«А.В. Баженов, Г.И. Захаренко, А.Н. Бережнов, К.Ю. Савченко РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области ...»

Таким образом, проведенный анализ показывает, что измерение (контроль) одной из геометрических навигационных величин дает лишь одну линию положения на плоскости или поверхность положения в пространстве. Хотя подобной информации достаточно для прокладки определенного маршрута движения ВС и следования его в заданном направлении, при определении местоположения ВС на плоскости и в пространстве необходимо, очевидно, использовать две пересекающиеся линии и поверхности положения.

При использовании дальномерного метода местоположение объекта определяется пересечением в точке М двух окружностей ЛРР (рисунок 1.24, а), которые строятся по расстояниям R1 и R2 до двух наземных РНТ (в точках А и В).

Угломерный (пеленгационный) метод оценки местоположения предполагает использование двух ЛРП, которые строятся на основе информации, получаемой от двух угломерных систем (рисунок 1.24, б), расположенных в точках А и В. Поскольку на сравнительно малых расстояниях (300—400 км) ЛРП может быть с достаточной степенью точности заменена прямой линией, определение местоположения (точки М) этим методом в значительной мере упрощается, чем и объясняется широкое практическое использование пеленгационного метода.

Разностно-дальномерным методом местоположение объекта оценивается в результате пересечения двух гипербол— ЛРРР. При этом необходимо использовать не менее двух пар наземных РНТ, одна из которых В является общей (рисунок 1.24, в).

Рисунок 1.24 - Определение местоположения ЛА по двум пересекающимся линиям положения: а — по двум ЛРР; б — по двум ЛРП; в — по двум ЛРРР; г — по ЛРР и ЛРП Угломерно-дальномерный метод позволяет определить местоположение путем пересечения двух различных ЛП: ЛРП и ЛРР, т. е.

точка М определяется на плоскости с помощью двух координат:

дальности и азимута (или угла места) (рисунок 1.24, г). Характерной чертой этого метода является возможность однозначного определения местоположения объекта из одной точки, что является большим преимуществом по сравнению с другими методами. Действительно, указанные выше методы оценки местоположения требуют нескольких неподвижных (или закономерно перемещающихся) РНТ, которые должны быть разнесены на расстояния, соизмеримые с расстоянием от каждой из них до объекта; это необходимо для исключения больших погрешностей оценки местоположения.

Кроме рассмотренных методов в радионавигации для оценки местоположения объектов иногда используют ЛРУ. Определив ЛРУ по двум парам РНТ, можно определить их пересечение, т. е. координаты ЛА. При этом одна из РНТ является общей при построении обеих ЛРУ.

Используя приведенные данные, можно указать основные способы классификации радиотехнических методов и средств навигации.

Кстати, последние обычно подразделяют на радионавигационные устройства РНУ, предназначенные для решения навигационных задач небольшой степени сложности, и радионавигационные системы РНС, представляющие собой совокупность пространственно-разнесенных радионавигационных устройств и предназначенных для решения достаточно сложных задач навигации.

Однако такое деление в значительной мере условно, так как современные РНУ состоят из принципиально различных радиоэлектронных устройств, а также устройств автоматики и вычислительной техники, т. е. представляют собой, в свою очередь, достаточно сложные системы. В связи с этим последующее изложение вопросов анализа характеристик и принципов построения радионавигационных средств, а также необходимые теоретические обобщения выполняются применительно к сложным системам.

Классификация радионавигационных устройств. Любая квалификационная система базируется на совокупности классификационных признаков. Для классификации радионавигационных систем принято использовать следующие классификационные признаки: по навигационному параметру; по назначению; по типу радиотехнических измерений.

На рисунке 1.25 представлен вариант классификации радионавигационных систем по навигационным параметрам, а на рисунке 1.26 вариант классификации по типу радиотехнических измерений.

Рисунок 1.25 - Схема классификации радионавигационных устройств по навигационному параметру Рисунок 1.26 - Схема классификации радионавигационных устройств по типу радиотехнических измерений В третьем разделе учебного пособия будет показано, как рассмотренные методы реализованы в современных авиационных радионавигационных системах.

ТОЧНОСТЬ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1 Погрешности измерения радионавигационного параметра Точность измерения координат и параметров движения объекта является важнейшей характеристикой радионавигационных систем.

Она определяется погрешностями измерений радионавигационного параметра (РНП) — параметра радиосигнала, несущего информацию о координате или скорости объекта.

Как было показано в первом разделе, в дальномерных и разностно-дальномерных системах измеряемым параметром может быть временной, частотный или фазовый сдвиг колебаний принимаемого сигнала относительно опорного, формируемого в системе. Соответственно измеряемому параметру различают импульсные, частотные и фазовые системы. В угломерных системах РНП является угол между направлением на объект и опорным направлением, а в системах измерения скорости — доплеровское смещение частоты принимаемых колебаний относительно частоты опорных.

При определении параметра может быть допущена погрешность, которая приводит к ошибке в определении поверхности положения.

Различают методические, инструментальные (аппаратурные) погрешности, а также погрешности, обусловленные условиями эксплуатации системы.

К методическим относятся погрешности, обусловленные допущениями и приближениями при обосновании принципа действия системы и расчете ее характеристик, к инструментальным — погрешности, непосредственно связанные с техническим исполнением измерителя.

Методические и инструментальные погрешности можно уменьшить путем:

повышения качества проектирования при использовании более совершенных моделей, применении ЭВМ для моделирования и расчета, переходе от аналоговых к цифровым методам обработки;

максимального привлечения априорной информации о характеристиках сигналов и помех;

совместной обработки (комплексирования) данных различных датчиков информации.

Погрешности, вызванные изменениями условий эксплуатации систем, разнообразны по происхождению. Источниками этих погрешностей являются внешние помехи, изменяющиеся условия распространения радиоволн, вибрации аппаратуры, колебания температуры, влажности, напряжения питания и т. д.

Для уменьшения влияния перечисленных факторов при создании системы должны быть выбраны рациональные схемотехнические и конструктивные решения, размещение аппаратуры должно производиться с их учетом. Кроме того, необходимо предусмотреть возможность периодической проверки и калибровки параметров аппаратуры в процессе эксплуатации.

По характеру проявления погрешности подразделяют на систематические и случайные.

Систематические погрешности постоянны от измерения к измерению или медленно меняются во времени по определенному закону;

они могут быть исключены или сведены к допустимому минимуму при калибровке системы.

Случайные погрешности полностью неустранимы, но рациональным построением системы могут быть снижены до приемлемого уровня. Обычно погрешность, так же как и измеряемый параметр р, является функцией времени, т. е. (t ) = p (t ) p (t ), где p (t ) — истинное значение измеряемого параметра; p (t ) —его оценка, полученная в результате измерения.

Исчерпывающее статистическое описание (t ) содержится в многомерных плотностях вероятности (ПВ) или в функционале ПВ, однако на практике чаще используют лишь среднее m (t ) = (t ) и дисперсию D (t ).

Когда погрешность (t ) соответствует эргодическому случайному процессу, статистическое усреднение при вычислении показателей точности m (t ) и D (t ) заменяют усреднением по времени, а вместо корреляционной функции погрешности находят ее спектральную плотность S ( f ).

Математическое ожидание погрешности m, называемое смещением, дает систематическую составляющую погрешности, которую рациональным проектированием и эксплуатацией системы можно сделать много меньше случайной составляющей, т.е. m < D.

Для характеристики точности измерителя используют средний квадрат погрешности 2 = m + D ( )2 = или ее среднеквадратическое значение скв = 2. Эти показатели определяют точность системы лишь в среднем и не позволяют судить о том, сколь часто возможны погрешности, превышающие их усредненные значения.

Поэтому точность зависит также от вероятности P ( доп ) того, что погрешность не превысит допустимого значения доп.

В связи с большим числом разнообразных причин, влияющих на измерение РНП, можно считать, что погрешность измерений, согласно центральной предельной теореме, имеет нормальное распределение и вероятность P ( доп ) полностью задается значениями и. Так, вероятность того, что погрешность несмещенных измерений не превысит, равна 0,683. Часто точность характеризуют максимальной погрешностью, равной 2 и соответствующей вероятности P ( 2 ) = 0,95, и ее предельным значением 3 при вероятности P ( 3 ) = 0,997. В последнем случае только 0,3% измерений имеют погрешность, превышающую 3. В радионавигации широко применяют позиционный метод определения положения объекта в пространстве, точность которого зависит от погрешностей фиксации поверхностей и линий положения.

2.2 Погрешности определения линий положения радионавигационных систем Погрешность определения поверхности (линий) положения оценивают отрезком нормали l между поверхностями (линиями) положения, соответствующими истинному и измеренному значениям РНП.

Уравнение РНП в декартовой системе координат можно записать в виде p = p ( x, y, z ) в пространстве и p = p ( x, y ) на плоскости.

Эти уравнения соответствуют трехмерному и двумерному скалярным полям параметра p. В пределах рабочих зон РНС функция p ( x, y, z ) непрерывна и дифференцируема, поэтому изменение скалярного поля РНП можно описать его градиентом grad p, т. е. вектором, показывающим направление наискорейшего роста параметра p.

Если 1—единичный вектор, направленный вдоль нормали к поверхности (линии) положения в сторону роста р, то скалярное произведение l grad p = p / l.

Модуль градиента g = grad p = p / l позволяет связать погрешность измерения РНП p с погрешностью фиксации поверхностей (линий) положения l :

Из этого уравнения следует, что точность определения поверхностей (линий) положения увеличивается с ростом точности измерения и модуля градиента поля РНП.

Если функции p = p ( x, y, z ) или p = p ( x, y ) заданы аналитически, то модуль градиента для поверхности положения для линии положения Воспользовавшись приведенными соотношениями, оценим погрешность определения линий положения для дальномерного, угломерного и разностно-дальномерного методов местоопределения.

В дальномерных системах измеряется время задержки сигнала D. Это время связано с навигационным параметром D формулой D = c D для беззапросного дальномера и D = c D / 2 для дальномера с запросом и радиовысотомера.

При измерении дальности линии положения имеют форму окружностей радиусом D (рисунок 2.1) при расположении ответчика в точке О, а объекта с запросчиком - в точке М. Найдем среднеквадратическое значение погрешности определения линии положения l при погрешности измерения РНП, равной D AD. В выбранной системе координат D = x 2 + y 2, p = D. Согласно выражению (2.3), Отсюда следует, что где D — среднеквадратическое значение погрешности измерения D;

— среднеквадратическое значение погрешности измерения временной задержки сигнала D ; с—скорость распространения радиоволн.

В угломерных РНС измеряемым РНП является угол (рисунок 2.2), а погрешность его измерения. Линией положения будет прямая ОМ.

Найдем среднеквадратическую погрешность определения линии положения l. При p = = arctg ( x / y ) с учетом выражения (2.3) и рисунка 2.2 найдем вательно, В разностно-дальномерных РНС измеряемым параметром является разность расстояний p = D p = DA DB объекта от ведущей А и ведомой В станций с расстоянием между ними (базой) d (рисунок 2.3). Здесь линия положения—гипербола, а —угол, под которым из точки расположения объекта М видна база.

