Имитатор сигналов радиомаяка DVOR

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Система DVOR

3. Имитатор МИМ-70

4. Работа имитатора МИМ-70

5. Формирование сигнала опорной фазы

6. Список литературы

1. Введение

Радионавигация - область науки и техники, охватывающая радиотехнические методы и средства вождения автомобилей, кораблей, летательных и космических аппаратов, а так же других движущихся объектов.

Современный этап развития гражданской авиации характеризуется устойчивой тенденцией к росту объема перевозок пассажиров и грузов на внутренних и международных линиях и увеличению интенсивности воздушного движения. Естественное следствие такой тенденции -- повышение роли и значения радионавигационных средств в обеспечении безопасности и регулярности полетов. Широко применявшиеся еще десятилетие назад радионавигационные системы (РНС) и устройства (РНУ) не в состоянии удовлетворять возрастающие требования к точности и надежности навигационных измерений. В то же время большие капиталовложения в существующие радионавигационные системы вызывают необходимость эффективного их использования в новых условиях, что возможно путем модернизации бортовой аппаратуры. При разработке бортовых РНУ широко применяется современная микроэлектронная элементная база, позволяющая повысить надежность оборудования при резком снижении его массы и габаритных размеров. Повсеместно осуществляется переход к цифровым методам обработки на основе специализированных процессоров и ЭВМ, в том числе к оптимальной фильтрации по методу Калмана. Такие меры способствуют повышению точности местоопределения по сигналам существующих РНС. Большое внимание в последние годы уделяется разработке и вводу в эксплуатацию высокоточных систем навигации и посадки, основанных на последних достижениях науки и техники. К таким РНС относятся спутниковые системы навигации, позволяющие определять местоположение летательного аппарата (ЛА) с точностью в несколько десятков метров в любое время суток при любых метеоусловиях и практически в любой точке земного шара. На пороге ввода в эксплуатацию системы посадки сантиметрового диапазона, с помощью которых возможно резкое повышение регулярности полетов при сохранении на должном уровне безопасности завершающего этапа полета. Эти системы заменят в ближайшем будущем применяемые во всем мире системы посадки, работающие в диапазоне метровых волн. Прогресс в области радионавигационных средств обеспечения полетов сопровождается усложнением бортовой аппаратуры, использованием новых методов формирования и обработки сигналов, расширением возможностей бортовых устройств. В процесс навигационного обеспечения полетов оказывается вовлеченным широкий круг специалистов из числа технического и летного состава гражданской авиации. Грамотная эксплуатация новой техники требует от этих специалистов соответствующих знаний в области авиационной радионавигации и технических решений, на которых основана современная радионавигационная аппаратура.

2. Система DVOR

Радиомаяк DVOR обеспечивает пилота информацией об азимутальном положении ВС относительно радиомаяка, которая позволяет выполнять полет от одной установки (D)VOR к другой по заранее выбранному курсу. Индикация на приборах в виде сообщений "лети вправо" или "лети влево" позволяет пилоту определить отклонение от курса, в то время как индикация "от/на" указывает, летит ли самолет на радиомаяк или от него.

Всенаправленный азимутальный радиомаяк ОВЧ - диапазона DVOR является усовершенствованием радиомаяка VOR и, благодаря использованию эффекта Доплера и антенны с большой базой, может обеспечить значительно более точное определение азимута. DVOR используются, как правило, в районах со сложными географическими условиями.

Для уяснения принципа действия системы, рассмотрим антенную систему, состоящую из центральной и боковой антенн (рис. 1). Центральная антенна А_Ц расположена в начале координат, боковая А_Б - на расстоянии R от центральной под углом к начальной линии отсчета (направлению на север).

Сигналы от антенн А_Ц и А_Б принимаются бортовым оборудованием в удаленной точке с азимутом . Боковая антенна вращается по окружности радиуса R с угловой скоростью

,

где n - частота вращения антенны в минутах.

Линейная скорость вращения антенны . тогда радиальная составляющая скорости по направлению

. (1)

Рис. 1 Использование эффекта Доплера в DVOR

Текущее угловое положение боковой антенны . Когда , антенна находится на начальной линии отсчета. С учетом (1) радиальная скорость

. (1.1)

При приеме колебаний от вращающейся боковой антенны А_Б в точке приема возникает доплеровский сдвиг частоты

.

