Radiopeilēklis

Radiopeilēklis ir iekārta, ar kuru atrod virzienu jeb peilējumu uz radioviļņu avotu. Virziena mērīšanu sauc par radiopeilēšanu vai dažreiz vienkārši par peilēšanu. Izmantojot divus vai vairākus zināmu raidītāju mērījumus, var tikt atrasta kuģa vieta. Radiopeilēklis bija plaši izmantots kuģu radionavigācijas līdzeklis. Mūsdienās visas jūrniecībā izmantotās radiobākas ir izslēgtas.

Radiopeilēklis.

Jūras navigācijas radiobākas izmantoja garos viļņus, jo tie izplatījās lielās distancēs aiz horizonta, kamēr kuģu horizonta redzamības attālums var sastādīt tikai dažus desmitus kilometru.

Radiopeilēkļiem var izdalīt vairākas atšķirīgas paaudzes, kuras sekoja elektronikas attīstībai. Pirmās sistēmas izmantoja mehāniski grozāmas antenas, kuras salīdzināja signāla stiprumu dažādos virzienos. Pēc tam sekoja vairākas tādas pašas koncepcijas elektroniskās versijas. Modernākās sistēmās izmanto fāžu nobīdes vai Doplera efekta mērījumus, kurus parasti ir vieglāk automatizēt. Modernie pseidodoplera radiopeilēkļi sastāv no vairākām, mazām antenām, kuras novietotas uz apaļas plāksnes virsmas. Visu datu apstrādi veic ar programmatūru. Modernos jūras radiopeilēkļus izmanto, lai atrastu virzienu uz, piemēram, nelaimē esoša kuģa radiostacijas raidītāju meklēšanas un glābšanas operācijas laikā.

Pirmos Apvienotās Karalistes radarus arī dēvēja par radiopeilēkļiem, kas tika darīts maldināšanas nolūkos. Tomēr terminoloģija nebija nepareiza. Chain Home sistēma izmantoja atsevišķus, visos virzienos vienādi izstarojošus, raidītājus un lielus uztverošos radiopeilēkļus, lai noteiktu virzienu uz mērķiem.

Grozāma rāmja antena

Pirmie radiopeilēkļi bija apgādāti ar grozāmu rāmja antenu. Antena sastāvēja no vadiem, kas veido četrstūra vai riņķveida antenu - rāmi. Rāmis bija iekārtots tā, ka to varēja grozīt ap vertikālo asi, kas perpendikulāra horizonta plaknei. Rāmja grozīšana radīja zināmas tehniskas neērtības, jo antena bija jānovieto pēc iespējas augstāk.

Par virziena diagrammu sauc līkni, kas parāda antenā uztvertā elektrodzinējspēka (EDS) stipruma izmaiņu sakarā ar leņķa izmaiņu starp virzienu uz strādājošu radiobāku un radiopeilēkļa uztverošās antenas rāmja plakni.

Ja rāmja antenu novietoja radiobākas darbības rajonā tā, ka bāka bija uz rāmja antenas plaknei perpendikulāras līnijas, kas gāja caur rāmja antenas plaknes viduspunktu, tad no radiobākas izstarotie elektromagnētiskie viļņi rāmja augšējā un apakšējā malā neradīja nekādu EDS, bet sānu malās radīja EDS. Abi inducētie EDS pēc virziena telpā bija vienādi vērsti uz augšu vai leju, bet tā kā antenas abas sānu malas bija saslēgtas virknē, inducētie EDS dzēsa (kompensēja) viens otru. Lai radiopeilēklis strādātu un tajā būtu dzirdama radiobākas darbība, bija nepieciešams, lai starp abiem rāmja sānu malās inducētajiem EDS būtu zināma starpība. No šīs starpības vai tā sauktā rezultējošā EDS lieluma bija atkarīgs peilierīces uztvērēja skaļruņa skaņas stiprums. Abu sānu malu attālumi no radiobākas bija vienādi un inducēto EDS virzieni un lielumi bija vienādi arī tad, ja radiobāka bija simetriski pretējā pusē, vai arī antena pagriezta par 180°. Gadījumos, kad radiobāka atradās uz rāmja antenas plaknei perpendikulāras līnijas, kas gāja caur rāmja antenas plaknes viduspunktu, peilierīces uztvērējā bija klusums.

Rāmja antenas virziena diagramma. Skats no augšas. Attēlā redzamā vertikālā līnija iet caur rāmja antenas plaknes viduspunktu un ir tai perpendikulāra. Horizontālā līnija sakrīt ar antenas rāmja plakni. Skaitļi apzīmē antenas pastiprinājumu decibelos.

