Глиссадный радиомаяк Российский патент 2024 года по МПК G01S1/16 

Область техники

Изобретение относится к аэродромным радиомаячным системам обеспечения захода самолетов на посадку, в частности к глиссадным радиомаякам дециметрового диапазона длин волн с форматом сигналов ПРМГ.

Уровень техники

Основным средством обеспечения инструментального захода самолетов государственной авиации на посадку являются радиомаячные системы посадки дециметрового диапазона длин волн формата посадочной радиомаячной группы (ПРМГ). Прообразом ПРМГ послужили ранние разработки радиомаячных систем посадки (СП) метрового диапазона длин волн формата ILS (Instrument landing systems). Основные вехи развития ILS и ПРМГ в нашей стране, неразрывно связанные с историей становления и развития Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры, освещены в [1]. История развития СП в США описана в [2].

Информационным параметром в системах посадки дециметрового диапазона волн является так называемый коэффициент разнослышимости сигналов (КРС) радиомаяка с частотами модуляции а в системах посадки метрового диапазона разность глубин модуляции (РГМ) высокочастотного сигнала низкочастотными колебаниями с частотами . [3]

Радиомаячная СП включает в себя курсовой радиомаяк (КРМ), глиссадный радиомаяк (ГРМ) и бортовую аппаратуру.

Курсовой радиомаяк установлен на продолжении оси взлетно-посадочной полосы (ВПП), на стороне, противоположной стороне захода самолета на посадку. Антенна КРМ ПРМГ излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в дециметровом диапазоне длин волн.

Модулированные последовательно пачками колебаний типа "меандр" с частотой 2100 и 1300 Гц. Антенна КРМ ILS излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в метровом диапазоне длин волн на частотах 108-112 МГц, модулированные по амплитуде сигналами тоновых частот 150 и 90 Гц.

Поверхность, на которой информационный параметр (КРС в СП ПРМГ или РГМ в СП ILS) равен нулю, представляет собой вертикальную плоскость, проходящую через ось ВПП.

Глиссадный радиомаяк установлен на расстоянии примерно 300 м от торца ВПП со стороны захода самолета на посадку и смещен от оси ВПП на некоторое расстояние (120-180 м). Антенна ГРМ ПРМГ излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в диапазоне частот 962-995,9 МГц [3], модулированные последовательно пачками колебаний типа меандр с частотой 2100 и 1300 Гц. Антенна ГРМ ILS излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в диапазоне частот от 328,6 до 335,4 МГц, модулированные тоновыми сигналами с частотами 150 и 90 Гц.

Поверхность, на которой информационный параметр ГРМ (КРС при применении ПРМГ, РГМ при применении ILS) равен нулю, представляет собой конус, вершина которого находится в основании антенны. Ось конуса вертикальна, а образующая наклонена на заданный угол относительно поверхности Земли (поверхность глиссады). Ниже поверхности глиссады преобладает сигнал с более высокой частотой модуляции (2100 Гц в ГРМ ПРМГ, 150 Гц в ГРМ ILS), а выше с меньшей частотой модуляции (1300 Гц в ГРМ ПРМГ, 90 Гц в ГРМ ILS).

Пересечение плоскости курса и поверхности глиссады задает в пространстве линию для захода самолета на посадку, называемую глиссадой. По величине информационного параметра бортовая аппаратура индицирует отклонения самолета от глиссады, ее показания используются для принятия решения пилотом или автопилотом о корректировке траектории полета самолета.

Системы инструментальной посадки самолетов метрового диапазона волн (Instrumentlandingsystems - ILS) развивались до и после 1946 г., когда ILS была принята в качестве международного стандарта, в которой глиссадный радиомаяк мог быть категорирован в одной из трех групп: с опорным нулем, системой на боковой полосе или системой с решеткой типа М.

Известен [3] ГРМ формата ПРМГ с опорным нулем, содержащий устройство формирования сигналов (УФС) глиссады с первым выходом и вторым выходом, глиссадную антенную решетку с первым (нижним) и вторым (верхним) излучающим элементом, разнесенными по вертикали, причем первый выход УФС соединен с нижней антенной, а второй выход УФС соединен с верхней антенной. Первый выход УФС и сигнал на первом выходе имеют одинаковое название "Сумма". Второй выход УФС и сигнал на втором выходе имеют одинаковое название "Разность".

Высокочастотный сигнал промодулирован сигналом в форме "меандр" с частотой 2100 Гц в течение одного полупериода колебаний с частотой 12,5 Гц, а в течение другого полупериода промодулирован меандром с частотой 1300 Гц. Под сигналом "Сумма" понимается сигнал, формируемый при модуляции высокочастотных колебаний меандрами с частотами 2100 и 1300 Гц, одинаковыми по амплитуде, при этом несущие синфазны между собой. Под сигналом "Разность" понимается сигнал, формируемый при модуляции высокочастотных колебаний меандрами с частотами 2100 и 1300 Гц, одинаковыми по амплитуде, при этом несущие имеют сдвиг по фазе на 180°. Подробно устройство и работа радиомаяков УФС ПРМГ описаны в [4].

ГРМ с опорным нулем является самой простой из упомянутых ГРМ. ГРМ ILS с опорным нулем явился прообразом ГРМ ПРМГ с опорным нулем. ГРМ с опорным нулем содержит антенную решетку с двумя излучающими элементами. Нижний излучающий элемент расположен на высоте в два раза меньшей, чем высота верхнего излучающего элемента. Нижний излучающий элемент излучает сигнал «Сумма» и формирует в вертикальной плоскости лепестковую диаграмму направленности с первым максимумом над Землей под углом 3° и первым нулем под углом 6°. Верхний излучающий элемент излучает сигнал «Разность» и формирует лепестковую диаграмму направленности с первым максимумом под углом 1,5° и первым нулем под углом 3°. Этот первый нуль в диаграмме направленности разностного сигнала под углом 3° задает угол глиссады. Сигналы фазируются так, что разностный сигнал «Разность», излучаемый верхним излучающим элементом, и суммарный сигнал «Сумма», излучаемый нижним излучающим элементом, суммируются ниже нуля под углом 3° и дают преимущественно сигналы 2100 Гц (2100>1300), а выше нуля под углом 3° дают преимущественно сигналы 1300 Гц (1300>2100). Таким образом, радиотехническая траектория, называемая глиссадой, формируется в зоне сигнала высокой интенсивности, а бортовой приемник просто разделяет и сравнивает сигналы с частотами 2100 и 1300 Гц.

