3.3. Анализ курсового и глиссадного радиомаяка существующей системы посадки сп-200
ГРМ предназначен для формирования электромагнитного поля в пространстве, в котором создаётся область, где разности глубин модуляции несущей частоты сигналами 90 и 150 Гц равны нулю. Ближайшая к горизонтальной эта плоскость задаёт профиль глиссады: её пересечение с плоскостью курса образует траекторию снижения, по которой ВС ориентируются в вертикальной плоскости на заключительном этапе захода и при посадке. Формируемая линия глиссады используется бортовыми системами в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах.
Принцип действия глиссадного радиомаяка соответствует международной системе инструментальной посадки ILS и является одним из основных элементов комплекса СП-200.
Размещение ГРМ осуществляется на противоположном торце ВПП, то есть слева или справа от её оси, обычно на расстоянии от 120 до 180 м. Конкретная удалённость антенны от торца ВПП определяется требуемым углом глиссады, особенностями рельефа местности и влиянием локальных объектов, способных исказить диаграмму направленности. При установке радиомаяка необходимо соблюдение следующего ключевого требования: высота опорной точки антенны должна быть равно примерно 15-18 м относительно порога ВПП, что должно обеспечивать корректное формирование наклонной равносигнальной плоскости глиссады.
ГРМ выполняет функцию создания электромагнитного поля, по которому ВС получает информацию о своем положении относительно ВПП в вертикальной плоскости на этапе захода и непосредственно при посадке.
Все оборудование ГРМ, за исключением антенных устройств, размещается в аппаратной. Аппаратной может быть мобильный контейнер или стационарное отапливаемое помещение, подготовленное для круглогодичной эксплуатации.
Электропитание ГРМ осуществляется от двух независимых однофазных сетей переменного тока частотой от 47 до 63 Гц и напряжением примерно 187-264 В. В случае полного исчезновения напряжения в обеих сетях радиомаяк автоматически переключается на работу от АКБ напряжением 24 В, которые обеспечивают автономную работу не менее двух часов. Максимальная мощность, потребляемая всей системой от сети, составляет до 4 кВт, при этом сам шкаф ГРМ потребляет не более 300 Вт.
Передающие модули совместно с блоками формирования и контроля сигналов оснащены стопроцентным горячим резервированием, то есть дублирующий комплект подачи питания включается автоматически при отказе основного. Время перехода на резервную аппаратуру регулируется и может составлять от 1 до 6 секунд. Полное включение подготовленного радиомаяка занимает не более двух минут.
ГРМ поддерживает 40 частотных каналов и работает с горизонтальной поляризацией излучения. Управление оборудованием может осуществляться как локально на месте установки, так и дистанционно.
Удалённое управление и контроль параметров ГРМ осуществляются через специализированную двухпроводную линию, телефонный кабель или радиомодем. Связь обеспечивается с аппаратуры ДУ, установленной на КДП, либо с пульта КПУ, входящего в состав системы СП-200. Дополнительно общее состояние ГРМ отображается на информационных панелях со световой и звуковой сигнализацией, также размещённых на КДП.
Режим работы радиомаяка является непрерывным, круглосуточным, без обязательного присутствия обслуживающего персонала. Система встроенного автоматического контроля отслеживает состояние аппаратуры и параметры излучения, а в ручном режиме позволяет проводить подробную диагностику вплоть до отдельных модулей и съёмных устройств.
Зона действия ГРМ в вертикальной и горизонтальной плоскости представлена на рисунках 3.2 и 3.3 соответственно.
Рисунок 3.2 – Зона действия ГРМ в горизонтальной плоскости
Принцип работы ГРМ основан на создании электромагнитного поля в зоне его действия. Ключевой характеристикой радиомаяка является равносигнальная плоскость, это область, где разность глубин модуляции несущей частоты равна нулю. Эта плоскость, которая находится наиболее близко к горизонтали, при пересечении с плоскостью курса формирует линию глиссады. Именно по этой линии ВС ориентируются в вертикальной плоскости при заходе на посадку.
Несущая частота ГРМ модулируется по амплитуде суммарным и разностным сигналами тональных частот 90 и 150 Гц. Таким образом создаётся информационная структура поля, позволяющая измерять отклонение самолёта от заданного профиля снижения.
