulsu grupas atsevišķi un nebūs arī iespējams izmērīt uztveršanas laika starpību.

Lai atrisinātu šo problēmu, vadāmās stacijas pārraide notiek nevis uzreiz, saņemot signālu no vadošās stacijas, bet ar zināmu nokavējumu, kuru sauc par kodēšanas kavējumu (coding delay — angļu val.). Kopējais laiks no vadošās stacijas pārraides sākuma līdz vadāmās stacijas pārraides sākumam tiek saukts par pārraides kavējumu (emission delay — angļu val.) un tas ir vienāds ar laika, kāds nepieciešams, lai radio signāls atnāktu līdz vadāmajai stacijai un kodēšanas kavējuma summu.

Atkal nav divu pozīciju līniju ar vienādu laiku starpību, tādējādi novēršot nenoteiktības kļūdu, un kodēšanas kavējums nodrošina to, ka nav tādu rajonu, kuros nebūtu iespējams uztvert divus atšķirīgus impulsus.

Pozīciju līnijas tiek uzdrukātas uz jūras kartēm un pie katras pozīciju līnijas ir norādīta tai atbilstošā uztveršanas laiku starpība mikrosekundēs. Tādējādi uz kuģa, izmantojot uztvērēju, kurš var izmērīt laika nobīdi uztvertajos impulsos no vadošās un vadāmajām stacijām, ir iespējams iegūt kuģa atrašanās vietas pozīciju līniju vai, interpolējot starp uz kartes esošajām, uznest uz tās pozīciju līniju ar starpvērtību. Savukārt, lai noteiktu kuģa pozīciju, ir jānosaka kuģa atrašanās vietas otra pozīciju līnija, kura krusto pirmo. Šo pozīciju līniju iegūst izmantojot citu raidītāju pāri — tas ir vadošo staciju, kura ir tā pati visiem pāriem, un dažādas vadāmās stacijas.

Loran C sistēmas pamati

Loran C sistēma parasti sastāvēja no ķēdītēm, kurās bija no trijām līdz piecām krasta stacijām, lai gan vienā no ķēdītēm bija sešas stacijas. Viena no stacijām vienmēr tiek nozīmēta kā vadošā (M), kamēr pārējās ir vadāmās (W, X, Y un Z).

Visi raidītāji ir sinhronizēti tā, lai pārraides no vadāmajām stacijām sekotu ar precīzu laika intervālu pēc vadošās stacijas pārraides sākuma. Loran C raidītāju jauda ir no dažiem kW līdz vairākiem simtiem kW un to jauda ietekmē izmantojamu signālu uztveršanas attālumu, un attiecīgi arī ķēdītes pārklājumu.

Loran C izmanto 100 kHz frekvenci un katra impulsa ilgums ir 250 μs. Impulsu grupu uztveršanas laika starpību mēra no vadošās (M) stacijas impulsu grupas pirmā impulsa līdz attiecīgās vadāmās stacijas impulsu grupas pirmajam impulsam. Pie tam laika starpību mēra nevis no impulsu sākuma, kā tas bija Loran A sistēmā, bet no impulsu sinusoidālā signāla trešā perioda sākuma. Ja signāla frekvence ir 100 kHz, tad tā periods ir 10 μs un punkts, no kura uzsāk (vadošās stacijas) un kurā pabeidz (vadāmās stacijas) laika starpības mērīšanu, atrodas 30 μs attālumā no impulsa sākuma.

Impulsu grupu atkārtošanās intervāls

Loran C pārraidītā impulsa forma. TDX, TDY un TDZ ir uztveršanas laiku starpības starp vadošo staciju un vadāmajām stacijām X, Y un Z.

Loran C stacija darbojās ar noteiktu grupu atkārtošanās intervālu (group repetition interval (GRI) — angļu val.), kurš ir 10 μs reizinājums no 40 000 μs līdz 99 990 μs. Mikrosekundēs izteikta grupu atkārtošanās intervāla dalījumu ar desmit izmanto, lai apzīmētu konkrētu Loran C staciju ķēdīti un to sauc par ķēdītes ātrumu (rate — angļu val.). Jebkura raidītāja grupu atkārtošanās intervālu definē kā laika intervālu starp citas citai sekojošām impulsu grupām, mērītu no grupas pirmā impulsa sinusoidālā signāla trešā perioda sākuma līdz tās pašas stacijas nākamās impulsu grupas pirmā impulsa sinusoidālā signāla trešā perioda sākumam.

Vadāmo staciju impulsu grupas vienas ķēdītes ietvaros tiek pārraidītas ar vienu un to pašu GRI, kāds ir vadošajai stacijai, un to pārraides ir laikā saistītas ar pārraidēm no vadošās stacijas.

