Учебное пособие Для студентов фаитоп, флэ и зф специализации олр, ортоп вс, ортор вс, профиля лэгвс санкт Петербург 2017 2
 Скачать 6.01 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСРВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНТРАНС) ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ) ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» РАДИООБОРУДОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ И ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИЯ Учебное пособие Для студентов ФАИТОП, ФЛЭ и ЗФ специализации ОЛР, ОРТОП ВС, ОРТОР ВС, профиля ЛЭГВС Санкт - Петербург 2017 2 Одобрено и рекомендовано к изданию Методическим советом Рубцов Е.А., Шикавко О.М. Радиооборудование воздушных судов и его летная эксплуатация: Учебное пособие / СПб ГУ ГА. С. - Петербург, 2017. 120 с. Издается в соответствии с программами курсов «Радиотехнические средства обеспечения полетов», «Бортовые радиоэлектронные системы и комплексы», «Радиотехнические средства навигации и посадки» и «Радиооборудование воздушных судов и его эксплуатация». Рассматриваются общие вопросы летной эксплуатации БРНО, принципы функционирования, комплект и особенности летной эксплуатации автоматических радиокомпасов, радиовысотомеров, самолетных дальномеров, оборудования ближней навигации, бортовых систем навигации и посадки, автономных средств навигации и бортовых систем предупреждения столкновений ВС. Отражены особенности радиооборудования воздушных судов нового поколения. Предназначено для студентов Университета ГА, а также может быть рекомендовано курсантам летных училищ и летному персоналу при переучивании на новые типы ВС. Ил. 71, табл. 12, библиогр. 11 назв. Составители: Е.А. Рубцов, канд. техн. наук, О.М. Шикавко, Б.А. Сушкевич Рецензенты: В.Е. Сазанов, канд. техн. наук, доц., В.А. Кокла © Санкт-Петрбургский государственный университет гражданской авиации, 2017 3 Содержание Список сокращений и условных обозначений ......................................................... 4 Глава 1 Диапазоны радиоволн, применяемые в ГА и особенности их распространения ..................................................................................... 5 Глава 2 Автоматический радиокомпас ................................................................... 13 Глава 3 Самолетные дальномеры ............................................................................ 34 Глава 4 Бортовое оборудование угломерно-дальномерных систем ...................... 41 Глава 5 Бортовое навигационно-посадочное оборудование ................................. 46 Глава 6 Доплеровские измерители скорости и угла сноса .................................... 53 Глава 7 Спутниковые навигационные системы ..................................................... 68 Глава 8 Аппаратура автоматического зависимого наблюдения ............................ 79 Глава 9 Бортовые системы предупреждения столкновения .................................. 89 Глава 10 Бортовые пилотажно-навигационные комплексы ................................ 100 Глава 11 Основы летной эксплуатации авиационного радиооборудования....... 109 Список литературы ................................................................................................ 118 4 Список сокращений и условных обозначений АЗН – автоматическое зависимое наблюдение АРК – автоматический радиокомпас АРО – авиационное радиооборудование БПНК – бортовые навигационно-пилотажные комплексы БРЛС – бортовая радиолокационная станция БСПС – бортовые системы предупреждения столкновений ВРМ – всенаправленный радиомаяк ГНСС – глобальная навигационная спутниковая система ГРП – глиссадный радиоприемник ДИСС – допплеровский измеритель скорости и угла сноса ДНА – диаграмма направленности антенны КИНО – комплексный индикатор навигационной обстановки КПИ – комплексный пилотажный индикатор КРП – курсовой радиоприемник КУР – курсовой угол радиостанции МНРЛ – метеонавигационный радиолокатор МРП – маркерный радиоприёмник РМИ – радиомагнитный индикатор РСБН – радиотехническая система ближней навигации РТС – радиотехническое средство СЭИ – система электронной индикации ХИП – хаотическая импульсная последовательность ADF (Automatic Direction Finder) – автоматический радиокомпас DME (Distance Measuring Equipment) – всенаправленный УВЧ радиомаяк дальномерный ILS (Instrumental Landing System) – инструментальная система посадки NDB (Non-Directional Beacon) – приводная радиостанция VOR (VHF Omni Directional Range) – всенаправленный ОВЧ радиомаяк азимутальный 5 Глава 1 Диапазоны радиоволн, применяемые в ГА и особенности их распространения Область применения бортовых радиотехнических средств, а также их возможности существенно зависят от особенностей распространения радиоволн. Эти особенности оказываются разными для радиоволн различных частот. Определенной общностью свойств обладают некоторые группы частот, которые принято объединять в частотные диапазоны (см. табл. 1). Таблица 1 Диапазоны радиочастот Диапазоны радиоволн Бортовые радиотехнические средства Название Границы Название Границы Низкие (НЧ) 30 – 300 кГц Километровые, длинные (ДВ) 1 – 10 км Радиокомпас Средние (СЧ) 0,3 – 3 МГц Гектометровые (ГКМВ), средние (СВ) 0,1 – 1 км Радиокомпас Высокие (ВЧ) 3 –30 МГц Декаметровые (ДКМВ), короткие (КВ) 10 – 100 м Средства радиосвязи ВЧ диапазона Очень высокие (ОВЧ) 30 – 300 МГц Метровые (МВ), ультракороткие (УКВ) 1 – 10 м Оборудование навигации и посадки (VOR, ILS–КРП, МРП), средства радиосвязи ОВЧ диапазона Ультравысокие (УВЧ) 0,3 – 3 ГГц Дециметровые (ДМВ) 1 – 10 дм Оборудование посадки (ILS–ГРП), радио- дальномер (DME), РСБН Сверхвысокие (СВЧ) 3 – 30 ГГц Сантиметровые (СМВ) 1 – 10 см БРЛС, ДИСС, радиовысотомер В основу работы всех радиотехнических средств положены следующие основные свойства радиоволн: 1) Конечная и достаточно стабильная скорость распространения в однородной среде. Для излучений МВ, ДМВ и СМВ диапазонов земная атмосфера является недиспергирующей, поэтому групповая скорость распространения радиоволн в ней равна фазовой скорости, и обе эти скорости зависят от показателя преломления атмосферы n: гр ф c n Так как для атмосферы n > 1, то гр ф c . Для стандартной 6 атмосферы (давление p = 760 мм рт. ст., t = 15°С, парциальное давление водяного пара e = 8,8 мм при относительной влажности 70%) на уровне моря n = 1,000326 и гр ф 299 694 км/с . По мере подъема над землей параметры атмосферы быстро меняются, коэффициент преломления приближается к единице, а скорость радиоволн – к скорости света в вакууме. Для инженерных расчетов можно принять скорость радиоволн равной 3·10 6 км/с. В целом, скорость прямолинейно распространяющихся радиоволн в атмосфере отличается высокой степенью постоянства, что связано со стабильностью коэффициента преломления атмосферы. 2) Постоянство направления распространения. Радиоволны распространяются по кратчайшему расстоянию между точками излучения и приема. Траектория радиоволны зависит от длины волны и различается у разных диапазонов. С высокой степенью точности прямолинейными являются траектории волн диапазонов МВ, ДМВ и СМВ в горизонтальной плоскости. Траектория же их распространения в вертикальной плоскости не совсем прямолинейна. Причина отклонений траектории распространения от прямой линии — неоднородность земной атмосферы по высоте. Следствием неоднородности является рефракция. Характер рефракционного искривления траектории радиоволн показан на рис.1. Рефракция может изменять направление распространения на величину порядка десятков угловых минут. Рисунок 1 – Рефракция радиоволн в атмосфере 3) Способность направленного излучения и приема. Это способность радиоволн концентрировать энергию излучения (приема) в пределах малых телесных углов за счет применения антенных устройств. Направленные свойства антенны принято характеризовать функцией диаграммы направленности (ДН), вид которой представлен на рис.2. Рисунок 2 – Диаграмма направленности антенны 7 4) Способность преломляться и отражаться. Отражение и преломление как правило происходит на границе физических сред. Радиоизлучения метровых и более коротких волн отражаются от земной и водной поверхностей, гидрометеоров и других объектов. Это свойство радиоволн используется для обнаружения наземных сооружений, рек, водоемов, облаков, самолетов и т.