Назначение и классификация радиотехнических систем ближней навигации
Содержание
Введение …………………………………………………….……………………. 3
1 Общие сведения о системах ближней навигации ………………………….. 4
1.1 Назначение и классификация радиотехнических систем ближней навигации…………………………………………………………………………. 5
1.2 Радиотехнические системы посадки …………………………………... 6
2 Структура сигналов ближней навигации ………………. ………………… 12
2.1 Принцип действия и структура сигналов канала навигации VOR …. 12
2.2 Система повышенной точности PVOR ……………………………….... 20
2.3 Использование эффекта Доплера в системе DVOR …………………..27
Заключение …………………………………………………………………….. 30
Список Литературы ……………………………............................................. 31
ВВЕДЕНИЕ
Радиотехническая система ближней навигации (РСБН) является угломерно-дальномерной радионавигационной системой, разработанной в СССР во всесоюзном научно-исследовательском институте радиоаппаратуры.
В СССР было установлено более ста радиомаяков этой системы и большинство типов отечественных ВС было оснащено соответствующим бортовым оборудованием. В настоящее время в гражданской авиации большинство радиомаяков снято с эксплуатации, хотя кое-где они еще остаются на военных аэродромах. Причинами снятия системы с эксплуатации являются не только ее моральное устаревание, но и другие факторы. Оказалось, что система работает в таком диапазоне радиоволн, который официально выделен для систем неавиационного назначения, в частности, для сотовой телефонной связи. Кроме того, она не может быть использована на ВС иностранного производства, поскольку они не имеют соответствующего бортового оборудования. Ведь система отечественная. Поэтому в настоящее время не планируется замена РСБН более современным оборудованием аналогичного принципа действия, а вместо нее устанавливаются радиомаяки типа VOR и DME. Это вызывает определенное сожаление, поскольку до появления спутниковых навигационных систем РСБН была самой точной навигационной системой не только в стране, но, пожалуй, и в мире.
Несмотря на то, что РСБН, видимо, уходит в прошлое, полезно знать о характеристиках и возможностях этой системы.
Понятия «ближней навигации» и «дальней навигации» не имеют четкого определения. Чаще всего под ближней навигацией понимают навигацию с использованием наземных УКВ-радионавигационных средств, у которых дальность действия ограничена прямой видимостью и, следовательно, не очень велика. Под системами дальней навигации понимают такие РНС, которые обеспечивают прием навигационного сигнала на больших удалениях – например, тысяча километров и более.
В современной авиации ВС, летающие как на короткие, так и на длинные расстояния, могут использовать все виды навигационных систем, поэтому, их разделение на дальние и ближние не является необходимым.
Существует много систем, которые можно отнести к системам ближней навигации. Это VOR, DME, АРП. Название «РСБН» следует рассматривать как имя собственное, присвоенное конкретной разновидности навигационных систем ее разработчиками.
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ
Назначение и классификация радиотехнических систем ближней навигации
К радиотехническим системам ближней навигации и посадки относятся системы, обеспечивающие определение местоположения летательного аппарата (ЛА) на расстоянии до 500 км относительно радиомаяка, а также положение ЛА относительно ВПП при заходе на посадку. В зависимости от типа ЛА на его борту может быть установлено навигационное и посадочное оборудование или комплексная система ближней навигации и посадки.
Основа систем ближней навигации (СБН) – сеть независимых наземных радиомаяков (РМ), по которым определяются навигационные параметры. Различают азимутальные, дальномерные и азимутально-дальномерные радиомаяки (РМ), которые устанавливают на аэродромах и в точках, соответствующих характерным участкам воздушных трасс. Для работы СБН выделены участки диапазона метровых и дециметровых волн, поэтому их дальность действия ограничивается дальностью прямой видимости.
