Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Закономерности поведения сигналов узкого и широкого каналов в зоне действия курсового радиомаяка 22
1.1 Введение 22
1.2 Постановка задачи нахождения зависимости разности глубины модуляции
при различных соотношениях амплитуд и фаз сигналов широкого и узкого каналов 24
1.3 Метод решения задачи нахождения величины РГМ 27
1.4 Решение задачи нахождения величины РГМ 28
1.5 Точные соотношения для вычисления величины РГМ 30
1.6 Приближённые соотношения для вычисления величины РГМ 31
1.7 Анализ результатов в частных случаях решения задачи 34
1.8 Анализ результатов в общем случае решения задачи 39
1.9 Выводы 42
ГЛАВА 2. Влияние подстилающей поверхности с поперечным наклоном на диаграммы направленности антенны курсового радиомаяка 44
2.1 Введение 44
2.2 Постановка задачи влияния поперечного наклона местности на диаграммы направленности антенны КРМ 45
2.3 Определение координат зеркальных источников 46
2.4 Амплитудные и фазовые диаграммы направленности антенны КРМ 48
2.5 Диаграммы направленности антенны КРМ при наличии поперечного наклона подстилающей поверхности 54
2.5.1 Амплитудные диаграммы направленности антенны для сигнала НБЧ УК 55
2.5.2 Фазовые диаграммы направленности антенны для сигнала НБЧ УК 58
2.5.3 Пример антенной решетки с двумя излучающими элементами 61
2.5.4 Амплитудные диаграммы направленности антенны для сигнала БЧ УК 63
2.5.5 Фазовые диаграммы направленности антенны для сигнала БЧ УК 65 2.5.6 Амплитудные диаграммы направленности антенны для сигнала НБЧ ШК 68
2.5.7 Фазовые диаграммы направленности антенны для сигнала НБЧ ШК 69
2.5.8 Амплитудные диаграммы направленности антенны для сигнала БЧ ШК 71
2.5.9 Фазовые диаграммы направленности антенны для сигнала БЧ ШК 72
2.6 Выводы 74
ГЛАВА 3. Влияние поперечного наклона местности на поведение линии курса курсового радиомаяка
3.1 Введение 77
3.2 Постановка задачи влияния поперечного наклона местности на параметры
КРМ 80
3.3 Метод решения задачи 84
3.4 Решение задачи 84
3.5 Точные значения для вычисления величины РГМ 86
3.6 Зона действия курсового радиомаяка
3.6.1 Зависимость разности фазы сигнала НБЧ УК и фазы сигнала БЧ УК от азимутального угла при фиксированном меридиональном угле 89
3.6.2 Зависимость разности фазы сигнала НБЧ ШК и фазы сигнала БЧ ШК от азимутального угла при фиксированном меридиональном угле 92
3.6.3 Зависимость РГМ от азимутального угла при совместной работе узкого и широкого канала КРМ 94
3.7 Зависимость смещения линии курса от угла места при разных величинах угла наклона подстилающей поверхности 96
3.8 Анализ результатов 99
3.9 Выводы 101
ГЛАВА 4. Дифракция волн на клинообразной аэродромной поверхности 103
4.1 Введение 103
4.2 Постановка задачи 103
4.3 Коротковолновое асимптотическое разложение строгого решения задачи дифракции сферической волны на клине с идеально проводящими гранями 107
4.3.1 Структура электромагнитного поля в клиновидной области 108
4.3.2 Преобразование интеграла Макдональда 112
4.3.3 Экспериментальные исследования на макете клина 115
4.3.4 Численное моделирование структуры поля дифракции волн на клине с конечными размерами 118
4.3.5 Анализ результатов 120
4.3.6 Нормированная напряженность электрического поля в зоне действия курсового радиомаяка 122
4.4 Выводы 129
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования характеристик курсового радиомаяка 131
5.1 Введение 131
5.2 Постановка задачи экспериментальных исследований 131
5.3 Процедуры измерений
5.3.1 Процедуры наземных измерений 133
5.3.2 Процедуры летных измерений 138
5.3.3 Процедуры обработки результатов измерений 143
5.4 Результаты исследований характеристик курсового радиомаяка 144
5.4.1 Наземные исследования пространственных и точностных характеристик
курсового радиомаяка 145
5.4.2 Летные исследования пространственных и точностных характеристик
курсового радиомаяка 152
5.5 Анализ результатов наземных и летных исследований КРМ 158
5.6 Выводы 159
Заключение 160
Список сокращений и условных обозначений 165
Список литературы
- Метод решения задачи нахождения величины РГМ
- Диаграммы направленности антенны КРМ при наличии поперечного наклона подстилающей поверхности
- Точные значения для вычисления величины РГМ
- Преобразование интеграла Макдональда
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Известно, что с момента зарождения авиации заход самолётов на посадку и посадка являются самыми сложными и ответственными этапами полёта самолёта. Многолетняя статистика авиационных происшествий показывает, что на этих этапах полета, составляющих менее 4 % общего времени полета, происходит порядка 50 % авиационных происшествий.
Основным средством повышения безопасности полётов путём обеспечения инструментального захода самолётов гражданской авиации на посадку и самой посадки являются двухчастотные радиомаячные системы (РМС) посадки метрового диапазона длин волн формата ILS (Instrument Landing System). В состав этих систем входят курсовой (КРМ), глиссадный (ГРМ) радиомаяки и бортовая аппаратура (БА) самолёта. Антенные системы радиомаяков устанавливаются относительно взлётно-посадочной полосы (ВПП) по строго определённой схеме: КРМ – на продолжении оси ВПП за её пределами, а ГРМ – на некотором расстоянии от оси ВПП.
Электромагнитное излучение антенной системой КРМ в диапазоне частот от 108 до 111,975 МГц, модулировано по амплитуде сигналами тональных частот 90 и 150 Гц. В идеальном случае поверхность, на которой разность глубин модуляции (РГМ) сигналов равна нулю, представляет собой вертикальную плоскость, проходящую через ось ВПП, образуя, так называемую, «плоскость курса».