Ja peilierīces antenas plakne bija pagriezta tādā stāvoklī, ka leņķis starp rāmja antenas plakni un līniju no rāmja antenas plaknes viduspunkta uz radiobāku veidoja kaut kādu leņķi, viena no rāmja antenas malām izrādījās tuvāk radiobākai. Šādā stāvoklī radiobākas izstarotie elektromagnētiskie viļņi vispirms sasniedza tuvāko malu un pēc kāda momenta tālāko malu. Sakarā ar to vispirms EDS inducējās tuvākajā malā un pēc tam tālākajā. Jebkurā laika momentā starp abiem EDS bija zināma starpība, kas kā rezultējošais EDS plūda uztvērējā un radīja tajā noteikta stipruma skaņu, radiobākas darbība bija dzirdama kuģa peilierīces uztvērējā.

Pagriežot tālāk antenas rāmi, līdz tā plakne sakrita ar virzienu uz radiobāku, EDS starpība rāmja antenas sānu malās bija maksimālā, jo starpība starp abu sānu malu attālumiem līdz radiobākai arī bija maksimālā. Šādā stāvoklī peilierīces uztvērējā ieplūdušais rezultējošais EDS bija vislielākais un radiobākas signāli bija dzirdami visskaļāk. Maksimālā dzirdamība bija arī tad, kad peilierīces antena bija pagriezta par 180° un rāmja sānu otra mala bija vistuvāk, bet pirmā mala bija vistālāk no radiobākas.

Pie vienas un tās pašas radiobākas darba jaudas un attāluma skaņas stiprums kuģa peilierīces uztvērējā bija atkarīgs no rāmja antenas plaknes stāvokļa pret virzienu uz peilējamo radiobāku.

Rezultējošā EDS stiprumu EDS_r, kāds plūda kuģa peilierīces uztvērējā aprēķināja ar formulu:

$EDS_{r}=EDS_{max}\cdot cosQ$,

kur EDS_r - rezultējošais EDS, EDS_max - maksimālais EDS, Q - leņķis starp rāmja antenas plakni un virzienu no rāmja antenas plaknes viduspunkta uz radiobāku.

Skaņas nebija, ja EDS_r = 0, tas ir kad Q = 90° un 270°, jo cos 90° un cos 270° = 0. Skaņa bija maksimālā, ja EDS_r bija vislielākais, tas ir kad Q = 0° un 180°, jo cos 0° un cos 180° = ± EDS_max. Visos pārējos peilierīces rāmja antenas plaknes stāvokļos skaņa bija robežās no 0 līdz maksimumam, t. i., no klusuma līdz maksimālai skaņai.

Rāmja antenas virziena diagramma līdzīga ciparam 8. Diagramma rāda, ka rāmja antenas pilnā apgriezienā no 0° līdz 360° rezultējošais EDS divas reizes vienlīdzīgs nullei un divas reizes ir ar maksimālo vērtību, tātad ir divi skaņas maksimumi un divi minimumi.

Lai noteiktu virzienu uz strādājošu radiobāku, bija jāgriež kuģa peilierīces rāmja antena uz vienu vai otru pusi un jānoķer moments, kad ir visstiprākā skaņa vai kad tās nemaz nav.

No diagrammas redzams, ka tad, kad ir visstiprākā skaņa, leņķim Q mainoties ievērojamās robežās, EDS_r izmainās maz, tātad arī skaņas stiprums izmainās maz. Lai konstatētu skaņas izmaiņu pēc maksimuma, bija nepieciešams rāmi griezt uz vienu vai otru pusi par 15 - 20°, kas deva ievērojamu kļūdu peilējumā.

Nosakot virzienu pēc minimuma, pat pie nelielas leņķa Q izmaiņas no 90° uz vienu vai otru pusi strauji palielinājās rezultējošais EDS, tātad arī skaņa.

Ja pagrieza peilierīces rāmi no nulles stāvokļa uz vienu vai otru pusi pat par dažām grādu desmitdaļām, skaņa jau bija pietiekoši labi sadzirdama. Tādēļ virzienu uz strādājošo radiobāku noteica tikai pēc skaņas minimuma. Peilēkļa indeksa svītra atbilda skaņas minimuma stāvoklim.

Griežot antenas rāmi no 0° līdz 360° uz vienu vai otru pusi, minimumu ieguva divas reizes, pie tam attiecībā pret kuģi pretējos virzienos, kas atšķīrās par 180°. Tas nozīmē, ka ar rāmja antenu varēja dabūt līniju, uz kuras atradās kuģis un radiobāka, bet tā nenorādīja, kurā pusē attiecībā pret kuģi atradās radiobāka.

Negrozāma rāmja antena

Karaliskās jūras kara flotes goniometrs. Redzamas divas magnētiskā lauka spoles un meklētāja spole.

Grozāmas rāmja antenas uzstādīšana uz kuģa bija saistīta ar zināmām tehniskām grūtībām, kuras palielinājās arī tādēļ, ka antena bija jāuzstāda pēc iespējas augstāk, tālāk nost no kuģa metāla masas, jo tā iespaidoja peilējumu precizitāti.

Iepriekš minēto apstākļu dēļ peilierīces grozāmās rāmja antenas vietā ieviesa negrozāmu rāmja antenu ar tā saucamo goniometru.