Навигационные параметры системы ближней навигации – азимут ( 
) и дальность ( 
) определяются на ЛА относительно радионавигационной точки, в которой размещен РМ (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Определение местоположения ЛА
При известной высоте полета этих данных будет достаточно для нахождения положения ЛА в полярной системе координат относительно РМ, т.е. системы ближней навигации относятся к классу угломерно-дальномерных (азимутально-дальномерных) систем. Перспективен переход к дальномерным системам, обладающим большей точностью. В СБН выделяют каналы азимута и дальности. Каждый из каналов включает наземный РМ и бортовую аппаратуру ЛА.
Типысистем ближней навигации различаются по виду информативного параметра сигнала, используемого для определения навигационных параметров, а также по структуре системы в целом. Наибольшее распространение получили отечественная система РСБН и стандартизированная ICAO зарубежная система VOR/DME.
Система РСБН использует временной метод для определения азимута и дальности. В состав системы входят азимутально-дальномерные РМ и бортовая аппаратура. Система работает в диапазоне дециметровых волн. Отличительная особенность системы – возможность наземного наблюдения воздушной обстановки, определения координат и навигационного опознавания ЛА, а также использования бортовой аппаратуры для посадки при наличии посадочных РМ дециметрового диапазона. По этой причине РСБН можно классифицировать как комплексную систему ближней навигации и посадки. При наличии в комплекте бортовой аппаратуры специализированных вычислителей решается задача определения местоположения ЛА (в ортодромической или геосферической системе координат).
Наземный радиомаяк РСБН может устанавливаться как в районе аэродрома, так и на трасах полетов. В районе аэродрома РМ устанавливается на расстоянии 300…600 м от оси ВПП на удалении от центра до 1200 м. При установке на трассах учитывается нерабочая зона над радиомаяком ±45° и высота полета. В этом случае РМ смещается от линии пути самолета на величину двух нерабочих зон для конкретной высоты полета. В качестве наземных азимутально-дальномерных радиомаяков применяются радиомаяки РСБН-4Н, РСБН-6Н, Е-324, Е-326, Е-329. Бортовая аппаратура РСБН, устанавливаемая на ЛА: РСБН-6С, РСБН-7С, А-312, А-317, А-323, А-324, А-331 (РСБН-85). Диапазон частот, используемый в системе РСБН для передачи сигналов в направлении самолет-земля – 720…812,8 МГц, в направлении земля-самолет 873,6…1000,5 МГц.
Система VOR/DME основана на фазовом методе определения азимута и временном методе определения дальности. Система образуется при территориальном совмещении азимутального РМ типа VOR и дальномерного типа DME, которые могут также использоваться самостоятельно, образуя соответственно угломерную или дальномерную систему ближней навигации. На борту ЛА для определения азимута и дальности служат отдельные устройства. Азимутальный РМ работает в диапазоне метровых, а дальномерный – дециметровых волн. Требования к размещению радиомаяков в районе аэродрома аналогичны требованиям, предъявляемым к размещению радиомаяков РСБН. В качестве наземного азимутального радиомаяка может быть установлен РМА-90, в качестве дальномерного – РМД-90, РМД-90НП. ЛА оборудуются бортовой угломерной аппаратурой VOR: КУРС МП-2, КУРС МП-70, КУРС-93М, VIM-95, VOR-02. Дальномерная бортовая аппаратура DME: СДК-67, CД-67, CД-75M, DME/P-85, ВНД-94. Рабочий диапазон частот азимутального канала – 108…118 МГц, дальномерного – 960…1215 МГц.
Еще одной СБН, получившей распространение, является система TACAN. Система по принципу действия и назначению близка к системе VOR/DME. В некоторых вариантах систем TACAN возможно наземное наблюдение воздушной обстановки. В состав системы входит азимутально-дальномерный РМ и бортовая аппаратура, измеряющая азимут и дальность ЛА. Известна также система VORTAC – сочетание угломерного РМ VOR с дальномерным РМ системы TACAN.