Антенна ГРМ излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в диапазоне частот от 328,6 до 335,4 МГц, модулированные сигналами с частотами 90 и 150 Гц. Поверхность, на которой разность глубин модуляции радиочастотных сигналов ГРМ тональными сигналами 90 и 150 Гц равна нулю, представляет собой конус, вершина которого находится в основании антенн. При этом ось данного конуса вертикальна, а его образующая наклонена на заданный угол относительно поверхности Земли, формируя, так называемую, «поверхность глиссады».
Пересечение поверхностей курса и глиссады задает в пространстве линию для захода самолёта на посадку, называемую глиссадой. Бортовая аппаратура, выполняя измерения навигационного параметра – разности глубин модуляции радиомаяков, индицирует отклонения самолёта от глиссады и тем самым обеспечивает пилота самолёта или автопилот информацией о корректировке траектории полета самолёта для его посадки.
Двухчастотный курсовой радиомаяк третьей (наиболее высокой) категории включает в себя два канала: узкий и широкий каналы, реализуемые с помощью, двух независимых друг от друга передающих устройств. Антенная решетка и диаграммообразующий тракт курсового радиомаяка формирует в пространстве четыре диаграммы направленности (ДН) антенны: первая – узкая ДН суммарного вида, вторая – узкая разностного вида (± 7), третья – широкая ДН суммарного
вида, четвёртая - широкая ДН разностного вида (± 40); третья и четвёртая ДН имеют вырезы в пределах главных лепестков первой и второй ДН.
Передающее устройство узкого канала формирует в пространстве два сигнала на частоте/і, а передающее устройство широкого канала - два сигнала на частоте/?. Частоты fi и/2 отстоят по разные стороны от частоты канала, выделенного для аэродрома, на несколько килогерц. На частоте fi излучается с первой диаграммой направленности сигнал «несущая частота плюс боковые частоты» (НБЧ) узкого канала (НБЧ УК), а со второй ДН - сигнал «боковые частоты» (БЧ) узкого канала (БЧ УК). На частоте f2 излучается с третьей диаграммой направленности сигнал «несущая частота плюс боковые частоты» широкого канала (НБЧ ШК), а с четвёртой диаграммой направленности - сигнал «боковые частоты» широкого канала (БЧ ШК).
В результате выреза в ДН широкого канала в секторе углов ±5 напряженность поля НБЧ и БЧ ШК меньше напряженности поля НБЧ БЧ УК.
Принятый на борту самолёта суммарный сигнал проходит через входные цепи приёмника, смеситель, усилитель промежуточной частоты и поступает на вход первого линейного детектора, на выходе которого формируется огибающая суммарного сигнала. Далее сигнал поступает на входы полосно-пропускающих фильтров, которые выделяют тональные сигналы. Амплитуды напряжений выделенных колебаний нормируются схемой АРУ приёмника относительно постоянной составляющей суммарного сигнала. Выделенные нормированные тональные сигналы проходят через выпрямители, на выходе которых формируется разностное напряжение, поступающее на микроамперметр, который показывает величину тока, пропорциональную разности глубин модуляции. Коэффициент пропорциональности одинаков для всех бортовых приёмников ILS. Поэтому при лётных проверках параметров курсового и глиссадного радиомаяка значения измеряют в микроамперах, не переводя их в проценты.
Принцип формирования глиссады системы посадки метрового диапазона длин волн основан на предположении, что местность перед антенной системой радиомаяков представляет собой горизонтальную плоскость. Тогда антенна создаёт электромагнитное поле, которое можно представить в виде суммы полей самой антенны и её зеркального отображения. В этом случае глиссада захода на посадку представляет собой практически идеальный луч.
Реальная ситуация на аэродромах такова, что вместо идеального луча наблюдается некая кривая линия, поведение которой обусловлено влиянием неровностей земной поверхности и местных предметов. По мере развития авиации и расширения использования радиомаячных систем инструментальной посадки требования, предъявляемые к траектории захода самолётов на посадку, ужесточаются. Эти требования изложены в отечественных стандартах и нормах международной организации гражданской авиации ИКАО (от англ. ICAO - International Civil Aviation Organization).
В соответствие с существующими нормативными документами ввод в эксплуатацию систем посадки сопряжен со значительным объёмом дорогостоящих земляных работ, необходимых для подготовки площадок перед антенными системами радиомаяков. При этом необходимо отметить, что требования инструкций
по размещению радиомаяков на местности оказываются значительно выше, чем требования аэродромных норм годности к лётному полю. Поэтому при строительстве новых и реконструкции существующих аэродромов для размещения инструментальных систем посадки обычно требуется дополнительно выполнять большой объём земляных работ.
Ситуация особенно усугубляется, когда аэродром расположен в балочно-овражистой, предгорной и иной местности с неблагоприятной для работы радиомаяков формой рельефа местности. Как правило, в этом случае курсовой радиомаяк приходится размещать далеко за пределами концевой полосы безопасности и перед КРМ оказывается площадка с естественной формой рельефа, которая не соответствует жёстким требованиям инструкции по размещению антенной системы курсового радиомаяка. На этой части территории необходимо выполнить земляные работы по приведению её в соответствии с требованиями инструкции по размещению КРМ на местности.
Необходимо отметить, что двухчастотные радиомаяки формата ILS широко используются как на зарубежных аэродромах, так и в нашей стране достаточно давно. Однако детального анализа особенностей формирования зоны их действия с учётом влияния подстилающей поверхности в литературе не приведено. Отсутствуют также обоснование упомянутых требований к местности перед курсовым радиомаяком в нормативной документации к этой системе.
В связи с этим представляется актуальным выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния рельефа местности и, в частности, её поперечного по отношению к продолжению оси ВПП наклона местности и её клинообразной формы на основные параметры и характеристики системы посадки формата ILS. Результаты таких исследований востребованы при научно обоснованном выборе подходящей позиции для размещения курсового радиомаяка в реальных условиях местности, значительно сокращающей затраты на его устройство.
Необходимо отметить также, что поперечный наклон местности и
клинообразная форма площадки перед КРМ характерны для аэродромов в
предгорной, балочно-овражистой и другой местности со складчатой
поверхностью, которая преобладает на территории Российской Федерации. Поэтому результаты исследований представляют интерес в масштабах всей отрасли.
В настоящей работе предложены и исследованы пути решения проблемы размещения КРМ на примере аэродрома, расположенного в предгорной местности.
