Авиационные радиоэлектронные системы и комплексы и основы их применения

Е. А. Рубцов, О. М. Шикавко








АВИАЦИОННЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ И ОСНОВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.369.6:656.7
ББК 39.57
     Р82



Рецензенты:
директор Научно-образовательного центра воздушного транспорта, Российский университет транспорта (МНИТ) д-р техн. наук, стар. науч. сотр. С. А. Кудряков;
главный конструктор научно-технического центра организации воздушного движения, АО «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры» (ВНИИРА) д-р техн. наук А. П. Плясовских




            Рубцов, Е. А.


Р82        Авиационные радиоэлектронные системы и комплексы и основы их
      применения : учебное пособие / Е. А. Рубцов, О. М. Шикавко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 328 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1509-5

            Приведены основные характеристики бортовых радиоэлектронных систем и комплексов: радиовысотомеров, самолетных ответчиков систем вторичной радиолокации, бортовых радиолокационных станций, бортовых систем предупреждения близости земли, бортового навигационно-посадочного оборудования, доплеровских измерителей скорости и угла сноса, спутниковых навигационных систем, аппаратуры автоматического зависимого наблюдения, радиосвязного оборудования воздушных судов, бортовых систем предупреждения столкновения, бортовых пилотажнонавигационных комплексов, принципы их функционирования, типы и размещение применяемых антенн, особенности летной эксплуатации. Рассматриваются общие вопросы летной эксплуатации бортовых радиоэлектронных систем и комплексов. Отражены особенности радиооборудования воздушных судов нового поколения, приведен типовой состав бортовых радиоэлектронных систем и комплексов современных воздушных судов.
            Для студентов, обучающихся по программе специалитета по специальности 25.05.05 «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения», для студентов, обучающихся по программе бакалавриата и магистратуры по направлению 25.03.04 «Эксплуатация аэропортов и обеспечение полетов воздушных судов» и направлению 25.03.03 «Аэронавигация».

УДК 621.369.6:656.7
                                                             ББК 39.57



ISBN 978-5-9729-1509-5

     © Рубцов Е. А., Шикавко О. М., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ



    АЗН - автоматическое зависимое наблюдение
    АЗН-В - автоматическое зависимое наблюдение вещательное
    АЗС - автомат защиты сети
    АРК - автоматический радиокомпас
    АРО - авиационное радиооборудование
    АТБ - авиационно-техническая база
    АФУ - антенно-фидерное устройство
    БВФ - блок вычисления и формирования
    БД - база данных
    БПНК - бортовые пилотажно-навигационные комплексы
    БРЛС - бортовая радиолокационная станция
    БСПС - бортовые системы предупреждения столкновений
    ВАРУ - временная автоматическая регулировка усиления
    ВСК - встроенная система контроля
    ВСУП - вычислительная система управления полетом
    ВПР - высота принятия решения
    ВРМ - всенаправленный радиомаяк
    ВСС - вычислительная система самолетовождения
    ВЧ - высокая частота
    ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система
    ГМВ - гектометровые волны
    ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система
    ГРМ - глиссадный радиомаяк
    ГРП - глиссадный радиоприемник
    ДАТО - департамент авиационно-технического обеспечения
    ДИСС - доплеровский измеритель скорости и угла сноса
    ДНА - диаграмма направленности антенны
    ЗИП - запасное имущество и принадлежности
    КВС - командир воздушного судна
    КИНО - комплексный индикатор навигационной обстановки
    КМВ - километровые волны
    КНД - коэффициент направленного действия
    КПИ - комплексный пилотажный индикатор
    КПРТС - комплексный пульт радиотехнических средств
    КРМ - курсовой радиомаяк
    КРП - курсовой радиоприемник
    КСЭИС - комплексная система электронной индикации и сигнализации
    КУО - курсовой угол ориентиров
    КУР - курсовой угол радиостанции
    МНРЛ - метеонавигационный радиолокатор
    МРП - маркерный радиоприемник
    МФИ - многофункциональный индикатор

