Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 16.11.2013 LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy TUTORIÁL 3.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 16.11.2013 LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy TUTORIÁL 3."— Transkript prezentace:

1 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy TUTORIÁL 3.

2 Radionavigační systémy strana 2 LRAR: TUTORIÁL 3 - TÉMATA  Základy navigace  Mapy  Geodetické souřadné systémy  Navigační metody  Směrová navigace  Kruhová navigace  Kruhově – směrová navigace  Hyperbolická navigace  FM výškoměry  IM výškoměry  Inerciální Dopplerův systém  Úvod do systémů letecké navigace  Systém blízké navigace VOR  Dálkoměrný systém DME  Přiblížení na přistání  Přistávací systém ILS  Přistávací systém MLS

3 Radionavigační systémy strana 3  Navigace = "navis" - loď + "agere" – řídit  Rádiová navigace (radionavigace)  Speciální odvětví obecné navigace, které pro plnění úkolů navigace používá radiové prostředky LRAR-T3: Základy navigace (1/13)

4 Radionavigační systémy strana 4 LRAR-T3: Základy navigace (2/13)  ZEMĚKOULE – těleso planety Země nedokonalého kulového tvaru, tzv. geoidu.  Vzhledem k tomu, že Země je na pólech je zploštělá, je nejvhodněj- ším matematickým modelem elipsoid. Tyto nepravidelnosti nemají pro běžnou leteckou navigaci praktický vliv, pro jiné aplikace navigace (dopravní navigační systémy) je však nutno definovat přesný model tvaru Země. Osa rotace je dlouhá 12713,7 km, rovníkový průměr je 12756,49 km.  Pro méně přesné navigační účely je Země pokládána za kouli o poloměru 6371 km.

5 Radionavigační systémy strana 5 LRAR-T3: Základy navigace (3/13)  ZEMSKÁ OSA - (osa rotace) osa, kolem které se zeměkoule otáčí. Místa, kde zemská osa prochází povrchem Země se nazývají póly.  POLEDNÍKOVÁ KRUŽNICE - myšlená kružnice na povrchu Země, kterou dostaneme jako průsečnici roviny proložené středem Země oběma póly a povrchem Země.  POLEDNÍK - polovina poledníkové kružnice. Kterýkoli poledník je nejkratší spojnicí pólů na povrchu Země. Určuje vždy směr zeměpisného severu nebo jihu.  ROVNÍK - průsečík roviny kolmé k zemské ose, procházející středem Země, s povrchem Země.

6 Radionavigační systémy strana 6 LRAR-T3: Základy navigace (4/13)  Rovník a nultý poledník jsou základními prvky pro určování země- pisných souřadnic, které jednoznačně určují polohu jakéhokoliv bodu na zemském povrchu. Rovník rozděluje Zemi na severní a jižní polo- kouli, nultý poledník (prochází observatoří v Greenwichi) rozděluje Zemi na východní a západní polokouli.  ROVNOBĚŽKY - vzniknou protnutím povrchu Země rovinou ro- vnoběžnou s rovinou rovníku. Délka rovnoběžek se od rovníku k pólům zkracuje. Nejdelší z nich je rovník.  VERTIKÁLA - spojnice libovolného bodu na nebo nad povrchem Země se středem zeměkoule.

7 Radionavigační systémy strana 7 LRAR-T3: Základy navigace (5/13)  VERTIKÁLNÍ ROVINA - rovina proložená vertikálou.  HORIZONTÁLNÍ ROVINA - rovina kolmá k vertikále.  HLAVNÍ KRUŽNICE - je průsečnice libovolné roviny procházející středem Země s povrchem Země.  ORTHODROMA - nejkratší spojnice dvou bodů nacházejících se na zemském povrchu.  LOXODROMA - spojnice dvou bodů na zemském povrchu, která svírá stejný úhel s mezilehlými poledníky.

8 Radionavigační systémy strana 8 LRAR-T3: Základy navigace (6/13)  ZEMĚPISNÁ DÉLKA - úhel, měřený v rovině rovníku, mezi průsečíkem rovníku a nultého poledníku středem Země a průsečíkem rovníku s poledníkem bodu měření. Měří se ve stupních, minutách a vteřinách od 0°do 180°. Je východní (V, E) nebo západní (Z, W), podle toho leží-li popisovaný bod východně nebo západně od nultého poledníku. Anglický termín je LONGITUDE.  ZEMĚPISNÁ ŠÍŘKA  - úhel, měřený v rovině místního poledníku od roviny rovníku k zemskému poloměru, procházejícímu místní rovnoběžkou. Měří se od 0° do 90° na sever a jih od rovníku a je severní (S,N) nebo jižní (J,S), podle toho je-li místní rovnoběžka na sever nebo na jih od rovníku. Anglický termín je LATITUDE.

9 Radionavigační systémy strana 9 LRAR-T3: Základy navigace (7/13)  Grafický popis základních pojmů navigace

10 Radionavigační systémy strana 10 LRAR-T3: Základy navigace (8/13)  Grafický popis orthodromy a loxodromy  Úhlová délka orthodromy mezi body A a B (sférická kosinova věta):

11 Radionavigační systémy strana 11 LRAR-T3: Základy navigace (9/13) Příklad 17: Určete nejkratší povrchovou vzdálenost mezi letištěm New York JFK (geodetické souřadnice: 40,64° severní šířky, 73,78° západní délky) a Moskva Šeremetěvo (geodetické souřadnice: 55,97° severní šířky, 37,42° východní délky). Zemi považujte ze kouli o poloměru 6371 km

12 Radionavigační systémy strana 12 LRAR-T3: Základy navigace (10/13)  DÉLKOVÉ JEDNOTKY - kilometry (km), námořní míle (n.m.) 1 n.m. = 1852 m, míle (m) 1m. = 1609 m.  SMĚR NA ZEMĚKOULI - vyjadřuje se ve stupních od 0° do 360° v pravotočivé soustavě. Za základní směr se považuje směr severní. Je určen buď zeměpisným, magnetickým nebo kompasovým polední- kem. Udáváme pak směr zeměpisný - z, směr magnetický - m a směr kompasový - k.  DEKLINACE - úhlový rozdíl mezi severní částí zeměpisného a magnetického poledníku. Východní (+D), nebo západní (-D) podle toho, je-li magnetka kompasu v daném místě vytočena na východ nebo na západ od zeměpisného severu.

13 Radionavigační systémy strana 13 LRAR-T3: Základy navigace (11/13)  DEVIACE - je úhlový rozdíl mezi severní částí magnetického a kompasového poledníku. Je východní (+d) nebo západní (-d), podle toho odchyluje-li se magnetka kompasu na východ nebo na západ od magnetického severu.  KURZ - úhel sevřený místním poledníkem a prodlouženou podélnou osou letounu. Měří se ve stupních od 0° do 360° ve směru pohybu hodinových ručiček (pravotočivá soustava). Podle toho ke kterému poledníku je úhel vztažen rozlišujeme kurz zeměpisný, magnetický nebo kompasový.

14 Radionavigační systémy strana 14 LRAR-T3: Základy navigace (12/13)  TRAŤ - čára na mapě spojující místo startu s místem cíle.  TRAŤOVÝ ÚHEL - úhel sevřený tratí a zeměpisným severem. Měří se ve stupních od 0° do 360° v pravotočivé soustavě.  MAPA - rovinný obraz zemského povrchu sestrojený matematicky nebo geometricky. Protože je zobrazována zakřivená plocha s projekcí do roviny vykazuje mapa zkreslení. Podle toho, které vlastnosti zemského povrchu mapa zachovává nezkreslené, mluvíme o mapách plochojevných, úhlojevných (Mercator Projection), délkojevných a tvarojevných.