Цель и задачи исследования
Основной целью работы является исследование влияния рельефа местности на выходные характеристики курсового радиомаяка системы инструментальной посадки самолётов формата ILS метрового диапазона длин волн.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: — исследовать взаимное влияние сигналов узкого и широкого каналов на формирование навигационного параметра курсового радиомаяка ILS;
— исследовать влияние поперечного наклона земной поверхности перед ан
тенной системой курсового радиомаяка на её диаграммы направленности;
изучить влияние угла поперечного наклона местности на поведение навигационного параметра курсового радиомаяка системы инструментальной посадки;
исследовать структуру электромагнитного поля дифракции волн на клинообразной аэродромной поверхности и провести сравнение данных летных измерений и результатов моделирования структуры электромагнитного поля;
— получить результаты экспериментальных исследований курсового радио
маяка путем натурных наземных и летных измерений, а также сравнить экспери
ментальные и расчетные характеристики опытного образца системы инструмен
тальной посадки самолётов.
Методология и методы исследования
При решении общей задачи исследования взаимного влияния сигналов узкого и широкого каналов, а также изучения влияния угла поперечного наклона местности на формирование и поведение навигационного параметра курсового радиомаяка ILS использованы известные методы анализа прохождения модулированных радиосигналов через радиотехнические линейные и нелинейные цепи бортовой аппаратуры приёма и обработки сигналов. Среди этих методов использованы методы, основанные на спектральном представлении и анализе узкополосных радиосигналов. При исследовании полученных выражений применялись методы математического анализа и численного моделирования на ЭВМ.
При решении задач исследования влияние поперечного наклона земной поверхности перед антенной системой курсового радиомаяка на её диаграммы направленности и структуры электромагнитного поля дифракции волн, полученных при отражении от клинообразной аэродромной поверхности, использованы методы теории дифракции и распространения радиоволн в условиях присутствия в поле излучения антенных систем поверхности земли. Среди них методы зеркальных изображений, стационарной фазы, принцип Гюйгенса-Френеля, использование формул Кирхгофа и Фраунгофера, асимптотические методы вычисления интегралов, удобные для расчета структуры поля на ЭВМ.
В работе применены методы математического анализа, теории вероятностей, численного моделирования на ЭВМ, методы наземных исследований с помощью мобильной лаборатории и лётных исследований с помощью воздушных судов – лабораторий и учебных самолётов.
При проведении экспериментальных исследований использовались методы лабораторного и натурного эксперимента, полунатурного моделирования, методы аналоговой и цифровой обработки сигналов с привлечением компьютерной обработки сигналов. При обработке результатов экспериментов применялись также методы теории вероятностей и математической статистики.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Новое решение задачи нахождения информационного параметра двухчас-тотного КРМ – разности глубин модуляции. Данное решение учитывает взаимное
влияние сигналов узкого и широкого каналов КРМ, в том числе, с учётом отражения радиоволн от местности перед антенной КРМ с поперечным относительно продолжения оси ВПП наклоном в соответствие с выражениями (1) – (3) автореферата.
1.1 В зоне действия КРМ сигналы узкого и широкого каналов меняются ролями в отношении «слабый» (меньший по амплитуде) и «сильный» (больший по амплитуде). Иными словами, сигнал широкого канала подавляется сигналом узкого канала в окрестности линии курса, сигнал узкого канала подавляется сигналом широкого канала в зоне наведения радиомаяка. При этом в узкой угловой рабочей зоне в окрестности направления вдоль оси ВПП сильным сигналом является сигнал узкого канала, слабым – сигнал широкого канала. За пределами узкой угловой зоны сильным сигналом является сигнал широкого канала, слабым – сигнал узкого канала. В переходной зоне сигналы узкого и широкого каналов равноценны, при этом обеспечивается плавный ход функции разности глубины модуляции при переходе из одной зоны в другую. В результате такого поведения сигналов в зоне действия КРМ устраняется влияние сигналов широкого канала, отражённых от местных предметов, на точностные характеристики КРМ, при этом самолёт обеспечивается информацией о его местоположении во всей (широкой) зоне действия КРМ.
2. Новые закономерности в поведении амплитудных и фазовых диаграмм
направленности антенны для сигналов: «несущая плюс боковые» и «боковые
частоты» узкого канала, «несущая плюс боковые» и «боковые частоты» широкого
канала КРМ, установленного на местности с поперечным наклоном.
2.1 При наличии поперечного по отношению к оси ВПП наклона подстилающей поверхности излучающая система курсового радиомаяка не имеет фазового центра. Боковые лепестки ДН антенной системы в стороне понижения местности увеличиваются по уровню, а в стороне повышения местности, наоборот, уменьшаются по сравнению с боковыми лепестками ДН антенны, расположенной над горизонтальной плоскостью.
При этом фазовые ДН антенны курсового радиомаяка имеют вид монотонно изменяющихся функций, тогда как в случае работы антенны над горизонтальной плоскостью, фазовые ДН имеют ступенчатый вид: при переходе из одного лепестка амплитудной ДН в другой фаза изменяется скачком на 180.
-
Поперечный наклон местности приводит к смещению линии курса относительно оси ВПП. Допустимую величину угла поперечного по отношению к продолжению оси ВПП наклона местности перед антенной курсового радиомаяка можно увеличить до 2. При этом глиссада представляет собой практически прямую линию, составляющую с осью ВПП угол, величиной менее шести угловых минут, и линейное смещение курса на пороге ВПП составляет величину не более 0,5 м.
-
Если площадка перед антенной системой КРМ имеет клинообразный вид поверхности, то напряжённость поля в дальней зоне, рассчитываемая согласно выражений (4) – (5) автореферата, может увеличиваться в несколько раз по сравнению с напряжённостью поля, которая имела бы место при размещении источника над горизонтальной поверхностью.
4.1 Равномерные относительно угловых координат источника излучения и точки наблюдения коротковолновые (источник расположен вдали от ребра клина) асимптотические разложения строгого решения задачи дифракции сферической волны на клине с идеально проводящими гранями. Процедуры расчёта напряженности электромагнитного поля КРМ применительно к клинообразной форме местности перед антенной курсового радиомаяка.
5. Результаты наземных и лётных исследований параметров курсового радиомаяка, установленного на аэродроме в предгорной местности со сложным рельефом и сложными гидрогеологическими условиями, показали соответствие характеристик курсового радиомаяка III категории ИКАО.
5.1 Критическое влияние поперечного наклона местности перед антенным полем КРМ на требования к величине искривлений разности глубин модуляции и возможности получения характеристик по III категории норм ИКАО отсутствует.
Достоверность защищаемых положений и результатов обеспечивается качественным и количественным соответствием теоретических выводов данным, полученным экспериментально, корректностью упрощающих предположений, применяемых при построении математических моделей, использованием поверенной измерительной аппаратуры и подтверждается успешным практическим использованием в реализованных устройствах и системах.
Дополнительно достоверность основных результатов работы аргументируется их апробацией на конференциях и симпозиумах, а также публикациями в рецензируемых журналах.
Новизна защищаемых положений и результатов диссертации
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Найдены строгие и приближённые соотношения в виде квадратур для вычисления навигационного параметра — разности глубин модуляции двухчасто-тного радиомаяка КРМ (ГРМ). Полученные соотношения обобщают известные соотношения для линейного детектирования гармонического сигнала в присутствии помехи на случай, когда на вход линейного детектора одновременно поступает «сильный» сигнал, модулированный по амплитуде двумя низкочастотными тонами, и «слабый» сигнал с точно такой же модуляцией.
-
Установлено влияние величины угла поперечного наклона местности относительно направления продолжения оси ВПП на формирование ДН антенной системы КРМ.
-
Установлены закономерности формирования глиссады в зависимости от величины угла поперечного наклона местности относительно направления продолжения оси ВПП.
-
Разработана обобщённая математическая модель формирования сигналов курсового канала системы посадки самолётов формата ILS, учитывающая дифракцию и двукратное отражение радиоволн на трассе «передающая антенна – точка наблюдения» в соответствие с выражениями (4) – (5) автореферата. Найдены коротковолновые асимптотические разложения строгого решения задачи дифракции сферической волны на идеально проводящем клине с углом раствора, близким к 180. Решение получено в виде суммы четырёх полутеневых
волн, описываемых интегралами Макдональда. При этом приближённое решение впервые учитывает все полюса подынтегральной функции вблизи точек перевала.
5. Получены результаты экспериментальных исследований инструментальной системы посадки самолётов, подтверждающие правильность расчетов и позволяющие снизить требования к местности для размещения курсового радиомаяка.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что в ней в рамках единого методологического подхода к решению задачи исследования взаимного влияния сигналов узкого и широкого каналов на формирование навигационного параметра курсового радиомаяка ILS уточнена теория функционирования системы посадки. Данная теория обеспечивает возможность более полно учитывать различные параметры и характеристики условий формирования поля, излучаемого антенными системами системы посадки, а также факторов, вызванных влиянием поверхности земли, прилегающей к антенным системам, на выходные навигационные параметры.
Результаты диссертационного исследования, посвящённого изучению влияния угла поперечного наклона земной поверхности перед курсовым радиомаяком на диаграмму направленности антенны курсового радиомаяка ILS, а также на поведение навигационного параметра курсового радиомаяка ILS, являются оригинальными, развивают и дополняют теорию систем радионавигации самолётов.
Практическая значимость и прикладная ценность работы заключается в следующем:
1. Результаты представленных в диссертации исследований позволили
решить проблему размещения антенной системы КРМ на конкретном аэродроме в
предгорной местности со сложным рельефом и сложными гидрогеологическими
условиями. Антенна КРМ размещена на незатопляемом участке с естественными
углами наклона местности без дополнительной планировки, которая была
необходима для удовлетворения требованиям инструкции по размещению
существующих курсовых радиомаяков.
Полученные в работе результаты являются основой для уточнения требований к площадкам для размещения курсовых радиомаяков. Данное уточнение требований позволяет более рационально планировать земляные работы для подготовки площадок и, тем самым, удешевить и ускорить как реконструкцию существующих, так и строительство новых аэродромов.
2. Разработаны процедуры выполнения наземных измерений диаграмм
направленности антенн и выходных характеристик КРМ с помощью передвижной
лаборатории на базе автомобиля, включающей в себя аппаратуру для приёма и
анализа сигналов системы инструментальной посадки, аппаратуру для точного
определения координат лаборатории относительно центра антенны курсового
радиомаяка по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС)
и локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС).
3. Разработан бортовой стенд и процедуры выполнения лётных измерений
диаграмм направленности антенн и выходных характеристик КРМ с помощью
неспециализированного воздушного судна. Стенд включает в себя аппаратуру для
приёма и анализа сигналов системы инструментальной посадки, аппаратуру для точного определения координат воздушного судна относительно центра антенны курсового радиомаяка по сигналам ГНСС и ЛККС.
Внедрение результатов диссертации
Результаты работы были внедрены в ходе разработки курсового радиомаяка:
на этапах эскизного, технического проектирования, разработки рабочей конструкторской документации опытного образца комплекса системы посадки формата ILS;
при выборе позиции установки антенны курсового радиомаяка и антенн выносного контроля;
были положены в основу разработанной программы прогностического моделирования местных предметов на аэродроме;
при наземных и летных испытаниях комплекса опытного образца системы посадки формата ILS на аэродроме, расположенном в предгорной местности.
Результаты экспериментальных исследований включены в Акт летной проверки по программе ввода в эксплуатацию радиомаячной системы инструментального захода воздушного судна на посадку на аэродроме. По заключению акта радиомаячная система инструментального захода воздушного судна на посадку, установленная на рассматриваемом аэродроме соответствует эксплуатационным требованиям к радиомаячным системам (РМС) третьей категории ИКАО и признана пригодной для обеспечения полётов без ограничений.
Апробация работы и публикации
Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований проходила на действующем аэродроме в ходе выполнения комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства антенн и аппаратных модулей для двухчастотного радиомаячного комплекса системы посадки метрового диапазона формата ILS III категории ИКАО для аэродромов гражданской авиации, включая аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и сложным рельефом местности».
