Формулировка проблемы и её актуальность.
В настоящее время одним из важнейших направлений в гражданской авиации (ГА) является повышение уровня обеспечения безопасности полётов (БП). В свете возросшей интенсивности воздушного движения данная проблема является одной из приоритетных. Уровень безопасности полётов напрямую зависит от достоверности и скорости обновления информации о положении воздушных судов (ВС) в пространстве. Очевидно, что основным источником информации служат различные радиотехнические системы, такие как первичные и вторичные радиолокаторы, системы ближней и дальней навигации, различные типы радиопеленгаторов, связное оборудование и другие специальные системы обеспечения полётов.
В связи с этим, точность получаемых данных о местоположении ВС напрямую зависит от точности радиотехнических систем.
Как известно, одним из самых ответственных этапов полёта является этап захода ВС на посадку. По статистике на данном этапе происходит около половины всех авиационных происшествий [1, 2]. Для обеспечения захода ВС на посадку используется специальная инструментальная система посадки (СП).
Система посадки представляет собой радиотехнический комплекс (рис. В.1), состоящий из курсового радиомаяка (КРМ), глиссадного радиомаяка (ГРМ), нескольких маркерных радиомаяков (МРМ) и комплекта бортовой приёмной аппаратуры. КРМ служит для обеспечения ВС информацией о положении относительно линии глиссады в горизонтальной плоскости, ГРМ — для обеспечения ВС информацией о положении относительно линии глиссады в вертикальной плоскости, а.
Рис. В.1. Расположение элементов системы посадки на аэродроме посредством МРМ ВС обеспечивается информацией о прохождении контрольных точек.
Таким образом, радиотехническая система посадки должна непрерывно обеспечивать ВС информацией о положении относительно линии глиссады в различных метеорологических условиях. Различают несколько категорий систем посадки, характеризующиеся предельно допустимой точностью. От категорий систем посадки зависит возможность совершения посадки ВС при различных метеоусловиях. В табл. В.1 приведены данные метеоминимумов для различных категорий систем посадки в соответствии с рекомендациями Международной Организации Гражданской Авиации ИКАО (International Civil Aviation Organization, ICAO) [3, 4].
Таблица В. 1.
Категория СП I II Ilia Illb IIIc.
Минимальная горизонтальная видимость 800 400 200 50 0.
Минимальная вертикальная видимость 60 30 0 0 0.
Большинство систем посадок, эксплуатирующихся в настоящее время, принадлежат к II и Ша категориям. Как видно из табл. В.1, системы категории Ша предъявляют высокие требования к точности характеристик излучения как КРМ, так и ГРМ. К системам Ша категории можно отнести отечественную систему инструментальной посадки СП-90.
Точность как КРМ, так и ГРМ непосредственно связана с характеристиками диаграмм направленности их антенн. Известно [3.5], что среднеквадратическая ошибка измерения угловых координат пропорциональна такому параметру ДНА, как её ширина, а форма ДНА определяется амплитудным и фазовым распределением тока, питающего данную антенную систему. Положение в пространстве линии курса и линии глиссады очень чувствительны к изменениям фазового и амплитудного распределений питающего тока. Так, например [3, 6], при изменении положения линии курса на величину более 3-х метров в ту или иную сторону относительно оси взлётно-посадочной полосы (ВПП) происходит переключение аппаратуры КРМ на резервный комплект. Поэтому, наряду с высокими требованиями к трактам формирования сигнала блоков СП, предъявляются и высокие требования к точности системы контроля параметров СП.
Более полная информация о характеристиках излучения антенных устройств системы посадки собирается во время проведения лётных проверок. В настоящее время в соответствии с нормативными актами ГА лётные проверки являются основным способом контроля характеристик излучения наземных радиотехнических систем обеспечения полётов.
Лётные проверки производятся как при вводе системы посадки в эксплуатацию, так и во время периодических проверок, после замены или модернизации основных узлов радиотехнической системы, в том числе и антенных систем.
В табл. В.2. приведена периодичность лётных проверок для радиомаячных систем посадки различных категорий [7, 8].
Таблица В.2.
Категория СП Периодичность проведения лётных проверок СП по месяцам с момента ввода в эксплуатацию.
1 6 12 18 24 30 36.
I В п Г — Г — г.
II В п г — Г — г.
III В п г п г п г.
В — лётная проверка при вводе в эксплуатациюГ — годовая лётная проверкаП — полугодовая лётная проверка).
Как видно из табл. В.2, лётная проверка СП III категории производится каждые 6 месяцев. Следует, однако, заметить, что проведение лётных проверок является достаточно трудоёмким и дорогим по своей стоимости процессом.
