Всем привет! Не так давно запущена серия статей, посвященная широко используемым радиосигналам. Задачей вычислительной техники, к том числе, является обработка этих самых сигналов. На примере радио, телевизионных, навигационных и других сигналов можно довольно интересно, приятно и полезно освоиться с вопросами проектирования этих самых вычислителей на современной элементной базе.
На этот раз будет небольшой обзор ненаправленных радиомаяков. Это один из первых способов навигации после многовековой нещадной эксплуатации небесных светил. С изобретением радио у штурманов воздушных судов появилось чуть больше способов поиска дороги домой. Независимо от того, моряк или летчик, довольно востребованным инструментом штурмана являлся секстант. Устройство, позволяющее измерить угол подъема далекой или близкой звезды над горизонтом. Совместно с точным хронометром это давало возможность вычислить широту и долготу воздушного судна.
На винтажных самолетах обзорная штурманская площадка накрыта прозрачной полусферой.
Монополия секстанта окончена
Итак, на службу заступили радиомаяки и приемники их сигналов, находящиеся на воздушных судах. Немного вступительных слов о них прозвучало в одной из прошлых статей. Идея такого способа навигации довольно проста. Около аэродромов или в ключевых точках маршрутов самолетов устанавливается всенаправленный излучатель радиоволн. В эти точки необходимо приводить самолеты.
Приемное устройство, установленное на воздушном судне, использует антенну, способную принимать сигналы не со всех направлений. Вращаясь и тем самым изменяя уровень сигнала на входе приемника, такая антенна показывает направление на радиомаяк.
По сугубо техническим соображениям инженеры выбрали длинные (30-300 кГц) и средние (300 - 3000 кГц) волны. Известно, что волны именно с такой частотой способны распространяться между поверхностью Земли и ее ионосферой как в некотором волноводе. Будучи заключенными в такую щель между двумя токопроводящими стенками, радиоволны рассеивают свою мощность не так уж охотно. Прием такого сигнала на расстоянии пары сотен километров летчикам вполне достаточно.
Как устроен приемник?
То что антенна приемника обладает определенными направленными свойствами (не со всех сторон одинаково принимает) еще ничего не означает. Настоящих инженеров такое объяснение работы приемника не удовлетворяет. Совершенно определенно, что к 21 веку мы избавились от необходимости вручную вращать антенну в поисках максимума сигнала. Такой способ нахождения направления на источник сигнала остался лишь у спортсменов, занимающихся спортивным ориентированием.
Более технологичный способ это использование сервомотора. Почти также, как вручную, но все же руки свободны. Поворот антенны приводит к некоторому результату, который является сигналом для системы автоматического управления. Система будет подстраивать положение антенны до тех пор, пока не достигнет цели управления. Более подробно об автоматических системах управления было сказано ранее во вводных статьях. Одновременно с вращением сервомотора с антенной происходит вращение сервомотора индикатора на приборной панели.
Напоминаю, что 21 век давно уже наступил и даже немалую (~20%) часть его уже пропустили незамеченной. В этом столетии при всех достижениях радиоэлектроники недопустимо пользоваться тем, что имеет ограниченный срок годности, требует смазки или еще как-то доставляет неудобства. Поворот диаграммы направленности антенной системы достигается электронным способом. Даже не будем сюда тянуть теорию построения антенных решеток, это излишне. О них было рассказано в этом видео:
Для решения нашей довольно простой задачи подойдут две перпендикулярно расположенные рамочные антенны. У одной из них прием ведется с продольного направления полета, у другой с поперечного. Сигналы с этих антенн должны быть усилены и отфильтрованы. В радиоэфире присутствует слишком много помех на близких частотах и все они должны быть безжалостно отсечены.
Каждый очищенный сигнал антенн снабжается своим усилителем с переменным коэффициентом усиления. Эти коэффициенты подбираются вычислителем таким образом, чтобы обеспечивать необходимый уровень сигнала.
Между собой коэффициенты зависимы как синус и косинус одного аргумента.
Таким образом, вычислитель организовывает алгоритм системы управления с обратной связью. Целью управления является необходимый уровень сигнала, что достигается изменением коэффициентов усиления сигналов с рамочных антенн. Аргументом синуса и косинуса и является искомый угол - направление на источник сигнала.
Несмотря на нелюбовь пилотов к стеклянным приборам, они все активнее заменяют стрелочные. На одном экране можно увидеть десяток различных показателей в удобном виде, в том числе и индикатор радиокомпаса. А раз уж используется бортовой компьютер, то и монитор найдется.
Недостатки радиомаяков
Как бы современно не выглядели стеклянные приборы, они не изменят главного. Основа работы системы радионавигации на средних волнах - это и есть эти самые радиоволны. Как уже было ранее сказано,
средние волны распространяются в природном волноводе между Землей и ее ионосферой. Изменение параметров одной из поверхности волновода приводит к искривлению трассы распространения радиоволны.
Ионосфера в дневное время под воздействием "солнечного ветра" опускается ниже, в ночное время поднимается обратно вверх. Пролетая вблизи береговой линии, радионавигационный приемник получает отраженные волны от почвы и воды, что приводит к весьма ощутимым отклонениям стрелки индикатора от истинного направления на маяк.
Еще одним недостатком такого способа навигации является не заложенная с самого начала возможность измерения расстояний до маяка. Конечно, опытный штурман по двум маякам, линейке и карте может решить задачу с треугольником и узнать свое местоположение, но посмотрите записи полетов из кабины, в экипажах давно уже нет штурманов и на такие фокусы у двух оставшихся пилотов совершенно нет времени.
В систему управления с обратной связью попадают посторонние сигналы и шумы. Как только их частотные составляющие совпадают с частотой маяка, то это непременно скажется на колебаниях стрелки индикатора. Как показывает практика, стрелка постоянно колеблется вблизи верного направления, так что показания воспринимаются с некоторой погрешностью.
Скорее всего, как человек не летающий, я упустил множество недостатков радиомаяков. Комментарии внизу и придуманы для восстановления справедливости, пишите)
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.