Настройка, проверка и испытания пространственных и точностных характеристик курсового радиомаяка проводились с помощью:
— наземных измерений мобильным стендом – передвижной лабораторией
для проверки выходных характеристик курсового радиомаяка на малых высотах;
— летных измерений специализированными воздушными суднами-
лабораториями, оборудованных метрологически аттестованной аппаратурой лет
ного контроля (в том числе измерительными антенно-фидерными трактами);
— летных измерений экспериментальным бортовым стендом (с собственной
антенно-фидерной системой отдельной от штатной бортовой), установленным на
учебных самолётах.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
конференциях: на международной научно-технической конференции
СВЯЗЬ-ПРОМ 2011 [7], на конференциях аспирантов и докторантов ЮУрГУ в
2011, 2012 и 2013 годах, на 10-ой всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных НТИ-2010 [], на 21-ой ] и 26-й ] международной крымской конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии».
По теме диссертации работы опубликовано 10 печатных работ, среди которых 5 статей в журналах, включённых в перечень ВАК [-], в том числе 2 публикации содержатся в изданиях, индексируемых международной системой цитирования Scopus, 5 – в библиографической базе данных научных публикаций РИНЦ, 2 – в электронной базе данных IEEE Xplore.
Личный вклад диссертанта
В диссертации представлены только те результаты работы, в которых автору
принадлежит определяющая роль. Постановка задач исследований
осуществлялась научным руководителем, доктором технических наук,
профессором Н.И. Войтовичем. Основная часть работ опубликована в соавторстве с научным руководителем, а также с кандидатом технических наук Б.В. Ждановым. В совместных работах диссертант разрабатывал и предлагал математические модели, выполнял расчёты, разрабатывал методику, подготовку и лично участвовал в проведении наземных и летных экспериментов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, перечня сокращений, библиографического списка использованной литературы и списка иллюстративного материала. Общий объем работы составляет 178 страниц, работа содержит 62 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает в себя 92 источника.
Метод решения задачи нахождения величины РГМ
В настоящей главе получены точные и приближенные (на основе разложения функции в ряд Маклорена) соотношения для вычисления разности глубин модуляции (РГМ) сигналов, излучаемых двухчастотным радиомаяком инструментальной системы посадки самолётов. Проведено сравнение результатов вычисления РГМ по приближенной и по точной формулам. При этом рассмотрен общий случай, когда сигнал «несущая плюс боковые частоты» и сигнал «боковые частоты» сдвинуты между собой по фазе. Представлены закономерности в поведении РГМ в зоне действия курсового радиомаяка.
Представлена методика выбора соотношений мощности узкого и широкого каналов для обеспечения в соответствии с требованиями норм ИКАО на радиомаячные системы формата ILS, требуемой зоны действия курсового радиомаяка.
Целью данной главы является вывод приближенных соотношений для вычисления РГМ, которые могут быть использованы разработчиками радиомаяков для оценок и интерпретации зависимости РГМ от соотношения сигналов в узком и широком каналах, для приближенной оценки величины искривлений линии курса и глиссады, которые оказались бы полезными непосредственно на аэродроме специалистам, выполняющим ввод радиомаяков в эксплуатацию, преподавателям и студентам при изучении принципа работы двухчастотного радиомаяка формата ILS.
В процессе эксплуатации первых радиомаячных систем СП была обнаружена связь между пространственными характеристиками СП и расположением и размерами местных предметов на аэродроме, таких как здания аэровокзала, ангары, стоянки самолётов и др., а также формой рельефа местности в зоне захода самолётов на посадку. Причиной искривлений глиссады являлась интерференция в области глиссады электромагнитных волн, отраженных от складок местности и от местных предметов, с электромагнитными волнами, формирующими глиссаду. Следует отметить, что проблема влияния волн, отраженных от окружающей местности, существует для всех радиотехнических угломерных навигационных систем. Однако эта проблема для СП является критической. Это обусловлено высокими требованиями к точности ILS, которые на порядок превышают таковые к аэродромным навигационным и радиолокационным системам.
Естественным стремлением разработчиков РМС было сужение диаграмм направленности антенны КРМ в горизонтальной плоскости, при которой местные предметы не облучались бы сигналами КРМ [2]. Применительно к ГРМ предлагались антенные решетки с низким уровнем облучения складок местности. Однако, при этом существенно сужается зона действия СП. Пилоту трудно попасть в узкую зону. Международной организацией гражданской авиации установлены минимальные угловые размеры зоны действия системы ILS [3]: ± 35 в азимутальной плоскости для КРМ и примерно от 1 до 5,5 в угломестной плоскости для ГРМ.
Проблема обеспечения, с одной стороны, высокой точности задания траектории полета путем сужения ДН антенн и, с другой стороны, широких зон действия КРМ и ГРМ была решена в радиомаяках с двухчастотным режимом работы. При этом используется так называемый эффект захвата (capture effect). Технические предложения по построению двухчастотных радиомаяков были опубликованы в ряде работ, в частности в [4, 5].
Двухчастотный режим ILS предполагает формирование двух высокочастотных сигналов: основного – сигнала узкого канала (УК) и дополнительного – сигнала широкого канала (ШК). Задачей УК является формирование узких угловых зон: зоны курса в пределах ± 2 относительно оси ВПП и зоны глиссады в пределах ± 0,5 относительно угла глиссады. В этих зонах задается линейная зависимость между величиной навигационного параметра (РГМ) и угловым отклонением самолёта от заданной траектории. Широкий канал обеспечивает пилота информацией во всей остальной зоне действия, «указывая» направление «правильного» движения к траектории снижения. При этом несущая частота сигнала ШК смещена относительно частоты сигнала УК на величину не менее 5 кГц и не более 15 кГц для КРМ и не менее 4 кГц и не более 32 кГц для ГРМ.
Путем формирования ДН специальной формы добиваются существенного превышения уровня сигналов УК по сравнению с уровнем сигналов ШК в пределах узкой зоны в окрестности глиссады (± 2 в азимутальной плоскости и ± 0,5 в угломестной плоскости) и существенного превышения уровня сигналов ШК по сравнению с уровнем сигналов УК в пределах зоны наведения.