Согласно рисунку 2.3, D p = В соответствии с выражением 2. Но DA + DB d 2 = 2 DA DB cos и, следовательно, Отсюда смещение линий положения, вызванное погрешностью D p измерения разности расстояния D p, Среднеквадратическое значение погрешности определения линии положения Учитывая, что среднеквадратическое значение погрешности измерения РНП D p =c, получим Следовательно, станции необходимо располагать так, чтобы в рабочей зоне системы угол был по возможности больше.

2.3 Погрешности определения координат объекта позиционным методом Местоположение объекта позиционным методом определяется как точка пересечения как минимум двух линий положения различных семейств. Погрешность определения линий положения приводит к погрешности нахождения координат объекта. Если объект М находится на значительном расстоянии от наземных станций, то погрешности l1 и l2 определения пересекающихся линий положения АВ и CD (рисунок 2.4) считают малыми по сравнению с расстояниями от объекта до станций. Линии положения А'В' и C'D', полученные в результате измерения, считаются параллельными линиям АВ и CD. Точка М', соответствующая оценке положения объекта, найденной в результате измерения, оказывается на расстоянии r от точки М, отражающей истинное положение объекта. Таким образом, расстояние r есть радиальная погрешность измерения. Так как l1 и l2 перпендикулярны линиям положения, то, согласно рисунку 2.4, радиальная погрешность где M —угол, под которым пересекаются линии положения.

Так как погрешности l1 и l2 —величины случайные, то случайна и радиальная погрешность r и ее среднеквадратическое значение где — коэффициент взаимной корреляции погрешностей определения линий положения.

При некоррелированности измерений линий положения = среднеквадратическое значение погрешности измерения местоположения Таким образом, точность нахождения местоположения растет при уменьшении погрешностей определения линий положения l1 и l 2 и приближения угла пересечения линий положения M к 90°.

Если оценка погрешностей на основе приближенных формул недостаточна, то используют более полные статистические характеристики, позволяющие оценить вероятность того, что расчетная точка пересечения двух линий положения находится в пределах области, называемой эллипсом погрешностей или эллипсом рассеяния.

Ориентировка эллипса погрешностей зависит от погрешностей измерения линий положения l1 и l 2 и угла пересечения линий положения M.

В случае одинаковой точности определения линий положения, т.е. при l1 = l 2 = l, большая полуось эллипса a совпадает с биссектрисой угла M, а размеры полуосей эллипса погрешностей где c1 —постоянная величина.

При M = 90° эллипс превращается в окружность, так как a = b = l c1. Вероятность попадания расчетных координат объекта в пределы области Q, ограниченной эллипсом погрешностей:

Это выражение позволяет вычислить вероятность PM при заданных размерах эллипса погрешностей. Так, значения c1 = 1,5; 2,0; 2,5;

3,0 соответствуют вероятностям PM = 0,68; 0,86; 0,96; 0,99. Полученные соотношения используются при расчете рабочих зон РНС.

2.4 Рабочие зоны радионавигационных систем Рабочая зона (область) РНС—часть пространства (поверхности), в пределах которой обеспечивается нахождение координат объекта с погрешностью, не превышающей максимально допустимой m. При этом принимаемый сигнал должен превышать пороговое значение Рсмин, соответствующее максимальной дальности действия системы.

Таким образом, границы рабочей зоны определяются равенствами D = Dmax и r = rm, где r — среднеквадратическое значение радиальной погрешности согласно формуле (2.7); rm —ее максимально допустимое значение.

Обычно границы рабочей зоны РНС рассчитывают из условия заданной точности местоопределения r rm, условие D Dmax является проверочным, поскольку максимальная дальность действия РНС зависит от порогового сигнала, необходимого для получения точности местоопределения не ниже заданной. Найдем рабочие зоны дальномерных, угломерных, угломерно-дальномерных и разностнодальномерных систем.

Рабочие зоны дальномерных РНС. Построим рабочую зону дальномерной системы с запросчиком на борту объекта в точке М (рисунок 2.5) и двумя наземными ответчиками в точках А и В на расстоянии d между ними. Если погрешность измерения времени задержки до обоих ответчиков одинакова: A = B =, то по формуле (2.8) для независимого измерения дальностей DA и DB найдем так как l = D / g D = D = c / 2 (для дальномерных систем g D = 1).

По формуле (2.9) можно построить кривую равной точности r = rm, ограничивающую рабочую зону РНС. Для этого нужно вычислить угол M из условия Следовательно, кривая равной точности есть линия, все точки которой являются вершинами угла M = const, т. е. окружность, проходящая через точки А и В; отрезок d есть хорда этой окружности.

Так как центральный угол хорды равен 2 m, то из треугольника АОС легко найти радиус окружности равной точности:

R pm = OA = d / ( 2sin m ). Через точки А и В можно провести и вторую окружность равной точности, симметричную относительно d. Площадь, ограниченная этими окружностями, и будет рабочей зоной дальномерной системы, в пределах которой погрешность определения местоположения не превышает допустимую rm.

Иногда условия работы системы в некоторых направлениях неодинаковы (например, при расположении ответчиков на берегу) и приходится учитывать ограничения рабочей зоны системы по ее максимальной дальности действия D Dmax.

Рабочие зоны угломерных РНС. Построим рабочую зону угломерной РНС, когда радиопеленгатор находится на борту объекта в точке М (рисунок 2.6), а наземные маяки расположены в пунктах А и В на расстоянии d между собой и DA и DB от объекта М, при этом линии положения пересекаются под углом M.

Предполагая, что измерение азимутов A и B производится с одинаковой точностью A = B =, а меридианы в пунктах А, В и М можно считать параллельными, с учетом выражения (2.5) запишем формулу (2.8) в виде Для построения линии равной точности, ограничивающей рабочую зону угломерной системы, нужно решить уравнение (2.11) при r = rm. Это уравнение приводят к более простому виду r = K d. Для коэффициента составлены таблицы, приведенные в специальной справочной литературе по радионавигации.

В этом случае кривые равной точности строят в соответствии с формулой Кривые равной точности угломерной системы также располагаются симметрично относительно базы d, но они отличаются от окружностей и не все проходят через точки А и В. В частности, при M =109°28' кривые равной точности сжимаются в точку, лежащую на нормали, к середине базы d на расстоянии, равном d / 2 3 по обе стороны от нее. В этих точках погрешность местоопределения минимальна: r = r min = 0,016d. Для всех остальных точек рабочей зоны угломерной системы погрешность определения местоположения выше.

Так как с увеличением расстояния от базы погрешность местоопределения быстро растет, то ограничение рабочей зоны условием r rm является более жестким, чем D Dmax ; последнее для угломерных систем обычно не учитывают.

Рабочие зоны угломерно-дальномерных систем. Угломернодальномерный метод местоопределения используют в системах радиолокации, ближней навигации и посадки самолетов. Для таких систем линии положения пересекаются под углом M = 2, l1 = D и l 2 = D. Поэтому формула (2.8) для погрешности r принимает вид Из этого уравнения при r = rm = const можно найти линию равной точности, ограничивающую рабочую область системы. Из формулы (2.13) следует, что этой линией будет окружность с центром в месте расположения наземной станции и радиусом При построении рабочей зоны учитывают условие D Dmax, а также форму ДНА наземной станции и другие ее параметры (например, длительность импульса), которые могут ограничивать рабочую зону системы также по минимально возможной дальности работы системы.

Рабочие зоны разностно-дальномерных систем. Для определения местоположения объекта М в разностно-дальномерной системе используют по крайней мере две пары станций АВ и АС (рисунок 2.7) с пересекающимися под углом M линиями положения (гиперболами).

Если погрешности измерения времени задержки по первой и второй парам равны соответственно 1 и 2, а базовые углы первой и второй пар— 1 и 2, то в соответствии с формулой (2.6) Если эти погрешности независимы, то, согласно выражению (2.8), При 1 = 2 =, что часто бывает на практике, выражение (2.15) упрощается:

Это соотношение можно упростить для основных областей (I и II на рисунке 2 7) рабочей зоны системы, где угол M представляют через углы 1 и 2, которые делятся касательными к гиперболам в точке М пополам. Поэтому M = ( 1 + 2 ) / 2 и, следовательно, фициент, на основе которого строят линии равной точности, например линию, ограничивающую рабочую зону системы в соответствии с уравнением K p = rm c.

Рабочая зона разностно-дальномерной системы имеет сложную конфигурацию, определяемую геометрическим фактором системы (размещением станций).

2.5 Влияние геометрического фактора радионавигационной системы и условий распространения радиоволн на точность определения местоположения объекта При построении рабочих зон РНС вводят геометрический фактор системы Г, связывающий точность местоопределения с видом системы и взаимным расположением станций и объекта. При определении границ рабочих зон РНС использовалась формула (2.8). С учетом выражения (2.1) можно привести ее к виду поскольку при равноточных измерениях радионавигационного параметра р l1 = p / g1, l 2 = p / g 2. Из формулы (2.18) получим общее выражение для геометрического фактора РНС являющегося отношением погрешности определения местоположения к погрешности измерения РНП. Из выражения (2.19) следует, что линии равной точности, использованные ранее для определения рабочих зон РНС, являются линиями постоянного геометрического фактора. Следовательно, выражение (2.19) может быть использовано для построения линий равной точности, в частности для определения границ рабочих зон.

Для дальномерной РНС градиент g D = 1. Следовательно, Для угломерной системы g = 1/ D и Для разностно-дальномерной системы g Dp = 2sin ( / 2 ) и Анализ приведенных формул позволяет выбрать наиболее рациональное расположение станций системы (геометрию системы) для обслуживания заданного района, например района интенсивных полетов. Для этого станции системы нужно расположить так, чтобы интересующий район находился в области наименьших значений Г.

В заключение отметим, что коэффициенты K и K p, использованные при определении границ рабочих зон угломерной и разностно-дальномерной систем, являются геометрическим фактором соответствующей системы на границе ее рабочей зоны.

При выборе или создании РНС для того или иного типа объектов и района обслуживания должны учитываться особенности распространения радиоволн.

В РНС с наземным базированием для точного местоопределения используют поверхностные волны, имеющие более стабильные параметры, чем пространственные, отраженные от ионосферы. Однако скорость распространения радиоволн над подстилающей поверхностью отличается от скорости распространения в однородной атмосфере, что может оказывать существенное влияние на точность местоопределения, особенно в системах дальней радионавигации. Прогнозирование скорости распространения и введение соответствующих поправок затруднено при неоднородности подстилающей поверхности на трассе распространения. В этом случае приходится определять поправки для отдельных участков трассы, после чего вычислять усредненную скорость для всей трассы.

В диапазоне гектометровых (средних) волн под воздействием неоднородностей подстилающей поверхности и атмосферы наблюдается зависимость фазовой скорости распространения от частоты (дисперсия скорости распространения). Поэтому при составлении навигационных карт импульсных РНС учитывают усредненное по всем частотам спектра сигнала значение скорости распространения радиоволн, называемое групповой скоростью vгр.

