Общие сведения о системах ближней навигации и посадки назначение и классификация

ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ И ПОСАДКИ

Назначение и классификация

Радиотехнические системы ближней навигации

К радиотехническим системам ближней навигации и посадки относятся системы, обеспечивающие определение местоположения летательного аппарата (ЛА) на расстоянии до 500 км относительно радиомаяка, а также положение ЛА относительно ВПП при заходе на посадку. В зависимости от типа ЛА на его борту может быть установлено навигационное и посадочное оборудование или комплексная система ближней навигации и посадки.

Основа систем ближней навигации (СБН) – сеть независимых наземных радиомаяков (РМ), по которым определяются навигационные параметры. Различают азимутальные, дальномерные и азимутально-дальномерные радиомаяки (РМ), которые устанавливают на аэродромах и в точках, соответствующих характерным участкам воздушных трасс. Для работы СБН выделены участки диапазона метровых и дециметровых волн, поэтому их дальность действия ограничивается дальностью прямой видимости.

Навигационные параметры системы ближней навигации – азимут () и дальность () определяются на ЛА относительно радионавигационной точки, в которой размещен РМ (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Определение местоположения ЛА
При известной высоте полета этих данных будет достаточно для нахождения положения ЛА в полярной системе координат относительно РМ, т.е. системы ближней навигации относятся к классу угломерно-дальномерных (азимутально-дальномерных) систем. Перспективен переход к дальномерным системам, обладающим большей точностью. В СБН выделяют каналы азимута и дальности. Каждый из каналов включает наземный РМ и бортовую аппаратуру ЛА.

Типы систем ближней навигации различаются по виду информативного параметра сигнала, используемого для определения навигационных параметров, а также по структуре системы в целом. Наибольшее распространение получили отечественная система РСБН и стандартизированная ICAO зарубежная система VOR/DME.

Система РСБН использует временной метод для определения азимута и дальности. В состав системы входят азимутально-дальномерные РМ и бортовая аппаратура. Система работает в диапазоне дециметровых волн. Отличительная особенность системы – возможность наземного наблюдения воздушной обстановки, определения координат и навигационного опознавания ЛА, а также использования бортовой аппаратуры для посадки при наличии посадочных РМ дециметрового диапазона. По этой причине РСБН можно классифицировать как комплексную систему ближней навигации и посадки. При наличии в комплекте бортовой аппаратуры специализированных вычислителей решается задача определения местоположения ЛА (в ортодромической или геосферической системе координат).

Наземный радиомаяк РСБН может устанавливаться как в районе аэродрома, так и на трасах полетов. В районе аэродрома РМ устанавливается на расстоянии 300…600 м от оси ВПП на удалении от центра до 1200 м. При установке на трассах учитывается нерабочая зона над радиомаяком ±45 и высота полета. В этом случае РМ смещается от линии пути самолета на величину двух нерабочих зон для конкретной высоты полета. В качестве наземных азимутально-дальномерных радиомаяков применяются радиомаяки РСБН-4Н, РСБН-6Н, Е-324, Е-326, Е-329. Бортовая аппаратура РСБН, устанавливаемая на ЛА: РСБН-6С, РСБН-7С, А-312, А-317, А-323, А-324, А-331 (РСБН-85). Диапазон частот, используемый в системе РСБН для передачи сигналов в направлении самолет-земля – 720…812,8 МГц, в направлении земля-самолет 873,6…1000,5 МГц.

Система VOR/DME основана на фазовом методе определения азимута и временном методе определения дальности. Система образуется при территориальном совмещении азимутального РМ типа VOR и дальномерного типа DME, которые могут также использоваться самостоятельно, образуя соответственно угломерную или дальномерную систему ближней навигации. На борту ЛА для определения азимута и дальности служат отдельные устройства. Азимутальный РМ работает в диапазоне метровых, а дальномерный – дециметровых волн. Требования к размещению радиомаяков в районе аэродрома аналогичны требованиям, предъявляемым к размещению радиомаяков РСБН. В качестве наземного азимутального радиомаяка может быть установлен РМА-90, в качестве дальномерного – РМД-90, РМД-90НП. ЛА оборудуются бортовой угломерной аппаратурой VOR: КУРС МП-2, КУРС МП-70, КУРС-93М, VIM-95, VOR-02. Дальномерная бортовая аппаратура DME: СДК-67, CД-67, CД-75M, DME/P-85, ВНД-94. Рабочий диапазон частот азимутального канала – 108…118 МГц, дальномерного – 960…1215 МГц.

Еще одной СБН, получившей распространение, является система TACAN. Система по принципу действия и назначению близка к системе VOR/DME. В некоторых вариантах систем TACAN возможно наземное наблюдение воздушной обстановки. В состав системы входит азимутально-дальномерный РМ и бортовая аппаратура, измеряющая азимут и дальность ЛА. Известна также система VORTAC – сочетание угломерного РМ VOR с дальномерным РМ системы TACAN.

Радиотехнические системы посадки

Назначение радиотехнических систем посадки в общем виде можно сформулировать следующим образом. С помощью системы посадки ЛА должен быть выведен с высокой вероятностью успешного решения задачи в некоторую ограниченную по размерам область пространства и при этом должны быть достигнуты определенная скорость и направление движения ЛА в пространстве.

Успех захода на посадку и посадки зависят от ряда факторов и их сочетаний, меняющихся случайным образом. Поэтому его исход носит вероятностный характер. При этом предъявляются весьма жесткие требования к надежности выполнения посадочных операций и по допустимому разбросу значений определяемых параметров движения ЛА на посадке. В частности, для наиболее совершенных систем посадки вероятности выхода ЛА за пределы допустимой области значений координат и скорости в определенной точке траектории (например, у порога ВПП) не должны превышать 10^-7.

