Глиссадный радиомаяк

 

Изобретение относится к радионавигации. Цель изобретения - повышение точности угла глиссады в условиях сложного рельефа местности. Глиссадный радиомаяк содержит передатчик 1, амплитудный модулятор 2, распределительный блок 3, делители 4, 5, 6 и 7 мощности, сумматоры 8, 9 и 10, фазовые манипуляторы 11, 12 и 13, низкочастотный генератор 14 импульсов, фазовращатели 15, 16, 17 и 18, аттенюаторы 19, 20, 21 и 22, передающие антенны 23, 24, 25, 26 и 27 и мачту 28. В радиомаяке сформированы основной (точный) и грубый каналы наведения, которые развязаны благодаря стабилизации минимума сигнала клиренса под углом глиссады и введению фазовой манипуляции. Если сигналы клиренса, отраженные от мешающих местных предметов и от складок местности, попадают в рабочую зону глиссады, то при совместном действии основного и грубого каналов наведения проявляется эффект усреднения этих мешающих сигналов. В этом случае основной канал выполняет функции опорного канала по отношению к относительно небольшим по уровню фазоманипулированным сигналам клиренса. 1 ил.

Изобретение относится к радионавигации, а именно к системам посадки самолетов на аэродромы, размещенные в многоснежных районах в местах со сложным рельефом местности. Целью изобретения является повышение точности угла глиссады в условиях сложного рельефа местности. На чертеже приведена структурная электрическая схема предложенного глиссадного радиомаяка (ГРМ). ГРМ содержит передатчик 1, амплитудный модулятор 2, распределительный блок 3, четыре делителя 4, 5, 6 и 7 мощности, три сумматора 8, 9, и 10, четыре фазовых манипулятора 11, 12 и 13, низкочастотный генератор 14 импульсов, четыре фазовращателя 15, 16, 17 и 18, четыре аттенюатора 19, 20, 21 и 22, пять передающих антенн 23 27 и мачту 28. ГРМ работает следующим образом. Гладкая несущая с генератора несущей передатчика 1 поступает на вход амплитудного модулятора 2. С выхода амплитудного модулятора на вход распределительного блока 3 подаются ВЧ-сигналы "боковые частоты модуляции" (Δ) и "несущая плюс боковые частоты модуляции" (Σ). Эти сигналы называют еще соответственно разностным и суммарным сигналами. В современной международной стандартной системе инструментальной посадки метрового (МВ) диапазона (ILS) навигационные частоты модуляции 90 и 150 Гц. В отечественной системе посадки дециметрового (ДЦВ) диапазона (λ 31,5 см) частоты, модуляции 1300 и 2100 Гц. С первого выхода распределительного блока 3 противофазный разностный сигнал Δ поступает в передающую антенну 23. С второго выхода разностный сигнал Δ через делители 5, 4 мощности и сумматор 8 поступает в передающую антенну 25 и через последовательно соединенные фазовраща- тель 16 и аттенюатор 20 в передающую антенну 27. Разностный сигнал Δ с второго выхода делителя 4 мощности подается на фазовый манипулятор 11 и после фазовой манипуляции поступает через последовательно включенные фазовращатель 15 и аттенюатор 19 на второй вход сумматора 8, а затем в передающую антенну 25. Как видим, в формировании в пространстве диаграммы сигнала "боковые частоты модуляции" основного канала ГРМ участвуют три передающие антенны 23, 25 и 27. Аналогичная диаграмма разностного сигнала клиренса формируется одной передающей антенной 25. Но в обоих случаях, как показано ниже, имеет место стабилизация угла места первого от земли минимума результирующей диаграммы направленности глубины пространственной модуляции. С четвертого выхода распределительного блока 3 сигнал "несущая плюс боковые частоты модуляции" (Σ) через делитель 6 мощности и сумматор 9 подается в передающую антенну 26. С второго выхода делителя 6 мощности сигнал Σ подается для фазовой манипуляции в фазовый манипулятор 12. С выхода фазового манипулятора 12 сигнал