На положение фазового фронта поверхностных радиоволн, а следовательно, и на точность местоопределения также влияют локальные неоднородности подстилающей поверхности вблизи точки приема радиосигнала (горы, холмы, береговая линия, линии электропередачи). Учесть их влияние можно лишь калибровкой системы непосредственно в месте приема.

В глобальных РНС наземного базирования, работающих в мириаметровом диапазоне радиоволн (СДВ), погрешности измерения РНП связаны с сезонными и суточными изменениями фазы колебаний принимаемых радиосигналов, зависящими от высоты Солнца вдоль трассы распространения. Прогнозировать поправки можно лишь для регулярной составляющей этих изменений. Предсказать воздействие случайных ионосферных возмущений заранее невозможно. Однако, учитывая значительную корреляцию изменений условий распространения в этом диапазоне радиоволн на ближайших расстояниях (над морем до нескольких сотен километров), можно оперативно вводить поправки, вычисляемые на контрольных пунктах и сообщаемые по каналу связи потребителю. Используются также способы автоматического ввода поправок непосредственно при определении местоположения объекта.

3 АВИАЦИОННЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

3.1 Угломерные радионавигационные системы Угломерные РНС делятся на наземные радиопеленгаторы и самолетные радиокомпасы. Радиопеленгатором называется радиоприемное устройство с направленным приемом радиоволн, предназначенные для определения направления на источник излучения.

Радиопеленгаторы относятся к угломерным радионавигационным системам, позволяющим определить направление на источник радиоволн, т.е. производить пеленгование.

Зависимость напряжения принимаемого радиосигнала от направления прихода радиоволн описывается выражением (1.6) и для определения направления прихода радиоволн можно непосредственно использовать зависимость амплитуды принимаемого сигнала от отклонения оси ДНА от направления на источник радиосигнала, выражаемую функциями G ( ) и G ( ). Такой метод пеленгования называется амплитудным.

При приеме сигнала на две или несколько разнесенных в пространстве антенн фазовый сдвиг сигналов, возбуждаемых в антеннах, зависит от направления прихода радиоволн. Метод определения направления измерением фазовых сдвигов сигналов в антеннах называют фазовым.

При частотной модуляции сигнала возможно использование и частотного метода определения направления, который иногда применяется совместно с амплитудным для повышения точности РНС.

Наибольшее распространение нашли амплитудные самолетные радиопеленгаторы.

Направление на источник излучения определяется методами максимума, минимума и сравнения амплитуд (рисунок 3.1).

При пеленговании по методу максимума используется однолепестковая диаграмма направленности (рисунок 3.1,а). Направление на источник излучения определяется по максимуму принимаемого сигнала.

Достоинство – простота антенной системы. Недостаток – трудно создать узкую диаграмму направленности при необходимости обеспечить большую дальность, что приводит к малой крутизне изменения сигнала при значительных отклонениях от направления на источник излучения.

При пеленговании по методу минимума используется двухлепестковая диаграмма направленности антенны (рисунок 3.1,б). Пеленг при этом определяется по минимальному принимаемого сигнала от источника излучения.

Крутизна изменения сигнала здесь выше, но наличие шумов приводит к появлению зоны неопределенности, т.е. сигнал от источника излучения исчезнет в шумах раньше, чем суммарная диаграмма направленности своим минимумом будет направлена на источник излучения, одновременно в момент пеленга исчезает и сигнал.

Радиопеленгаторы, использующие метод сравнения сигналов, имеют двухлепестковую диаграмму направленности (рисунок 3.1,в).

Каждый лепесток имеет свою окраску. Например, промодулирован разными частотами.

Направление на источник определяется в момент, когда сигналы от обоих лепестков равны (равносигнальная зона). Данный метод более точен, но сложен в техническом решении из-за сложности антенных систем, необходимых для получения двухлепестковых диаграмм направленности.

Радиопеленгаторы широко используются в авиационной навигации. С помощью наземных радиопеленгаторов определяется направление на самолетную радиостанцию (пеленг), а с помощью самолетных радиопеленгаторов (радиокомпасов) – курсовой угол радиостанции (рисунок 3.2).

Таким образом, радиокомпасами называются бортовые автоматические радиопеленгаторы, позволяющие непрерывно определять курсовой угол наземного радиопередатчика. Пеленгуемым передатчиком может служить широковещательная радиостанция (PC) или PC, специально предназначенная для определения направления с борта ВС в точку ее расположения. Такая PC называется приводной, или ненаправленным радиомаяком (РМ).

Приводные радиостанции (ПРС) устанавливают на воздушных трассах и аэродромах. В последнем случае они называются приводными аэродромными PC. Основное их назначение — обеспечение вывода ВС в точку их размещения (эта операция называется приводом ВС). Вывод осуществляется полетом с выдерживанием КУР, равным нулю (пассивный полет), или с выдерживанием КУР, равным углу сноса (активный полет). Радиокомпас позволяет фиксировать и момент пролета ПРС: в этот момент КУР изменяется скачком на 180°. Радиокомпасы используют также для вывода ВС в точку нахождения ВС, потерпевшего аварию. Радиокомпасы отличаются также простотой конструкции, надежны и удобны в работе.

Поэтому они получили широкое распространение. Кроме задач навигационного характера, радиокомпасы могут использоваться в качестве резервного средства односторонней связи между руководителем полетов и экипажем, пригодного для передачи данных на борт с помощью приводной PC при отказе бортовой радиостанции на самолете.

Современные АРК используются при полете ВС по маршруту и предпосадочном маневрировании. Существуют также специальные АРК ультракоротковолнового диапазона для привода ВС на аварийные радиостанции и другие УКВ радионавигационные точки при поисковых и спасательных работах. В составе навигационных комплексов (НК) автоматические радиокомпасы используются как резервное радионавигационное устройство, поскольку на всех современных ВС установлена бортовая аппаратура радиосистемы ближней навигации (РСБН).

Современные АРК работают в международном диапазоне частот 150-1799,5 кГц. Переключение настройки на дальнюю и ближнюю приводные аэродромные радиостанции при заходе на посадку происходит автоматически.

Принцип действия АРК основан на использовании направленных свойств рамочной антенны (РА) (рисунок 3.3). РА с одной вертикальной обмоткой имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности (ДН) в виде восьмерки с двумя четко выраженными направлениями нулевого приема, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 1800.

Электромагнитное поле с вертикальной поляризацией наводит в РА ЭДС, амплитуда которого зависит от направления прихода радиоволны.

Сигнал на выходе рамки определяется выражением где 0 = 20 - несущая частота сигнала радиостанции; Ерm - максимальная амплитуда ЭДС; - угол между нормалью к плоскости рамки и направлением прихода радиоволн. На рисунке 3.3 E и H - векторы напряженности электрического и магнитного полей, P - вектор Умова-Пойтинга, характеризующий направление распространения радиосигнала.

Максимальная амплитуда сигнала Epm зависит от напряженности электромагнитного поля, от количества витков в рамке и от магнитных свойств сердечника, на который намотана рамка. В рамке наводится максимальная ЭДС, если плоскость рамки совпадает с направлением прихода сигнала, т.е. = 900 или = 2700, и ЭДС равна 0, если = 0 или = 1800. При переходе через направление нулевого приема фаза сигнала на выходе РА меняется на 1800. Используя направление нулевого приема, можно запеленговать работающую радиостанцию (рисунок 3.4), но при наличии шумов точность пеленгования будет невысокой. Кроме того, отсчет пеленга будет неоднозначным.

Для повышения точности пеленгования и устранения неоднозначности отсчета сигнал e p (t ) необходимо сложить с сигналом ненаправленной антенны (ННА) ea (t ), который имеет вид:

Анализ сигналов по формулам (3.1) и (3.2) показывает, что сигнал РА e p (t ) сдвинут по фазе относительно сигнала ННА ea (t ) на 900. Это объясняется тем, что РА является магнитной и работает на магнитную составляющую радиоволны, а ННА это электрическая антенна, которая работает на электрическую составляющую радиоволны. Кроме того, максимальная амплитуда сигнала РА Ерm много меньше амплитуды сигнала ННА Еа из-за того, что действующая высота РА много меньше действующей высоты ННА. Поэтому указанные сигналы перед сложением необходимо сбалансировать по амплитуде и фазе. Для этого сигнал РА усиливается и сдвигается по фазе в канале РА так, чтобы Ерm = Еа = Е, а сигналы e p (t ) и ea (t ) были в фазе или в противофазе. После сложения суммарный сигнал будет иметь вид При этом можно предположить, что сигнал, описываемый выражением (3.3), получен на выходе некоторой суммарной антенной системы, имеющей ДН в виде кардиоиды. На рисунке 3.5 знаком "0" условно помечены зоны ДН, от которых сигнал имеет начальную фазу 0, а знаком "" - начальную фазу 1800.

Если перед сложением сигнала РА e p (t ) коммутировать, периодически меняя фазу высокочастотного заполнения на 1800 (на рисунке 3.5 знаки "0" и “” в скобках), то суммарная ДН будет перебрасываться относительно вертикальной оси (пунктирная кардиоида).

Таким образом, получается равносигнальное направление, которое и используется для пеленгования работающей радиостанции.

Сигнал (3.3) в этом случае приобретает вид Это амплитудно-модулированный сигнал, а m = sin - коэффициент амплитудной модуляции. Знаки "+" и "-" чередуются с частотой коммутации сигнала рамочной антенны. Коэффициент модуляции m, а следовательно, и глубина амплитудной модуляции суммарного сигнала зависит от угла. Фаза амплитудной модуляции зависит от стороны отклонения угла относительно равносигнального направления.

При невыполнении баланса фаз сигналов формул (3.1) и (3.2) в суммарном сигнале появляется паразитная фазовая модуляция и снижается коэффициент амплитудной модуляции. Если нарушается условие баланса амплитуд, то при Еа > Ерm минимум кардиоиды притупляется (рисунок 3.6,а), коэффициент амплитудной модуляции уменьшается. При Еа < Ерm кардиоида приобретает дополнительный минимум (рисунок 3.6,б), в суммарном сигнале наступит перемодуляция. Во всех случаях снижается чувствительность следящей системы АРК и увеличивается погрешность определения КУР.

Продетектировав сигнал (3.4), можно выделить напряжение огибающей амплитудной модуляции и использовать его для вращения РА. Для этого усиленное напряжение огибающей суммарного сигнала подается на двигатель вращения РА. В зависимости от фазы этого напряжения двигатель будет вращаться в ту или иную сторону.

Когда одно из равносигнальных направлений совпадет с направлением прихода радиоволн, то m = 0, амплитудная модуляция будет отсутствовать, напряжение огибающей будет равно нулю и двигатель остановится. Рамочная антенна будет ориентирована на работающую радиостанцию.

Такая замкнутая система автоматического управления и положена в основу принципа работы АРК.

