Автоматический радиокомпас и приводные радиостанции

Введение

Выдающийся русский ученый А. С. Попов — изобретатель радио — первым высказал идею применения его и для вождения подвижных объектов. Во время опытов по радиосвязи на Балтийском море в 1897 г. он обнаружил возможность направленного приема и передачи радиоволн, а также явления рассеяния и отражения их от металлических предметов и различного рода препятствий. На основе этих открытий им тогда же были предложены первые радионавигационные устройства — радиопеленгаторы и радиомаяки, что дает право считать А. С. Попова основоположником радионавигации и радиолокации. [1]
Современная авиация на нынешнем этапе ее развития находится в состоянии интенсивного совершенствования. С одной стороны, это связано с расширением круга стратегических и тактических задач, диктуемых эксплуатацией околоземного пространства. С другой стороны, прогресс авиации обусловлен ростом технических характеристик летательных аппаратов — таких, как высотность, скороподъемность, грузоподъемность, полетная дальность и т. д. Эти две основные причины ведут к необходимости все более дифференцированного контроля над постоянно усложняющейся воздушной обстановкой и все более оперативного управления складывающейся ситуацией.
Решение указанных проблем контроля и управления в подавляющем большинстве случаев возлагается на радиосистемы.
Что касается классификаций авиационных радиосистем, то они могут быть выполнены по различным признакам. Наиболее употребительными в настоящее время являются классификации по месту расположения радиосистемы и по области ее использования:
по месту расположения. В этом случае радиосистемы подразделяются на следующие классы:
наземные (например, радиомаяки, радиосистемы обзора воздушного про-странства);
бортовые (например, автоматический радиокомпас, радиосистема обзора земной поверхности).
Вместе с тем, следует отметить, что нередко в одной и той же радиосистеме присутствует как наземное, так и бортовое радиооборудование (например, радиосистема определения государственной принадлежности, радиосистема посадки);
по области использования. В этом случае радиосистемы подразделяются на следующие классы:
гражданские (например, радиосистема предупреждения столкновений, радиосистема управления воздушным движением),
военные (например, радиосистема перехвата и прицеливания, радиосистема наведения).
Следует, однако, отметить, что значительное количество радиосистем обладают так называемой «двойной применимостью», то есть могут быть использованы как в гражданской, так и в военной авиации.[2]
1. Автоматический радиокомпас (АРК)
1.1 Общие сведения об автоматических радиокомпасах

Автоматический радиокомпас (АРК) служит для навигации по ненаправленным приводным радиостанциям (НПРС). Такими радиостанциями оборудованы все аэродромы и воздушные трассы РФ.
НПРС - самый простой вид радиомаяка, излучающий свой сигнал одинаково во всех направлениях. Радиостанция маяка непрерывно излучает незатухающие или тонально-модулированные колебания и свои позывные. Этот тип радиомаяков работает в диапазоне средних волн. [3]
Автоматическим радиокомпасом (АРК) называется бортовой радиопеленгатор, предназначенный для обеспечения вертолето-самолето вождения по приводным (ПРС) и широковещательным (ШРС) радиостанциям, путем непрерывного измерения курсового угла радиостанции (КУР).
КУР - это угол, заключенный между продольной осью вертолета и направлением на приводную радиостанцию (ПРС). КУР отсчитывается по часовой стрелке (рис.1).

