Радиокомпас с поворотной рамочной антенной

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Автоматический радиокомпас

9. 1. Общие сведения

Автоматический радиокомпас (АРК) — бортовой радиопеленгатор, предназначенный для навигации летательных аппаратов по сигналам наземных радиостанций путём непрерывного измерения курсового угла радиостанции (КУР). Курсовой угол радиостанции — угол, заключённый между продольной осью воздушного судна и направлением на радиостанцию, отсчитываемый по часовой стрелке.

Истинный курс (ИК) самолёта (угол между на правлением на север и продольной осью самолёта), а также курсовой угол радиостанции (рис.9.1), можно определить с помощью радионавигационных приборов, которыми оборудованы современные самолёты.

Рис. 9. 1. Курсы воздушного судна

Зная эти углы, можно вычислить истинный пеленг радиостанции (ИПР) - угол между направлением на север и направлением на принимаемую радиостанцию, а по пеленгу радиостанции можно определить и истинный пеленг самолёта (ИПС), т. е. угол между направлением на север в точке А расположения наземной радиостанции и направлением на самолёт.

Наиболее распространенным типом самолётных радиопеленгаторов является так называемый радиокомпас - устройство, с помощью которого можно производить отсчёт углов сразу же после настройки на принимаемую радиостанцию.

Радиокомпас называется автоматическим потому, что после настройки на несущую частоту радиостанции он без участия человека (оператора) непрерывно измеряет значение КУР который отображается на стрелочном или цифровом индикаторе, а также может передаваться в бортовую навигационную систему.

Совместно с курсовыми приборами радиокомпас позволяет экипажу в любых метеоусловиях, в любое время суток решать следующие навигационные задачи:

• выполнять полёт с заданным КУР с непрерывной визуальной индикацией курсового угла;
• определять пеленг радиостанции по указателю курса с использованием курсовой системы;
• работать в качестве резервного связного радиоприёмника.

По назначению и диапазону частот АРК делятся на две группы — средневолновые (навигационные) и аварийные (поисковые), работающие в УКВ (метровые волны) диапазоне.

• Средневолновые АРК предназначены для обеспечения полётов по приводным (ПРС) и широковещательным (ШРС) радиостанциям, путём непрерывного измерения КУР. Диапазоны рабочих частот средневолновых АРК от 150 кГц до 1299,5 кГц или до 1749,5 кГц, или до 1799,5 кГц.
• Аварийные АРК применяются для вывода на аварийную УКВ радиостанцию или аварийный радиомаяк при поисково-спасательных работах. Диапазон частот поискового АРК находится в пределах 100—150 МГц.

Действие самолётных радиопеленгаторов основано на одновременном приёме сигналов радиостанции на две антенны — рамочную антенну и ненаправленную. Необходимым условием работы таких радиопеленгаторов является вертикальная поляризация принимаемых радиоволн, что в используемых диапазонах средних и длинных волн практически всегда выполняется ввиду специфики антенн радиопередатчиков и преобладания поверхностного механизма распространения радиоволн.

Ненаправленная антенна представляет собой вертикальный штырь или провод. Диаграмма направленности такой антенны в горизонтальной плоскости представляет собой окружность, то есть уровень принимаемого штыревой антенной радиосигнала не зависит от направления на источник радиосигнала.

Рамочная антенна в упрощенном виде представляет собой один или несколько плоских витков провода, причём периметр витка намного меньше рабочей длины волны радиостанции. Как правило, для компактности витки располагаются на ферритовом сердечнике (магнитная рамочная антенна). Плоскость витков расположена вертикально. Диаграмма направленности «по полю» такой рамочной антенны в горизонтальной плоскости в соответствии с законом Фарадея описывается функцией sin (φ) (при отсчёте угла φ от нормали к плоскости рамки), и при её изображении в полярной системе координат по форме напоминает цифру 8 («восьмёрка»). То есть диаграмма направленности состоит из двух одинаковых по форме и величине лепестков. В частности, если плоскость рамки параллельна направлению на радиостанцию (рамка «стоит боком»), то уровень (амплитуда) принимаемого рамочной антенной сигнала максимален. Если же плоскость рамки перпендикулярна направлению на радиостанцию, то уровень принимаемого сигнала минимален. Приём радиоволн одного и того же источника по одному и другому лепесткам диаграммы направленности рамочной антенны отличается только фазой радиосигнала: при повороте рамочной антенны вокруг вертикальной оси на 180° уровень принимаемого радиосигнала не изменится, а фаза изменится на 180° (знак функции sin (φ) меняется на противоположный, сигнал становится противофазным по сравнению с исходной ориентацией рамки).

