systemy radionaw 1 2015

Systemy radionawigacyjne kątowe i odległościowo - kątowe.
Radionamierniki VHF.
Radionamiernik VHF (VHF Direction Finder - VHF DF lub VDF) jest urządzeniem
naziemnym, którego zadaniem jest określenie kąta między północnym kierunkiem lokalnego
południka magnetycznego a linią namiaru statku powietrznego. Rolę pokładowej części
systemu pełni radiostacja komunikacyjna samolotu, która w czasie namierzania musi być
przełączona na nadawanie.
Ponieważ do pełnego określenia pozycji samolotu potrzeba minimum dwóch linii
namiaru, radionamierniki VHF pracują sprzężone po dwa lub więcej, ze wspólnym
urządzeniem wskaźnikowym. Często wskaźnik jest rozbudowanym urządzeniem,
wyświetlającym linie namiaru na mapie. Na lotniskach wojskowych często stosuje się
wyświetlanie linii namiaru VHF na ekranie wskaźnika radiolokacyjnego typu P.
Do radionamierzania przeznaczona jest częstotliwość 130 MHz, ale niektóre lotniska
sportowe (w Polsce np. Krosno) używają częstotliwości 122.7 MHz. Warto wiedzieć że
transmisja radiowa służąca radionamierzaniu ma bardzo wysoki priorytet - jest trzecia po
sygnałach o niebezpieczeństwie (MAYDAY) i depeszach dotyczących zdrowia i życia osób
(PAN PAN).
Dokładność typowych radionamierników VHF wynosi ±2°, z tym że jest ona w dużym
stopniu zależna od lokalizacji - w zakresie VHF rzeźba terenu może mieć duży wpływ na
propagację fal radiowych.
Wadą radionamierników VHF jest nieciągłość pomiaru. Najszybsze układy radionamierników
dokonują pomiaru w ciągu 2 do 3 sekund. Zaletą jest możliwość korzystania z namiarów
przez każdy statek powietrzny dysponujący radiostacją komunikacyjną VHF.
Dawne radionamierniki były zbudowane z odbiornika radiowego i obracanej ręcznie
lub mechanicznie anteny kierunkowej. W urządzeniach z ręcznym napędem anteny rolę
wskaźnika pełniła wskazówka sztywno umocowana do masztu. Obecnie spotyka sie prawie
1
wyłącznie wielokanałowe radionamierniki z antenami fazowanymi. Mają one nieruchome
zespoły anten, gdzie pary anten poszczególnych kanałów są umieszczone naprzeciwlegle na
obwodzie koła. Na środku umieszcza się pojedyńczą antenę, z której jest brany sygnał
uruchamiający pomiar (ktoś nadaje czy nie). Namiar na samolot jest wyznaczany na
podstawie różnicy faz sygnału odbieranego przez poszczególne anteny.
Radiolatarnie bezkierunkowe NDB i radiokompasy.
Naziemne radiolatarnie NDB (Non-directional Beacon) i odbiorniki, znajdujące się
na pokładzie statku powietrznego (radiokompasy albo ADF- Automatic Direction Finders)
tworzą razem jeden z najstarszych systemów radionawigacyjnych. Jego prekursorami były
ręcznie obracane radionamierniki pokładowe do namierzania średniofalowych stacji
radiofonicznych i nielicznych nawigacyjnych.
Radiolatarnia NDB jest naziemnym nadajnikiem bezkierunkowym pracującym w
zakresie falach średnich. Załącznik 10 ICAO (punkt 3.4.4.1.) stanowi, że częstotliwości
przydzielone radiolatarniom NDB będą wybierane z zakresu częstotliwości 190 - 1750 kHz.
Fala nośna radiolatarni jest zmodulowana amplitudowo emisją A2A, przy głębokości
modulacji do 95% . Sygnał nadawany przez radiolatarnię NDB zawiera znak rozpoznawczy
w postaci trzech znaków alfabetu Morse'a, powtarzanym co około 30 sekund. Znaki Morse'a
są nadawane tonem 1020 Hz (w starszych radiolatarniach także 400 Hz). Przerwa między
znakami ma 600 ms.
W uzasadnionych przypadkach, np. okolicach o dużym poziomie zakłóceń,
dopuszczalne jest stosowanie radiolatarni z kluczowaniem fali nośnej (emisja A1A – „BFO
required”).
Oznaczenie NDB na typowej mapie en route.
Zasięg sygnałów NDB zależy od mocy nadajnika i pory doby. Dla radiolatarni o mocy
100 W zasięg w dzień wynosi około 350 km, w nocy około 50% więcej ze względu na lepsze
warunki propagacyjne fal średnich.
Przestrzenna charakterystyka nadawania NDB ma kształt płaskiej kopuły. Bezpośrednio nad
radiolatarnią wskazania systemu są zmienne i niestabilne. Obszar ten nazywa się stożkiem
niejednoznaczności wskazań lub stożkiem martwym. W typowych radiolatarniach kąt
wierzchołkowy stożka wynosi około 45 stopni.
Odbiornik pokładowy systemu NDB, czyli radiokompas, po dostrojeniu do
częstotliwości radiolatarni wskazuje kąt kursowy na radiolatarnię NDB z dokładnością +-
6.9°. Zakres częstotliwości odbiornika wynosi zwykle 150 do 1800 kHz - jest rozszerzony w
stosunku do typowego zakresu NDB dla zachowania możliwości namierzania publicznych
radiostacji średniofalowych.
2
Radiokompas określa kierunek na radiolatarnię przy pomocy dwóch anten: anteny
bezkierunkowej (odbiór sygnałów nie zależy od kierunku) oraz kierunkowej anteny ramowej.
Antena ramowa jest obracana do momentu, gdy odbierany przez nią sygnał osiągnie
minimum w stosunku do stałego sygnału anteny bezkierunkowej.
W nowszych konstrukcjach stosuje się kierunkowe anteny fazowane, nie wymagające
mechanicznego obracania.
KM - Kurs magnetyczny, czyli kąt między południkiem magnetycznym a osią samolotu.
KKR - Kąt kursowy radiolatarni
QDM - Radionamiar na radiolatarnię, czyli kąt między południkiem magnetycznym samolotu
a kierunkiem rzeczywistym na radiolatarnię (tzw. kurs do mamy).
QDR - Radial czyli kąt między południkiem magnetycznym samolotu a kierunkiem
rzeczywistym od radiolatarni.
delta R - Radiodewiacja.
OARK - Odczyt radiokompasu.
Wskaźnik radiokompasu jest elektrycznie sprzężony z obrotem anteny ramowej.
Najprostszy wskaźnik radiokompasu, RBI (Radio Bearing Indicator) ma skalę 360 stopni z
zerem wskazującym oś samolotu. Podaje on jedynie kąt kursowy radiolatarni.
Częściej stosowany wskaźnik RMI (Radio Magnetic Indicator) ma ruchomą skalę
kątową, sprzężoną z żyrokompasem lub busolą odległościową. Taki przyrząd nazywa się
wskaźnikiem żyromagnetycznym i umożliwia określenie kąta kursowego radiolatarni,
radionamiaru i radialu (namiaru od radiolatarni). Dodatkowy przestawialny znacznik przydaje
się przy lotach z bocznym wiatrem do zaznaczenia poprawki kursu. Na pokładach samolotów
komunikacyjnych montuje się dwa niezależne zestawy radiokompasów. Często mają one
wspólny wskaźnik RMI z dwoma strzałkami.
System NDB ma relatywnie duży zasięg, ale słabą dokładność. Ponadto zarówno
zasięg, jak i dokładność, zmieniają się w ciągu doby. Obecnie radiolatarnie NDB są
wycofywane z użytku w ruchu kontrolowanym. Radiolatarnie NDB i radiokompasy są proste i
relatywnie tanie w eksploatacji, a poza tym wiele starszych samolotów lekkich posiada
radiokompasy jako jedyne wyposażenie radionawigacyjne, więc system jest nadal szeroko
stosowany na mniejszych lotniskach, w GA i w lotnictwie wojskowym.
Radiolatarnie ogólnokierunkowe VOR.