Рисунок 1- Курсовой угол радиостанции

Автоматическим он является потому, что позволяет непрерывно получать отсчет КУР пеленгуемой радиостанции, после настройки радиокомпаса на ее рабочую частоту, с визуальной индикацией КУР на стрелочных (цифровых) индикаторах.
Совместно с курсовыми приборами радиокомпас позволяет экипажу в любых метеоусловиях, днем и ночью решать следующие навигационные задачи:
- выполнять полет на радиостанцию и от нее с визуальной индикацией курсового угла;
- определять пеленг радиостанции по указателю курса с использованием курсовой системы;
- работать в качестве резервного связного приемника. [4]


Рисунок 2- Рамка, используемая в автоматическом радиокомпасе:а — ее вид: б— диаграмма направленности; в — векторная диаграмма напряжений

Специфическим элементом автоматического радиокомпаса является антенный блок, состоящий из рамочной антенны (вместе с гониметром) и ненаправленной антенны. Рассмотрим подробнее работу этого блока.
Начнем с отдельной рамки. Ее внешний вид представлен ни рис. 2, а.
Излученное радиомаяком электромагнитное поле пронизывает плоскость рамки, и в ее боковых сторонах возникают напряжения U1, и U2. Поскольку антенна радиомаяка обычно (для обеспечения круговой в горизонтальной плоскости диаграммы направленности) выполняется в виде вертикального штыря, то рамка, соответственно, рассчитана на прием только вертикально составляющей поля; прием рамкой горизонтальных составляющих, обусловленных, чаще всего, отражениями радиоволн от ионосферы, рассматривается как мешающий, помеховый фактор. На выходе рамки образуется (снимаемое индуктивным образом) напряжение UP в котором заключена информация о стороне (относительно перпендикуляра к плоскости рамки) местоположения радиомаяка и о величине отклонения (относительно того же перпендикуляра к плоскости рамки) этого радиомаяка. [2]
Структурная схема автоматического радиокомпаса показана на рисунке 3.
Электромагнитное колебание частоты ω0 принимается рамочной антенной 1(вместе гониометром), и выработанное этим узлом напряжение поступает на первое фазосдвигающее на 90° устройство 2. После смещения по фазе напряжение UротI(или UротII) частоты ω0 подается на балансный модулятор 3, на второй вход которого вводится низкочастотное (20...80 Гц) колебание частоты ῼ, формируемое генератором низкочастотного колебания 4. Необходимость постановки балансного модулятора объясняется требованием создать переключение фаз (на 0° или 180°) в напряжении частоты ω0.


Рисунок 3- Структурная схема автоматического радиокомпаса:
1 — рамочная антенна (вместе с гониометром); 2 — первое фазосдвигающее на 90° устройство; 3 — балансный модулятор; 4 — генератор низкочастотного колебания; 5 — блок суммирования; 6 — радиоприемное устройство; 7 — второе фазосдвигающее на 90° устройство; 8 — электродвигатель; 9 — индикатор курсового угла

Дело в том, что поворот ротора является (по сравнению с напряжением частоты ω0 достаточно инерционным процессом, а судя по векторной диаграмме рис. 4,б, смена фаз напряжения Uрот на противоположную произойдет лишь при переходе радиомаяка на другую сторону относительно продольной оси самолета. Поэтому переключение фаз напряжения Uрот (для создания дальнейшей амплитудной модуляции) осуществляется искусственным путем — подачей переключающего колебания частоты ῼ на балансный модулятор. Прием с использованием балансного модулятора эквивалентен прямому переключению выхода ротора, но выполняется технически проще.