На входе радиоприёмника радиокомпаса сигналы ненаправленной и рамочной антенн суммируются с определенными весовыми коэффициентами. Подбором этих коэффициентов можно сформировать результирующую диаграмму направленности в виде кардиоиды, причём максимум её направлен в сторону одного из лепестков диаграммы направленности рамочной антенны, а минимум — в направлении другого (в зависимости от того, в каком из этих направлений принятые антеннами радиосигналы с учётом весовых коэффициентов оказываются синфазными, а в каком — противофазными).

В одном из вариантов исполнения рамочная антенна радиокомпаса способна вращаться вокруг вертикальной оси. Вращение производится электромеханическим следящим приводом, управляемым от приёмника радиокомпаса. В направлении максимума диаграммы направленности при малом изменении направления на радиостанцию уровень радиосигнала меняется мало (первая производная кардиоиды по аргументу в точке максимума равна нулю, вторая производная (кривизна) мала), это препятствует точному измерению пеленга (направления на радиостанцию) самым простым методом — методом максимума диаграммы направленности антенны.

При более точном методе — методе минимума уровень суммарного сигнала антенн убывает практически до нуля, и приём сигнала радиостанции прекращается. В связи с этим применяют периодическое, с частотой несколько десятков герц переключение (инвертирование, сдвиг на 180°) фазы сигнала рамочной антенны с помощью управляемого фазоинвертора. Следящая электромеханическая система поворачивает рамочную антенну до тех пор, пока направление на радиостанцию не попадёт в минимум диаграммы направленности при некотором состоянии фазоинвертора. Синхронно с поворотом рамки антенны поворачивается и стрелка курса на индикаторе радиокомпаса.

В другом варианте осуществления выходы рамочных антенн подключаются (непосредственно или после усиления и преобразования на промежуточную частоту) к радиогониометру — компактному электромеханическому устройству, позволяющему вместо вращения самих антенн вращать приёмную катушку, расположенную в поле двух пар катушек возбуждения, оси которых взаимно перпендикулярны. В настоящее время для извлечения информации о пеленге радиостанции более оправдана цифровая обработка радиосигналов, принимаемых всеми тремя антеннами пеленгаторной антенной системы.

Автоматический радиокомпас построен по классической схеме автоматического радиопеленгатора, где заложен принцип сравнения амплитуд принимаемых сигналов на входе приемника и со следящим приводом на выходе, то есть принцип воздействия выходных сигналов приемника на его вход.

Радиокомпас может иметь три режима работы:

• "Компас" - основной режим работы, который используется для автоматического пеленгования;
• "Антенна" - радиокомпас работает как обычный средневолновый радиоприемник, принимает сигналы и служит для прослушивания и опознавания позывных сигналов радиостанции;
• "Рамка" - вспомогательный режим работает, при котором радиокомпас работает только с рамочной антенной и используется в условиях интенсивных электростатических помех.

Режим "Компас".

В режиме "Компас" принцип работы состоит в приеме и сложении сигналов от двух антенн - ненаправленной и рамочной. Прием сигнала на всенаправленную антенну не зависит от направления прохода радиосигнала. Рамочная же антенна обладает направленным свойством и приемом сигнала и зависит от ее положения относительно направления на пеленгуемую радиостанцию .

Режим "Антенна".