В зависимости от используемого оборудования и принципов действия различают следующие системы посадки:

упрощенные системы посадки (ОСП – оборудование системы посадки);

радиолокационные системы посадки (РСП);

радиомаячные системы посадки (РМСП).

В свою очередь, в зависимости от используемого диапазона волн, радиомаячные системы посадки подразделяются на РМСП диапазонов метровых волн (MB), дециметровых волн (ДМВ) и сантиметровых волн (СМВ).

Упрощенные системы посадки обеспечивают вывод ЛА на аэродром, выполнение предпосадочного маневра и определение места ЛА в двух фиксированных точках траектории посадки. Систему ОСП устанавливают обычно на некатегорированных аэродромах. Наземное оборудование включает дальний и ближний приводные радиомаркерные пункты (ДПРМ и БПРМ), оснащенные дальней и ближней приводными аэродромными радиостанциями (ПРС) и маркерными радиомаяками (МРМ). Дальний и ближний радиомаркерные пункты устанавливают на расстояниях соответственно 4000±200 м и 1050±150 м от порога ВПП. Дальний МРМ обеспечивает экипажу контроль высоты полета, расстояния до точки приземления и готовности бортовых систем к обеспечению полета на конечном этапе захода на посадку. Ближний МРМ предназначен для информирования экипажа о близости визуального этапа посадки. В качестве маркерных радиомаяков могут быть установлены МРМ-48, МРМ-70, МРМ-В, РММ-95. ПРС используются для привода самолетов в район аэродрома, построения траектории предпосадочного маневра и посадки. Дальняя и ближняя ПРС различаются структурой сигналов опознавания: дальним ПАР назначается двухбуквенный, а ближним - однобуквенный позывные сигналы. Приводные аэродромные радиостанции – ПАР-9, ПАР-10, РМП-200. Аэродромы оборудуют, кроме того, светосигнальными системами, автоматическими радиопеленгаторами (АРП) МВ-ДМВ диапазонов и обзорными радиолокаторами (ОРЛ). Расположение наземного радиотехнического оборудования в районе аэродрома показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема размещения оборудования системы ОСП
Бортовое оборудование состоит из автоматического радиокомпаса (АРК-15М, АРК-22, АРК-25), радиовысотомера (А-031, А-035, А-037, А-041, А-052, А-053), маркерного радиоприемника (МРП-66, А-611), измерителя скорости (ДИСС-7, ДИСС-013, ДИСС-016, ШО-13, система ДВС). Посадка по системе ОСП может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режимах.

Радиолокационные системы посадки позволяют на земле определять положение ЛА относительно требуемой траектории снижения и удаление ЛА от точки приземления. Они используются для наземного контроля процесса захода на посадку и, в случае необходимости, передачи на борт с помощью систем воздушной радиосвязи указаний о коррекции траектории. РСП предназначены для посадки самолетов, не имеющих специального посадочного оборудования, снабженных обычными связными радиостанциями и навигационными приборами, в сложных метеоусловиях днем и ночью. В состав системы входят обзорный и диспетчерский радиолокаторы. Обзорный радиолокатор используется для непрерывного наблюдения за общей воздушной обстановкой в районе аэродрома в радиусе 70…80 км и управления движением самолетов на подходах к аэродрому и в процессе их захода в зоне ожидания. Диспетчерский радиолокатор используется для наблюдения за воздушной обстановкой в радиусе 30…50 км от аэродрома и для контроля за летным полем. Для определения отклонения ЛА от траектории посадки в системе РСП применяется посадочный радиолокатор. В систему РСП входят также радиопеленгаторы и средства радиосвязи. Основное оборудование радиолокационной системы посадки устанавливается на расстоянии 150…200 м от оси ВПП, не ближе 750 м от начала ВПП и не далее ±200 м относительно центра ВПП. В настоящее время используются радиолокационные системы посадки типа РСП-6, РСП-11.

Радиомаячные системы посадки обеспечивают задание линии планирования самолета с помощью наземных радиомаяков при выполнении посадки. Информация об отклонениях от линии планирования поступает на приборы летчиков. Наземные радиомаяки формируют в пространстве две плоскости (рис. 1.3) курса и планирования (глиссады), пересечение которых определяет линию планирования (глиссаду).

Рис. 1.3. Принцип задания глиссады
Управление ЛА осуществляется в пределах секторов вокруг глиссады планирования, горизонтальные и вертикальные размеры которых примерно равны ±4 и ±1 соответственно. Угол планирования (угол глиссады) при выполнении посадки выдерживается постоянным и равен примерно 3.

Кроме радиомаячного оборудования, предназначенного для задания в пространстве линии планирования, в состав РМСП может входить радиотехническое и светотехническое оборудование, образующее упрощенную систему посадки, а также диспетчерское оборудование. Радиотехнические средства упрощенной системы посадки используются для привода самолетов в район аэродрома, облегчения расчета и маневра при заходе на посадку, дополнительного контроля за правильностью снижения самолетов по линии планирования и обеспечения расчета и захода на посадку самолетов, оборудованных только аппаратурой для посадки по упрощенной системе, а также как резервные посадочные средства.

С помощью диспетчерского оборудования группа руководства полетами осуществляет наблюдение за воздушной обстановкой, управление и контроль за движением самолетов в районе аэродрома.

По используемому частотному диапазону различают:

системы посадки сантиметрового диапазона (угломерный канал – 5030…5091 МГц, дальномерный канал – 960…1215 МГц);

системы посадки дециметрового диапазона (курсовой канал – 905,1…932,4 МГц, глиссадный канал – 939,6…966 МГц, дальномерный канал: направление самолет-земля – 772…808 МГц, направление земля-самолет – 939,6…966,9 МГц);

системы посадки метрового диапазона (курсовой канал – 108…112 МГц, глиссадный канал – 329…335 МГц, маркерный канал – 75 МГц).