Обобщенная структурная схема АРК показана на рисунке 3.7.

Сигнал с РА поступает в канал рамочной антенны (КРА), где усиливается и сдвигается по фазе для фазировки и балансировки с сигналом ННА. При этом необходимо учитывать набег фазы при прохождении сигнала по кабелю, соединяющему РА с КРА. Усиленное и сфазированное напряжение КРА коммутируется в балансном модуляторе (БМ) сигналом генератора низкой частоты (ГНЧ) и подается на контур сложения (КС), где складывается в фазе или противофазе с сигналом ННА. Напряжение суммарного сигнала обрабатывается супергетеродинным приемником АРК.

Приемник имеет два выхода. На один выводится сигнал управления вращения двигателя. Его частота равна частоте коммутации, фаза зависит от знака КУР, а амплитуда - от величины КУР. Этот сигнал выделяется амплитудным детектором, усиливается по мощности усилителем компасного канала (УКК) и поступает на управляющую обмотку двигателя отработки (Д). На обмотку возбуждения двигателя в качестве опорного поступает напряжение с ГНЧ. В зависимости от соотношения фаз этих напряжений двигатель вращает в ту или иную сторону РА, приводя одно из равносигнальных направлений к направлению прихода радиоволн.

Если принимаемый радиосигнал несет в себе какую-либо информацию, например позывной сигнал радиомаяка или команду управления, то после амплитудного детектора этот сигнал выделяется фильтром звуковых частот и поступает на телефонный выход приемника.

Для улучшения динамических свойств компасного канала АРК он обычно охвачен отрицательной обратной связью по скорости.

Для этого на валу двигателя устанавливается тахогенератор (ТГ), напряжение с которого в противофазе складывается с напряжение компасного канала.

С помощью сельсин-трансформаторной связи двигатель связан с указателем КУР, установленным в кабине ВС.

По такой схеме были разработаны АРК -9, -10. Их основными недостатками является наличие массивной подвижной РА, требующей для своего вращения мощный двигатель отработки. Частота ГНЧ составляла 30 Гц, а двигатель работал на частоте 400 Гц. Поэтому требовались преобразователи управляющего напряжения частоты 30 Гц в управляющее напряжение 400 Гц.

Кроме того, механизм вращения РА вынужден работать в неблагоприятном температурном режиме из-за необходимости размещения РА вблизи обшивки самолета, которая может сильно нагреваться при больших скоростях ВС. Все это приводит к росту массы и габаритов и к снижению надежности АРК.

Свободны от этих недостатков АРК-15, АРК-19 и АРК-22. Вместо подвижной РА в них используется система «неподвижная рамочная антенна-гониометр» (рисунок 3.8).

На ферритовом сердечнике РА намотаны две взаимно перпендикулярные рамки - продольная и поперечная. Сигнал с РА поступает на гониометр, представляющий собой две полые взаимно перпендикулярные полевые катушки, каждая из которых подключена к соответствующей обмотке РА. Под действием ЭДС, наводимых в рамках РА внешним электромагнитным полем, в полевых катушках протекают пропорциональные им токи, создавая внутри полевых катушек магнитное поле, вектор которого ориентирован так же, как магнитный вектор внешнего электромагнитного поля.

Внутри полевых катушек помещается миниатюрная подвижная рамка, играющая роль подвижной РА. В ней наводится ЭДС под действием магнитного поля полевых катушек. Эта ЭДС и используется в качестве выходного сигнала РА. Полевые катушки вместе с подвижной рамкой, называемой роторной или искательной катушкой, образуют гониометр.

Система, состоящая из неподвижной рамочной антенны и гониометра, полностью эквивалентна подвижной РА, используемой в АРК первого поколения.

Сигнал, снимаемый с выхода искательной катушки, полностью эквивалентен сигналу (3.1) на выходе подвижной РА.

Преимущества такой системы в следующем. Массивная неподвижная РА может быть закреплена под радиопрозрачным колпаком вблизи обшивки ЛА, а гониометр - вмонтирован в корпус приемника АРК. Таким образом, механизм вращения работает в нормальных температурных условиях. Для вращения легкой роторной катушки используется микродвигатель. Кроме того, в АРК-15, АРК-19 и АРК-22 частота модуляции составляет 135 Гц. На этой же частоте работает микродвигатель отработки. Следовательно, отпадает необходимость в преобразователях напряжения. Вместе с электронной настройкой контуров это позволило снизить массу и габариты и повысить надежность и эксплуатационные характеристики АРК. Помимо этого АРК-19, АРК- имеют встроенный контроль, позволяющий оперативную проверку работоспособности АРК.

Однако эти изменения касаются больше конструкции и принципиальной схемы АРК, но не меняют принципа действия АРК.

3.2 Дальномерные системы Дальномерные радионавигационные устройства и системы широко используются для целей самолетовождения и посадки летательных аппаратов. Они предназначены для измерения расстояний от ВС до радионавигационных точек. В качестве радионавигационных точек могут быть наземные станции, радиомаяки, другие ВС, земная поверхность и так далее.

По принципу измерения дальности радионавигационные дальномеры (РНД) делятся на РНД без ответчика и РНД с ответчиком.

В РНД без ответчика измеряется время распространения сигнала, излучаемого наземной станцией, до ВС, на борту которого установлено приемное устройство. Обобщенная структурная схема РНД без ответчика представлена на рисунке 3.9. В составе передатчика наземной станции и бортового приемника имеются высокостабильные эталонные генераторы, которые перед вылетом синхронизируются между собой специальным сигналом синхронизации, излучаемым наземной станцией.

По принятому сигналу на борту ВС измеряются или интервал времени Д = D с между опорным импульсом и импульсом на выходе приёмника (при импульсном характере излучения наземной станции), или разность фаз между напряжением бортового опорного генератора и выходным напряжением приемника (при непрерывном или квазинепрерывном излучении наземной станции). Измеряемая дальность определяется соответственно выражениями:

где с — скорость распространения радиоволн; ср — частота сравнения, на которой осуществляется измерение разности фаз.

Как следует из выражений (3.5) и (3.6), погрешность измерения дальности равна:

Величина д (или д ) в основном зависит от нестабильности частоты опорного генератора и времени полета и может быть представлена в виде где — относительная нестабильность несущей частоты опорноf го генератора; tnoл — время полета; 1 — ошибка измерения времени распространения, обусловленная нестабильностью скорости распространения радиоволн, неточностью синхронизации бортового генератора, действием помех и рядом других факторов.

Для удовлетворения современным требованиям, предъявляемым к точности измерения дальности ( D = 1 3 км при t пол 10 ч), эталонные генераторы должны иметь относительную нестабильность частоты f 0 / f 0 = 109 1010. Такая высокая стабильность частоты может быть достигнута в атомных и молекулярных генераторах. Необходимость обеспечения высокой стабильности частоты эталонных генераторов является основным недостатком РНД без ответчика. Достоинства таких РНД состоят в следующем:

бортовое оборудование не работает на излучение, благодаря чему достигается высокая скрытность;

неограниченная пропускная способность;

сравнительно большая дальность действия, поскольку мощность наземной станции может быть выбрана достаточно большой.

Успехи, достигнутые к настоящему времени в создании молекулярных квантовых генераторов, делают РНД без ответчика весьма перспективными, тем более что одна наземная станция может обслуживать неограниченное число ВС, находящихся в зоне ее действия.

В РНД с ответчиком имеются два канала связи: запроса и ответа. Стабильный опорный генератор входит в состав только бортовой станции, называемой запросчиком. Станция, которая излучает ответные импульсы, называется ответчиком. Ответчик может устанавливаться как на земле, так и на ВС. Обобщенная структурная схема РНД с ответчиком изображена на рисунке 3.10.

На борту ВС измеряется суммарное время распространения D радиосигналов от запросчика к ответчику и обратно:

Шкала дальномера градуируется в соответствии с формулой (3.7), т.е. D = c д / 2. Погрешность измерения дальности равна:

D = c д / 2. При этом в отличие от РНД без ответчика в РНД с ответчиком ошибка измерения д в основном определяется нестабильностью опорного генератора и не зависит от времени полета. В связи с этим требования к стабильности опорного генератора в РНД с ответчиком значительно ниже и имеют порядок df 0 / f 0 = 105 Такая стабильность частоты обеспечивается обычным кварцевым генератором. Это является основным достоинством РНД с ответчиком, благодаря чему они в настоящее время находят широкое применение в радиосистемах ближней навигации.

К основным недостаткам РНД с ответчиком можно отнести следующие:

ограниченная пропускная способность (зависящая в основном от энергетических возможностей передатчика ответчика, который должен с требуемым качеством обслуживать заданное количество запросчиков);

не обеспечивается скрытность работы бортового оборудования;

дальность действия РНД ограничивается мощностью бортового передатчика;

более низкая по сравнению с РНД без ответчика помехоустойчивость из-за наличия двух каналов связи;

работа каналов запроса и ответа обычно производится на различных частотах, что приводит к расширению занимаемого диапазона частот.

Частным видом РНД с ответчиком являются радиовысотомеры.

В качестве ответчика в данном случае используется земная поверхность.

При использовании дальномерных РНС для целей посадки наряду с измерением дальности до РНТ требуется непрерывное измерение истинной высоты полета ВС над земной поверхностью. Высота полета — один из основных параметров движения, и для обеспечения безопасности полета экипаж должен непрерывно располагать информацией о высоте заданной траектории движения и действительной высоте полета. Основным источником информации о высоте ВС при полетах на больших и средних высотах является барометрический высотомер, который обеспечивает измерение относительной высоты полета с точностью до нескольких десятков метров, достаточной для самолетовождения. Барометрический высотомер используется также для эшелонирования по высоте.

Для управления ВС при посадке необходимо располагать данными об истинной высоте полета над земной поверхностью с точностью до 1 м. Барометрические высотомеры не позволяют определять истинную высоту и не обладают требуемой для решения задач посадки точностью. Поэтому несмотря на их простоту и надежность они не могут использоваться в составе пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) в качестве основных измерителей высоты. В состав ПНК включают радиовысотомеры (РВ), обеспечивающие измерение истинной высоты полета с высокой точностью.

Радиовысотомеры представляют собой основные датчики информации о высоте ВС в системе автоматической посадки при отсутствии видимости. Они позволяют также контролировать момент прохода заданной высоты полета. При пересечении заданного уровня выдаются звуковой и световой сигналы, причем световой сигнал выдается не только при проходе заданной высоты, но и в течение всего времени пребывания ВС на высоте, менее заданной. Наконец, радиовысотомер используют в качестве одного из датчиков информации о скорости снижения ВС в современных системах сигнализации об опасной скорости сближения с землей.

Визуальная индикация значений истинной высоты полета в зависимости от типа самолета осуществляется на указателе высоты, на прицельно-пилотажном индикаторе (ППИ) или на системе единой индикации (СЕИ).