Рисунок 4- Ненаправляемая антенна (НА) и векторные диаграммы напряжений

С выхода балансного модулятора напряжение UротI (или UротII) частоты ω0 вводится на один из входов блока суммирования 5. На другой вход этого блока поступает напряжение UНА частоты ω0 подаваемое с выхода ненаправленной антенны.
После сложения этих напряжений результирующее колебание (UBX ПРМI или UBX ПРМII — см. векторные диаграммы рис. 4,в,г) частоты ω0 оказывается амплитудно-модулированным, причем частота модуляции равна величине ῼ. Данное амплитудно-модулированное колебание поступает далее на вход радиоприемного устройства 6, на выходе которого вырабатывается огибающая этого колебания, т. е. напряжение частоты ῼ. Отметим, что в случае точной настройки на радиомаяк (курсовой угол αрм= 0) амплитудная модуляция входного напряжения радиоприемного устройства отсутствует, и выходное напряжение радиоприемного устройства равно 0.
Для дальнейшего управления (поворота) ротором на электродвигатель 8 необходимо подать два низкочастотных (частоты ῼ) напряжения. Первое, опорное, поступает на обмотку возбуждения двухфазного асинхронного электродвигателя от генератора низкочастотного колебания. Второе, в котором заключена информация о курсовом углеαрм, подается на управляющую обмотку того же электродвигателя с выхода второго фазосдвигающего на 90° устройства 7 (которое выполняет смещение фазы напряжения частоты ῼ, сформированного на выходе радиоприемного устройства).
В результате совместного действия этих напряжений ротор разворачивается своей плоскостью в направлении на радиомаяк, а величина курсового угла αрм, определяемая по углу поворота вала электродвигателя, передается на индикатор курсового угла 9.
Отметим, что когда Uрот=0, электродвигатель останавливается (поскольку αрм =0°). Если же фаза напряжения Uротменяется на 180°, это означает, что продольная ось самолета оказалась правее радиомаяка, и тогда вращение вала электродвигателя происходит в обратном направлении. Если ротор окажется развернутым не на радиомаяк (αрм= 0°), а от радиомаяка αрм= 180°), то такое положение ротора будет неустойчивым, а именно — при небольшом изменении αрм (например, вследствие рыскания самолета) или из-за наличия помехового напряжения, электродвигатель начнет отрабатывать это рассогласование, уменьшая его, и стрелка индикатора курсового угла установится на истинное значение αрм.[2]

1.2 Влияние условий распространения радиоволн на точность определения курсового угла радиостанции

Точность определения курсового угла радиостанции автоматическим радиокомпасом зависит от складывающихся условий распространения радиоволн вызванных влиянием рельефа местности, местных предметов и земной поверхности.
Рельеф местности может быть как естественным (горы, холмы и т. п.), так и индустриальным (различные строения, мачты, элементы конструкции воздушного судна и т

. п.). Если местные предметы, лежащие на пути распространения радиоволн, являются для них «прозрачными» и при этом электрические параметры радиоволн изменяются, возникает рефракция. Если препятствия для радиоволн «непрозрачны» - возникает дифракция радиоволн.
Отражения радиоволн от местных предметов приводит к образованию вторичных электромагнитных полей, взаимодействующих с основным полем, в результате чего возникают значительные ошибки при определении пеленга. Определить ошибки пеленгования можно только по результатам практических измерений на местности, при этом стоит учитывать, что ошибки могут иметь сезонный характер и зависеть от изменений электрических параметров почвы и местных предметов, вызванных погодными условиями.
Также при определении КУР следует учитывать явления характерные средневолновому диапазону: береговой эффект, горный эффект и ночной эффект.
Береговой эффект. Ошибки, обусловленные береговым эффектом, связаны с рефракцией поверхностных волн при их распространении через границу раздела двух сред: суши и моря. В результате чего появляется ошибка Δ между истинным КУР и текущим отсчетом радиокомпаса (ОРК) (рис.5).

Рисунок 5- Береговой эффект
Рефракция будет тем больше, чем меньше угол между береговой линией и направлением прихода радиоволн к береговой линии. Так, например, при острых углах встречи поверхностной волны с береговой линией ошибка радиопеленгования может достигать 6 - 8°.
Наиболее ощутимое влияние берегового эффекта будет наблюдаться в непосредственной близости от береговой черты. По мере удаления от нее фронт волны постепенно выравнивается, и ошибка в определении пеленга становится незначительной.
Горный эффект. Сущность горного эффекта состоит в том, что электромагнитные волны, встречая на пути своего распространения неровности земной поверхности, наводят в них электрические токи, которые создают около этих неровностей вторичное электромагнитное поле, которое может достичь вертолета и, взаимодействуя с основным, электромагнитным полем, исказить его (рис. 6).

