Общие принципы функционирования основных радиосредств самолета ЯК-18 Т.

Автоматический радиокомпас (АРК)

 

1.1. Общие сведения

 

Радиокомпасами (АРК) называются бортовые автоматические радиопеленгаторы, позволяющие непрерывно определять курсовой угол наземной радиостанции (КУР).

Курсовым углом радиостанции принято называть угол в горизонтальной плоскости между продольной осью ВС и направлением на радиостанцию (рис.4,а).

Пеленгуемая радиостанция может быть или специальной, называемая приводной (ПРС), ненаправленным радиомаяком (NDB) или обычной широковещательной (ШВРС) радиостанцией. АРК позволяют осуществлять контроль пути по направлению и вывод ВС судна в точку размещение ПРС (NDB), определять место ВС по двум пеленгам (рис4,в), фиксировать момент пролета ПРС, осуществлять (вместе с другими приборами) заход на посадку, принимать информацию от диспетчеров службы движения при отказе на борту всех основных средств связи.

Современные АРК работают в международном диапазоне частот 150-1799,5 кГц.

Рис. 4. Задачи, решаемые с помощью АРК

 

 

Принцип действия АРК.

Автоматические радиокомпаса всех типов по назначению, устройству и принципу функционирования аналогичны друг другу и различаются только технической реализацией одних и тех же принципов и конструктивным исполнением.

 

Рис. 5. Структурная схема АРК

В состав любого радиокомпаса (рис.5) входят: направленная антенна А1, ненаправленная антенна А2, приемник (Прм.), схема управления положением направленной антенной (СУА), двигатель (Д) с редуктором, компенсатор радиодевиации (КР), датчик углового положения антенны (ДУПА) и стрелочные указатели (СУ). В общем, радиокомпас представляет собой следящую систему автоматического управления направленной антенной, обеспечивающую установку ее конструктивных осей в направлении на пеленгуемую PC. Чувствительным элементом этой системы является направленная антенна.

Направленные антенны и их свойства

В качестве направленных антенн в радиокомпасах используются рамочные (рис.4) и гониометрические антенные устройства (рис.6).

а ) Рамочная антенна

Рамочная антенна представляет собой ферромагнитный сердечник, имеющий форму параллелепипеда, на который намотаны витки обмотки, представляющие собой собственно рамку. Все витки соединены между собой последовательно. Это дает возможность для выяснения формы диаграммы направленности рамочной антенны рассматривать прием радиоволн одним витком, так как он имеет такую же диаграмму, как и вся антенна, только э.д.с., наводимая радиоволной в рамочной антенне, равна сумме э.д.с. всех витков.

Электромагнитная волна есть совокупность электрического и магнитного полей, изменяющихся во времени по гармоническому закону. Векторы напряженности этих двух полей взаимно перпендикулярны и расположены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения С (рис.6, а).

Е_р=Е_m·h_др; h_др= 2π·Ѕ·N·μ/λ

Рис. 6. Прием радиоволн рамочной антенной:

 

а) - распределение электрического и магнитного полей радиоволны в пространстве; б) – прием радиоволн витком рамки; в) - диаграмма направленности рамочной антенны

 

Электрическая составляющая радиоволны создает э.д.с. в вертикальных проводниках витках 1 и 2. Э.д.с. в рамке в каждый момент времени равна алгебраической сумме э.д.с. е₁ и е₂

е_р = е₂ – е_1.

 

В общем случае э.д.с. в рамке тем больше, чем больше разность хода радиоволны от стороны витка рамки 1 до стороны 2. Когда направление распространения радиоволны совпадет с плоскостью витка, то в рамке создается максимальная э.д.с. Если рамку поворачивать вокруг вертикальной оси АА₁, то э.д.с. в ней будет уменьшаться и при положении рамки, когда ее плоскость будет перпендикулярна направлению распространения радиоволны, станет равной нулю. Таким образом, зависимость амплитуды э.д.с. наводимой в рамке, от направления прихода волны, т.е. диаграмма направленности имеет вид двух соприкасающихся окружностей (“восьмерку”)

F (υ) = sin υ,

 

где: υ – угол между нормалью к плоскости витка и направлением прихода радиоволны.

Диаграмма направленности имеет два взаимно противоположных направления нулевого приема, совпадающий с продольной осью симметрии ОО_1. По положению нулевого приема рамочной антенны можно с высокой точностью определять направление прихода радиоволны, т.е. направление на радиостанцию, излучающую эти колебания.