Negrozāmā antena, kādu to pielietoja uz kuģiem, sastāvēja no diviem pilnīgi vienādiem, savstarpēji perpendikulāriem riņķveida rāmjiem. Šādu antenu varēja novietot kā virs kuģa klāja virsbūvēm, tā arī mastā, bet goniometrs un pārējie peilierīces piederumi atradās radiomājā. Goniometrs sastāvēja no trim daudztinumu indukcijas spolēm. Divas no tām bija nekustīgas, tā sauktās magnētiskā lauka spoles. Šīs spoles novietotas tā, ka viena aptver otru, pie tam to plaknes savstarpēji perpendikulāras. Katras spoles vadu tinumi savienoti ar savu antenas rāmi. Trešā jeb tā sauktā meklētāja spole bija novietota uz vertikālas ass divu iepriekšējo spoļu centrā. Šī spole bija grozāma ap vertikālo asi. Tās tinuma vadi bija savienoti ar uztvērēju, uz kuru peilēšanas momentā plūda rezultējošais EDS, kas inducējies meklētāja spolē no magnētiskā lauka, ko radīja divas nekustīgās spoles ar antenas rāmjos inducēto EDS. Peilēšanas laikā grozīja meklētāja spoli ar asi un indeksa svītru uz vienu vai otru pusi. Kad konstatēja skaņas minimumu, pret indeksa svītru uz nekustīgā limba nolasīja peilējumu. Limba līnija 0° - 180° sakrita vai bija paralēla kuģa diametrālajai plaknei. Kursa leņķa skaitīšanas veids bija no 0° - 360° caur kuģa labo bortu.

Negrozāmo antenu novietoja kuģa diametrālajā plaknē tā, lai viens rāmja riņķis sakristu ar kuģa diametrālo plakni, bet otrs būtu kuģa šķērsplaknē. Vienai no goniometra nekustīgo spoļu plaknēm bija jābūt kuģa diametrālajā plaknē vai paralēli tai, bet otrai - perpendikulāri kuģa diametrālajai plaknei. Tādā veidā antenas rāmju un nekustīgo spoļu plaknes pa pāriem savstarpēji paralēlas.

Negrozāma rāmja un vertikālā antena

Kardioīdas veidošanās kā rāmja un stieņa antenu virzienu diagrammu summa.

Negrozāmā antena un goniometra iekārta arī nedeva iespēju vienvirziena peilēšanai. Tā pat kā grozāmā antena, tā norādīja peilēšanas virzienu, uz kura atradās radiobāka un kuģis peilēšanas momentā, bet nenorādīja, uz kuru pusi no kuģa atradās peilētā radiobāka. Šim nolūkam papildus bija vajadzīga vertikālā antena.

Kā redzams no formulas rezultējošā EDS noteikšanai, kamēr leņķis starp rāmja antenas plakni un virzienu no rāmja antenas plaknes viduspunkta uz radiobāku ir robežās no 0° līdz 90°, rezultējošais EDS ir pozitīvs. Ja leņķis starp rāmja antenas plakni un virzienu no rāmja antenas plaknes viduspunkta uz radiobāku ir robežās no 90° līdz 270°, rezultējošais EDS ir negatīvs. Un atkal, kad leņķis starp rāmja antenas plakni un virzienu no rāmja antenas plaknes viduspunkta uz radiobāku ir robežās no 270° līdz 360°, rezultējošais EDS ir pozitīvs. Tādējādi rāmja antenas virziena diagrammas vienu riņķi veido pozitīvās rezultējošā EDS vērtības, bet otru - negatīvās.

Ja peilēšanas laikā vienlaicīgi radiobākas signālus uztvēra ar rāmja un vertikālo antenu, abas šīs antenas radīja savu virziena diagrammu: vertikālā - riņķi, bet rāmja - astoņniekveida. Abām šīm diagrammām pārklājoties, tās summējās, un, ņemot vērā pozitīvos un negatīvos EDS virzienus, veidojās rezultējošā diagramma, ko sauc par kardioīdu. Kardioīdai ir viens minimums un viens maksimums, tādā veidā nodrošinot vienvirziena uztveršanu, izslēdzot peilējumā kļūdu par 180°.

Mūsdienas

Tā kā mūsdienās visas jūrniecībā izmantotās radiobākas ir izslēgtas, tad radiopeilēkļu izmantošana navigācijā ir ļoti ierobežota. Modernos jūras radiopeilēkļus izmanto, lai atrastu virzienu uz, piemēram, nelaimē esoša kuģa radiostacijas raidītāju meklēšanas un glābšanas operācijas laikā. Mūsdienu sistēmās izmanto fāžu nobīdes vai Doplera efekta mērījumus, kurus parasti ir vieglāk automatizēt. Modernie pseidodoplera radiopeilēkļi sastāv no vairākām mazām antenām, kuras novietotas uz apaļas plāksnes virsmas. Visu datu apstrādi veic ar programmatūru.