3

    НПК - навигационно-пилотажный комплекс
    ОВЧ - очень высокая частота
    ПВ - прогнозируемая высота
    ПРМГ - посадочная радиомаячная группа (применяется совместно с РСБН)
    ПРС - приводная радиостанция
    ПУИ - пульт управления и индикации
    РЛ - радиолокатор
    РЛО - радиолокационный ориентир
    РЛС - радиолокационная станция
    РМ - радиомаяк
    РМИ - радиомагнитный индикатор
    РМСП - радиомаячная система посадки
    РНТ - радионавигационная точка
    РППЗ - раннее предупреждение приближения к земле
    РСБН - радиотехническая система ближней навигации
    РТС - радиотехническое средство
    СИВ - система имитации видимости
    СПКР - система предупреждения критических режимов
    СППЗ - система предупреждения приближения к земле
    СПУ - самолетное переговорное устройство
    СРПБЗ - система раннего предупреждения близости земли
    СРППЗ - система раннего предупреждения приближения к земле
    СЭИ - система электронной индикации
    УДС - угломерно-дальномерная система
    УКНП - устройство коммутации для наземных проверок изделия
    УПЧ - усилитель промежуточной частоты
    ХИП - хаотическая импульсная последовательность
    ЭПР - эффективная площадь рассеяния
    ЭР - эксплуатационные режимы


    ACAS (Airborne Collision Avoidance System) - бортовая система предупреждения столкновений воздушных судов
    ADF (Automatic Direction Finder) - автоматический радиокомпас
    ADS (Automatic Dependent Surveillance) - автоматическое зависимое наблюдение
    ADS (Air Data System) - система воздушных сигналов
    ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) - автоматическое зависимое наблюдение
    AFCS (Automatic Flight Control System) - автоматическая система управления полетом
    ATC (Air Traffic Control) - управление воздушным движением


4

    DAPS (Downlink Aircraft Parameters) - параметры ВС, передаваемые по линии «борт-Земля» в режиме S
    DME (Distance Measuring Equipment) - всенаправленный УВЧ радиомаяк дальномерный
    DPSK (Differential Phase Shift Keying) - относительная (дифференциальная) фазовая манипуляция
    EGPWS (Enhanced Ground Proximity Warning System) - усовершенствованная система предупреждения опасного приближения к земле
    EVS (Enhanced Vision System) - система улучшенного видения
    IAS (Indicated Airspeed) - приборная скорость
    IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - институт инженеров электротехники и электроники
    ILS (Instrumental Landing System) - инструментальная система посадки
    IRS (Inertial Reference System) - инерциальная система
    FCP (Flight Control Panel) - пульт управления полетом
    FMS (Flight Management System) - система управления полетом ВС
    GPS (Global Positioning System) - система глобального позиционирования
    GVA (Geometric Design Assurance) - обеспечение геометрического дизайна
    HF (High Frequency) - высокие частоты
    HUD (Head Up Display) - коллиматорный индикатор
    ILS (Instrumental Landing System) - инструментальная система посадки
    KANDU (Antenna Control Unit) - блок управления антенной
    KFRU (Ka-band Radio Frequency Unit) - радиочастотный блок Ka-диапазона
    LF (Low Frequency) - низкие частоты
    MF (Medium Frequency) - средние частоты
    MCDU (Multifunction Control Display Unit) - многофункциональный пульт управления и индикации
    ModMan (Modem Manager) - менеджер модема
    NDB (Non-Directional Beacon) - приводная радиостанция
    NACp (Navigation Accuracy Category for Position) - категория точности навигации для местоположения
    NACv (Navigation Accuracy Category for Velocity) - категория точности навигации для скорости
    NIC (Navigation Integrity Category) - категория целостности навигации
    PAM (Pulse Amplitude Modulation) - амплитудно-импульсная модуляция
    PPM (Pulse Position Modulation) - фазо-импульсная модуляция
    QFE (Queen Field Elevation) - система отсчёта барометрической высоты, в которой в качестве опорного принято атмосферное давление на уровне аэродрома
    QNH (Queen Natural Height) - система отсчёта барометрической высоты, в которой в качестве опорного принято атмосферное давление на уровне моря