1.2 Радиотехнические системы посадки
Назначение радиотехнических систем посадки в общем виде можно сформулировать следующим образом. С помощью системы посадки ЛА должен быть выведен с высокой вероятностью успешного решения задачи в некоторую ограниченную по размерам область пространства и при этом должны быть достигнуты определенная скорость и направление движения ЛА в пространстве.
Успех захода на посадку и посадки зависят от ряда факторов и их сочетаний, меняющихся случайным образом. Поэтому его исход носит вероятностный характер. При этом предъявляются весьма жесткие требования к надежности выполнения посадочных операций и по допустимому разбросу значений определяемых параметров движения ЛА на посадке. В частности, для наиболее совершенных систем посадки вероятности выхода ЛА за пределы допустимой области значений координат и скорости в определенной точке траектории (например, у порога ВПП) не должны превышать 10 -7.
В зависимости от используемого оборудования и принципов действия различают следующие системы посадки:
упрощенные системы посадки (ОСП – оборудование системы посадки);
радиолокационные системы посадки (РСП);
радиомаячные системы посадки (РМСП).
В свою очередь, в зависимости от используемого диапазона волн, радиомаячные системы посадки подразделяются на РМСП диапазонов метровых волн (MB), дециметровых волн (ДМВ) и сантиметровых волн (СМВ).
Упрощенные системы посадки обеспечивают вывод ЛА на аэродром, выполнение предпосадочного маневра и определение места ЛА в двух фиксированных точках траектории посадки. Систему ОСП устанавливают обычно на некатегорированных аэродромах. Наземное оборудование включает дальний и ближний приводные радиомаркерные пункты (ДПРМ и БПРМ), оснащенные дальней и ближней приводными аэродромными радиостанциями (ПРС) и маркерными радиомаяками (МРМ). Дальний и ближний радиомаркерные пункты устанавливают на расстояниях соответственно 4000±200 м и 1050±150 м от порога ВПП. Дальний МРМ обеспечивает экипажу контроль высоты полета, расстояния до точки приземления и готовности бортовых систем к обеспечению полета на конечном этапе захода на посадку. Ближний МРМ предназначен для информирования экипажа о близости визуального этапа посадки. В качестве маркерных радиомаяков могут быть установлены МРМ-48, МРМ-70, МРМ-В, РММ-95. ПРС используются для привода самолетов в район аэродрома, построения траектории предпосадочного маневра и посадки. Дальняя и ближняя ПРС различаются структурой сигналов опознавания: дальним ПАР назначается двухбуквенный, а ближним - однобуквенный позывные сигналы. Приводные аэродромные радиостанции – ПАР-9, ПАР-10, РМП-200. Аэродромы оборудуют, кроме того, светосигнальными системами, автоматическими радиопеленгаторами (АРП) МВ-ДМВ диапазонов и обзорными радиолокаторами (ОРЛ). Расположение наземного радиотехнического оборудования в районе аэродрома показано на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Схема размещения оборудования системы ОСП
Бортовое оборудование состоит из автоматического радиокомпаса (АРК-15М, АРК-22, АРК-25), радиовысотомера (А-031, А-035, А-037, А-041, А-052, А-053), маркерного радиоприемника (МРП-66, А-611), измерителя скорости (ДИСС-7, ДИСС-013, ДИСС-016, ШО-13, система ДВС). Посадка по системе ОСП может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режимах.
