ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ

Классификация радиотехнических систем ближней навигации

       Системы ближней навигации (СБН) представляют собой региональные однопозиционные системы, предназначенные для определения азимута и дальности ЛА в пределах дальности прямой видимости. Для работы СБН выделены участки диапазона метровых и дециметровых волн.

Основу СБН составляют сеть независимых наземных радиомаяков, по которым определяются навигационные параметры. Различают азимутальные (АРМ), дальномерные (ДРМ) и азимутально-дальномерные (АДРМ) радиомаяки, которые устанавливают на аэродромах и в точках, соответствующих характерным участкам воздушных трасс.

Навигационные параметры СБН – азимут и дальность определяются на ЛА относительно РНТ, где размещен РМ. При известной высоте полета этих данных достаточно для нахождения положения ЛА методом линий положения. В СБН выделяют каналы азимута и дальности, каждый из которых включает наземный (соответственно азимутальный и дальномерный) РМ и бортовую аппаратуру ЛА.

       Типы СБН различаются по виду информативного параметра сигнала, используемого для определения азимута, по формату сигнала, служащего для определения дальности, а также по структуре системы в целом и используемому диапазону радиоволн. Наибольшее распространения получили отечественная система ДМВ диапазона РСБН, а также стандартизованная ICAO зарубежная система МВ диапазона VOR/DME.

       Навигационная информация формируется с помощью наземных РМ, принцип работы которых зависит от канала СБН и типа РМ.

Канал азимута СБН строят на основе временного, либо фазового метода. Временной метод используется в отечественных СБН, фазовый – в зарубежных (VOR, TACAN)..

 

Радиотехнические системы ближней навигации метрового диапазона

 

Система типа VOR

 

Как уже отмечалось, в зарубежных СБН метрового диапазона типа VOR используется фазовый метод измерения азимута. При этом носителем информации может быть как фаза огибающей амплитудно-модулированных колебаний (системы типа М), так и фаза высокочастотного несущего колебания (системы типа Н).

       В системах типа М функциональная зависимость фазы огибающей амплитудно-модулированного колебания от направления излучения создается путем вращения слабонаправленной ДН антенной системы радиомаяка. Обычно используют антенны с ДН типа «кардиоида».

       В системах типа Н функциональная зависимость фазы высокочастотного несущего колебания от направления излучения создается путем вращения по окружности определенного радиуса ненаправленной антенны. При этом используется эффект Доплера, вследствие чего подобные системы также называют доплеровскими.

       Рассмотрим более подробно принцип создания функциональной зависимости между фазой огибающей амплитудно-модулированного колебания и направлением излучения на примере всенаправленного радиомаяка типа VOR.

       Пусть ДН передающей антенны радиомаяка в горизонтальной плоскости имеет вид кардиоиды (рис.7.1) и описывается выражением

 

F( Θ ) = 1 + cosΘ   ,                                          (7.1)

 

где Θ – угол, отсчитываемый от максимума ДН..

           

 

       Пусть передатчик радиомаяка вырабатывает непрерывные немодулированные высокочастотные колебания вида

 

u ( t ) = U_m cos w ₀ t,

где U_m – амплитуда колебаний поля; w ₀ – несущая частота, которые излучаются с помощью антенны, имеющей ДН вида (7.1)

       Тогда при неподвижной ДН на борту ЛА, имеющего азимут Q ₀, будут приниматься колебания вида

 

u _пр (t) = K F( Q ₀ )u(t) = KU_m (1 + cos Q ₀ ) cos w ₀ t,

где К - коэффициент пропорциональности.

       Если вращать ДН антенны против часовой стрелки с частотой W, то угловое положение радиостанции относительно максимума ДН будет изменяться во времени по закону

 

Q ( t ) = W t + Q ₀.