через последовательно соединенные фазовращатель 17 и аттенюатор 21 поступает на второй вход сумматора 9, а с выхода сумматора 9 в передающую антенну 26. С третьего выхода распределительного блока 3 противофазный сигнал Σ попадает через делитель 7 мощности и сумматор 10 в передающую антенну 24. С второго выхода делителя 7 мощности сигнал подается в фазовый манипулятор 13. СВ его выхода через последовательно соединенные фазовращатель 18 и аттенюатор 22 фазоманипулированный сигнал Σ поступает на второй вход сумматора 10, а с выхода этого cумматора в передающую антенну 24. Управляет фазовыми манипуляторами 11, 12, 13 низкочастотной генератор 14. Следует заметить, что фазировка разностных и суммарных сигналов на выходах распределительного блока 3 выбрана для формирования точного канала наведения. Канал клиренса, как показано ниже, формируется с другими амплитудно-фазовыми соотношениями сигналов, подаваемых в передающие антенны 23-27. Передающие антенны закреплены на мачте 28. Передающая антенна 27 закрепляется на высоте максимально возможного изменения уровня подстилающей поверхности. Для средней полосы нашей страны высота подвеса передающей антенны 27 составляет 50-70 см над землей. Остальные передающие антенны 23, 24, 25 и 26 размещаются над передающей антенной 27 равномерно, т.е. высоты подвеса этих антенн над передающей антенной 27 относятся как 1:2:3:4. Рассмотрим работу предлагаемого ГРМ без канала грубого наведения, поскольку благодаря стабилизации минимума сигнала клиренса под углом глиссады и введению фазовой манипуляции основной и грубый каналы развязаны. Запишем выражение для разности глубин модуляции (РГМ) для предлагаемого ГРМ РГМ= m где F_Δ(Θ) результирующая диаграмма направленности радиомаяка в вертикальной плоскости для разностного сигнала, т.е. сигнала "боковые частоты модуляции", F_Σ(Θ) результирующая диаграмма направленности радиомаяка в вертикальной плоскости для суммарного сигнала, т.е. сигнала "несущая плюс боковые частоты модуляции". В нашем случае имеем для разностного сигнала F_Δ(Θ) E_m2f₂(Θ) E _m4f₄( Θ) + E_m5f₅( Θ), для суммарного сигнала F_Σ(Θ) E_m1f₁(Θ) E_m3f₃(Θ), где Е_m5 амплитуда напряженности поля передающей антенны 27 для разностного сигнала; f₅(Θ) нормированная диаграмма направленности передающей антенны 27 в вертикальной плоскости. Выражения для нормированных диаграмм передающих антенн 23-27 в вертикальной плоскости записываются для предлагаемого ГРМ так f₄(Θ)=sin(H₄+H_g)sin; f₃(Θ)=sin(H₃+H_g)sin; f₂(Θ)=sin(H₂+H_g)sin; f₁(Θ)=sin(H₁+H_g)sin;
f₅(Θ)=sinH_gsin, где Н₄ + Н_g,
H₃ + H_g,
H₂ + H_g,
H₁ + H_g, где Hg высоты подвеса над землей соответственно передающих антенн 23, 24, 25, 26 и 27. Определим при каких условиях РГМ=0 при Θ=Θ_o, т.е. E_m2f₂(Θ) E_m4f₄(Θ) + E_m5f₅(Θ) 0
или
E_m2sin(H₂+H_g)sin-E_m4sin(H₄+H_g)sin+E_m5sinH_gsin= 0,
или
E_m2sin H⁼₂⁰·sincos H_gsin+E_m2cos H⁼₂¹×
×sinsin H_g·sin-E_m4sin Η₄sincos H_g×
×sin-E_m4·cos H₄sinsin H_gsin+E_m5sinH_gsin=0. Поскольку Н₂, Н₄ расчетные высоты подвеса передающих антенн 25 и 23, при которых обеспечивается при Н_g=0 без участия передающей антенны 27 заданный угол глиссады Θ=Θ_o то
H₂sinΘ_o=π; sin H₂·sin=0;
H₄sinΘ_o=2π; sin H₄·sin=0;
сos (2 π/λ H₂sin Θ_o) 1,
cos (2 π/λ H₄sin Θ_o) 1. Тогда получаем
E_m5sin H_gsin-E_m2sin H_gsinE_m4sin H_gsin=0. Как видим, равенство РГМ нулю при Θ=Θ_o может определяться только соотношением разностного сигнала передающих антенн 25, 23 и 27 (E_m5=E_m2+ E_m4) и не зависеть от изменения высоты подвеса передающих антенн 23-27. Оценим влияние изменений уровня подстилающей поверхности на крутизну зоны предлагаемого ГРМ. По определению пространственная крутизна зоны
S_г=
S_г=(РГМ)m
Возьмем производную S_г по изменению уровня подстилающей поверхности
(S_г)^*=m