5

    RA (Resolution Advisory) - рекомендация по разрешению угрозы столкновения: выдаваемое летному экипажу указание, рекомендующее маневр или ограничение маневра с целью избежать столкновения
    RCP (Reconfiguration Control Panel) - пульт управления реконфигурацией
    SDA (System Design Assurance) - обеспечение системного дизайна
    SIL (Surveillance Integrity Level) - уровень целостности наблюдения
    SHF (Super High Frequency) - сверхвысокие частоты
    STCA (Short Term Conflict Alert) - система краткосрочного оповещения о конфликтах
    SVS (Synthetic Vision Systems) - система синтезированного видения
    TA (Traffic Advisory) - консультативная информация о воздушном движении: выдаваемое летному экипажу указание на то, что определенное воздушное судно-нарушитель является потенциальной угрозой
    TACAN (Tactical Air Navigation System) - система ближней навигации, применяемая для нужд военной авиации
    TAS (True Airspeed) - истинная воздушная скорость
    TAWS (Terrain Awareness Warning System) - система раннего предупреждения приближения к земле
    TCAS (Traffic Collision Avoidance System) - система предотвращения столкновения воздушных судов в воздухе
    T2CAS (Terrain and Traffic Collision Avoidance System) - система предотвращения столкновения воздушных судов в воздухе и сближения с землей
    VHF (Very High Frequency) - очень высокие частоты
    VOR (VHF Omni Directional Range) - всенаправленный ОВЧ радиомаяк азимутальный
    VORTAC (VOR & TACAN) - система ближней навигации, включающая VOR и TACAN
    UHF (Ultra High Frequency) - ультра высокие частоты
    XPDR (Transponder) - самолетный ответчик системы вторичной радиолокации

6

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДИАПАЗОНАХ РАДИОВОЛН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ, И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БОРТОВЫМ АНТЕННАМ


            1.1. Основные сведения о диапазонах радиоволн, применяемых в гражданской авиации


    Область применения бортовых радиотехнических средств, а также их возможности существенно зависят от особенностей распространения радиоволн. Эти особенности оказываются разными для радиоволн различных частот. Определенной общностью свойств обладают некоторые группы частот, которые принято объединять в частотные диапазоны. В табл. 1.1 представлены обозначения диапазонов радиочастот и радиоволн, принятые в России и за рубежом.


Таблица 1.1

  Диапазоны радиочастот         Диапазоны радиоволн               Бортовые        
                                                              радиотехнические    
    Название      Границы         Название       Границы          средства        
  Низкие (НЧ)                  Километровые,                                      
 Low Frequency   30.300кГц      длинные (ДВ)      1.10 км       Радиокомпас       
      (LF)                                                                        
  Средние (СЧ)                 Гектометровые                                      
Medium Frequency 0,3.3 МГц        (ГКМВ),        0,1.1 км       Радиокомпас       
      (MF)                      средние (СВ)                                      
  Высокие (ВЧ)              Декаметровые (ДКМВ),            Средства радиосвязи   
 High Frequency  3.30 МГц      короткие (КВ)      10.100м       ВЧ диапазона      
      (HF)                                                                        
                                                           Оборудование навигации 
                                                              и посадки (VOR,     
 Очень высокие                                             ILS-КРП, МРП, аппара-  
     (ОВЧ)                     Метровые (МВ),             тура приема и преобразо-
   Very High     30.300 МГц ультракороткие (УКВ)    1.10м  вания дифференциальных 
Frequency (VHF)                                           данных от наземной под- 
                                                            системы GBAS-ЛККС),   
                                                            средства радиосвязи   
                                                               ОВЧ диапазона      
                                                            Оборудование посадки  
                                                           (ILS-ГРП, ПРМГ), само- 
                                                              летный дальномер    
 Ультравысокие                                             (DME), РСБН, приемник  
     (УВЧ)       0,3.3 ГГц   Дециметровые (ДМВ)  1.10 дм  сигналов GNSS, самолет- 
                                                           ный ответчик, система  
                                                           предупреждения столк-  
                                                             новений в воздухе    
                                                                (TCAS/ACAS)       

7

Окончание таблицы 1,1

 Диапазоны радиочастот       Диапазоны радиоволн      Бортовые радиотехни-
   Название      Границы       Название       Границы   ческие средства   
 Сверхвысокие                                                             
     (СВЧ)      3...30ГГц Сантиметровые (СМВ)  1.10см     БРЛС, ДИСС,     
  Super High                                             радиовысотомер   
Frequency (SHF)                                                           

    Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ввел дополнительные обозначения диапазонов радиоволн для радиолокации, представленные в табл, 1,2, Следует отметить, что обозначение mm также используется для обозначения диапазона от 30 до 300 ГГц,