15 Radionavigační systémy strana 15 LRAR-T3: Základy navigace (13/13)  Kursy, směrníky, deviace, deklinace

16 Radionavigační systémy strana 16 LRAR-T3: Mapy (1/5)  MAPOVÁ PROJEKCE - protože je zobrazována zakřivená plocha s projekcí do roviny vykazuje mapa zkreslení. Podle toho, které vlast- nosti zemského povrchu mapa zachovává nezkreslené, mluvíme o ma- pách plochojevných, úhlojevných (Mercator Projection), délkojev- ných a tvarojevných. válcovárovinnákuželová

17 Radionavigační systémy strana 17 LRAR-T3: Mapy (2/5)  Mapy s válcovou projekcí

18 Radionavigační systémy strana 18 LRAR-T3: Mapy (3/5)  Mapy s pseudoválcovou projekcí

19 Radionavigační systémy strana 19 LRAR-T3: Mapy (4/5)  Mapy s kuželovou projekcí

20 Radionavigační systémy strana 20 LRAR-T3: Mapy (5/5)  Mapy – kilometrické (menší plochy – chyba v úhlu)

21 Radionavigační systémy strana 21 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (1/21)  Přesný popis tvaru Země pro navigační účely určuje geoid, elipsoid v daném referenčním systému. Při popisu geodetických přesných zeměpisných souřadnic vycházíme z definice referenčního elipsoidu a definujeme:  ZEMĚPISNOU GEODETICKOU ŠÍŘKU  – úhel svírající rovina rovníku s normálou k ploše elipsoidu (kladná na severní polovině zemského elipsoidu)  ZEMĚPISNOU GEODETICKOU DÉLKU – úhel svírající rovina místního poledníku s rovinou základního poledníku (kladná východním směrem)

22 Radionavigační systémy strana 22 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (2/21)  ELIPSOIDICKOU VÝŠKU H – vzdálenost od elipsoidu, měřená po normále (kladná vně elipsoidu)

23 Radionavigační systémy strana 23 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (3/21)  Mezi pravoúhlými a geodetickými souřadnicemi platí vztahy: kde e je excentricita a  je příčný poloměr křivosti elipsoidu:

24 Radionavigační systémy strana 24 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (4/21) Příklad 18: Určete kartézské souřadnice bodu daného geodetickými souřadnicemi: severní šířka 50°, východní délka 15° a elipsoidická výška (výška nad referenčním elipsoidem) 500 m. Referenční elipsoid má parametry: a = m a 1/f = 298, (WGS- 84). Parametr f definuje zploštění elipsoidu

25 Radionavigační systémy strana 25 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (5/21)

26 Radionavigační systémy strana 26 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (6/21)  Bude-li bod p kolmým průmětem bodu P do roviny geodetického rovníku pak jeho vzdálenost od počátku d p bude dána: a pro geodetickou délku platí vztahy: z nichž můžeme jednoznačně určit geodetickou délku v celém jejím intervalu:

27 Radionavigační systémy strana 27 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (7/21)  Eliminací geodetické délky získáme pro šířku a výšku soustavu dvou transcendentních rovnic  Jejich řešení je komplikované a nabízí se několik způsobů  Jedna z možností je zavést substituci t = tg(  ), přičemž získáme rovnici:

28 Radionavigační systémy strana 28 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (8/21) kterou řešíme analyticky nebo numericky. Analytické řešení spočívá v úpravě rovnice na mnohočlen čtvrtého stupně: a aplikací vzorců pro kořeny bikvadické rovnice získáme řešení: kde

29 Radionavigační systémy strana 29 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (9/21)  Pro numerické řešení lze využít metodu prosté iterace, kde při počáteční hodnotě  Geodetickou šířku pak určíme ze vztahu

30 Radionavigační systémy strana 30 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (10/21)  Elipsoidickou výšku určíme z rovnice  Jednotlivé geodetické souřadné systémy se liší typem použitého referenčního elipsoidu, který je definován velkou poloosou a a zploštěním f, které je dáno výrazem

31 Radionavigační systémy strana 31 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (11/21) Elipsoida [m]1/f WGS ,0298, Besselův , , Krasovského ,0298,3 Hayfordův ,0297,0  Parametry nejužívanějších referenčních elipsoidů Příklad 19: Určete zpětně geodetické souřadnice z kartézských souřadnic bodu z příkladu 18 v geodetickém souřadném systému s referenčním elipsoidem WGS-84. Využijte prosté iterační metody

32 Radionavigační systémy strana 32 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (12/21) Počáteční hodnota proměnné t je Nyní určíme geodetickou šířku a výšku podle

33 Radionavigační systémy strana 33 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (13/21) Následně provádíme iterace podle: a to tak dlouho dokud rozdíl ve výsledku mezi poslední a předposlední iterací není menší než stanovená mez

34 Radionavigační systémy strana 34 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (14/21) Tabulka iteračního výpočtu geodetické šířky a výšky Z tabulky je zřejmé, že pro nalezení geodetické šířky a výšky s velkou přesností je třeba poměrně malý počet iteračních kroků.  Numerický výpočet rychle konverguje k řešení  Nepotřebuje výpočet sin(), cos() ve třetí mocnině

35 Radionavigační systémy strana 35 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (15/21)  V ČR:  S-42 (elipsoid Krasovského)  S-JSTK - systém jednotné trigonometrické sítě katastrální (Besselův elipsoid)  WGS-84 - World Geodetic System - u přijímačů GPS primárním  Metody přepočtu mezi jednotlivými souřadnými systémy jsou řešeny výpočtem polohy v daném systému v pravoúhlých souřadnicích dle vztahu transformací pravoúhlých souřadnic vstupního souřadného systému do pravoúhlých souřadnic cílového systému a zpětným výpočtem geodetických souřadnic.

36 Radionavigační systémy strana 36 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (16/21)  Geodetické souřadnice získané přepočtem z pravoúhlých souřadnic jsou vztaženy k ploše příslušného referenčního elipsoidu. Vlivem nerovnoměrného rozložení hmoty Země lze pozorovat nepravidelné změny výšky odpovídající hladině moře a elipsoid je nutno nahradit geoidem.  Záměna elipsoidu za přesnější definici tvaru Země nemá vliv na geodetickou šířku a délku a projevuje se pouze ve změně výšky hladiny moře (geoid) vůči elipsoidické výšce.  Výška geoidu N může být definována interpolačním vztahem, který je funkcí geodetické výšky a šířky, nebo pomocí tabulek.  Prakticky je N v rozsahu asi –100 až + 80 m.

37 Radionavigační systémy strana 37 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (17/21)  Vztahy mezi určovanými výškami

38 Radionavigační systémy strana 38 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (18/21)  S-JSTK vs. WGS-84 v ČR – geodetická šířka

39 Radionavigační systémy strana 39 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (19/21)  S-JSTK vs. WGS-84 v ČR – geodetická délka

40 Radionavigační systémy strana 40 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (20/21) Příklad 20: Určete kartézské souřadnice bodu z příkladu 18 v geodetickém souřadném systému s referenčním elipsoidem S-JSTK a srovnejte s WGS

41 Radionavigační systémy strana 41 LRAR-T3: Geodetické souř. systémy (21/21)

42 Radionavigační systémy strana 42 LRAR-T3: Navigační metody (1/5)  Podle přístrojů a metod výpočtů rozdělujeme navigaci na:  srovnávací, spočívající ve stálém srovnávání terénu s mapou.  podle kompasu, spočívající ve využití kompasu jako základního přístroje určujícího jednoznačně sever. Při použití této metody je třeba věnovat pozornost deviaci a deklinaci.  výpočtem, je metoda využívaná v letectví a při níž navigátor řeší tzv. navigační trojúhelník rychlostí.  rádiovými prostředky, což jsou navigační metody využívající široké spektrum radioelektronických zařízení a systémů.  astronomickou, což je navigační metoda využívající znalosti polohy nebeských objektů v daném čase pro určování polohy vlastní.  družicovou, což je navigační metoda využívající soustavu speciálních navigačních družic a s ní související systém vyhodnocování polohy.

