Радиомаячная система VOR и её применение для полёта по ЛЗП, определение МС

Принцип действия VOR. Радиомаячная угломерная система VOR (Very High Frequency Omni-directional Range) включает в себя наземное оборудование – радиомаяк VOR, и бортовое оборудование, принимающее сигналы этого радиомаяка.

Система работает в УКВ диапазоне на частотах от 108,0 до 117,95 МГц, что соответствует длине волны около 3 м. В принципе частоты радиомаяков всегда кратны 0,05 МГц (50 кГц), например, 108,05 Мгц, 110,80 МГц, 112,65 МГц и т.д. Во многих регионах мира для радиомаяков используют только те частоты, которые кратны одной десятой мегагерца и тогда, вместо, например, 110,80 указывают 110,8 МГц.

Часть указанного диапазона (а именно от 108 до 111,95 МГц) занимает одновременно и другая навигационная система – радиомаячная система посадки ILS (Instrument Landing System), но у неё первая цифра частоты после запятой всегда нечетная (например, 108,35 МГц). Соответственно, у VOR, работающих в этой же части диапазона (а это аэродромные радиомаяки), такая цифра четная, например, 110,80 Мгц. В оставшейся части диапазона (свыше 112 МГц) работают трассовые радиомаяки VOR и частоты могут быть любые, но также с дискретностью 50 кГц.

На одной и той же несущей частоте радиомаяк излучает два вида сигналов по двум диаграммам направленности: опорный (reference) сигнал и переменный (variable) сигнал. Опорный сигнал промодулирован по частоте огибающей синусоидой с частотой 30 Гц и имеет круговую диаграмму направленности, то есть излучается одинаково во все стороны. В любой точке пространства фаза огибающей опорного сигнала одинакова (рис. 5.1).

У переменного сигнала диаграмма излучения направленная и имеет форму «восьмерки». Если бы ориентация этой «восьмерки» была постоянной, то в любой точке пространства амплитуда принимаемого сигнала была бы постоянной и зависела бы от угла между направлением оси «восьмерки» (здесь будет максимальная амплитуда) и направлением на данную точку.

Но эта диаграмма вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 30 оборотов в секунду (в современных VOR вращение создается электронным путем при неподвижной антенне). А 30 оборотов в секунду это и есть 30 Гц. В результате получается, что в любой точке пространства амплитуда принимаемого сигнала меняется с частотой 30 Гц, то есть сигнал оказывается амплитудно промодулированным этой частотой. При этом фаза огибающей будет различной по разным направлениям от радиомаяка. Ведь из-за вращения диаграммы максимум амплитуды сначала пройдет через одно направление, потом через другое…

В направлении на север, где пеленг равен нулю, фазы огибающих опорного и переменного сигналов совпадают. По любому другому направлению эти два сигнала оказываются сдвинутыми по фазе как раз на такую величину, которая равна углу между северным направлением меридиана и данным направлением. А ведь это и есть пеленг этого направления Пс.

Рис. 5.1. Диаграммы направленности VOR

Разумеется, в любой точке пространства оба сигнала (опорный и переменный) складываются, но бортовое оборудование позволяет их разделить – ведь в одном из них использована частотная модуляция, а в другом – амплитудная. Эти две выделенные огибающие сдвинуты по фазе друг относительно друга. Данный сдвиг, выявленный бортовым оборудованием и выраженный в градусах, и является пеленгом данной точки от радиомаяка.

Из изложенного должно быть понятно, что с помощью VOR измеряется пеленг ВС относительно меридиана, проходящего через радиомаяк.

Обозначение VOR на картах. Символы, обозначающие радиомаяк VOR, различаются на картах, выпускаемых разными фирмами, а также на разных видах карт одной и той же фирмы. Наиболее часто используется небольшой символ азимутального круга – кружек с градусными делениями. Иногда он имеет небольшую стрелку в виде флажка, направленного на север. В последнее время компания Джеппесен обозначает VOR в виде шестиугольника или шестиугольника вместе с азимутальным кругом (рис.5.2).

Рис.5.2. Символы радиомаяка VOR на современных маршрутных картах компании Джеппесен

Если в том же месте, что и VOR, установлен и радиомаяк другой навигационной системы (дальномерный маяк DME или угломерно- дальномерный маяк TACAN – о них речь будет идти в последующих главах), то к шестиугольнику добавляется символ этого маяка, например, квадрат в случае DME (рис. 5.3).

Рис.5.3. Символы VOR, совмещенного с другим средством

Ввиду многообразия символов VOR опознавать их на карте лучше не по виду символа, а по информации в «боксе», который нанесен рядом с каждым радионавигационным средством. Убедиться, что в данном месте находится именно VOR, а не какое-то другое средство, можно по следующим признакам:

– частота лежит в пределах от 108 до 118 МГц (единицы измерения частоты в боксе не указываются, но это не вызывает недоразумений, поскольку в таком диапазоне в килогерцах ни одна навигационная система не работает);

– частота всегда указана с дробной частью, даже если значение круглое (например, 112,3; 116,0);

– позывной состоит из трех букв.