Рисунок 6- Горный эффект

Величина ошибки АРК, вызванная горным эффектом, зависит от высоты гор и расстояния до них, длины волны, пеленгуемой радиостанции, истинной высоты полета вертолета. При высоте гор 300 - 1500 м ошибка сказывается на расстоянии 8 - 10 км от горы, при высоте гор 1500 - 4000 м сказывается на расстояниях 20 - 40 км. В течении полета над горной долиной ниже высоты окружающих гор при пеленговании радиостанции, расположенной в той же долине на расстоянии не менее 10 км от гор, ошибка не превышает 5°. В других условиях, особенно при высоте полета менее 300 м, ошибки определения КУР могут достигать величины 90°. Наибольшие ошибки наблюдаются в том случае, если вертолет находится между радиостанцией и наивысшей точкой горы. При нахождении вертолета за перевалом ошибки пеленгования уменьшаются, а на расстоянии 30 - 40 км от гор ошибка практически отсутствует. Скорость колебания стрелки указателя АРК при высоте полета 900 - 1200 м над горами примерно равна 20 град/с. Более быстрые колебания и развороты стрелки указателя на ± 90° указывают на то, что высота полета над горами составляет менее 300 м, поэтому существует опасность столкновения с отдельными вершинами.
Для повышения точности измерения КУР в горной местности необходимо использовать радиостанции с более короткой длинной волны, а при полетах на высотах менее 500 м брать среднее показание КУР.
Ночной эффект. На антенную систему радиокомпаса днем обычно воздействует только поверхностная волна с вертикальной поляризацией.
С наступлением темноты средние волны отражаются от ионо-сферы. В переходный период между днем и ночью, в течение двух часов до и после восхода (захода) солнца, стабильность ионосферы нарушается.
Ночью и в сумерках, в зависимости от удаления вертолета от радиостанции, на антенную систему воздействует либо сумма по-верхностной и пространственной волны, либо только поверхностная волна. Все это вызывает появление поляризационных ошибок.
При влиянии ночного эффекта точность пеленгования зависит от мощности и длины волны радиостанции. Чем больше мощность и длина волны, тем выше точность определения пеленга.
Наиболее интенсивно ночной эффект проявляется за 1 - 2 часа до восхода солнца. В эти часы ошибки в определении КУР могут достигать 30°. Ночью ошибки пеленгования составляют 10 - 15°.
На удалении 100 км от радиостанции ночной эффект почти не сказывается на работе АРК. [4]

1.3 Радиодевиационная ошибка. Порядок списания и устранения радиодевиационной ошибки

У всех АРК, при измерении КУР, присутствует радиодевиационная ошибка вызванная искажением электромагнитного поля металлической обшивкой вертолета (вторичные излучатели).
Вторичное электромагнитное поле складывается с основным полем ПРС, в результате чего направление суммарного поля не совпадает с направлением прихода радиоволн от ПРС и рамочная антенна АРК устанавливается в ложном направлении.
Ошибка между КУР и ОРК взятая с обратным знаком называется радиодевиационной ошибкой (радиодевиацией):
ΔР = КУР – ОРК (1)
Учитывая, что радиодевиационная ошибка носит регулярный характер и может достигать величины порядка ± 20°, с ней приходится считаться и вести ее учет, проводя радиодевиационные работы.
При этом обязательные радиодевиационные работы проводятся:
- при отработке размещения антенн радиокомпаса на вертолете;
- при монтаже, демонтаже на вертолете выступающих металлических частей;
- при некомплектной замене блоков рамочной антенны;
- не реже одного раза в год в течение времени эксплуатации.
Кроме этого радиодевиационные работы рекомендуется проводить в случае ремонта обшивки фюзеляжа вертолета, замены аналоговых курсовых индикаторов.
Проведению девиационных работ должна предшествовать проверка работоспособности радиокомпаса в объеме предписанном руководством по техническому обслуживанию с использованием функции встроенного контроля или сервисных средств измерений (испытателя радиокомпаса).
Значения радиодевиационных ошибок определяют путем пеленгования ПРС при установке вертолета на девиационном круге (назем-ные радиодевиационные работы) или путем пеленгования ПРС при полете вертолета на нее и от нее (списание радиодевиации пролетом).
Наземные радиодевиационные работы проводят в сухую погоду на девиационных кругах или специально оборудованных горизонтальных площадках с уклоном не более 3º, отвечающих следующим требованиям (рис.7):

