Упрощенная схема автоматического радиокомпаса и принцип ее работы

Автоматическими радиокомпасами (АРК) называют бортовые амплитудные одномерные радиопеленгаторы, предназначенные для измерения курсового угла радиостанции (КУР). КУР - угол в горизонтальной плоскости между продольной осью ВС и направлением на радиостанцию (см. рис 1.5). Радиопеленгование - определение направления на источник радиоизлучения с помощью радиотехнических средств.

Для обеспечения работы АРК служат специальные наземные приводные и широковещательные радиостанции соответствующего диапазона.

Основным элементом АРК для определения направления на радиостанцию является направленная рамочная антенна. В простейшем случае рамочная антенна представляет тонкий проводник, имею­щий форму замкнутой плоской фигуры (прямоугольника, окружности, ромба, эллипса).

При рассмотрении основных свойств рамочной антенны предполагают, что плоскость рамки вертикальная, а направление распростране­ния электромагнитных колебаний составляет с плоскостью рамки угол 9 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Диаграмма направленности рамочной антенны

Напряженность электромагнитного поля определяют выражением

Электродвижущая сила (э.д.с), наводимая в рамочной антенне (е_р) электромагнитным полем, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока в единицу времени и определяется выражением [7, 10]

где h_д — действующая высота рамочной антенны.

В свою очередь

где Е_ртах - максимальная амплитуда э.д.с. рамочной антенны; Е_т - амплитуда напря­женности электромагнитного поля.

Для воздушной рамки действующая высота

h_д = 2π SN/λ

где S — площадь рамки; N — число витков; λ — длина волны электромагнитного поля.

Действующая высота h_д характеризует эффективность рамки, ее значение должно быть как можно больше. Увеличить h_д рамки можно увеличением S и N (это приведет к увеличению размеров рамки) и уменьшением длины волны к. Из условий распространения радиоволн самыми приемлемыми являются волны гектаметрового (средневолнового) диапазона. Поэтому для увеличения h_д применяют многовитковые рамочные антенны с ферромагнитными магнитопроводами прони­цаемости (1, при этом

При использовании магнитопровода увеличивается индуктивность, которая должна оставаться постоянной. Для восстановления ее прежнего значения необходимо уменьшать число витков. Учитывая [12],

где N _c, N- число витков рамочной антенны с магнитопроводом и без него.

При использовании магнитопроводов h_д увеличивается в раз, т. е.

Так как е_р = Е_т cosθ sinω t, то э.д.с. рамочной антенны в зависимости от направления приема (угла θ) изменяется по косинусоидальному закону, а график косинусоиды имеет форму восьмерки, которая является диаграммой направленности рамочной антенны (см. рис. 2.1).

Диаграмма направленности обладает следующими основными свойствами:

Ø в двух направлениях, перпендикулярных плоскости рамки (θ=90 и 270°), э.д.с. в рамочной антенне равны нулю (cos 90°= =0 и cos 270° = 0). Эти направления называют направлениями "нулевого" приема;

Ø фаза э.д.с. рамки сдвинута на 90° относительно фазы возбуждающе­го ее электромагнитного поля;

Ø при переходе через "нулевой" прием фаза э.д.с. рамки изменяется на 180°;

Ø в двух направлениях, совпадающих с плоскостью рамки (θ = 0 и 180°), амплитуды э.д.с. рамки максимальны и противофазны (cos 0=1; cos 180° = -1);

Ø значение амплитуды э.д.с. рамки зависит от направления распрост­ранения радиоволн относительно плоскости рамки.

Эти свойства рамочной антенны используют в автоматическом радиокомпасе. Принцип его работы для понимания удобно сначала рассмотреть на упрощенной схеме АРК, который способен работать в следующих условиях: при использовании только одной радиостанции, курсовой угол которой надо измерять; для управления вращением рамки применяется высокочастотный и высокочувствительный двухфазный асинхронный двигатель.

Упрощенная схема такого радиокомпаса (рис. 2.2) состоит из рамочной антенны 1, нагруженной на управляющую обмотку 2, и двигателя 3. Он механически соединен с рамкой и стрелочным индикатором 4, шкала которого жестко связана с корпусом (фюзеляж) ВС, а треугольный индекс указывает направление продольной оси ВС. В рамочной антенне наводится э.д.с, фаза которой зависит от стороны расположения радиостанции относительно продольной оси, и сигнал рамочной антенны называется управляющим.

Для определения фазы управляющего сигнала необходим опорный сигнал, для чего используют ненаправленную антенну 5, имеющую круговую диаграмму направленности. Фаза э.д.с. антенны совпадает с фазой возбуждающего ее электромагнитного поля и сдвинута на 90° относительно фазы э.д.с. рамки. Ненаправленная антенна подключена к обмотке возбуждения 6 двигателя.

Под действием э.д.с. ненаправленной антенны в обмотке возбуждения протекает ток i₁, который создает магнитный поток Ф₁. Если плоскость рамки перпендикулярна направлению приема, то э.д.с. в рамочной антенне равна нулю, ток и магнитный поток отсутствуют, двигатель не вращается (вращающий момент отсутствует) и не изменяет положение стрелки индикатора, КУР=0 (направление "нулевого" приема совпадает с продольной осью ВС).