Однако ГРМ с опорным нулем имеет недостаток. Если за пределами спланированной площадки перед ГРМ, в зоне захода самолетов на посадку, расположены участки местности с восходящим уклоном, то вследствие отражения радиоволн, излучаемых антеннами ГРМ, от этих участков глиссада "искривляется". На аэродромах в балочно-овражистой местности, в долинах рек, в холмистой и предгорной местности ГРМ с опорным нулем, как правило, не обеспечивает требуемые категорированные характеристики.

Фиг. 1 поясняет механизм формирования искривлений глиссады. В точки на глиссаде приходят волны, излучаемыми непосредственно радиомаяком, и волны, отраженные от холма. Напряженности полей этих волн складываются с учетом разности фаз, определяемых пройденными расстояниями одной и другой волной. По мере движения точки наблюдения вдоль глиссады разность фаз непрерывно изменяется, что и приводит к искривлениям глиссады.

Известен другой ГРМ. Чтобы решить проблемы с размерами спланированной площадки, предложен для системы ILS ГРМ с отношением боковых частот. ГРМ с отношением боковых частот требует всего 700 м плоской площадки для глиссады с углом 3° (в отличие от 800 м для ГРМ с опорным нулем).

Однако ГРМ с отношением боковых частот также чувствителен к отражениям радиоволн от складок местности за пределами спланированной площадки, в зоне захода самолетов на посадку.

Дальнейшее развитие ГРМ шло по пути построения глиссадных антенных решеток с тремя и большим числом излучающих элементов. Используя большее количество излучающих элементов в глиссадной антенной решетке, удалось сформировать низкий уровень излучения в области малых углов места, то есть в направлении возвышающихся складок местности, что уменьшило амплитуду отражаемых от них радиоволн и, соответственно, уменьшило величину искривлений. Формирование «вырезки» в диаграммах направленности (ДН) глиссадных антенных решеток в области малых углов места было реализовано противофазной запиткой ряда излучателей.

Известен ГРМ формата ILS [5], [9], содержащий УФС с первым выходом, называемым выходом "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ) узкого канала и вторым выходом, называемым выходом "боковые частоты" (БЧ) узкого канала, антенную решетку типа М из трех излучающих элементов, расположенных на вертикальной мачте, с двумя входами: входом для сигналов НБЧ и входом для сигналов БЧ. Уменьшение уровня в ДН сигналов НБЧ и БЧ в области малых углов места обеспечено противофазной запиткой ряда излучающих элементов, что сформировало «вырезку» в ДН глиссадной антенны в области малых углов места. Таким образом, был устранен недостаток ГРМ с опорным нулем.

Однако упомянутый ГРМ с антенной решеткой типа М имеет недостаток. Устранение проблемы искривлений глиссады путем уменьшения излучения в области малых углов места привело к недостаточному уровню сигнала на нижней угловой границе зоны действия ГРМ. Это противоречие было разрешено введением дополнительного клиренсного канала (широкого канала, в отечественной терминологии), который работает на другой частоте и обеспечивает достаточным уровнем сигнала нижнюю границу зоны действия ГРМ. Этот формат сигналов, в том числе и название сигналов «узаконен» соответствующими документами международной организацией гражданской авиации ИКАО для систем посадки метрового диапазона волн ILS [6].

Известен другой ГРМ [7], содержащий УФС с первым выходом и вторым выходом, линейную антенную решетку с первым, вторым, третьим и четвертым излучающими элементами, разнесенными по вертикали на равные расстояния друг от друга. Первый выход УФС и сигнал на первом выходе имеют одинаковые названия: carrier plus sideband (CSB); заметим, что в российских радиомаяках первый выход УФС и сигнал на первом выходе имеют одинаковые названия "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ). Второй выход УФС и сигнал на втором выходе имеют одинаковые названия: sideband Only (SBO); в российских радиомаяках второй выход УФС и сигнал на втором выходе имеют одинаковые названия: "боковые частоты" (БЧ). Второй и четвертый (при счете снизу вверх) излучающие элементы запитаны сигналом "боковые частоты", а первый и третий - сигналом "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ). Отношение амплитуд сигналов между первым и третьим излучателями равно 1:1/3, между вторым и четвертым равно 1:1/2, допуск 10%. Благодаря противофазной запитке второго и четвертого, первого и третьего излучающих элементов снижен уровень облучения складок местности в зоне захода самолетов на посадку сигналами НБЧ и БЧ, вследствие чего должна быть уменьшена величина искривлений глиссады. При этим обеспечивается формирование требуемой угломестной зависимости информационного параметра РГМ (разности глубин модуляции) и малый уровень в ДН суммарного и разностного сигналов в области малых углов места. С учетом формируемой «вырезки» в ДН, для обеспечения требуемого уровня сигналов на нижней границе зоны действия ГРМ предполагается использование клиренсного (широкого) канала. Этот ГРМ был разработан для сигналов с форматом ILS. ГРМ по патенту Lucas et al. [7] авторы выбирают в качестве прототипа.

Однако прототип имеет недостаток, заключающийся в том, что при строго заданном амплитудно-фазовом распределении вдоль глиссадной антенной решетки требуется введение в состав маяка аппаратуры клиренсного канала. В формате ПРМГ по ГОСТ 15-827 [8] не предусмотрен дополнительный канал. В связи с этим, не представляется возможным применение непосредственно 4-элементной антенны по патенту [7] в существующих ПРМГ. В настоящее время в ГРМ ПРМГ, эксплуатируемых на аэродромах государственной авиации, используется двухэлементная глиссадная антенная решетка. Применение ГРМ с двухэлементной глиссадной антенной решеткой на аэродромах с возвышающимися складками местности в зоне захода на посадку не обеспечивает формирование глиссады по требованиям ГОСТ 15-82770 "Системы радиомаячные дециметрового диапазона второй категории инструментального захода самолетов на посадку". В то же время, применение 4-элементной антенной решетки прототипа при зафиксированном амплитудно-фазовом распределении вдоль решетки не позволяет одновременно обеспечить малый уровень излучения в области малых углов места и достаточный уровень сигнала на нижней границе зоны действия ГРМ. Заметим, что для разрешения этого противоречия в ГРМ метрового диапазона длин волн пришлось ввести дополнительный канал и соответственно скорректировать формат сигналов ILS.

Вторым недостатком прототипа является нарушение в окружающем пространстве фазовых соотношений сигналов (оговоренного допуска в ±10 градусов согласно патентной формуле) при наличии продольных уклонов отражающей поверхности перед ГРМ. Продольные нисходящие или восходящие уклоны приводят к расфазировке в пространстве излученных сигналов, что, естественно приводит к искажению ДН и как следствие к увеличению искривлений глиссады и изменению других характеристик глиссады.

Известные ГРМ дециметрового диапазона волн и метрового диапазона волн, в том числе прототип, можно представить функционально в виде двух соединенных друг с другом устройств: УФС с первым и вторым выходом и линейной антенной решетки с первым и вторым входом. На первый выход УФС поступает высокочастотный сигнал, амплитудно-модулированный двумя сигналами тоновых частот. Причем высшие и низшие спектральные составляющие модулированного сигнала имеют начальную фазу колебаний, совпадающую с начальной фазой колебаний несущей. На второй выход поступает высокочастотный сигнал также амплитудно-модулированный двумя сигналами тоновых частот. Однако на втором выходе начальная фаза колебаний спектральных составляющих, обусловленных модуляцией одной тоновой частотой, отличается от начальной фазы колебаний спектральных составляющих, обусловленных модуляцией другой тоновой частотой, на 180°. При подаче первого сигнала с первого выхода УФС на первый вход глиссадной антенной решетки в окружающее пространство излучаются электромагнитные волны с формированием с учетом влияния подстилающей поверхности диаграммы направленности с одним главным лепестком. Эту диаграмму направленности мы далее называем ДН суммарного вида. При подаче второго сигнала на второй вход глиссадной антенной решетки в окружающее пространство излучаются электромагнитные волны с формированием с участием подстилающей поверхности ДН с двумя главными лепестками. Эту ДН мы далее называем ДН разностного вида.

В радиомаяках ПРМГ и ILS используются различные диапазоны частот несущих колебаний, разные глубины амплитудной модуляции, различные тоновые сигналы. Однако эти отличия в сигналах не имеют принципиального значения для формирования глиссады, не влияют на суть настоящего изобретения. Поэтому для построения ГРМ дециметрового диапазона по настоящему изобретению в качестве прототипа авторами выбран ГРМ метрового диапазона по патенту Australia №8121/76 [7].

Целью настоящего изобретения является решение указанных проблем прототипа, а именно уменьшение искривлений глиссады на аэродромах со сложным рельефом местности в зоне захода самолетов на посадку, на которых существующие в настоящее время ГРМ ПРМГ с опорным нулем со штатной двухэлементной антенной решеткой не обеспечивают категорированные характеристики, и обеспечение при этом зоны действия ГРМ. Эта цель должна быть достигнута, в том числе, на аэродромах с продольным уклоном местности перед ГРМ.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение величины искривлений глиссады ГРМ на аэродромах со сложным рельефом местности в зоне захода самолетов на посадку, на которых ГРМ ПРМГ с "опорным нулем" из-за отражения радиоволн от складок местности в область глиссады не обеспечивают категорированные характеристики глиссады. Технически данный результат достигается введением в известный глиссадный радиомаяк, содержащий устройство формирования сигналов глиссады (УФС) с первым выходом, называемым в ГРМ ПРМГ "сумма" а в ГРМ ILS "несущая плюс боковые частоты", и вторым выходом, называемым в ГРМ ПРМГ "разность" а в ГРМ ILS "боковые частоты", и вертикальную эквидистантную антенную решетку с четырьмя излучающими элементами с высотами подвеса nH₁, где n - номер излучателям n=1, 2, 3, 4; - высота подвеса первого излучателя, λ - длина волны излучения, θ_гл - угол глиссады, α - продольный уклон местности перед антенной решеткой ГРМ, дополнительно первого регулируемого делителя мощности с первым и вторым выходом, второго регулируемого делителя мощности с первым и вторым выходом, первой линии передачи с первым сдвигом по фазе (первая линия), второй линии передачи со вторым сдвигом по фазе (вторая линия), третьей линии передачи с третьим сдвигом по фазе ((третья линия) отрезок) и четвертой линии передачи с четвертым сдвигом по фазе (четвертая линия), при этом первый выход устройства формирования сигналов глиссады соединен с входом первого регулируемого делителя мощности, первый выход которого последовательно соединен с первой линией и первым излучающим элементом антенной решетки, а второй выход соединен последовательно со вторым второй линией и третьим излучающим элементом антенной решетки, второй выход устройства формирования сигналов глиссады соединен с входом второго регулируемого делителя мощности, первый выход которого соединен последовательно со второй линией и со вторым излучающим элементом антенной решетки, а второй выход соединен последовательно с четвертой линией и четвертым излучающим элементом антенной решетки. При этом отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами первого регулируемого делителя мощности устанавливают 1:а, отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами второго регулируемого делителя мощности устанавливают 1:b, причем коэффициенты «а» и «b» связаны между собой соотношением . Значения фаз сигналов, устанавливаемых с помощью первой, второй, третьей и четвертой линий, в излучающих элементах антенной решетки равны: в первом , во втором , в третьем , в четвертом , где - произвольная величина, .

Сигналы на выходах "сумма" и "разность" УФС ГРМ ПРМГ представляют собой чередующиеся пачки импульсов с частотами модуляции 2100 и 1300 Гц, при этом сигналы с частотой модуляции 2100 Гц на выходах "сумма" и "разность" синфазны, а сигналы с частотой модуляции 1300 Гц на выходах "сумма" и "разность" противофазны.

Введение в состав глиссадного радиомаяка первой линии передачи с первым сдвигом по фазе, второй линии передачи со вторым сдвигом по фазе, третьей линии передачи с третьим сдвигом по фазе и четвертой линии передачи с четвертым сдвигом по фазе и соединение, как указано выше, их входов с выходами регулируемых делителей мощности, а выходов с первым, вторым, третьим и четвертым излучающими элементами глиссадной антенной решетки позволило решить задачу устранения расфазировки излучаемых сигналов в окружающем пространстве, обусловленной влиянием продольного уклона местности перед ГРМ. Устранением упомянутой расфазировки решается проблема устранения имеющего места увеличения уровня в диаграммах направленности суммарного и разностного сигналов в направлении возвышающихся складок местности в зоне захода самолетов на посадку, ответственных за искривления глиссады за счет отражения радиоволн в область глиссады.

Введение в состав глиссадного радиомаяка первого и второго регулируемых делителей и их соединение с первым и вторым выходом УФС и первой - четвертой линиями передачи, как указано выше, позволяет успешно решить проблему уменьшения величины искривлений глиссады, обусловленных отражением радиоволн от неровностей рельефа местности за пределами спланированной площадки, в зоне захода самолетов в на посадку, при обеспечении при этом дальности действия ГРМ в окрестности нижней границы зоны действия.

Решение этих и других задач поясняется далее текстом и рисунками на фигурах.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен глиссадный радиомаяк на местности с возвышающимся холмом в зоне захода самолета на посадку.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:

1 - глиссадный радиомаяк (ГРМ);

2 - устройство формирования сигналов глиссады УФС;

3 - глиссадная антенная решетка;

31, 32 - излучающие элементы глиссадной антенной решетки;

4 - разностная диаграмма направленности ;

5 - суммарная диаграмма направленности ;

6 - глиссада;

7 - нижняя граница зоны действия ГРМ;

8 - граница освещенной области;

9 - луч, падающий на холм;

10 - луч, отраженный от холма;

11 - нормаль к поверхности холма.

На фиг. 2 представлена схема ГРМ по настоящему изобретению.

На фиг. 2 дополнительно введены следующие обозначения:

201- первый выход УФС;

202 - второй выход УФС;

12 - глиссадная антенная решетка;

13 - первый регулируемый делитель мощности;

131 - первый выход первого регулируемого делителя мощности;

132 - второй выход первого регулируемого делителя мощности;

14 - второй регулируемый делитель мощности;

141 - первый выход второго регулируемого делителя мощности;

142 - второй выход второго регулируемого делителя мощности;

15 - первая линия передачи с первым сдвигом по фазе;

16 - вторая линия передачи со вторым сдвигом по фазе;

17 - третья линия передачи с третьим сдвигом по фазе;

18 - четвертая линия передачи с четвертым сдвигом по фазе.

На фиг. 3 приведены полярная система координат с началом в точке О и декартова система координат Oxyz. Ось Оу перпендикулярна к плоскости рисунка; в точке О показано хвостовое оперение вектора .

На фиг. 3 введены следующие обозначения:

АА - горизонтальная плоскость;

ВВ - наклонная плоскость;

- орты осей Ох, Оу, Oz;

- зенитный угол текущей точки наблюдения Р;

- попутный уклон наклонной плоскости ВВ;

- единичный вектор, перпендикулярный к плоскости ВВ;

- единичный вектор, направленный вдоль ВВ, образующий с векторами , правую систему координат .

На фиг. 4 представлена схема формирования «расфазировки» сигналов, излучаемых антенной решеткой, при наличии попутного продольного уклона α местности.

На фиг. 4 введены дополнительно следующие обозначения:

12N0 - зеркальное изображение 12N-го излучающего элемента антенной решетки относительно наклонной плоскости ВВ, N=1, 2, 3, 4;

19 - фазовый центр 2-элементной антенной решетки, образованной излучающим элементом 121 и его зеркальным изображением 1210;

20 - фазовый центр 2-элементной антенной решетки, образованной излучающим элементом 122 и его зеркальным изображением 1220;

21 - фазовый центр 2-элементной антенной решетки, образованной излучающим элементом 123 и его зеркальным изображением 1230;

22 - фазовый центр 2-элементной антенной решетки, образованной излучающим элементом 124 и его зеркальным изображением 1240.

На фиг. 5 приведены фазовые диаграммы направленности 2-элементной антенной решетки, образованной излучающим элементом 12N и его зеркальным изображением 12N0; N=1, 2, 3, 4.

На фиг. 5 введены дополнительно следующие обозначения.

23 - фазовая ДН Ф₁(θ);

24- фазовая ДН Ф₂(θ);

25 - фазовая ДН Ф₃(θ);

26 - фазовая ДН Ф₄(θ).

На фиг. 6а, б представлены амплитудные диаграммы направленности 4-элементной антенной решетки суммарного сигнала и разностного сигнала с учетом влияния наклонной подстилающей поверхности (α=0,6°) без учета и с учетом компенсации расфазировки сигналов.

На фиг 6а, б введены следующие обозначения:

27 - суммарная диаграмма направленности ГРМ на наклонной плоскости без компенсации расфазировки сигналов;

28 - суммарная диаграмма направленности ГРМ на наклонной плоскости с компенсацией расфазировки сигналов;

29 - разностная диаграмма направленности ГРМ на наклонной плоскости без компенсации расфазировки сигналов;

30 - разностная диаграмма направленности суммарного сигнала ГРМ на наклонной плоскости с компенсацией расфазировки сигналов.

На фиг. 7 приведены зависимости ГРМ на наклонной плоскости без компенсации расфазировки и с фазировкой сигналов.

На рис. 7 введены следующие обозначения:

31 - зависимость ГРМ на наклонной плоскости без компенсации расфазировки сигналов, обусловленной влиянием наклона плоскости;

32 - зависимость ГРМ на наклонной плоскости с компенсацией расфазировки сигналов, обусловленной влиянием наклона плоскости.

На фиг. 8а, б представлены суммарные и разностные амплитудные диаграммы суммарного сигнала разностного сигнала при "вырезках" различной величины в ДН в области малых углов места. На фиг. 8а, б введены следующие обозначения.

33 - суммарная ДН при а=0,23 (b=0,3);

34 - суммарная ДН при а=0,375 (b=0,6);

35 - разностная ДН при b=0,3;

36 - разностная ДН при b=0,6.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг. 2, на которой представлен глиссадный радиомаяк в соответствии с настоящим изобретением.

Глиссадный радиомаяк содержит устройство 2 формирования сигналов глиссады (УФС), с первым 201 выходом, называемым "сумма" и вторым 202 выходом, называемым "разность", глиссадную антенную решетку 12 с первым 121, вторым 122, третьим 123 и четвертым 124 излучающими элементами, первый 13 регулируемый делитель мощности с первым 131 и вторым 132 выходами, второй 14 регулируемый делитель мощности с первым 141 и вторым 142 выходами, первую 15 линию передачи с первым сдвигом по фазе (первая линия), вторую 16 линию передачи со вторым сдвигом по фазе (вторая линия), третью 17 линию передачи с третьим сдвигом по фазе (третья линия) и четвертую 18 линию передачи с четвертым сдвигом по фазе (четвертая линия). Устройство 2 формирования сигналов глиссады может быть выполнено таким же, как устройство формирования сигналов глиссады с выходом "сумма" и выходом "разность", в серийных радиомаяках ПРМГ-76У, выпускаемых АО "Челябинский радиозавод "Полет", г. Челябинск, и их модификациях. В качестве излучающих элементов 121, 122, 123 и 124 можно использовать, например, рупорные антенны ГРМ ПРМГ-76У и его модификаций или аналогичные антенны. В качестве регулируемых делителей мощности 13 и 14 можно использовать СВЧ устройства с механическими или электронными управляющими устройствами. Такие устройства широко применяются в радиотехнических системах радионавигации и посадки самолетов.

В качестве первой 15 линии можно применить обычную кабельную сборку соответствующей электрической длины (с фазой на выходе на рабочей частоте ГРМ). В качестве второй 16, третьей 17 и четвертой 18 линий можно использовать также кабельные сборки с электрическими длинами, вычисленными применительно к размещению ГРМ на местности с известным продольным уклоном. Альтернативой упомянутым линиям могут служить кабельные сборки произвольной электрической длины, дополненные регулируемыми фазовращателями.

Упомянутые устройства соединены между собой следующим образом (фиг. 2). Первый выход 201 УФС 2 соединен с входом первого регулируемого делителя мощности 13, первый 131 выход которого последовательно соединен с первой линией 15 и первым 121излучающим элементом глиссадной антенной решетки 12. Второй 132 выход первого 13 регулируемого делителя мощности последовательно соединен с третьей 17 линией и третьим 123 излучающим элементом глиссадной антенной решетки 12. Второй выход 202 УФС 2 соединен с входом второго 14 регулируемого делителя мощности, первый 141 выход которого последовательно соединен со второй 16 линией и со вторым 122 излучающим элементом глиссадной антенной решетки 12. Второй 142 выход второго регулируемого делителя мощности 14 последовательно соединен с четвертой 18 линией и четвертым 124 излучающим элементом глиссадной антенной решетки 12.

Глиссадный радиомаяк работает следующим образом. Устройство 2 формирования сигналов глиссады формирует суммарный "сумма" и разностный "разность" сигналы, которые поступают на первый 201, "сумма", выход и второй 202, "разность", выход.

С помощью первого 13 регулируемого делителя мощности устанавливают отношение амплитуд сигналов между первым 131 и вторым 132 выходами, равным 1: а, где а - число, меньшее 1. Отношение амплитуд сигналов между первым 141 и вторым 142 выходами второго регулируемого делителя мощности 20 устанавливают, равным 1:b, где b - положительное число, меньшее 1. Причем коэффициенты а и b устанавливают такими, что они связаны между собой соотношением .

С помощью второй 16, третьей 17 и четвертой 18 линий устраняют расфазировку сигналов, возникшую в окружающем пространстве в суммарном и разностном сигналах, излучаемых антенной решеткой 12, за счет уклона местности перед глиссадной антенной решеткой 12.

Поясним нижеупомянутую расфазировку сигналов и указанное соотношение между коэффициентами а и b.

Опыт ввода в эксплуатацию глиссадных радиомаяков (ГРМ) на аэродромах гражданской и государственной авиации, анализ планов местности в зоне захода самолетов на посадку показывают, что часто местность перед ГРМ имеет ярко выраженный продольный уклон. Естественно, наличие уклона местности перед ГРМ влияет на характеристики ГРМ.