Диаграммы направленности антенны КРМ при наличии поперечного наклона подстилающей поверхности
Далее полагаем, что ДН антенны КРМ F((p,0) = Е (ц ,в). В соответствии с техническими требованиями норм ИКАО к ILS [3] глубина модуляции несущей высокой частоты сигналом 150 Гц преобладает справа (угол Ф 0), а глубина модуляции несущей тональным сигналом 90 Гц слева (угол Ф 0) для наблюдателя находящегося на ВПП и обращенного лицом к КРМ. Областям с преобладающей модуляцией сигналом 150 Гц поставлены в соответствие положительные величины разности глубин модуляции (РГМ), а областям с преобладающей модуляцией сигналом 90 Гц отрицательные величины РГМ (см. раздел 5.3.3, 5-ой главы) в соответствии с амплитудно-фазовым распределением (АФР) приведенным в таблице 1 (стр. 55) и определениями, представленными далее.
Сигналы «несущая частота плюс боковые частоты» (НБЧ) и «боковые частоты» (БЧ) узкого канала (УК) и широкого канала (ШК): U (Q ) = x(Q )cos[oyyKt + xVyK+xVl(Q )]-, (2.13 (Є,ф,0 = у(Є,ф,0со8[ш - +у2(Є,ф)]; (2.14 (Є,Ф ) = у(Є Ф 0СО8[юШ" + V" +v/3(e,q )]; (2.15 7(Є,Ф,0 = ЧЄ,Ф,0со8[шшк- +у4(Є,ф)]; (2.16 где + mcos(Q1?) + mcos(Q20] y(e,9,0 = F (e,9)-[mcos(Q1?)-mcos(Q20]; v(e,9,0 = Z FX(e )-[l + cos(Q10 + mcos(Q2?)]; w(e,9,0 = F67(e,9)-[mcos(Q1?)-mcos(Q20]; Ф - азимутальный угол; t - время; (2.17 (2.18 (2.19 (2.20 і (9,ф) - комплексная пространственная диаграмма направленности (ДН) антенны КРМ по сигналу НБЧ узкого канала, і (Є,ф) = /Ж(Є,ф) еіщ \ і (9,ф) - амплитудная ДН; щ (Є,ф)- фазовая ДН антенны КРМ по сигналу НБЧ УК; ці2 (Є,ф)- фазовая ДН антенны КРМ по сигналу БЧ УК; У3 (Є,ф)- фазовая ДН антенны КРМ по сигналу НБЧ ШК; ці4 (Є,ф)- фазовая ДН антенны КРМ по сигналу БЧ ШК; і (9,ф) - комплексная ДН антенны КРМ по сигналу БЧ узкого канала, І (0,Ф) = (Є,ф)еЛ, 2(0,ф); і (0,ф) - комплексная ДН антенны КРМ по сигналу НБЧ ШК; і (9,ф) - комплексная ДН антенны КРМ по сигналу БЧ ШК; х ук - угловая частота несущей сигнала УК; ціук- начальная фаза несущей частоты сигнала УК на входе антенны; х шк - угловая частота несущей сигнала ШК; цішк - начальная фаза несущей частоты сигнала ШК; т - глубина модуляции сигнала УК (ШК) на входе антенны; Q1 = 2:r/1, Q2 = 2T 2; /1 =90Гц, /2=150Гц; аук - коэффициент, равный отношению амплитуд напряжений сигналов с угловыми частотами Q1 и Q2 модуляции в каналах БЧ и НБЧ узкого канала на входе антенны (величиной коэффициента аук регулируют крутизну зоны УК); ашк - коэффициент, равный отношению амплитуд напряжений сигналов с угловыми частотами Q1 и Q2 в каналах БЧ и НБЧ широкого канала на входе антенны (величиной коэффициента ашк регулируют уровень РГМ в широкой зоне); b - коэффициент, равный соотношению амплитуды сигнала НБЧ ШК к амплитуде сигнала НБЧ УК на входе антенны.
Выберем в качестве опорной угловой частоты сигнала, получаемого в результате суммирования сигнала узкого и сигнала широкого каналов (ф, 1), частоту со0: со0 = . (2.21) 0 2 Введём обозначение со частоты, равной половине разности частот несущих частот широкого сошк и узкого х ук каналов: сош - аук со = . (2.22) Тогда сигнал U (Q,q ,t) на входе приёмника может быть представлен в следующем виде: и1 (е,ф,г) = с/ ч(е,ф,о+с/ (е,ф,о+с/ ч(0,ф,о + сС(0,ф,о = /Г +аук F6 (0 )-[/wcos(Q1r)-/wcos(Q2r)]cos((o)o-a)/, -v/ w+v/2(0 )) + +6 FH (0 )-[l + cos(Q1?) + cos(Q2?)]cos((coo + coi? + yM/K + y3(e,9)) + +ba F67(0 )K cos(n1r)-wcos(n2r)]cos((Qo+Q -\/ +\/4(0 )V (2.23) Преобразуем полученное выражение (2.23) к виду: (0,Ф,ґ) = (0,ф,ґ)со8(сооґ)-Л(0,ф,ґ)8т(сооґ). (2.24) Узкополосные сигналы представляют собой квазигармонические колебания. Функцию A(Q,y,t) принято называть синфазной амплитудой узкополосного сигнала (72:(0,ф,/1) при заданной опорной частоте со0, а функцию B(Q,y,t) - его квадратурной амплитудой. Модуль огибающей узкополосного сигнала выражается через синфазную и квадратурную амплитуды сигнала /Е(0,ф,ґ) на входе приёмника: (ф,ґ) = 2(Є,ф,0 + 52(Є,ф,0- (2.25)
Сигнал на выходе НЧ фильтра не будет содержать колебаний с разностной частотой 2оу. Обозначим амплитуду сигнала на выходе фильтра: (2.26) НЧ + + На выходе НЧ фильтра получим: Л2(Є,ф,ґ) + 2(Є,ф,ґ) = = х2(е,Ф,о + /(е,Ф,о + v2(e,9,o + w2(e,9,o + + +2х(Є,ф,0ХЄ,Ф,0со8(2 + Уі(Є,ф)-у2(Є,Ф)) +2 (Є, МЖЄ, М)с »(ч» " - V» - 2ш/ + Vl (в,Ф) - V3 (в,Ф)) + +2х(Є,Ф,0« (Є, р,0со8(ч/» + V» -2оу + ч»,(в,ф)-Ч»4(в,ф)) + +2 (Є,ф,Г)у(Є,ф,Г)со8(-ч/-"-Ч "" -2ш/ + Ч/2(Є,ф)-Ч/3(Є,ф)) +2 Є,Ф, МЄ,Ф,0с (-ч/ " + V" " 2 V + 4-2 (Є,Ф) - щ (Є,ф)) +2у(в,ф,ГМв,Ф,Оо(»(2чг" + чг,(в,ф)-Ч 4(в,ф)). В результате найдем РГМ: ,ф)-ш2(Є,ф). где ті(0,ф) =7т; »Мф) =)f; 1V У7 М0(Є,ф) ПУ7 М0(Є,ф) Амплитуда М,(ф) колебания с частотой 90 Гц равна: 1 пг М1(0,ф) = - (Є,ф,л)со83Л Л (2.27) (2.28) (2.29) -71 Аналогично получим, что амплитуда М2(ф) колебания с частотой 150 Гц и постоянная составляющая М0(ф) равны соответственно: 1 П М2(Є,ф) = - (Є,ф,л)со85Л л, (2.30) -71 1 Пг Мо(0,ф) = — Гс/(0,ф,л) л- (2.31)