System VOR (VHF Omnidirectional Range) jest najszerzej stosowanym kątowym
systemem radionawigacyjnym. Z racji popularności był nazywany po prostu systemem
nawigacyjnym – NAV. VOR jest bardziej uniwersalny i znacznie dokładniejszy od NDB
(dopuszczalny błąd +-2,5 stopnia, dokładność prowadzenia po linii drogi ±5.2°).
3
Oznaczenie pomocy nawigacyjnej VOR
W sygnale VOR jest zawarta informacja azymutalna, która zostaje odczytana i
zobrazowana przez pokładową (odbiorczą) część systemu w postaci:
- namiaru SP od radiolatarni względem kierunku północy magnetycznej,
- osiągnięcia żądanego namiaru do lub od radiolatarni VOR,
- sygnału minięcia radiolatarni przez statek powietrzny,
- dźwiękowego sygnału rozpoznawczego radiolatarni (trzy znaki alfabetu Morse’a).
Kierunek północy magnetycznej należy rozumieć jako północny kierunek lokalnego południka
przechodzącego przez statek powietrzny względnie radiolatarnię.
Sygnał rozpoznawczy może być także sygnałem radiotelefonicznym z emisją A3E. W
USA często tą drogą emituje się informację meteo lub kanał nadawczy małych lotnisk.
Typowe urządzenie pokładowe VOR ma dwa wskaźniki. Pierwszy, ogólnokierunkowy
(OBI-Omni - Bearing Indicator) ze skalą 360 stopni, wskazujący kierunek od radiolatarni
(radial VOR) albo do radiolatarni (namiar), w zależności od ustawienia przełącznika „Od-Do”.
Drugi, precyzyjny wskaźnik krzyżowy (TDI - Track Deviation Indicator, albo CDI - Cross
Deviation Indicator), dokładnie wskazujący odchylenie aktualnego namiaru do lub od VOR od
namiaru, wybranego selektorem namiaru (OBS - Omni - Bearing Selector).
Wskazania TDI przy ustawieniu selektora na namiar 0 stopni (do radiolatarni).
Wykorzystanie selektora namiaru i TDI do określania momentu minięcia określonego
radialu. Radialowi 60 stopni od pomocy nawigacyjnej (FROM) odpowiada namiar 240 stopni
do pomocy (TO).
Na rysunku strzałka wskaźnika symbolizuje wyznaczany kierunek. Spotyka sie także
4
konwencję przeciwną, tzw. wskaźnik dyrektywny, w którym kierunek OBS symbolizuje zero
skali.
Często spotykane wskażniki HSI (Horizontal Situation Indicator) i EHSI (Electronic
HSI) są połączeniem OBI i CDI z żyrokompasem.
Informacja o azymucie jest wyznaczana na podstawie porównania faz składowych
sygnału radiolatarni VOR: fazy stałej, nadawanej dookólnie, zupełnie jak NDB, i ruchomej
fazy zmiennej. Faza stała sygnału VOR, nazywana fazą odniesienia, rozchodzi się
równomiernie dookoła anteny nadawczej. Faza ta jest zmodulowana amplitudowo tonem 30
Hz, czyli maksymalny poziom sygnał odniesienia osiąga 30 razy na sekundę. Faza zmienna
jest wąską wiązką radiową, obracaną dookoła radiolatarni 30 razy na sekundę. Moment w
którym wiązka fazy zmiennej wskazuje północ magnetyczną przypada na maksimum sygnału
fazy stałej.
Radiolatarnie VOR pracuje na częstotliwościach 111,950 do 117,950 i 108 – 111,900 MHz
(jeśli są dostępne). Odstęp między kanałami VOR wynosi 50 kHz.
Moc wyjściowa radiolatarni VOR wynosi od 100 do 200 W. W Europie jest ze względu na
gęstą sieć dróg lotniczych najczęściej stosuje się nadajniki stuwatowe.
Ze względu na niezawodność, prostotę i rozpowszechnienie na całym świecie, VOR
jest nadal podstawowym radionawigacyjnym systemem kątowym dla nawigacji średnio i
krótkodystansowej. Wadą klasycznego systemu VOR jest podatność na błąd terenowy,
którego głównym źródłem jest wpływ rzeźby terenu i sąsiedztwo większych obiektów na
rozchodzenie się fal radiowych. Teren pod radiolatarnię musi być wyrównany w promieniu
300 m, a w promieniu kilometra nie powinno być obiektów sztucznych ani naturalnych o
wysokości kątowej większej niż 2 stopnie.
Nieco odmiennym urządzeniem jest tzw. D-VOR (Doppler VOR - VOR dopplerowski),
w dużym stopniu odporny na wpływ przeszkód terenowych. Pomimo odmiennej zasady
pracy radiolatarni jest całkowicie kompatybilny z klasycznymi odbiornikami.
Radiolatarnie VOR o mocy zmniejszonej do 50 W, tak zwane T-VOR (Terminal VOR)
są przeznaczone do instalowania na obszarach dużego zagęszczenia pomocy
radionawigacyjnych, np. w okolicy portów lotniczych.
Spotyka się także radiolatarnie VOR różnicowane pod względem charakterystyki
antenowej. Są to radiolatarnie trasowe dla nawigacji na dużych wysokościach H-VOR (High
Altitude VOR) i radiolatarnie dla małych wysokości lotu L-VOR (Low Altitude VOR).
5
Należy też wspomnieć o radiolatarniach testowych VOT (VHF Omnidirectional Test
facility), służących do naziemnej kontroli i kalibracji pokładowych zestawów VOR. Nadają
one symulowany sygnał VOR, odpowiadający określonemu namiarowi (najczęściej 90
stopni), niezależnie od położenia samolotu względem urządzenia.
VOT mają one moc wyjściową nie większą niż 5 W. Pracują na częstotliwościach 108.0 i
108.05 MHz, wybieranych w zależności od częstotliwości roboczej okolicznych radiolatarni
nawigacyjnych (w celu uniknięcia interferencji).
DME i VOR/DME.
System pomiaru odległości DME (Distance Measuring Equipment) pracuje na
zasadzie odzewowej, co oznacza że obie jego części - pokładowa i naziemna są
urządzeniami nadawczo-odbiorczymi. Pomiar jest inicjowany przez zestaw pokładowy, który
wysyła pary impulsów radiowych, nazywanych zapytaniem, do zestawu naziemnego.
Urządzenie naziemne odbiera je i identyfikuje, po czym wysyła odpowiedź. Od pojedyńczego
urządzenie naziemnego wymaga się obsługi zapytań z ponad 100 urządzeń pokładowych.
Aby wszystkie naziemne stacje DME, niezależnie od producenta i technologii wykonania,
były sobie równe, czas od odebrania zapytania do wysłania odpowiedzi wyrównuje się do 50
mikrosekund.
Pomiar odległości w urządzeniu pokładowym odbywa się na podstawie zliczenia
czasu od wysłania impulsów zapytania do otrzymania odpowiedzi. Po włączeniu urządzenie
przez około 20 sekund poszukuje sygnału zestawu naziemnego. W tym czasie wysyła
zapytania z mniejszą niż normalnie częstotliwością i sprawdza odebrane pary impulsów.
Każdy zestaw pokładowy DME charakteryzuje się odmiennym odstępem między
impulsami zapytującymi oraz innym tempem wysyłania zapytań, dzięki czemu jest w stanie
odróżnić odpowiedź na swoje zapytanie od innych. Po uzyskaniu zadowalającej
powtarzalności pomiarów zestaw pokładowy przechodzi do normalnej pracy i zaczyna
wyświetlać odległości na wskaźniku.
Należy pamiętać, że DME podaje odległość nachyloną, tzn. odczyt zależy od
wysokości lotu. Urządzenia DME, współpracujące z zintegrowanym systemem nawigacyjnym
FMS (Flight Management System) są korygowane według wysokościomierza kodującego i
podają odległość bez odchyłki.
Dokładność systemu wynosi 3% mierzonej odległości, lecz nie więcej niż 900m. Moc
nadajnika naziemnego wynosi typowo 1000 W, pokładowego przeważnie 25 W.
Zakres częstotliwości pracy wynosi od 960 do 1215 MHz z odstępem 1 MHz. Każdy
kanał DME wykorzystuje dwie częstotliwości; jedną do zapytania, drugą do odpowiedzi.