Системы посадки диапазона СМВ предназначены для определения пространственных координат ЛА в определенной области пространства (обычно эта область охватывает сектор ±40° относительно оси ВПП в горизонтальной плоскости и сектор 1...15 в вертикальной) и для обеспечения полета по любой криволинейной четырехмерной пространственно-временной траектории посадки. Это свойство позволяет повысить пропускную способность аэродрома на 10…15 % и открывает возможность обхода густонаселенных жилых районов. РМСП СМВ может обеспечивать вывод ЛА на траекторию посадки, взлет, уход на второй круг и автоматическую передачу на борт требуемой для посадки технической и метеорологической информации. Несмотря на определенные преимущества перед другими СП, система широкого распространения в нашей стране пока не получила. В состав наземного оборудования РМСП СМВ могут входить азимутальный, угломестный и дальномерный радиомаяки, в расширенной комплектации дополнительно включаются азимутальный радиомаяк обратного азимута и угломестный радиомаяк выравнивания. Примером бортовой аппаратуры микроволновой системы посадки является MLS-85.

Радиомаяки системы посадки диапазона ДМВ позволяют задавать прямолинейную пространственную траекторию захода на посадку и определять текущее положение ЛА относительно нее. Кроме угловых отклонений от линии глиссады система позволяет непрерывно измерять дальность до ВПП. Основой современного наземного радиооборудования РМСП ДМВ является посадочная радиомаячная группа ПРМГ-5 или ПРМГ-76, состоящая из дальномерно-курсового и глиссадного радиомаяков. Дециметровая система посадки является составной частью отечественной навигационной системы РСБН и выделение посадочной информации на ЛА осуществляется бортовым оборудованием РСБН (см. п.1.1.1).

Радиомаячное оборудование системы посадки диапазона МВ обеспечивает непрерывное получение на борту ЛА следующей информации:

о положении ЛА относительно плоскости посадочного курса по каналу курса;

о положении ЛА относительно плоскости планирования (глиссады) по каналу глиссады;

о расстоянии до начала ВПП по маркерному каналу.

В состав радиомаячного оборудования входят:

курсовой радиомаяк (КРМ);

глиссадный радиомаяк (ГРМ);

маркерные радиомаяки (МРМ).

Расположение радиомаяков в районе аэродрома показано на рис. 1.4. КРМ устанавливается на продолжении оси ВПП со стороны, противоположной направлению посадки, на расстоянии 500…1200 м. Минимальное удаление КРМ от конца ВПП обусловлено высотой оборудования и требованиями безопасности при пролете самолетов над препятствиями. Максимальное удаление определено параметрами диаграммы направленности антенной системы. Основным вариантом размещения антенны КРМ следует считать расстояние 1100±100 м от конца ВПП.

ГРМ, из соображений безопасности посадки, также выносится в сторону от оси ВПП на расстояние 120…180 м и устанавливается на расстоянии 215…430 м от порога ВПП со стороны направления посадки. Расстояние от порога ВПП зависит от выбранного угла планирования. При выборе угла планирования равном 240 расстояние должно быть 320±60 м. МРМ самостоятельно или в составе радиомаркерных пунктов (ДПРМ и БПРМ) устанавливаются на расстоянии 4000±200 м и 1050±150 м от порога ВПП соответственно.

Рис. 1.4. Схема размещения оборудования РМСП МВ
На аэродромах со сложным рельефом местности перед порогом ВПП в состав РМСП может дополнительно входить внутренний МРМ (ВнМРМ), предназначаемый для информирования экипажа о близости порога ВПП. Он должен размещаться на расстоянии 75….450 м от порога ВПП и не более чем на ±30 м смещен от ее оси.

На аэродромах со сложным рельефом местности в зоне захода на посадку или с другими особенностями в состав РМСП может быть включен, кроме того, еще и дополнительный внешний МРМ (ВМРМ), размещаемый на расстоянии до 11 км от порога ВПП.

Стандарты ICAO предусматривают необходимость использования двух приводных радиомаркерных пунктов, называемых внешним (дальним) ВПРМ и средним СПРМ, и возможность, в случае необходимости, установки третьего, внутреннего (ближнего), маркерного радиомаяка (ВнМРМ). Схема размещения РТС посадки по стандартам ICAO приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема размещения оборудования РМСП МВ по стандартам ICAO
Внешний радиомаркерный пункт располагается на удалении 7200 м от порога ВПП, средний – на удалении 1050±150 м, а внутренний – на удалении 75...150 м. Средний радиомаркерный пункт предназначен для информирования экипажа о приближении к точке начала визуального наведения, внутренний радиомаяк – для обозначения момента пролета высоты принятия решения.

Антенная система КРМ устанавливается на осевой линии ВПП у противоположного торца на удалении, не превышающем 1150 м и обеспечивающем безопасную высоту пролета над препятствием. Расстояние от антенной системы ГРМ до порога ВПП выбирается таким, чтобы высота опорной точки траектории посадки (точки глиссады или продолженной глиссады, расположенной на оси ВПП над ее порогом), была равной м. Оно зависит от номинального угла наклона глиссады, уклонов местности и других факторов. Боковое смещение антенны ГРМ выбирают из условия обеспечения минимальной высоты пролета над препятствиями, и оно не превышает 180 м.

Современные отечественные системы посадки разрабатываются и устанавливаются согласно требований, предъявляемых ICAO.

В случае если противоположные направления захода на посадку на данную ВПП обслуживаются различными системами посадки, обеспечивается возможность функционирования только одной из них и блокировка другой.

