3.6. Разработка антенного устройства гибридной системы посадки

Антенное устройство включает в себя 2 антенны типа CHOKE RING (рисунок 3.13), антенный разъём, малошумящий усилитель, полосовой фильтр, делитель мощности, генератор 23,104 МГц и СБИС для формирования 4-битных оцифрованных отсчётов. Антенна HX-CGX601A – это высокопроизводительная ГНСС-антенна, предназначенная для оснащения постоянно действующих базовых станций. Она обеспечивает мультичастотное отслеживание спутниковых сигналов GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, BEIDOU, QZSS, IRNSS, SBAS, а также L-BAND.

Рисунок 3.13 – Антенна типа CHOKE RING HX-CGX601A

Уникальная 3D конструкция антенны HX-CGX601A обеспечивает отличное подавление многолучевости во всех диапазонах частот ГНСС, включая L-BAND. В антенне реализована запатентованная технология HARXON – это технология многоточечного возбуждения антенного элемента. Благодаря этой технологии достигается высокая стабильность фазового центра, обеспечивающая высокую точность измерений. Колебание фазового центра составляет менее 1 мм.

Антенна идеально подходит для применения на базовых станциях, мониторинга деформаций мостов, зданий и сооружений или геологического мониторинга. Также может быть использована для иных приложений, где требуется высокая точность позиционирования.

Благодаря высокому коэффициенту усиления HX-CGX601A способна принимать спутниковые сигналы на малых углах возвышения. Такая возможность позволяет осуществлять работу в сложных условиях или при неблагоприятной геометрии расположения спутников [9].

В антенне HX-CGX601A использован усовершенствованный и надежный МШУ со встроенным префильтром, который эффективно подавляет внеполосные помехи, обеспечивая надежный и стабильный прием ГНСС сигналов при наличии электромагнитных помех.

Корпус антенны HX-CGX601A изготовлен из армированного стекловолокном полимерного материала (GFRP), отличается высокой прочностью и соответствует стандарту IP67. Конструкция обеспечивает длительную безотказную работу антенны даже в условиях больших температурных перепадов, высокой влажности и при солевом тумане. Наработка на отказ превышает 30000 часов.

Основные особенности антенны HX-CGX601A:

- мультичастотная поддержка ГНСС сигналов GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, BEIDOU, QZSS и SBAS, а также L-BAND;

- способность принимать сигналы на низких углах возвышения;

- высокая стабильность фазового центра; 

- высокий уровень помехоустойчивости для работы в сложных условиях;

- прочный и надежный корпус, соответствующий стандарту IP67.

Антенны ГНСС совместно с приёмником ГНСС обеспечивает приём сигналов не менее чем трёх спутниковых созвездий (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO), что даёт избыточность по числу наблюдаемых навигационных спутников и устойчивость к селективному отказу одного из созвездий. БКУ непрерывно сравнивает текущие навигационные решения, полученные от штатного бортового приёмника ILS и от приёмника ГНСС, выполняя их временную и пространственную привязку. БСК реализует согласование интерфейсов (в частности, преобразование интерфейса RS-232 в протоколы, принятые в аппаратуре потребителя СП-200), коммутацию резервных цепей и логику выбора наиболее достоверного источника данных.

Кроме того, здесь необходима одна или несколько VDB (VHF DATA BROADCAST)-антенн с горизонтальной поляризацией и круговой ДН в диапазоне 108-118 МГц, например, ANT9009H, приведенной на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 – Наземная антенна ANT9009H

На крупных аэропортах может потребоваться 2 антенны для покрытия всех направлений. Наземная всенаправленная ОВЧ антенна ANT9009H, разработанная для работы в системах связи, навигации и посадки аэропортов, включая наземные передающие системы GBAS в авиационном диапазоне 108-118 МГц.

Малошумящий усилитель (МШУ) – электронный усилитель, в котором приняты специальные меры по снижению коэффициента вносимого шума. Такие усилители призваны компенсировать потери, возникающие, например, в фидерных системах, в то же время, не ухудшая отношения сигнал-шум.

Зачастую такие усилители устанавливают на выходе антенны, чтобы на вход усилителя не попал шум, который может быть создан другими усилителями, кроме того, это позволит избежать потерь в кабеле. Питание усилителя осуществляется по кабелю, соединяющему вход усилителя и выход приемника.

