Prezentace pro seminář letových instruktorů k přednášce : Navigační dovednosti zahrnující stávající a nové radionavigační prostředky, použití GPS a další zařízení v letectví a jejich problematika Autor: Jan Zíval

Mezi stávající radionavigační prostředky bych zmínil především ADF (radiokompas) Radiokompas patří mezi závislé navigační zařízení, které automaticky indikuje kursový úhel radiostanice. Radiokompas může být použit v rozsahu přijímaných kmitočtů jako komunikační přijímač. Kursový úhel radiostanice je úhel, měřený od podélné osy letounu k radiové stanici, ve směru hodinových ručiček. Obr. 1-1

Rádiové pozemní stanice, pracující v kmitočtovém pásmu 150 – 1800 kHz, mohou být využity k navigačnímu účelu. Pro navigační účely, byly vybudovány nesměrové majáky, nazývané NDB ( Non Directional Beacon), pracující v kmitočtovém pásmu 190-550 kHz a vysílají po 30 sekundách identifikační značky, Morseovou abecedou na nosném kmitočtu 400 nebo 1020 kHz. Palubní zařízení se skládá z přijímače, obsluhy, antén (všesměrová a rámová) a indikátoru. Obr. 1-2 U starších typů ADF se používá rámová otočná anténa. Současné ADF jsou vybaveny pevnou rámovou anténou, která je spolehlivější.

VOR a Doppler – VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) VOR a Doppler – VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) Zařízení představuje jak pozemní tak palubní vybavení a je zjednodušeně řečeno VKV všesměrovým majákem. Pozemní majáky systému VOR pracují v kmitočtovém pásmu 108,000 až 117,950 MHz. V praxi se používá tří základních typů majáků.

Dopplerovský maják VOR je modernější verzí majáku Dopplerovský maják VOR je modernější verzí majáku. Provedení využívá tzv. Dopplerův jev, při kterém se mění kmitočet vlnění elektromagnetického pole při relativním pohybu mezi zdrojem vlnění a pozorovatelem. Přibližuje-li se zdroj vlnění k pozorovateli, kmitočet se zvyšuje, vzdaluje-li se, kmitočet klesá. Maják na tomto principu je o řád přesnější a není tak citlivý na terénní nerovnosti.

DME (dálkoměr). Rádiový dálkoměr je typickým navigačním zařízením DME (dálkoměr) Rádiový dálkoměr je typickým navigačním zařízením. Jeho pozemní zařízení se buduje na letištích a letových cestách, obvykle v těsné blízkosti majáků VOR. DME (Distance Measuring Equipment) měří šikmou vzdálenost od majáku a vysílá identifikační signál, jehož volací znak je vysílán Morseovou abecedou. Hlavní částí DME je palubní zařízení, nazývané dotazovač, který vytváří dvojice dotazovacích impulsů, které modulují vysílač. Pracuje na kmitočtech 962 – 1213 MHz. Vysílač vysílá impulsy prostřednictvím antény do prostoru. Dopadnou–li dotazovací impulsy na anténu odpovídače, který je umístěn na zemi, odpovídač dotazovací impulsy zpracuje, zpozdí je o 50s a sesynchronizuje vysílání odpovídače a odpoví dvojicí impulsů se stejným opakovacím kmitočtem, jako měly původní dotazovací impulsy. Odpovídací impulsy jsou přijaty palubním přijímačem a zpracovány na videoimpulsy, ze kterých se vytvoří signál úměrný šikmé vzdálenosti. Na indikátoru je potom zobrazena šikmá vzdálenost od letounu k majáku DME v NM. Palubní zařízení se skládá z bloku přijímač / vysílač, obsluhy, antény a indikátoru. Obr. 1-4 Na dopravních letounech se používají dvě soupravy. Dosah dálkoměru je do vzdálenosti 500 km s přesností indikace v rozmezí  0,5 %. Majáky DME se zpravidla umisťují společně s majáky VOR, což umožňuje přesnější navigaci.