Диаграмма направленности радиомаяка формируется как результат наложения двух составляющих: сигнала несущей частоты (НБЧ) и сигналами боковых частот (БЧ), каждая из которых создаётся соответствующим амплитудно-фазовым распределением напряжений на антеннах. Диаграмма НБЧ возникает при подаче на антенны несущей, модулированной суммарным сигналом, а диаграмма БЧ возникает при модуляции разностным сигналом. При этом боковые частоты одной тональной частоты оказываются в фазе, а другой в противофазе относительно соответствующих боковых частот НБЧ-сигнала, что приводит к требуемому пространственному распределению модуляции.
Рисунок 3.3 – Зона действия ГРМ в вертикальной плоскости
В результате сложения полей НБЧ и БЧ в пространстве образуется зона, где глубина модуляции несущей частоты компонентами 90 и 150 Гц постепенно изменяется. Над линией глиссады доминирует модуляция частотой 90 Гц, а вод линией глиссады преобладает частота 150 Гц.
M – глубина модуляции; ЕНБЧ – напряженность поля НБЧ сигнала; ЕБЧ – напряженность поля БЧ сигнала
Рисунок 3.4 – Структура поля относительно линии глиссады
Таким образом, по величине РГМ можно судить о величине отклонения от линии глиссады в вертикальной плоскости, а по преобладающей частоте сигнала глубины модуляции можно определить сторону отклонения.
Структурная схема ГРМ представлена на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – ГРМ, схема электрическая структурная
Основой работы ГРМ служат два независимых канала формирования сигналов, реализованных в блоках АФСМ-1 и АФСМ-2. Эти устройства создают суммарный и разностный компоненты сигнала, необходимые для образования равносигнальной плоскости глиссады. Сформированные тональные структуры подаются на передающие устройства ПРД-1 и ПРД-2, которые усиливают сигналы до требуемого уровня и подготавливают их для передачи в тракт высоких частот. Передающая аппаратура каждого канала имеет свой резерв, что обеспечивает непрерывность работы и автоматическое переключение при отказе.
На самой линии глиссады глубины модуляции обеими частотами становятся равными, и, соответственно, РГМ равняется нулю. При смещении вверх или вниз от этой линии величина РГМ возрастает, что и позволяет бортовой аппаратуре определить отклонение самолёта от заданного наклонного пути снижения.
Усиленные сигналы поступают в ВЧ‑тракт, где осуществляется их объединение, согласование и передача на антенное устройство. Тракт высоких частот обеспечивает требуемые амплитудно‑частотные и фазовые характеристики, а также получает данные от датчиков контроля параметров излучения. Корректность формирования глиссадного луча и стабильность выходных характеристик контролируется двумя устройствами АКО, каждое из которых следит за «своим» каналом – рабочим и резервным. АКО анализируют мощность, глубины модуляции, частоты, состояние передающих модулей и параметры сигнала, обеспечивая надёжную диагностику и передачу данных в блок управления.
Центральным звеном схемы является аппаратура управления передатчиками (АУП). Она координирует работу всех узлов, принимает данные от АКО и внешних датчиков, обеспечивает проверку параметров в реальном времени и принимает решение о переключении на резервный комплект. АУП осуществляет обмен информацией со всеми модулями по интерфейсу RS-232 и формирует данные для дистанционного контроля.
За питание радиомаяка отвечает АКУП – аппаратура контроля и управления питанием. Она обеспечивает работу комплекса от основной и резервной сети, автоматически переключает питание на аккумуляторные батареи при пропадании напряжения, контролирует состояние вводов и взаимодействует с АУП, передавая ему информацию о состоянии электропитания. За счёт такой схемы обеспечивается бесперебойность работы даже при аварийных ситуациях в сети.
Для обмена информацией с командно‑диспетчерским пунктом в схеме используется устройство КИПУ, обеспечивающее передачу параметров, аварийных сообщений и служебной информации на аппаратуру дистанционного управления. На КДП устанавливаются пульты управления и панели индикации, на которые выводятся состояние маяка, информация о параметрах излучения и сигналы о переходе на резерв. Такая структура позволяет контролировать работу ГРМ удалённо, не находясь непосредственно у оборудования.
