Avionika. Radiotechninės navigacijos priemonės

Radionavigacija yra orlaivių navigacijos sritis, nagrinėjanti radiotechninių priemonių teoriją ir jų praktinį naudojimą, valdant orlaivio trajektoriją nurodytu laiku. Paprastesnės radionavigacijos priemonės, kuriomis galima nustatyti tik vieną navigacijos elementą, vadinamos radionavigacijos įrenginiais (radijo aukščiamačiai, radijo lokatoriai ir kt.). Radionavigacijos sistema vadinami keli bendrai veikiantys radionavigacijos įrenginiai ir prietaisai, kurie naudojami orlaivio koordinatėms nustatyti, jam tupiant ir t. t. Tai artimosios ir tolimosios radionavigacijos sistemos, tūpimo sistemos, susidūrimų vengimo sistemos ir kt. Radionavigacijos sistemos kartu su magnetinėmis, inercinėmis ir palydovinėmis sistemomis bei įvairių rūšių prietaisais sudaro navigacijos kompleksus arba skrydžio valdymo sistemas. Radionavigacijos priemonių galimybės, ypač veikimo nuotolis, priklauso nuo elektromagnetinių bangų sklidimo savybių. Kai veikimo nuotolis yra maždaug tūkstantis kilometrų ar mažesnis, tokia radionavigacija vadinama artimąja. Tolimosios radionavigacijos priemonių veikimo nuotolis siekia kelis tūkstančius kilometrų.

Radionavigacijos sistemomis matuojami navigacijos elementai ir pagal juos nustatomos orlaivio koordinatės arba jo vieta antžeminių įrenginių atžvilgiu. Tai daroma matuojant kampus ir nuotolius iki jų ar nuotolių skirtumus tarp kelių antžeminių įrenginių ir orlaivio. Pagal matavimo būdą tokios sistemos skirstomos į matuojančias kampus, nuotolius, nuotolių skirtumus ir kelio greitį.

Kampus matuojančios sistemos (antžeminiai radijo švyturiai ir orlaivių imtuvai) navigacijos elementą nustato matuodamos kampą tarp pasirinktos pradinės linijos ir krypties į antžeminį radijo švyturį horizontaliojoje plokštumoje. Radijo švyturiai spinduliuoja elektromagnetinį lauką, kuris atsklinda iki orlaivio. Šį lauką priima orlaivio antena ir imtuvas, lauko parametrai priklauso nuo orlaivio kampinių koordinačių švyturio atžvilgiu. Kampus matuojančios orlaivio sistemos nustato kampines elektromagnetinių bangų siųstuvo koordinates matuodamos tų bangų priėmimo kryptį.

Nuotolius matuojančiomis radionavigacijos sistemomis nustatomas atstumas tarp orlaivio ir elektromagnetinių bangų siųstuvo (taip pat esančio Žemės palydove), arba tarp orlaivio ir Žemės paviršiaus. Tai artimosios radionavigacijos toliamačiai, radijo aukščiamačiai ir palydovinės navigacijos sistemos.

Kampus ir nuotolius matuojančios neautonomiškos radionavigacijos priemonės pačios savarankiškai negali nustatyti orlaivio vietos. Jos tik nustato liniją, kurioje navigacijos parametras turi tas pačias reikšmes. Ta linija vadinama padėties linija. Norint rasti orlaivio vietą, reikia naudoti kelias radionavigacijos priemones kartu. Nuotolių skirtumus matuojančios radionavigacijos priemonės gali nustatyti orlaivio vietą priimdamos kelių elektromagnetinių bangų siųstuvų, kurių vietos tiksliai žinomos, signalus. Tai tolimosios radionavigacijos sistemos. Kelio greitį matuoja Doplerio greitmačiai.

2.1. Artimosios radijo navigacijos priemonės

Šiomis radionavigacijos priemonėmis nustatoma kryptis į antžeminį radijo švyturį ar atstumas iki jo. Žinant atstumus ar kryptis į kelis antžeminius švyturius, kurių vietos tiksliai žinomos, galima nustatyti orlaivio vietą ir nutupdyti jį pagal prietaisus. Artimosios radionavigacijos sistemų veikimo nuotolis priklauso nuo naudojamų radijo bangų ilgio ir jų sklidimo erdvėje savybių. Naudojamos vidutinės, ultratrumposios ir decimetrinės bangos, todėl veikimo nuotolis tėra keli šimtai kilometrų, to dažnai visai pakanka. Artimosios radionavigacijos sistemas sudaro antžeminiai radijo švyturiai ir orlaivių įrenginiai. Šios sistemos naudojamos gana seniai ir yra vienos svarbiausių orlaivių navigacijoje, nors ir nepasižymi įvairumu pagal veikimo principą. Tai radijo kompasai ADF, toliamačiai DME, UTB radionavigacijos sistema VOR/ILS, mikrobangės tūpimo sistemos MLS, radijo žyminiai, avariniai radiopelengatoriai ir kt. Visų šių radionavigacijos priemonių veikimas pagrįstas radijo bangų savybe sklisti nuo švyturio tik tiesiai. Tada galima nustatyti jų atėjimo kryptį, o žinant jų sklidimo laiką, galima matuoti atstumus. Atsispindinčios nuo žemės ir jonosferos erdvinės bangos radionavigacijai netinka ar net trukdo.

Radijo kompasais ADF orlaiviuose nustatoma kryptis į antžeminį radijo bangų švyturį, kurio vieta žinoma. Tai yra padėties linija, einanti nuo orlaivio per švyturį ir besitęsianti tolyn nuo jo. Nustačius šią liniją ir išmatavus kampą tarp jos ir orlaivio išilginės ašies, nustatoma kryptis nuo orlaivio į radijo bangų švyturį vadinama radijo švyturio santykiniu azimutu RB (angl. Relative bearing). Naudojant vieną radijo kompasą, orlaivio vietos nustatyti negalima, nes dar reikia žinoti atstumą iki to švyturio. Rasti orlaivio vietą galima ir nustačius kryptis į kelis skirtingose vietose esančius švyturius: orlaivio vieta bus tų padėties linijų susikirtime. Panašiai kaip ADF veikia avariniai UTB radijo kompasai, kuriuos turi gelbėjimo darbams skirti orlaiviai. Jie nustato kryptį į avarinius signalus siunčiantį radijo švyturį ELT (angl. Emergency Location Transmitter). Skrendant šia kryptimi, galima ją surasti orlaivio avarijos vietą.

Radionavigacijos sistemomis VOR nustatoma orlaivio kryptis (azimutas) antžeminio švyturio atžvilgiu (arba švyturio kryptis orlaivio atžvilgiu). Ši kryptis yra padėties linija, einanti nuo švyturio per orlaivį ir besitęsianti tolyn nuo jo. Orlaivio azimutas matuojamas atraminės linijos, einančios per švyturį, atžvilgiu. Šia linija pasirenkamas magnetinis švyturio dienovidinis. Orlaivio azimutas švyturio atžvilgiu yra kampas tarp švyturio magnetinio dienovidinio ir krypties nuo švyturio į orlaivį.

Žinant tik į vieno VOR švyturio azimutą, galima skristi į švyturį ar nuo jo, bet orlaivio vietos nustatyti negalima, nes reikia dar žinoti atstumą nuo švyturio iki orlaivio. Orlaivio vietą taip pat galima rasti nustačius kryptis nuo orlaivio į kelis skirtingose vietose esančius VOR švyturius: orlaivio vieta bus tų padėties linijų susikirtime. Radijo kompasais ADF ir VOR sistemomis nustatyta orlaivio padėties linija yra tiesė, jungianti orlaivį su švyturiu. Dažniausiai radijo kompasai ir VOR orlaivyje naudojami skrendant šia tiese, t. y. į radijo švyturį arba nuo jo, kai švyturio azimutas ar santykinis švyturio azimutas RB lygus nuliui arba 180º. Tolstant nuo švyturio, VOR ir radijo kompasais nustatytos orlaivio vietos tikslumas blogėja, nes tą patį kampą atitinka didesnis linijinis atstumas.

Toliamačiais DME orlaivyje matuojamas atstumas iki antžeminės radijo stoties. Pagal atstumo kitimo greitį kai kurie toliamačiai nustato santykinį orlaivio greitį antžeminės stoties atžvilgiu: kai orlaivis skrenda tiesiai į stotį ar nuo jos, šis greitis yra lygus kelio greičiui. Toliamatis nustato atstumą iki radijo stoties, neatsižvelgiant į kurią pusę orlaivis yra nuo jos. Pavyzdžiui, kai orlaivis yra į pietus nuo stoties 200 km atstumu, toliamatis rodys 200 kilometrų. Tą patį atstumą jis rodys, kai orlaivis bus 200 km atstumu į rytus, vakarus ar šiaurę nuo stoties: toliamačiu nustatyta orlaivio padėties linija yra apskritimas aplink radijo stotį. Vienu toliamačiu pakaitomis matuojant atstumus iki dviejų skirtingose vietose esančių radijo stočių, nustatomos dvi orlaivio vietos, bet tik viena iš jų bus tikroji (du apskritimai susikerta dviejuose taškuose). Norint sužinoti, kuri iš šių vietų yra tikroji, reikia dar išmatuoti atstumą iki trečiosios stoties arba vieną iš tų taškų pripažinti netinkamą, kur orlaivis tuo metu negali būti.

ADF, VOR ir DME yra pagrindinės artimosios radionavigacijos priemonės, naudojamos orlaivio vietai nustatyti skrendant maršrutu. Naudojant jas atskirai, orlaivio vietą galima nustatyti tik priėmus signalus iš kelių antžeminių švyturių ir atlikus gana sudėtingus skaičiavimus. Naudojant toliamatį DME kartu su VOR, orlaivio vieta bus apskritimo ir tiesės susikirtime. Jai nustatyti sudėtingi skaičiavimai nereikalingi. Taip nustatyta orlaivio vieta bus tuo tikslesnė, kuo arčiau vienas kito ant žemės yra VOR švyturys ir toliamačio antžeminė radijo stotis.

Tūpimas yra atsakingiausias skrydžio momentas. Lėktuvas turi paliesti kilimo ir tupimo taką (KTT) jo pradžioje. Nutūpus toliau, gali neužtekti riedėjimo lėktuvui sustabdyti, tupiant arčiau galima tako nepasiekti. Nors KTT yra gana platus, geriau nutupdyti lėktuvą jo viduryje, nes stabdant gali pradėti nešti lėktuvą į šalį. Svarbu teisingai priartėti iki KTT. Jei lėktuvas, ruošdamasis tūpti, pradės žemėti vėliau, tai norint pataikyti į KTT pradžią, jo tūpimo linija bus statesnė, vertikalusis greitis didesnis ir išlyginti lėktuvą bus sunkiau, o laiko tam bus mažiau. Per anksti pradėjus žemėjimą, teks „tempti“ lėktuvą iki KTT naudojant daugiau degalų, nes jo potencinė energija, sukaupta kylant, nebus tinkamiausiai naudojama. Kai kurių oro uostų prieigose žemai skrendančiam lėktuvui gali kliudyti kalvotos vietos ar aukšti pastatai. Linija, kuria juda lėktuvas leisdamasis, neturi būti labai nuožulni ar labai stati ir visada turi sutapti su KTT viduriu. Oro uostuose radiotechninėmis tūpimo priemonėmis formuojama lėktuvams geriausiai tinkanti tūpimo linija, vadinama tuptine. Tuptinė su horizontu sudaro maždaug 2,5º÷3º kampą. Kuo mažesnės lėktuvo nuokrypos nuo tuptinės, tuo tūpimas yra lengvesnis ir saugesnis. Greitai skrendančiame lėktuve lakūnas, net matydamas KTT, be prietaisų negali tiksliai laikytis tuptinės (nustatyti tūpimo trajektorijos nuožulnumo ir jos nuokrypos nuo KTT vidurio). Nematant KTT, tūpti be prietaisų visai negalima. Antžeminės tūpimo sistemos radijo signalais suformuoja tikslią tuptinės liniją. Lėktuvo aparatūra priima antžeminius signalus ir rodo lakūnams nuokrypą nuo tuptinės, ar net automatiškai valdo lėktuvą, kad jis nuo jos nenukryptų. Plačiausiai naudojamos ILS tikslaus tūpimo sistemos, veikiančios UTB bangų ruože. Jas sudaro bendrai veikiantys antžeminiai įrenginiai (švyturiai, vedliai) ir lėktuvo įrenginiai (imtuvai). Orlaivio tikslaus tūpimo sistema ILS nustoja veikti priartėjus prie pat tūpimo tako, todėl tupimą reikia baigti vizualiai, stebint taką ir jame įrengtas šviesos signalines sistemas. Mažiausias aukštis, iki kurio gali veikti ILS, ir matomumas take vadinami tūpimo kategorija. Ji priklauso nuo oro uoste ir orlaivyje esančių tūpimo įrenginių galimybių. Tūpimo sistemos ILS būna įvairaus sudėtingumo: kuo tobulesnė sistema, tuo arčiau KTT baigiasi jos formuojama tuptinė. Arti žemės paviršiaus radijo signalais suformuoti tuptinės negalima, nes ILS švyturiai dirvoje sukelia sroves, o šių srovių sukurti elektromagnetiniai laukai sumuojasi su švyturio signalu ir jį iškraipo. Atsižvelgiant į antžeminės tūpimo sistemos sudėtingumą, yra šios aerodromų tūpimo kategorijos – I, II, IIa, IIIb ir IIIc. Pavyzdžiui, II tupimo kategorijos antžeminiai švyturiai formuoja tuptinę tik aukščiau kaip 30 m nuo žemės paviršiaus ir toliau kaip 300 m nuo KTT pradžios. Orlaivio ILS aparatūra matuoja nuokrypą į šalis nuo KTT vidurio ir nuokrypą nuo tuptinės aukštyn ar žemyn, bet arti žemės ILS signalų nebėra. Pavyzdžiui, II tupimo kategorijos ILS signalų nebėra orlaiviui nusileidus iki 30 m ir likus iki KTT pradžios 300 m. Toliau lakūnas turi tūpti vizualiai.

Kabinoje nuokrypas nuo tuptinės rodo aviahorizontas ar kitas analogiškas prietaisas vertikaliosios ir horizontaliosios nuokrypų skalėse, kur nuokrypos sužymėtos taškais, pavyzdžiui, kas 0,5°. Slankiojantis indeksas skalėje rodo nuokrypas nuo tuptinės, kaip atrodo lakūnui žiūrint iš kabinos. Pavyzdžiui, jei vertikaliojoje skalėje indeksas pasislinko dviem taškais į viršų, tai reiškia, kad orlaivis yra 1° žemiau tuptinės (lakūnui rodoma, kad tuptinė yra aukščiau, o ne žemiau).

2.2. Kitos artimosios radijo navigacijos priemonės

Radijo aukščiamačiai

Jie siunčia radijo signalą į žemę ir priima nuo jos atsispindėjusį signalą. Kadangi radijo signalo sklidimo greitis ore pastovus, orlaivio skrydžio aukštis proporcingas pusei laiko nuo signalo išsiuntimo iki atsispindėjusio priėmimo. Radijo aukščiamačiai matuoja faktinį (absoliutųjį) aukštį nuo žemės paviršiaus po orlaiviu iki orlaivio. Keleiviniuose orlaiviuose naudojami mažus aukščius (iki 2500 pėdų) matuojantys radijo aukščiamačiai. Į žemę siunčiami ne radijo impulsai, o radijo signalas, kurio dažnis tolygiai keičiasi. Absoliutusis skrydžio aukštis proporcingas nuo žemės atsispindėjusio ir tuo metu spinduliuojamo signalo dažnių skirtumui. Skristi palaikant pastovų aukštį pagal radijo aukščiamatį nepatogu, ypač kalvotoje vietovėje. Orlaivio judėjimo trajektorija tada turi atitikti žemės paviršiaus profilį (kalvas ir daubas). Lakūnai taip neskraido. Radijo aukščiamačiai reikalingiausi lėktuvui tupiant lygiame take, nes absoliutųjį aukštį matuoja ±0,5 m tikslumu. Sraigtasparniai tokiu tikslumu gali kabėti tik naudodami radijo aukščiamatį. Radijo aukščiamačiai yra didesniuose lėktuvuose ir sraigtasparniuose. Doplerio matuokliai

Kelio greitį matuoja Doplerio greitmačiai. Jų veikimo principas yra radiolokacinis: greitis nustatomas pagal dažnių skirtumą tarp išsiųstų iš orlaivio į Žemę signalų ir atsispindėjusių nuo Žemės paviršiaus tų pačių signalų, kurių dažnis atsispindint pasikeičia proporcingai orlaivio greičiui. Greitis gali būti rastas apdorojant priimtus signalus iš palydovų pagal atstumų iki jų kitimo greitį. Santykinis (tarpusavio) greitis tarp orlaivio ir antžeminio švyturio taip pat gali būti nustatytas pagal atstumo tarp jų kitimo greitį.

Meteorologiniai lokatoriai

Orlaivio skrydžio saugai gali turėti įtakos jo kelyje pasitaikę audros debesys. Pakliuvus į juos, gali prasidėti orlaivio blaška ir apledėjimas, skristi tada galima tik pagal prietaisus. Oro srautų turbulencija gali pažeisti orlaivio valdymo plokštumas, ji nemaloni keleiviams. Pasitaikančius orlaivio kelyje jam pavojingus meteorologijos derinius galima aptikti meteolokatoriumi ir parodyti juos lakūnams kabinos prietaise. Tada lakūnas gali nuspręsti, ar skristi pro juos, ar keisti maršrutą juos apeinant. Tai yra pagrindinė lokatoriaus paskirtis. Lokatoriumi taip pat galima apžvelgti žemės paviršių prieš orlaivį ir matyti indikatoriuje stambius objektus – didesnius ežerus ir upes, jūros kranto liniją, didesnius miestus. Kai kuriuose lokatoriuose yra galimybė apytikriai matuoti nuonašą.

Orlaivio radijo lokatorius besisukiojančia antena, kuri yra orlaivio priekyje, po radijo bangoms laidžiu gaubtu išspinduliuoja į priekį radijo impulsus. Stebint meteorologijos derinius, antenos kryptinė diagrama labai siaura. Jei impulsų kelyje yra lietaus debesis, dalis impulsų energijos nuo jo atsispindi ir sugrįžta atgal į lokatoriaus anteną. Atstumą iki debesies galima sužinoti išmatavus laiką nuo impulso išsiuntimo iki jo sugrįžimo. Esant vienodam impulsų sklidimo greičiui, atstumas iki debesies yra visada proporcingas pusei šio laiko. Matuojant antenos padėtį, kurioje jį priima atsispindėjusį signalą, nustatoma kryptis į debesį orlaivio išilginės ašies atžvilgiu.

Tūptinės radijo žyminiai

ILS yra sudėtingos ir brangios tupimo sistemos, jos yra didesniuose aerodromuose. Yra aerodromų, kur KTT prieigose, kelių kilometrų atstumu nuo tako, gali būti įrengti vienas ar keli antžeminiai radijo žyminių švyturiai. Jų išdėstymas sutampa su KTT vidurio linija. Visi švyturiai spinduliuoja 75 MHz radijo bangas į viršų antenomis, kurių kryptinės diagramos yra siauro piltuvėlio formos. Orlaivyje yra švyturių signalų imtuvas. Kabinoje nėra jokio valdymo pulto ir sudėtingo rodiklio, yra tik kelios skirtingų spalvų lemputės. Žyminių garso signalai girdimi telefonuose. Orlaivis labai greitai praskrenda švyturį, tuo metu sužybsi attinkamos spalvos lemputė ir ausinėse pasigirsta švyturio signalas. Atstumas nuo KTT iki žyminio nurodytas aerodromo dokumentuose, todėl lakūnai jį žino. Pasirodžius žyminio signalui, lakūnas žino, koks tuo metu yra atstumas iki KTT, o pažvelgus į aukščiamatį galima spręsti, ar orlaivis yra nenukrypęs nuo tuptinės. Jei žyminio signalo nustatytu momentu nesigirdi, tai reiškia, kad orlaivis yra labai nukrypęs į šalį nuo KTT, toliau žemėti pavojinga ir reikia kilti į antrąjį ratą.

2.3. Tolimoji radijo navigacija

Tolimosios radijo navigacijos priemonės orlaivio vietą nustato matuojant atstumų skirtumus nuo kelių antžeminių siųstuvų iki orlaivio. Dabar kol kas veikia tik viena tolimosios radijo navigacijos priemonė – „Loran C“. Orlaivio vieta iš pradžių nustatoma apytiksliai, matuojant radijo impulsų sklidimo laikus nuo kelių siųstuvų iki orlaivio. Po to lyginamos skirtingais keliais atsklidusių radijo impulsų signalų fazės ir išmatuoti atstumai patikslinami (žr. 9 pav.). Apytikslis atstumų nustatymo metodas orlaivyje pagal radijo impulsų atsklidimo laiką padeda išvengti fazinėms sistemoms būdingo matavimų daugiareikšmiškumo. Tokios sistemos vadinamos fazoimpulsinėmis.

Radionavigacijos sistemos „Loran-C“ siųstuvai yra įvairiose Žemės rutulio vietose. Keli antžeminiai siųstuvai veikia tarpusavyje suderintai, jie vadinami grandimi. Vienas grandies siųstuvas yra pagrindinis, o kiti pavaldieji. Jų dažniausiai būna du arba trys. Visi grandies siųstuvai suderintai veikia vienu 100 kHz dažniu. Atstumas tarp pagrindinio ir pavaldžiųjų švyturių yra didelis, maždaug 960–1300 km. Tiesė, jungianti du antžeminius švyturius, vadinama bazine linija, o atstumas tarp švyturių vadinamas baze.

Antžeminių švyturių veikimą sinchronizuoja atominis laikrodis. Sistemos veikimas pagrįstas žinomu reiškiniu, kad radijo bangų sklidimo greitis erdvėje yra 300 000 kilometrų per sekundę. Išmatavus laikus tarp signalų, kuriuos išsiunčia pagrindinis ir pavaldieji švyturiai, apskaičiuojami orlaivio atstumai iki tų švyturių ir nustatoma orlaivio vieta. Paeiliui matuojant skrendančio orlaivio vietos pasikeitimus, galima nustatyti skrydžio kryptį, greitį, orlaivio azimutą ir kitus navigacijos duomenis, ypač jei „Loran-C“ veikia kartu su orlaivio skrydžio valdymo sistema ar su palydovinės navigacijos priemonėmis.

Straipsnis parengtas įgyvendinant Europos socialinio fondo bei Švietimo ir mokslo ministerijos remiamą projektą „Mokslininkų vietinio ir tarptautinio bendradarbiavimo skatinimas bei kompetencijų ugdymas“.

Avionika. Orlaivių padėties erdvėje nustatymo priemonės

Išsamesnė informacija apie šį projektą: http://is.mokslasplius.lt/apie-projekta/.