Рассмотрим влияние поперечного наклона подстилающей поверхности на примере работы КРМ с 16-элементной линейной неэквидистантной антенной решёткой. Расстояние излучающих элементов (ИЭ) от центра антенной решётки, амплитудно-фазовое распределение (АФР) токов в излучающих элементах для сигналов НБЧ и БЧ узкого канала и широкого канала приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, амплитудно-фазовое распределение токов сигналов НБЧ УК и НБЧ ШК является чётной функцией координат излучающих элементов относительно центра АР, а распределение токов сигналов БЧ УК и БЧ ШК является нечётной функцией. Причём токи сигналов БЧ УК (БЧ ШК) сдвинуты по фазе относительно токов НБЧ УК (НБЧ ШК) на 90. Частота несущей равна 110 МГц. АР расположена на высоте 3 м относительно горизонтальной плоскости. При учёте наклона предположено, что плоскость с поперечным наклоном повёрнута на заданный угол относительно прямой, проходящей через точку О, являющуюся проекцией центра антенны на горизонтальную плоскость. Все расчёты выполнены для меридионального угла 9 = 87, и больших углов (в случае снижения точки наблюдения по глиссаде). Указанный угол выбран с учётом того, что стандартным углом для захода самолёта на посадку является угол глиссады, равный 3.
Точные значения для вычисления величины РГМ
При наличии небольшого поперечного наклона подстилающей поверхности изменяются уровни основных лепестков. Нулевой уровень между основными лепестками «заплывает». Сформированный в результате «заплывания» минимум ДН смещён относительно направления ф = 0. Смещены внутренние фронты основных лепестков ДН. Изменения в структуре бокового излучения разностной диаграммы направленности аналогичны изменениям структуры бокового излучения суммарной ДН.
При а 0 (а 0) уровень боковых лепестков в области отрицательных азимутальных углов увеличивается (уменьшается); причём, чем большее
Амплитудные диаграммы направленности антенны КРМ по сигналу БЧ УК (Продолжение) уклонение от направления ф = 0, тем на большую величину увеличивается (уменьшается) уровень бокового излучения. В области положительных азимутальных углов уровень боковых лепестков напротив уменьшается примерно на те же величины, на которые увеличивается уровень боковых лепестков в отрицательной области при соответствующих уклонениях.
При а 0 поведение уровня боковых лепестков в зависимости от азимутальных углов меняется на противоположное.
Фазовые ДН антенны КРМ для сигнала БЧ УК, представленные на рис. 16, при а = 0, так же как и фазовые ДН антенны КРМ для сигнала НБЧ УК, имеют вид ступенчатой функции.
В пределах каждого лепестка фаза имеет одно и то же значение. В левом главном лепестке фаза равна плюс 90, в правом главном лепестке фаза равна минус 90. В результате в пределах правого главного лепестка разностной ДН величины фазовых ДН сигналов НБЧ и БЧ i и \/2 равны друг другу, а в пределах левого главного лепестка величины фазовых ДН сигналов НБЧ и БЧ отличаются друг от друга на 180. Таким образом, при наличии 90-го сдвига сигналов НБЧ и БЧ на входе антенны в пространстве в области правого главного лепестка разностной ДН сигналы НБЧ и БЧ УК синфазны, а в области левого главного лепестка - противофазны.
При переходе из главного лепестка в боковой лепесток и из одного бокового лепестка в другой боковой лепесток амплитудной ДН БЧ УК фаза скачком изменяется на 180. Скачок фазы величиной 180 наблюдается при ф = 0, при переходе из одного главного лепестка в другой главный лепесток.
При а 0 переход из одного главного лепестка в другой главный лепесток сопровождается резким всплеском фазы и её скачком на величину, большую 180. В области отрицательных азимутальных углов переход из четного лепестка в нечётный лепесток осуществляется скачкообразно с величиной скачка более 180,
Фазовые диаграммы направленности антенны КРМ по сигналу БЧ УК Рисунок 16 – Фазовые диаграммы направленности антенны КРМ по сигналу БЧ УК (Продолжение) а переход из нечётного лепестка в чётный происходит плавным образом. Угол ф, при котором происходит переход из одного главного лепестка в другой главный лепесток, с ростом смещается в область отрицательных значений.
При а 0 переход из одного главного лепестка в другой главный лепесток происходит плавным образом. Характер поведения фазовых ДН при отрицательных значениях угла а противоположен характеру поведения ДН при положительных значениях а. Переход из нечетного лепестка в чётный лепесток осуществляется скачкообразно, с величиной скачка более 180, а переход из чётного лепестка в нечётный происходит плавным образом. Угол ф, при котором происходит переход из одного главного лепестка в другой главный лепесток, с ростом смещается в область положительных значений.
Амплитудная ДН НБЧ ШК і (Є,ф) (рис. 17) является ДН разностного типа, имеет форму пьедестала с углублением до нулевого уровня при ф = 0. При а = 0 амплитудная ДН имеет симметричный вид. При наличии поперечного наклона симметрия ДН нарушается.
