Глава 2. Общая характеристика радиотехнических средств обеспечения полетов

2.1. Области применения, достоинства и недостатки радиотехнических средств (РТС)

Радиотехническими средства (РТС) называют совокупность наземных и бортовых устройств, обеспечивающих решение основной задачи навигации и основанных на радиотехнических принципах измерений.

Внедрение радиотехнических средств в практику СВЖ во многом определило быстрое развитие воздушного транспорта, расширило его возможности, уменьшило зависимость полетов от метеоусловий и существенно повысило безопасность полетов. РТС обладают следующим преимуществами по сравнению с другими навигационными средствами:

- всепогодность и возможность применения в любое время суток и года в любой точке земного шара;

- высокая точность измерения навигационных параметров;

- многофункциональность;

- возможность использования при заходе на посадку и посадке в сложных метеоусловиях.

Однако наряду с отмеченными преимуществами РТС присущи некоторые ограничения и недостатки. Они подвержены воздействию помех, создаваемых радиосредствами одного итого же типа или радиосредств различного назначения. В ряде случаев мешающее действие могут оказывать сигналы, отраженные неровностями рельефа, предметами и сооружениями, расположенными вблизи от антенных систем. Ряд РТС имеют ограниченные размеры зон их действия в вертикальной плоскости. Большинство этих недостатков удается преодолевать благодаря совершенствованию конструкции и схемных решений. Влияние остальных можно избежать, учитывая их в процессе летной эксплуатации.

Классификация РТС

Все РТС можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению:

1) РТС навигации;

2) посадки;

3) используемые в комплексах УВД;

4) предупреждения столкновений;

5) опознавания,

- по виду информативного параметра радиосигнала:

1) амплитудные;

2) фазовые;

3) частотные;

4) временные,

- по виду определяемого навигационного параметра:

1) угломерные;

2) дальномерные;

3) разностно-дальномерные;

4) измерители линейных и угловых скоростей;

5) комбинированные (угломерно-дальномерные),

- по дальности действия:

1) РТС ближней навигации (РСБН с дальностью действия <350…400 км);

2) РТС дальней навигации (РСДН с дальностью действия < 2500…3000км);

3) глобальные,

- по степени автономности:

1) автономные (радионавигационные устройства);

2) неавтономные (радионавигационные системы).

Эксплуатационно-технические характеристики РТС

Точность - это свойство РТС осуществлять измерение навигационного параметра с погрешностью, не превышающей заданную величину (допуск). Погрешность измерения является количественной мерой точности и представляет отклонение измеренного значения навигационного параметра от его истинного значения.

Погрешности измерения можно классифицировать по следующим признакам:

- по характеру происхождения:

а) методические;

б) аппаратурные или инструментальные;

в) обусловленные помехами;

г) субъективные или ошибки оператора;

- по характеру проявления:

а) систематические;

б) случайные.

Значение систематических погрешностей постоянно или меняется по закону, имеющему детерминированный характер.

Случайные погрешности отличаются тем, что их значение и знак хаотически изменяются от измерения к измерению. Случайные погрешности характеризуются законом распределения, дисперсией, значением средней квадратической погрешности (СКП) и другими параметрами. Чаще всего случайные погрешности подчинены нормальному закону распределения.

Зона действия - это область пространства, в пределах которой обеспечивается получение требуемой навигационной информации.

 

Рис. 1. Зона действия и рабочая область РТС

 

Зону действия принято характеризовать максимальной D_max и минимальной D_min дальностью действия (рис.1). Максимальная дальность действия зависит от используемого диапазона радиоволн и условий их распространения (характера земной поверхности, рельефа местности, состояния атмосферы и ионосферы, времени суток, высоты полета и др.), а также от технических характеристик передающих, приемных и антенных устройств РТС.

В частности, основным фактором, учитываемым при оценки дальности действия РТС, работающих в диапазонах сверхдлинных (СДВ) и длинных (ДВ) волн, является мощность излучения наземных станций, электрические свойства подстилающей поверхности и время суток; для средневолновых (СВ) и коротких (КВ) волн - состояние ионизированных слоев атмосферы и время суток; для диапазона метровых волн - учет высоты полета ВС, а также высоты антенн и препятствий на пути распространения радиоволн.

Максимальная дальность действия РТС метрового и сантиметрового диапазонов вследствие прямолинейности распространения радиоволн чаще всего определяется дальностью прямой радиовидимости, для расчета которой

может быть использовано следующее выражение:

 

R_пр [км] = (3,5...4,1) .

 

Минимальная дальность действия определяется высотой полета ВС и формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости (рис.).

Рабочая область -это объем пространства, в пределах которой погрешность определения места ВС не превышает заданную с определенной вероятностью:

R_po = f (D_max, D_min, σ_нп ).

 

Надежность - это способность РТС выполнять заданные функции и сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного интервала времени.

РТС относятся к классу восстанавливаемых изделий, т.е. в них могут происходить отказы, они устраняются и эксплуатация продолжается далее. Надежность таких изделий принято характеризовать некоторыми количественными показателями:

- среднее время наработки на один отказ

Т₀ = ,

где - - интервал времени межу соседними отказами;

- количество отказов.

- интенсивность или частота отказов ;

- вероятность безотказной работы ;

- коэффициент готовности , где - среднее время восстановления;

- вероятность нормального функционирования

В стандартах ИКАО оговариваются требования к надежности РТС навигации и посадки:

Вероятность отказа навигационных средств должна быть Р_{отк нс} ≤ 10^-4 за три часа полета; или одно летное происшествие на 10⁷…10⁸ летных часов по вине навигационных систем.

РТС посадки должны обеспечивать безопасную автоматическую посадку при вероятности летного происшествия не более 10^-7.

Пропускная способность - это максимальное число ВС, одновременно обслуживаемых данным типом РТС.

Быстродействие - определяется временем, которое затрачивается на получение навигационной информации. Оно должно быть не более 1мин для дозвуковых ВС и не более 3…7 с для сверхзвуковых.

Помехоустойчивость - это способность РТС выполнять свои функции в условиях естественных и искусственных помех.

Эффективность - показатель полноты решения поставленных перед РТС задач с учетом целевого назначения системы и условий ее работы.

Масса и габариты.

К техническим характеристикам относятся:

- диапазон рабочих частот;

- мощность излучаемых сигналов;

- чувствительность приемного устройства;

- характеристика антенн (форма диаграммы направленности, коэффициент усиления, КНД и др.);

- метод обзора пространства;

- тип оконечного устройства отображения информации;

- потребляемая мощность и др.

2.4. Физические основы радионавигации

Основные свойства радиоволн

В основу всех радиотехнических методов измерений положены следующие основные свойства радиоволн:

- конечная и достаточно стабильная скорость распространения в однородной среде, для инженерных расчетов ее принято считать равной 300000 км/с;

- постоянство направления распространения - радиоволны распространяются по кратчайшему расстоянию между точками излучения и приема, на рис.2 представлены траектории распространения радиоволн различных диапазонов.

а ) прямолинейное (МВ, ДМВ, СМВ) б) поверхностные радиоволны (ДВ, СВ)

 

в) пространственные радиоволны г) излучение волноводного типа (СДВ)

(КВ, СВ, ДВ)

Рис. 2 Траектории распространения радиоволн различных диапазонов

- способность направленного излучения и приема - это способность радиоволн концентрировать энергию излучения (приема) в пределах малых телесных углов за счет применения антенных устройств специальной конструкции. Направленные свойства антенны принято характеризовать функцией диаграммы направленности (ДНА) рис.3.

 

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны

- способность радиоволн преломляться и отражаться рис.4.

Р ис. 4. Отражение радиоволн

При прохождении границ физических сред радиоволны претерпевают отражение и преломление.

- эффект Доплера (рис.5) Если между источником радиоизлучения и приемником есть взаимное изменения расстояния то частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний. Эту разницу называют доплеровским сдвигом частот, и он пропорционален радиальной составляющей скорости изменения расстояния, которая равна проекции вектора скорости на направление излучения.

r(t)

 

 

Рис. 5. Эффект Доплера

Если = 0, то f_прм = f_изл, при 0 f_прм ≠ f_изл.