Для проведения лётных проверок используются специально оборудованные самолёты-лаборатории. На борту таких самолётов-лабораторий находится специальное контрольно-измерительное оборудование, позволяющее фиксировать характеристики излучения тестируемых радиотехнических систем.
Разделяют следующие виды лётных проверок: при вводе в эксплуатацию, периодические и специальные [7]. Лётные проверки при вводе в эксплуатацию производятся после наземной проверки параметров и характеристик излучения (в том числе и с помощью встроенных систем контроля оборудования) средств радиотехнического обеспечения полётов (РТОП) с целью получения полной и достоверной информации относительно работы системы.
Периодические лётные проверки производятся на регулярной основе (табл. В.2) с целью контроля соответствия параметров и характеристик излучения наземных средств РТОП эксплуатационным требованиям. Периодические лётные проверки подразделяются на полугодовые и годовые.
Специальные лётные проверки производятся с целью подтверждения соответствия параметров и технических характеристик средства РТОП эксплуатационным требованиям, и проводятся после проведения доработок (модернизации), проведения ремонта отдельных блоков, замены или ремонта антенно-фидерного устройства, продления срока службы средств РТОП и т. п. [7].
Первые бортовые измерительные комплексы ЛИК-2 и КПА-ЭС-1 были созданы в СССР в 1970 году [9]. В этот же период отечественная промышленность разработала комплект аппаратуры лётного контроля.
AJIK-70. Данная система позволяла обеспечивать контроль параметров радиомаяков систем посадки по III категории ИКАО. Документирование полученной информации в этой системе требовало кропотливой ручной работы.
В 1975 году была начата разработка автоматизированной системы лётного контроля АСЖ-75. В ней впервые использовалась отечественная бортовая вычислительная машина. В качестве средства оценки траектории полёта самолёта-лаборатории при лётных проверках системы посадки использовалась однокоординатная автоматизированная система траекторных измерений АСТИ.
В середине 90-х годов находящиеся на эксплуатации системы АСЖ-75 практически выработали свой ресурс, а также полностью исчерпали себя по своим техническим возможностям. Их элементная база устарела, уже не обеспечивала нужной точности измерений и не позволяла выполнять современные международные требования к лётным проверкам наземных средств РТОП.
Если обратиться к зарубежным аналогам, то их стоимость вместе со стоимостью самолёта-лаборатории (CJI) составляет порядка 4−5 млн. долларов США [9], т. е. в современных условиях российского рынка приобретение подобного рода автоматизированных систем лётного контроля является весьма проблематичным.
В 1999.2000 гг. была проведена модернизация АСЖ-75 (АСЖ-75М-02, АСЖ-75М-03) и начато производство автоматизированной системы АСЖ-Н-01. В данных системах используются современная элементная база и сопряжение с ЭВМ, однако, следует отметить, что стоимость изготовления оборудования CJI составляет около 300 тысяч долларов США (стоимость изготовления комплекта АСЖ-Н-01, установка оборудования на СЛ Як-40, испытания и ввод в эксплуатацию составляет около 320 тысяч долларов США [9]). Стоимость же изготовления, испытаний и ввода в эксплуатацию разрабатываемой АСЛК-С-80 по предварительным оценкам будет около 800 тысяч долларов США.
В табл. В.З. приведено расчётное время выполнения облётов при вводе в эксплуатацию, при полугодовых и годовых облётах для инструментальной СП III категории (без учёта затрат времени на облёт маркерного радиомаяка) [7, 8].
Таблица В.З.
Тип облёта Ввод в эксплуатацию Полугодовой Годовой.
Время, ч 36,75 6,25 7,5.
Кол-во заходов CJI 75 (72) 25 30.
Цифра в скобках указывает количество заходов CJI на проверку второго комплекта оборудования).
Таким образом, при средней стоимости лётного часа самолёта-лаборатории около 500 долларов США стоимость лётной проверки комплекта оборудования СП-90 (без учёта стоимости лётной проверки МРМ) при вводе в эксплуатацию составляет как минимум 18,5 тысяч долларов США, стоимость полугодовой лётной проверки составляет не менее 3200 долларов США, а годовая проверка обходится не менее, чем в 3800 долларов США. Соответственно, ежегодно на проверку комплекта оборудования СП (не учитывая стоимости ввода в эксплуатацию) требуется не менее 7 тысяч долларов США (не менее 200 тысяч рублей). Очевидно, что с финансовой точки зрения в современных условиях российской экономики данная процедура является довольно обременительной для организаций РТОП.