п. Отражение радиоволн лежит в основе действия радиолокационных станций, входящих в состав бортовых радиоэлектронных комплексов. С отражением от земной поверхности надо считаться также при анализе электромагнитных полей, формируемых с помощью антенн, устанавливаемых на небольших удалениях от нее. Если излучатель располагается у земной поверхности, то в точку приема приходят две волны — прямая и отраженная (рис.3). Рисунок 3 – Траектория распространения прямой и отраженной волн Поле в точке приема представляет собой результат интерференции прямой и отраженной волн. В зависимости от возвышения точки наблюдения над горизонтом разность фаз между прямой и отраженной волнами изменяется. В направлениях, где она близка к 2 k (k — целое число), амплитуды колебаний складываются, а в направлениях, где она близка к ·(2k + 1), — вычитаются. Поэтому ДНА в вертикальной плоскости имеет лепестковый характер (рис.4). Рисунок 4 – Влияние отражений от Земли на ДНА в вертикальной плоскости 5) Эффект Доплера. Если расстояние между источником радиоизлучения и приемником изменяется, то частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний. Эту разницу называют доплеровским сдвигом частот, и он пропорционален радиальной составляющей скорости изменения расстояния, которая равна проекции вектора скорости на направление излучения. 8 Среда распространения сигнала Длина радиоволны λ и частота f связаны следующим соотношением: λ [м] ·f [Гц] = 3×10 8 м/с. Тогда λ [м] = 300/ f [МГц] или f [МГц] = 300/ λ [м] Для подавляющего большинства радиолиний гражданской авиации средой распространения сигнала является атмосфера. Атмосфера подразделяется на три основные области: тропосфера, стратосфера и ионосфера. Тропосфера (нижняя атмосфера) простирается от поверхности Земли, до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков и др. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны (характерно для сверхвысоких частот). Характеристики тропосферы определяют величину рефракции радиоволн. Стратосфера простирается примерно до 60…80 км. Ионосфера начинается с высот 60…80 км, простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер (рис.5). Рисунок 5 – Структура ионосферы На относительно небольших высотах 60...80 км располагается слой D, в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слой Е, далее на высотах 200…230 км располагается слой F 1 и на высотах 250…500 км – слой F 2 , для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слои D и F1 существуют 9 только в дневное время, а электронная концентрация слоев Е и F2 в ночное время уменьшается. Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при излучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство. Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изменений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях. Радиоволны диапазонов МВ, ДМВ и СМВ проходят через атмосферу и ионосферу в космическое пространство. Радиоволны диапазонов СЧ и ВЧ отражаются от слоев ионосферы и возвращаются на землю. Данный тип распространения получил название пространственных радиоволн. В западной технической литературе принято различать пространственные радиоволны, проходящие сквозь ионосферу (space wave) и отраженные от ионосферы (sky wave). Радиоволны диапазона СВ и ДВ способны распространяться, огибая поверхность Земли в виде так называемых поверхностных волн (ground wave). Указанные типы распространения радиоволн приведены на рис.6. Рисунок 6 – Типы распространения радиоволн Особенности распространения радиоволн НЧ диапазона Радиоволны с длинами от 1 до 10 км, соответствующие диапазону НЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря дифракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже горные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, поэтому возможно образование «мертвой зоны». Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазона НЧ способны распространяться на расстояния в сотни километров. 10 Пространственные радиоволны этого диапазона, если они рас- пространяются в направлении ионосферы, отражаются от нее, позволяя передавать информацию на большие расстояния. Если в место приема сигнала одновременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция. При взаимном наложении интерферирующих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс распространения радиоволн, и от значений их напряженностей поля в месте приема. Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона В диапазоне СЧ дальность распространения радиоволн с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты. Пространственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное распространение радиоволн СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие интерференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона. В диапазоне СЧ (а также НЧ) очень высок уровень атмосферных помех, поэтому для передачи сигналов этого диапазона на большие расстояния необходимо строить передатчики очень большой мощности. Потребность в использовании передатчиков большой мощности обусловлена также низкой эффективностью антенных систем в этом диапазоне. Однако несмотря на отмеченные трудности ДВ и СВ используются в радионавигационных системах, потому что они обеспечивают большую дальность действия вне зависимости от высоты полета. Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км). Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с по- вышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере. При уменьшении частоты радиосигнала возрастает поглощение энергии радиоволны и, соответственно, уменьшается энергия отраженной радиоволны. Из анализа особенностей распространения поверхностных и пространственных радиоволн ВЧ диапазона следует, что между сравнительно небольшой зоной распространения поверхностной волны и территорией, на которую приходят пространственные волны, образуется «зона молчания» или «мертвая зона» (рис.7), т.е. зона, до которой не доходят поверхностные волны и которую «перескакивают» пространственные волны. 11 Рисунок 7 – Зона молчания Распространение радиоволн ВЧ диапазона характеризуется многолучевостью распространения, определяемой рядом факторов: - наличие поверхностной и пространственной волн; - диффузность отражения радиоволны от ионосферы; - магнитоионное расщепление отраженной радиоволны на обыкновенную и необыкновенную волны; - многомодовость распространения, т.е. распространение с разным числом отражений от Земли, с отражением от разных ионосферных слоев, с неоднократным отражением от Земли и разных ионосферных слоев (рис.8). Это происходит из-за того, что ионосферные слои представляют собой не зеркальные, а шероховатые (неоднородные и неровные) поверхности, поэтому радиоволны отражаются от них в разных направлениях, т. е. имеет место рассеянное (диффузное) отражение (рис.8), приводящее к рассеянию энергии радиоволны, падающей на ионосферу, и тем самым уменьшающее энергию отраженной радиоволны. Рисунок 8 – Эффект многомодовости и диффузного распространения 12 Многолучевость распространения радиоволн ВЧ диапазона приводит к возникновению интерференционных замираний радиосигнала в месте приема. Существенное влияние на условия распространения радиоволн ВЧ диапазона оказывают ионосферные возмущения, вызванные процессами на Солнце. Они приводят к резкому повышению степени ионизации как отдельных ионосферных слоев (авроральные возмущения), так и ионосферы в целом (возмущения типа «полярная шапка») на широтах выше 60° с.ш., экранируя верхние слои ионосферы, поглощая и рассеивая энергию радиоволн ВЧ диапазона. Особенности распространения радиоволн диапазонов ОВЧ, УВЧ и СВЧ Общим для радиоволн ОВЧ и более высокочастотных диапазонов является сильное поглощение поверхностных волн в земле, слабая дифракция и отсутствие регулярных отражений радиоволн от ионосферы. Радиоволны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов распространяются практически прямолинейно и требуют обеспечения прямой видимости между пунктами передачи информации. За пределами прямой видимости земная поверхность экранирует приемник от передатчика. Это обстоятельство ограничивает расстояния, в пределах которых возможен прием излучений. Дальность прямой радиовидимости r определяется по формуле: [км] 1[м] 2[м] ( ), r D h h где D – коэффициент рефракции, принимающий значение 3,7 … 4,12 в зависимости от состояния атмосферы; h 1 и h 2 – высоты поднятия антенн. Приведенная формула характеризует расстояние прямой радиовидимости над земной поверхностью, форма которой сферическая. Неровности рельефа могут приводить к уменьшению или увеличению расстояния прямой радиовидимости в зависимости от взаимного расположения точки приема и точки излучения относительно линии горизонта. Пространственные волны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов, т.е. радиоволны, излученные под углом к земной поверхности, уходят в заатмосферное (космическое) пространство практически без изменения траектории. Однако радиоволны этих диапазонов могут рассеиваться тропосферными неоднородностями. Поверхностные волны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов могут отражаться от земной поверхности и местных предметов, что приводит к многолучевости и, как следствие – к интерференционным замираниям радиосигнала. 13 |