Радиолокационные системы посадки позволяют на земле определять положение ЛА относительно требуемой траектории снижения и удаление ЛА от точки приземления. Они используются для наземного контроля процесса захода на посадку и, в случае необходимости, передачи на борт с помощью систем воздушной радиосвязи указаний о коррекции траектории. РСП предназначены для посадки самолетов, не имеющих специального посадочного оборудования, снабженных обычными связными радиостанциями и навигационными приборами, в сложных метеоусловиях днем и ночью. В состав системы входят обзорный и диспетчерский радиолокаторы. Обзорный радиолокатор используется для непрерывного наблюдения за общей воздушной обстановкой в районе аэродрома в радиусе 70…80 км и управления движением самолетов на подходах к аэродрому и в процессе их захода в зоне ожидания. Диспетчерский радиолокатор используется для наблюдения за воздушной обстановкой в радиусе 30…50 км от аэродрома и для контроля за летным полем. Для определения отклонения ЛА от траектории посадки в системе РСП применяется посадочный радиолокатор. В систему РСП входят также радиопеленгаторы и средства радиосвязи. Основное оборудование радиолокационной системы посадки устанавливается на расстоянии 150…200 м от оси ВПП, не ближе 750 м от начала ВПП и не далее ±200 м относительно центра ВПП. В настоящее время используются радиолокационные системы посадки типа РСП-6, РСП-11.
Радиомаячные системы посадки обеспечивают задание линии планирования самолета с помощью наземных радиомаяков при выполнении посадки. Информация об отклонениях от линии планирования поступает на приборы летчиков. Наземные радиомаяки формируют в пространстве две плоскости (рис. 1.3) курса и планирования (глиссады), пересечение которых определяет линию планирования (глиссаду).
Рис. 1.3. Принцип задания глиссады
Управление ЛА осуществляется в пределах секторов вокруг глиссады планирования, горизонтальные и вертикальные размеры которых примерно равны ±4° и ±1° соответственно. Угол планирования (угол глиссады) при выполнении посадки выдерживается постоянным и равен примерно 3°.
Кроме радиомаячного оборудования, предназначенного для задания в пространстве линии планирования, в состав РМСП может входить радиотехническое и светотехническое оборудование, образующее упрощенную систему посадки, а также диспетчерское оборудование.
По используемому частотному диапазону различают:
системы посадки сантиметрового диапазона (угломерный канал – 5030…5091 МГц, дальномерный канал – 960…1215 МГц);
системы посадки дециметрового диапазона (курсовой канал – 905,1…932,4 МГц, глиссадный канал – 939,6…966 МГц, дальномерный канал: направление самолет-земля – 772…808 МГц, 939,6…966,9 МГц);
системы посадки метрового диапазона (курсовой канал – 108…112 МГц, глиссадный канал – 329…335 МГц, маркерный канал – 75 МГц).
Системы посадки диапазона СМВ предназначены для определения пространственных координат ЛА в определенной области пространства (обычно эта область охватывает сектор ±40° относительно оси ВПП в горизонтальной плоскости и сектор 1...15° в вертикальной) и для обеспечения полета по любой криволинейной четырехмерной пространственно-временной траектории посадки. Это свойство позволяет повысить пропускную способность аэродрома на 10…15 % и открывает возможность обхода густонаселенных жилых районов. РМСП СМВ может обеспечивать вывод ЛА на траекторию посадки, взлет, уход на второй круг и автоматическую передачу на борт требуемой для посадки технической и метеорологической информации. Несмотря на определенные преимущества перед другими СП, система широкого распространения в нашей стране пока не получила.
Расположение радиомаяков в районе аэродрома показано на рис. 1.4. КРМ устанавливается на продолжении оси ВПП со стороны, противоположной направлению посадки, на расстоянии 500…1200 м. Минимальное удаление КРМ от конца ВПП обусловлено высотой оборудования и требованиями безопасности при пролете самолетов над препятствиями. Максимальное удаление определено параметрами диаграммы направленности антенной системы. Основным вариантом размещения антенны КРМ следует считать расстояние 1100±100 м от конца ВПП.
ГРМ, из соображений безопасности посадки, также выносится в сторону от оси ВПП на расстояние 120…180 м и устанавливается на расстоянии 215…430 м от порога ВПП со стороны направления посадки. Расстояние от порога ВПП зависит от выбранного угла планирования. При выборе угла планирования равном 2°40¢ расстояние должно быть 320±60 м. МРМ самостоятельно или в составе радиомаркерных пунктов (ДПРМ и БПРМ) устанавливаются на расстоянии 4000±200 м и 1050±150 м от порога ВПП соответственно.
Рис. 1.4. Схема размещения оборудования РМСП МВ
На аэродромах со сложным рельефом местности перед порогом ВПП в состав РМСП может дополнительно входить внутренний МРМ (ВнМРМ), предназначаемый для информирования экипажа о близости порога ВПП. Он должен размещаться на расстоянии 75….450 м от порога ВПП и не более чем на ±30 м смещен от ее оси.
На аэродромах со сложным рельефом местности в зоне захода на посадку или с другими особенностями в состав РМСП может быть включен, кроме того, еще и дополнительный внешний МРМ (ВМРМ), размещаемый на расстоянии до 11 км от порога ВПП.
Стандарты ICAO предусматривают необходимость использования двух приводных радиомаркерных пунктов, называемых внешним (дальним) ВПРМ и средним СПРМ, и возможность, в случае необходимости, установки третьего, внутреннего (ближнего), маркерного радиомаяка (ВнМРМ). Схема размещения РТС посадки по стандартам ICAO приведена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Схема размещения оборудования РМСП МВ по стандартам ICAO
Внешний радиомаркерный пункт располагается на удалении 7200 м от порога ВПП, средний – на удалении 1050±150 м, а внутренний – на удалении 75...150 м. Средний радиомаркерный пункт предназначен для информирования экипажа о приближении к точке начала визуального наведения, внутренний радиомаяк – для обозначения момента пролета высоты принятия решения.
Современные отечественные системы посадки разрабатываются и устанавливаются согласно требований, предъявляемых ICAO.
В случае если противоположные направления захода на посадку на данную ВПП обслуживаются различными системами посадки, обеспечивается возможность функционирования только одной из них и блокировка другой.
Международная организация ICAO стандартизовала и классифицировала радиотехнические системы посадки по эксплуатационным характеристикам. В основу этой классификации, которая принята также в нашей стране, положена возможность обеспечения захода на посадку самолетов при определенных метеорологических условиях. Одним из основных показателей является высота принятия решения (ВПР) – это высота полета ЛА, на которой командир экипажа должен принять решение о посадке или о необходимости ухода на второй круг.
Радиомаячные системы посадки метрового диапазона волн соответствуют классификации ICAO. Различают системы I, II и III (А, В, С) категорий эксплуатационных характеристик:
система I категории обеспечивает управление самолетом при заходе на посадку до ВПР 60 м при визуальной видимости на ВПП не менее 800 м (наземное оборудование СП-50М, СП-90М);
система II категории обеспечивает управление самолетом при заходе на посадку до ВПР 30 м при визуальной видимости на ВПП не менее 400 м (наземное оборудование СП-68, СП-75, СП-90Н);
системы III категории предназначены для посадки с приземлением при значительном ограничении или отсутствии видимости земли, т.е. ВПР равна нулю (наземное оборудование СП-70, СП-80, СП-90).
Регламентированы три группы РМСП III категории, обеспечивающие посадку при визуальной видимости на ВПП:
система категории III А – 200 м;
система категории III В – 50 м;
система категории III С – при полном отсутствии видимости.
Таким образом, РМСП I, II, III категорий обеспечивают данные для управления самолетом от границ зоны действия до точки, расположенной на глиссаде на высоте соответственно 60, 30, 0 м над горизонтальной плоскостью, включающей ВПП.
В РМСП МВ предусмотрено опознавание аэродрома, с этой целью с сигналом курсового радиомаяка предаются позывные, присвоенные данному аэродрому.
Выделение посадочной информации системы диапазона МВ выполняет навигационно-посадочное оборудование угломерной системы VOR (см. п.1.1.1. При необходимости на борту ЛА устанавливается только посадочное оборудование ОСЬ-1, ILS-02, ILS-85
Системы посадки диапазона МВ различаются методами создания равносигнальных направлений. Принципы формирования посадочной информации и обработка ее бортовым оборудованием будут рассмотрены далее.