Выполним анализ влияния уклона местности на положение в пространстве глиссады предложенного ГРМ. При этом под термином "попутный уклон" будем понимать угол наклона нисходящего участка пути при движении от ГРМ в сторону ближнего торца ВПП. Под встречным уклоном будем понимать угол наклона восходящего участка указанного пути. Попутный уклон считаем положительной величиной, встречный уклон - отрицательной величиной.

Поставим своей задачей найти влияние наклона местности на характеристики зоны ГРМ. С этой целью найдем влияние уклона местности на амплитудные соотношения и разность фаз сигналов, формируемых излучающими элементами антенной решетки в окружающем пространстве с учетом отражений от подстилающей поверхности. Учет отражений от подстилающей поверхности, как известно, выполняется введением зеркального изображения антенны относительно подстилающей поверхности. Полученные соотношения используем для определения геометрии антенной решетки и рекомендаций по амплитудно-фазовому распределению вдоль антенной решетки ГРМ при работе на наклонной поверхности.

Введем (фиг. 3) в рассмотрение декартову систему координат с началом в точке О, в точке пересечения оси вертикально расположенной линейной антенной решетки 12 с горизонтальной плоскостью АА (в основании антенно-мачтового устройства ГРМ). Направим ось Oz перпендикулярно горизонтальной плоскости АА (вертикально вверх), ось Оу перпендикулярно к вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию ВПП, а ось Ох перпендикулярно осям Oz и Оу в сторону торца ВПП (в сторону заходящего на посадку самолета); в результате имеем правую декартову систему координат с единичными векторами координатных осей: . Кроме того, будем пользоваться сферической системой координат с началом координат в точке О. Буквой обозначим радиальную координату точки наблюдения Р. Угол между осью Oz и направлением на точку наблюдения Р (меридиональный угол) обозначим буквой в отличие от обычно принятого обозначения этой координаты буквой . Дело в том, что в нормативный документах [8] по системам посадки буквой обозначают угол между направлением на точку наблюдения и горизонтальной плоскостью (зенитный угол). Очевидно, .

Излучающие элементы линейной антенной решетки ГРМ установлены на высотах Н₁, …H_n, …, H_N (n - порядковый номер излучателя), друг над другом, вдоль оси Oz. Радиусы векторы излучающих элементов:

Восстановим в точке О вектор единичной нормали к подстилающей наклонной поверхности. При этом для простоты будем полагать, что местность не имеет поперечного уклона.

- направляющие косинусы нормали (фиг. 3).

С целью упрощения записи дальнейших преобразований воспользуемся правилом разложения данного вектора на два составляющих, из которых один параллелен, а другой перпендикулярен к заданному единичному вектору [10, стр. 64]:

Представим радиус-вектор точки реального излучающего элемента и радиус-вектор точки зеркального отображения излучающего элемента каждый суммой двух векторов: первого вектора, параллельного нормали и второго вектора, перпендикулярного к нормали .

Длина первого вектора в (2) равна проекции вектора на направление нормали . Второй вектор в (2) лежит в наклонной плоскости. Длина второго вектора равна проекции вектора на наклонную плоскость . Аналогично, имеем:

Направим единичный вектор в точку наблюдения Р, лежащую в плоскости , параллельной оси ВПП:

Найдем сумму сигналов от реального n-го излучающего элемента и его зеркального изображения:

Пусть АР размещена на горизонтальной плоскости , тогда Это означает, что в окружающем пространстве сигналы, формируемые каждым n-ым реальным излучающим элементом и его зеркальным отображением, имеют одно и то же отличие от сигнала, излучаемого непосредственно излучаемым элементом, по фазе на . Пусть АР размещена на наклонной плоскости, тогда

Следовательно, теперь в окружающем пространстве сигналы, формируемые каждым n-ым реальным излучающим элементом и его зеркальным отображением, имеют отличие от сигнала, излучаемого непосредственно излучаемым элементом, по фазе на плюс дополнительная величина , зависящая от высоты подвеса n-го излучающего элемента и угла наклона плоскости α. Эту дополнительную величину мы называем величиной расфазировки сигналов в окружающем пространстве.

На фиг. 5 представлены графики зависимости величины минус для случая, когда угол попутного уклона местности равен 0,6°, высоты подвеса антенн Как следует из рассмотрения графиков, величина в рассматриваемом интервале углов при заданном n практически постоянная величина. Разность фаз суммарных сигналов, излучаемых первым и третьим излучающими элементами в окружающем пространстве равна примерно 30°. Разность фаз разностных сигналов, излучаемых вторым и четвертым излучающими элементами в окружающем пространстве равна также примерно 30°.

В зоне глиссады, для которой справедливо соотношение , последний множитель в (5) . Следовательно, в зоне глиссады

Фазовый центр антенной решетки, состоящей из реального излучающего элемента и его зеркального отображения, смещен из начала координат О в точку - проекцию излучающего элемента на наклонную плоскость (фиг. 4).

Итак, если поверхность перед ГРМ имеет продольный уклон (фиг. 3), то в окружающем пространстве наблюдается сдвиг по фазе между сигналами, обусловленный смещением фазовых центров этих излучателей. Фазовый центр каждого излучателя с учетом отражения волн от подстилающей поверхности представляет собой фазовый центр антенной решетки, образованной непосредственно излучателем и его зеркальным изображением (фиг. 4).

В качестве примера, на фиг. 6а представлены ДН суммарного сигнала, а на фиг. 66 приведены ДН разностного сигнала для случая, когда глиссадная антенная решетка установлена на идеально проводящей поверхности с нисходящим уклоном, равным 0,6° (α=0,6°). Пунктирными линиями приведены ДН при исходном распределении суммарного и разностного сигналов вдоль антенной решетки (как если бы антенная решетка была бы установлена на горизонтальной плоскости). Сплошными линиями представлены ДН с амплитудно-фазовым распределением сигналов вдоль антенной решетки с учетом компенсации расфазировки сигналов в окружающем пространстве, которая возникает за счет отражения радиоволн от подстилающей поверхности. Высота подвеса первой антенны равна 1,23 8 м, угол глиссады равен 3°. Возникающая при этом в окружающем пространстве разность фаз между сигналами от первого и третьего излучающих элементов (а также от второго и четвертого излучающих элементов) в пределах зоны глиссады составит ≈30°.