43 Radionavigační systémy strana 43 LRAR-T3: Navigační metody (2/5)  Navigační trojúhelník rychlostí je sestaven ze tří vektorů:  vektoru pravé vzdušné rychlosti PVR nebo jen VR, směr je totožný s kurzem letadla velikost je dána údajem rychloměru  vektoru větru, směr je dán úhlem mezi severním směrem místního poledníku a směrem od místa na obzoru odkud fouká vítr a značí se  a velikost U je udávána v km/h nebo m/s  vektoru traťové rychlosti TR (nebo W) daného úhlem TÚ

44 Radionavigační systémy strana 44 LRAR-T3: Navigační metody (3/5)  Využití navigačních majákových systémů  Směrová navigace – měření směrníku k majáku – polohu tvoří průsečík směrníků (NDB)  Speciální navigace – specifikace účelových prostorových signálů – polohovou souřadnici specifikuje maximální amplituda nebo shodná hloubka modulace dvou AM signálů nebo shodná fáze dvou signálů (ILS, MLS)  Kruhová navigace – měření vzdálenosti od majáků – polohu tvoří průsečík kulových ploch (GPS)  Kombinace předchozích metod  Hyperbolická navigace – měření rozdílu vzdáleností od majáků – polohu tvoří průsečík hyperbolických ploch (DECCA)

45 Radionavigační systémy strana 45 LRAR-T3: Navigační metody (4/5)  Směrová navigace  Kruhová navigace  Hyperbolická navigace  Kruhově – směrová navigace

46 Radionavigační systémy strana 46 LRAR-T3: Navigační metody (5/5)  Inerciální systémy  Výpočet polohy vzhledem k počátku měření pomocí měření rychlosti (akcelerometry) a kursu parciálního pohybu (gyroskopy, kompas)  Určení polohy

47 Radionavigační systémy strana 47  Systémy směrové (kursové) navigace jsou založeny na měření směru (kursu) navigovaného objektu ke dvěma či více majákům současně. LRAR-T3: Směrová navigace (1/15)  Geometrickým místem konstantních směrů od daného bodu jsou polopřímky.  Pro navigaci, při níž je určována geodetická poloha je nutná znalost směru severu (nejčastěji kompasové určení).  Směrovou navigaci využívají systémy NDB, ILS, MLS.

48 Radionavigační systémy strana 48 LRAR-T3: Směrová navigace (2/15)  Princip směrové navigace  Pro určení kursu se užívá závislost amplitudy vysokofrekvenčního signálu na měřeném směru k majáku.

49 Radionavigační systémy strana 49 LRAR-T3: Směrová navigace (3/15)  Aktivní systém využívá směrové vyzařování elektromagnetické energie - amplitudový radiomaják.  Pasivní systém se směrovým příjmem - rádiový zaměřovač.  V obou případech může být indikace zaměření akustická nebo optická.  Úhlovou souřadnici zjišťujeme:  podle maxima nosné signálu, respektive podle maxima hloubky modulace - zaměření na maximum,

50 Radionavigační systémy strana 50 LRAR-T3: Směrová navigace (4/15)  podle minima nosné signálu, respektive podle minima hloubky modulace - zaměření na minimum,   je úhel zaměření   je úhel necitlivosti  vzájemným porovnáním úrovní signálu zjišťovaných pro dvě natočení antény - srovnávací metoda.

51 Radionavigační systémy strana 51 LRAR-T3: Směrová navigace (5/15)  Při zaměřovaní na maximum je výhodou, že zaměření se dosahuje při největším odstupu S/N. Nevýhodou je velký úhel necitlivosti daný malou křivostí vrcholu směrového diagramu antény.  Při zaměřování na minimum je výhodou možnost stanovení smyslu odchýlení antény od správného zaměření, nevýhodou pak je, že zaměření je dosahováno při nulové úrovni signálu, zatímco šum není potlačen.  Při zaměření srovnáváním je výhodou snadné zjištění smyslu odchylky od správného zaměření, nevýhodou je nutnost periodického "kývání" směrové charakteristiky antény.  V současné době se v praxi používá zaměřování na minimum.

52 Radionavigační systémy strana 52 LRAR-T3: Směrová navigace (6/15)  Na přesnost zaměření mají vliv podmínky šíření.  Za reálných podmínek šíření v troposféře nastává výrazná změna polohového úhlu (měření se nepoužívá).  Azimutální úhel bývá většinou ovlivňován šířením nad ostře ohraničenými změnami prostředí - pobřežní lom. Chyba zaměření se projevuje zejména pro letadla v malých výškách.

53 Radionavigační systémy strana 53 LRAR-T3: Směrová navigace (7/15)  Chyby deformací pole v blízkosti antény blízkými rozměrnými objekty - radiodeviace. Radiodeviace je funkcí úhlu zaměření  0 (KUR) a její vliv lze někdy potlačit kompenzací.  Chyby související s polarizací vysílaného a přijímaného signálu. Zaměřovač pro svou práci potřebuje vertikálně polarizovanou vlnu. Horizontálně polarizované složky zvětšují úhel necitlivosti .  Natáčení polarizační roviny se projevuje noční efektem. Má-li zaměřovací anténa rozměrné horizontální části může takto vzniknout chyba. Není na VKV a u přízemní vlny.

54 Radionavigační systémy strana 54 LRAR-T3: Směrová navigace (8/15)  Směrové antény AM navigačních systémů  Pro DV, SV a KV se nejčastěji používají rámové antény (nebo s dvojice navzájem kolmo orientovaných rámových antén) konstrukčně upravených tak, aby byly otočené kolem svislé osy rámu nebo čtveřice vertikálních antén (tzv. Adcockova soustava).  Na VKV se pak používají nejčastěji antény typu parabolického válce, nebo Yagiho antény.

55 Radionavigační systémy strana 55 LRAR-T3: Směrová navigace (9/15)  Systém dvou vertikálních antén  Uvažujme příjem vertikálně polarizované vlny. Přijímač zpraco- vává rozdíl napětí indukovaných v obou anténách. Zdroj vysoko- frekvenčního signálu je daleko, proto budou napětí indukovaná do obou tyčí stejná. Budou však buzeny s časovým zpožděním  t, což je způsobeno dopadem vln na dvojici tyčových antén pod úhlem .

56 Radionavigační systémy strana 56 LRAR-T3: Směrová navigace (10/15)  Z fázorového zobrazení je zřejmé, že přijímač zpracovává rozdí- lovou složku:

57 Radionavigační systémy strana 57 LRAR-T3: Směrová navigace (11/15)  kde E A1 a E A2 jsou indukovaná napětí v obou tyčových anténách, h e je tzv. efektivní výška antény a E je intenzita elektro- magnetického pole v místě příjmu. Zaměření se provádí na mini- mum měřeného napětí E p na vstupu přijímače. Pro d/ <<1 bude mít směrový diagram v polárních souřadnicích tvar daný mate- matickým vztahem:  Uvážíme-li, že obě svislé antény jsou vertikálními částmi obdélníkového rámu, je vidět, že rámová anténa shodných rozměrů se bude chovat stejně.

58 Radionavigační systémy strana 58 LRAR-T3: Směrová navigace (12/15)  Směrová charakteristika v hori- zontální rovině:  Nevýhodou je nutnost mechanického otáčení rámů velkých rozměrů při zaměřování.

59 Radionavigační systémy strana 59 LRAR-T3: Směrová navigace (13/15)  Systém s fixními čtyřmi (může být i více) vertikálními anténami = Adcockova anténa. Používá se sčítání fázorů z protilehlých antén – vyhodnocení směru příchodu signálu na minimum. Aplikace v ADF (Automatic Direction Finding).  Goniometrické anténní soustavy tvoří dvojice rámů mechanicky proti sobě natočených o 90°. Tyto rámy napájejí dvojici vzájemně kolmých cívek. Uvnitř cívek se pak vytváří pole, které je prakticky totožné s polem, které obklopuje oba rámy soustavy. Uvnitř pole cívek je umístěna otočně snímací cívka, připojená ke vstupu přijímače. Natáčení této snímací cívky je ekvivalentní k natáčení celé rámové antény.