При а 0 высота левой половины пьедестала увеличивается по сравнению с исходным значением (при а = 0), а высота правой половины - уменьшается. Точка минимума углубления смещается на некоторую величину в направлении отрицательных значений азимутального угла.
Преобразование интеграла Макдональда
Рассмотрим влияние поперечного наклона местности на примере работы КРМ с 16-элементной линейной неэквидистантной антенной решёткой. Расстояние излучающих элементов от центра антенной решётки, аплитудно-фазовое распределение токов в излучающих элементах для сигналов НБЧ и БЧ узкого и широкого каналов приведены в таблице 1 (стр. 55).
Как было отмечено, распределения токов сигналов НБЧ УК и НБЧ ШК являются чётными функциями координат излучающих элементов относительно центра АР, а распределения токов сигналов БЧ УК и БЧ ШК являются нечётными функциями. Причём токи сигналов БЧ УК (БЧ ШК) сдвинуты по фазе относительно токов НБЧ УК (НБЧ ШК) на 90. Сдвиг по фазе выполнен таким образом, чтобы выполнялось требование п. 3.1.3.1.2 [3]: «для наблюдателя, обращённого лицом к КРМ и находящемуся на пороге ВПП со стороны захода на посадку, глубина модуляции несущей высокой частоты тональным сигналом 150 Гц преобладает справа, а глубина модуляции несущей тональным сигналом 90 Гц - слева от него» (таблица 1). Частота несущей равна 110 МГц. АР размещена на высоте 3 м относительно горизонтальной плоскости. При учёте наклона, предположено, что плоскости с поперечным наклоном повёрнуты на заданный угол а относительно прямой, проходящей через точку, являющейся проекцией центра антенны на горизонтальную плоскость. Все расчёты выполнены для меридионального угла 9 = 87. Указанный угол выбран с учётом того, что стандартным углом для захода самолёта на посадку по глиссаде является угол глиссады, равный 3.
Амплитудные и фазовые ДН антенны КРМ і (е»ф) , Г(е ф), Х(е ф) F67(6,q ) и (Є,ф), У/2(0,ф), У/3(9,ф), У/4(Є,ф) рассмотрены во второй главе [33]. Из анализа формул (3.19) - (3.21) следует, что РГМ в узком канале может принимать значение, равное нулю (и таким образом определится положение линии курса) при \\jyK = 0, в следующих двух случаях: в первом случае, когда амплитудная диаграмма направленности і (0,ф) имеет значение, равное нулю и во втором случае, когда разность фаз сигнала НБЧ и сигнала БЧ равна Д\/1 2 (9, ф) = щ (9, ф) - у2 (Э, ф) = 90, 90 +180. Аналогичное замечание справедливо в отношении зависимости РГМ в широком канале. Ниже рассмотрим поведение Д\/1 2(0, ф) = \/1(0, ф)-\/2(0, ф) и поведение функции Аі/3 4(Є, ф) = 1/3(0, ф)-\/4(Є, ф), а затем перейдём к рассмотрению поведения функции РГМ.
Рассмотрим зависимость разности фаз А\/1 2 сигнала НБЧ УК и сигнала БЧ УК от азимутального угла при фиксированном меридиональном угле 0 = 87, Ау12(87, Ф) = 1/1(87, ф)-у2(87, Ф). Ограничимся рассмотрением упомянутой зависимости в некоторой окрестности точки ф = 0.
Графики зависимости А\/12 для некоторых значений угла поперечного наклона плоскости приведены на рис. 24. Как видно из рассмотрения графиков на рис. 24, в случае горизонтальной ориентации плоскости функция Ау12(87, ф)в рассматриваемой области представляет собой разрывную ступенчатую функцию, принимающую значение, равное минус 180, при отрицательных значениях переменной ф и значение, равное 0, при положительных значениях переменной ф. При а 0 (рис. 24) функция А\/1,2 достигает значения, равного плюс 90 (минус 270), при некотором отрицательном азимутальном угле Аф. С ростом величины угла а растёт абсолютная величина угла Аф. При а 0 (рис. 24) функция А\/1,2 достигает значения, равного минус 90 (плюс 270), при некотором положительном азимутальном угле Аф. С ростом абсолютной величины угла а растёт величина угла Аф.
В пределах главных лепестков разностной ДН УК зависимость РГМ от азимутального угла (рис. 24, а) изменяется монотонно в пределах от минус 0,4 до плюс 0,4. Поперечный наклон подстилающей поверхности приводит к смещению графика зависимости практически параллельно самому себе (рис. 24, б). При этом при положительных значениях угла наклона график смещается в направлении отрицательных значений азимутального угла, а при отрицательных смещается в направлении положительных значений азимутального угла. Как видно из графиков на рис. 24, б, поперечный наклон поверхности величиной плюс 2 (минус 2) приводит к смещению РГМ = 0 на величину 0,1.
За пределами сектора углов главных лепестков рассматриваемая зависимость имеет осциллирующий характер, изменяясь в пределах от минус 0,4 до плюс 0,4. Детальное рассмотрение поведения РГМ в этих областях не представляет интереса, поскольку при двухчастотной работе радиомаяка решающее значение за пределами сектора углов главных лепестков имеют сигналы широкого канала.
Зависимость РГМ от азимутального угла по сигналу УК 3.6.2 Зависимость разности фазы сигнала НБЧ ШК и фазы сигнала БЧ ШК от азимутального угла при фиксированном меридиональном угле
Как видно из рассмотрения графиков на рис. 25 в случае горизонтальной ориентации плоскости функция Ay3j4(87, Ф) в рассматриваемой области представляет собой разрывную ступенчатую функцию, принимающую значение, равное 180, при отрицательных значениях переменной ф и значение, равное 0, при положительных значениях переменной ф . При а 0 (рис. 25) функция АщА достигает значение, равное плюс 90, при некотором отрицательном азимутальном угле Аф. С ростом величины угла а растёт абсолютная величина угла Аф. Приа 0 (рис. 25) функция АщА достигает значение, равное плюс 270 Рисунок 25 - Зависимость разности фаз Ay3j4 от азимутального угла ф по сигналу ШК (минус 90), при некотором положительном азимутальном угле Аф. С ростом абсолютной величины угла а растёт величина угла Аф.