С учетом выражения (1.1)

. (1.2)

Обозначим = , тогда

. (1.3)

Из выражения (1.3) видно, что доплеровский сдвиг частоты , полученный в результате вращения боковой антенны, связан с азимутом летательного аппарата .

Принимая такой сигнал на ЛА, можно выделить рабочее напряжение вида

,

фаза которого зависит от азимута.

Через центральную антенну А_Ц, на борт ЛА передается опорное напряжение вида

,

фаза которого не зависит от азимута. При сравнении фазы опорного и переменного сигнала в бортовом оборудовании определяется азимут самолета.

Основное преимущество доплеровских радиомаяков по сравнению со стандартными радиомаяками VOR - высокая эффективность подавления влияния местных предметов на точность работы. Для эффективного подавления радиус вращения антенн R должен быть относительно большим и составлять , а скорость пеленгования должна сохраняться высокой, что требует большой частоты вращения. По этим причинам в современных системах DVOR вместо вращающихся антенн устанавливают неподвижные антенные решетки, состоящие из большого числа антенн, расположенных по окружности, и применяют механическую или электронную коммутацию антенн. При этом формат сигналов доплеровских радиомаяков DVOR стремятся выбрать одинаковым с радиомаяками VOR, чтобы иметь возможность приема их на самолете с помощью однотипной бортовой аппаратуры без какой-либо доработки или замены.

Антенная система радиомаяка DVOR (рис. 2) состоит из большого числа, например пятидесяти, вибраторов В₁…В₅₀, размещенных равномерно по окружности радиусом R. Противоположные вибраторы, например В₁ и В₂₆, питают токами с частотами , где - несущая частота, - частота, равная поднесущей частоте системы VOR 9960 Гц. Поочередное подключение пар вибраторов к источникам высокой частоты имитирует их вращение по окружности с частотой вращения .

Рис. 2 Антенная система радиомаяка DVOR

Принимаемые на борту ЛА колебания в связи с наличием доплеровского сдвига имеют частоты , т.е. колебания промодулированы по частоте с девиацией частоты .

Через центральную антенну излучается опорный сигнал, представляющий собой амплитудно-модулированные колебания

.

В результате сложения полей центральной антенны и боковых вибраторов в точке приема образуется сигнал

, (1.4)

где - индекс частной модуляции.

Из выражения (1.4) видно, что данный сигнал по структуре идентичен сигналу стандартного VOR. Отличие обработки сигнала радиомаяка DVOR заключается в том, что азимутальный сигнал (сигнал переменной фазы) передается по ЧМ каналу и выделяется фильтром Ф2 (рис.3), а опорный сигнал передается по АМ каналу и выделяется в бортовом оборудовании фильтром Ф1.

Рис. 3 Структурная схема канала DVOR

Погрешность определения азимута в системе DVOR составляет примерно 0,5.

Практически полностью удалось исключить влияние рельефа местности на точность канала азимута при разработке прецизионной системы PDVOR (Precision Doppler VOR). В наземных радиомаяках этой системы сигнал опорной фазы передается с помощью частотной модуляции вспомогательной поднесущей частоты .

Преимущества системы PDVOR могут быть реализованы только при помощи специального бортового оборудования. Стандартный приемник VOR работает с радиомаяками PDVOR так же, как и с радиомаяками DVOR. Для этого в спектре сигнала PDVOR сохранены составляющие, соответствующие опорному сигналу DVOR.

Положение самолета может быть определено:

· с использованием сигналов DME

· по пересечению двух линий положения, которые могут быть получены переключением бортового приемника последовательно на частоты двух радиомаяков VOR или DVOR.

Для получения результата необходима карта, а также знание местоположения радиомаяков DVOR и их частотные каналы. В дополнение, радиомаяк DVOR может использоваться для "нуль- вождения" по индикатору курса либо с помощью автопилота.