60 Radionavigační systémy strana 60 LRAR-T3: Směrová navigace (14/15)  Profesionální ADF systém se dvěma Adcockovými anténami

61 Radionavigační systémy strana 61 LRAR-T3: Směrová navigace (15/15)  Nesměrové majáky NDB (Non-Directional Beacon)  Pracují v pásmu 190 – 1750 kHz s AM modulací, identifikují se pomocí dvoj až trojpísmenného kódu v Morseově abecedě (mod. frekvence 400 nebo 1020 Hz).

62 Radionavigační systémy strana 62  Systémy kruhové navigace jsou založeny na měření vzdálenosti navigovaného objektu od dvou, či více majáků současně. Toto měření se uskutečňuje pomocí vyhodnocení doby šíření dotazova- cího signálu od palubního dotazovače k majáku a zpět. LRAR-T3: Kruhová navigace (1/2)  Geometrickým místem konstantní vzdálenosti od daného bodu je kružnice při 2D měření nebo kulová plocha při 3D měření.  Při měření vzdálenosti k několika majákům, je místem polohy objektu průsečík kružnic nebo kulových ploch (při malém počtu majáků více průsečíků = nejednoznačnost určení polohy)  Aplikace: systémy GNSS

63 Radionavigační systémy strana 63 LRAR-T3: Kruhová navigace (2/2)  Princip kruhové navigace

64 Radionavigační systémy strana 64  Systémy kruhově – směrové navigace jsou založeny na měření vzdálenosti a směru navigovaného objektu od jednoho, či více majáků současně. LRAR-T3: Kruhově - směrová navigace (1/2)  Systémy VOR-DME

65 Radionavigační systémy strana 65 LRAR-T3: Kruhově - směrová navigace (2/2)  Princip kruhově - směrové navigace

66 Radionavigační systémy strana 66  Systémy hyperbolické navigace jsou založeny na měření rozdílu vzdáleností navigovaného objektu od dvou dvojic, či více dvojic majáků současně. Toto měření se uskutečňuje pomocí vyhodnocení doby šíření nebo častěji rozdílů fází synchronních signálů majáku. LRAR-T3: Hyperbolická navigace (1/10)  Geometrickým místem konstantního rozdílu vzdáleností od dané- ho bodu (ohniska) je hyperbola při 2D měření nebo hyperboloid při 3D měření.  Při měření rozdílu vzdáleností k několika majákům, je místem polohy objektu průsečík hyperbol nebo hyperboloidů (nejedno- značnost určení polohy je potlačena)  Systémy DECCA NAVIGATOR, OMEGA, LORAN

67 Radionavigační systémy strana 67  Princip hyperbolické navigace LRAR-T3: Hyperbolická navigace (2/10)

68 Radionavigační systémy strana 68  DECCA NAVIGATOR je dlouhovlnný hyperbolický navigační systém umožňující leteckou a lodní navigaci do vzdálenosti asi 500 km pro jednu síť. Sítí bylo realizováno velké množství (v roce 1982 jich bylo v provozu 50, nyní již odstaveny). Každá síť je tvořena jednou stanicí Master (M) a obvykle třemi stanicemi Sla- ve (S). Ty jsou hvězdicovitě rozmístěny kolem M ve vzdálenosti asi 200 km. Jsou označeny barvami jako červená S č, zelená S z, a fialová S f. Aby přijímač byl schopen rozlišit signály od jedno- tlivých pozemních stanic vysílá každá z nich signály na jiném kmitočtu. Tyto kmitočty jsou celistvými násobky základní fre- kvence f 0. V přijímači se pak tyto frekvence upravují násobením tak, že je umožněno měřit fázové posuvy mezi signálem M a postupně se signály Sč, Sz a Sf. Jednotlivé sítě (chains) jsou označeny čísly a velkými písmeny, např. dánská síť 7B. LRAR-T3: Hyperbolická navigace (3/10)

69 Radionavigační systémy strana 69  Vlastní vyhodnocování fázového posuvu se uskutečňuje na sro- vnávací frekvenci která je vždy pro M a příslušnou S stejná. Fá- zové rozdíly se změří a porovnávají s hyperbolami stejné barvy na navigační mapě. Protože je však vzdálenost mezi stanicí M a pří- slušnou S větší, než je /2 příslušející dané srovnávací frekvenci, opakují se stejné fázové údaje několikrát. Posune-li se například loď po základně hyperbolického svazku o /2 např. ke stanici M, změní se fázový posuv o 360°. Oblast ohraničenou dvěmi soused- ními hyperbolami (majícími mezi sebou fázovou vzdálenost 360°, tedy geometrickou vzdálenost /2) se nazývá opět pásem (decca lane). Počet těchto pásů závisí na konkrétní vzdálenosti stanic M a příslušné S a roste s klesající délkou vlny srovnávacího kmitočtu. Změřený fázový úhel určuje polohovou hyperbolu uvnitř pásu (tzv. jemná lokace), neurčuje ale konkrétní pás (tzv. Lane Identification - LI). LRAR-T3: Hyperbolická navigace (4/10)

70 Radionavigační systémy strana 70  DECCA NAVIGATOR LRAR-T3: Hyperbolická navigace (5/10)

71 Radionavigační systémy strana 71  OMEGA je americký globální hyperbolický navigační systém se základnami 5000 až 6000 NM. Sestává se z osmi vysílačů s výko- nem 10 kW pracujících na velmi dlouhých vlnách a pro určení rozdílů vzdáleností se používá měření fázových posuvů. Přestože systém pracuje na velmi nízkých kmitočtech získáme soubor hy- perbol s nulovým fáz. posuvem, které pak tvoří jednotlivé pásy (fázové zpoždění 0 – 360°, 360 – 720°, atd.). Hyperboly s nulovým fázovým posuvem (resp. 0°, 360°, 720° atd.) tvoří hranice mezi jednotlivými pásy. Vysílače jsou vhodně rozmístěny po zemském povrchu a jsou označeny písmeny A, B, C, D, E, F, G, H. Základní frekvence systému f 0 = 10,2 kHz. Jednotlivé majáky vysílají ra- dioimpulsy kterými se od sebe separují o délce trvání od 0,9 do 1,2 s včetně pořadí, v němž vysílají. Jedna sekvence trvá 10 s a kryje se s celými desítkami sekund světového času. LRAR-T3: Hyperbolická navigace (6/10)

72 Radionavigační systémy strana 72  Stanice A vysílá po dobu 0,9 s frekvenci 10,2 kHz, současně vysílá stanice D kmitočet 11,05 kHz, stanice G kmitočet 11,33 kHz a stanice H 13,6 kHz. Následuje sekvence dalších stanic. Přijímač vyhodnotí na rozdílovém kmitočtu, např. 13,6 - 10,2 = 3,4 kHz (p=4/3) příslušné fázové posuvy (vzniklé polohové čáry jsou identické s každou třetí polohovou čarou kmitočtu 10,2 kHz - pás široký 24 NM pro hrubou navigaci). Rozdílový kmitočet 11, ,2 = 1,13 kHz definuje pásy široké 72 NM a rozdílový kmitočet 11, ,2 = 0,85 kHz pásy široké 288 NM. Jemná navigace se určí pomocí fázových posuvů. Přesnost soustavy je  1 NM v noci (pro 95 % pravděpodobnost). Vyhodnocování se uskutečňuje tak, že každý pás (lane) je rozdělen na 100 dílků (odpovídající fázovému posuvu 3,6° a nazývají se centilane - cel). Obecná polohová čára je pak vyjádřena ve tvaru: číslo pásu, číslo cel. LRAR-T3: Hyperbolická navigace (7/10)