Таблица 1,2

Полоса частот радиоволн Диапазон радиочастот
           L                 от1до2 ГГц     
           S                 от2до4 ГГц     
           X                 от4до8 ГГц     
          Ku               от 8 до 12 ГГц   
           K            от12до18ГГц         
          Ka            от18до 27ГГц        
           V            от 27 до 40 ГГц     
           W            от 40 до 75 ГГц     
       G или mm            от110до300ГГц    

            1.2. Основные свойства радиоволн


    В основу работы всех радиотехнических средств положены следующие основные свойства радиоволн:
    1.     Конечная и достаточно стабильная скорость распространения в однородной среде. Для излучений МВ, ДМВ и СМВ диапазонов земная атмосфера является недиспергирующей, поэтому групповая скорость распространения радиоволн в ней равна фазовой скорости, и обе эти скорости зависят от показателя преломления атмосферы п:
«т = Цъ = с/ гр ф /п
    Так как для атмосферы п > 1, то Цгр = Цф < с , Для стандартной атмосферы (давление p ~760 мм рт, ст,, t = 15°С; парциальное давление водяного пара e = 8,8 мм при относительной влажности 70 %) на уровне моря п = 1,000326 и игр =Оф = 299 694 км/с, По мере подъема над землей параметры атмосферы быстро меняются, коэффициент преломления приближается к единице, а скорость радиоволн - к скорости света в вакууме, Для инженерных расчетов мож

8

но принять скорость радиоволн равной 3-10⁶км/с. В целом скорость прямолинейно распространяющихся радиоволн в атмосфере отличается высокой степенью постоянства, что связано со стабильностью коэффициента преломления атмосферы.
    2.     Постоянство направления распространения. Радиоволны распространяются по кратчайшему расстоянию между точками излучения и приема. Траектория радиоволны зависит от длины волны и различается у разных диапазонов.
    С высокой степенью точности прямолинейными являются траектории волн диапазонов МВ, ДМВ и СМВ в горизонтальной плоскости. Траектория же их распространения в вертикальной плоскости не совсем прямолинейна. Причина отклонений траектории распространения от прямой линии — неоднородность земной атмосферы по высоте. Следствием неоднородности является рефракция. Характер рефракционного искривления траектории радиоволн показан на рис. 1.1. Рефракция может изменять направление распространения на величину порядка десятков угловых минут.


Рис. 1.1. Рефракция радиоволн в атмосфере

    3.     Способность направленного излучения и приема. Это способность радиоволн концентрировать энергию излучения (приема) в пределах малых телесных углов за счет применения антенных устройств. Направленные свойства антенны принято характеризовать функцией диаграммы направленности (ДН), рис. 1.2.



Рис. 1.2. Диаграмма направленности антенны

    4.     Способность преломляться и отражаться. Отражение и преломление, как правило, происходит на границе физических сред.


9

    Радиоизлучения метровых и более коротких волн отражаются от земной и водной поверхностей, гидрометеоров и других объектов. Это свойство радиоволн используется для обнаружения наземных сооружений, рек, водоемов, облаков, самолетов и т. п. Отражение радиоволн лежит в основе действия радиолокационных станций, входящих в состав бортовых радиоэлектронных комплексов.
    С отражением от земной поверхности надо считаться также при анализе электромагнитных полей, формируемых с помощью антенн, устанавливаемых на небольших удалениях от нее. Если излучатель располагается у земной поверхности, то в точку приема приходят две волны: прямая и отраженная (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Траектория распространения прямой и отраженной волн

    Поле в точке приема представляет собой результат интерференции прямой и отраженной волн. В зависимости от возвышения точки наблюдения над горизонтом разность фаз между прямой и отраженной волнами изменяется. В направлениях, где она близка к 2лk (k - целое число), амплитуды колебаний складываются, а в направлениях, где она близка к л (2k +1), вычитаются. Поэтому ДНА в вертикальной плоскости имеет лепестковый характер (рис. 1.4).


Рис. 1.4. Влияние отражений от Земли на ДНА в вертикальной плоскости

    5.     Эффект Доплера. Если расстояние между источником радиоизлучения и приемником изменяется, то частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний. Эту разницу называют доплеровским сдвигом частот, и он пропорционален радиальной составляющей скорости изменения расстояния, которая равна проекции вектора скорости на направление излучения.


10