12.8. Радиосистемы посадки.

Принцип действия равносигнальных РСП.

Рассмотрим в качестве примера канал глиссады такой системы (рис. 12.8). Глиссадный радиомаяк ГРМ устанавливается рядом с ВПП, напротив точки приземления ЛА. Антенны ГРМ формируют в вертикальной плоскости диаграммы направленности и , точка пересечения которых соответствует заданной линии глиссады ЛГ (рис. 12.24,а), и излучают непрерывные АМ колебания, несущие частоты которых равны, а частоты модуляции составляют =90 Гц, а =150 Гц. В точке приема действует сигнал, равный сумме напряженностей полей, создаваемых антеннами ГРМ:

;

, (12.8)

где – амплитуда напряженности поля; – коэффициент АМ; и .

Амплитуда напряженности суммарного поля в точке приема

(12.9)

Рис. 12.24. Диаграммы направленности антенн ГРМ и спектры излучаемых сигналов (а), спектры сигналов в точках 1, 2 и 3 (б) и структурная схема бортовой аппаратуры (в)

Коэффициенты при и определяют зависимость амплитуд колебаний частот модуляции от угла и называются коэффициентами глубины пространственной модуляции:

, . (12.10)

Информативным параметром принимаемого сигнала является разность глубин модуляции РГМ:

. (12.11)

Положение ЛА на линии глиссады соответствует РГМ = 0. При отклонении ЛА вверх от линии глиссады и РГМ > 0, а при полете ЛА ниже линии глиссады РГМ < 0 (рис. 12.24,б).

Бортовой приемник ЛА реализует алгоритм (12.11). Для формирования сигналов, пропорциональных и , используется автоматическая регулировка усиления АРУ приемника Прм (рис. 12.24,в) по суммарному сигналу. Фильтры Ф90 и Ф150 выделяют сигналы с частотами модуляции и . В схеме сравнения СС образуется разность этих сигналов, пропорциональная РГМ и несущая информацию об угловом отклонении от линии глиссады.

Структурная схема канала курса с равносигнальным КРМ показана на рис.12.25.

Рис.12.25. Структурная схема канала курса с равносигнальным радиомаяком;

а – структурная схема радиомаяка, диаграммы направленности, формы сигналов в бортовом ПРМ. б – структурная схема бортового изделия.

Антенны КРМ питаются синфазно амплитудно-модулированными колебаниями с частотами модуляции Ω₁ и Ω₂. Модулирующие колебания вырабаты­ваются генераторами Г1 и Г2, усиливаются усилителями (У1 и У2) и посту­пают на модуляторы M1 и М2. На модуляторы подаются также высокочастотные колебания от задающего генератора ЗГ, пред­варительно усиленные усилителем мощности УМ.

Напряженности полей первой и второй антенн равны

где Em_1,2 - амплитуды напряженностей полей первой и второй антенн в

максимумах диаграммы направленности;

f_1,2(φ) - нормированные диаграммы направленности в гори­зонтальной плоскости;

m_1,2 — коэффициенты модуляции на частотах Ω₁ и Ω₂ .

Результирующее поле антенн курсовых радиомаяков равно сумме полей е₁ и е₂. В курсовых равносигнальных радиомаяках необходимое условие Е_m1 = Е_m2 = Е_m , при этом результирующее поле

Результирующее поле представ­ляется как сумма полей несущей частоты и двух полей, соответст­вующих боковым частотам модуляции.

Коэффициенты, определяющие зависимость глубины модуля­ции результирующего поля от углового параметра, опре­деляем по выражению:

Полученные коэффициенты называются коэффициентами глубины пространственной модуляции.

Линии курса соответствует направление φ₀, при котором вы­полняется условие

М₁(φ₀) = М₂(φ₀)

В курсовом приемнике КРП установленном на ВС на выходе детектора выделяют с помощью фильтров Ф1 и Ф2 напряжения u_c1 и u_c2 амплитуды которых пропорциональны соответственно M₁ и М_2.

Напряжения u_c1 и u_c2 выпрямляют и сравнивают в схеме сравне­ния СС.

Напряжение, подаваемое на индика­торный прибор, равно разности выпрямленных напряжений, а сле­довательно, пропорционально разности напряжений u_c1 и u_c2. Если самолет находится на линии курса, то u_c1 = u_c2 и стрелка прибора находится в нулевом положении.

При оценке изменений сигналов и_c1 и и_c2 используют специаль­ный параметр - разность глубин модуляции (РГМ). Поскольку u_c1 и u_c2 пропорциональны M₁ и М2, то отклонение стрелки инди­катора курса на самолете Δк равно:

где k₁ и k₂ — коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, отклонение стрелки индикатора курса про­порционально РГМ.

В равносигнальном курсовом радиомаяке выражение для РГМ имеет вид

РГМ=

На линии курса

и таким образом РГМ = 0.

Точность равносигнальных РСП.

При из (12.11) можно получить основное уравнение равносигнальной РСП:

. (12.12)

Переходя к погрешностям измерения РГМ и определения угла , получаем

; , (12.13)

где – пеленгационная чувствительность.

Из (12.13) следует, что для повышения точности равносигнальной РСП необходимо увеличивать и . Увеличение ограничено тем, что в суммарном сигнале общий коэффициент модуляции на РСН не должен превышать 1. Уменьшение ведет к снижению дальности действия РСП. Поэтому наиболее целесообразным средством повышения точности следует считать увеличение . Увеличивать крутизну ДНА можно сужением диаграммы, что приводит к сокращению угловых размеров зоны действия РСП, и для вывода ЛА, следующих под большими углами к заданной траектории, в зону действия узких ДНА приходится применять дополнительные антенны с широкой ДНА.

Одним из основных факторов, снижающих точность РСП, является влияние сигналов, отраженных от близких к ВПП объектов. Радиотехнические системы посадки, реализующие равносигнальный метод, характеризуются максимальной погрешностью (3 ), составляющей примерно 0,3° в канале глиссады и 0,25° в канале курса.

Равносигнальным РСП, кроме подверженности влиянию отраженных сигналов, свойственны и другие недостатки. Один из них – постоянство номинального угла глиссады – связан с применением на ГРМ неподвижных антенн. Этот недостаток не позволяет оптимизировать угол для ЛА с разными характеристиками. Кроме того, траектория посадки вблизи точки приземления находится в ближней зоне антенн глиссадного радиомаяка, что приводит к ненадежности информации о и вынуждает использовать на заключительном этапе посадки радиовысотомер как главный датчик положения ЛА в вертикальной плоскости.

В курсовом радиомаяке с «опорным нулем» линия курса об­разуется двумя диаграммами антенной системы маяка. Рассмотрим данный вариант, где на КРМ от модуляторов на специальное устройство — фазирующий мост ФМ (рис. 12.26, а) — подают два модулированных колебания. Одно из них — обычное амплитудно-модулированное колебание с частотами модуляции Ω₁ и Ω₂, а второе — балансно -модулированное, боковые составляющие ω±Ω₂ которого сдвинуты по фазе на 180° относительно состав­ляющих ω±Ω₁ .

Фазирующий мост обеспечивает синфазное питание облуча­телей О1 и О2 параболической антенной системы амплитудно-модулированными колебаниями и противофазное питание балансно-модулированными колебаниями. При синфазном питании облучатели О1 и О2 формируют диаграмму направленности 1, а при противофазном — диаграмму направленности 2 (см. рис.12.26, б). Результирующие диаграммы 3 и 4 показаны на том же рисунке. Обозначения ±90 (±150) соответствуют сдвигам по фазе на 180° составляющих поля с частотами модуляции F₁ и F₂.

Сигнал, излучаемый в диаграмме направленности 1, может быть представлен как сумма двух амплитудно-модулированных колебаний с частотами модуляций Ω₁ и Ω₂:

В связи с этим диаграмму направленности 1 называют суммарной.

В диаграмме направленности 2 излучается сигнал, который можно представить как разность двух амплитудно-модулирован­ных колебаний

При этом диаграмму 2 называют раз­ностной диаграммой.

Результирующая диаграмма излучения равна сумме суммар­ной и разностной диаграмм.

Амплитуду результирующего поля с частотой модуляции F₁=90 Гц определяют из полученных выражений

Рис.12.26. Схема курсового радиомаяка с «опорным нулем» (а) и диа­граммы направленности антенной системы радиомаяка в горизонтальной плоскости (б)

Рис.12.27. Упрощенная функциональная схема курсового радиомаяка с

«опорным нулем»

Амплитуда результирующего поля с частотой модуляции F₂=150 Гц:

При одинаковой глубине модуляции в каналах модуляторов КРМ, т. е. при m₁ = m ₂ = m , амплитуда результирующего поля

Е_р (φ) = E₁ (φ) + E₂ (φ) =

Согласно данного выражения видно, что коэффициенты в квад­ратных скобках при sin Ω₁ t и sin Ω₂ t определяют зависимость амплитуд частот модуляции от угла φ, т. е. глубину пространст­венной модуляции. Примем

Отклонения стрелки индикатора курса на самолете Δ_к про­порциональны разности глубин модуляции

РГМ = ( М₁ – М₂ ) =

Нулевое положение стрелки индикатора курса соответствует такому углу φ₀, при котором М₁ = М₂, т.е. РГМ = 0.

Мы видим, что бортовое оборудование, ко­торое обеспечивает работу канала курса при равносигнальном КРМ, обеспечит также работу при курсовом радиомаяке с «опор­ным нулем».

Структурная схема одного из вариантов кур­сового радиомаяка с «опорным нулем» приведена на рис. 12.27. Высокочастотные колебания с передатчика ПРД поступают на разделительный мост РМ₁, который необходим для исключения реакции цепей нагрузки на передатчик, а следовательно, и для предотвращения перекрестной модуляции в передатчике (кросмодуляции). Аналогичным целям служит и разделительный мост РМ₂, с которого высокочастотные колебания подаются на ба­лансные модуляторы БМ-90 и БМ-150, где они модулируются со­ответственно частотами 90 и 150 Гц.

Полученные балансно-модулированные колебания суммиру­ются в смесительном мосту СМ2 и питают боковые антенны (бо­ковые облучатели О1 и ОЗ) радиомаяка. Кроме того, балансно- модулированные колебания поступают в смесительный мост СМ1, где к ним добавляются колебания несущей частоты с РМ1. В результате суммирования на выходе СМ1 образуется амплитудно-модулированное колебание с частотами модуляции 90 и 150 Гц, которое используется для питания центральной антенны (центрального облучателя 02) радиомаяка.

Рис.12.28 ДН антенн и спектр сигналов КРМ (а), НЧ сигналы и положение стрелки индикатора курса (б) и структурная схема КРП РМС типа ILS (в).

В ГРМ с «опорным нулем» формирование глиссады анало­гично формированию линии курса в курсовом радиомаяке с «опорным нулем» (см. рис. 12.29.).

Рис.12.29. ДН антенн и спектр сигналов ГРМ (а), НЧ сигналы и положение стрелки индикатора глиссады (б) и структурная схема ГРП РМС типа ILS (в).

Глиссадный радиомаяк с «опорным нулем» и компенсацией излучения под малыми углами к горизонту.

Разновидностью глиссадного радиомаяка с «опорным нулем» является маяк с компенсацией излучения под малыми углами к горизонту. Такие радиомаяки позволяют уменьшить влияние переизлучателей, вызывающих, как будет показано ниже, искрив­ление линии глиссады. С помощью дополнительной верхней ан­тенны почти исключают влияние переизлучателей, высота кото­рых над горизонтальной плоскостью невелика.