73 Radionavigační systémy strana 73  LORAN je hyperbolický navigační systém s velkým dosahem pro navigaci lodí a letadel (Long Range Navigation). Dosah v noci je asi 4000 km. Princip byl v průběhu času postupně měněn (vyvinuty Loran A, Loran B, a Loran C – dnes aktivní). Systém stabilních stanic o známé poloze: Master – M a Slave - S v konstantních intervalech (20  300 krát za s) vysílají měřící impulsy. Loran C pracuje v pásmu 90  110 kHz. Systém využívá přímé (přízemní) vlny. Vysílače vysílají impulsy dlouhé 50  s s výkonem 100 kW. Poloha přijímače se vždy určuje vzhledem ke dvěma základnám jako průsečík dvou hyperbol. Jednotlivé základny jsou tvořeny samostatnými stanicemi S, stanice M je společná pro obě základny. Stanice M pracuje na dvou frekvencích - hyperbola "červená", druhá pak "zelená". Chyba v určení polohy letadla nebo lodi je při užití povrchové vlny cca 500 m. LRAR-T3: Hyperbolická navigace (8/10)

74 Radionavigační systémy strana 74  LORAN LRAR-T3: Hyperbolická navigace (9/10)

75 Radionavigační systémy strana 75  LORAN – C pokrytí LRAR-T3: Hyperbolická navigace (10/10)

76 Radionavigační systémy strana 76 LRAR-T3: FM výškoměry (1/13)  FM radiovýškoměry malých výšek

77 Radionavigační systémy strana 77 LRAR-T3: FM výškoměry (2/13)  Uvažujme, že modulační signál má trojúhelníkový průběh. Po odrazu od zemského povrchu si signál zachová uvedený tvar, bude však časově posunut o čas:  Záznějový kmitočet, rozdíl mezi odraženým a přímým signálem, je ve velké části modulační periody konstantní. Tato frekvence je měřena čítačem ocejchovaným přímo v jednotkách výšky. kde H je měřená výška.

78 Radionavigační systémy strana 78 LRAR-T3: FM výškoměry (3/13)

79 Radionavigační systémy strana 79 LRAR-T3: FM výškoměry (4/13)  Budeme-li vycházet z lineárního průběhu modulačního kmitočtu, pak podle obrázku“  T m je perioda modulačního signálu,   f m = f max – f min je celkový modulační zdvih,  f 0 je kmitočet nosné bez modulace,  H je měřená výška,  2  H/c je časové zpoždění odraženého signálu,  f s je kmitočet přijímaného signálu a  f v je kmitočet vysílače.  Z obrázku je patrno, že záznějový signál, rovný f z = f v – f s má dvakrát menší periodu a je dvakrát nulový během periody T m modulačního signálu.

80 Radionavigační systémy strana 80 LRAR-T3: FM výškoměry (5/13)  Vzhledem k tomu, že rychlost změny kmitočtu v lineární části signálu f v je: a záznějový kmitočet během časového intervalu, kdy je stálý, je roven výrazu: a pro výšku lze odvodit: kde F m = 1/T m.

81 Radionavigační systémy strana 81 LRAR-T3: FM výškoměry (6/13)  Vztah pro výšku H je pouze přibližný, neboť předpokládá maximální hodnotu záznějového kmitočtu, aniž se počítá s jeho změnou v blízkosti okamžiků, kdy záznějová frekvence klesá k nule.  Uvedený vztah platí jen při  << T m.  Počet vzestupných, resp. sestupných průchodů  z nulou během periody modulace je vstupem pro měřící čítač. Jejich počet je za čas T m :

82 Radionavigační systémy strana 82 LRAR-T3: FM výškoměry (7/13)  Pokud se počet měřených průchodů nezmění o víc než o  1, údaj čítače se nezmění.  Za dobu T m dostaneme:  Chyba měření je pak definována výrazem:

83 Radionavigační systémy strana 83 LRAR-T3: FM výškoměry (8/13) Dosazením kmitočtového zdvihu do rovnice získáme:  Nevýhodou uvedeného principu je nespojitost měření výšky. Ukazatel zobrazuje výšku po přírůstcích  H a dochází k diskretizaci hodnoty měřené výšky. Příklad 21: Určete chybu určení výšky pro FM radiovýškoměr s  f m = 40 MHz

84 Radionavigační systémy strana 84 LRAR-T3: FM výškoměry (9/13)  FM radivýškoměr s potlačenou diskrétností odečtu výšky  Nejednodušší cestou k potlačení diskrétnosti údaje výškoměru je úprava frekvence vysílače před jejím přivedením do balančního detektoru kmitočtovým měničem.  Přímý signál (referenční) je upraven tak, aby jeho střední kmitočet f 0 byl změněn na f 0 + F p, avšak aby absolutní hodnota kmitočtového zdvihu zůstala nezměněna.  Tuto kmitočtovou změnu lze provést vhodným vlnovodným frekvenčním měničem.  Pokud bude F p << F m (modulační kmitočet), diskrétnost změn frekvence prakticky zmizí.

85 Radionavigační systémy strana 85 LRAR-T3: FM výškoměry (10/13)

86 Radionavigační systémy strana 86 LRAR-T3: FM výškoměry (11/13)  Napětí za balančním detek- torem se tvaruje a přemění na impulsy, jejichž počet se čítá za časovou jednotku.  Impulsy jsou generovány vždy v těch okamžicích, kdy časový průběh prochází osou 0-0. Body 1, 3, 5 atd. odpovídají okamžikům generování impulsů (nástupní hrany), body 2, 4, 6 atd. od- povídají okamžikům jejich ukon- čení (sestupné hrany). Pro U 0 (t) nulové platí rovnice: kde k je celé číslo.

87 Radionavigační systémy strana 87 LRAR-T3: FM výškoměry (12/13)  Velikost diskrétních skoků napětí snižuje k-krát ve srovnání s napěťovými skoky klasického výškoměru.  Uvedený vztah může být řešen graficky nebo analyticky. Oba způsoby jsou poměrně náročné. Označíme-li poměr  0 /  0 = , pak platí:

88 Radionavigační systémy strana 88 LRAR-T3: FM výškoměry (13/13) Chyba určení výšky pro předešlý příklad byla  2 m. Při poměru F m /F p = 100 je k = 100/4 = 25 a chyba určení výšky u systému s potlačením diskrétnosti bude  2/25 m =  8 cm. F m bylo 40 MHz, F p pak bude 400 kHz. O tuto hodnotu bude třeba provést posuv srovnávací frekvence před přivedením do balančního detektoru. Příklad 22: Určete chybu určení výšky pro FM radiovýškoměr z předchozího příkladu při potlačení diskrétnosti odečtu výšky s poměrem F m /F p =

89 Radionavigační systémy strana 89 LRAR-T3: IM výškoměry (1/2)  Systémy s impulsní modulací se nejčastěji využívají pro měření vzdálenosti. Mohou pracovat s pasivním odrazem např. od zemského povrchu (typickým použitím je radiovýškoměr velkých výšek), nebo s aktivní retranslací (pak se jedná o typické dálkoměrné letecké systémy).  Systémy s aktivními odpovídači mohou pracovat buď jako standardní měřiče vzdálenosti letadla od retranslátoru, nebo v soustavách s několika retranslátory - v soustavách kruhové nebo hyperbolické navigace. Při uvažování rychlosti šíření elmag. vln v přirozeném prostředí je nutno neopomenout vliv stavu atmosféry a výšky objektu nad zemským povrchem. Relativní přesnost měření je

90 Radionavigační systémy strana 90 LRAR-T3: IM výškoměry (2/2)  Impulsní výškoměr je jednoduchý málovýkonový radar jehož odrazovou plochou je zemský povrch. Je vhodný pro měření středních a velkých výšek.

91 Radionavigační systémy strana 91 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (1/10)  Navigační systém využívající Dopplerův jev  Systémy jsou určeny pro měření traťové rychlosti a úhlu snosu a patří mezi nezávislé navigační systémy větších nákladních, civilních i vojenských letadel bez jakékoli spoluúčasti pozem- ních zařízení.  Dopplerova frekvence, jež vzniká pohybem letadla s traťovou rychlostí TR vůči zemskému povrchu je:  Dopplerův systém pracu- je na cm vlnách.

92 Radionavigační systémy strana 92 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (2/10)  Pro měření složek rychlosti podélné, příčné a vertikální a úhlu snosu je třeba uspořádání vyzařovacích svazků antén podle tzv. Janusovy úpravy.