ILS Tento systém patří mezi radionavigační zařízení, určené pro navádění letounu na přistání a automatické přistání, včetně výběhu. Sestává z dvou pozemních majáků. Kursový maják obr. 1-5, umístěný v ose přistávací dráhy, 1000 ft za prahem dráhy, pracuje na kmitočtech 108.00 – 111.95 MHz a tvoří svislou rovinu. Sestupový maják obr. 1-7, umístěný bočně a 1000 ft od prahu dráhy, pracuje na kmitočtech 328.00 – 335.00 Mhz a vytváří nakloněnou rovinu, ke které je svislá rovina kursového paprsku kolmá. Kursový maják vysílá vf paprsky, které vytyčují svislou rovinu, kterou prochází osa přistávací dráhy, jako geometrické místo bodů stejné amplitudy dvou nf signálů 90 a 150 Hz, představující modulační kmitočty. Dosah vysílače je 45 km. Na palubě je umístěn přijímač, který dostává z antény na vstup signál obsahující kmitočty 90 a 150 Hz. Po výkonovém zesílení se obě složky oddělí, samostatně usměrní a přivedou na indikátor proti sobě. Je-li letoun v ose přistávací dráhy mají kmitočty 90 a 150 Hz stejnou amplitudu a na výstupu je nulové napětí. Ručička indikátoru ukazuje do středu kroužku, tedy nulovou odchylku a letoun je v ose dráhy. Obr. 1-6 Je-li letoun odchýlen od osy dráhy např. vlevo, je v místě, kde je silnější signál 90 Hz a slabší 150 Hz, na výstupu napětí takové polarity, při kterém se ručička vychýlí vpravo. Pilot, nebo automatika sleduje ručičku indikace a bude točit vpravo. V případě odchylky od dráhy vpravo, probíhá děj opačně. V praxi jsou kmitočty kursového majáku pevně přiřazeny ke kmitočtům sestupového majáku . To znamená, že na obsluze přijímače ILS se navolí pouze kursový kmitočet, ke kterému se automaticky přiřadí kmitočet sestupový.

Princip ILS a indikace polohy

Sestupový maják ILS, pracuje prakticky na stejném principu jako maják kursový. Hlavní rozdíl spočívá v orientaci antény vysílače. Anténa je otočena o 90° a její signál vytyčuje sestupovou rovinu pod úhlem 2°-3°. Obr. 1-7 Část přijímače, která zpracovává signál sestupového majáku je obdobou kursového, přijímače. Obr. 1-8 Je-li letoun přesně usazen v sestupové rovině, je na výstupu zesilovače nulové napětí a indikační ručička ukazuje do středu kroužku, tedy nulu. Pokud se letoun pohybuje nad sestupovou rovinou, je v prostoru silnějšího signálu 90 Hz odpovídající amplituda a napětí vychýlí ručičku indikátoru dolů. Přesnost navedení letounu odpovídá ICAO kategorii. Odchylky kursového paprsku od referenčního bodu přistávací dráhy, odpovídají následujícím odchylkám : I.CAT  10,5 m, II.CAT  7,5 m, III.CAT  3,0 m Přesnost navedení v sestupové rovině ve výšce 15 m nad referenčním bodem odpovídá dle ICAO následujícím odchylkám: I.CAT  3,0 m, II.CAT a III.CAT + 3 m / - 0 m Mezi největší nedostatky systému se považuje deformace sestupové roviny vlivem okolního terénu a z toho plynoucí nepřesnosti v navedení na přistání.

K systému ILS nutně patří další zařízení, které vyznačuje vzdálenosti při konečném přiblížení. Jsou to rádiová návěstidla – Marker. Tyto vysilače – majáky, vytyčené v ose dráhy a na určených vzdálenostech od prahu dráhy, vysílají vzhůru amplitudově modulovaný signál, na kmitočtu 75 MHz ve formě Morse značek. Při přeletu návěstidla se rozsvítí odpovídající barevná signalizace a ozve se akustický signál. Návěstidla jsou rozdělena následovně: Vnější ve vzdálenosti 7200 m , modrá signalizace a akustický signál, 2 čárky / s Střední ve vzdálenosti 1050 m, jantarová signalizace a akustický signál, čárka, tečka Vnitřní ve vzdálenosti 75 m, bílá signalizace, 6 teček / s

2.5. Radarová pozorování a využití k navigaci za letu Současná radarová technika umožňuje díky vysoké rozlišovací schopnosti, včetně barevného rozlišení cílů, poskytovat přesné informace. Běžně se během provozu používají dva módy zobrazení. WX / WXA mód se používá při pozorování počasí. Kombinace čtyřech barev, zelené, žluté, rudé a zvláštní červené, nám umožní získat informace o intenzitě dešťových srážek, nebo o bouřkové aktivitě. Podle barvy lze usoudit např. žlutá, že v zobrazené oblasti je lehký déšť. Sytá rudá signalizuje těžký déšť. MAP / NAV mód je využíván pro navigační účely. Při vybavení vhodným interfacem, je možné do radarového obrazu zemského povrchu vložit kursové čáry s jednotlivými otočnými body trati. Na obrazovce se objeví letěná trať, aktuální obraz povětrnostní situace s případnými bouřkovými centry. Vzdálenostní značky nám usnadní rychlou orientaci ve vzdálenostech od orientačních bodů.

Systémy prostorové navigace Obecná filozofie Prostorová navigace R NAV je navigační a naváděcí systém, který využívá směrníků VOR, měření vzdálenosti pomocí DME a barometrické výšky, jako základních vstupních signálů k výpočtu kursu a vzdálenosti k traťovým bodům. Systém je limitován možností příjmu majáků VOR / DME. Nemůže být využíván např. pro navigaci při letech přes oceán. Pro dálkovou navigaci jsou používány inerciální navigační systémy, které patří mezi nezávislé navigační prostředky. V poslední době se stále více uplatňuje GPS navigace, která díky pokrytí signálem po celé zeměkouli, je schopna zajistit vedení letounu v celém rozsahu plánované trati.

Druhy vstupů systému prostorové navigace Druhy vstupů systému prostorové navigace U nezávislých palubních systémů, jako jsou INS a Doppler to jsou boční odchylka, vzdálenost, zeměpisná poloha, traťová rychlost a snos větru. Ze závislých systémů typu VOR / DME, ONS, Loran-C a Decca to jsou především: směrník VOR, šikmá vzdálenost DME, zeměpisná poloha, traťová rychlost. Údaje o IAS, TAS, barometrická výška a Machovo číslo jsou přiváděny do počítače R NAV z ADC. Radiometrická výška je výsledkem měření radiovýškoměru. Hodnoty magnetického kursu jsou získávány z indukčního kompasu, jehož senzorem je sonda umístěná zpravidla v okrajovém oblouku křídla nebo v zadní části trupu. Prostorová navigace R NAV je navigační a naváděcí systém, který využívá pozemních majáků VOR a DME k vedení letounu po plánované trati. Obr. 5-2 Navigační počítač přijímá směrník VOR a vzdálenost měřenou DME dotazovačem, a výšku z ADC. Navigační údaje jsou ukládány do paměti navigačního počítače. V navigační databázi jsou uloženy informace, požadované k vedení letounu po trati, mezi něž patří : zeměpisné souřadnice, nadmořská výška, frekvence VOR / DME majáků a magnetické směry. Přesnost systému je ovlivněna pokrytím operační oblasti signály VOR a DME. Celý systém patří mezi velmi spolehlivé navigační systémy. Má minimum pohyblivých mechanických částí. Elektronické obvody se vyznačují vysokým stupněm integrace.