Если радиостанция находится в положении (справа, слева), отличающемся от перпендикулярного плоскости рамки (равнозначно повороту рамки от положения "нулевого" приема), то в ней наводится э.д.с. соответствующей фазы и амплитуды. Под ее действием в управляю­щей обмотке двигателя протекает ток i ₂, который создает магнитный поток Ф₂. Он складывается с потоком Ф₁, образуя результирующий поток Ф_р, который создает вращающий момент двигателю. Двигатель начинает поворачивать рамку и стрелку по кратчайшему пути до тех пор, пока э.д.с. в рамке станет равна нулю, т. е. до положения "нуле­вого" приема, и двигатель, остановится, а стрелка индикатора укажет КУР. Если фаза э.д.с. рамки была положительной (рамка влево от положения "нулевого" приема), то двигатель вращается вправо и влево при отрицательной фазе, т. е. привод рамки к положению "нуле­вого" приема будет следящим и автоматическим.

Несмотря на то что диаграмма направленности рамки имеет два "нулевых" приема, КУР измеряют однозначно благодаря автоматическому следящему приводу, у которого положение истинного "нулево­го" приема устойчиво, а положение ложного (противоположного) "нулевого" приема неустойчиво. При ложном нулевом приеме КУР измеряют в погрешностью в 180°. При отклонении рамки от положения ложного "нулевого" приема двигатель поворачивает ее в ту же сторо­ну через 180° к положению истинного "нулевого" приема.

В автоматических радиокомпасах, кроме подвижной рамочной антенны, используют неподвижные рамочные антенны (блок рамочных антенн) и гониометр. Упрощенная схема такого АРК показана на рис. 2.3.

■>•>

Рис. 2.2. Упрощенная схема Рис. 2.3. Упрощенная схема модели

модели автома­тического РК радио­компаса с неподвижными рамочными

Блок рамочных антенн выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных рамочных антенн на общем ферромагнитном магнитопрово-де. Одна рамочная антенна совпадает с продольной осью ВС, и эту рамку называют продольной рамкой Р1, а другая перпендикулярна оси, и ее называют поперечной рамкой Р2. Каждая из рамочных антенн соединена с гониометром (гониометр - от греч. gonia- угол и metreo-измеряю).

Гониометр представляет машину электрического типа, которая содержит две взаимно перпендикулярные статорные катушки Ст 1 и Ст 2, соединенные с обмотками рамочных антенн, и одну подвижную роторную, находящуюся внутри статора. Статорные катушки называют полевыми, роторную - искателем или просто рамкой. Ротор гониомет­ра управляется двигателем.

При приеме электромагнитных колебаний, приходящих под углом θ, в обмотках рамочных антенн Р1 и Р2 создаются напряжения, ампли­туды которых:

;

где U_m — максимальные напряжения в рамочных антеннах.

Под действием этих напряжений в полевых катушках гониометра протекают токи i₁ i₂, которые создают магнитные потоки Ф₁ и Ф₂.. Они складываются и создают результирующий поток Ф_р. Вектор суммарного потока Ф_р совпадает с направлением на радиостанцию. Определение этого направления равнозначно определению КУР. Под действием результирующего магнитного потока Ф_р в роторной катушке наводит­ся э.д.с. е_г, фаза и амплитуда которой зависят от углового положения вектора потока Ф_р, т. е. от направления продольной оси ВС относитель­но пеленгуемой радиостанции. Напряжение с роторной катушки поступает на двигатель, и он поворачивает ротор до тех пор, пока это напряжение не станет равным нулю, т. е. поворачивает искатель до положения "нулевого" приема.

Таким образом, направленные свойства роторной катушки аналогичны свойствам поворотной рамочной антенны.

Принцип работы АРК с неподвижными рамочными антеннами и гониометром аналогичен синусно-косинусной следящей системе дистанционной передачи информации, только передача осуществляется по высокой частоте. В качестве датчика служит корпус ВС с взаим­но перпендикулярными рамочными антеннами, а гониометр выпол­няет функцию приемника такой системы.

Условия, при которых упрощенно рассмотрен принцип работы схемы АРК, не выполнимы, так как:

реально существует множество радиостанций (только в одном аэропорту) и для обеспечения требуемой избирательности и помехоустойчивости необходимо предусмотреть чувствительный, высокоиз­бирательный радиоприемник супергетеродинный;

в радиоаппаратуре в качестве исполнительных двигателей используют двигатели, питаемые током низкой (звуковой) частоты (напри­мер, 400 Гц) и поэтому управляющий высокочастотный (ВЧ) сигнал рамки (искателя гониометра) и опорный ненаправленной антенны необходимо преобразовать в управляющий сигнал (для двигателя) низкой частоты (НЧ), причем его фаза должна соответствовать фазе ВЧ сигнала рамки, т. е. необходимо при преобразовании сохранить фазо­вые соотношения;

обычно индикатор КУР расположен на приборной доске ВС и для передачи КУР на индикатор надо применить следящую систему или индикаторную передачу.