Loran C impulsu pārraide

Loran A sistēmā vadošā un vadāmā stacija pārraidīja pa vienam impulsam. Uztvērējā abu impulsu pienākšanas laikus fiksēja un aprēķināja laika starpību. Savukārt Loran C raidītāji, gan vadošās, gan vadāmās stacijas, pārraida impulsu grupas. Tipiska Loran C ķēdītes pārraides secība redzama attēlā.

Vadošais raidītājs pārraida deviņu impulsu grupu, bet vadāmie raidītāji tikai astoņu impulsu grupu.

Izvairīšanās no debess viļņu uztveršanas

Par debess viļņiem sauc tādus radioviļņus, kurus atstaro jonosfēra un tie atgriežas atpakaļ uz Zemes. Parasti, augstas precizitātes pozīcijas noteikšanai, Loran C izmantoja virsmas viļņus, kuri seko Zemes izliekumam. Debess viļņi uztvērējā vienmēr nonāk vēlāk par virsmas viļņiem, lai arī šī viļņu uztveršanas starpība kļūst mazāka palielinoties distancei no raidītāja. Tomēr uztveršanas starpība nekad nav mazāka par 30 μs visā Loran C pārklājuma rajonā. Tātad, ja tiek izmantotas tikai impulsa pirmās 30 μs, debess viļņa radīts piesārņojums nav iespējams.

Distancēs, lielākās par 1 000 jūras jūdzēm, virsmas viļņus to vājināšanās dēļ nav iespējams izmantot. Tālāk par šo distanci tiek izmantoti debess viļņi, taču tie nedod tik augstu precizitāti un iegūto rezultātu jākorektē, jo debess viļņi veic lielāku distanci par virsmas viļņiem.

Fāžu nobīde

Loran A sistēmā laika starpību starp vadošo un vadāmo staciju signāliem mērīja starp attiecīgo impulsu sākumiem. Tāpat rīkojās arī Loran C sistēmā, tikai tur šādi noteica rupjo laika starpību. Precīzās laika starpības noteikšanai izmantoja fāžu nobīdes izmērīšanu starp vadošās un vadāmās stacijas impulsu radioviļņiem. Uztvērējā ir izvietots spara rata oscilators (flywheel oscillator — angļu val.), kuru iesvārsta vadošās stacijas 100 kHz impulsi. Spara rata oscilators pārņem vadošās stacijas frekvenci un fāzi, kā arī to regulāri atjauno. Tādā veidā uztvērējā vienmēr ir pieejama vadošās stacijas frekvence un fāze.

Fāžu starpību starp spara rata oscilatoru un uztverto vadāmās stacijas signālu var noteikt ar precizitāti līdz 0,1 μs. 100 kHz signāla periods ir 10 μs, bet fāžu starpību var izmērīt ar precizitāti līdz 1/100 no signāla perioda.

Izmērot laika starpību starp impulsu sākumiem tiek iegūti mikrosekunžu tūkstošu desmiti, tūkstoši, simti un desmiti ar precizitāti ±4 μs, bet ar fāžu starpības izmērīšanu tiek iegūti mikrosekunžu vieni un to desmitdaļas.

Viena no metodēm kā izmērīt laika starpību starp impulsu sākumiem ir salīdzināt vadāmās stacijas impulsus ar impulsiem no spara rata oscilatora, kuri pirms tam tiek laisti cauri mainīgas laika nobīdes ķēdei. Nobīdes ķēde ir nepieciešama, jo vadošās stacijas impulsi vienmēr tiks uztverti pirms vadāmās stacijas impulsiem (vadāmās stacijas uzsāk pārraidi tikai uztverot vadošās stacijas impulsu un pēc kodēšanas kavējuma beigām). Ja impulsu laiki nesakrīt, rodas kļūdas spriegums, kuru izmanto laika nobīdes iestatīšanai tā, lai divu impulsu sākumi sakristu. Kad tas ir noticis, kļūdas spriegums ir nulle. Laika nobīdes lielums sakrīt ar laika starpību starp vadošās un vadāmās stacijas impulsiem un izteikts mikrosekundēs dos rupjo laika starpību.

Impulss ar minimumiem.

Fāžu nobīdi mēra vispirms nobīdot uztverto vadāmās stacijas impulsa radiovilni laikā par 180°. Pēc tam to pastiprina par noteiktu lielumu un algebriski pieskaita oriģinālajam spara rata oscilatorā saglabātajam vadošās stacijas vilnim. Rezultātā tiek iegūts impulss ar skaidri noteiktu minimumu, kurš atrodas pirms punkta, kurā mērījumus var traucēt debess viļņa uztveršana. Tā kā uztvertais vadāmās stacijas impulss ir nobīdīts fāzē par kaut kādu lielumu attiecībā pret spara rata oscilatorā saglabāto vilni, tad summārā, iegūtā impulsa sākumam būs kaut kāds stiprums (oriģinālā spara rata oscilatora viļņa amplitūda ir lielāka par uztvertā viļņa amplitūdu). Tad seko minimums, jo uztvertā, par 180° nobīdītā un pastiprinātā viļņa amplitūdas sasniedz spara rata oscilatora viļņa amplitūdas (tās ir pretējas un summā dod nulli). Pēc tam summārā, iegūtā impulsa stiprums atkal pieaug (oriģinālā spara rata oscilatora viļņa amplitūdas ir mazākas par uztvertā un pastiprinātā viļņa amplitūdām).