Рисунок 7- Расположение вертолета на девиационном круге

- почва вокруг девиационного круга в радиусе до 150 м должна быть однородной в электрическом отношении (при этом для круга непригодна скалистая и песчаная почва);
- местность вокруг девиационного круга в радиусе 1500 м должна быть открытой и по возможности более ровной.
Расположение девиационного круга выбирается так, чтобы влияние от местных предметов и ошибки рефракции были бы минимальны.
Для этого девиационный круг должен быть удален от:
- железобетонной взлетно-посадочной полосы (ВПП) не менее чем на 50 м;
- одиночных деревьев и кустарника высотой более 1 м не менее, чем на 60 м (летом на площади этого радиуса рекомендуется выкашивать травяной покров, зимой – выравнивать нагромождения снега);
- небольших одноэтажных зданий, стоянок авиационной техни-ки не менее чем на 200 м;
- линий железнодорожного полотна, тщательно заземленных металлических изгородей, не менее чем за 300 м;
- воздушных линий связи на деревянных опорах на расстояние, равное сорока высотам подвески проводов и более;
- металлических мачт на расстояние, равное пятидесяти высотам мачт и более (если это условие невыполнимо, то круг нужно строить так, что бы мачта находилась на одной прямой между центром круга и принимаемой радиостанцией, но не ближе 150 м);
- ангаров, хранилищ, крупных мостов с металлическими фермами не менее чем за 1000 м;
- береговой линии (если радиоволна пересекает береговую линию) на расстояние не менее трех длин волны.
При работе на девиационном круге не рекомендуется пользоваться аэродромными источниками питания, так как их силовые про-вода могут быть источниками погрешности измерений. Так же необходимо учитывать возможность помех от системы зажигания двигателя автомобиля, используемого для разворота вертолета на круге. Для исключения этих помех необходимо после каждого маневра отводить автомобиль от вертолета на расстояние не менее 50 м и выключать двигатель.
При выборе ПРС для выполнения радиодевиационных работ следует руководствоваться следующими положениями:
- магнитный пеленг радиостанции относительно центра круга должен быть точно известен;
- удаленность радиостанции от девиационного круга должна быть не менее 20 км;
- мощность излучаемого сигнала должна обеспечивать в точке приема устойчивую работу радиокомпаса без флуктуаций показаний курсового индикатора;
- частота излучаемого сигнала (при наземных работах), с целью уменьшения интерференционных ошибок должна быть не более 400 кГц.
Радиодевиационные работы необходимо проводить в дневное время суток не ранее, чем за два часа после восхода и не позднее, чем за два часа до захода солнца.
Радиодевиационные работы с радиокомпасом включают следующие операции:
- определение и устранение установочной ошибки;
- определение и устранение (компенсацию) радиодевиационной ошибки;
- определение остаточной радиодевиационной ошибки.
Для определения установочной ошибки рамки радиокомпаса следует:
- вырулить или отбуксировать вертолет на площадку для выполнения радиодевиационных работ и установить вертолет так, чтобы курсовой угол ПРС был равен 0°;
- включить и настроить АРК на ПРС, по которой будет определяться радиодевиация;
- выбрать на АРК режим работы – «КОМПАС» и по показанию индикатора КУР определить величину установочной ошибки рамки используя формулу (1)