Рис. 4 Карта местоположения радиомаяков DVOR

Рис. 5 Соотношение сигналов опорной и переменной фаз на борту ВС для различных азимутальных положений относительно маяка

3. Имитатор МИМ-70

радионавигация радиомаяк имитатор dvor

Комплект малогабаритного имитатора МИМ-70 предназначен для проверки основных точностных характеристик бортовой аппаратуры I, II и III категории систем типа СП-50, ILS и VOR(DVOR), проводимой на различных этапах подготовки самолетов.

Комплект МИМ-70 обеспечивает свои характеристики при температуре окружающей среды от -50^о до + 50^оС и относительной влажности воздуха до 98…..100%, при этом при крайних климатических условиях погрешности увеличиваются не более чем в 1,5 раза.

МИМ-70 имитирует сигналы:

- курсовых маяков в диапазоне 108….117,95 МГц на 200 каналах;

- глиссадных маяков в диапазоне 329….335 МГц на 20 каналах;

- маркерных маяков на частоте 75 МГц.

Несущие частоты стабилизированы кварцами с точностью установки -0,002%. Побочные составляющие спектра сигнала ослаблены не менее чем на 20 дБ.

Имитатор имеет встроенный аттенюатор 0…100 дБ, позволяющий ослабить выходной уровень через 1 дБ для проверки бортовых приемников в лабораторных условиях (от +5 до +35^о С).

Калиброванный уровень имитатора на выходном сопротивлении 50 Ом может быть установлен:

- на курсовых каналах в точке 53 дБ 1000 ±300мкВ (максимальная мощность 3,5 мВт);

- на глиссадных каналах в точке 56 дБ ±180 мкВ (максимальная мощность 3 мВт);

На маркерном канале в точке 61 дБ 1000±300 мкВ (максимальная мощность 25 м Вт)

4. Работа имитатора МИМ-70

Входящий в комплект прибор МИМ-70 имитирует работу курсовых, глиссадных и маркерных маяков СП-50, ILS VOR(DVOR) путем амплитудной модуляции несущей низкочастотными сигналами.

В режиме DVOR прибор имитирует сигналы, соответствующие различным положениям самолета относительно маяка. Эти сигналы получаются в имитаторе при амплитудной модуляции несущей двумя сигналами: переменной фазы частоты 30 Гц и поднесущей частоты 9960 Гц, частотно - модулированной напряжением опорной фазы частоты 30 Гц. Фазовый сдвиг между сигналами переменной и опорной фаз определяет азимут самолета.

Для получения основных модулирующих напряжений (30, 60, 90 и 150 Гц) в низкочастотной части имитатора используется принцип, основанный на эффекте стробоскопии, который позволяет получить стабильные параметры указанных выше сигналов.

Низкочастотная часть имитатора, структурная схема которого приведена на (рис. 6), состоит из стробоскопического генератора напряжения 30, 60, 90 и 150 Гц, формирователя модулирующих напряжений и устройства контроля.

Рис. 6 Структурная схема имитатора

Напряжение несущих частот курсового и глиссадного диапазонов образуются в цифровом синтезаторе.

Для амплитудной модуляции несущей служит блок высокочастотных генераторов (БВГ). В нем же формируется ВЧ напряжение маркерного диапазона.

Для регулировки выходных сигналов в имитаторе имеется ступенчатый аттенюатор.

Блок питания обеспечивает стабильные напряжения +20 В, +5 В, +12,6 В, -12,6 В.

С помощью имитатора может производиться проверка бортовой аппаратуры по эфиру или по кабелю без съема с борта самолета, а также в условиях завода-изготовителя и в ремонтных мастерских.

При установке имитатора на спец. Машине при работе на антенну АИ-002 или выносном пункте при работе на антенну АИ-001 (имитатор и антенна устанавливаются на штативе) может быть произведена проверка по эфиру курсоглиссадных трактов на расстоянии до 20 м от носа самолета.

При проверке по эфиру имитатор обеспечивает на входе приемников сигнал менее 1000 мкВ (курс и маркер) и 600 мкВ (глиссада).

Помимо оперативных органов управления, необходимых для проверки бортовой аппаратуры в полевых условиях, под шкалой частот и затуханий прибора имеется ряд гнезд и тумблеров, позволяющих подключать к нему внешние устройства для изменения частот, глубин модуляции и пр., а также проверять имитатор без вскрытия кожуха.