 В этом режиме радиокомпас работает как обычный средневолновый радиоприемник, принимает сигналы только через ненаправленную антенну. При этом отключаются звуковой генератор, рамочный вход, один из каскадов усилителя компасного выхода и управляющая схема. Режим "Антенна" предназначен для прослушивания и опознавания позывных сигналов радиомаяков. Если радиомаяк работает немодулированными колебаниями, то его сигналы прослушиваются включением внутренней телеграфной модуляции переключателем "ТЛФ - ТЛГ" в положении "ТЛГ" на пульте управления радиокомпасом.

Режим "Рамка"

 Является вспомогательным режимом работы. Радиокомпас при этом работает только с рамочной антенной и используется в условиях электростатических помех. В этом режиме напряжение звукового генератора снимается с балансного модулятора, разрывается цепь электропитания одного плеча модулятора. Балансный модулятор превращается в обычный усилитель канала рамки. Снимается питание с одного из каскадов усилителя компасного выхода, отключается питание АСУ и разрывается цепь связи с ненаправленной антенной. В приемник поступает сигнал от искательной катушки гониометра и радиокомпас работает только на телефонный выход.

При помощи кнопки "Рамка" на пульте управления производят вручную вращение искательной катушки и по минимальной слышимости сигнала определяют пеленг на радиостанцию. Поскольку диаграмма направленности искательной катушки имеет вид восьмерки с двумя зонами минимального приема, поэтому в режиме "Рамка" возникает ошибка в отсчете на 180°.

Определение КУР с помощью радиокомпаса основано на использовании направленных свойств рамочной антенны.

АРК содержит рамочную антенну с диаг­раммой направленности в виде восьмерки и ненаправленную антенну.

Максимумы диаграммы наблюдаются при ориентации плоскости рамочной антенны на радиостанцию.

Если пеленгуемая радиостанция созда­ет в точке приема напряженность поля

то э. д. с, наводимая в рамке (рис. 9.2),

где — амплитудное значение .

Рис. 9. 2. Диаграмма направленности рамочной антенны

Сигнал на зажимах рамки оказывает­ся сдвинутым на 90° относительно возбуж­дающего его поля.

Использование при пеленгации одной рамочной антенны приводит к неоднознач­ности определения пеленга и другим недо­статкам, свойственным методу пеленгации по минимуму. Поэтому в АРК сигнал рамки  суммируют (после усиления и поворота фазы на 90°) с сигналом от не­направленной антенны

где  — амплитуда э. д. с. ненаправленной антенны.

Результирующий сигнал

  Диаграмма направленности такой антенной системы в полярных координатах представляет собой кардиоиду (рис.9.3,а).

При изменении фазы э. д. с. в одной из антенн направление минимума кардиоиды изменяется на 180° (рис.9.3,б).

  Пеленгацию АРК производит равносигнальным методом. Равносигнальное на­правление образуется путем периодическо­го изменения (с частотой несколько десят­ков герц) фазы напряжения рамки, в ре­зультате чего с такой же частотой изменя­ется на 180° направление минимума       кар­диоиды.

Рис. 9. 3. Суммарная диаграмма направленности антенной системы АРК

Схема автоматического радиокомпаса с поворотной рамочной ан­тенной изображена на рис.9. 4.

Рис. 9. 4. Структурная схема АРК с поворотной рамочной антенной

Согласно этой схеме прием сигналов пеленгуемой радиостанции производится двумя антеннами — нена­правленной 1 и направленной 2. В качестве ненаправленных применя­ют различные виды проволочных антенн, мало выступающих или не выступающих за поверхность обтекания (шлейфовые, фонарные, киле­вые). Такие антенны меньше подвергаются электризации, но имеют малую действующую высоту (h_a = 0,1 - 0,15) м) и требуют предвари­тельного усиления принятых сигналов.

В качестве направленных антенн применяются многовитковые рам­ки с магнитодиэлектрическими сердечниками магнитной проницае­мостью _c, также не выступающие за поверхность обтекания. Такие рамки помещают в специальном углублении фюзеляжа самолета, за­крытом радиопрозрачным материалом. При этом действующая высота рамочной антенны

 ,                                   (4.1)

где 2 — волновое число; S — площадь витка; N — число витков;  — магнитная проницаемость сердечника.