93 Radionavigační systémy strana 93 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (3/10)  Při Janusově způsobu rozmístění svazků budou Dopplerovy kmitočty v jednotlivých svazcích následující: kde TR p, TR b a TR v jsou složky traťové rychlosti podélné, boční a vertikální, f d1, f d2 a f d3 jsou Dopplerovy frekvence v jednotlivých svazcích,  p,  b a  v jsou úhly mezi dopřednou TR p, boční TR b a vertikální složkou traťové rychlosti TR v a osou jednotlivých svazků

94 Radionavigační systémy strana 94 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (4/10) a cos  p, cos  b a cos  v jsou směrové kosíny rovné: kde  je depresní úhel svazků s rovinou antény, vyjádřený pro všechny tři svazky z rovnice:   je úhel mezi podélnou osou letadla a projekcí jednotlivých svazků na zemský povrch. Vztah mezi jednotlivými úhly vyjadřuje vztah cos  = sin  cos .

95 Radionavigační systémy strana 95 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (5/10)  Odečtením rovnic pro f d1 a f d3 získáme dopřednou složku traťové rychlosti TR p z rovnice:  Odečtením rovnic pro f d1 a f d2 získáme boční složku traťové rychlosti TR b z rovnice:  Sečtením rovnic pro f d2 a f d3 získáme vertikální složku traťové rychlosti TR v z rovnice:

96 Radionavigační systémy strana 96 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (6/10)  V palubním počítači se tyto složky zpracovávají na výslednou traťovou rychlost: a úhel snosu:  Dopplerův navigační systém poskytuje pouze informace o traťové rychlosti a úhlu snosu.  Aby bylo možné pomocí něj provádět kompletní navigaci, tj. obdržet souřadnice polohy letadla, musíme tento systém doplnit o palubní počítač a o údaje z palubního kurzového systému.

97 Radionavigační systémy strana 97 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (7/10)  Dráha letu se počítá v různých souřadnicových soustavách.  Obvyklá je pravoúhlá soustava souřadnic, kde osy jsou rovnoběžné se směry N - S a E - W. Při jejím využití se dráha letu rozkládá na integrály vektorů rychlosti ve směru těchto os.

98 Radionavigační systémy strana 98 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (8/10)  Aby bylo možné tyto složky určit je nutné do počítače zavést údaje o kurzu letadla. Podle obrázku dostaneme: kde K z je zeměpisný kurz získaný z palubního kompasu,  je úhel snosu určený Dopplerovským palubním systémem a TR je traťová rychlost určená rovněž palubním Dopplerovským systémem.

99 Radionavigační systémy strana 99 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (9/10)  Palubní počítač vyhodnocuje zeměpisné souřadnice momentální polohy letadla ze složek drah letu do poledníku a rovnoběžky:  Ze souřadnic pak navigační palubní počítač odvozuje uraženou dráhu a jiné potřebné navigační informace.  Při použití tohoto navigačního systému se projevují některé chyby dané chybami samotného Dopplerovského systému, chybou palubního kursového systému a chybami palubního počítače.

100 Radionavigační systémy strana 100 LRAR-T3: Inerciální Dopplerův syst. (10/10)  Vliv mají rovněž konstrukce anténních systémů, povaha terénu pod letadlem, vliv tvaru Země a výška letu.  Např. vliv tvaru Země se potlačuje tak, že se při cejchování volí délková míra odpovídající délce oblouku poledníku o hodnotě jedné úhlové minuty ve středu jeho křivosti.  Výška letu způsobuje chybu tím že systém měří vzdálenost prolétnutou letadlem a nikoliv vzdálenost, kterou projdou svazky elmag. energie při jejich pohybu po zemském povrchu.  Typická velikost chyb systému při výšce použití do m a rozsahu traťových rychlostí mezi 220 až 1300 km/h a do snosu  30° je u traťové rychlosti 2 km/h  0,4 %TR a u snosu 18'.

101 Radionavigační systémy strana 101 LRAR-T3: Srovnání přesnosti nav. syst. (1/1)  Názorný přehled dosažitelné přesnosti určení 2D polohy pro různé navigační systémy

102 Radionavigační systémy strana 102  Systémy letecké navigace se dělí na:  soustavy pro navigaci pro malé a střední vzdálenosti (do asi 200km)  soustavy pro dálkovou navigaci  soustavy pro konečné přiblížení (přistávací systémy)  sdružené soustavy pro radionavigaci a řízení letového provozu  komplexní soustavy pro dispečerské služby LRAR-T3: Systémy letecké navigace (1/4)

103 Radionavigační systémy strana 103 LRAR-T3: Systémy letecké navigace (2/4)  Rozdělení vzdušného prostoru v ČR  Vzdušný prostor ČR je rozdělený horizontálními hranicemi do tříd C, D, E a G, pro které jsou stanovena pravidla o  typech letů, které lze v daném prostoru provádět (IFR x VFR)  poskytovaných službách ŘLP  minimálních meteorologických podmínkách pro lety VFR  požadavcích na radiové spojení  povinnosti podání letového plánu  Okolo velkých letišť jsou definovány oblasti řízeného okrsku CTR (Control Zone) a koncové řízené oblasti TMA (Terminal Control Area)

104 Radionavigační systémy strana 104 LRAR-T3: Systémy letecké navigace (3/4)  Provoz v CTR řídí věž (TWR), v TMA přibližovací služba (APP), mimo TMA oblastní služba ŘLP  Mimo prostory vymezující okrsky letišť a koncové oblasti jsou na území ČR vyhlášeny oblasti, do nichž je vstup buď stále, nebo po aktivaci omezen.  Zakázané oblasti jsou označeny LK P s číslem, omezené LK R s číslem a dále výškou dolní a horní hranice oblasti.  FLx = letová hladina, kde x je výška ve stovkách stop  AGL = výška ve stopách nad povrchem země  ASL = výška ve stopách nad hladinou moře

105 Radionavigační systémy strana 105 LRAR-T3: Systémy letecké navigace (4/4)  Výřez mapy vzdušného prostoru ČR

106 Radionavigační systémy strana 106 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (1/7)  VOR (Very High Frequency Omnidirecitonal Range) je navigační systém složený ze sítě všesměrových majáků, pomocí kterých je uživateli udáván kurs vzhledem ke zvolenému majáku.  VOR je standardní navigační systém ICAO (International Civil Aircaft Organization) umožňující poměrně přesné řízení letadel na mezinárodních tratích s hustým provozem i za špatných meteorologických podmínek.  Systém je založen na vyhodnocování fázového posuvu mezi referenčním a měrným signálem velmi nízkého kmitočtu a může pracovat v několika režimech.

107 Radionavigační systémy strana 107 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (2/7)  Princip VORu

108 Radionavigační systémy strana 108 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (3/7)  Režimy VORu  Jednoduchý VOR - udává údaj o odchylce od předem zada- ného kursu, nastaveného na indikátoru, při současně nasta- veném údaji zda letadlo letí "k" či "od" naladěného majáku.  VOR s indikací RMI (s radiomagnetickým indikátorem) - udává vše co jednoduchý VOR, navíc však udává úhel, který svírá osa letadla se směrem na maják VOR - kursový úhel radiomajáku.

109 Radionavigační systémy strana 109 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (4/7)  Signál majáku VOR  Nosná vlna (108 – 117,95 MHz, rozteč 50 kHz) vysílaná majákem VOR nese dva oddělené nízkofrekvenční signály o kmitočtu 30 Hz. Jeden z nich je nezávislý na kursu, je označován signálem referenčním nebo signálem severu, druhý má proměnnou fázi vzhledem k signálu referenčnímu s rozdílem fází odpovídající změně kursu k majáku od 0° do 360°.  V poledníkové rovině od majáku na sever se liší o tolik stupňů fázového posuvu, kolik je úhlová odchylka daného kursu k majáku od směru severního.  Pro vytvoření referenčního signálu se nejprve signálem 30 Hz

110 Radionavigační systémy strana 110 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (5/7) kmitočtově moduluje pomocná nosná 9960 Hz se zdvihem  480 Hz a tímto signálem je pak amplitudově modulována hlavní nosná. Signál proměnné fáze je přímo amplitudově modulován na hlavní nosnou. Současně je vysílán identifikační signál, který je tvořen dvěma až třemi písmeny Morseovy abecedy s tónem 1020 Hz.  Maják VOR umožňuje i hlasovou varovnou komunikaci.