В режиме DVOR имитатор генерирует высокочастотные сигналы, модулированные по амплитуде напряжением частоты 30 Гц (сигнал переменной фазы) и поднесущей частоты 10 кГц, которая в свою очередь частотно-модулирована опорным напряжением 30 Гц (сигнал опорной фазы).

Для получения сигнала 30 Гц импульсная последовательность частотой f=460,8 кГц, формируемая кварцевым генератором и усилителями-ограничителями, поступает на два делителя, имеющие коэффициент пересчета 32: на делитель III через усилители-ограничители и на делитель II через усилитель-ограничитель.

Выходные импульсы делителя III поступают на два делителя 1:3, с выходов которых импульсы поступают на схему И-НЕ. На ее выходе образуется последовательность импульсов с частотой следования в 3•5=15 раз меньше, чем на выходе делителя III.

Эти импульсы поступают на схему И-НЕ блокируя ее на время прохождения одного импульса кварцевого генератора.

Процесс образования временного сдвига, кратного ф, между выходными импульсами II и III полностью аналогичен режиму получения 90 Гц, за исключением того, что "выбивание" одного импульса из импульсной последовательности на входе делителя II происходит не при 5, а при 15 срабатывании делителя III, что также эквивалентно изменению коэффициента пересчета делителя II относительно входных импульсов с n=32 до n+1=33.

Импульсная последовательность, снимаемая с выхода делителя III, имеющая период T=n^ф=32•2.17=69.5 мкс (f=14400 Гц), преобразуется при помощи избирательного усилителя в синусоидальное напряжение, имеющая ту же частоту 14400 Гц, и подается на входы стробоскопических преобразователей, содержащих запоминающие конденсаторы.

Импульсы с выхода делителя II поступают на вход формирователя импульсов стробирования, представляющего собой схему совпадения с инвертором.

На второй вход схемы совпадение подаются импульсы кварцевого генератора.

Это позволяет поддерживать неизменными длительности импульсов, управляющих работой схемы стробоскопического преобразователя, что повышает относительную стабильность амплитуд и фаз на ее выходе.

Сформированные импульсы после инвертора через разделительный конденсатор и кнопку, находящуюся в нормально замкнутом положении, поступают на усилитель II стробоимпульсов. С выхода усилителя импульсы подаются на управляющий вход стробоскопического преобразователя II, содержащего запоминающий конденсатор.

За счет быстрого заряда конденсатора в преобразователе во время действия управляющих импульсов происходит запоминание мгновенных значений синусоидального напряжения, подаваемого с избирательного усилителя.

В связи с выше описанным сдвигом импульсов делителя II относительно выходного напряжения делителя III и формируемого из него синусоидального напряжения фаза и мгновенное значение запоминаемого синусоидального напряжения меняется через каждые 15 импульсов, что приводит к образованию ступенчатой синусоиды частотой

Сигнал переменной фазы получается аналогично сигналу опорной фазы.

При этом для обеспечения требуемого фазового сдвига 0...360⁰ между сигналами опорной и переменной фазы создается такой же фазовый сдвиг между импульсами, управляющими работой стробоскопических преобразователей.

Дискретность фазового сдвига в 45⁰ реализуется схемой совпадения, осуществляющей логическое умножение напряжений, снимаемых с трех последних триггеров делителя II с помощью переключателя. Переключатель позволяет подавать на схему совпадений различные сочетания импульсов, снимаемых с выходов трех последних триггеров делителя II, что обеспечивает получение всех необходимых фазовых сдвигов дискретно 45⁰.

Со схемы совпадения через инвертор в режиме DVOR сигнал поступает на вход формирователя импульсов стробирования, представляющего собой схему совпадения с инвертором. На второй вход схемы совпадения поступают импульсы кварцевого генератора. Это обеспечивает стабильность длительности импульсов, управляющих работой стробоскопических преобразователей и соответственно повышает относительную стабильность фазы, формируемого синусоидального сигнала.

С помощью управляющих импульсов, поступающих с формирователя в процессе стробирования и запоминания в стробоскопическом преобразователе I формируется ступенчатая синусоида переменной фазы частотой 30 Гц.