Международная организация ICAO стандартизовала и классифицировала радиотехнические системы посадки по эксплуатационным характеристикам. В основу этой классификации, которая принята также в нашей стране, положена возможность обеспечения захода на посадку самолетов при определенных метеорологических условиях. Одним из основных показателей является высота принятия решения (ВПР) – это высота полета ЛА, на которой командир экипажа должен принять решение о посадке или о необходимости ухода на второй круг.

Радиомаячные системы посадки метрового диапазона волн соответствуют классификации ICAO. Различают системы I, II и III (А, В, С) категорий эксплуатационных характеристик:

система I категории обеспечивает управление самолетом при заходе на посадку до ВПР 60 м при визуальной видимости на ВПП не менее 800 м (наземное оборудование СП-50М, СП-90М);

система II категории обеспечивает управление самолетом при заходе на посадку до ВПР 30 м при визуальной видимости на ВПП не менее 400 м (наземное оборудование СП-68, СП-75, СП-90Н);

системы III категории предназначены для посадки с приземлением при значительном ограничении или отсутствии видимости земли, т.е. ВПР равна нулю (наземное оборудование СП-70, СП-80, СП-90).

Регламентированы три группы РМСП III категории, обеспечивающие посадку при визуальной видимости на ВПП:

система категории III А – 200 м;

система категории III В – 50 м;

система категории III С – при полном отсутствии видимости.

Таким образом, РМСП I, II, III категорий обеспечивают данные для управления самолетом от границ зоны действия до точки, расположенной на глиссаде на высоте соответственно 60, 30, 0 м над горизонтальной плоскостью, включающей ВПП.

В РМСП МВ предусмотрено опознавание аэродрома, с этой целью с сигналом курсового радиомаяка предаются позывные, присвоенные данному аэродрому.

Выделение посадочной информации системы диапазона МВ выполняет навигационно-посадочное оборудование угломерной системы VOR (см. п.1.1.1. При необходимости на борту ЛА устанавливается только посадочное оборудование ОСЬ-1, ILS-02, ILS-85

Системы посадки диапазона МВ различаются методами создания равносигнальных направлений. Принципы формирования посадочной информации и обработка ее бортовым оборудованием будут рассмотрены далее.

Принципы формирования и выделения навигационной и посадочной информации

Формирование и выделение навигационной и посадочной информации осуществляется в функциональных каналах системы ближней навигации и посадки. К таким каналам относятся канал навигации VOR, каналы посадки СП-50 и ILS, а также маркерный канал.

Принцип действия и структура сигналов канала навигации VOR

Угломерный канал навигации VOR предназначен для определения азимута ЛА относительно радионавигационной точки, в которой устанавливается наземное оборудование системы. В состав угломерного канала входит наземное и бортовое оборудование. Наземное оборудование представляет собой радиомаяк, излучающий сигналы, прием и обработка которых на борту ЛА позволяет определить его азимут. Бортовое оборудование представляет собой приемоиндикатор, принцип действия которого определяется используемым в канале методом измерения азимута. При таком построении азимутального канала его пропускная способность не ограничена. В настоящее время различают три основные модификации угломерных систем МВ диапазона:

с измерением фазы огибающей АМ колебаний (VOR);

с двухступенчатым измерением фазы (PVOR);

с использованием эффекта Доплера (DVOR).
VOR. Радиомаяки VOR имеют две передающие антенны:

ненаправленную антенну А₁ с диаграммой направленности (ДНА) в горизонтальной плоскости ;

направленную антенну А₂ с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости .

В любом азимутальном направлении значение диаграммы направленности А₂ характеризуется величиной .

Антенна А₁ создает поле с напряженностью

(1.1)

с амплитудой .

Антенна А₂ в любом азимутальном направлении создает поле

(1.2)

с амплитудой . (1.3)

Обычно для радиомаяков VOR выполняется условие .

Диаграммы излучения антенн радиомаяка VOR показаны на рис. 1.6(а).

Высокочастотные сигналы формируются одним передатчиком и излучаются антеннами, имеющими общий фазовый центр. При сложении полей в пространстве образуется суммарное поле всенаправленного РМ (рис. 1.6(б))
.

Рис. 1.6. Диаграммы излучения антенн радиомаяка VOR
С учетом выражений (1.2) и (1.3) величину суммарного поля можно выразить

. (1.4)

Диаграмма направленности А₂ вращается в горизонтальной плоскости с угловой скоростью

где n – частота вращения ДНА в минуту.

Длительность одного оборота Т равна периоду вращения, , а частота . Частота вращения в VOR составляет n=1800 об/мин ( F=30 Гц).

Положение диаграммы направленности А₂ (положение ее максимумов) – функция времени . Вращение антенны вызовет периодическое изменение суммарного поля. Обозначим отношение амплитуд и, подставив в (1.4) значения и , получим

. (1.5)

В результате образуется поле с глубиной амплитудной модуляции , частотой модуляции и фазой огибающей, зависящей от азимута . Колебания, принимаемые бортовым приемником, можно представить выражением

, (1.6)

где К – коэффициент, учитывающий ослабление.

После усиления и детектирования можно выделить напряжение низкой частоты

, (1.7)

фаза которого содержит информацию об азимуте самолета :

. (1.8)

Для выделения этой информации на борту ЛА необходимо иметь опорное колебание, несущее информацию о мгновенном положении ДНА. Эта информация должна быть заложена в фазе опорного колебания

с текущим значением фазы

(1.9)

соответствующим угловому положению ДНА в данный момент времени t.

При наличии на борту ЛА такого опорного напряжения можно определить азимут ЛА как разность фаз опорного и азимутального сигналов (1.8) и (1.9):

.

