Лекция 5 радиосистеми за близка навигация

ЛЕКЦИЯ 5

Ъгломерната РСБН определя азимута на направлението на въздушния съд (ВС) към радионавигационната опорна точка (РНОТ) с наземно базиране, а далекомерната – наклоненото разстояние до тази точка (фиг. 1).

Класическата ъгломерна РСБН още от нейното създаване е известна като РСБН “VOR” (VHF Omni directional Range).

Наземното оборудване на системата VOR включва мрежа от наземни УКВ (VHF) радиофарове, наричани още радиомаяци. Те са разположени на места, осигуряващи пряка видимост към ВС на големи разстояния (равнини, полета или избрани височини). Тяхното базиране трябва да осигурява пряка видимост от ВС към поне два радиомаяка едновременно.

Съгласно изискванията и нормите на ICAO всички граждански самолети са оборудвани с бордова апаратура на системата VOR.

Възможностите на системата VOR са:

• 
  осигуряване на точен полет на ВС по радиално направление към всеки радиомаяк чрез определяне на относителния азимут на ВС спрямо него (вж. фиг. 1);
  
• 
  определяне на местоположението на ВС като точка на пресичане на радиалните направления към два радиомаяка. За определяне на географските координати на ВС е необходимо да бъдат известни още височината и курса на самолета, а така също и географските координати на наземните радиомаяци.
  

Фазата на втория сигнал изостава от фазата на първия с 0 до 360⁰ в зависимост от относителния азимут на ВС (точката на приемане) в пространството. В северно направление спрямо радиомаяка фазовата разлика на двата сигнала е равна на нула. Първият видеосигнал се нарича опорен, а вторият – азимутален. Формирането на тези видеосигнали и обработката им на борда на ВС се извършва на базата на получените на борда опорен и азимутален радиосигнали от радиомаяка.

Структурната схема на апаратурата на един радиомаяк (наземното оборудване от системата VOR) е показана на фиг. 2.

Тя включва следните елементи:

• 
  ненасочена антена за опорен радиосигнал;
  
• 
  насочена антена за азимутален радиосигнал;
  
• 
  двигател за въртене на насочената антена;
  
• 
  предавателно устройство;
  
• 
  генератори на подносещи честоти – f_ПН1 и f_ПН2;
  
• 
  честотен модулатор;
  
• 
  генератор на опорно напрежение (ГОН) 30 Hz.
  

Подносещата честота f_ПН1 от своя страна е честотно модулирана от напрежението с честота 30 Hz на гониометъра, който се върти синхронно с насочената антена.

Подносещата честота f_ПН2 е амплитудно-импулсно модулирана от кодова последователност от правоъгълни импулси с код на МОРЗ, съдържаща кодирана информация за номера и географските координати на радиомаяка.

Азимуталният радиосигнал се излъчва чрез насочената антена само на носещата честота f₀ без допълнителна модулация. Тя има кардиоидна диаграма на насоченост (ДН) в хоризонтална плоскост и се върти по азимут с постоянна скорост от 30 оборота в секунда. В резултат на това в точката на приемане (борда на ВС) се създава амплитудно модулиран радиосигнал с носеща честота f₀ и честота на обвиващата 30 Hz. При това фазата на обвиващата зависи от относителния азимут на ВС спрямо радиомаяка. В северно, спрямо радиомаяка, направление на ВС, фазовата разлика на обвиващите на азимуталния радиосигнал и на опорния радиосигнал с подносеща f_ПН1 е равна на нула и се изменя от 0 до 360⁰ в зависимост от относителния азимут на ВС спрямо радиомаяка.

Обобщената структурна схема на бордовото устройство на РСБН VOR е показана на фиг. 3.

Опорният и азимуталният радиосигнали се приемат от бордовия радиоприемник и след амплитудно детектиране постъпват в каналите за отделяне на опорния и азимуталния сигнали и в канала за отделяне на сигнала за идентификация и координати на радиомаяка. Отделянето на указаните сигнали е по честотен принцип. Тук става въпрос за величините на подносещите честоти.

Изчислителното устройство определя относителния азимут на ВС спрямо радиомаяка като функция на фазовата разлика на обвиващите 30 Hz на опорния и азимуталния сигнали и задейства индикатора на азимута, намиращ се пред пилота на ВС. На същия индикатор се изписват номера и географските координати на радиомаяка.

Далечината на действие на радиомаяка в пределите на пряка видимост към ВС при излъчвана мощност около 50 W е около 180 km, а при увеличаване на излъчваната мощност до 200 W тя може да достигне до 370 km.

Съществен недостатък на системата VOR е сравнително ниската точност на формиране на радионавигационните полета, обусловена от влиянието на релефа на местността и преотраженията от местни предмети (пасивни смущения). За повишаване на точността на системата VOR, тя е усъвършенствана, в резултат на което е създадена доплеровска система VOR (DVOR).

Насочената антена на DVOR е със съществено стеснена във вертикална плоскост ДН, което в значителна степен повишава точността на формиране на радионавигационните полета.

Радиомаякът формира азимуталния радиосигнал с помощта на фазирана антенна решетка (ФАР), чиито 52 елемента са разположени в окръжност с радиус 7,5 – 13 m.

Основната функционална разлика на доплеровския радиомаяк от радиомаяка VOR се състои в това, че централната ненасочена антена излъчва опорен сигнал с честота f₀, амплитудно модулиран с опорен сигнал 30 Hz. Азимуталният сигнал, формиран от ФАР, се излъчва на честота f₀ + f_ПН. Скоростта на въртене на ФАР е отново 30 оборота в секунда.