При измерении дальности требуется измерить временную задержку t между излучаемым и принимаемым сигналами, которая пропорциональна текущей дальности Дт. При этом в дальномерных РНС используется непосредственное измерение временного интервала либо фазы и частоты, являющихся функциями времени и позволяющих моделировать время в соответствующем масштабе. В зависимости от этого различают временные, фазовые и частотные методы дальнометрии (п. 1.5). Использование информации об изменении амплитуды сигнала для оценки дальности хотя принципиально и возможно (по затуханию сигнала), но применения не нашло ввиду того, что амплитуда радиосигнала зависит от изменения условий распространения радиоволн, изменения мощности излучения и других параметров радиодальномера. Излучаемые сигналы, используемые для измерения дальности, могут быть модулированы и немодулированы, т. е. измерения могут выполняться на несущей частоте, частоте модуляции и частоте биений излучаемых и принимаемых сигналов.

В зависимости от способа построения схем оптимального (квазиоптимального) измерения дальности последние подразделяют на измерители неследящего и следящего типа. Наиболее широкое применение в современной радионавигации находят следящие измерители дальности (СИД). Схема СИД в общем случае состоит из кольца отслеживания дальности (временной дискриминатор, экстраполятор, синтезатор задержки), а также схемы поиска и захвата. СИД формирует следящие импульсы, временное положение которых отображает лишь плавное, закономерное изменение дальности и практически не изменяется под воздействием хаотических шумовых возмущений. В этом смысле СИД подобен сглаживающему фильтру для функции Н(t). При отсчете дальности по положению следящих импульсов с использованием СИД обеспечивается высокая точность измерения.

В зависимости от вида используемого радиосигнала оценка временного интервала производится на основе измерения частотного или временного сдвига принимаемого сигнала относительно опорного.

Соответственно различают радиовысотомеры с частотной модуляцией (РВ с ЧМ) и импульсные РВ (ИРВ).

Современные импульсные радиовысотомеры (ИРВ) представляют собой импульсную радиолокационную станцию, работающую в диапазоне частот около 4300 МГц. Принцип действия ИРВ (рисунок 3.11) основан на точном измерении времени, требуемого для прохождения импульса электромагнитной энергии от ВС до земли и обратно, и преобразовании его в информацию о высоте в цифровой и аналоговой форме. Временной интервал между излученным и отраженным импульсами пропорционален измеряемой высоте = 2 H / c.

Рисунок 3.11 - Обобщенная структурная схема радиовысотомеров Измерение временного интервала происходит путем счета двоичным счетчиком измерительных импульсов, заполняющих этот интервал. Для увеличения точности измерений используется кварцевая стабилизация генератора измерительных импульсов.

В недалеком прошлом ИРВ применялись для измерения больших высот от 300 до 30 000 м. Поэтому ИРВ называли радиовысотомерами больших высот. В настоящее время это название не соответствует действительности, поскольку ИРВ могут измерять весь диапазон используемых высот от 0 до 30 000 м и могут использоваться как для решения специальных задач (бомбометание, десантирование, аэрофотосъемки и т.д.), так и для решения задач посадки и рельефного полета.

ИРВ выдают звуковой и световой сигналы при достижении опасной высоты при снижении, которая предварительно устанавливается летчиком на указателе высоты. Кроме того, они выдают разовые сигналы в ПНК при достижении трех любых заранее заданных высот.

Импульсные РВ обладают рядом преимуществ. В частности, импульсный режим работы снимает проблемы развязки между приемным и передающим трактами на большой высоте, следовательно, нет принципиальных ограничений по высотности РВ. Они хорошо сопрягаются с БЦВМ. Поэтому ИРВ являются наиболее перспективными для использования их на ВС.

Недостатком ИРВ можно считать пока еще более низкую точность измерения малой высоты по сравнению с РВ с ЧМ.

Для повышения помехозащищенности в ИРВ применяется временное стробирование отраженного сигнала, то есть приемник открывается в момент прихода отраженного от земли импульса. В остальное время приемник закрыт, и случайные импульсные помехи не могут повлиять на работу измерителя высоты.

Чтобы обеспечить временное стробирование, ИРВ имеет два основных режима работы: поиск отраженного сигнала и измерение высоты (режим слежения). Предусмотрен режим встроенного контроля, обеспечивающий проверку общей работоспособности РВ на аэродроме, в полете и при проведении регламентных работ.

Функциональная схема ИРВ РВ-21 (А-035) показана на рисунке 3.12, а эпюры напряжений, поясняющие принцип работы,— на рисунке 3.13.

На рисунках 3.12 и 3.13 приняты следующие обозначения:

ГБП- генератор быстрой пилы; ГМП – генератор медленной пилы;

ВД – временной дискриминатор; СУ – схема управления; ГИ- генератор счетных импульсов; ГСИ – генератор селекторных импульсов;

СЧ- счетчик.

Выделение информации о текущей высоте обеспечивается в блоке обработки информации (БОИ), который может работать в трех режимах: поиск, измерение (слежение) и контроль.

Рисунок 3.12 - Упрощенная функциональная схема импульсного Режим поиска служит для поиска отраженного от земной поверхности импульса. Одновременно с излучением зондирующего импульса в БОИ запускается генератор быстрой пилы, формирующий импульсы пилообразной формы, мгновенное значение амплитуды которых пропорционально времени с момента излучения импульса передатчика (рисунок 3.13). Сигнал с выхода ГБП поступает на компаратор. На второй вход компаратора подается напряжение с генератора медленной пилы (ГМП).

Компаратор формирует импульс запуска генератора селекторных импульсов (ГСИ) в момент выполнения равенства напряжений UГБП=UГМП. Селекторный импульс (СИ) поступает на временной дискриминатор (ВД), на второй вход которого поступает импульс с выхода приемника.

Если время прихода селекторного импульса с выхода приемника не совпадает, то происходит перемещение селекторного импульса на определенный временной интервал с периодичностью, равной периоду следования импульсов ГБП. Селекторный импульс перемещается в диапазоне времени, кратном диапазону измеряемых высот. При достижении селекторным импульсом конца диапазона поиска происходит возвращение ГМП в исходное состояние (ноль высоты).

Режим измерения (сопровождения) наступает в тот момент, когда во временном дискриминаторе происходит совпадение селекторного импульса с импульсом, отраженным от земной поверхности.

Временной дискриминатор формирует импульс совпадения (UВД), который поступает на схему управления (СУ). Кроме этого, ВД подает сигнал на ГМП. ГМП переходит в режим «запоминания» напряжения соответствующего моменту формирования импульса совпадения.

В режиме измерения ВД формирует также управляющее напряжение, пропорциональное уходу времени перекрытия селекторного и отраженного от земной поверхности импульсов от заданного значения. За счет этого происходит увеличение либо уменьшение амплитуды постоянного напряжения на выходе ГМП, а, следовательно, и перемещение селекторного импульса на требуемый временной интервал.

В режиме измерения импульсом с выхода передатчика соответствующим по времени зондирующему импульсу запускается схема управления (СУ), через которую на вход счетчика (СЧ) начинают поступать измерительные импульсы с выхода генератора счетных импульсов (ГИ). Отсчет импульсов ГИ прекращается в момент сформирования импульса совпадения во временном дискриминаторе.

Для повышения точности измерений информация о текущей высоте, полученная на счетчике, не считывается в каждом периоде следования импульсов передатчика, а усредняется за n =1024 измерений.

В результате усреднений среднеквадратическая ошибка измерения временного интервала уменьшится в n раз. Информация о текущей высоте поступает на указатель высоты и другим потребителям через блок связи (БС), обеспечивающий перекодирование выходной информации с учетом возможностей потребителей.

В БОИ предусмотрена память в течение времени 0,2 с. При пропаданиях отраженных сигналов на время меньше 0,2 с, сохраняется неизменным положение селекторного импульса. Если в течение указанного времени появится отраженный от земной поверхности импульс, то сопровождение восстанавливается.

В импульсных РВ минимальная высота H min ограничена длительностью излучаемого импульса t И, поскольку приемный тракт при работе передатчика, как правило, отключается:

Это ограничение имеет существенное значение только в РВ малых высот, вынуждая применять импульсы длительностью несколько наносекунд.

Максимальная высота в импульсных РВ (в километрах) ограничивается только энергетическими возможностями РВ (зависит от импульсной мощности РИ, КНД антенн G0, длины волны, длительности импульса tИ, и т. д.).

Поскольку временной интервал измеряется дискретно, то дискретно будет измеряться и высота. Дискретность измерения определяется периодом следования счетных импульсов. Чтобы эта дискретность не вносила большой погрешности в измерение высоты, период следования счетных импульсов должен быть по меньшей мере на порядок меньше допустимой погрешности РВ. Так, при среднеквадратической погрешности Н =1,5м период следования счетных импульсов должен составлять 1 109 с (цена младшего разряда счетчика 0, м), а частота их следования — 1 ГГц. Такого быстродействия микросхемы, допущенные для использования в авиации, пока не обеспечивают. Поэтому счетные импульсы следуют с частотой порядка МГц. При этом дискретность измерения высоты (цена младшего разряда счетчика) составляет 15 м, т.е. на порядок больше допустимой погрешности РВ.

Чтобы снизить влияние этой дискретности на точность измерения высоты до приемлемой величины, используют усреднение результатов измерения высоты за несколько периодов работы ИРВ (в современных РВ – 1024 отсчета). Чтобы при стробировании приемника не исказить отраженный импульс, схема слежения запускается импульсом, вырабатываемым передатчиком немного раньше, чем импульс начала отсчета. Таким образом, схема слежения, отсчитав время, измеренное счетчиком на предыдущем периоде работы РВ, сформирует стробирующий импульс с некоторым опережением относительно отраженного. Это опережение должно учитывать также динамику изменения высоты при снижении ВС.

Схема слежения включается после того, как отраженный сигнал будет найден на временной оси схемой поиска. Если с выхода приемника пришел импульс случайной помехи, то в следующий период случайная помеха придет в другое время. Повторного совпадения не произойдет и поиск продолжится. Даже регулярная помеха не будет приходить в одно и то же время из-за вобуляции импульсов передатчика.

В случае пропадания отраженного сигнала в режиме слежения схема слежения переходит в режим памяти. Некоторое время (например, 0,2 с) схема выставляет стробирующий импульс в то же место.

Если в течение этого времени отраженный сигнал не появится, ИРВ переходит в режим поиска. Для поддержания постоянства уровня выходного отраженного сигнала приемник РВ охвачен автоматической регулировкой усиления по сигналу (АРУС).

В качестве индикатора в ИРВ используется стрелочно-цифровой указатель высоты. Этот прибор обеспечивает индикацию высоты в диапазоне от 0 до 1500 м по стрелочному индикатору, а от 1024 до 000 м по цифровому индикатору.

Особенности работы импульсных радиовысотомеров на малых высотах. Весь диапазон измеряемых высот в ИРВ разбит на два поддиапазона — от 0 до 512 м и от 512 до 30 000 м. Для повышения точности измерения малых высот в первом поддиапазоне используются короткие радиоимпульсы длительностью 1,2 мкс. При измерении больших высот для увеличения энергетики РВ длительность радиоимпульсов увеличивается до 3 мкс.