Для работы бортового измерителя необходим опорный сигнал, причем одинаковый для всех ЛА. Этот сигнал необходимо передавать по отдельному каналу связи. В целях сокращения частотных каналов связи опорный сигнал в этих системах передают на той же несущей частоте , что и азимутальный. Разделение азимутального и опорного сигналов по каналам происходит на приемной стороне методом частотной селекции продетектированного по амплитуде комбинированного сигнала. Такая возможность появляется при использовании для передачи опорного сигнала двойной амплитудно-частотной модуляции.

Рассмотрим формирование сигналов наземным оборудованием и работу бортового оборудования на примере упрощенной структурной схемы канала VOR (рис. 1.7).

В передатчике (ПРД) формируются высокочастотные колебания частоты . В делителе мощности (ДМ) ВЧ сигнал разделяется на два канала. Часть мощности поступает во вращающуюся антенну А₂. Частота вращения антенны определяется блоком управления (БУА) и равна F=30 Гц. В радиомаяках применялись различные способы вращения антенны. В первых радиомаяках вращение антенны осуществлялось механическим способом при помощи электродвигателя. Другой способ предусматривает применение гониометрических антенных систем. Позднее были разработаны методы электронного вращения ДНА (метод электронного гониометра), при котором эффект вращения ДНА достигается питанием двух взаимно перпендикулярных направленных антенн с диаграммами в виде восьмерки. Питание антенн осуществляется балансно-модулированными колебаниями со сдвигом по фазе огибающей модуляции на 90. Антенной А₂ создается электромагнитное поле (1.2).

Рис. 1.7. Структурная схема канала VOR
Антенна А₁ является ненаправленной и предназначена для формирования суммарной диаграммы направленности типа «кардиоида» и передачи опорного сигнала. Для формирования сигнала с двойной амплитудно-частотной модуляцией выбирают колебания, частота которых намного больше частоты вращения ДНА, но существенно меньше частоты несущих колебаний, и используют эти колебания в качестве вспомогательных. Вспомогательные колебания называются поднесущей, для которой должно выполнятся условие

, где – частота поднесущих колебаний. Для системы VOR частота поднесущей равна F_П=9960 Гц.

В модуляторе поднесущей (МП) осуществляется частотная модуляция поднесущей опорными колебаниями частотой F_ОП=30 Гц с девиацией частоты ΔF_П=480 Гц при индексе модуляции . В модуляторе МВЧ высокочастотные колебания модулируются по амплитуде напряжением поднесущей с глубиной модуляции .

Антенна А₁ создает поле с напряженностью

, (1.10)

где – коэффициент амплитудной модуляции; – коэффициент частотной модуляции; – девиация поднесущей частоты.

Суммарное поле

воздействует на антенну бортового оборудования А₀. На выходе антенны получается суммарное колебание вида

. (1.11)

Амплитудно-частотный спектр суммарного колебания показан на рис.1.8(а).

Рис. 1.8. Амплитудно-частотный спектр:

а) принятого сигнала; б) огибающей принятого сигнала

Бортовым оборудованием необходимо выделить из суммарного азимутальный и опорный сигналы и произвести их сравнение по фазе.

После преобразования суммарного сигнала в приемном устройстве (ПРМ), усиления его и детектирования амплитудным детектором выделяется огибающая, содержащая азимутальный и опорный сигналы вида

, (1.12)

где и – амплитуды составляющих полного сигнала.

Из спектра сигнала (1.12), представленного на рис. 1.8(б), видно, что азимутальный и опорный сигналы можно выделить путем частотной селекции. Для этой цели с выхода ПРМ сигнал подается на два фильтра Ф1 и Ф2.

В фильтре Ф1, настроенном на частоту (f=30 Гц), выделяется азимутальный сигнал или сигнал переменной фазы, а в фильтре Ф2, настроенном на поднесущую частоту (f=9960 Гц), выделяется частотно-модулированное поднесущее колебание. После симметричного ограничения в усилителе-ограничителе (УО) в частотном детекторе (ЧД) выделяется опорное колебание.

В результате преобразований получены:

азимутальный сигнал ;

опорный сигнал .

Опорное напряжение подается на фазовращатели ФВ1 и ФВ2. В исходном положении ось ФВ1 повернута на произвольный угол  , что вызывает дополнительный сдвиг фазы опорного напряжения на величину 

. (1.13)

Азимутальное и опорное напряжение подается на фазовый детектор ФД1. Разница фаз между напряжениями на входе

(1.14)

Напряжение на выходе фазового детектора ФД1:

(1.15)

Это постоянное напряжение преобразуется (в ПНН) в сигнал рассогласования с частотой 400 Гц и подается на управляющую обмотку электродвигателя (ДВ), который поворачивает ось ротора фазовращателя ФВ1 до тех пор, пока разность фаз не станет равной нулю. При этом и . Таким образом, угол поворота ротора фазовращателя ФВ1 становится равным азимуту самолета. Ось ФВ1 связана с осью сельсин-датчика (СД), который передает результаты измерений на указатели азимута.

В системе VOR предусмотрена возможность полета самолета по заданному азимуту . Для этого в схему введены ФД2 и ФВ2. Ось ФВ2 поворачивается вручную и устанавливается на заданный угол . При этом фаза опорного напряжения дополнительно сдвигается на величину и становится

. (1.16)

Это напряжение подается на вход ФД2. На второй вход подается азимутальное напряжение с фазой

Разность фаз азимутального и опорного напряжений на входе ФД2

. (1.17)

После фазового детектирования согласно (1.15) на выходе детектора

Когда , и азимут самолета совпадает с заданным направлением. Эта задача решается при полете ЛА на радиомаяк VOR или от него. Для индикации полета на радиомаяк или от него в схему вводится ФД3, на который подаются:

азимутальное напряжение с фазой

;

опорное напряжение с фазой

. (1.18)

Разность фаз этих напряжений

. (1.19)

При полете на радиомаяк в соответствии с (1.15), когда , на выходе ФД3

. (1.20)

Наличие положительного напряжения вызывает включение светового табло «На». При пролете радиомаяка текущий азимут самолета изменяется на 180, тогда . Изменение азимута вызывает смену полярности напряжения на выходе ФД3

, (1.21)

при этом выключается табло «На», включается табло «От».

На рис. 1.9 приведены напряжения в характерных точках схемы бортового оборудования (рис. 1.7).

Рис. 1.9. Вид фазовых соотношений в системе VOR
Напряжение (1) на входе приемника представляет собой совокупность высокочастотного сигнала , амплитудно-модулированного сигналом поднесущей в свою очередь частотно-модулированной опорным сигналом . В сигнале также присутствует амплитудная модуляция сигналом переменной фазы (азимутальным сигналом).

Напряжение (2) на выходе фильтра Ф2 – сигнал поднесущей частоты частотно-модулированной опорным сигналом .

Напряжение (3) на выходе частотного детектора – опорный сигнал .

Напряжение (4) на выходе фильтра Ф1 – сигнал переменной фазы .

Всенаправленные радиомаяки VOR работают в диапазоне 108…118 МГц. В настоящее время этот диапазон делится на 200 фиксированных частот с дискретностью 50 кГц. Из 200 для работы с радиомаяками VOR выделяется 160 частот, остальные 40 частот предназначаются для работы курсовых радиомаяков посадочных систем МВ диапазона. В системе предусмотрена передача сигналов опознавания маяка кодом Морзе посредством тональной модуляции несущих колебаний с частотой F_M=1020 Гц или речевым сообщением.

Маяки выпускаются для установки на воздушных трасах и для работы на аэродромах. При мощности передатчиков РМ до 50 Вт их дальность действия при высоте полета ЛА 10…12 км достигает 250…370 км. Погрешность измерения азимута в канале VOR находится в пределах 1…3,5 и в значительной степени зависит от характера местности, что является основным недостатком этой системы. Для облегчения борьбы с отражениями от местных предметов применяется горизонтальная поляризация излучаемых сигналов.

PVOR. Система РVOR явилась дальнейшим развитием системы VOR с целью повышения точности азимутальных измерений. Точность фазовых измерений можно повысить за счет увеличения частоты сравниваемых колебаний. Однако увеличение частоты азимутального и опорного сигналов приводит к необходимости повышения частоты вращения направленной антенны, в противном случае возникает неоднозначность измерений азимута. Увеличение же частоты вращения антенн связано с конструктивными проблемами.

Для повышения точности измерения в системе PVOR используется двухканальный метод измерения азимута. Два канала, грубый и точный, предназначены для решения задач однозначности и точного измерения фазы соответственно.

Антенная система радиомаяка PVOR (рис. 1.10(а)) состоит из центральной антенны А₁, представляющей собой вертикальный вибратор, и двух вращающихся вокруг своей оси коаксиальных цилиндров А₂ и А₃.

Цилиндры выполнены из радиопрозрачного материала и вращаются синхронно с частотой 15 Гц. Вдоль одной из образующих внутреннего цилиндра А₂ расположен один пассивный отражающий элемент (рефлектор). Центральная антенна питается импульсно-модулированными колебаниями несущей частоты с постоянным коэффициентом заполнения. Система, состоящая из центрального вибратора А₁ и цилиндра А₂, имеет ДН типа «кардиоида», в которой максимум излучения направлен на север в тот момент времени, когда рефлектор располагается в южном направлении. Повышение точности измерения азимута достигается применением многолепестковых ДНА. Для получения такой ДН на внешнем вращающемся цилиндре А₃ устанавливается 9 рефлекторов, которые располагаются вдоль образующих на равных расстояниях друг от друга (через 40).

Применение многолепестковых ДН теоретически должно приводить к уменьшению погрешностей, обусловленных переотраженными сигналами, в К раз, где К – число лепестков. Однако при большом количестве лепестков возникает проблема с разрешением неоднозначности определения азимута. С учетом всех факторов, влияющих на точность измерения азимута, погрешность в грубом канале в условиях сильно пересеченной местности может достигнуть значения 20. В связи с указанными причинами количество лепестков выбирается равным 9.

Рис. 1.10. Антенная система PVOR:

а) конструкция антенной системы; б) ДНА в горизонтальной плоскости

При вращении внешнего цилиндра А₃ синхронно с внутренним А₂ на основную модуляцию (15 Гц) накладывается девятая гармоника колебаний, имеющая частоту 135 Гц. На частоте 135 Гц производится уточнение азимута (точный канал).

Диаграмма направленности системы (рис. 1.10(б)) представляет собой кардиоиду (ДНА грубого канала), на которую наложена периодическая функция азимутального угла, имеющая 9 периодов, каждый из которых равен 40 (ДНА точного канала). Диаграмма вращается в горизонтальной плоскости с частотой 15 Гц.

Распределение интенсивности излучения в азимутальной плоскости в радиомаяках PVOR

, (1.22)

где – численные коэффициенты, характеризующие глубину АМ на соответствующих частотах модуляции; К – число максимумов используемой функции направленности.

При такой диаграмме направленности уровень излучения в любом азимутальном направлении (рис. 1.11) характеризуется величиной

. (1.23)

Диаграмма излучения вращается в горизонтальной плоскости с угловой скоростью и занимает угловое положение . (1.24)

Наличие вращения антенны позволяет сформировать азимутальный сигнал

. (1.25)

Подставив в выражение (1.25) выражения (1.23) и (1.24) получим

. (1.26)

Рис. 1.11. Измерение азимута в системе PVOR
После приема, усиления и детектирования азимутального сигнала в бортовом оборудовании, можно выделить низкочастотное напряжение

. (1.27)

Выражение можно упростить, представив

где – фаза азимутального сигнала грубого канала;

– фаза азимутального сигнала точного канала.

Это напряжение содержит информацию о частоте вращения ДНА (частоте грубого канала)

откуда . При n=900 об/мин F_Г=15 Гц.

Напряжение содержит также информацию о частоте точного канала

, где .

Через центральную антенну А₁ излучается сигнал, содержащий опорные колебания. Опорные сигналы для грубого и точного каналов передаются посредством импульсно-кодовой модуляции.

Передатчик радиомаяка PVOR работает в импульсном режиме. Каждый сигнал передатчика представляет группу из двух импульсов длительностью по 3,2 мкс с постоянным интервалом между ними, равным 12 мкс. Сигналы радиомаяка, за исключением сигналов опорного напряжения, имеют случайное распределение во времени. Количество хаотически следующих во времени сигналов равно 2700 импульсов в секунду или 180 за один оборот антенны.

Опорные сигналы грубого измерения передаются один раз за один оборот антенны, когда максимум излучения проходит через северное направление. Северный опорный сигнал представляет последовательность двенадцати пар импульсов, следующих одна за другой с постоянным интервалом 30 мкс. Следовательно, для грубого измерения передается в секунду пар импульсов.

Опорные сигналы точного измерения передаются каждый раз, когда через направление севера проходит очередной максимум девятилепестковой характеристики. Опорный сигнал точного измерения представляет последовательность шести пар импульсов, следующих одна за другой с постоянным интервалом 24 мкс. Всего за секунду передается в секунду пар импульсов.

Общее количество пар импульсов, излучаемых в секунду радиомаяком, достигает 3600.

На борту ЛА выделяется низкочастотное напряжение опорного сигнала

. (1.28)

В упрощенном виде (1.28) можно представить как

где – фаза опорного сигнала грубого канала;

– фаза опорного сигнала точного канала.

Наличие двух азимутальных и двух опорных сигналов позволяет провести две ступени измерений разности фаз: грубую на частоте 15 Гц, точную на частоте 135 Гц.

При грубых измерениях . Азимут определяется однозначно, но с малой точностью.

При точных измерениях . Азимут определяется точно, но не однозначно.

Двухступенчатые измерения позволяют определить азимут однозначно и с высокой точностью. Методика двухступенчатых измерений приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Двухступенчатое определение азимута
Грубое измерение разности фаз позволяет определить зону однозначного отсчета шириной , в пределах которой находится азимут ЛА и получить число таких зон k, входящих в азимут. Точное измерение разности фаз позволяет определить точное положение ЛА внутри этой зоны .

Азимут ЛА является суммой результатов измерений

. (1.29)

Если обе ступени измерений проводятся одинаковыми устройствами (фазометрами) и в одинаковых условиях, то погрешности измерения разности фаз можно считать одинаковыми. В связи с увеличением частоты колебаний в К раз точность должна также увеличится в К раз. Реальная точность измерения азимута в системе PVOR примерно в 4…5 раз выше, чем в системе VOR в тех же условиях.

На рис.1.13 представлена структурная схема измерителя азимута системы PVOR. На вход азимутального канала поступают одиночные импульсы с выхода приемника после дешифратора. Дешифратор бортового оборудования пропускает импульсные сигналы с кодовой расстановкой импульсов 12 мкс. Напряжение переменной фазы и опорное напряжение выделяются в самостоятельных каналах.

Для получения опорных напряжений импульсы с выхода дешифратора усиливаются и ограничиваются в усилителе-ограничителе. Импульсы постоянной амплитуды поступают в декодирующие каскады. Декодирующий каскад грубого канала (ДК_Г) выделяет из хаотической последовательности импульсов сигналы, соответствующие группам из 12 импульсов, следующих с интервалом 30 мкс. Эти сигналы преобразуются в опорное напряжение 15 Гц. Декодирующий каскад точного канала (ДК_Т) выделяет импульсные последовательности, состоящие из шести элементов с интервалом 24 мкс, и формирует опорное напряжение частоты 135 Гц. Опорные напряжения частот 15 и 135 Гц поступают на фазовые детекторы грубого (ФД_Г) и точного (ФД _Т) каналов соответственно.

Рис. 1.13. Структурная схема измерителя азимута PVOR
В канале переменной фазы вырабатывается напряжение, воспроизводящее закон амплитудной модуляции сигналов радиомаяка. Выделение огибающей производится пиковым детектором. Выходное напряжение детектора подается на фильтры грубого (Ф_Г) и точного (Ф_Т) каналов, которые выделяют колебания частот 15 и 135 Гц соответственно.

Бортовое оборудование содержит два автоматических следящих фазометра, один из которых работает на частоте 15 Гц и служит для устранения многозначности, другой – на частоте 135 Гц и служит для точного измерения азимута. Принцип действия фазометров аналогичен работе фазометра, рассмотренного на примере измерителя системы VOR (рис.1.7). Соответствующие роторы фазовращателей точного (ФВ_Т) и грубого (ФВ_Г) каналов связаны между собой механически через редуктор с передаточным числом 9:1 (Ред 9:1).

В режиме «Поиск» двигатель (ДВ) вращает роторы фазовращателей до момента измерения азимута в грубом канале. Для измерения в канале формируется строб ±20 частотой 15 Гц с фазой, зависящей от азимута самолета. Строб поступает на вход фазового детектора ФД_Г. После грубого измерения азимута система переходит в режим «Слежение». В этом режиме выходное напряжение фазового детектора ФД _Т через замкнутый коммутатор К поступает на преобразователь ПНН. Двигатель вращается до момента исчезновения напряжения с выхода ФД_Т т.е. до момента измерения азимута в точном канале.

Таким образом, угловое положение роторов фазовращателей соответствует значению азимута. Значение азимута передается на указатель посредством сельсин-датчика (СД).

В систему может входить, кроме азимутального, дальномерный канал. При совместной работе с самолетным радиодальномером передатчик радиомаяка используется одновременно как ответчик радиодальномера. При этом часть или все хаотически следующие сигналы передатчика замещаются ответными сигналами на сигналы запроса радиодальномеров.

В радиомаяках PVOR предусмотрен специальный режим для подачи позывных сигналов. При подаче позывных сигналов передатчик вырабатывает сигналы с постоянной частотой повторения 2700 Гц. На выходе приемного устройства при этом образуется переменное напряжение тона 2700 Гц. Манипулируя временем передачи этих сигналов, можно передавать сигналы азбукой Морзе.

Метод двухступенчатого определения азимута реализован в угломерно-дальномерной системе TACAN. Система была разработана в основном для нужд ВВС и ВМФ США и стран НАТО. Частотный диапазон, используемый в PVOR, занимает 962…1213 МГц. По сравнению с VOR система с двухступенчатым измерением азимута имеет более высокую точность (0,75…1), сравнительно небольшие габаритные размеры и массу.

Применение двухступенчатого метода предусматривает использование специальной бортовой аппаратуры. Для повышения точности измерения азимута бортовым оборудованием системы VOR были разработаны радиомаяки, принцип работы которых основан на использовании эффекта Доплера. Система получила название DVOR (Doppler VOR).

DVOR. Для уяснения принципа действия системы, рассмотрим антенную систему, состоящую из центральной и боковой антенн (рис. 1.14). Центральная антенна А_Ц расположена в начале координат, боковая А_Б – на расстоянии R от центральной под углом

к начальной линии отсчета (направлению на север).

Сигналы от антенн А_Ц и А_Б принимаются бортовым оборудованием в удаленной точке с азимутом . Боковая антенна вращается по окружности радиуса R с угловой скоростью

где n – частота вращения антенны в минутах.

Линейная скорость вращения антенны . тогда радиальная составляющая скорости по направлению

. (1.30)

Рис. 1.14. Использование эффекта Доплера в DVOR
Текущее угловое положение боковой антенны . Когда , антенна находится на начальной линии отсчета. С учетом (1.30) радиальная скорость

. (1.31)

При приеме колебаний от вращающейся боковой антенны А_Б в точке приема возникает доплеровский сдвиг частоты

С учетом выражения (1.31)

. (1.32)

Обозначим = , тогда

. (1.33)

Из выражения (1.33) видно, что доплеровский сдвиг частоты , полученный в результате вращения боковой антенны, связан с азимутом летательного аппарата .

Принимая такой сигнал на ЛА, можно выделить рабочее напряжение вида

,

фаза которого зависит от азимута.

Через центральную антенну А_Ц, на борт ЛА передается опорное напряжение вида

,

фаза которого не зависит от азимута. При сравнении фазы опорного и переменного сигнала в бортовом оборудовании определяется азимут самолета.

Основное преимущество доплеровских радиомаяков по сравнению со стандартными радиомаяками VOR – высокая эффективность подавления влияния местных предметов на точность работы. Для эффективного подавления радиус вращения антенн R должен быть относительно большим и составлять , а скорость пеленгования должна сохраняться высокой, что требует большой частоты вращения. По этим причинам в современных системах DVOR вместо вращающихся антенн устанавливают неподвижные антенные решетки, состоящие из большого числа антенн, расположенных по окружности, и применяют механическую или электронную коммутацию антенн. При этом формат сигналов доплеровских радиомаяков DVOR стремятся выбрать одинаковым с радиомаяками VOR, чтобы иметь возможность приема их на самолете с помощью однотипной бортовой аппаратуры без какой-либо доработки или замены.

Антенная система радиомаяка DVOR (рис. 1.15) состоит из большого числа, например пятидесяти, вибраторов В₁…В₅₀, размещенных равномерно по окружности радиусом R. Противоположные вибраторы, например В₁ и В₂₆, питают токами с частотами , где – несущая частота, – частота, равная поднесущей частоте системы VOR 9960 Гц. Поочередное подключение пар вибраторов к источникам высокой частоты имитирует их вращение по окружности с частотой вращения .

Рис. 1.15. Антенная система радиомаяка DVOR
Принимаемые на борту ЛА колебания в связи с наличием доплеровского сдвига имеют частоты

, т.е. колебания промодулированы по частоте с девиацией частоты

Через центральную антенну излучается опорный сигнал, представляющий собой амплитудно-модулированные колебания

.
В результате сложения полей центральной антенны и боковых вибраторов в точке приема образуется сигнал

, (1.34)

где – индекс частной модуляции.

Из выражения (1.34) видно, что данный сигнал по структуре идентичен сигналу стандартного VOR. Отличие обработки сигнала радиомаяка DVOR заключается в том, что азимутальный сигнал (сигнал переменной фазы) передается по ЧМ каналу и выделяется фильтром Ф2 (рис.1.7), а опорный сигнал передается по АМ каналу и выделяется в ботовом оборудовании фильтром Ф1.

Погрешность определения азимута в системе DVOR составляет примерно 0,5.

Практически полностью удалось исключить влияние рельефа местности на точность канала азимута при разработке прецизионной системы PDVOR (Precision Doppler VOR). В наземных радиомаяках этой системы сигнал опорной фазы передается с помощью частотной модуляции вспомогательной поднесущей частоты .

Преимущества системы PDVOR могут быть реализованы только при помощи специального бортового оборудования. Стандартный приемник VOR работает с радиомаяками PDVOR так же, как и с радиомаяками DVOR. Для этого в спектре сигнала PDVOR сохранены составляющие, соответствующие опорному сигналу DVOR.

следующая страница>