Приеманият от ВС азимутален радиосигнал се оказва честотно модулиран в границите на доплеровското изместване на носещата честота в резултат на въртенето на антената:

F_Д = R.Ω.(f₀ + f_ПН) / C,

където:

Ω е кръговата скорост на въртене на лъча на ФАР;

f₀ + f_ПН е носещата честота на предавателя;

C е скоростта на разпространение на светлината.

По този начин приетият на борда на ВС азимутален радиосигнал се оказва честотно модулиран, както и аналогичният сигнал от радиомаяка на VOR, а периодът на честотната модулация е отново 30 Hz.

В този смисъл изходният сигнал на амплитудния детектор на приемника на борда на ВС съдържа всички честотни съставящи, каквито има и в сигнала на радиомаяка на VOR. Затова за определяне на азимута на радиомаяка DVOR се използват същите радионавигационни устройства на борда на ВС, както и за радиомаяка VOR.

Далекомерната система за близка навигация DME (Distanse Measuring Equipment) е разработена за гражданската авиация и е приета като стандартна система от ICAO в 1953 г.

Тя осигурява на борда на самолета непрекъсната точна информация за наклоненото разстояние до наземния отговарящ радиомаяк.

Системата DME, чиято структурна схема е показана на фиг. 4, се състои от бордов предавател (запитвач) и наземно базиран приемен радиомаяк с отговарящо устройство.

Бордовият предавател е с честотен диапазон на носещите честоти от 1025 MHz до 1150 MHz. Този диапазон е разделен на 126 честотни канала, разнесени през 1 MHz. Той работи в два режима: търсене и следене.

В режим търсене предавателят излъчва два гаусовски запитващи импулса с продължителност 2,5 μs и 3,5 μs с интервал между тях 12 μs. Честотата на повторение на тези запитващи импулси е 150 Hz.

В режим следене гаусовските запитващи импулси имат същата продължителност, но интервалът между тях е 36 μs, а честотата им на повторение е 24 Hz.

Импулсната мощност на бордовия предавател достига 2 kW.

Наземният радиомаяк приема запитващите радиосигнали и след постоянна временна задръжка от 30 μs излъчва отговарящи импулси с честота на повторение 2700 Hz. Носещата честота на отговарящите радиосигнали се различава от тази на запитващите с + 63 МHz или - 63 МHz. Импулсната мощност на предавателя на радиомаяка е от 1 kW до 20 kW.

Ако радиомаякът приема радиоимпулси в режим търсене, отговарящият сигнал се състои от два гаусовски импулса с интервал 12 μs. Носещата им честота е в лентата от 962 – 1024 МHz или 1151 – 1213 МHz. Изборът на честотната лента, в която се намира носещата честота на предавателя на радиомаяка се осъществява така, че разликата между носещите честоти на бордовия запитващ предавател и отговарящия предавател на радиомаяка да бъде равна на тяхната първа междинна честота, т.е. 63 МHz. Така броят на каналите в радиомаяка става 252.

Информацията за разстоянието от ВС до радиомаяка се формира от бордовата апаратура след измерване на временната задръжка от момента на излъчване на запитващия сигнал до момента на приемане на сигнала на отговора.

Линии на положението за системата DME са концентрични окръжности с центрове в местоположението на наземните радиомаяци. Пресечната точка на две линии на положението определя местоположението на ВС. За определяне на географските координати на ВС е необходим специализиран бордов изчислител, в който да се въведат допълнително височината на ВС и точните географски координати на наземните радиомаяци.

Системата DME осигурява измерване на наклоненото разстояние до избрания наземен радиомаяк в границите на височината на полета на ВС. Обикновено бордовият радиозапитвач се разчита за максимално разстояние на действие 370 km и 740 km.

Съгласно изискванията на ICAO общата грешка на системата DME в границите на разстояния 0 – 370 km от радиомаяка не превишава ± 925 m, или 3% от измерваното разстояние.

Широко се използва съчетание на бордовия запитвач с два и повече наземни радиомаяци (система DME/DME). При използване на три наземни радиомаяка точността на определяне на местоположението на ВС е 150 m.

Комплексното използване на ъгломерната система VOR и далекомерната система DME е начин за повишаване на точността, шумоустойчивостта и надеждността на радионавигационните измервания. Комбинираната по този начин РСБН се нарича система VOR/DME.

В ъгломерно-далекомерната РСБН VOR/DME за честотата на всеки канал на системата VOR, съгласно стандартите на ICAO, се установява съответстваща работна честота на системата DME, а селекторът на честотните канали на бордовото оборудване на ВС е общ.

Наземното оборудване представлява комбинация от УКВ радиофар VOR и радиодалекомерна станция (радиомаяк) DME.

Определянето на местоположението на ВС на борда му се извършва по направлението към съвместения радиомаяк и наклоненото разстояние до него. За изчисляване на хоризонталното разстояние е необходима информация за височината. Линиите на положението на такава комбинирана система са концентрични окръжности, пресечени от радиалните линии относно наземната станция VOR/DME.

Системата VOR/DME има ограничен радиус на действие, което е обусловено от възможността за приемане на сигнали само в границите на пряката видимост, мощността на предавателите на радиомаяците и многолъчевото разпространение на радиовълните. Разстоянието на действие на всеки радиомаяк в зависимост от височината на ВС е 90 – 360 km.

1. 
   В. В. Шкирятов. Радионавигационные системы и устройства. М., “Радио и связь”, 1984.
   
2. 
   М. И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., “Радио и связь”, 1983.