В целом структурная схема глиссадного радиомаяка представляет собой комплекс взаимосвязанных устройств, обеспечивающих формирование, усиление, контроль и излучение глиссадного сигнала, а также круглосуточную автоматическую диагностику, резервирование и дистанционное управление. Благодаря такой организации маяк способен работать непрерывно, поддерживая стабильные параметры сигнала и обеспечивая безопасное наведение воздушных судов на посадку [8]. Таким образом, достигается высокая надёжность и точность захода на посадку в любых условиях эксплуатации, а автоматический контроль с возможностью удалённого мониторинга сводит к минимуму влияние человеческого фактора и время простоя оборудования.
Кроме того, в современных модификациях ГРМ предусмотрена возможность встроенного самоконтроля с тестовыми режимами, имитирующими отклонение воздушного судна от глиссады. Это позволяет периодически проверять работоспособность тракта без прерывания основного излучения. Все параметры (глубины модуляции, баланс несущих, фазы) регистрируются в энергонезависимой памяти АУП и могут быть переданы на внешний пост по цифровым линиям связи. Благодаря модульной конструкции замена отказавшего блока АФСМ или ПРД занимает минимальное время и не требует сложной настройки. Такой подход обеспечивает коэффициент готовности маяка, близкий к единице, что критически важно для инструментального захода на посадку
Рисунок 3.6 – Функциональная схема ГРМ
Функциональная схема демонстрирует, как суммарное действие всех перечисленных модулей формирует строго определённую равносигнальную плоскость, по которой воздушные суда ориентируются при заходе на посадку. Каждый блок выполняет свою роль в поддержании качества сигнала, его стабильности и непрерывной диагностики, что обеспечивает надёжную круглосуточную работу радиомаяка без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Взаимодействуя между собой, эти модули обеспечивают корректное формирование суммарной и разностной составляющих сигнала, поддерживают необходимый уровень мощности и правильные частотно‑фазовые характеристики, а также осуществляют непрерывный контроль состояния аппаратуры и качества излучения. Система встроенного контроля позволяет своевременно выявлять отклонения, автоматически переключаться на резервные устройства и сохранять работоспособность комплекса даже при частичных отказах.
Функциональная схема отображает разделение трактов формирования тональных сигналов 90 Гц и 150 Гц, которые после суммирования в ВЧ тракте создают эталонную глиссадную плоскость. В процессе работы каждый канал АФСМ независимо генерирует свою частотную компоненту, а блоки АКО непрерывно сравнивают фактические глубины модуляции с заданными значениями. При расхождении параметров более допустимого АУП инициирует автоматическую замену неисправного передатчика на резервный без искажения сигнала в эфире. Такая двухканальная структура с перекрёстным контролем исключает ситуацию ложной равносигнальной зоны, что особенно важно при заходе на посадку в сложных метеоусловиях. В итоге функциональная схема отражает не только состав оборудования, но и логику обеспечения катастрофобезопасности системы.
КРМ имеет аналогичную структуру, принцип действия и логику работы, несмотря на разные диапазоны частот и диаграммы направленности.
Размещение КРМ осуществляется на расстоянии от 400 до 1150 м от торца ВПП, противоположного направлению захода на посадку. Допускается смещение аппаратной от осевой линии ВПП до 100 м при условии, что антенное устройство не создаёт лётных препятствий и не нарушает нормативные ограничения по высоте и геометрии расположения оборудования.
КРМ предназначен для формирования в зоне аэродрома электромагнитного поля, в котором создаются равносигнальные плоскости с нулевой разностью глубин модуляции несущей частоты сигналами 90 и 150 Гц. Таким образом при пересечении ДН обоих радиомаяков образуется линия захода ВС на посадку. По этой линии воздушные суда ориентируются в горизонтальной плоскости на заключительном этапе захода и при посадке, как в автоматическом и полуавтоматическом режимах, так и при ручном пилотировании.
Вся аппаратура радиомаяка, за исключением антенных устройств, размещается в мобильном контейнере либо стационарном отапливаемом сооружении, обеспечивающем штатные условия эксплуатации. Это место называется аппаратной.