Обычно действующая высота рамочной антенны мала: h_р=  0,5 - 1,0 см. а принятые ею сигналы нуждаются в большом предва­рительном усилении.

Высокочастотные колебания, принятые ненаправленной антенной 1, после усиления в антенном усилителе высокой частоты (УВЧ-А) подаются в цепь сложения ЦС. При этом напряжение от ненаправлен­ной антенны в ЦС

u_а = U_am cos t,                                    (4.2)

где U_am — амплитуда принятых колебаний;  — их угловая частота.

В свою очередь, амплитуда принятых колебаний

 ,                                    (4.3)

где Е_т — напряженность электрического поля в точке приема; h_а — действующая высота ненаправленной антенны; — коэффициент усиления канала ненаправленной антенны.

Высокочастотные колебания, принятые направленной антенной 2, после усиления в рамочном усилителе высокой частоты (УВЧ-Р) и фа­зирования подаются на вход балансного модулятора БМ, выход кото­рого подается в ЦС.

Напряжение от направленной антенны в ЦС

и_р = U_pm cos  cos Ωt cos t,                     (4.4)

где U_pm — амплитуда принятых колебаний;  — угловая частота колебаний;

Ω — угловая частота генератора опорного напряжения ГОН, управляю­щего работой БМ;  — угол, отсчитанный от плоскости витков рамочной антенны и характе­ризующий направление на пеленгуемую радиостанцию;  cos  — функция, характеризующая форму диаграммы направленности рамоч­ной антенны в полярной системе координат.

В свою очередь, амплитуда принятых колебаний

U_pm =  ,                                    (4.5)

где E_m — напряженность электрического поля; — действующая высота рамочной антенны;  — коэффициент усиления канала рамочной антенны.

Напряжения от обеих антенн складываются в ЦС, в результате чего получается напряжение на входе приемника ПРМ

Подставив сюда выражения (4.2) и (4.4), получим

                  (4.6)

Обозначим: m ( ) = , = M ,

тогда                               m ( ) = M cos ,                                      (4.7)

а с учетом (4.3) и (4.5)

M =  .                                               (4.8)

Вместо (4.6) для суммарного сигнала имеем

 .                       (4.9)

Полученное выражение (4.9) ха­рактеризует амплитудно-модулированные колебания  с частотой мо­дуляции Ω и коэффициентом моду­ляции т, зависящим от направле­ния на принимаемую радиостан­цию. Это направление характери­зуется углом , отсчитанным от плоскости витков рамочной антен­ны (рис.9. 5).

Рис. 9. 5. Зависимость коэффициента модуляции от направления на радиостанцию

 Отношение амплитуд напряжений от ненаправленной и направленной антенн в ЦС подби­рают так, чтобы максимальное значение коэффициента модуляции М = 1. Тогда зависимость коэффициента модуляции принятых сигна­лов от направления на радиостанцию становится аналогичной диа­грамме направленности рамочной антенны.

т= cos .                                        (4.10) .

Для решения ряда задач удобнее пользоваться дополнительным уг­лом , отсчитанным от нормали к плоскости витков:  = 90 - . При этом

                             т = sin .                                    (4.11)

Когда нормаль к плоскости витков совпадает с направлением на пеленгуемую радиостанцию коэффициент модуляции становится рав­ным нулю и на входе приемника в ЦС получается немодулированное на­пряжение высокой частоты

                                (4.12)

При отклонении от этого положения на угол +  на входе приемни­ка получаются амплитудно-модулированные (AM) колебания вида

               (4.13)

При отклонении нормали в другую сторону на угол -  на входе при­емника будет AM напряжение

                   (4-14)

Сопоставив результаты, полученные из формул (4.13) и (4.14) можно заключить, что изменение стороны отклонения рамочной антенны от направления на пеленгуемую радиостанцию приводит к смене фазы огибающей AM колебаний на входе приемника на 180°. . Временные диаграммы, характеризующие работу АРК при различном расположении источника излучения изображены на рис.9.6.