Częstotliwości te są przesunięte względem siebie zawsze o 63 MHz.
Częstotliwość nadawania jednego kanału (oznaczonego swoim numerem i literą X) jest
6
jednocześnie częstotliwością odbioru następnego kanału (ten sam numer z literą Y), co daje
podwojenie liczby kanałów.
Połączenie DME z systemem kątowym VOR nazywa się VOR/DME. System
odległościowo - kątowy VOR/DME jest obecnie podstawowym systemem radionawigacji
bliskiego i średniego zasięgu. Na mapach obecność DME może być zaznaczana literką D
przy opisie pomocy, niekiedy też kanałem DME – np. 120X lub 62Y.
Poszczególne kanały DME są ściśle przyporządkowane kanałom VOR, tak że
dostrajając odbiornik VOR na podaną częstotliwość radiolatarni ustawia się także kanał
zblokowanego z nim DME.
Radiolatarnia VOR/DME nadaje znaki identyfikacyjne obu urządzeń. Normalnie jest słyszalny
znak VOR; trzy litery kodem Morse’a, nadawane tonem 1020 Hz. Wiele odbiorników ma
przełącznik umożliwiający odsłuch identyfikacji DME, nadawanej tonem 1350 Hz.
System TACAN.
System TACAN (TACtical Air Navigation) jest, podobnie jak VOR/DME, systemem
odległościowo - kątowym. Został skonstruowany w USA do zastosowań wojskowych. Po
przyjęciu do użytku przez kraje NATO rozpowszechnił się także w lotnictwie cywilnym ze
względu na wysoką dokładność i dużą liczbę zainstalowanych radiolatarni, także
przewoźnych, instalowanych doraźnie w razie potrzeby.
Zasada wyznaczania kąta jest w zasadzie zbliżona do zasady VOR. Tak samo jak w sygnale
VOR, sygnał radiolatarni TACAN zawiera zakodowaną informację o azymucie względem
północy magnetycznej. Podobnie też informacja ta jest emitowana: w postaci zmiennego w
azymucie przesunięcia między sygnałem odniesienia a sygnałem fazy zmiennej. Sygnał
rozpoznawczy radiolatarni jest nadawany co 40 sekund.
TACAN:
Typowa radiolatarnia ma moc wyjściową około 10 kW. Ponieważ pracuje ona
impulsowo (w zakresie 962 - 1213 MHz, podzielonym na 126 kanałów z odstępem 1 MHz),
wystarcza to do osiągnięcia zasięgu 180 - 200 km.
Pomiar odległości odbywa się tak samo, jak w urządzeniach DME, dlatego często
spotyka się radiolatarnie Tacan instalowane razem z radiolatarniami VOR. Taki zestaw,
7
nazywany VORTAC albo VOR/DMET (VOR-DME-Tacan), jest kompatybilny z pokładowym
zestawem VOR/DME.
Oznaczenie VORTAC:
Tradycyjny wskaźnik Tacana jest podobny do OBI - wskazówka pokazuje namiar na
radiolatarnię a odległość odczytuje się w okienku. Nowsze wskaźniki są typu cyfrowego albo
EHSI.
Parametry dokładnościowe systemu są zależne od lokalizacji, która w tym paśmie
częstotliwości ma duży wpływ na rozchodzenie się fal radiowych (szczególnie budynki i
rodzaj podłoża). Dokładność wyznaczania azymutu przy dobrej lokalizacji radiolatarni wynosi
1 stopień, a dokładność odległości około 0.1 NM.
Urządzenia pokładowe Tacan zgodne z wojskową specyfikacją MIL-STD-291B mogą
pracować w trybie air-to-air (A/A), czyli określać odległość między dwoma samolotami. Oba
samoloty muszą mieć zestawy zdolne do pracy w tym trybie.
Do pracy w trybie A/A częstotliwości robocze obu urządzeń muszą być odległe o 63 kanały z
tą samą literą, np. 10 X kanał w jednym samolocie, 73 X w drugim. W takim ustawieniu pary
częstotliwości powtarzają się, a częstotliwość nadawania jednego kanału jest częstotliwością
odbioru drugiego.
Jacek Tomczak - Janowski
Akt. 25-02-2015
8