На предельно малых высотах отраженный импульс может частично перекрываться по времени с прямым. При этом передающий тракт может оказывать влияние на приемный за счет недостаточной развязки между передающей и приемной антеннами. Чтобы просачивающийся прямой сигнал не влиял на нормальную работу приемника, помимо АРУС в приемнике используется автоматическая регулировка усиления по высоте (АРУВ).

На высотах от 0 до 60 м чувствительность приемника загрубляется так, чтоб прямой просачивающийся сигнал оказался ниже порога чувствительности. Отраженный сигнал имеет на этих высотах большую мощность и будет превышать этот порог. Таким образом, достигается развязка приемного и передающего трактов на малых высотах.

Боевые действия на малых высотах в настоящее время являются одним из основных способов боевого применения фронтовой авиации, поскольку полет на малых высотах в ряде случаев обеспечивает эффективное преодоление самолетами зон ПВО противника. Однако полеты на малых высотах сопряжены с большими трудностями. В первую очередь следует иметь в виду опасность столкновения самолета с наземными препятствиями. Усложняется также самолетовождение, так как уменьшаются поле наблюдения и время на обнаружение препятствий и осмотр района цели. Кроме того, ограничены возможности экипажа по визуальному наблюдению и опознаванию целей, имеются трудности, связанные с управлением самолета.

Получение информации, необходимой для выполнения облета препятствий в вертикальной плоскости (профильный полет), обеспечивается за счет совместного использования данных об истинной высоте полета ВС H u и упрежденной дальности Дупр до препятствия.

Для контроля за упрежденной дальностью в таких системах используется радиодальномер (специальный радиолокатор), а за истинной высотой — РВ малых высот (рисунок 3.14).

Расчетная упрежденная дальность Дупр находится как расстояние, пролетаемое самолетом с некоторой постоянной скоростью за определенное заданное время. На расстоянии Дупр от ВС находится упрежденная точка В. Ось диаграммы направленности антенны радиодальномера поворачивается на расчетный угол a для того, чтобы она была ориентирована в направлении на упрежденную точку В (при полете над равнинной местностью) или направлена на вершину препятствия (при облете возвышенности).

Рисунок 3.14 - Использование РВ на малой высоте полета Благодаря облучению поверхности земли достаточно широким лучом имеется возможность определения дальности до вершины возвышенности Дв. Когда в зоне диаграммы направленности радиодальномера находится вершина возвышенности, передний фронт отраженного сигнала соответствует дальности до нее. Если текущее значение дальности Дтек=Дупр, то команда на управление самолетом по высоте формируется на основании сигнала РВ малых высот.

При ДтекRА1, а RБ2 0 и t2 0 (так как RARБ ).

Для устранения неоднозначности отсчета (т. е. определения t) необходимо, чтобы всегда выполнялось условие t > 0, независимо от того, в какой точке рабочей зоны РНС находится ВС с установленным на его борту навигационным оборудованием.

Очевидно, что если момент излучения радиоимпульсов станцией Б задержать относительно момента излучения радиоимпульса станцией А на время выполняться.

Задержка, равная tАБ, будет наблюдаться в том случае, если станцию Б запускать импульсами, излучаемыми станцией А. Данный принцип работы реализован в существующих импульсных разностнодальномерных системах. Поэтому станция А называется ведущей, а станция Б – ведомой (синхронизируемой). Импульсы, излучаемые ведущей станцией А, достигнут точки М через t A = RA / с после момента их излучения станцией А. Импульсы же станции Б достигнут той же точки М через Из треугольника АМБ (рисунок 3.23) видно, что где бы ни находилась точка М (вершина треугольника), величина одной его стороны |АМ| будет всегда меньше суммы двух других его сторон |АБ| +|БМ|, то есть время прохождения радиоимпульсом расстояния RАБ+RА всегда будет больше времени прохождения радиоимпульсом расстояния RА:

Помимо задержки сигнала, излучаемого ведущей станцией А, на время tАБ предусматривается дополнительная задержка на время tКЗ, называемое временем кодовой задержки. Значение tКЗ можно периодически изменять и этим затруднить использование РНС противником.

С учетом использования задержки радиоимпульсов во времени, временной интервал t для произвольной точки М может быть записан в виде На практике применяют специальные полетные карты с нанесенными на них линиями положения, соответствующими определенному значению t (рисунок 3.25). Линии положения наносятся типографским способом через каждые 50 100 106 с. При необходимости найти промежуточные линии положения, не обозначенные на карте, прибегают к интерполяции между соседними оцифрованными линиями положения, (t1=50 мкс; t2=100 мкс и т.д.) Максимальное количество линий положения, задаваемых системой, можно определить, зная погрешность измерения временного интервала t бортовым приемоиндикатором. Если предположить, что абсолютная погрешность измерения t составляет t, то количество линий положения NЛП определяется соотношением В основу работы фазовых разностно-дальномерных РНС положена зависимость = f (R). В таких РНС осуществляется измерение разности фаз двух когерентных колебаний, создаваемых в точке приема двумя наземными радионавигационными станциями, расположенными в пунктах с известными координатами. Измеренная разность фаз находится в определенной связи с разностью расстояний от подвижного объекта до наземных станций, что позволяет по измеренной разности фаз определить линию положения ВС.

По одной линии положения можно вести ориентировку и осуществлять полет по маршруту, совпадающему с линией положения. Семейство линий положений (гипербол) создается двумя наземными станциями, образующими базу системы. Для определения места ВС необходимо минимум две пары станций, создающих линии положения. Место ВС определяется как точка пересечения двух линий положения, создаваемых разными парами станций.

Все рассуждения относительно импульсных разностнодальномерных PHC справедливы и для фазовых разностнодальномерных PHC, за исключением метода, положенного в основу измерения разности расстояний, то есть измерения разности фаз двух колебаний в точке приема (на борту ВС).

Измерение разности фаз двух колебаний может осуществляться:

либо на высокой (несущей) частоте;

либо на частоте биений.

Сетки линий положений могут определяться частотой, отличающейся от частоты, на которой производятся измерения.

Соответственно различают фазовые разностно-дальномерные РНС с заданием сеток линий положения:

на несущей частоте;

на приведенной частоте сравнения;

на частоте биении;

на комбинационных частотах.

Рассмотрим принцип действия фазовой разностнодальномерной РНС с измерением разности фаз на несущей частоте.

Система состоит из двух наземных станций А и Б и бортового приемоиндикатора, расположенного в точке М (рисунок 3.26).

Для простоты рассуждений будем считать, что обе станции излучают колебания одной и той же частоты 0 и что работа этих станций согласована так, что разность начальных фаз 0 излучаемых колебаний остается неизменной и поэтому может быть принята равной нулю. Тогда текущие фазы А и Б колебания, излучаемых обеими станциями, запишутся в виде где о - начальная фаза колебаний.

Колебания станции А в точке М принимается с фазой а колебания станции Б - с фазой В этих формулах RА И RБ - расстояния от ВС до станций А и Б, соответственно. Считаем, что колебания обеих станций могут быть раздельно приняты на борту ВС приемоиндикатором, усилены и поданы на фазовый дискриминатор, измеряющий разность фаз:

Измеренная разность фаз соответствует разности расстояний Линии положения заранее наносятся на полетную карту и оцифровываются от 0 до 3600. Штурман, получив разность фаз по индикатору, отыскивает на карте соответствующую линию положения.

При необходимости прибегает к интерполяции.

Место положения ВС определяется как точка пересечения линий положения, образованных двумя парами наземных станций.

Фазовые разностно-дальномерные PHС обладают высокой точностью измерения R. Ошибке измерения разности фаз соответствует ошибка в измерении разности расстояния (R):

В свою очередь, линейная ошибка в определении линии положения может быть найдена по формуле где - угол базы (угол, под которым из точки М «видна» база системы).

Минимальные ошибки наблюдаются на базе системы (при =180°):

При ошибках измерения разности фаз в 1° линейная ошибка определения линии положения в РНС, работающих в длинноволновом диапазоне, не будет превышать (без учета влияния условий распространения радиоволн) величин порядка нескольких сот метров.

Фазовым разностно-дальномерным РНС присуща неоднозначность отсчета. Это объясняется тем, что фазовый дискриминатор способен измерять разность фаз лишь в пределах полного фазового цикла от 0 до 2. Подставив в формулу разность фаз = 2, получим, что максимальное значение однозначно измеряемой разности расстояний R равно:

Показания фазового дискриминатора каждый раз после достижения разности расстояний, кратной Rодн, будут повторяться. Линии положения, для которых разность фаз между сигналами двух наземных станций кратна величине 2 (или, иначе говоря, равна нулю), разграничивают рабочую область системы на зоны однозначного отсчета, так называемые дорожки. По мере удаления от базы системы ширина дорожки увеличивается. На базе она имеет минимальную ширину.

В пределах одной дорожки фазовые измерения оказываются однозначными.

Если в центре базы 0 разность фаз между колебаниями станций А и Б равна нулю, то нетрудно убедиться, что точки на базе, в которых разность фаз = 2 n ( n - целое число), отстоят друг от друга на расстояниях, равных 0 / 2. Следовательно, на базе ширина дорожки равна 0 / 2. Число дорожек nД равно числу полуволн 0 / 2, укладывающихся на базе системы:

Устранение неоднозначности отсчета в фазовых разностнодальномерных РНС осуществляется либо путем счета полных циклов приращения разности фаз принимаемых колебаний, либо за счет создания дополнительных сеток линий положения при использовании вспомогательных частот сравнения.

Практически станции работают на различных частотах, а измерение разности фаз производится на приведенной частоте сравнения.

Это вызвано тем, что при работе РНС на одной частоте в пространстве происходит интерференция полей, создающая в точке приема искаженный суммарный сигнал.

Примером фазовых разностно-дальномерных РНС являются РСДН «Омега» и отечественная РСДН Е-712. Обе РСДН работают в СДВ диапазоне. Они предназначены для определения местоположения самолета (или любого подвижного объекта) практически в любой точке земного шара в любое время суток. Это достигается за счет достоинств СДВ диапазона, который характеризуется удовлетворительной для целей навигации стабильностью фазы и малым затуханием сигналов при распространении на большие расстояния.

Наземные станции системы синхронизированы по частоте и фазе по сигналам системы точного времени. Нестабильность излучаемых частот примерно 10-12. Восемь наземных станций обеспечивают навигацию в пределах всего земного шара. Среднеквадратическая ошибка определения места ВС с условием поправок на условия распространения радиоволн составляет днем около 1,8 км, ночью – порядка 3,4 км.

Работа в СДВ диапазоне позволяет получить значительную протяженность базовых линий. При базах, больших радиуса земли, обеспечивается высокая точность системы в пределах всей рабочей зоны, поскольку дорожки, даже на больших удалениях от базы, расширяются незначительно, что обуславливается кривизной земной поверхности.

