ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатация на авиалиниях воздушных судов с цифровым комплексом пилотажно-навигационного оборудования (самолеты Ту-204, Ил-96 и др.) требует подготовки студентов с учетом нового оборудования, установленного на борту этих судов. Данное оборудование существенно отличается от радиосистем, используемых в аналоговых пилотажно-навигационных комплексах.
Перечень радиосистем цифрового комплекса достаточно обширен: аппаратура DМЕ, VOR, ILS, РВ, АРК и другие.
В части 2 учебного пособия исследуются тактико-технические характеристики и анализируются особенности построения радиотехнической системы ближней навигации VOR-85 и системы посадки ILS-85.
Общие вопросы построения рассматриваются при изучении структурной схемы. Более подробный анализ выполняется на основе функциональной схемы.
В учебное пособие включены элементы моделирования радиотехнических систем. Рассчитываются навигационные и точностные характеристики, моделируются сигналы систем VOR и ILS. Моделирование выполнено в среде программирования Mathcad. Приведены графики, характеризующие процессы, полученные в моделях, использующих другие языки программирования.
Учебное пособие ограничено по объему, содержит краткое изложение теоретических материалов по преобразованиям сигналов и спектров. Учебное пособие включает упрощенные функциональные схемы и не заменяет собой техническую документацию.
1Аппаратура VOR-85
1.1Назначение, технические данные и рабочие характеристики
Аппаратура VOR-85 (в дальнейшем - блок радиоприемный VOR-85) предназначена для работы в составе комплекса стандартного цифрового пилотажно-навигационного оборудования (КСЦПНО) и служит для:
- определения и выдачи азимута самолета относительно магнитного меридиана, проходящего через точку расположения радиомаяка VOR (магнитного азимута);
- выдачи сигналов опознавания радиомаяков VOR и маркерных радиомаяков;
- определения моментов пролета посадочных маркерных радиомаяков.
Для выполнения поставленных задач в состав блока входят модули, которые осуществляют:
- прием высокочастотных сигналов (с антенн VOR и маркерной);
- аналого-цифровое преобразование выделенных низкочастотных составляющих:
- обработку сигналов и формирование выходной информации заданного формата.
Кроме этого, часть элементов используется для организации встроенного контроля работоспособности блока. Обработка информации, контроль и управление работой осуществляются с помощью встроенного специализированного цифрового вычислительного устройства (СЦВУ).
Принцип действия канала VOR.
Принцип действия канала VOR рассмотрен в литературе [1 - 3].
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.
Рассмотрим принцип действия канала VOR на примере системы, реализующей метод с измерением фазы огибающей АМ колебаний суммарного сигнала радиомаяка.
Радиомаяк VOR имеет 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 с амплитудой 
:
(1.1)
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. 1.1.
Рис. 1.1. Диаграммы излучения антенн радиомаяка VOR
Высокочастотные сигналы формируются одним передатчиком и излучаются антеннами, имеющими общий фазовый центр. При сложении полей в пространстве образуется суммарное поле всенаправленного РМ
.
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.
Частота вращения составляет n=1800 об/мин (F=30 Гц).
Положение диаграммы направленности А2 (положение ее максимума) – функция времени = t. 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 
рад/с и фазой огибающей, зависящей от азимута .
Графики сигналов, построенные в Mathcad для азимутов 1=100 и 2=900, приведены на рис. 1.2 а, б.
а)
б)
Рис. 1.2. Графики сигналов: а) 1=100; б) 2=900
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. Эта информация должна быть заложена в фазе опорного колебания
с текущим значением фазы
. (1.9)
При наличии на борту ЛА такого опорного напряжения можно определить азимут ЛА как разность фаз азимутального (1.8) и опорного (1.9) сигналов:
.
Для работы бортового измерителя необходим опорный сигнал, причем одинаковый для всех ЛА. В целях сокращения частотных каналов связи опорный сигнал передают на той же несущей частоте
, что и азимутальный. Такая возможность появляется при использовании для передачи опорного сигнала амплитудно-частотной модуляции.