Для рабочего участка зоны глиссады, т.е. в районе Θ=Θ_o получим после упрощений
(S)^*_δн=m где
F¹_Δ(Θ_o)= -E + Ecos H_gsin
Если режим запитки Е_m2=2E_m4,
a E_m5=E_m2+E_m4, то F¹_Δ(Θ_o)= -4Ecos. Производная по изменению уровня подстилающей поверхности
[F¹_Δ(Θ_o)]^*=4Esin
F_Σ (Θ_o) E_m1f₁(Θ_o) E_m3f₃(Θ_o). Если режим запитки E_m1=3E_m3, то
F_Σ(Θ_o)=4E_m3cos. Производная по изменению уровня подстилающей поверхности
F^*_Σ(Θ_o)= -4E_m3sin
Тогда получим
(S)^*_∂н=m

0. Т. е. крутизна зоны глиссады не зависит от изменений высоты подвеса передающей антенны Н_g и остается постоянной. Найдем нижнюю границу подвеса передающей антенны 27. Воспользуемся выражением для разностного сигнала ГРМ
F_Δ (Θ) E_m2f₂(Θ) E_m4f₄(Θ), где E_m2 2E_m4;
f₂(Θ)=sin(2 π/λ H₂sin Θ);
f₄(Θ) sin (2 π/λH₄sin Θ)
В соответствии с ГОСТ на радиомаячные системы (РМС) посадки допуск на угол глиссады для РМС I и II-й категории равен ± 0,075 Θ_o, а для РМС III-й категории ± 0,04 Θ_o, где Θ_o номинальный угол глиссады. Найдем предельное изменение высоты подвеса передающих антенн 23-27, при котором угол глиссады увеличивается на величину допуска для III-й категории

Для ГРМ III-й категории МВ диапазона с номинальным углом глиссады 2^o40' получим Δ Н= 0,5 м, а для ГРМ III-й категории ДЦВ диапазона 17 см. Это означает, что ниже 0,5 м для ГРМ МВ и 17 см для ГРМ ДЦВ устанавливать передающую 27 антенну не имеет смысла. Верхняя граница высоты подвеса над землей передающей антенны 27 определяется положением второго минимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости результирующей диаграммы передающих антенн 25, 23 и 27. В соответствии со стандартами на РМС линейная зона глиссады должна быть не менее ± 0,24 Θ_o и, кроме того, вплоть до угла места 1,75 Θ_o РГМ (а для РМС ДЦВ коэффициент разнослышимости (КРС)) не должна менять знак и должна быть не менее 17,5% (для РМС ДЦВ 33% КРС). Определим максимально допустимую высоту подвеса передающей антенны 27. Для этого воспользуемся выражением результирующей диаграммы для сигнала "боковые частоты модуляции" предлагаемого ГРМ
F_Δ(1,24Θ_o)=E_m2sin(H₂+H_g)sin1,24E_m4sin
×(H₄+H_g)sin1,24Θ_o]+E_m5sinH_gsin1,24=0. Если E_m2 2E_m4, a E_m2 + E_m4 E_m5, то получим Н_gмакс=2,77 λ. Для ГРМ ДЦВ с номинальным углом глиссады Θ_o 2^о40' Н_gмакс 87 см, для ГРМ МВ Н_gмакс=2,62 м. Итак, допустимые высоты подвеса передающей антенны 27 0,03-0,25 от расчетной высоты подвеса Н₂ передающей антенны 25
H₂ где λ длина волны, м;
с скорость света, м/с;
f частота передатчика 1, Гц;
Θ_o номинальный угол между горизонталью в точке установки мачты 28 и нулем диаграммы направленности передающей антенны 25, град. Рассмотрим работу предлагаемого канала грубого наведения. Оценим влияние изменений уровня подстилающей поверхности на угол глиссады, создаваемой каналом грубого наведения. Выражение для РГМ клиренса имеет вид
РГМ=m где F_Δ(Θ)=E_m2sin(H₂+H_g)sin;
F_Σ(Θ)=E_m1sin(H₁+H_g)×
×sinΘ)+E_m3sin(H₃+H_g)sin где E_m2 амплитуда напряженности поля передающей антенны 25 для разностного сигнала клиренса;
E_m3, E_m1 амплитуды напряженности поля передающих антенн 24 и 26 для суммарного сигнала клиренса;
Н₃, Н₂, Н₁ высота подвеса передающих антенн 24, 25 и 23 над передающей антенной 27;
Н_g высота подвеса передающей антенны 27 над землей. Возьмем производную РГМ по изменению уровня подстилающей поверхности
(РГМ)^*_∂н=m= m
Поскольку высоты Н₂ и Н₁, Н₃ фиксированные расчетные высоты подвеса, необходимые для формирования номинального угла глиссады Θ_o, то при Θ_o имеем F_Δ (Θ_o) ≠ 0, а F^*_Δ(Θ_o)= -E_m2cosH_g·sin т.е. и F_Δ*(Θ_o)≠ 0. Но, как показано ниже, F_Σ (Θ_o) 0 и F_Σ* (Θ_o) 0. Как видим, угол глиссады, создаваемой клиренсом, не зависит от изменения уровня подстилающей поверхности. Для суммарного сигнала клиренса при угле места Θ=Θ_o и при условии, что Н₁ и Н₃ (Н₃=3Н₁) расчетные высоты подвеса передающих антенн 23-27, необходимые для получения заданного угла глиссады Θ_o, получим
EsinH₁sincosH_gsin+cosH₁sinsinH_g×
×sin+Esin3H₁sincosH_gsin+cos ×
×3H₁sinsin=0
т.е. F_Σ(Θ_o) 0 и F^*_Σ(Θ_o) 0. Т.е. и для суммарного сигнала клиренса при равноамлитудной синфазной запитке передающих антенн 26 и 24 имеет место самостабилизация минимума излучения клиренса при угле места, равном номинальному углу глиссады, при изменении уровня подстилающей поверхности. В данном ГРМ имеет место совпадение знаков разности глубин модуляции основного и грубого каналов наведения как ниже, так и выше глиссады. Это исключает возможность перемодуляции или немодуляции несущей в пределах зоны действия ГРМ при изменении соотношения уровней сигналов основного и грубого каналов. Наличие стабилизированного минимума излучения клиренса в рабочей зоне глиссады (± 0,24 Θ_o) увеличивает развязку основного и грубого каналов наведения. Это уменьшает искривления глиссады в сложных местах размещения ГРМ. Если сигналы клиренса, отраженные от мешающих местных предметов и от складок местности, попадают в рабочую зону глиссады, то при совместном действии основного и грубого каналов наведения проявляется эффект усреднения этих мешающих сигналов. В этом случае основной канал ГРМ выполняет роль опорного канала по отношению к относительно небольшим по уровню фазоманипулированным сигналам клиренса.