  Пеленгацию АРК производит равносигнальным методом. Равносигнальное на­правление образуется путем периодическо­го изменения (с частотой несколько десят­ков герц) фазы напряжения рамки, в ре­зультате чего с такой же частотой изменя­ется на 180° направление минимума  кар­диоиды.

Сигнал рамочной антенны усиливается в УВЧ примерно до уровня сигнала нена­правленной антенны и с помощью фази­рующего контура поворачивается по фазе на 90°. Затем сигнал поступает на баланс­ный модулятор, управляемый генератором низкой частоты (рис. 9.6, в). Действие балансного модулятора эквивалентно меха­ническому переключению с заданной часто­той выводов рамки для изменения фазы ее сигналов на 180° (рис. 9.6, г).

Рис. 6. Временные диаграммы, характеризующие работу АРК при различном расположении источника излучения

Суммирование сигналов рамочной и не­направленной антенн осуществляется во входном контуре приемника (рис.9.6.д). После усиления и детектирования выделя­ется огибающая сигнала, которая поступа­ет в телефонный канал для прослушивания работы пеленгуемой радиостанции. Кроме того, формируется огибающая .сигнала на частоте переключений фазы напряжения рамки, поступающая в блок управления компасного канала для автоматического управления вращением рамки (рис. 9.6,е) и называемая сигналом ошибки. Его фаза зависит от направления на пеленгуемую ра­диостанцию. Сигнал ошибки сравнивается в фазовом детекторе с опорным сигналом, приходящим от генератора низкой частоты и имеющим неизменную начальную фазу. На выходе фазового детектора вырабаты­вается сигнал управления в виде постоян­ного тока, знак которого зависит от нап­равления на пеленгуемый источник радиоиз­лучений       (рис.9.6, ж).

Таким образом, в результате приема радиостанции на ненаправлен­ную и направленную антенны и обработки принятых сигналов во входной части АРК формируются AM колебания, огибающая которых содер­жит информацию о направлении на принимаемую радиостанцию. Свой­ства полученных сигналов дают возможность определить ее пеленг. Для этих целей AM колебания, полученные в ЦС, подаются на вход ПРМ, на выходе которого выделяется низкочастотное напря­жение огибающей вида

                         (4.15)

или                                                                             (4.16)

в зависимости от принятого начала отсчета углов.

На рис. 9.7 показано напряжение u_н, соответствующее формуле (4.16), для трех углов рас­согласования .

Когда рамочная антена АРК находится в согласованном положе­нии (  = 0, т = 0), выходное напряжение и_н равно нулю, а изменение стороны отклонения (± ) вызывает изменение фазы выходного напря­жения на 180°.

Рис. 9. 7. Низкочастотное напряжение на выходе приемника

Это напряжение через узкополосный усилитель низкой частоты УНЧ-К (см. рис. 4) подается в схему управления вращением рамки СУВ, куда одновременно по­ступает опорное напряжение от гене­ратора ГОН на той же частоте Ω:

                           (4.17)

В схеме управления происходит преобразование частоты сигналов рас­согласования в частоту переменного тока бортовой сети (400 Гц) и выраба­тывается управляющее напряжение

и_у = U_m sin  cos t,                            (4.18)

где Ω_c = 2 F_c, a F_c= 400 Гц, которое подается на управляющую обмотку электродвигателя Dв и при­водит его во вращение до тех пор, пока рамочная антенна окажется в со­гласованном положении.

После отработки следящей системы нормаль к плоскости витков рамочной антенны совпадает с направлением от самолета на пеленгуемую радиостан­цию, что и позволяет получить курсо­вой угол радиостанции. Ось рамочной антенны через компенсатор радиоде­виации КД связана с сельсинной индикаторной системой, состоящей из сельсин-датчика СД и сельсин-приемника СП, с помощью которой угловое положение рамочной антенны дистанционно передается на индикатор курсовых углов.

Рассмотренная система обеспечивает однозначность отсчета пеленга, так как об­ладает лишь одним устойчивым положени­ем равновесия, соответствующим истинно­му пеленгу.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману