Видео в конце...
Всем привет! В одном из прошлых выпусков мы рассмотрели одну из самых первых систем навигации, основанную на передаче сигнала приводным радиомаяком. Со временем недостатки технических решений этой технологии все сильнее давали о себе знать. В первую очередь это погрешность определения направления на источник радиосигнала, вызванная особенностями распространения длинных и средних волн. При приеме сигнала на большом удалении радиоволны приходят с нескольких направлений, потому что успевают отразиться от поверхности земли, воды и от ионосферы планеты.
Еще одним неудобством навигации при помощи ненаправленных радиомаяков является не заложенная при разработке возможность определения расстояния до маяка, а это очень важно как минимум для того чтобы определить момент начала снижения с высоты для захода на посадку в аэропорт.
В чем преимущество технологии?
В этом выпуске мы рассмотрим чуть более современную систему навигации воздушных судов. Сложно говорить о современности системы родом из 40-х и 50-х годов, но она все еще актуальна по сей день. Назовем имя героини, это VOR. С английской аббревиатуры это ультравысокочастотный всенаправленный маяк (VHF Omni Range).
Эта система представляет собой всенаправленный азимутальный маяк, чаще всего совмещенный с дальномерным маяком. Проведенная работа над прошлыми ошибками привела к использованию совсем другого диапазона радиоволн. Эти волны распространяются в пределах прямой видимости, по крайней мере их способности огибать рельеф планеты очень далеки от способностей длинных и средних волн. Еще одной особенностью системы навигации является использование формы сигналов, чего до этого еще не делалось.
Вращающаяся диаграмма направленности
Внешний вид антенны радиомаяка такого типа довольно экзотический.
Такая конструкция предназначена для формирования специфической диаграммы направленности. Несмотря на то, что маяк называется всенаправленным, это только отчасти так. Одна из антенн является всенаправленной, а вторая представляет собой антенную решетку для формирования широкого лепестка излучения в одну сторону. Кроме того, эта технология предусматривает вращение этого лепестка по окружности. Для понимания как это происходит рекомендуется посмотреть выпуск про антенные решетки.
В основу работы технологии заложено вращение лепестка излучения и изменение параметра сигнала всенаправленной антенный строго в соответствии с вращением лепестка. Другими словами, самолет пролетающий на севере от маяка будет принимать сигнал отличающийся от сигнала, принимаемого самолетом, пролетающем к востоку от маяка.
Ровно на этом отличии базируется определение приемником азимута на источник сигнала.
Электронным способом лепесток излучения вращается со скоростью 30 оборотов в секунду. Приемник такого сигнала, находящийся на удалении наблюдает постоянно меняющуюся амплитуду несущей частоты. Как мы помним из выпуска про амплитудную модуляцию, это вызывает появление верхней и нижней боковой частоты относительно центральной несущей.
Частотная модуляция поднесущей
Переходим к следующей особенности. Несущая частота по настоящему модулируется гармоническим сигналом с частотой 9960 герц, причем частота эта не постоянна, а меняется ровно в такт со вращением направленного лепестка. Когда лепесток направлен на север, к частоте 9960 добавляется 480 герц. По достижению направления на восток добавочная частота по гармоническому закону снижается до нуля герц. Таким образом, при направлении лепестка на восток частота моделирующей гармоники составляет ровно 9960 герц.
При достижении лепестком направления на юг происходит снижение частоты модулирующей гармоники на 480 герц. Далее, при следовании лепестка на север происходит увеличение частоты модулирующей гармоники до 9960+480 герц. Если выпуск про амплитудную и частотную модуляцию был просмотрен внимательно, то становится понятным, почему в спектре сигнала маяка появляются боковые полосы, которые к тому же еще и частотно модулированы с девиацией 480 герц.
Давайте закрепим теорию. Самолет находится на северо-западе от маяка. Ровно в тот момент, как приходит максимальное излучение лепестка приемник должен оценить частоту модулирующей гармоники. В данном случае она будет примерно 9960+220 герц, так как наступает последняя восьмая часть периода гармоники.
Речевой канал
Как и раньше в возможности маяка встроена передача буквенного кода маяка азбукой Морзе. К уже довольно сложной смеси гармонических сигналов добавляется еще одна поднесущая с амплитудной модуляцией, имеющая боковые полосы. Примерно раз в 20 секунд на этой частоте можно услышать точки и тире. Еще эти частоты могут быть использованы для передачи речевой информации. Такая возможность явно не лишняя.
Функция измерения расстояния
Осталось обсудить такой момент, как функция измерения расстояния до маяка. И тут ничего сверхъестественного не будет. Не все маяки обладают такой функцией, она обеспечивается лишь установкой дополнительного оборудования. В это оборудование входит еще одна приемная и передающая антенна, приемник, передатчик и вычислитель.
Суть измерения расстояния в измерении времени задержки отправленного на маяк сигнала специальной формы.
Приемник маяка регистрирует сигнал, задерживает его на 50 микросекунд и отправляет обратно на другой частоте. Приемник, расположенный на самолете регистрирует обратно полученный сигнал и приступает к расчету. Из общего времени задержки вычитается 50 микросекунд, результат умножается на скорость света и делится пополам. Это учитывается время хода сигнала в обе стороны.
Необходимо учесть, что получившаяся дистанция является наклонной. На больших удалениях она примерно равна удалению самолета от маяка по карте, но вблизи пилот должен учитывать еще и свою собственную высоту над маяком.
Точность определения дистанции составляет одна десятая морской мили или 185 метров. Для задач навигации вполне хорошая.
Необходимо отметить, что этой системой могут одновременно пользоваться несколько самолетов. Дальномерный маяк может предоставлять информацию о расстоянии до 100 самолетов одновременно. Выше этого предела он вынужден избегать перегрузки за счет ограничения чувствительности приемника. Ответы на более слабые запросы игнорируются.
Выводы
Что получается в итоге? Благодаря азимутальному и дальномерному маяку пилот получает свое местоположение в полярных координатах относительно маяков. Это выглядит как направление в градусах и дистанция в милях. В отечественных самолетах, разумеется, вычислитель может осуществить перевод из миль в километры.
На этом небольшой обзор окончен, подписывайтесь на канал и ставьте лайки. До новых встреч.