Питание КРМ осуществляется так же, как и у ГРМ. Передающие устройства, формирователи сигналов и аппаратура контроля выполнены с дублирующими комплектами, которые постоянно готовы к работе и подключаются автоматически при отказе основного оборудования. Время включения подготовленного к работе радиомаяка не превышает 2 минут. Аппаратура поддерживает до 40 частотных каналов, излучение имеет горизонтальную поляризацию.
Управление КРМ может осуществляться как на месте установки, так и дистанционно. Дистанционное управление и контроль параметров выполняются по выделенной двухпроводной линии связи, по телефонной паре или с использованием радиомодема с аппаратуры ДУ, установленной на командно‑диспетчерском пункте, либо с КПУ в составе системы СП‑200. Общее состояние радиомаяка дополнительно отображается на панелях информации со световой и звуковой сигнализацией, размещённых на КДП.
Переключение радиомаяка на резервный комплект осуществляется автоматически, при этом время переключения может задаваться в пределах от 1 до 10 секунд. КРМ рассчитан на непрерывную круглосуточную работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Система встроенного контроля в автоматическом режиме оценивает исправность аппаратуры и выходные характеристики радиомаяка, а в режиме ручного управления обеспечивает измерение параметров и детальную диагностику вплоть до отдельных съёмных модулей.
По показателям надёжности радиомаяк имеет средний срок службы 15 лет, средний технический ресурс не менее 120 000 ч и среднюю наработку на отказ порядка 6 000 ч. Аппаратная комната оснащена датчиками пожарной и охранной сигнализации; в шкафу КРМ дополнительно установлены дымовые и тепловые датчики, обеспечивающие контроль пожарной безопасности.
Зона действия КРМ в горизонтальной и вертикальной плоскости представлена на рисунках 3.7 и 3.8 соответственно.
Рисунок 3.7 – Зона действия КРМ в горизонтальной плоскости
Работа КРМ основана на создании электромагнитного поля в зоне его действия, ключевым информационным признаком которого служит область, где разность глубин модуляции несущей частоты сигналами 90 и 150 Гц равна нулю. Та равносигнальная плоскость, которая расположена ближе всего к вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось ВПП, при пересечении с плоскостью глиссады формирует линию курса.
Несущая частота маяка модулируется по амплитуде суммарным и разностным сигналами тональных частот 90 и 150 Гц, что задаёт требуемую структуру поля.
Направленные свойства излучения формируются как суперпозиция двух составляющих диаграмм: НБЧ и БЧ. НБЧ получается при возбуждении антенных элементов несущей, модулированной суммарным сигналом, а БЧ в свою очередь получается при модуляции разностным сигналом. При этом боковые составляющие одной из тональных частот в БЧ-сигнале совпадают по фазе с соответствующими боковыми частотами НБЧ-сигнала, а другой тональной частоты находятся в противофазе, что и обеспечивает требуемое распределение модуляции в пространстве.
Рисунок 3.8 – Зона действия КРМ в вертикальной плоскости
Спектры сигналов представлены на рисунке 3.9.
1 – сигнал НБЧ; 2 – сигнал БЧ в левом лепестке ДН; 3 – сигнал БЧ в правом лепестке ДН
Рисунок 3.9 – Спектры сигналов
В результате сложения полей НБЧ и БЧ сигналов в пространстве формируется поле несущей частоты. Глубина этой модуляции частотами 90 и 150 Гц меняется по мере удаления от маяка. Слева от линии курса сильнее глубина модуляции несущей частотой 90 Гц, а справа преобладает глубина модуляции несущей частотой 150 Гц. Прямо на линии курса находится полное равноправие: глубины модуляции обеими частотами равны, и разница глубин модуляции, соответственно, равна нулю. Соответственно чем дальше ВС уходит от линии курса, тем сильнее растёт разница глубин модуляции.
Структура поля относительно линии курса представлена на рисунке 3.10.
M – глубина модуляции; ЕНБЧ – напряженность поля НБЧ сигнала; ЕБЧ – напряженность поля БЧ сигнала
Рисунок 3.10 – Структура поля относительно линии курса
Таким образом были рассмотрены состав и принципы действия ГРМ и КРМ, а также представлены их ДН, спектры сигналов и структура полей относительно линии курса и глиссады.