Антенна А1 создает поле с напряженностью
, (1.10)
где
– коэффициент амплитудной модуляции; 
– индекс частотной модуляции сигнала поднесущей с частотой П; 
– девиация частоты:
а)
б)
Рис. 1.3. Графики сигналов: а) поднесущая; б) сигнал
с амплитудно-частотной модуляцией
Разделение в бортовом измерителе азимутального и опорного сигналов происходит методом частотной селекции продетектированного комбинированного сигнала.
Результаты моделирования сигналов представлены ниже.
Рис. 1.4. Графики сигналов для азимута 1=100
1 - продетектированный комбинированный сигнал;
2 - частотная селекция азимутального сигнала;
3 - частотная селекция опорного сигнала.
Рис. 1.5. Графики сигналов для азимута 1=900:
1 - продетектированный комбинированный сигнал;
2 - частотная селекция азимутального сигнала;
3 - частотная селекция опорного сигнала.
Технические характеристики
-
Диапазон частот……………...……………...………108,00-117,95 МГц(по сетке частот)
-
Количество частотных каналов……………….……….. не более 3 мкВ -
Погрешность измерения азимута……………………… не более 2,70(с вероятностью 0,997)
-
Дополнительная погрешность измерения азимута….... не более 0,40(с вероятностью 0,997)
-
Мощность телефонного сигналазвукового выхода VOR……………….…...…………. не менее 100 мВт
(на нагрузке 5005 Ом)
-
Мощность сигнала звукового выходамаркерного канала…………….……….………...……. не менее 50 мВт
(на нагрузке 5005 Ом)
-
Режим «Контроль»:- азимут……………………..……...……………...……………….…1800
- отклонение от заданного азимута………….…………………..…..100
- частота………………………….……..………………...…108,00 МГц
-
Время готовности к работе………………...………..…… не более 10 с -
Непрерывная работа в течение…………………...……………...….16 ч -
Питание от сети электроснабжения……………………...….40040 Гцпри изменении напряжения от 102 до 124 В
-
Потребляемая мощность …………………….....…..…. не более 50 ВА -
Наработка на отказ ……………………...........……….. не менее 5000 ч -
Взаимозаменяемость…………….....……. все блоки взаимозаменяемыоднотипными без регулировки
-
Масса………………………………………...…………….. не более 5 кг
Режимы работы
Аппаратура VOR – 85 обеспечивает следующие режимы работы:
● «Измерение» – режим работы, при котором определяется текущее значение азимута относительно навигационных и посадочных наземных радиомаяков.
● «Контроль» – режим работы, при котором при поступающей на аппаратуру команде выполняется автоматическая проверка аппаратуры и формирование тестового значения выходной информации.
Чувствительность маркерного приемника меняется при нажатии многофункциональных кнопок-табло НАВИГАЦИЯ и ПОСАДКА на комплексном пульте радиотехнических систем (КПРТС). В режиме «Навигация» чувствительность маркерного приемника выше, чем в режиме «Посадка».
Входные и выходные слова
Все функциональные связи радиосистем комплекса стандартного цифрового пилотажно-навигационного оборудования (КС ЦПНО) осуществляются в цифровом виде по двухпроводным шинам в последовательном трехуровневом коде в соответствии с РТМ 1495-75, изменение 3. Информация в слове о типе системы, номере комплекта и навигационном параметре кодируется и дискретно передается в цифровой канал связи. С определенным периодом информация повторяется. Адресат определяет предназначенную ему информацию, принимает ее многократно и отслеживает сбои. Предусмотрена информация о техническом состоянии системы - два бита в каждом слове несут информацию о работоспособности.
Таблица 1.1
Структура слова «Частота настройки и режимы работы VOR-85»
|
Разряды |
Функция |
Состояние |
|
1 – 8 |
Адрес (034)8 |
00011100 |
|
9, 10 |
Идентификатор источника |
|
|
11 |
|
“1” - отказ АФУ VOR |
|
12 – 13 |
Резерв |
|
|
14 |
Режим чувствительности маркерного приемника |
0 – Маршрут 1 – Посадка |
|
15 – 18 |
0,01 МГц |
|
|
19 – 22 |
0,1 МГц |
|
|
23 – 26 |
1,0 МГц |
|
|
27 – 29 |
10 МГц |
|
|
30 – 31 |
Матрица состояния |
|
|
32 |
Четность |
|
Разряды 9, 10 идентификатора источника во всех входных и выходных словах имеют следующие состояния:
-
10 разряд
9 разряд
Источник
0
1
Комплект № 1
1
0
Комплект № 2
1
1
Комплект № 3
Разряд 32 является битом дополнения до нечетности и должен
иметь значение, делающее сумму единиц в слове нечетным. При соответствующей проверке такого кода можно установить сбой в цифровой линии приема (передачи).