Восемь станций системы «Омега» (таблица 3.1) поочередно излучают синхронизированные по фазе незатухающие колебания в соответствии с временной диаграммой работы, приведенной на рисунке 3.27.

Станции принято обозначать буквами латинского алфавита от А до Н.

Длительность излучения сигнала каждой станцией составляет от 0,9 до 1,2 с.

Длительность паузы между сигналами станций составляет Тп = 0,2 с. Цикл работы, т.е. периодичность, с которой каждая станция излучает сигнал на одной частоте, равен 10 с. Передающие станции излучают поочередно сигналы на частотах 10,2 кГц, 11 1 кГц и 13,6 кГц, обеспечивающие определение радионавигационного параметра и устранение многозначности. Частота fТ = 10,2 кГц используется для точного определения местоположения.

При этом ширина дорожки вдоль линии базы равна приблизительно 14,7 км.

Таблица 3.1 – Опорные станции РНС «Омега»

Аргентина (побережье южной Атлантики, 960 км к югу от БуэносF Австралия (северо-восточная часть континента) Для получения первой шкалы устранения многозначности используются частоты 10,2 и 13,6 кГц. Первая разностная частота fР1 = 3,4 кГц. Дорожки первой шкалы устранения многозначности в три раза шире точных и составляют примерно 44 км вдоль линии базы. Для создания второй шкалы устранения многозначности используются частоты 10,2 и 11 1 кГц. Вторая разностная частота fР2 = 1133 1 Гц. Дорожки второй шкалы устранения многозначности в девять раз шире точных и составляют 132 км вдоль линии базы.

Отечественная РСДН Е-712 построена по тому же принципу, что и система «Омега». Временные диаграммы работы РНС Е-712 представлены на рисунке 3.28.

В настоящее время в авиации наибольшее применение нашли импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС (ИФ РСДН). В составе пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) они применяются для эффективной радиокоррекции счисленных по автономным датчикам (ИНС и ДИСС и т.д.) координат ВС в соответствии с алгоритмами БЦВМ. При наличии пульта управления с индикацией гиперболических линий положения и специальных карт с сетками гипербол они могут использоваться автономно для определения местоположения ВС (с пониженной точностью).

В состав ИФ РСДН входят: система наземных опорных станций (Т-2 «Тропик-2», Т-2П «Тропик-2П» или «Лоран-С»); бортовые приемоиндикаторы (ПИ) А-711,А-720 или А-723, имеющий режим работы по сигналам ИФ РСДН.

В импульсно-фазовых системах относительное запаздывание радиосигналов определяется на основании данных об одновременно измеренных навигационных параметрах и. Наземные станции любых РСДН образуют цепочки, состоящие из 4...8 станций, географическое положение которых определяется геометрическим фактором оценки точности местоположения объекта.

Опорные станции ИФ РСДН работают в ДВ диапазоне волн. Излучаемые наземными опорными станциями радиосигналы в точку приема (ВС) могут приходить как поверхностными, так и пространственными (отраженными от ионосферы) радиоволнами. Поверхностные сигналы имеют высокую фазовую стабильность и используются для определения линий положения с высокой точностью. На больших расстояниях поверхностные сигналы имеют малую напряженность поля. В этом случае линии положения можно определять по сигналам пространственных радиоволн, однако с более низкой точностью.

При использовании пространственных сигналов необходимо вводить поправки в измеренные временные интервалы, так как сигналы пространственных волн проходят большее расстояние между точкой излучения и точкой приема по сравнению с сигналом поверхностных волн. Величина поправки, соответствующая времени запаздывания пространственных сигналов относительно поверхностных сигналов, зависит от расстояния между самолетом и наземными станциями и от высоты отражающего слоя ионосферы, которая изменяется в течение суток.

С увеличением расстояния запаздывание пространственных сигналов уменьшается. Однако даже на весьма больших расстояниях запаздывание пространственных сигналов составляет величину не менее 40 мкс. При длительности сигналов около 120 мкс пространственные сигналы в точке приема могут частично накладываться на поверхностные сигналы и искажать их форму и фазу. Поэтому в приемоиндикаторах импульсно-фазовых разностно-дальномерных систем при измерении временных интервалов по разностям фаз используется только неискаженная ионосферными отражениями часть сигналов (передний фронт) поверхностных радиоволн. В этом случае для повышения точности измерений необходимо увеличивать энергию принимаемых радиосигналов и отношение сигнал-шум. Для этого в ИФ РСДН наземные станции излучают сигналы в виде пачек радиоимпульсов, что позволяет уменьшить пиковую мощность сигнала.

На рисунке 3.29 показано взаимное временное расположение сигналов, принимаемых от наземных станций.

Ведущая станция А излучает сигналы, состоящие из девяти импульсов — восемь рабочих импульсов, предназначенных для измерения временных интервалов, и один дополнительный импульс, который используется для синхронизации ведомых наземных станций.

Ведомые станции излучают пачки сигналов, состоящие из восьми рабочих импульсов. Длительность каждого импульса составляет около 120 мкс (для РСДН-10 длительность радиоимпульса на уровне 0,5 составляет (50±10) мкс). Рабочие импульсы в пачках излучаются с интервалом 1000 мкс. Дополнительные импульсы сигналов ведущей станции излучаются с интервалом 2000 мкс (1890 мкс для РСДН-10).

Радиосигналы наземных опорных станций излучаются в строго определенной последовательности, определяемой известными кодовыми задержками КЗi, с целью их временного разделения в бортовом приемоиндикаторе.

Для сигналов каждой ведомой станции отводится вполне определенный интервал времени в периоде следования сигналов ведущей станции. В течение отведенного временного интервала могут поступать сигналы только этой ведомой станции. Известные постоянные кодовые задержки сигналов ведомых станций далее могут быть исключены из отсчета введением соответствующих задержек в бортовом приемоиндикаторе. Необходимо помнить, что изменение кодовых задержек приводит к изменению оцифровки линий положения, следовательно, их необходимо знать.

Для повышения помехоустойчивости приема в импульснофазовых РСДН применяется фазовое кодирование (манипуляция) радиоимпульсов в пачках, излучаемых наземными станциями. В таблице 3.2 приведены фазовые коды сигналов цепи наземных станций ИФ РСДН.

Таблица 3. тельность импульсов Фаза высокочастотных колебаний в радиоимпульсах, обозначенных знаками «+» и «-», отличается на 180° и определяется кодом фазовой манипуляции. Код сигналов всех ведомых станций одинаковый и отличается от кода ведущей станции, что позволяет решать задачу опознавания сигналов ведущей и ведомых станций.

Коды сигналов нечетной и четной пачек импульсов различны.

Поэтому период фазового кодирования равен двум периодам повторения сигналов наземных станций (ТФК= 2Т). Изменение фазы высокочастотных колебаний на 180° в четных радиоимпульсах четной последовательности сигналов по сравнению с теми же радиоимпульсами в нечетной последовательности применяется для уменьшения возможного влияния многократно отраженного от ионосферы предыдущего импульса пачки на поверхностные сигналы последующих импульсов пачки.

Рассмотрим, по каким признакам в бортовом приемоиндикаторе ИФ РСДН различаются: одна цепочка наземных станций от другой, ведущая станция от ведомых, ведомые станции между собой.

Различные цепочки одинаковых систем РСДН отличаются периодом следования сигналов Т (выбирается с пульта управления бортового приемоиндикатора). В пределах цепочки ведущая станция отличается от ведомых кодом фазовой манипуляции. Ведомые станции различаются в бортовой аппаратуре РСДН с учетом их временного разделения (за счет введения кодовых задержек КЗi для сигналов каждой из них отводится определенный временной интервал в периоде повторения сигналов ведущей станции).

Указанное различение опорных станций позволяет определить моменты приема их сигналов на борту, а следовательно, и разности между ними 1 и 2 (гиперболические линии положения). Точные измерения временного интервала производятся по разности фаз высокочастотного заполнения радиоимпульсов, а более грубые измерения временных интервалов — с учетом информации о положении огибающих передних фронтов радиоимпульсов. Это позволяет устранять многозначность фазовых измерений.

Многочастотные РСДН в настоящее время представлены наземными станциями, оборудованными комплексом технических средств МАРС-75 и бортовым приемоиндикатором А-723. РСДН МАРС-75 предназначена для определения местоположения подвижных объектов, удаленных от наземных станций на расстояние до 1000км, при среднеквадратической погрешности определения местоположения подвижного объекта в пределах рабочей зоны РНС не более 350 м. РНС МАРС-75 относится к гиперболическим радионавигационным системам и имеет три или четыре наземные станции.

Каждая наземная станция многочастотной разностнодальномерной системы «Марс-75» в пределах отведенного для ее такта излучения =1,5 с излучает радионавигационный сигнал, состоящий из серии 23 частотных компонент в диапазоне 64-92 кГц. Длительность излучения каждой частотной компоненты 40 мс, пауза 20мс. Интервал между соседними по порядковому номеру компонентами сигнала около 1,2 кГц. Порядок чередования частотных компонент определяется кодовыми каналами. Всего в РНС МАРС-75 предусмотрено 18 кодовых каналов и 9 частотных каналов, т.е. число частотно-кодовых каналов составляет 162. В зависимости от номера частотного канала изменяются несущие частоты всех 23 частотных компонент сигнала, а огибающая частотных посылок (длительность тактов, циклов, посылок и пауз) остается неизменной. Излучаемые наземными станциями частотные компоненты сигнала нормированы по фазе и амплитуде.

При использовании трех опорных станций МАРС-75 каждая из станций излучает сигнал (такт) в отведенное время один раз за цикл излучения (рисунок 3.30). При четырех опорных станциях третья ведомая станция ВДМ3 излучает сигнал в тактах первой или второй ведомых станций, но с другим кодом, что обеспечивает возможность разделения сигналов одновременно излучаемых станциями Эти частотные компоненты являются гармоническими спектральными составляющими последовательности радиоимпульсов.

Данный сигнал обрабатывается по методу «сжатия во времени». Путем умножения частотных компонент сигнала на соответствующие коэффициенты спектра и их суммирования образуется сигнал, представляющий последовательность видеосигналов. Дальнейшая обработка сигнала по определению радионавигационного параметра производится уже по суммарному сигналу (по сжатым во времени синтезированным импульсам).

Принципы разностно-дальномерной РСДН реализованы в бортовой аппаратуре дальней навигации А-723. Бортовая аппаратура А-723 предназначена для определения местоположения ВС в любое время года и суток при работе в зонах действия импульсно-фазовых (Т-2, Т-2П, «Лоран-С»), фазовых («Омега», Е-712) и многочастотных («Марс-75») радионавигационных систем дальней навигации. Для работы аппаратуры А-723 используется три блока датчиков. В таблице 3.3 приведены типы опорных станций и точностные характеристики каждого датчика.

Таблица 3.3 – Тактико-технические характеристики РСДН А- 3.5 Радиомаячные системы посадки Обеспечение посадки самолетов в сложных метеорологических условиях днем и ночью при отсутствии визуальной видимости является одной из важнейших задач, от успешного решения которой во многом зависит эффективное применение авиации.