Для компенсации возникшей расфазировки линии передачи сигналов от выходов регулируемых делителей мощности до входа в излучающие элементы выполнены разной электрической длины. Электрическая длина линий передачи выбрана, исходя из условия обеспечения разности фаз на выходах линий передачи, равной разности фаз между соответствующими сигналами в окружающем пространстве, но с противоположным знаком:

Компенсация расфазировки сигналов может быть выполнена, например, с помощью кабельных сборок разной, но определенной длины. Длина первого кабеля выбирается из конструктивных соображений, обеспечивающих соединение первого выхода регулируемого делителя мощности с первым излучающим элементом антенной решетки. При попутном уклоне местности второй кабель должен быть короче первого кабеля, третий кабель короче второго, четвертый кабель короче третьего на одну и ту же величину , где - длина волны в линии передачи. При встречном уклоне второй кабель должен быть длиннее первого кабеля, третий кабель длиннее второго, четвертый кабель длиннее третьего на одну и ту же величину

Компенсация расфазировки сигналов может быть выполнена с помощью кабельных сборок разной, произвольной длины. Однако в этом случае вторая, третья и четвертые линии передачи должны содержать регулируемые фазовращатели.

Из сравнения ДН на фиг. 6а и 6б видно, что за счет компенсации расфазировки суммарных сигналов (фиг. 6а) и разностных сигналов (фиг. 6б) уровень излучения в направлении горизонта уменьшился примерно в 2 раза. Таким образом, расфазировка сигналов приводит к увеличению уровня излучения глиссадной антенной решетки в направлении возвышающихся складок местности, что неизбежно приводит к увеличению искривлений глиссады.

Включение в состав ГРМ по настоящему изобретению в отличие от прототипа первой линии передачи с первым сдвигом по фазе, второй линии передачи со вторым сдвигом по фазе, третьей линии передачи с третьим сдвигом по фазе и четвертой линии передачи с четвертым сдвигом по фазе устраняет указанный недостаток прототипа.

На фиг. 7 представлены зависимости для случая, когда глиссадная антенная решетка установлена на идеально проводящей поверхности с нисходящим уклоном, равным 0,6° (α=0,6°). Пунктирной линией на фиг. 7 приведена зависимость при исходном распределении суммарного и разностного сигналов вдоль антенной решетки (как если бы антенная решетка была бы установлена на горизонтальной плоскости). Сплошной линией представлена зависимость с амплитудно-фазовым распределением сигналов вдоль антенной решетки с учетом компенсации расфазировки сигналов в окружающем пространстве, которая возникает за счет отражения радиоволн от подстилающей поверхности.

Из сравнения упомянутых зависимостей видно, что в окрестности нижней и верхней границ зоны действия величина КРС за счет компенсации расфазировки сигналов увеличивается примерно в 1,4 раза. Включение в состав ГРМ по настоящему изобретению в отличие от прототипа первой линии передачи с первым сдвигом по фазе, второй линии передачи со вторым сдвигом по фазе, третьей линии передачи с третьим сдвигом по фазе и четвертой линии передачи с четвертым сдвигом по фазе устраняет недостаток прототипа в поведении КРС, заключающийся в уменьшении уровня КРС в окрестности нижней и верхней границ зоны ГРМ.

Рассмотрим вопрос об уменьшении уровня облучения возвышающихся складок местности, переизлучающих сигналы ГРМ в область глиссады и тем самым искривляющих глиссаду.

Предположим, для простоты, α=0. Используя интерференционную формулу (5) диаграммы направленности излучающего элемента над плоской поверхностью, представим ДН разностного сигнала и диаграмму направленности суммарного сигнала в следующем виде:

где

- обобщенный угол,

- постоянная величина, определяющая крутизну зоны глиссады.

При синфазных сигналах, излучаемых с частотой модуляции 2100 Гц с диаграммой и с частотой модуляции 1300 Гц с диаграммой направленности , в окружающем пространстве формируется зависимость КРС от угла места

Приравняем второй, дробный, множитель в правой части (12) единице. В результате получим

С учетом соотношения (13) получим «правильное» выражение (14) для угловой зависимости КРС, совпадающее с точностью до постоянного множителя с известной косинусоидальной зависимостью КРС от угла

Заметим, что выбором коэффициента b производят регулировку уровня облучения возвышающихся складок местности (например, холма на фиг. 1).

На фиг. 8 а приведены ДН суммарного сигнала, а на фиг. 8б приведены ДН разностного сигнала глиссадной антенной решетка, установленной на идеально проводящей горизонтальной поверхности (α=0°), для двух случаев: первый - коэффициент b=0,3, второй - коэффициент b=0,6.

Из сравнения графиков ДН на фиг. 8а и 8б видно, что вследствие увеличения соотношения амплитуд сигналов с b=0,3 до b=0,6, излучаемых первым и третьим излучателем, уменьшился уровень в диаграммах направленности под малыми углами места. Так, например, под углом места уровень ДН суммарного сигнала уменьшился в 1,5 раза; уровень ДН разностного сигнала уменьшился в 2 раза. Под углом места θ=0,6° уровень ДН суммарного и разностного сигналов уменьшился практически до нуля.

Естественно, что с уменьшением уровня ДН в направлении складки местности в зоне захода самолетов на посадку будет наблюдаться уменьшение величины искривлений глиссады.