Также следует отметить, что кроме финансовых существуют некоторые другие проблемные моменты в проведении лётных проверок. К ним можно отнести, во-первых, помехи, создаваемые окружающим ландшафтом, в особенности, если лётная проверка производится в гористой местности. В данном случае будет иметь место многолучевое распространение сигнала вследствие отражений. Во-вторых, на качество производимых измерений влияет и точность выдерживания самолётом-лабораторией специальной траектории облёта.
Таким образом, очевидно, что метод облётов, относящийся к прямым методам измерений, не всегда является эффективным.
Следует отметить, что в качестве специальных средств измерений в ГА находят применение подвижные аэродромные лаборатории (ПАЛ). Они предназначаются для контроля выходных характеристик курсовых и глиссадных радиомаяков систем инструментальной посадки [4, 5]. Общий вид автолаборатории показан на рис. В.2. Всё измерительное оборудование лаборатории располагается в стандартном автомобильном кузове. В комплекте имеется складная измерительная антенна высотой 14 м.
Автолаборатории типа ПАЛ предназначаются для контроля стабильности выходных характеристик курсоглиссадных радиомаяков, номинальные значения которых установлены при лётной инструментальной проверке системы. Метод контроля стабильности выходных характеристик радиомаяков основан на сравнении величины токов, соответствующих положениям линии курса и глиссады, и линиям, ограничивающим их секторы, измеренных непосредственно после очередной лётной проверки системы с соответствующим значением токов, измеряемых автолабораторией.
С помощью лабораторий типа ПАЛ контролируется стабильность следующих параметров:
— положение курсовой линии относительно оси ВПП;
— ширина полусекторов курсового радиомаяка;
— угол глиссады глиссадного радиомаяка;
— ширина полусекторов глиссадного радиомаяка. а) б).
Рис. В.2. Общий вид подвижной аэродромной лаборатории типа ПАЛ, а — вид сбоку, б — вид сзади).
Рис. В. З. Точки размещения автолаборатории относительно ВПП при проведении измерений.
Контролируются также пределы отклонения линии курса и глиссады от установленных значений и изменения ширины курсового сектора и ширины полусектора глиссады, вызывающие срабатывание аварийной сигнализации радиомаяков.
Схема размещения автолаборатории при проверке радиомаяков приведена на рис. В. З. Измерения положения линии курса производится в точке 2 (рис. В. З), измерения токов, определяющих ширину курсового сектора — в точках 1 и 3, которые выбираются на расстоянии примерно 105 м от оси ВПП. В точке 4 производится измерение токов индикатора глиссады, определяющих угол наклона линии глиссады и ширину верхнего и нижнего полусекторов глиссады. Точка 4 должна находиться на линии, проходящей через антенну ГРМ параллельно оси ВПП, и, в зависимости от рельефа, может быть удалена на расстояние 250.300 м от антенны ГРМ. В процессе проверки каждое измерение значения тока производится неоднократно, а затем результаты измерений усредняются.
Можно отметить следующие недостатки данного метода измерений:
— измеряются только два параметра излучения антенных систем радиомаяков;
— измерения чувствительны к точке расположения ПАЛ, что негативно влияет на результаты измерений на аэродромах со сложным рельефом местности.
В качестве альтернативного способа контроля характеристик излучения могут быть применены косвенные методы, основанные на измерении характеристик излучения тестируемой антенной системы в её ближней зоне. После того, как получены данные о характеристиках электромагнитного поля (ЭМП) в ближней зоне антенны осуществляется восстановление её характеристик излучения в дальней зоне (характеристик направленности).
Также следует отметить, что при проведении измерений в ближней зоне антенной системы при использовании традиционных методов производится измерение как амплитуды, так и фазы ЭМП. Однако измерение фазы сопряжено иногда с большими трудностями (сложность и высокая стоимость измерительного оборудования, наличие генератора опорного сигнала и т. п.), поэтому экономически целесообразно использовать так называемые бесфазовые методы. Основной их особенностью является то, что в процессе диагностики антенны производится измерение только лишь амплитуды поля в ближней зоне, без каких-либо измерений фазы. При этом фазовое распределение восстанавливается по данным измеренных амплитудных значений.
Таким образом, возникает актуальная научно-техническая задача: обеспечить контроль характеристик излучения курсового и глиссадного радиомаяков с необходимой точностью в наземных условиях методом бесфазовых измерений. Решение этой задачи позволит частично отказаться от использования облётов средств РТОП.
Цель диссертационной работы.
Целью работы является разработка наземного метода контроля характеристик излучения курсового и глиссадного радиомаяков инструментальной системы посадки.