Другой особенностью диаграммы направленности является то, что фаза э.д.с., наводимой в рамке, изменяется на 180⁰ в зависимости от того, с какой стороны от направления нулевого приема рамки приходит радиоволна. Иначе говоря, если рамку поворачивать в горизонтальной плоскости, то при переходе ее через положение нулевого приема фаза э.д.с. в ней измениться скачком на 180⁰. Это дает возможность определять, с какой стороны приходит к ней радиоволна и используется для обеспечения работы АРК в режимах автоматического пеленгования радиостанций.

 

б) Гониометрическая антенна

Гониометрическая антенна по своим электрическим свойствам подобна рамочной антенне. Их ДН одинаковы. Но конструктивно они отличаются друг от друга. Рамка, двигатель и редуктор привода рамки, которые приходится располагать вне герметичной части ВС, не отличаются высокой надежностью функционирования. Роль антенны в гониометрической систем выполняют две взаимно перпендикулярные, неподвижные рамки (рuc.7), которые жестко закреплены на фюзеляже и ось симметрии одной из них ориентирована по продольной оси ВС.

 

Рис. 7. Схема гониометрической антенны

блок рамочной антенны: 1-1^′ и 2-2^′ – неподвижные рамки; гониометр: I и II статорные обмотки; искатель - роторная (искательная) катушка гониометра.

 

Неподвижные рамочные антенны присоединяются к входу приемника через гониометр, представляющий собой такие же две неподвижные взаимно перпендикулярные статорные катушки, внутри которых размешена подвижная роторная (искательная) катушка, непосредственно подключаемая к входу приемника. Эта катушка в процессе пеленгования поворачивается двигателем и устанавливается в поле статорных обмоток гониометра в направлении пеленга.

По своим направленным свойствам гониометрическая антенна полностью эквивалентна рамочной подвижной антенне, а роль подвижной рамки выполняет роторная катушка гониометра, соединенная с входом приемником АРК. Так как гониометр и двигатель управления положением искательной катушки расположены конструктивно в самом приемнике, а, следовательно, в фюзеляже ВС, надежность такой конструкции намного выше, чем подвижных рамочных антенн.

Учитывая направленные свойства рамочной (или гониометрической) антенны, амплитуду ЭДС на входе приемника можно представить в виде

 

е = Е_m sin υ·sin ωt.

 

В приемнике этот сигнал обрабатывается совместно с сигналом от ненаправленной антенны и выполняющим роль опорного, усиливается и преобразуется по частоте. В итоге на выходе схемы автоматического управления (САУ) формируется низкочастотный сигнал

 

u = U_m sin υ·sin Ωt.

 

Зависимость амплитуды сигнала, действующего на выходе приемника и схемы управления антенной, от угла υ показана на рис.8.

Рис. 8. Зависимость амплитуды и фазы напряжения на выходе схемы управления рамкой от угла υ между нормалью к рамке и направлением на радиостанцию.

 

При - υ 0 фаза выходного напряжения отличается от фазы этого напряжения в секторе 0 υ .на 180⁰. Выходное напряжение через схему управления подводится к асинхронному двигателю. Скорость вращения его ротора пропорциональна амплитуде сигнала, а направление вращения определяется его фазой. Направления вращения двигателя на рис.6 условно показаны стрелками.

Нетрудно установить, что система, включающая все упомянутые элементы, способна обеспечить установку рамки в такое положение, при котором перпендикуляр к ее плоскости направлен на PC, и удержание его в этом положении. В самом деле, рамка будет вращаться до тех пор, пока амплитуда U·sinυ не станет равной нулю. Это произойдет при υ = 0⁰. Можно также показать, что состояние системы, когда нормаль к рамке направлена на PC, представляет собой состояние устойчивого равновесия. Другое ее возможное равновесное состояние при υ = 180° будет неустойчивым, и при любых отклонениях от этого состояния образуется выходной сигнал, который приведет рамку в состояние устойчивого равновесия, т, е. в точку υ = 0⁰.

Режимы работы АРК.

 

Независимо от типа радиокомпаса у него обязательно должна обеспечиваться работа в следующих режимах: “Антенна”, и ”Компас”.

В режиме “Антенна” прием сигналов осуществляется только на направленную антенну, системы автоматического слежения (компасная часть) отключена и АРК представляет собой обычный радиоприемник супергетеродинного типа.

Режим “Компас ” является основным режимом работы АРК, т.е. режимом автоматического однозначного пеленгование радиостанций.

При этом прием сигналов осуществляется на ненаправленную и направленную антенны одновременно. Следящая система автоматического управления положением рамочной антенны и передачи ее углового положения на стрелки указателей позволяет непрерывно и однозначно отсчитывает значение КУР.

Погрешности радиокомпасов

Погрешности радиокомпасов характеризуют их навигационные возможности. Радиокомпасам свойственны погрешности, которые в зависимости от причин их порождающих, называют радиодевиацией, ночным, горным и береговым эффектами.

Погрешности радиодевиации

 

Погрешности пеленгования, вызванные влиянием окружающих рамочную антенну предметов, называют погрешностями радиодевиации.

Радиоволны пеленгуемой радиостанции возбуждают в металлических элементах конструкции ВС токи, которые создают электромагнитные поля вторичного излучения. Эти поля, накладываясь на первичное поле, искажают его, что и приводит к появлению погрешности пеленгования. Девиация АРК вызывается главным образом корпусом ВС, его фюзеляжем и плоскостями.

Для оценки этого влияние фюзеляж и плоскости можно представить в виде двух вертикально расположенных взаимно перпендикулярных замкнутых витков рис.9. Их влияние на работу АРК практически эквивалентно влиянию корпуса ВС.

 

 

Рис. 9. Возникновение радиодевиации, вызванной влиянием фюзеляжа и крыльями самолета.

 

Напряженность магнитного поля радиоволны, пеленгуемой радиостанции H можно разложить на две составляющие: - продольную H₁ = H sin p и поперечную H₂ = H cos p.

Под их влиянием в фюзеляже и плоскостях возникают вторичные поля ∆H₁ и ∆H₂.

В результате сложения основного и вторичных полей вектор суммарного магнитного поля H _Σ в общем случае отличается от вектора H основного поля по величине и ориентировки в пространстве (угол ∆).

При пеленговании радиостанции рамочная антенна устанавливается параллельно вектору H _{Σ ,} а нормаль к плоскости ее витков будет ориентирована под углом q по отношению к продольной оси ВС.

Из рис.6 видно, что

p = q + ∆ или = p - q,

где p-курсовой угол радиостанции (кур); q-отсчет АРК (ОРК).

Угол ∆ характеризует девиацию АРК, вызванную влиянием корпуса ВС.

 

 

В [1] показано, что

 

∆ = D sin 2 q + K sin 4 q +……., где

 

D = (1-а) / (1+ а) К = D²/2.

 

Первый член этого выражение при изменении q в переделах 360˚ имеет четыре максимума и характеризует четвертную радиодевиацию. Второй член имеет восемь максимумов и характеризует октантальную радиодевиацию. Коэффициенты a, К и D зависят от формы тела, вызывающего радиодевиацию.

Так, например, для бесконечно длинного продольного цилиндра a = 0,5; D=1/3; K=1/18 и радиодевиация, создаваемая таким телом:

 

∆= 19 sin 2q + 3 sin 4q

На рис.10 приведен график радиодевиации АРК, установленного на корпус цилиндрической формы.

	Рис.10. График радиодевиации

 

 

Такие графики определяются опытным путем и могут использоваться для внесения поправок в результаты пеленгования или для регулировки специальных устройств, называемых компенсаторами радиодевиации (КД), входящие в конструкцию АРК.

Компенсаторы могут быть механического, электрического или смешанного типов, и решают одну функцию, вычисляя

 

КУР = ОРК + ∆.

 

Кроме того, АРК работают в диапазоне средних волн (ГМВ), поэтому погрешности радиодевиации незначительно зависят от длины рабочей волны (частоты настройки) АРК.

Вместе с тем погрешности радиодевиации (см. рис.10), имеют четко выраженную зависимость от величины КУР. Следовательно, погрешность радиодевиации является погрешностью систематической и может быть устранена путем введения поправок в показания АРК.

“Ночной” эффект.

Погрешности, обусловленные особенностями распространение средних волн, могут сказываться в любое время суток, но они особо заметны утром и вечером. Средние волны огибают земную поверхность, т.е. распространяются поверхностными волнами, и одновременно могут отражаться от ионосферы и приниматься как пространственные волны. Дальность прохождения поверхностных волн составляет приблизительно 150 км и практически не зависит, от каких либо факторов, кроме мощности передатчика. Но так как ионизация ионосферы обусловлена воздействием на нее Солнца, то условия распространения поверхностных волн при наличии и отсутствия освещенности нижнего слоя ионосферы различны и резко изменяются в утреннее и вечерние время. Неустойчивость ионосферы особенно заметно проявляется за два часа до захода и в течение двух часов после восхода Солнца. В это время показания АРК становятся неустойчивыми, наблюдаются периодические и хаотические колебания стрелок указателей. Величина погрешности пеленгование может достигать ±35°. Причиной является решающее воздействие пространственных радиоволн. Поэтому в указанные промежутки времени не рекомендуется использовать для пеленгования радиостанции удаление от ВС на расстояниях более 100…150км. Кроме этого рекомендуется, по возможности, увеличить высоту полета ВС, что приводит к возрастанию интенсивности принимаемой прямой радиоволны, пришедшей от радиостанции по кратчайшему расстоянию. Если имеется возможность выбора, то следует выбирать для пеленгования радиостанции, работающие на более длинных волн (низких частотах), так как с ростом длины волн влияние ионосферы на условия распространение уменьшается.

“Горный эффект”

 

Так называют иногда явления, воздействующие на АРК при полетах на сравнительно малых истинных высотах полета над горами.

В этих условиях рамочная антенна АРК наряду с прямым сигналом от пеленгуемой радиостанции принимает многократно преображенные от неровностей рельефа радиоволны. Погрешности пеленгования, возникающие за счет “горного эффекта”, вследствие перемещения ВС над горами, все время изменяется, и стрелки указателей АРК в этом случае хаотически перемещаются по шкалам, делая отсчет КУР практически не возможным. Таким образом, сигналом о действии указанного эффекта может быть неустойчивость показаний АРК, которая особенно заметна при не больших высотах превышения над горами и при расположении ВС между пеленгуемой радиостанции и горным массивом. С увеличением истиной высоты полета ВС это явление быстро затухает.

Если приводная радиостанция располагается вблизи горных массивов, то могут наблюдаться случаи изменения показаний АРК на 180⁰ не на траверсной плоскости, а вне ее на расстоянии 25…30 км от ПРС. Поэтому в горных районах показания АРК надо сопоставлять с данными счисления или сведениями о координатах, полученными от других навигационных средств. Практикуется также заблаговременный облет приводных радиостанций, располагаемых вблизи горных массивов, и определение тех зон или направлений, где наблюдается ложный траверз. Горный эффект наиболее сильно проявляется на удалении 10…40 км от горна высотах до 500 м в наиболее высокочастотной части рабочего диапазона.

“Береговой эффект”

 

Погрешность пеленгования, обусловленные изменение направления распространение радиоволн при их прохождении через границу раздела сред с различными электрическими свойствами, возникают в тех случаях, когда полет осуществляется вблизи береговой черты.

 

 

 

 

Рис. 11. Эффект береговой рефракции радиоволн.

 

При этом радиоволна, переходящая береговую черту, преломляется (рис.11) и приходит на ВС с направления, отличного от истинного направления пеленгуемой радиостанции, вследствие чего в показаниях АРК появляется устойчивая погрешность, значения которой могут достигать 5˚. Это явление называют и береговым эффектом. Величина погрешности будет тем больше, чем меньше угол, под которым радиоволна пересекает береговую черту. Когда этот угол равен 90˚, радиоволна не преломляется и погрешность пеленгования отсутствует. Расчеты показывают, что практически погрешности, вызванные этим эффектом, следует учитывать только когда угол между усредненной береговой чертой и направлением распространение радиоволны составляет 20˚. Кроме того, с удалением от берега, а также с увеличением высоты полета или рабочей частоты эти погрешности уменьшаются. Они имеют практически заметную величину только при высоте полета, меньше нескольких длин рабочей волны, что для современных АРК приблизительно соответствует высотам от 6000 до 60 м.

Наименьшая высота полета, обеспечивающая отсутствие погрешности пеленгования может быть определена на формуле:

 

H _min ≥ 900000/f _p,

 

где: - H _min – истинная высота полета, f _p- рабочая частота, кГц.

При этом H _min будет больше трех длин рабочей волны.

 

Ошибка отметки пролета радиостанции

Как следует из принципа работы АРК в режиме автоматического пеленгования, в момент пролета над радиостанцией показания радиокомпаса должны измениться на 180˚. Но при малых расстояниях между ВС и радиостанцией ухудшается эффективность приема ее сигналов направленной антенной, вследствие чего показания АРК становятся неустойчивыми.

Область неустойчивых показаний имеет вид пространственного конуса с вершиной в точке расположения антенны пеленгуемой радиостанции (рис.12). Радиус основания этого конуса зависит от высоты полета, а также от типа и места расположения на ВС ненаправленной антенны и от точности регулировки некоторых цепей самого АРК, так что длина этого радиуса может быть равна двум - трем высотам полета.

 

Рис. 12. Ошибка отметки пролета радиостанции

 

В зависимости от указанных факторов отметка момента пролета (изменение КУР на 180˚) может быть зафиксирована до или после самого момента пролета радиостанции. Изменение показаний АРК при полете над радиостанцией с опережением или запаздыванием для разных ВС одного типа является почти одинаковым, поэтому оно определяется опытным путем и при необходимости может быть учтено.