Данная антенная система глиссадного радиомаяка с «опорным ну­лем» и компенсацией излучения под малыми углами к горизон­ту состоит из трех антенн. Соотношение амплитуд и фаз токов, питающих антенны, и коэффициенты модуляции излучаемых антеннами сигналов подбирают так, чтобы не только скомпенси­ровать излучение под углами порядка 1° к горизонту, но и обес­печить приемлемую линейность нарастания РГМ вблизи глис­сады.

Возможная диаграмма направленности рассматриваемого глиссадного радиомаяка приведена на рис. 12.30. На рис. 12.31.а показаны спектры сигналов, излучаемых нижней (НА), верхней (ВА) и средней (СА) антеннами под малыми углами к горизон­ту, а на рис. 12.31. б — спектр тех же сигналов, но при углах θ, близких к углу наклона глиссады θ ₀.

Рис. 12.30.Диаграмма направленности по боковым частотам спектра сигнала антенной системы глиссадного радиомаяка с «опорным нулем» и с подавлением излучения под малыми углами к горизонту: СА- диаграмма средней антенны; ВА- диаграмма верхней антенны; НА – диаграмма нижней антенны:

Рис.12.31. Спектры сигналов глиссадного радиомаяка с «опорным нулем» и с подавлением излучения вблизи горизонта при малых углах к горизонту(а) и на линии глиссады (б).

Амплитуда суммарного поля всех трех антенн Е_р(θ) может быть записана в виде

,

где Е_н (θ )=Е_mнf_н(θ); E_с (θ) = E_mc f_c (θ); E_в (θ) = E_mв f_в (θ);

Коэффициенты при sin Ω₁ t и sin Ω₂ t определяют зависимость глубины модуляции суммарного поля от угла Θ в вертикальной плоскости.

Отклонение стрелки индикатора глиссады Δ_r пропорциональ­но разности коэффициентов пространственной модуляции, т. е.

РГМ =

Данное выражение для РГМ является основным при анализе особенностей построения глиссадного радиомаяка с ком­пенсацией излучения под малыми углами к горизонту.

Двухканальные посадочные радиомаяки.

Эффективным способом уменьше­ния искривлений линии курса и глиссады, является сужение диаграмм направленности антенных систем радиомаяков. В су­ществующих радиомаяках повышенной точности применяют антенны с диаграммами направленности шириной не более 10°.

При столь узких диаграммах зоны курса и глиссады сужаются до нескольких градусов, что существенно усложняет маневр са­молета по выходу на линию курса или на глиссаду. Кроме того, при больших отклонениях от траектории посадки, что наблю­дается на начальном этапе захода на посадку, при малой шири­не зоны становится практически невозможным определение от­клонения самолета от этой траектории.

Для указания направления отклонения от траектории по­садки при нахождении самоле­та вне пределов основной диа­граммы направленности радио­маяка используют дополни­тельные диаграммы направлен­ности. Построенный подобным образом радиомаяк называют двухканальным.

Диаграммы на­правленности двухканального курсового радиомаяка в гори­зонтальной плоскости изобра­жены в декартовой системе ко­ординат на рис. 12.32.

Рис. 12.32. Диаграммы направленности двухканального курсового радиомаяка в горизонтальной плоскости.

1- суммарная диаграмма основного канала. 2- разностная диаграмма основного канала. 3- разностная диаграмма канала клиренса. 4 – суммарная диаграмма канала клиренса.

Как видно из диаграмм этого рисунка, двухканальный радиомаяк формирует зону курса как радио­маяк с «опорным нулем» и по существу представляет собой два радиомаяка со своими диа­граммами направленности.

Диаграммы f₁(φ) и f ₂(φ) служат для точного вывода са­молета на траекторию посадки и обеспечивают работу так на­зываемого узкого канала курса или основного канала курсово­го радиомаяка. Диаграммы f_к1 (φ) и f_к2 (φ) служат только для указания направления выхода на траекторию посадки, т. е. для указания стороны отклонения от линии курса. Эти диаграммы обеспечивают работу дополни­тельного широкого канала курса.

Схожее построение имеют и двухканальные глиссадные ра­диомаяки, в которых дополнительная диаграмма обеспечивает, главным образом, индикацию положения-глиссады при полете самолета под малыми углами к горизонту. Для формирования дополнительной диаграммы направленности здесь используют те же антенны, которые служат для формирования глиссады и по­давления излучения основного канала под малыми углами.

Дополнительный широкий канал часто называют каналом клиренса. Для того чтобы подавить переотраженные сигналы клиренсного канала, используют разность сигналов каналов по частоте или сдвиг по фазе модулирующих частот друг относи­тельно друга на 90°. Соответствующие двухканальные радио­маяки называют радиомаяками с двухчастотным или квадратур­ным клиренсом.

Радиомаяк с двухчастотным клиренсом излучает одинаковые модулирующие сигналы по обоим каналам, однако несущие ча­стоты этих каналов сдвинуты друг относительно друга на вели­чину Δ, составляющую несколько килогерц, т. е. частоты этих каналов могут одновременно проходить через УПЧ приемника. Различие в несущих частотах позволяет использовать для раз­деления каналов эффект подавления более слабого сигнала сильным при детектировании' в самолетном приемнике.

Как следует из диаграмм рис. 12.32. вблизи линии курса, на­пример, преобладает сигнал основного канала, а при отклоне­нии самолета от линии курса на угол, превышающий 10°, преоб­ладающее влияние оказывает канал клиренса.

Рассмотрим процесс подавления сигнала канала клиренса при полете вблизи от линии курса. Воспользуемся при этом результатами, полученными для радиомаяков с «опорным нулем».

Анализ влияния сигнала канала клиренса на основной канал в общем случае представляет собой достаточно сложную задачу. Однако, как показывает практика использования двухканальных систем посадки, при малых отклонениях от линии курса (наиболее важный случай), где коэффициенты глубины прост­ранственной модуляции М₁ и М₂ основного канала близки по своим значениям, задача может быть упрощена. Действительно, в данном случае на входе приемника присутствуют два сигнала, разнесенных по частоте на величину Δ, существенно превышаю­щую частоты модуляции Ω₁ и Ω₂ причем из-за того, что для основного канала ‌ │Δ–Ω₁│ ‌≈ │Δ–Ω₂│ влияние спектра сигнала канала клиренса на составляющие боковых частот спектра основного канала практически одинаково. Поэтому можно счи­тать, что основное влияние оказывают составляющие, получае­мые при взаимодействии спектра сигнала канала клиренса с несущей частотой основного канала.

Разность глубин модуляции для ре­зультирующего сигнала имеет вид:

РГМ_р = РГМ_о.к+ (U²_к.к./ 2U²_о.к) РГМ_к.к

Где РГМ_о.к ≈ 0 – разность глубин модуляции, определяемая основным каналом.

РГМ_к.к - разность глубин модуляции по каналу клиренса.

Данное выражение показывает, что в радиомаяках с двухчастотным клиренсом влияние канала клиренса на отклонение стрелки указателя положения на самолете уменьшается в U²_к.к / U²_о.к раз, что объясняется подавлением слабого сигнала детектором приемника.

В радиомаяке с квадратурным клиренсом как модулирующие, так и несущие частоты обоих каналов одинаковые. Отличие сиг­налов в основном канале и канале клиренса заключается только в фазовом сдвиге составляющих спектра одного канала по отно­шению к фазе соответствующих составляющих другого канала. Указанный фазовый сдвиг приводит к тому, что сигналы одина­ковых частот модуляции, но полученные из канала клиренса и основного канала, суммируются на выходе детектора приемника самолета геометрически (как квадратурные сигналы). При та­ком суммировании имеет место эффективное подавление силь­ным сигналом более слабого.

Рис. 12.33. ДН антенн 2х-канального КРМ (а) и ГРМ (б):1- ДНА узкого канала 2 – ДНА канала клиренса 3 – нижняя часть ДНА узкого канала, компенсируемая с целью уменьшения влияния местных объектов.