Линия задержки Лз с отводом 1,6 мкс позволят создать дополнительную задержку управляющих импульсов на ±8 при нажатии кнопки 1 и 2. Напряжение опорной фазы, используемое для частотной модуляции напряжения поднесущей частоты 9960 Гц, пройдя тумблер и фильтр НЧ, сглаживающий ступеньки, поступает на ЧМ генератор.

С выхода стробоскопического преобразователя ступенчатая синусоида переменной фазы подается на усилитель и фильтр НЧ и далее смешивается с напряжением ЧМ генератора на резисторах. Смешанный сигнал, содержащий синусоидальное напряжение частотой 30 Гц (переменная фаза) и напряжение поднесущей 9960 Гц, частотно -модулированное напряжением 30 Гц (опорная фаза), используется для модуляции высокочастотного генератора, работающего в режиме DVOR в диапазоне 108...117,95 Мгц.

5. Формирование сигнала опорной фазы

Для формирования сигналов опорной фазы используются импульсы с выхода 8 - последнего триггера делителя II.

Для получения сигналов переменной фазы, сдвинутых относительно сигналов опорной фазы на 0...360⁰ дискретно 45⁰, используется схема совпадения осуществляющая логическое умножение, и три инвертора.

Через переключатель В2 "АЗИМУТ" на три входа схемы совпадения подаются необходимые сочетания прямых или инвертированных импульсов, снимаемых с различных выходов трех последних триггеров делителя II.

Таким образом получено 2³=8 импульсов положительной полярности, сдвигаемых по фазе относительно импульсов, используемых для формирования сигналов опорной фазы.

Относительной задержкой управляющих импульсов опорной и переменной фазы определяется фазовый сдвиг между ступенчатыми синусоидами частоты 30 Гц, полученными из синусоидального напряжения 14400 Гц в результате стробирования и запоминания в моменты прихода управляющих импульсов на стробоскопические преобразователи.

После стробоскопических преобразователей ступенчатые синусоиды опорной и переменной фазы проходят, каждая, цепочку эмиттерных повторителей.

Тумблер В3 позволяет отключить сигнал 30 Гц переменной фазы, не отключая при этом напряжение опорной фазы, поступающее с эмиттера на модуляцию генератора ЧМ колебаний.

С части переменного резистора определяющего глубину модуляции несущей, сигнал через контакты переключателя и тумблер поступает на эмиттерный повторитель, с нагрузки которого вводится в фильтр, срезающий высшие гармоники, то есть сглаживающий ступеньки.

С выхода фильтра сигнал поступает на эмиттерный повторитель. Через тумблер "МОДУЛ. - ВНЕШН." резисторы, переключатель и конденсатор сигнал поступает на блок ВЧ генераторов.

В месте соединения резисторов сигнал переменной фазы смешивается с опорным сигналом 9960 Гц. Переменный резистор "МОДУЛЯЦИЯ" позволяет подобрать амплитуду напряжения, обеспечивающую заданный коэффициент модуляции.

Для получения опорного сигнала ступенчатое синусоидальное напряжение с нагрузки эмиттерного повторителя через тумблер "ЧМ - ОТКЛ." и переменный резистор поступает на фильтр.

Переменный резистор "0 фазы DVOR" позволяет компенсировать фазовые сдвиги, возникающие в фильтре канала переменной фазы и в ЧМ генераторе. Отфильтрованное от гармонических составляющих напряжение 60 Гц опорной фазы через эмиттерный повторитель, резисторы "ДЕВ.DVOR", переключатель и разделительный конденсатор поступает на вход генератора ЧМ колебаний.

В данной курсовой работе, я предлагаю создать схему тракта формирования сигнала опорной фазы (рис. 7).

Рис. 7 Схема тракта формирования сигнала опорной фазы

6. Список литературы

1. Скрыпник О.Н. Теоретические основы радионавигации. Учебное пособие. Иркутск: ИВАИИ, 2004.

2. Монаков А.А. Теоретические основы радионавигации. Учебное пособие. СПбГУАП. СПб., 2002.

3. http://helpiks.org/5-107067.html.

Размещено на Allbest.ru