Автоматический компас ВС

Автоматический радиокомпас является составной частью угломерной радионавигационной системы и относится к бортовым радиопеленгаторам для определения пеленга источника сигнала. АРК устанавливается на всех типах ВС и предназначен для автоматического и непрерывного измерения КУР — угла в горизонтальной плоскости между проекцией продольной оси ВС на эту плоскость и направлением на радиостанцию, отсчитываемого от 0 до 360° по ходу часовой стрелки (рис.3.3). Информация о КУР, отображается на индикаторах экипажа и служит для привода ВС в точку расположения радиостанции, а также для грубого определения местоположения ВС. Местоположение ВС определяется по пересечению двух линий положения, соответствующих, например, постоянному значению КУР (рис.3.2. Линии положения АРК — радиальные прямые, выходящие из точки, в которой находится радионавигационное устройство. Для определения МВС необходимо знать курс ВС и магнитные склонения в точках расположения как ВС, так и пеленгуемых радиостанций. Малая точность место определения с помощью АРК не отвечает требованиям самолетовождения и является следствием как большой погрешности самого АРК, так и увеличения ли­нейной погрешности с удалением от радиостанции.

Для совместной работы с АРК используются специальные радиостанции, получившие название приводных, а также радиовещательные станции соответствующего диапазона. Приводные радиостанции применяются для привода ВС в район аэродрома посадки и выполнения предпосадочного маневра.

Кроме того, приводные радиостанции можно использовать для связи с ВС. В составе бортового пилотажно-навигационного комплекса авиационный АРК является дублирующим, резервным датчиком для получения информации о координатах ВС.

АРК и приводные радиостанции работают в гектометровом и частично в километровом диапазонах радиоволн.

Основой радиопеленгации является направленный прием электромагнитной энергии. Навигационная информация в АРК формируется антенной системой, параметры выходного сигнала которой зависят от направления на источник излучения. Методика определения направления и точность пеленгования в значительной мере определяются формой диаграмм направленности антенной системы и характером возможных искажений диаграмм направленности.

Рисунок 3.3 – К определению курсовых углов радиостанций

В бортовых радиопеленгаторах наибольшее распространение получила рамочная антенна (рамка), на направленных свойствах которой основан принцип действия радиокомпаса. Свойство рамочной антенны — пеленговать работающую радиостанцию — иллюстрирует рис.3.2. На рисунке приведена самая простейшая рамочная антенна — виток, расположенный в вертикальной плоскости. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси Известно, что с помощью излучателя, состоящего из передатчика и антенны, можно сформировать электромагнитное поле в пространстве, окружающем излучатель. Электромагнитные волны представляют собой систему взаимосвязанных во времени и в пространстве колебаний напряженностей электрического и маг­нитного полей.

Для отображения ориентации полей введено понятие поляризации В радионавигации применяются в основном линеино - поляризованные волны, в частности, вертикально поляризованные, вектор к оторых имеет вертикальную ориентацию в плоскости распространения (см. рис.3.3).

Направление движения радиоволны, излучаемой радиостанцией, характеризует вектор Пойнтинга , расположенный перпендикулярно к векторам напряженности электрического и магнитного полей.

Поверхность равных значений фазы называется фронтом волны. В однородной среде радиоволна распространяется прямолинейно и ее фронт сферический. Опыт показывает, что при определенных условиях направление распространения радиоволн оказывается весьма стабильным, хотя существуют и исключения из этого правила.

Небольшие участки сферического фронта на удалениях в зоне действия АРК можно рассматривать как плоские. Нормаль к фронту совпадает с направлением радиуса-вектора, исходящего из точки расположения источника волны. Следовательно, по ориентации нормали к волновому фронту можно судить о направлении на точку расположения источника.

Рассмотрим сущность амплитудного метода пеленгации, в частности, метода минимума, широко используемого в авиационных радиокомпасах. Метод минимума более прост в технической реализации и обладает высокой угловой чувствительностью, так как вблизи направления нулевого приема амплитуда результирующего сигнала быстро меняется при изменении угла. Недостатком метода является то, что в момент пеленгации сигнал исчезает.