Таким образом, исходя из особенностей складок рельефа местности перед глиссадной антенной решеткой, отражение радиоволн от которых вызывают искажения глиссады (фиг. 1), выбирают коэффициент b и затем по формуле (10) определяют значение коэффициента а. Выбор коэффициента b делают либо на основании прогностических расчетов, основанных на решениях краевых задач электродинамики либо экспертным путем. Значение коэффициента b устанавливают с помощью проградуированного в лабораторных условиях регулируемого делителя мощности 14 либо последовательным измерением мощности сигналов на его выходах 141 и 142. Эффект от выбора коэффициента b и соответственно коэффициента а проверяется экспериментальным (летным) путем.

В предельном случае, когда b=0, а=0 предложенный ГРМ превращается в известный ГРМ с опорным нулем. Если при выбранных экспертным путем значениях коэффициента b и а искривления глиссады превышают допустимые величины, то для их уменьшения нужно увеличить значение коэффициента b и, соответственно, и коэффициента а.

С помощью представленного ГРМ могут быть получены требуемые характеристики глиссады на аэродромах со сложным рельефом местности, на которых ГРМ нулевого типа со штатными глиссадными антеннами не обеспечивают эти характеристики.

Таким образом, в отличие от прототипа, ГРМ по настоящему изобретению позволяет на аэродромах со сложным рельефом решить проблему по уменьшению величины искривлений глиссады и обеспечения при этом дальности в зоне действия ГРМ.

Реализация решения указанной проблемы повышает безопасность полетов самолетов на аэродромах с сложным рельефом местности в зоне захода на посадку.

Список литературы

1. НИИ - 33 / ВНИИРА. История становления и развития Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры - СПб.: 2007. - 291 с.

2. Watts, С.В., Jr. Instrument Landing Scrapbook / С.В., Jr. Watts. - Trafford Publishing, 2005. 392 pp.

3. Г.А. Пахолков, В.В. Кашинов и др. "Угломерные радиотехнические системы посадки". - М.: Транспорт. - 1982.

4. Патент RU 2619071, Глиссадный радиомаяк для захода на посадку по крутой траектории (варианты) по заявке №2016115278 от 19.04.2016 авторов Войтовича Н.И., Жданова Б.В.

5. СП-90, радиомаяк глиссадный (РМГ). Техническое описание ИНРВ.461512.020ТО. Челябинск: НИИИТ-РТС, 1996-1999.

6. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. Авиационная электросвязь. Том 1. Радионавигационные средства. ИКАО, Монреаль (Канада), 2006. - 616 с.

7. Lucas et al. Instrument landing system glidepath antenna array and drive therefor. US Patent №4167739, Sep. 11, 1979.

8. ГОСТ 15827-70 "Системы радиомаячные дециметрового диапазона второй категории инструментального захода самолетов на посадку".

9. Сосновский А.А, Хаймович И.А. и др. Авиационная радионавигация: Справочник – М.: Транспорт, 1990 г. - 264 с.

10. Н.Е. Кочин. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. М: Наука. – 1965.

Глиссадный радиомаяк относится к аэродромным радиомаячным системам обеспечения захода самолетов на посадку. Технический результат: уменьшение величины искривлений глиссады глиссадного радиомаяка (ГРМ) на аэродромах со сложным рельефом местности в зоне захода самолетов на посадку. Такой результат обеспечивается за счет того, что в ГРМ дополнительно введены первый и второй регулируемые делители мощности, первая, вторая, третья и четвертая линии передачи с различными сдвигами по фазе, при этом отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами первого регулируемого делителя мощности составляет 1:а, отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами второго регулируемого делителя мощности составляет 1:b, а коэффициенты а и b связаны между собой соотношением значения фаз сигналов, устанавливаемых с помощью первой, второй, третьей и четвертой линий, в излучающих элементах антенной решетки равны: в первом ϕ₀, во втором ϕ₀+Δϕ, в третьем π+ϕ₀+2Δϕ, в четвертом π+ϕ₀+3Δϕ, где 0≤ϕ₀≤2π, , Δϕ - разность фаз сигналов. 10 ил.

Глиссадный радиомаяк, содержащий устройство формирования сигналов глиссады с первым выходом и вторым выходом и вертикальную антенную решетку с четырьмя излучающими элементами, расположенными на высотах nH₁, где n=1, 2, 3, 4; λ - длина волны, θ_гл - угол глиссады, α - продольный уклон местности перед антенной решеткой ГРМ, дополнительно содержит первый регулируемый делитель мощности с первым и вторым выходом, второй регулируемый делитель мощности с первым и вторым выходом, первую линию передачи с первым сдвигом по фазе (первая линия), вторую линию передачи со вторым сдвигом по фазе (вторая линия), третью линию передачи с третьим сдвигом по фазе (третья линия) и четвертую линию передачи с четвертым сдвигом по фазе (четвертая линия), при этом первый выход устройства формирования сигналов глиссады соединен с входом первого регулируемого делителя мощности, первый выход которого последовательно соединен с первой линией и первым излучающим элементом антенной решетки, а второй выход соединен последовательно со вторым второй линией и третьим излучающим элементом антенной решетки, второй выход устройства формирования сигналов глиссады соединен со входом второго регулируемого делителя мощности, первый выход которого соединен последовательно со второй линией и со вторым излучающим элементом антенной решетки, а второй выход соединен последовательно с четвертой линией и четвертым излучающим элементом антенной решетки, при этом отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами первого регулируемого делителя мощности составляет 1:а, отношение амплитуд сигналов между первым и вторым выходами второго регулируемого делителя мощности составляет 1:b, а коэффициенты а и b связаны между собой соотношением значения фаз сигналов, устанавливаемых с помощью первой, второй, третьей и четвертой линий, в излучающих элементах антенной решетки равны: в первом ϕ₀, во втором ϕ₀+Δϕ, в третьем π+ϕ₀+2Δϕ, в четвертом π+ϕ₀+3Δϕ, где 0≤ϕ₀≤2π, , Δϕ - разность фаз сигналов.