Принципиальная схема малошумящего усилителя приведена на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 – Малошумящий усилитель

Для проектирования был выбран полевой транзистор NE3509M04. Данный активный элемент предназначен для работы в диапазонах от L до S, то есть от 1 до 4 ГГц. На частоте в 1 ГГц транзистор может обеспечить максимальное усиление более 20 дБ при минимальном коэффициенте шума в 0.2 дБ и токе потребления 10 мА. Несмотря на активное развитие аналоговых радиочастотных микросхем, имеющих внутреннее согласование с 50-омной линией, они не могут обеспечить столь низкий коэффициент шума, как одиночные транзисторы.

Схема транзистора построена по схеме с общим истоком и автосмещением, поскольку нерационально использовать два питающих напряжения при проектировании усилителя, находящегося далеко от источников питающего напряжения. Кроме того, такой подход позволяет удешевить схему и не использовать инвертор напряжения, который может, в том числе вносить гармоники в питающее напряжение.

К фильтрам, используемым в данной системе, можно предъявить следующие требования:

- центральная частота 1500 МГц;

- вносимые потери на центральной частоте не более 3 дБ;

- затухание на частоте 960 МГц не менее 15 дБ;

- коэффициент отражения от входа и выхода не менее -10 дБ;

- микрополосковое исполнение.

Представленный на рисунке 3.16 полосовой фильтр был спроектирован, исходя из того, что данный фильтр, по утверждению авторов, обладает рядом преимуществ, самым существенным из которых являются уменьшенные габариты и отсутствие отверстий. Топология разрабатывалась на основе встречно-стержневого фильтра, у которого основными элементами являются короткозамкнутые отрезки микрополосковых линий, рассмотренный же фильтр не имеет короткозамкнутых линий в своем составе.

Рисунок 3.16 – Фильтр Баттерворта второго порядка

В качестве операционного усилителя было принято решение использовать OPA828. OPA828 в настоящее время это один из трех лидеров среди операционных усилителей. Данный фильтр обладает контролируемым нулем передачи, то есть провалом в коэффициенте передачи, расположенном рядом с полосой пропускания фильтра, что позволяет использовать данную особенность для подавления близко расположенных нежелательных сигналов.

Делители мощности предназначены для высокоточного разделения и суммирования сигнала в широком диапазоне частот. Делитель мощности имеет один входной сигнал и не менее двух выходных. Внешний вид делителя мощности представлен на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 – Внешний вид делителя мощности

Однако такая схема имеет ряд недостатков. Во-первых, рассогласование импедансов. Если порты 2 и 3 работают на нагрузку 50 Ом, то порт 1 видит нагрузку 25 Ом. Если импеданс устройства на входе равен 50 Ом, возникает рассогласование. Во-вторых, отсутствует развязка. Если, например, один из выходов закорочен, второй тоже закорачивается.

В качестве делителя мощности было принято использовать резистивный делитель PDR-40-K2A. Данный резистивный делитель является наиболее распространенным. В нем имеется три резистора, соединенных в одной точке.

Поскольку схема симметрична, т.е. в ней нет одного выделенного входа, любой порт можно использовать как входной. Делители мощности используются для разделения общего РЧ-сигнала на несколько устройств, например, в квадратурном демодуляторе. Базовая Т-образная схема делителя сигнала на два.

Сигналы имеют равную амплитуду, однако схема имеет ряд ограничений. импеданса делителя мощности: в случае, когда характеристический импеданс равен 50 Вт, сопротивление составляет 16,67 Вт, а для 75 Вт – 25 Вт. Резистивные делители обычно имеют самую широкую частотную полосу, поскольку они не содержат частотно зависящих компонентов. Наиболее важным достоинством резистивных делителей является их простота, низкая стоимость и малый размер. Главным недостатком являются потери мощности на резисторах, расположенных между выходными портами.

Принципиальная схема делителя мощности представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 – Принципиальная схема делителя мощности

Из показанных схем можно сделать одну цельную схему антенного устройства. Принципиальная схема антенного устройства представлена на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Принципиальная схема антенного устройства

Принципиальная схема антенного устройства ГНСС спроектирована с учётом требований высокой чувствительности и помехозащищённости. Сигнал со входа через малошумящий усилитель и полосовой фильтр поступает на делитель мощности для распределения между двумя каналами: GPS/GALILEO и ГЛОНАСС.

Для рассчета значений в схеме примем частоту равную 1,5 ГГц, напряжение питания 3 В, рабочий ток транзистора 10 мА.