 

       Если считать, что в момент t =0 ДН совпадала направлением максимального приема с опорным направлением (направлением северного меридиана), то на вход приемного устройства с антенной системы будет поступать напряжение

 

u _пр (t) = U_m [1 + cos ( W t + Q ₀ )] cos w ₀ t,                      (7.2)

 

       Как видно из выражения (7.2) при вращении ДН сигнал, поступающий от антенны приемного устройства, становится амплитудно-модулированным. Причиной появления амплитудной модуляции является вращение ДН радиомаяка. Огибающая этого АМ колебания

 

u _нч (t) = U_m cos ( W t + Q ₀ ),                                   (7.3)

 

содержит в значении текущей фазы

 

j _с ( t ) = W t + Q ₀                                                 (7.3)

информацию об азимуте (пеленге) ЛА. Для выделения этой информации в приемном устройстве необходимо иметь опорное колебание

 

u ₀ ( t ) = U_{m 0} cos W t,

несущее информацию о мгновенном положении ДН, т.е. имеющее текущую фазу, связанную с положением максимума ДН в данный момент времени

 

  j ₀ ( t ) = W t.                                      (7.4)

       При наличии опорного колебания информация об азимуте ЛА может быть выделена с помощью фазометра, измеряющего разность фаз между огибающей АМ-сигнала (7.3) и опорным колебанием (7.4)

 

D j = j _с ( t ) – j ₀ ( t ) = Q ₀.

 

Опорный сигнал передается радиомаяком по отдельному каналу связи, причем на той же частоте w ₀, что и азимутальный. Разделение этих сигналов на приемной стороне происходит методом частотной селекции продетектированного по амплитуде комбинированного сигнала. Такая возможность появляется при использовании для передачи опорного сигнала двойной частотной модуляции.

Упрощенная структурная схема радиомаяка типа VOR представлена на рис.7.2.

 

 

       Высокочастотные колебания передатчика ПРД разделяются делителем мощности (ДМ) на два канала. Часть мощности поступает во вращающуюся азимутальную антенну А1 с ДН типа «кардиоида» и излучается, образуя азимутальный сигнал переменной фазы (7.2).

       Колебания, поступающие в модулируемый усилитель высокой частоты (МУВЧ), модулируются в нем по амплитуде частотно-модулируемыми поднесущими колебаниями, поступающими из оптико-механического модулятора (ОММ). Эти колебания излучаются ненаправленной антенной А2, образуя опорный сигнал. При этом частота модуляции (вращения) азимутальной антенны составляет 30 Гц, частота поднесущих колебаний – 9950 Гц.

       Вместо вращающейся антенны для получения сигнала переменной фазы могут использоваться неподвижные антенны, запитываемые через гониометрическое устройство для получения электронного вращения ДН.

       Упрощенная структурная схема бортового приемного устройства представлена на рис.7.3.

 

 

 

 

Антенна А принимает азимутальный и опорный сигналы одновременно. С учетом того, что эти сигналы формируются одним передатчиком и излучаются антеннами, имеющими общий фазовый центр, они являются когерентными и на выходе антенны А получается суммарное колебание вида

 

. (7.5)

       Спектр такого колебания имеет две дополнительные боковые составляющие, расположенные симметрично по обе стороны от несущей частоты ω ₀ на расстоянии Ω .

       После преобразования этого сигнала в приемном устройстве, усиления его и детектирования амплитудным детектором получается огибающая суммарного сигнала, содержащая азимутальный и опорный сигналы вида

 

,        (7.6)

 

где U_{m 1} и U_{m 2}  – соответственно амплитуды составляющих полного сигнала.

       Азимутальный и опорный сигналы из их смеси (7.60 модно выделить путем частотной селекции. С этой целью с выхода приемника ПРМ сигнал подается на два полосовых фильтра.