LORAN – C Název Loran vznikl jako zkratka anglického názvu LOng RAnge Navigation, tedy navigace na velké vzdálenosti. Loran je impulsní hyperbolický navigační systém na dlouhé vzdálenosti, jehož palubní část spolupracuje s pozemními majáky. Pracuje na nosném kmitočtu 100 kHz Navigační systém DECCA Decca patří mezi hyperbolické navigační systémy, pracující na velmi dlouhých vlnách na kmitočtech 70-130 kHz. Vytváří síť vysílacích stanic s Master stanicí – řídící a tři Slave stanice – podřízené. U všech stanic známe přesnou zeměpisnou polohu. Fázové rozdíly mezi master stanicí a každou z podřízených stanic jsou

Družicová navigace : GPS / GLONASS / GALILEO Systém byl vyvinut Ministerstvem obrany Spojených Států Amerických (United States Department of Defense) a jeho oficiální název je NAVSTAR GPS (NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System) Družicová navigace GPS je založena na měření vzdálenosti. To znamená, naši polohu na zeměkouli vypočítáme měřením vzdálenosti našeho objektu od skupiny satelitů. Satelity pro nás představují referenční body v prostoru. Jejich poloha v prostoru je přesně známa. Systémy satelitní navigace jsou konstruovány tak, aby signály poskytovaly informace o času, poloze a rychlosti. Informace jsou použitelné za každého počasí a téměř v každém prostředí. Satelity obíhají na orbitálních dráhách ve vzdálenosti přibližně 10,900 námořních mil. Doba oběhu je 12 hodin a probíhá na šesti různých dráhách. To zajišťuje pokrytí celého zemského povrchu. Zaměřením tří satelitů, zjistíme z průsečíků spojnic objekt /satelit, přesnou polohu. Vzdálenost jednotlivých satelitů je dána vztahem “ rychlost světla x čas = vzdálenost”. Z toho vyplývá, že měření času s vysokou přesností je jedním ze základních požadavků GPS. Proto jsou satelitní systémy vybaveny přesnými hodinami, které měří čas s přesností 1 nanosekundy, tedy 0,000 000 001 sec. S tím úzce souvisí potřeba znát, kdy radiový signál opustil satelit. Tato informace je zajištěna synchronizací generovaného kódu v naprosto stejný čas, jak v satelitu tak v přijímači. Potom stačí, abychom přijali kódy ze satelitu a zjistili, jak dlouho před tím, byl vygenerován stejný kód v přijímači.

ROZDĚLENÍ SYSTÉMU GPS se v současné době dělí na tři hlavní segmenty. Jsou to: kosmický segment (Space Segment, SS), řídící segment (Control Segment, CS) a uživatelský segment (User Segment, US).

Glonass Dalším radionavigačním prostředkem je systém Glonass je ruskou obdobou GPS a doplnil systém o dalších 24 satelitů. Více satelitů umožnilo zpřesnit měření. Zemský povrch je pokryt signálem z 48 satelitů, což znamená, že 11 satelitů je stále viditelných. Podstatně se zvyšuje spolehlivost celého systému. Přesnost v určení polohy se zvýšila na lepší jak 7m a s použitím referenčních přijímačů ( Diferenciální GPS ) se dosahuje přesnosti kolem 0,5m. Podstatně se zvýšila přesnost měření rychlosti, až na 0,03 uzlů 18. května 2007 podepsal prezident Putin vládní výnos, kterým se systém Glonass zpřístupňuje pro veškeré uživatele uvnitř Ruska i jinde ve světě bezplatně. 25. ledna 2007 byly Ruskem a Indií podepsány dvě dohody o spolupráci, které se týkají ruského globálního navigačního systému GLONASS.

Galileo je globální družicový navigační systém, který bude plně vyvinut a provozován Evropou a jeho uvedení do provozu je plánováno na rok 2010. Bude využívat stejného principu jako nynější americký systém GPS a ruský GLONASS, se kterými se bude vzájemně doplňovat. Oba současné systémy jsou vojenské a ani jeden z provozovatelů nedává záruku, že v případě potřeby signály ze svých družic nevypne. Pokud by na jejich využívání byla založena některá z dopravních služeb, měl by takový čin nebezpečné důsledky pro její uživatele.

............BUDOUCNOST???  NAPROSTO PŘESNÉ ZAŘÍZENÍ GPS BEZ POTŘEBY NAPÁJENÍ