Мощность, потребляемая усилителем мощности определяется по формуле:

(3.1)

где U_пит – напряжение питания;

I_D – рабочий ток транзистора.

Подставив значения получим:

(3.2)

Мощность, потребляемая усилителем составила 30 мВт.

Принимаем падение напряжения на резисторе равное 1,5 В, тогда получаем:

(3.3)

где U_R – напряжение падения на резисторе;

Подставив значения получим:

(3.4)

Сопротивление резистора R₄ составляет 150 Ом.

Реактивное сопротивление для конденсатора определяется по формуле:

(3.5)

Примем реактивное сопротивление равное 1 Ом, тогда емкость конденсатора составляет:

(3.6)

Емкость конденсатора С₃ составляет 100 пФ, для расширения полосы развязки емкость конденсатора С₂ составляет 1000 пФ, емкость конденсатора С₄ составляет 10 пФ, емкость конденсатора С₅ составляет 1 мкФ.

Для входного конденсатора C1 реактивное сопротивление принимаем 50 Ом, подставив значения в формулу 3.5 получим:

(3.7)

Для согласования реактивное сопротивление катушки принимаем 50 Ом. Реактивное сопротивление катушки опрееделяется по формуле

(3.8)

Подставив значения в формулу 3.8 получим:

(3.8)

Индуктивность катушки L₁ составила 5,6 нГн, соответственно индуктивность шунтирующей катушки составляет 4,7 нГн.

Резонансная частота контура определяется по формуле:

(3.9)

Принимаем L₃ и L₄ равные 5,6 нГн. Подставив значения в формулу 3.9 определяем требуемую емкость:

(3.10)

Емкость конденсаторов С₆, С₇ и С₈ составила 2,2 пФ.

Так как напряжение на истоке транзистора составляет 0,22 В, подставив это значение в формулу 3.3 получим:

(3.11)

Сопротивление резистора R₅ и R₆ составляет 22 Ом.

Так как R₆ находится в цепи питания и совместно с C₂ – C₅ образует развязывающий фильтр, то напряжение питания принимаем 0,1 В, подставив это значение в формулу 3.3 получим:

(3.12)

Сопротивление резисторов R₇ и R₈ составляет 10 Ом.

Для фильтра второго порядка частота определяется по формуле:

(3.13)

При принятии конденсаторов C₉ и C₁₀ с емкостью 1 пФ расчитаем сопротивление резисторов:

(3.14)

Сопротивление резисторов R₉ – R₁₂ составляет 106 Ом.

Для простейшего резистивного трёхрезисторного делителя на два выхода сопротивление резисторов R₃ и R₁₃ составит 16,7 Ом, а сопростивление резисторов R₁, R₂, R₁₄ и R₁₅ составит 33,3 Ом.

Таким образом была модернизирована штатная система посадки СП-200 для взаимодействия с ГНСС.

При модернизации системы посадки СП-200 и создании гибридной системы, объединяющей традиционные радиомаячные методы ILS с глобальными спутниковыми навигационными технологиями, выбор наземной антенной системы ГНСС является критически важным решением, определяющим точность, надежность и целостность всей системы. Для разрабатываемой гибридной системы в качестве оптимального была выбрана антенная система в составе локальной контрольно-корректирующей станции ЛККС-А-2000. Данный выбор обоснован совокупностью следующих ключевых факторов, включая статус сертификации и соответствие международным стандартам, функциональные возможности, подтвержденный опыт эксплуатации, а также конструктивные особенности самой антенной системы. Данная антенная система предназначена для определения ошибок модернизированной системы.

Принципиально важным является то, что ЛККС-А-2000 представляет собой единственную на сегодняшний день в Российской Федерации разработанную, сертифицированную и принятую для оснащения аэродромов гражданской авиации наземную станцию функционального дополнения ГНСС, предназначенную для обеспечения точного захода на посадку. Данная система полностью соответствует требованиям международных стандартов и рекомендуемой практики ИКАО для систем GBAS категории I. Для гибридной системы посадки, создаваемой на базе СП-200, это означает, что антенная система не является экспериментальной или опытной разработкой, а представляет собой серийное оборудование, прошедшее полный цикл сертификационных испытаний и допущенное к применению для обеспечения безопасности полетов на этапе захода на посадку. Соответствие требованиям ИКАО гарантирует, что формируемые станцией данные совместимы с бортовым оборудованием воздушных судов, как отечественным, так и зарубежным, что особенно важно при интеграции с существующей инфраструктурой СП-200.

Функциональные возможности антенной системы ЛККС-А-2000 полностью соответствуют задачам, решаемым гибридной системой посадки. Станция выполняет прием и обработку навигационных сигналов одновременно от двух спутниковых группировок: ГЛОНАСС и GPS. Это обеспечивает двойное резервирование спутникового канала и повышает доступность навигационного поля в районе аэродрома, что критически важно для системы посадки, где потеря сигнала недопустима. Антенная система позволяет станции формировать и передавать ВС дифференциальные поправки к псевдодальностям, что существенно повышает точность определения координат за счет устранения систематических ошибок, вызванных ионосферными и эфемеридными погрешностями. Кроме того, станция формирует блок данных конечного участка траектории захода на посадку.

Ключевым преимуществом является наличие функции контроля целостности и качества спутникового сигнала. Антенная система станции осуществляет непрерывный мониторинг состояния спутниковых группировок и их сигналов, забраковывая непригодные для навигации спутники и своевременно предупреждая о деградации характеристик ГНСС.

Для гибридной системы, где спутниковый канал является резервным по отношению к ILS, такая функция целостности обеспечивает безопасное переключение, то есть система никогда не перейдет на спутниковый канал, если его сигнал недостоверен. При этом станция работает в режиме реального времени с периодом обновления дифференциальных данных 0,5 секунды , что сопоставимо с динамикой обновления информации в системах ILS и обеспечивает плавное управление воздушным судном на глиссаде.

Важнейшим аргументом в пользу выбора именно антенной системы в составе ЛККС-А-2000 является широкая география внедрения и подтвержденный опыт эксплуатации в реальных условиях. Согласно доступным данным, станции ЛККС-А-2000 установлены и успешно эксплуатируются на значительном количестве аэродромов Российской Федерации, включая Раменское, Остафьево, Москву, Самару, Красноярск, Сургут, Хабаровск, Тюмень, Якутск, Норильск, Санкт-Петербург, Ростов-на-Дону, Анапу, Грозный, Минеральные Воды, Екатеринбург, Новосибирск, Бованенково, Салехард, Ноябрьск и Надым. Такое широкое присутствие в различных климатических зонах подтверждает надежность и всепогодность антенной системы. Для гибридной системы СП-200, которая может развертываться на разных аэродромах, выбор оборудования с доказанной эффективностью в условиях реальной эксплуатации снижает технические риски и упрощает процесс согласования с регулирующими органами.

Антенная система ЛККС-А-2000 представлена на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 – Антенная система ЛККС-А-2000

Хотя в технической документации антенная система ЛККС-А-2000 обозначается обобщенно как "антенная система приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS", её конструкция имеет ряд особенностей, критически важных для посадки. Входящая в состав станции антенна ГНСС является активной, то есть совмещает прием сигналов с их предварительным усилением, что обеспечивает высокую чувствительность даже к слабым спутниковым сигналам. Конструктивно антенна оснащена специальной периодической структурой для подавления многолучевости, которая ослабляет сигналы, приходящие от отражений от ВПП и других наземных объектов. Для гибридной системы СП-200, где антенна ГНСС размещается в непосредственной близости от ВПП, способность подавлять переотраженные сигналы напрямую определяет точность навигационного решения. Питание антенны осуществляется через центральную жилу антенного кабеля непосредственно от спутникового приемника, что упрощает монтаж и повышает надежность за счет уменьшения количества соединительных элементов. Наличие в составе антенной системы также анализаторов электромагнитной обстановки позволяет контролировать помеховую ситуацию в диапазоне ГНСС, что особенно актуально при работе в условиях интенсивного радиоизлучения от штатной аппаратуры ILS.

Таким образом, выбор антенной системы в составе локальной контрольно-корректирующей станции ЛККС-А-2000 для гибридной системы посадки на основе СП-200 является полностью обоснованным. Данное решение обеспечивает соответствие разрабатываемой системы требованиям международных стандартов, предоставляет полный набор необходимых функций, такие как дифференциальные поправки, контроль целостности, формирование параметров глиссады, опирается на оборудование с подтвержденной надежностью в реальной эксплуатации на многих аэродромах России, учитывает конструктивные особенности антенны, критически важные для работы вблизи ВПП, и обладает потенциалом для дальнейшего развития до более высоких категорий посадки.