Fāžu nobīdi izmēra ar tādu pašu metodi kā mēra laika starpību starp dažādu impulsu sākumiem. Tikai šoreiz laika starpība tiek mērīta no impulsa sākuma līdz tā minimumam. Minimuma atrašanās vieta no impulsa sākuma ir tieši saistīta ar fāžu starpību starp vadošās un vadāmās stacijas viļņiem.

Parasti laika starpības mērīja starp impulsu sinusoidālo signālu trešo periodu sākumiem. Taču Loran C uztvērēju varēja pārslēgt arī, lai tas mērītu laika starpības starp impulsu sinusoidālo signālu septīto periodu sākumiem. Tā kā septītā perioda amplitūda ir lielāka par trešā perioda amplitūdu, tad sistēmas darbības attālumu bija iespējams palielināt par apmēram 500 jūras jūdzēm. Tomēr šādā gadījumā varēja rasties traucējumi no debess viļņa uztveršanas.

Loran C kartes

Jūras navigācijas kartes Ņujorkas ostai fragments ar Loran A pozīciju līnijām

Par Loran C kartēm sauc jūras navigācijas kartes uz kurām uznestas Loran C pozīciju līnijas. Uz katras kartes ir attēlotas vairāku staciju pāru, ar vienu grupu atkārtošanās intervālu, pozīciju līnijas. Tās apzīmē ar grupu atkārtošanās intervālu un attiecīgajai vadāmajai stacijai piešķirto burtu.

Visas pozīciju līnijas uz kartes neuznes. Bieži tās uznes ar intervālu ik pēc 10 μs. Ja jāatliek cita laika starpība — jāinterpolē. Katra staciju pāra pozīciju līnijas ir savā krāsā. Tajā pašā krāsā ir attēloti arī staciju pāra apzīmējumi.

Pozīciju atlikšana

Ja konkrētajā vietā bija pieejamas vairāk par vienu Loran C ķēdīti, tad bieži izvēlējās to, kuras pārklājums ietvēra visu paredzamo reisu, lai uztvērējs nebūtu jāpārslēdz uz citu ķēdīti.

Pēc tam, kad tika izvēlēta ķēdīte, izvēlējās vadāmās stacijas. Vadošās un vadāmo staciju pārus centās izvēlēties tā, lai uz kartes attiecīgo pāru pozīciju līnijas būtu izvietotas pēc iespējas tuvāk viena otrai. Tāpat lielāku precizitāti varēja iegūt, ja dažādu pāru pozīciju līnijas krustojās 90° tuvā leņķī.

Rajonu ap bāzes līnijas pagarinājumu kuģa vietas noteikšanā centās neizmantot. Ja uz kartes nebija attēlota pozīciju līnija ar nepieciešamo laika starpību — interpolēja starp divām blakus esošām līnijām. Jaunākie Loran C uztvērēji paši spēja pārrēķināt laika starpības starp vadošo un vadāmajām stacijām ģeogrāfiskajās koordinātās.

eLoran

Par eLoran sauc ierosinātu uz Loran C bāzes būvētu uzlabotu (enhanced — angļu val.) Loran sistēmu. Tiek ieteikts papildināt Loran C staciju signālus ar datu paketi, kura saturētu pozīcijas korekcijas konkrētām ģeogrāfiskām koordinātām. Tādā veidā tiktu izveidota precīza sistēma, kas pēc savas darbības līdzinātos esošajām pavadoņu navigācijas sistēmu papildinformācijas nodrošināšanas sistēmām (Satellite Based Augmentation System (SBAS) — angļu val.). Pazīstamākās pavadoņu navigācijas sistēmu papildinformācijas nodrošināšanas sistēmas ir Amerikas Savienoto Valstu WAAS un Eiropas Savienības EGNOS. eLoran gadījumā gan pozīcijas noteikšanai, gan papildinformācijas pārraidīšanai nebūtu vajadzīgi Zemes mākslīgie pavadoņi.

Loran C sistēma tika izslēgta 2015. gada beigās. Arī eLoran sistēma netika ieviesta.

Ārējās saites

• Džerijs Proks (Jerry Proc — angļu val.), VE3FAB: Hiperboliskās radionavigācijas sistēmas:
  • Loran-C ieviešana (angliski)
• Structurae lapa par Loran C raidītāja antenas mastu Rantumā