111 Radionavigační systémy strana 111 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (6/7)  Maják dopplerovského VORu  Blokové schéma přijímače VORu

112 Radionavigační systémy strana 112 LRAR-T3: Systém blízké nav. VOR (7/7)  Podle doporučení ICAO je vhodné kombinovat majáky VOR s dálkoměrným zařízením DME (Distance Measurement Equipment). Toto zařízení měří s velkou přesností vzdálenost letadlo - maják DME a jsou-li maják VOR a DME blízko sebe oba údaje dovolí stanovit i okamžitou polohu letadla – kruhově směrová navigace.  Princip a indikátor přijímače VORu s RMI

113 Radionavigační systémy strana 113 LRAR-T3: Dálkoměrný systém DME (1/5)  Dálkoměrný systém DME je mezinárodní standardní soustavou ICAO pro měření vzdálenosti mezi letadlem a pozemním retranslátorem - majákem.  DME je impulsní systém pracující v pásmu MHz.  Pozemní majáky jsou obvykle rozmisťovány spolu se všesměrovými majáky VOR a tvoří typickou soustavu pro traťovou navigaci s aplikací kruhově směrové navigace.  Systém DME/VOR slouží jednak pro civilní letectvo, s malými úpravami jej však používá i letectvo vojenské (TAKAN).

114 Radionavigační systémy strana 114 LRAR-T3: Dálkoměrný systém DME (2/5)  Měřící signál DME  Palubní dotazovač vysílá impulsy na jednom ze 126 kmitočtových kanálů s krokem 1 MHz.  Dotazovací impuls má tvar párového impulsu. Impulsy páru jsou od sebe vzdáleny o 12  s. Délka každého z těchto impulsů je 3,5  s. Opakovací kmitočet dotazovacích impulsů je proměnný a může se měnit od 5 do 150 párových impulsů/s.  Pozemní maják přijímá dotaz a po určité době zpoždění (konstantní zpoždění 50  s) uskuteční jejich retranslaci k dotazovači.

115 Radionavigační systémy strana 115 LRAR-T3: Dálkoměrný systém DME (3/5)  Retranslace je uskutečněna na kmitočtu, který je o 63 MHz posunut níže či výše, než je kmitočet dotazu.  Palubní dotazovač automaticky určuje dobu zpoždění mezi okamžiky vysílání dotazu a příjmem odpovědi.  Blokové schéma dotazovače

116 Radionavigační systémy strana 116 LRAR-T3: Dálkoměrný systém DME (4/5)  DME signál a jeho vyhodnocení

117 Radionavigační systémy strana 117 LRAR-T3: Dálkoměrný systém DME (5/5)  Základní parametry systému DME:  Dosah 370 km  Přesnost určení vzdálenosti  (300+0,05%D) m  Kmitočet dotazovačů 1025 – 1150 MHz  Kmitočet odpovídačů 962 – 1213 MHz  Počet použitelných kanálů 252  Kmitočtová vzdálenost mezi jednot. Kanály 1 MHz  Výkon vysílače 1,25 kW  Citlivost přijímače -116 dBW  Selektivita vůči sousedním kanálům 60 dB  Doba vyhledávání < 3 s  Doba vyhodnocení vzdálenosti < 3 s  Doba práce v režimu pamatování < 5 s

118 Radionavigační systémy strana 118 LRAR-T3: Přiblížení na přistání (1/3)  Jednou z nejkritičtějších letových fází je konečné přiblížení, tj. příprava na přistání a vlastní přistávací manévr.  Pro potřebu klasifikace vlastní meteorologické situace jsou stanovena meteorologická minima, podle kterých jsou stanoveny stupně vybavení na letišti a vycvičenost personálu.  I. kategorie = dohlednost horizontálně 800 m, vertikálně 60 m  II. kategorie = dohlednost horizontálně 400 m, vert. 30 m  III. kategorie = dohlednost horizontálně 200 m, vertikálně nestanoveno (pro pojíždění je třeba horizontální dohlednost alespoň 50 m - kat. IIIB).  Meteorologická minima jsou rozdělena na kategorie:

119 Radionavigační systémy strana 119 LRAR-T3: Přiblížení na přistání (2/3)  Přístrojové systémy musí zaručit bezpečné svedení letadla do dané výšky a dané vzdálenosti od prahu přistávací dráhy podle příslušné kategorie.  Z tohoto bodu tzv. bodu rozhodnutí musí konečnou fázi přistání uskutečnit pilot.  Kritický okamžik přistávacího manévru je přechod z přistávání pomocí přístrojů na konečné vizuální přistání.  Při průměrné reakci letadla 3 s má pilot (při průměrné reakční době 1,7 až 6,2 s podle stupně výcviku) na rozhodnutí čas 7,1 až 2,65 s, přičemž např. pro vyrovnání stranové i výškové odchylky do 40 m potřebuje dopravní letadlo a pilot až 15 s.

120 Radionavigační systémy strana 120  Přistávací manévr může být uskutečněn následujícími způsoby: LRAR-T3: Přiblížení na přistání (3/3)  Použití jednoduchého systému přistání (používají jej malá pomalá letadla, nebo dopravní v případech nouzové situace – metoda postupného obletu navigačních bodů)  Použití přistávacích majáků (přistání pomocí systému ILS – všechna mezinárodní letiště  Použití přistávacích radiolokátorů (navedení k prahu dráhy je prováděno v součinnosti s ŘLP)

121 Radionavigační systémy strana 121 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (1/14)  V současné době musejí být všechna mezinárodní dopravní letiště vybavena systémem ILS, tj. systémem pro přístrojové přistávání. Tento systém dovoluje přistávání velkých dopravních letadel při II. stupni meteorologického minima.  K vybavení patří komplexní pozemní systém (majáků) a palubní systémy (vyhodnocovací zařízení).

122 Radionavigační systémy strana 122  Majáky pro stanovení příletové dráhy LRAR-T3: Přistávací systém ILS (2/14)

123 Radionavigační systémy strana 123 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (3/14)  ILS - LOC (ILS - LOCaliser) je kursový (dráhový) maják, který vytváří signál vhodný pro vedení letadla po svislé rovině procházející prodlouženou osou přistávací dráhy.  Je umístěn 300 až 1000 m za přistávací dráhou na její ose.  Pracuje s amplitudovou modulací nosné ve kmitočtovém pásmu 108,1 až 111,9 MHz s roztečí 200 kHz.  Dosah kursového majáku je okolo 45 km.  Systém má vlastní kontrolní jednotku, jež automaticky hlídá parametry majáku.

124 Radionavigační systémy strana 124 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (4/14)  V současné době existují tři kategorie majáků LOC podle přesnosti navedení k patě dráhy v horizontální ose:  I. kategorii:  10,5 m  II. kategorii:  7,5 m  III. kategorii:  3,0 m  Přijímač ILS - LOC je spolu s indikátorem společný i pro systém VOR. Má však dva nf. zesilovače pro modulační kmitočty 90 Hz a 150 Hz opatřené filtry, které jsou určeny pro vyhodnocování odchylek kursu.  Maják vysílá dva směrové svazky elektromagnetické energie tak, aby vytyčovaly svislou rovinu, ve které je umístěna podélná osa přistávací dráhy.

125 Radionavigační systémy strana 125  Svazky systému ILS-LOC LRAR-T3: Přistávací systém ILS (5/14)  Osa tvoří geometrické místo bodů stejné amplitudy nf. modulačních signálů 90 a 150 Hz.  Oba tyto modulační signály se vysílají na společném nosném kmitočtu.

126 Radionavigační systémy strana 126 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (6/14)  Při příletu letadla mimo osu dráhy je vždy amplituda jedné z modulačních složek vetší, což je indikováno ručkovým indikátorem (svislou ručkou indikátoru VOR).  Pilot manévruje letadlem tak, aby stabilizoval vychýlenou ručku do nulové hodnoty.  Kursový přijímač ILS-LOC je dále vybaven soustavou kontroly správné činnosti, tzv. varovnými praporky.

127 Radionavigační systémy strana 127  ILS–GS (Glide Slope) - přibližovací sestupový radiomaják slouží pro vytvoření nakloněné skluzové roviny, proložené vztažným bodem přistávací dráhy (místem asi 150 až 300 m za prahem dráhy). LRAR-T3: Přistávací systém ILS (7/14)  Maják ILS–GS je umístěn asi 120 až 170 m vedle přistávací dráhy a asi 240 až 280 m od jejího prahu.  Skluzová rovina je opět vytvořena dvěma směrovými charakteristikami, do nichž je vyzařován vysokofrekvenční signál amplitudově modulovaný dvěma modulačními kmitočty 90 Hz a 150 Hz.  Do horní charakteristiky se vysílá modulace 90 Hz, do dolní pak 150 Hz.

128 Radionavigační systémy strana 128 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (8/14)  Skluzová rovina je definována jako geometrické místo stejných modulačních amplitud obou nf. signálů.  Svazky systému ILS-GS

129 Radionavigační systémy strana 129  Stejně jako u ILS - LOC i u ILS - GS se neporovnávají modulační amplitudy, ale hloubky modulace obou signálů. LRAR-T3: Přistávací systém ILS (9/14)  Skluzová rovina má obvykle sklon 2,5°.  Dosah skluzového majáku je asi 20 km. Pracovní kmitočet nosné je 329,1 až 335 MHz.  Pokud letadlo letí po správné skluzové rovině, ručkový indikátor (vodorovný ukazatel na indikátoru VOR) ukazuje přesně na nulu. Při rychlejším nebo pomalejším klesání se ručka vychýlí z vodorovné polohy na tu stranu, kde je správná skluzová rovina. Indikace je tedy opět povelová a pilot letadlem sleduje výchylky ručky.

130 Radionavigační systémy strana 130  Přesnost dosaženého navedení pomocí ILS-GS je u:  I. kategorie 15 m vertikálně  II. a III. kategorie 15 m (+ 3 m, -0 m). LRAR-T3: Přistávací systém ILS (10/14)  Přijímač ILS - GS je opatřen kontrolním systémem varovného praporku.  Při použití systému je třeba nalétnout podle pokynů dispečera do kursového paprsku tak, aby indikátor kursu systému ILS - LOC, ARK i gyroskopického kompasu současně ukazovaly nulu. Pak let pokračuje až se letadlo dostane do zóny skluzového majáku ILS - GS. Další let se uskutečňuje podle údajů indikátoru obou majáků. Systém svede letadlo do výšky asi 30 až 40 m, dále přistává pilot vizuálně.

131 Radionavigační systémy strana 131  Maják ILS-GS LRAR-T3: Přistávací systém ILS (11/14)

132 Radionavigační systémy strana 132  Markerový systém se skládá ze tří majáků s plochou vyzařovací charakteristikou směřující kolmo vzhůru. LRAR-T3: Přistávací systém ILS (12/14)  Majáky markerů pracují na kmitočtu 75 MHz.  Nosná je modulována amplitudově, přičemž modulační kmitočet nejvzdálenějšího majáku je 400 Hz, vnitřního majáku 1300 Hz a nejbližšího majáku 3000 Hz.  Na palubě letadla je umístěn přijímač a anténa pro kmitočet 75 MHz. Za detektorem má přijímač tři filtry naladěné na uvedené modulační kmitočty markerů a z jejich výstupu se vede modulační signál do sluchátek pilota a na signalizační žárovky umístěné většinou na indikátoru VOR/ILS.

133 Radionavigační systémy strana 133  Indikátor VOR/ILS LRAR-T3: Přistávací systém ILS (13/14)  Umístění pozemních systémů ILS

134 Radionavigační systémy strana 134 LRAR-T3: Přistávací systém ILS (14/14)  ILS je obvykle doplněn přehledovým oblastním radiolokátorem a dispečerské stanoviště má k dispozici údaje sekundárního radiolokátoru pokrývajícího danou oblast.  Přehledový radiolokátor sleduje a řídí vzdušnou situaci v okolí letiště a pomocí jeho údajů si dispečer organizuje letadla do sestupového pořadí.  Jeho dosah je 200 až 250 km. (Písek, Ruzyně, Tuřany, Mošnov).  Dispečerské stanoviště může být vybaveno výpočetní technikou, pomocí které je usnadněno zpracování informací o přibližujících se a vzdalujících se letadel, určuje se pomocí ní pořadí na přistání a pohyb letadel kolem letiště a na něm.

135 Radionavigační systémy strana 135 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (1/6)  MLS (Microwave Landing System) byl navržen jako nástupce ILS pro přístrojové přistávání i za těch nejobtížnějších meteorologických podmínek.  Systém ILS má některé nedostatky, které nelze odstranit:  přiblížení pouze po jediné trase  sklon skluzové roviny je fixní a to asi 3°  jen 40 kanálů  vícecestné šíření

136 Radionavigační systémy strana 136 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (2/6)  MLS pracuje impulsně v pásmu 5,031 GHz až 5,091 GHz, 200 kanálů s roztečí 300 kHz.  Základem je vytvoření listových směrových anténních charakteristik a jejich "kývání" s přesně dodržovanou konstantní rychlostí.  Poloha letadla vzhledem k přistávací dráze je vyhodnocována na palubě letadla měřením doby mezi impulsy přijatými během přechodu směrového svazku přes letadlo a při jeho přechodu tam a zpět.

137 Radionavigační systémy strana 137 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (3/6)

138 Radionavigační systémy strana 138 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (4/6)  Systém MLS se skládá z:  Kursového přibližovacího majáku (Approach Azimuth Guidance), který je umístěn 400 až 600 m za koncem dráhy, který poskytuje letadlům azimutální vedení při konečném přiblížení a při přistávacím manévru. Kursový maják je doplněn upraveným (precizním) měřičem vzdálenosti DME/P (Range Guidance). Směrová souřadnice (azimut) je snímána v sektoru asi + 60° ° vzhledem k podélné ose přistávací dráhy.  Kursového odletového majáku pro nezdařené přiblížení (Back Azimuth Guidance), který poskytuje pilotovi azimutální vedení při přerušeném přistávacím manévru a při průletu nad přistávací dráhou. Je umístěn 400 až 600 m před prahem dráhy.

139 Radionavigační systémy strana 139 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (5/6)  Sestupového majáku (Elevation Guidance), který je umístěn 200 až 300 m za prahem a 120 až 150 m bokem přistávací dráhy, který poskytuje vedení letadla po zvoleném úhlu klesání v rozsahu cca 1až 20°.  Datového komunikačního systému, který distribuuje pomocné datové zprávy (rozsahy přistávacích elevací, azimutů stav přistávací dráhy apod.).

140 Radionavigační systémy strana 140 LRAR-T3: Přistávací systém MLS (6/6)  V současné době je MLS instalován na velkých mezinárodních letištích v USA i v Evropě a na palubách většiny nových letadel. Překážkou pro jeho větší rozšíření je vysoká cena pozemní i palubní části systému a příprava přistávacího systému na bázi GNSS s DGPS.  ICAO stále prodlužuje ochranu využívání dnes už zastaralého systému ILS jako standardu pro všechna mezinárodní letiště.

141 Radionavigační systémy strana 141 Děkuji za vaši pozornost Anténní systém kursového majáku MLS


Stáhnout ppt "Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 16.11.2013 LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy TUTORIÁL 3."

Podobné prezentace


Reklamy Google