Для посадки и взлета групп самолетов необходимо решать целый комплекс задач, важнейшими из которых являются следующие:

обеспечение непосредственно самой посадки и взлета самолетов;

организация четкого управления движением самолетов в районе аэродрома;

привод самолетов в район аэродрома посадки.

Решение этих задач может быть выполнено только при широком использовании разнообразных технических средств.

Применяемые в настоящее время системы посадки (СП) по принципу действия делятся на упрощенные, радиомаячные и радиолокационные.

Упрощенные системы посадки являются простейшими системами, которые включают следующие технические средства:

самолетные и наземные радиопеленгаторы;

радиовысотомеры малых высот;

маркерные радиомаяки и радиоприемники;

приводные и связные радиостанции;

наземное светотехническое оборудование.

С помощью этих средств осуществляются:

привод самолетов в район аэродрома;

расчет на посадку, обеспечивающий выход самолета на курс посадки;

снижение и приземление самолета на взлетно-посадочную полосу (ВПП).

Привод самолета в район аэродрома обычно осуществляется с помощью самолетного радиокомпаса и приводных аэродромных радиостанций (ПАР).

Расчет на посадку заключается в выполнении такого маневра самолета, в результате которого он точно выходит на курс посадки с любого направления, на заданной высоте и с определенного расстояния от начала ВПП начинает снижение.

Расчет на посадку осуществляется с помощью самолетного автоматического радиокомпаса, двух приводных радиостанций, а также с помощью простейших самолетных пилотажно-навигационных приборов (гирополукомпаса, магнитного компаса, авиагоризонта, вариометра, часов и др.).

В процессе снижения положение самолета в вертикальной плоскости контролируется с помощью радиовысотомера малых высот, которым измеряется высота полета в нескольких точках, расположенных на определенных расстояниях до начала ВПП. Местоположение этих точек на продолжении оси ВПП отмечается специальными маркерными радиомаяками (МРМ). Моменты пролета самолета над МРМ регистрируются с помощью самолетного маркерного радиоприемника, на выходе которого включен звонок и световой индикатор. С помощью этой аппаратуры производится снижение самолета до высоты 50-60 м. Дальнейшее снижение и приземление осуществляется с помощью визуальной ориентировки по наземному светотехническому оборудованию системы.

Применение данной системы посадки самолетов возможно только при наличии надежной двухсторонней радиосвязи руководителя полетами, который находится на аэродроме, с экипажами самолетов.

Наземное оборудование упрощенной системы посадки выполняется в стационарном или в подвижном вариантах. В подвижном варианте наземное оборудование размещается на автомашинах, что позволяет быстро перебазировать его с одного аэродрома на другой.

Типовая схема размещения наземного радиотехнического оборудования упрощенной системы посадки представлена на рисунке 3.31.

Наземное радиотехническое оборудование системы включает:

две приводные аэродромные радиостанции (ПАР);

два маркерных радиомаяка (МРМ);

командно-стартовые радиостанции связи (КСРС);

коротковолновый или ультракоротковолновый радиопеленгатор.

На расстояниях 4000 и 1000 м от начала ВПП находятся соответственно дальний и ближний маркерные пункты (ДПРМ и БПРМ), на каждом из которых размещены одна приводная радиостанция (ПАР) и один маркерный радиомаяк (МРМ). Приводные радиостанции (дальняя и ближняя) расположены по оси ВПП таким образом, что их створ совпадает с курсом посадки. Наземный радиопеленгатор обычно размещается на оси ВПП на расстоянии 500 м от дальнего маркерного пункта.

Для обеспечения надежной двухсторонней радиосвязи самолета с аэродромом служат КСРС, одна из которых размещается около выносного командно-стартового пункта (КСП). Управление работой СП осуществляется с командно-диспетчерского пункта (КДП), расположенного в стационарном варианте системы в специальном здании на расстоянии 500-800 м от ВПП. С КДП осуществляется включение и выключение всех объектов наземного оборудования СП.

Рисунок 3.31 – Упрощенная система посадки самолетов Руководство посадкой может осуществляться с КДП или КСП по желанию руководителя полетами.

Упрощенные СП обеспечивают невысокую точность захода самолетов на посадочное направление. Их можно использовать при наличии горизонтальной видимости порядка 500-1000 м и высоте нижней кромки облаков не менее 60-80 м. Их пропускная способность равна примерно 15-20 самолетов в час.

Преимуществом упрощенных СП является простота наземного и самолетного оборудования, что позволяет применять их на полевых аэродромах и использовать для посадки практически любых типов самолетов.

Существенный недостаток упрощенных систем посадки состоит в том, что он не позволяет осуществлять управление, опознавание и контроль за движением самолетов во внешней зоне и непосредственно в районе аэродрома, а также не обеспечивают непрерывного контроля за положением самолетов в вертикальной плоскости при их движении в облаках по линии снижения. Вследствие этого в сложных метеорологических условиях они не могут полностью обеспечить безопасность полетов в районе аэродрома. Эти недостатки частично можно устранить, если в состав наземного оборудования упрощенных систем включить радиолокационные станции.

Радиомаячные СП предназначены для посадки как одиночных, так и групп самолетов ночью и днем в сложных метеорологических условиях. В радиомаячные СП, помимо радиотехнических и светотехнических средств, входящих в состав упрощенной системы посадки, включены технические средства аэродромного управления (диспетчерское оборудование) и радиомаячное оборудование, предназначенное для указания самолетам линии планирования при производстве самой посадки.

Радиотехнические средства упрощенной СП используются для привода самолетов в район аэродрома, обеспечения расчета и маневра при заходе на посадку, дополнительного контроля за правильностью снижения самолетов на линии планирования и обеспечения расчета и захода на посадку самолетов, оборудованных только аппаратурой для посадки по упрощенной схеме, а также как резервное посадочное средство.

В состав диспетчерского оборудования, как правило, входят обзорный и диспетчерский радиолокаторы (ОРЛ и ДРЛ), автоматический ультракоротковолновый радиопеленгатор (АРП), импульсный радионавигационный дальномер, электронные вычислительные машины, средства командной радиосвязи. С помощью этого оборудования оперативная группа, находящаяся на КДП, осуществляет наблюдение за воздушной обстановкой, управление и контроль за движением самолетов в районе аэродрома.

Обзорный радиолокатор используется для непрерывного наблюдения за общей воздушной обстановкой в районе аэродрома в радиусе до 70-80 км и управления движением самолетов на подходах к аэродрому и в процессе их захода в зоны ожидания. С этой целью его выносной индикатор кругового обзора (ИКО) устанавливается на КДП.

Обзорный радиолокатор обычно работает в метровом диапазоне волн, что позволяет его использовать для наблюдения за самолетами при любых метеорологических условиях.

Диспетчерский радиолокатор работает в сантиметровом диапазоне волн. Поэтому разрешающая способность у него значительно выше, чем у обзорного радиолокатора. Диспетчерский радиолокатор используется за наблюдением за воздушной обстановкой в радиусе 30-50 км от аэродрома и для контроля за летным полем. С его помощью осуществляется оперативное управление движением самолетов, находящихся в зоне ожидания, осуществляющих заход на посадку и снижение по линии планирования, осуществляющих приземление и передвигающихся по ВПП и рулежным дорожкам. Обычно несколько его ИКО с различными масштабами разверток устанавливаются на КДП.

Автоматический ультракоротковолновый радиопеленгатор используется для опознавания групп и отдельных самолетов, прибывающих в район аэродрома, и для определения их азимутов с точностью порядка 20 в радиусе 80-100 км. Надежное опознавание самолетов и надежность определения их азимутов являются необходимыми условиями при организации четкого управления движением самолетов в районе аэродрома.

Расстояние до самолетов в принципе может определяться с помощью радиолокаторов и затем передаваться на самолеты по радио.

Но более удобно для этой цели использовать импульсный радионавигационный дальномер радиосистемы ближней навигации. Такой радиодальномер позволяет экипажу самолета определять расстояние до аэродрома с точностью порядка 10-100 м в радиусе 80-100 км и осуществлять опознавание аэродрома по виду ответных сигналов наземного ответчика.

ЭВМ различного назначения находят все большее применение в системах управления воздушным движением в районе аэродрома. В настоящее время ЭВМ используются для предварительной обработки данных о самолетах, приближающихся к району аэродрома, определения времени их прибытия и задержки в воздухе, расчета радиусов зон ожидания различных самолетов и т.п.

Средства командной радиосвязи являются одной из основ всей системы управления движением самолетов в районе аэродрома.

Управление связными радиостанциями осуществляется дистанционно с КДП непосредственно с рабочих мест руководителя полетами и операторов радиотехнического оборудования.

Радиомаячное оборудование, служащее для указания самолетам линии планирования при посадке, состоит из глиссадного и курсового радиомаяков и соответствующих самолетных радиоприемников.

Курсовой радиомаяк (КРМ) устанавливается на некотором расстоянии за ВПП (рисунок 3.32). Глиссадный радиомаяк (ГРМ) располагается сбоку от ВПП примерно на траверзе оптимальной точки приземления.

Планирование самолета при посадке по заданной линии планирования летчик производит путем выдерживания посадочного направления и снижения в плоскости планирования, пользуясь показаниями, например, КПП. Вертикальная стрелка этого прибора отклоняется под действием выходного сигнала курсового радиоприемника, а горизонтальная – глиссадного радиоприемника. При правильном заходе на посадку и снижении самолета по заданной линии планирования вертикальная и горизонтальная стрелки прибора пересекаются в центре шкалы. При отклонении самолета от оси ВПП вертикальная стрелка прибора отклоняется вправо или влево, в зависимости от того, в какую сторону сместился самолет. Точно так же при смещении самолета вверх или вниз относительно заданной плоскости планирования горизонтальная стрелка прибора перемещается вниз или вверх от центра, указывая, где находится по отношению к самолету заданная плоскость планирования.

Рисунок 3.32 – Состав и размещение радиомаяков радиомаячной системы посадки при двухмаркерной (а) и трехмаркерной (б) комплектациях (расстояния указаны в метрах) Снижение по линии планирования с помощью глиссадной и курсовой радиомаячной аппаратуры при отсутствии видимости земли может производиться до высоты порядка 30 м. Дальнейшее снижение самолетов и их приземление осуществляется на основании визуальных наблюдений с использованием светотехнического оборудования, состав и назначение которого такое же, как в оборудовании упрощенных систем посадки. Выходные сигналы курсового и глиссадного радиоприемников пропорциональны угловым отклонениям самолета от линии планирования в плоскости курса и в плоскости планирования.

Эти сигналы могут быть использованы в качестве сигналов рассогласования в автоматизированной системе управления самолетом. Система может обеспечить посадку примерно 30 самолетов в час.

Радиолокационные системы посадки разделяют на два вида:

а) СП с наземными РЛС, с помощью которых определяются координаты местоположения ЛА и по командам диспетчера осуществляется управление посадкой. Примерами таких СП могут служить ПРЛ-7;