Система повышенной точности PVOR

PVOR. Система РVOR явилась дальнейшим развитием системы VOR с целью повышения точности азимутальных измерений. Точность фазовых измерений можно повысить за счет увеличения частоты сравниваемых колебаний. Однако увеличение частоты азимутального и опорного сигналов приводит к необходимости повышения частоты вращения направленной антенны, в противном случае возникает неоднозначность измерений азимута. Увеличение же частоты вращения антенн связано с конструктивными проблемами.

Для повышения точности измерения в системе PVOR используется двухканальный метод измерения азимута. Два канала, грубый и точный, предназначены для решения задач однозначности и точного измерения фазы соответственно.

Антенная система радиомаяка PVOR (рис. 1.10(а)) состоит из центральной антенны А₁, представляющей собой вертикальный вибратор, и двух вращающихся вокруг своей оси коаксиальных цилиндров А₂ и А₃.

Цилиндры выполнены из радиопрозрачного материала и вращаются синхронно с частотой 15 Гц. Вдоль одной из образующих внутреннего цилиндра А₂расположен один пассивный отражающий элемент (рефлектор). Центральная антенна питается импульсно-модулированными колебаниями несущей частоты с постоянным коэффициентом заполнения. Система, состоящая из центрального вибратора А₁ и цилиндра А₂, имеет ДН типа «кардиоида», в которой максимум излучения направлен на север в тот момент времени, когда рефлектор располагается в южном направлении. Повышение точности измерения азимута достигается применением многолепестковых ДНА. Для получения такой ДН на внешнем вращающемся цилиндре А₃ устанавливается 9 рефлекторов, которые располагаются вдоль образующих на равных расстояниях друг от друга (через 40°).

Применение многолепестковых ДН теоретически должно приводить к уменьшению погрешностей, обусловленных переотраженными сигналами, в К раз, где К – число лепестков. Однако при большом количестве лепестков возникает проблема с разрешением неоднозначности определения азимута. С учетом всех факторов, влияющих на точность измерения азимута, погрешность в грубом канале в условиях сильно пересеченной местности может достигнуть значения 20°. В связи с указанными причинами количество лепестков выбирается равным 9.

Рис. 1.10. Антенная система PVOR:

а) конструкция антенной системы; б) ДНА в горизонтальной плоскости

При вращении внешнего цилиндра А₃ синхронно с внутренним А₂ на основную модуляцию (15 Гц) накладывается девятая гармоника колебаний, имеющая частоту 135 Гц. На частоте 135 Гц производится уточнение азимута (точный канал).

Диаграмма направленности системы (рис. 1.10(б)) представляет собой кардиоиду (ДНА грубого канала), на которую наложена периодическая функция азимутального угла, имеющая 9 периодов, каждый из которых равен 40° (ДНА точного канала). Диаграмма вращается в горизонтальной плоскости с частотой 15 Гц.

Распределение интенсивности излучения в азимутальной плоскости в радиомаяках PVOR

, (1.22)

где – численные коэффициенты, характеризующие глубину АМ на соответствующих частотах модуляции; К – число максимумов используемой функции направленности.

При такой диаграмме направленности уровень излучения в любом азимутальном направлении (рис. 1.11) характеризуется величиной

. (1.23)

Диаграмма излучения вращается в горизонтальной плоскости с угловой скоростью и занимает угловое положение . (1.24)

Наличие вращения антенны позволяет сформировать азимутальный сигнал

. (1.25)

Подставив в выражение (1.25) выражения (1.23) и (1.24) получим

. (1.26)

Рис. 1.11. Измерение азимута в системе PVOR
После приема, усиления и детектирования азимутального сигнала в бортовом оборудовании, можно выделить низкочастотное напряжение

. (1.27)

Выражение можно упростить, представив

где – фаза азимутального сигнала грубого канала;

– фаза азимутального сигнала точного канала.

Это напряжение содержит информацию о частоте вращения ДНА (частоте грубого канала)

,

откуда . При n=900 об/мин F_Г=15 Гц.

Напряжение содержит также информацию о частоте точного канала

, где .

Через центральную антенну А₁ излучается сигнал, содержащий опорные колебания. Опорные сигналы для грубого и точного каналов передаются посредством импульсно-кодовой модуляции.

Передатчик радиомаяка PVOR работает в импульсном режиме. Каждый сигнал передатчика представляет группу из двух импульсов длительностью по 3,2 мкс с постоянным интервалом между ними, равным 12 мкс. Сигналы радиомаяка, за исключением сигналов опорного напряжения, имеют случайное распределение во времени. Количество хаотически следующих во времени сигналов равно 2700 импульсов в секунду или 180 за один оборот антенны.

Опорные сигналы грубого измерения передаются один раз за один оборот антенны, когда максимум излучения проходит через северное направление. Северный опорный сигнал представляет последовательность двенадцати пар импульсов, следующих одна за другой с постоянным интервалом 30 мкс. Следовательно, для грубого измерения передается в секунду пар импульсов.

Опорные сигналы точного измерения передаются каждый раз, когда через направление севера проходит очередной максимум девятилепестковой характеристики. Опорный сигнал точного измерения представляет последовательность шести пар импульсов, следующих одна за другой с постоянным интервалом 24 мкс. Всего за секунду передается в секунду пар импульсов.

Общее количество пар импульсов, излучаемых в секунду радиомаяком, достигает 3600.

На борту ЛА выделяется низкочастотное напряжение опорного сигнала

. (1.28)

В упрощенном виде (1.28) можно представить как

,

где – фаза опорного сигнала грубого канала;

– фаза опорного сигнала точного канала.

Наличие двух азимутальных и двух опорных сигналов позволяет провести две ступени измерений разности фаз: грубую на частоте 15 Гц, точную на частоте 135 Гц.

При грубых измерениях . Азимут определяется однозначно, но с малой точностью.

При точных измерениях . Азимут определяется точно, но не однозначно.

Двухступенчатые измерения позволяют определить азимут однозначно и с высокой точностью. Методика двухступенчатых измерений приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Двухступенчатое определение азимута
Грубое измерение разности фаз позволяет определить зону однозначного отсчета шириной , в пределах которой находится азимут ЛА и получить число таких зон k, входящих в азимут. Точное измерение разности фаз позволяет определить точное положение ЛА внутри этой зоны .

Азимут ЛА является суммой результатов измерений

. (1.29)

Если обе ступени измерений проводятся одинаковыми устройствами (фазометрами) и в одинаковых условиях, то погрешности измерения разности фаз можно считать одинаковыми. В связи с увеличением частоты колебаний в К раз точность должна также увеличится в К раз. Реальная точность измерения азимута в системе PVOR примерно в 4…5 раз выше, чем в системе VOR в тех же условиях.

На рис.1.13 представлена структурная схема измерителя азимута системы PVOR. На вход азимутального канала поступают одиночные импульсы с выхода приемника после дешифратора. Дешифратор бортового оборудования пропускает импульсные сигналы с кодовой расстановкой импульсов 12 мкс. Напряжение переменной фазы и опорное напряжение выделяются в самостоятельных каналах.

Для получения опорных напряжений импульсы с выхода дешифратора усиливаются и ограничиваются в усилителе-ограничителе. Импульсы постоянной амплитуды поступают в декодирующие каскады. Декодирующий каскад грубого канала (ДК_Г) выделяет из хаотической последовательности импульсов сигналы, соответствующие группам из 12 импульсов, следующих с интервалом 30 мкс. Эти сигналы преобразуются в опорное напряжение 15 Гц. Декодирующий каскад точного канала (ДК_Т) выделяет импульсные последовательности, состоящие из шести элементов с интервалом 24 мкс, и формирует опорное напряжение частоты 135 Гц. Опорные напряжения частот 15 и 135 Гц поступают на фазовые детекторы грубого (ФД _Г) и точного (ФД _Т) каналов соответственно.

Рис. 1.13. Структурная схема измерителя азимута PVOR
В канале переменной фазы вырабатывается напряжение, воспроизводящее закон амплитудной модуляции сигналов радиомаяка. Выделение огибающей производится пиковым детектором. Выходное напряжение детектора подается на фильтры грубого (Ф_Г) и точного (Ф_Т) каналов, которые выделяют колебания частот 15 и 135 Гц соответственно.

Бортовое оборудование содержит два автоматических следящих фазометра, один из которых работает на частоте 15 Гц и служит для устранения многозначности, другой – на частоте 135 Гц и служит для точного измерения азимута. Принцип действия фазометров аналогичен работе фазометра, рассмотренного на примере измерителя системы VOR (рис.1.7). Соответствующие роторы фазовращателей точного (ФВ_Т) и грубого (ФВ_Г) каналов связаны между собой механически через редуктор с передаточным числом 9:1 (Ред 9:1).

В режиме «Поиск» двигатель (ДВ) вращает роторы фазовращателей до момента измерения азимута в грубом канале. Для измерения в канале формируется строб ±20° частотой 15 Гц с фазой, зависящей от азимута самолета. Строб поступает на вход фазового детектора ФД _Г. После грубого измерения азимута система переходит в режим «Слежение». В этом режиме выходное напряжение фазового детектора ФД _Т через замкнутый коммутатор К поступает на преобразователь ПНН. Двигатель вращается до момента исчезновения напряжения с выхода ФД_Т т.е. до момента измерения азимута в точном канале.

Таким образом, угловое положение роторов фазовращателей соответствует значению азимута. Значение азимута передается на указатель посредством сельсин-датчика (СД).

В систему может входить, кроме азимутального, дальномерный канал. При совместной работе с самолетным радиодальномером передатчик радиомаяка используется одновременно как ответчик радиодальномера. При этом часть или все хаотически следующие сигналы передатчика замещаются ответными сигналами на сигналы запроса радиодальномеров.

В радиомаяках PVOR предусмотрен специальный режим для подачи позывных сигналов. При подаче позывных сигналов передатчик вырабатывает сигналы с постоянной частотой повторения 2700 Гц. На выходе приемного устройства при этом образуется переменное напряжение тона 2700 Гц. Манипулируя временем передачи этих сигналов, можно передавать сигналы азбукой Морзе.

Метод двухступенчатого определения азимута реализован в угломерно-дальномерной системе TACAN. Система была разработана в основном для нужд ВВС и ВМФ США и стран НАТО. Частотный диапазон, используемый в PVOR, занимает 962…1213 МГц. По сравнению с VOR система с двухступенчатым измерением азимута имеет более высокую точность (0,75…1°), сравнительно небольшие габаритные размеры и массу.

Применение двухступенчатого метода предусматривает использование специальной бортовой аппаратуры. Для повышения точности измерения азимута бортовым оборудованием системы VOR были разработаны радиомаяки, принцип работы которых основан на использовании эффекта Доплера. Система получила название DVOR (Doppler VOR).