Формула изобретения

ГЛИССАДНЫЙ РАДИОМАЯК, содержащий передатчик, амплитудный модулятор, три делителя мощности, четыре фазовращателя, четыре аттенюатора, три сумматора и три передающие антенны, причем выход четвертого фазовращателя подключен к входу четвертого аттенюатора, а выход третьего сумматора - к входу третьей передающей антенны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности угла глиссады в условиях сложного рельефа местности, в него введены распределительный блок, четвертый делитель мощности, низкочастотный генератор импульсов, три фазовых манипулятора, четвертая и пятая передающие антенны, при этом выход передатчика подключен к входу амплитудного модулятора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам распределительного блока, первый и второй выходы и первый и второй инверсные выходы которого подключены соответственно к входу третьего делителя мощности, к входу второго делителя мощности, к входу четвертого делителя мощности и к входу четвертой передающей антенны, первый и второй выходы второго делителя мощности подключены соответственно к входу первого делителя мощности и к входу второго фазовращателя, выход которого через второй аттенюатор подключен к входу пятой передающей антенны, первый и второй выходы первого делителя мощности подключены соответственно к первому входу первого сумматора непосредственно, а к второму - через последовательно соединенные первый фазовый манипулятор, первый фазовращатель и первый аттенюатор, выход первого сумматора подключен к входу второй передающей антенны, первый и второй выходы четвертого делителя мощности подключены соответственно к первому входу третьего сумматора непосредственно, а к второму через последовательно соединенные третий фазовый манипулятор, четвертый фазовращатель и четвертый аттенюатор, первый и второй выходы третьего делителя мощности подключены соответственно к первому входу второго сумматора непосредственно, а к второму - через последовательно соединенные второй фазовый манипулятор, третий фазовращатель и третий аттенюатор, выход второго сумматора подключен к входу первой передающей антенны, первый, второй и третий выходы низкочастотного генератора импульсов подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего фазовых манипуляторов, пятая передающая антенна закреплена на мачте на высоте от основания мачты от 0,03λ·57,3/2Θ_o м до 0,25λ·57,3/2Θ_o м, а первая, вторая, третья и четвертая передающие антенны размещены на этой же мачте над пятой передающей антенной равномерно с интервалом
λ·57,3/4Θ_o м,
где λ - длина волны передатчика, м;
q_o- - номинальный угол глиссады, град.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---