Таблица 1.2
Структура слова «Азимут магнитный» (двоичный код)
|
Разряды |
Функция |
Состояние |
|
1 – 8 |
Адрес (222)8 |
10010010 |
|
9, 10 |
Идентификатор источника |
|
|
11 – 13 |
Признак пролета маркерного РМ |
|
|
14 – 16 |
Резерв |
Нули |
|
17 – 28 |
Код измеренного азимута |
|
|
29 |
Знак |
1 – плюс, 0 – минус |
|
30, 31 |
Матрица состояния |
|
|
32 |
Четность |
|
Признак пролета маркерного радиомаяка (МРМ) кодируется следующим образом:
-
11 разряд
12 разряд
13 разряд
МРМ
1
0
0
Дальний (400 Гц)
0
1
0
Средний (1300 Гц)
0
0
1
Ближний (3000 Гц)
Матрица состояния во всех выходных и входных словах двоичного кода задается следующим образом:
-
31 разряд
30 разряд
Состояние
0
0
Предупреждение об отказе
0
1
Нет вычисленных данных
1
0
Функциональный тест (режим конт-роля)
1
1
Нормальная работа
Таблица 1.3
Структура слова «Азимут магнитный» (двоично-десятичный код)
|
Разряды |
Функция |
Состояние |
|
1 – 8 |
Адрес (024)8 (027)8
|
00010100 00010111
|
|
9, 10 |
Идентификатор источника |
|
|
11 – 18 |
Резерв |
|
|
19 – 22 |
Декада 10 кода измеренного азимута |
|
|
23 – 26 |
Декада 100 кода измеренного азимута |
|
|
27 – 29 |
1000 кода измеренного азимута |
|
|
30 – 31 |
Матрица «Знак-состояние» |
|
|
32 |
Четность |
|
Матрица «Знак-состояние» в словах двоично-десятичного кода задается следующим образом:
-
31 разряд
30 разряд
Состояние
0
0
Знак “+”
0
1
Нет вычисленных данных
1
0
Функциональный тест (в режиме “Контроль”)
1
1
Знак “–”
Таблица 1.4
Состав входных, выходных слов, периодичность их выдачи
|
№ |
Адрес слова |
Наименование параметра в слове |
Диапазон измерения параметра
|
Способ кодирования |
Число значащих разрядов |
Цена младшего значащего разряда |
Вид слова |
Интервал между одинаковыми словами | |
|
входное |
выходное | ||||||||
|
1
|
034
|
Выбранная частота настройки |
108,00 – 117,95 МГц |
ДДК
|
15
|
0,01 МГц
|
+
|
+
|
Не менее 167 мс Не более 333 мс Номинал 250 мс
|
|
2
|
024
|
Азимут заданный № 1
|
0 - 359°
|
ДДК
|
11
|
1°
|
+
|
+
|
Не менее 167 мс Не более 333 мс Номинал 250 мс
|
|
3
|
027
|
Азимут заданный № 2
|
0 - 359° |
ДДК
|
11
|
1°
|
+
|
+
|
Не менее 167 мс Не более 333 мс Номинал 250 мс
|
|
4
|
100
|
Азимут заданный № 1
|
± 180°
|
ДК
|
12
|
0,05°
|
+
|
+
|
Не менее 167 мс Не более 333 мс Номинал 250 мс
|
|
5
|
110
|
Азимут заданный № 2
|
± 180°
|
ДК
|
9
|
0,35°
|
+
|
+
|
Не менее 167 мс Не более 333 мс Номинал 250 мс
|
|
6
|
222
|
Азимут магнитный |
± 180°
|
ДК
|
12
|
0,044°
|
–
|
+
|
Не менее 50 мс Не более 100 мс Номинал 66,6 мс
|
следующая страница>