Зависимость амплитуды от направления можно установить следующим образом. Если плоскость рамки (рис. а) перпендикулярна направлению на принимаемую радиостанцию, то ЭДС, наводимые в обоих вертикальных элементах антенны, одинаковы по фазе и амплитуде. Поскольку токи i₁ и i₂ в элементах равны и противоположны по направлению, результирующее напряжение на выходе рамки равно нулю, т.е. прием отсутствует. Если же рамка занимает произвольное положение, один из вертикальных элементов рамки оказывается ближе к радиостанции, и электромагнитные волны при этом наводят в каждом из элементов неодинаковые по амплитуде и фазе ЭДС. Равенство токов i₁ и i₂ нарушается, и результирующее напряжение на выходе рамки становится отличным от нулевого — происходит прием. Очевидно, если плоскость рамки установлена в плоскости распространения радиоволн, различие между токами i₁ и i₂ наиболь­шее, и наблюдается максимальный уровень приема. В этом случае разность фаз между ЭДС в вертикальных элементах антенны (рис.3.3)

где λ — длина волны принимаемого радиосигнала; d — длина рамки; θ — курсовой угол радиостанции.

Как любая приемная антенна, рамка характеризуется действующей высотой, равной отношению амплитуды ЭДС на выходе антенны к амплитуде напряженности поля радиоволн в месте приема

Рис.3.4. Пеленгование с использованием рамочной антенны по минимуму разностного сигнала: а - нормально поляризованное электромагнитное поле, фронт волны, прямоугольная рамка; б — схема отсчета пеленга; в- диаграмма направленности в горизонтальной плоскости; г -векторная диаграмма сигналов.

В навигационных АРК рамочную антенну изготовляют многовитковой, а обмотку ее укладывают на ферритовый сердечник с высокой магнитной проницаемостью, что позволяет сконструироватьмалогабаритные рамочные антенны с достаточно действующей высотой, не ухудшающие аэродинамических качеств ВС. На ВС рамочную антенну располагают над или под фюзеляжем в специальном углублении и закрывают радиопрозрачным обтекателем.

Действующая высота рамочной антенны:

где μ — магнитная проницаемость сердечника; n — число вит­ков; S=nd — площадь витка; λ — длина волны принимаемого радиосигнала.

Векторная диаграмма (рис.3.4)показывает, что результирующая ЭДС е_р рамки равна геометрической разности наводимых в вертикальных элементах антенны ЭДС е₁ и е₂, одинаковых по амплитуде, но отличающихся по фазе на угол φ (вектор ). Вектор напряженности вертикально поляризованного поля в центре рамки перпендикулярен результирующему вектору , так как ЭДС, наводимая в каждом из вертикальных элементов антенны, находится в фазе с напряженностью поля радио­волны в месте расположения этой антенны.

В соответствии с векторной диаграммой результирующая ЭДС на выходе:

е_р = е₁, - е₂ = 2Еhμ sin = 2Еhμ sin ( sin θ).

Размеры реально существующих рамочных антенн радиокомпасов значительно меньше длины волны, поэтому, заменяя синус аргументом в выражении, получим:

е_р = 2Еhпμ d sin θ = Eh_д.р. sin θ,

где Е — напряженность поля пеленгуемой радиостанции в точ­ке приема; θ — курсовой угол радиостанции; h _д.р. = μ 2 ndh=μ 2 пS - действующая высота рамочной антенны.

Формула выражает зависимость результирующей ЭДС на выходе приемника от направления на работающую радиостанцию, т. е. является математическим выражением диаграммы направленности рамочной антенны.

В полярной системе координат диаграмма направленности рамочной антенны в горизонтальной плоскости имеет вид восьмерки (рис. в). Она образована касающимися друг друга окружностями с двумя направлениями нулевого приема, которые совпадают с перпендикуляром к плоскости рамки. Результирующая ЭДС на выходе рамки при приеме на один и другой лепестки диаграммы будут отличаться на 180° по фазе.

Нетрудно заметить, что из-за симметрии диаграммы возмож­на двойственность в определении КУР, отличающихся друг от друга на угол 180°. Для однозначного определения курсового уг­ла радиостанции в АРК помимо рамочной антенны применяют ненаправленную антенну, диаграмма направленности которой представляет собой окружность. Поэтому амплитуда и фаза ее ЭДС не зависят от направления на пеленгуемую радиостанцию. По этой причине в АРК эту ЭДС используют в качестве опорного сигнала.

Таким образом, рамка является чувствительным элементом радиокомпаса, а ее ЭДС — управляющим сигналом АРК. Фаза этого сигнала зависит от направления на пеленгуемую радиостанцию. Пеленг определяется, когда минимум диаграммы направленности совпадает с направлением на радиостанцию.

На рис. 3.5 приведена упрощенная модель радиокомпаса. Она состоит из рамочной (РА) и ненаправленной антенн (НА), нагруженных соответственно на управляющую и рабочую обмотки статора электродвигателя (ЭД). Фаза ЭДС на выходе рамки сдвинута на 90° относительно ЭДС с ненаправленной антенны. Напряжение с вращающейся рамки снимается через кольца и щетки. Для упрощения допустим, что двухфазный синхронный двигатель работает при питании токами высокой частоты. Двигатель механически связан с рамкой и стрелкой индикатора КУР, которые согласованы так, что стрелка показывает КУР = 0, ког­да плоскость рамки перпендикулярна к продольной оси ЛА, т.е. направление нулевого " приема совпадает с продольной осью.

Под действием наведенных ЭДС ер рамки и ед ненаправленной антенны через обмотки электродвигателя протекают токи i1 и i2 (рис.3.5), которые сдвинуты на 90° по фазе. Эти токи вызывают появление магнитных потоков Ф1 и Ф2, сдвинутых на 90° во времени и в пространстве за счет взаимно перпендикулярного расположения статорных обмоток электродвигателя.

Рисунок 3.5 – Упрощенная модель радиокомпаса

При сложении этих потоков возникает результирующий вращающийся магнитный поток статора (Ф=Ф₁+Ф₂), который наводит в короткозамкнутом роторе вихревой ток и вызывает вращение ро­тора.

Двигатель вращает рамку и стрелку индикатора. Когда рамка оказывается в положении нулевого приема, то е_р=0, i₁=0, Ф₁=0 и двигатель останавливается. При этом стрелка индикатора показывает КУР, так как направление нулевого приема, с которым согласовано положение стрелки, совпадаетс направлением на пеленгуемую радиостанцию. Приведение рамки в положение нулевого приема является следящим. При любом ее отклонении от этого положения возникает вращающий момент, направленный противоположно этому отклонению, и восстанавливается пулевой прием. В результате индикатор непрерывно отсчитывает КУР.

Рассматривая, рамочную антенну, мы имели в виду прием этой антенной только вертикально поляризованной волны Е_в=Е. В общем случае рамочной антенной будет осуществляться прием и горизонтально поляризованных волн Е_г ее горизонтальными частями. Горизонтальная составляющая поля принимаемого сигнала приводит к поляризационной погрешностирадиокомпаса. Причина возникновения этой составляющей — наклон передающей антенны или изменение поляризации сигнала при отражении от ионосферы. Обычно поле отраженного от ионосферы сигнала имеет эллиптическую поляризацию, при которой вектор Е вращается в пространстве с частотой сигнала. При приеме такого поля, кроме поляризационной погрешности, имеет место притуп­ление минимума диаграммы направленности рамки. Обе эти причины вызывают изменяющиеся и неподдающиеся учету погрешности. Одним из проявлений влияния Е_г является колебание стрелки указателя КУР, достигающее при неблагоприятных условиях десятков градусов. Поэтому точность и дальность действия АРКуказывают обычно для поверхностной волны.

На рамку, установленную на ЛЛ, кроме поля радиоволны воздействует поле, отраженное (переизлученное) элементами конструкции ЛА (фюзеляжем, плоскостями, щитками, шасси и т. п.). Соотношение между амплитудами, фазами и положением фронтов этих полей оказывается различным и зависит от направления прихода радиоволны, размеров и конфигурации фюзеляжа, места установки рамок и ряда других факторов. Чувствительность к 'влиянию переизлучателей является следствием интерференции полей радиостанции и переизлучателя. В общем случае положение фронта результирующей волны не совпадает с фронтом принимаемой волны и это вызывает смещение положения нулевого приема и, как следствие, погрешность в определении курсового угла, называемую радиодевиацией.

На рис.3.6 показаны: измеряемый радионавигационный параметр КУР — действительное направление на радиостанцию:

Рис. 3.6. - К определению радиодевиации ∆ Р

ОРК — отсчет по радиокомпасу; ∆ Р — погрешность радиодевиации, представляющая собой систематическую погрешность измерения КУР. Погрешность радиодевиации ∆ Р имеет на данном ЛА закономерный характер изменения и зависит от места установки рамочной антенны и КУР. Ее значение и знак изменяются по периодическому закону (рис.3.6). Максимум радиодевиации может достигать 20°. Закономерность изменения ∆ Р позволяет с помощью компенсаторов радиодевиации в системе передачи данных о КУР на измерительные приборы свести ∆ Р к приемлемому минимуму. Значение остаточной погрешности обычно не превышает 1...2°. Рамочную антенну рекомендуется размещать вблизи электрического центра ВС, т. е. в центре масс фигуры ВС плане, где поля имеющихся на ВС переизлучателейчастично компенсирую друг друга.

Рисунок 3.7. –График радиодевиации автоматического радиокомпаса