Для достижения указанной цели потребовалось:
• изучить и классифицировать методы бесфазовых измерений характеристик излучения;
• разработать наиболее эффективный метод измерений, максимально подходящий для решения конкретного типа задачи;
• разработать методику и рекомендации по проведению измерений характеристик излучения КРМ и ГРМ инструментальной системы посадки при их техническом обслуживании;
• разработать программное обеспечение для расчёта характеристик излучения КРМ и ГРМ СП-90.
Методы исследования.
Данные исследования были выполнены с использованием теории радионавигации, теории антенн и устройств СВЧ, теории матричного исчисления и линейной алгебры, методов математического моделирования процессов, а также с использованием разработанной экспериментальной установки.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанный метод бесфазового контроля характеристик излучения курсового и глиссадного радиомаяков.
2. Рекомендации по выбору мест установки измерительного зонда при проведении технического обслуживания КРМ и ГРМ.
3. Разработанное программное обеспечение для восстановления фазового распределения и характеристик излучения КРМ и ГРМ.
Научная новизна работы.
1. Проведён анализ и сравнение существующих методов восстановления характеристик излучения по результатам бесфазовых измерений в ближней зоне излучающих систем.
2. Теоретически обоснована и подтверждена в процессе проведения эксперимента возможность восстановления фазового распределения ЭМП по измеренным амплитудным данным.
3. Предложена методика контроля антенных систем инструментальной системы посадки СП-90.
4. Разработано программное обеспечение для проведения наземных измерений в процессе технического обслуживания.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертации.
1. Классифицированы методы бесфазового восстановления характеристик излучения.
2. Проведён эксперимент, подтверждающий реализуемость бесфазового метода диагностики.
3. Разработан алгоритм измерений характеристик антенных систем КРМ и ГРМ и программное обеспечение для реализации данных измерений.
Практическая ценность работы.
Полученные в процессе выполнения данной работы результаты позволяют:
• значительно упростить процедуру проведения измерений характеристик излучения КРМ и ГРМ путём частичного отказа от проведения облётов;
• производить измерение характеристик излучения КРМ и ГРМ с использованием предлагаемого метода контроля фазового распределения токов в антенне;
• расширить функциональные возможности передвижных аэродромных лабораторий в части их использования для измерения внешних характеристик КРМ и ГРМ.
Апробация работы.
Результаты выполненных исследований докладывались на научно-технических конференциях в МГТУ ГА, МАТИ (2004.2005 г. г.) и на Международной Крымской научно-технической конференции по проблемам радиотехники (2005,2006 гг.). Внедрение основных результатов.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, Рыльском авиационно-техническом колледже и НПО «ЛЭМЗ».
Достоверность результатов.
Достоверность результатов основана на корректном использовании различных методов математического моделирования на ПЭВМ и на экспериментальных результатах, полученных в процессе проведения эксперимента на разработанной установке.
Публикация результатов.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и 6 тезисах докладов (в том числе в тезисах докладов Крымской международной научно-технической конференции) [10.22].
Структура и объём работы.
Данная диссертационная работа состоит из Введения, четырёх глав, Заключения, одного Приложения и списка используемых источников.
4.2.4. Выводы по главе IV.
1. Разработанная экспериментальная установка позволяет восстановить фазовое распределение ближнего поля излучающей системы по измеренным только амплитудным данным.
2. В результате проведения экспериментальных измерений показано, что зависимость между изменением фазового распределения в раскрыве излучающей системы и фазовым распределением поля в ближней зоне антенны может быть определена по данным амплитудных измерений.
3. Результаты эксперимента демонстрируют эффективность применения бесфазовых способов измерения для проведения диагностики излучающих систем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Полученные в диссертационной работе результаты позволяют сделать вывод о возможности осуществления наземного контроля характеристик излучения радиомаяков системы посадки СП-90 при их техническом обслуживании и об эффективности предлагаемого бесфазового метода измерений.
Основные теоретические и практические результаты заключаются в следующем:
1. Проведён анализ различных бесфазовых методов восстановления характеристик излучения передающих радиосистем. На основе данного анализа предлагается комбинированный бесфазовый метод восстановления фазового распределения тока в антеннах курсового и глиссадного радиомаяков.
2. Разработаны методика и рекомендации по проведению наземных бесфазовых измерений в ближней зоне излучения КРМ и ГРМ при их техническом обслуживании.
3. Разработано специальное программное обеспечение, с использованием которого осуществлено восстановление фазового распределения в раскрыве антенных систем КРМ и ГРМ, произведено сравнение результатов восстановления ФР для различных поверхностей измерений, рассмотрено влияние различных ошибок измерений.
4. Разработана экспериментальная установка, позволяющая восстановить фазовое распределение ближнего поля излучающей системы по данным только амплитудных измерений.