       В фильтре, настроенном на частоту Ω (f=30 Гц), выделяется азимутальный сигнал или сигнал переменной фазы, а в фильтре, настроенном на поднесущую частоту Ω _п (f=9960 Гц), выделится частотно-модулированное поднесущее колебание. Опорное колебание выделяется после частотного детектирования поднесущего колебания в частотном детекторе.

       Таким образом, в результате преобразований получены азимутальный сигнал  и опорный сигнал , разность фаз которых равна азимуту ЛА Θ ₀. Эта разность фаз измеряется фазометром ФМ, в котором в качестве чувствительного элемента используется фазовый детектор. Напряжение на выходе ФД

 

U _фд = К_фд U_mcos ∆ φ ,

 

где К_фд – коэффициент передачи фазового детектора, содержит информацию об измеряемой разности фаз входных напряжений ∆ φ , и, следовательно, азимуте ЛА.

 

Система типа DVOR

Система типа DVOR основана на использовании эффекта Доплера, который вызывает фазовую модуляцию сигналов, принимаемых от вращающейся ненаправленной антенны радиомаяка. При этом фаза огибающей модуляции сигналов зависит от направления на источник излучения - радиомаяк. В простейшем случае передающая антенна радиомаяка представляет собой ненаправленный в горизонтальной плоскости вибратор А1, который перемещается по окружности радиуса R с частотой W (рис.7.4). Так как антенна при этом то приближается к приемнику, то удаляется от него, возникает эффект Доплера, вызывающий пространственно-фазовую модуляцию принимаемого сигнала.

 

На рис.7.4 показаны центральная антенна радиомаяка А2, расположенная в начале координат, и вращающаяся антенна А1 на расстоянии R  от центральной антенны под углом a к начальной линии отсчета. Сигналы от антенн А1 и А2 принимаются в точке расположения ЛА с азимутом Q ₀. Антенна А1 вращается по окружности радиуса R с угловой скоростью W =2π n, где n – частота вращения антенны. Линейная скорость вращения антенны V = W R.

       Тогда радиальная составляющая скорости по направлению Q ₀

 

V_r = W sin ( a – Q ₀ ).                                   (7.7)

 

Текущее значение азимута антенны А1 a = W t. Когда t =0 и a =0, антенна находится на начальной линии отсчета. Подставив в формулу (7.7) величины V и a , получим

 

V_r = W R sin ( W t – Q ₀ ).                              (7.8)

 

В этих условиях при приеме колебаний от вращающейся антенны А1 в точке приема возникает доплеровский сдвиг частоты F _д = V_r /λ . С учетом формулы (7.8) получим

 

F _д = W R sin ( W t – Q ₀ )/λ .                                      (7.9)

 

       Обозначим F _{д m} = W R /λ , тогда 

 

F _д = F _{д m} sin ( W t – Q ₀ ).                                    (7.10)

 

       Из выражения (7.100 видно, что доплеровская частота F _д , полученная в результате вращения антенны А1, связана с азимутом ЛА Q ₀. принимая такой сигнал на самолете, можно выделить напряжение вида

 

u_A = U_Am cos ( W t – Q ₀ ) ,     

 

фаза которого зависит от азимута.

       Используя центральную антенну А2, можно передать на борт опорное напряжение вида u _о = U _{о m} cos W t, фаза которого не зависит от азимута, и, сопоставив фазы этих сигналов между собой, определить азимут Q ₀.

    Формат сигнала доплеровского радиомаяка DVOR выбирают одинаковым с форматом сигнала радиомаяка VOR, чтобы иметь возможность приема этих сигналов с помощью однотипной бортовой аппаратуры без какой-либо доработки или замены, с той лишь разницей, что азимутальный сигнал DVOR передается по частотно-модулированному каналу, а опорный сигнал передается по амплитудно-модулированному каналу.

       Основное достоинство доплеровских радиомаяков по сравнению с обычными состоит в высокой эффективности подавления влияния переотражений сигналов от местных предметов на точность работы, в результате чего точность повышается примерно в 10 раз.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: