Принцип действия и структура сигналов канала посадки ILS
КРМ и ГРМ систем типа ILS имеют одинаковый принцип работы и работают как равносигнальные маяки. В связи с этим принцип действия системы рассмотрим на примере курсовых радиомаяков системы посадки ILS.
Равносигнальные маяки. В пространстве эти маяки создают высокочастотное электромагнитное поле, одновременно промодулированное по амплитуде двумя различными частотами. На задаваемом маяком направлении (курс посадки) коэффициенты модуляции для этих частот одинаковы (рис. 1.34). При отклонении от этого направления коэффициенты модуляции оказываются неравными, причем, чем больше отклонение, тем больше разница коэффициентов модуляции, а при отклонении в различные стороны соотношение коэффициентов модуляции изменяется на обратное. На самолете о его положении относительно задаваемого направления можно судить по соотношению коэффициентов модуляции, т.е. путем сравнения амплитуд огибающих двух частот модуляции.
Рис. 1.34. Зависимость коэффициента модуляции от направления
Антенны КРМ имеют совмещенные электрические центры, а токи, питающие эти антенны, находятся в фазе и поэтому в пространстве, окружающем маяк, образуются два синфазных поля:
,
где 
– амплитуда в максимуме 
и 
; m – коэффициент глубины амплитудной модуляции излучаемых колебаний.
В пространстве электромагнитные поля, возбуждаемые каждой антенной, складываются и в результате образуется суммарное поле, выражение для напряженности которого имеет вид:
После преобразований получим:
или (1.45)
где 
– коэффициент модуляции для частоты 
; 
– коэффициент модуляции для частоты 
;
Выражения (1.45) показывают, что суммарное поле маяка промодулировано одновременно двумя частотами и . Оно образовано из трех составляющих: суммарного поля несущей частоты 
и двух полей боковых частот модуляции
и 
. Поле несущей частоты обладает направленностью 
, поле боковых частот модуляции – направленностью и поле боковых частот модуляции – направленностью 
. Ввиду того, что интенсивности поля несущей частоты и полей боковых частот модуляции изменяются от направления по различным законам (рис. 1.35), то коэффициенты модуляции и для частот и зависят от направления.
Рис. 1.35. Диаграмма направленности КРМ типа ILS
В соответствии с уравнениями (1.45)
;
(1.46)
.
Из выражений (1.46) следует, что в том направлении, где 
коэффициенты модуляции для частот и 
равны: 
. Таким образом, радиомаяк создает равносигнальное излучение боковых частот модуляции в направлении пересечения диаграмм направленности 
и антенн маяка. Это равносигнальное направление служит для задания посадочной траектории. При отклонении от равносигнального направления в одну сторону 
увеличивается, a 
уменьшается, т. е. 
(рис. 1.34). При отклонении же в другую сторону соотношение между коэффициентами модуляции будет обратным: уменьшается, а увеличивается (
). Разница между коэффициентами модуляции (разность глубин модуляции), т.е. информационный параметр 
зависит от углового отклонения от равносигнального направления, в определенных пределах она увеличивается с ростом отклонения (рис. 1.36).
Рис. 1.36. Зависимость разности глубин модуляции от направления
На самолете путем сравнения амплитуд огибающих частот
и можно определить его положение относительно равносигнального направления, задаваемого маяком. При этом разделение сигналов, передаваемых различными антеннами, возможно, так как спектры этих сигналов отличны друг от друга (рис. 1.37).
Рис. 1.37. Спектры сигналов КРМ
В маяках системы посадки типа ILS используются частоты модуляции 90 и 150 Гц, при этом в ГРМ сигналами с частотой модуляции 90 Гц запитывается нижняя антенна, а сигналами с частотой модуляции 150 Гц – верхняя антенна, т.е. распределение колебаний боковых частот модуляции по верхнему и нижнему лепесткам ДНА оказывается обратным по отношению к ГРМ системы посадки типа СП-50.
КРМ и ГРМ посадочных систем III и II категорий должны обеспечивать высокую стабильность задаваемых направлений в пространстве и других выходных характеристик. Такие требования не могут обеспечить равносигнальные маяки, используемые в системах ILS I категории. Поэтому в системах посадки высокой точности (III категории, а иногда и II категории) в качестве КРМ и ГРМ применяются так называемые радиомаяки с опорным нулем.
Радиомаяки с опорным нулем. Рассмотрим работу системы посадки ILS на примере упрощенной структурной схемы курсового канала (рис. 1.38).
Рис. 1.38. Структурная схема канала курса ILS
Принцип работы радиомаяка с опорным нулем состоит в следующем. В радиомаяке используются две антенные системы A1 и A2. Антенная система A2 обладает двухлепестковой диаграммой направленности (рис. 1.39), направление минимума которой совпадает с задаваемым направлением, а при переходе через направление минимума знак ДНА изменяется на обратный. Антенная система A1 имеет однолепестковую диаграмму направленности , направление максимума которой совпадает с задаваемым направлением.
Антенна A2 запитывается разностью двух балансно-модулированных колебаний 
и 
с разными частотами модуляции, которые формируются двумя балансными модуляторами БМ1, БМ2 и ГВЧ. В системе ILS применяются частоты модуляции 
, 
. Разность колебаний образуется в результате их суммирования в противофазе, а фазовый сдвиг в 180° обеспечивается фазовращателем (ФВ).
Рис. 1.39. Диаграмма направленности антенной системы радиомаяка
с опорным нулем
Напряженность электрического поля, излучаемого антенной А2,
(1.47)
Антенна А1 запитывается суммой балансно-модулированных колебаний и колебаний несущей частоты 
, которая образуется в суммирующем устройстве (СУ). В пространство излучается поле
. (1.48)
Электромагнитные колебания вида (1.47) и (1.48), излучаемые антенными системами А1 и А2, складываются в пространстве, в результате чего образуется суммарное поле, электрическая напряженность которого
(1.49)
Структура суммарного поля (1.49) маяка показывает, что оно является высокочастотным колебанием, промодулированным по амплитуде одновременно колебаниями двух частот модуляции и , коэффициенты модуляции которых и зависят от направления. Эти коэффициенты модуляции определяются выражениями:
(1.50)
(1.51)
где – коэффициент модуляции для частоты ;
– коэффициент модуляции для частоты ;
С учетом выражений (1.50) и (1.51) соотношение (1.49) может быть записано в виде
. (1.52)
Из сравнения выражений (1.52) и (1.45) видно, что структура суммарного сигнала равносигнального радиомаяка такая же, как и радиомаяка с опорным нулем. Следовательно, основные свойства этих сигналов (форма и спектральный состав, характер изменения от направления и т. д.) одинаковы, хотя способы образования электромагнитного поля у этих маяков различны.
Коэффициенты модуляции и изменяются от угла 
по различным законам (рис. 1.40). На задаваемом направлении (курс посадки), где 
, коэффициенты модуляции одинаковы: 
. При отклонении от задаваемого направления в одну сторону (
) 
, а при отклонении в другую сторону (
) соотношение коэффициентов модуляции изменяется на обратное, т.е. 
. Разность глубин модуляции 
изменяется от направления так же, как и в равносигнальном радиомаяке (рис. 1.36).
Рис. 1.40. Зависимость коэффициента модуляции от направления
После преобразования выражения (1.52) к виду
(1.53)
очевидно, что суммарный сигнал маяка состоит из трех составляющих: колебания несущей частоты, колебаний боковых частот модуляции и колебаний боковых частот модуляции . Амплитуды указанных составляющих зависят от положения самолета относительно линии курса и определяются соответственно функциями , 
и 
. В направлении излучаемые колебания боковых частот модуляции и одинаковы. Таким образом, радиомаяк с опорным нулем создает равносигнальное излучение колебаний боковых частот модуляции в направлении минимума диаграммы направленности . Это равносигнальное направление служит для задания посадочного курса в КРМ или глиссады в ГРМ.
КРП представляет собой супергетеродинное радиоприемное устройство, в выходной части которого выделяется посадочная информация о положении самолета относительно плоскости посадочного курса. На рис. 1.41 представлены временные диаграммы сигналов в характерных точках бортового оборудования.
Рис. 1.41. Временные диаграммы сигналов в характерных точках
бортового оборудования системы ILS
Суммарный сигнал, который представляет собой высокочастотный сигнал, одновременно промодулированный по амплитуде двумя частотами
и (1), принимается антенной системой КРП. После усиления и детектирования суммарного сигнала, на выходе приемного устройства выделяется сумма двух низкочастотных напряжений с частотами 90 и 150 Гц, амплитуды которых пропорциональны коэффициентам модуляции и соответственно. Эти напряжения выделяются с помощью двух фильтров Ф1 (2) и Ф2 (3), настроенных на частоты 90 и 150 Гц, и выпрямляются выпрямителями В1 и В2 (4). После выпрямителей образуются постоянные напряжения 
и 
, пропорциональные коэффициентам модуляции и . Постоянные напряжения поступают в схему сложения (ССл), где формируется их сумма и разность. Разность этих напряжений (5) подается на стрелки индикаторного прибора системы посадки. Так как 
, а 
, 
, отклонение стрелки прибора прямо пропорционально угловому отклонению от задаваемого направления при малых отклонениях (6).
Сумма постоянных напряжений и служит для формирования в ССл напряжения «Готовность курса» (Гот. К), поступающего на устройства индикации и в бортовые системы.
В КРМ с опорным нулем применяются антенные системы различных типов. Так, могут использоваться параболические антенны с тремя или двумя облучателями (рис. 1.42). Если используются три облучателя, то центральный облучатель совместно с отражателем служит в качестве антенны A1 и формирует диаграмму направленности 
. Боковые облучатели запитываются в противофазе и используются совместно с отражателем в качестве антенны А2, обладающей диаграммой направленности . При использовании двух облучателей антенна А2 образуется в результате противофазного питания облучателей, а антенна А1 - при синфазном питании. Могут применяться также антенны типа линейный ряд. Такая антенна состоит из нескольких десятков слабонаправленных антенн (например, рамочного типа или типа волновой канал), расположенных на одной линии, перпендикулярной оси ВПП, и на одинаковых расстояниях друг от друга и запитываемых с определенными амплитудами и фазами для получения нужной ДНА.
Рис. 1.42. Антенны КРМ с опорным нулем
При использовании антенны типа линейный ряд антенная система А1 образуется в результате синфазного литания облучателей, а антенная система А2 - при противофазном питании двух групп антенн, середины которых расположены на определенном расстоянии друг от друга, и при синфазном питании антенн, образующих каждую группу.
В ГРМ с опорным нулем применяются две слабонаправленные антенны, подвешенные над земной поверхностью на различных высотах, причем высота подвеса верхней антенны в 2 раза больше, чем нижней антенны. Верхняя антенна совместно с зеркально отражающей земной поверхностью используется в качестве антенной системы А2. Нижняя антенна совместно с земной поверхностью работает в качестве антенной системы А1. Для задания глиссады используется нижний лепесток диаграммы направленности 
и два нижних лепестка диаграммы направленности 
. Поскольку высоты подвеса антенн отличаются в 2 раза, первый минимум диаграммы F2(
) совпадает с максимумом нижнего лепестка диаграммы направленности нижней антенны.
При повышении точности работы КРМ и ГРМ возникает необходимость не только в увеличении стабильности положения в пространстве курсовой линии и глиссады, но и в уменьшении искривлений этих линий. Требование минимальных искривлений курсовой линии и глиссады находится в противоречии с необходимостью обеспечения достаточно широкой зоны действия в горизонтальной плоскости для КРМ и работы под малыми углами места для ГРМ. При расширении зоны действия все большее число предметов и неровностей рельефа участвует в образовании отраженных сигналов, вследствие чего амплитуда искривлений возрастает. Указанное противоречие устраняется в радиомаяках, использующих двухканальный принцип работы.
Двухканальные радиомаяки. Рассмотрим принцип работы двухканального радиомаяка на примере КРМ. Двухканальный КРМ содержит два канала: узкий и широкий, в каждом из которых используется своя антенная система. Антенная система узкого канала формирует достаточно узкие ДНА шириной 6–12° в горизонтальной плоскости (рис. 1.43). Антенная система широкого канала создает широкие ДНА, обеспечивающие заданную ширину зоны действия (±35°).
Рис. 1.43. Диаграмма излучения двухканального КРМ
Узкий канал образует практически прямолинейную курсовую линию, поскольку зона действия этого канала свободна от переотражающих предметов и неровностей земной поверхности. Этот канал используется для управления самолетами при небольших отклонениях от плоскости посадочного курса. При больших отклонениях применяется широкий канал, который подвержен влиянию переотраженных сигналов, однако для зоны действия этого канала не предъявляются жесткие требования к точностным характеристикам в связи с большими отклонениями от плоскости посадочного курса. Для того чтобы уменьшить влияние сигналов широкого канала на работу узкого канала маяка, в зоне действия узкого канала предусматривается провал в ДНА широкого канала.
Оба канала радиомаяка имеют одинаковый принцип работы, рассмотренный выше. На самолете сигналы узкого и широкого каналов должны использоваться раздельно, и с этой целью в широком канале либо применяется несущая частота, отличающаяся от несущей частоты узкого канала на 9–11 кГц, либо используется одинаковая с узким каналом несущая частота, но сигналы каналов имеют сдвиг по фазе на 90°.
В глиссадном радиомаяке для уменьшения искривлений глиссады компенсируется излучение под малыми углами места, а для получения информации о положении самолета в этой области используется дополнительный канал. С этой целью в двухканальном ГРМ, кроме двух антенн (нижней и верхней), применяется дополнительная третья антенна А3, расположенная на высоте, в 3 раза превышающей высоту подвеса нижней антенны (рис. 1.44). В основном канале ГРМ используются антенны А1 и А2, а в дополнительном - антенны А1 и А3. Фазы и амплитуды токов питания антенн подбираются такими, чтобы уменьшить уровень поля под малыми углами к горизонту, что приводит к уменьшению сигналов, отраженных неровностями рельефа, и, следовательно, к уменьшению амплитуды искривлений глиссады.
Рис. 1.44. Антенная система двухканального ГРМ
Для взаимодействия с бортовым оборудованием радиомаяки системы посадки ILS могут настраиваться на 40 фиксированных частот, КРМ в диапазоне 108–112 МГц, ГРМ – 329–335 МГц.