Так, на рис. 5.4(а) VOR с наименованием ALTAY обозначен шестиугольником и азимутальным кругом. Шестиугольник заштрихован, поскольку эта точка является пунктом обязательного донесения. Частота 114,3 МГц, позывной TAI (позывной также повторен символами азбуки Морзе). Координаты радиомаяка 47º44,8' северной широты, 88º 05,0' восточной долготы. Звездочка возле частоты указывает, что радиомаяк работает не круглосуточно. В этом же месте установлен дальномерный радиомаяк DME. Об этом свидетельствует маленькая буква D возле частоты, а также символ в виде квадрата (он охватывает шестиугольник).

На рис. 5.4(б) VOR изображен в виде азимутального круга с флажком. Наличие DME указывает буква D возле частоты. Здесь же указана буква Н в скобках, которая обозначает класс VOR (H – High, радиомаяк для использования в верхнем воздушном пространстве).

Рис. 5.4. Информация о VOR на маршрутных картах

На рис. 5.4(в) радиомаяк VOR обозначен просто небольшим кружком внутри черного треугольника (сам треугольник обозначает пункт обязательного донесения). Но внутри бокса также указана вся необходимая информация.

Радиомаяки VOR и их классификация. Радиомаяк VOR передает азбукой Морзе свой позывной, состоящий из трех букв. Большинство радиомаяков способны передавать информацию в телефонном режиме, то есть голосом. Некоторые голосом передают свой позывной или название, например, «Brindisi VOR». Если маяк временно не работает (например, находится на техническом обслуживании), то он ничего не передает, либо передает азбукой Морзе слово TEST (─ • ••• ─). Разумеется, в этом случае его использовать нельзя.

VOR является одним из самых давно используемых навигационных средств. За годы эксплуатации конструкция маяков неоднократно совершенствовалась, они выпускаются разными фирмами, поэтому выглядеть могут совершенно по-разному (рис.5.5-5.8). Выпускается такое оборудование и в России. В документах аэронавигационной информации они также обозначаются как VOR, хотя официально имеют другие названия, присвоенные их производителями (например, «радиомаяк азимутальный»).

Рис. 5.5.. Радиомаяк азимутальный РМА-90 (Россия)

Рис. 5.6. Радиомаяк азимутальный доплеровский DVOR-2000 (Россия)

Рис. 5.7. VOR, совмещенный с DME

Рис.5.8. Доплеровский VOR, совмещенный с TACAN

За рубежом маяки классифицируются в зависимости от объема воздушного пространства, в котором предполагается их применение. Поскольку маяки работают в УКВ диапазоне, то в принципе максимальная дальность их действия определяется дальностью прямой видимости (см. параграф 2.6) и зависит от высоты полета. Но если радиомаяк будет использоваться лишь в ограниченном районе (например, в районе аэродрома), то он может работать на пониженной мощности, что, естественно, повлияет на дальность уверенного приема сигнала.

Радиомаяки класса T (Terminal, что в данном случае можно перевести как «аэродромные») предназначены для навигации в районе аэродрома и должны обеспечивать получение навигационной информации на высотах от не менее 300 до примерно 4000 м на удалении не менее 25 морских миль (это примерно 46 км).

Радиомаяки класса L (Low Altitude, малых высот) должны обеспечивать прием сигнала от них на высотах от не менее 300 м до 18 000 футов (около 5500 м) на удалении до 40 морских миль (74 км).

Радиомаяки класса H (High Altitude, больших высот) должны обеспечивать прием сигнала (рис. 5.9):

– на высотах от 300 м до 14500 футов (примерно 4400 м) до удаления 40 морских миль (74 км);

– на высотах от 14 500 футов до 60 000 футов (около 18 300 м) – на удалении до 100 морских миль (185км);

– на высотах от 18 000 футов до 45 000 футов (около 13700 метров) до удаления 130 морских миль (240 км).

Рис. 5.9. Объем воздушного пространства, в котором радиомаяк VOR должен обеспечивать получение информации

Указанные значения задают так называемый «рабочий объем воздушного пространства» (service volume), в котором гарантируется уверенный прием сигналов именно того радиомаяка, на который настроился пилот. Может вызвать недоумение тот факт, что в соответствии с приведенными выше цифрами и рис. 5.9, дальность на высотах выше 45000 фт меньше, чем ниже этой высоты (100 морских миль вместо 130). Ведь, казалось бы, чем больше высота, тем больше должна быть дальность.

Но указанные дальности, это вовсе не максимальные дальности на которых возможен прием сигнала. Как правило, сигнал можно принимать и на больших удалениях. Эти дальности кроме обеспечения приема сигнала еще и гарантируют, что находясь в их пределах, ВС не попадет в зону действия другого радиомаяка, работающего на такой же или близкой частоте. Именно потому, что с высотой реальная дальность действия возрастает, на больших высотах (выше 45000 фт) может оказаться, что ВС оказалось в зоне действия двух радиомаяков. И если их частоты близки, то на какой из них окажется настроенным бортовое оборудование – неизвестно. Поэтому установленная дальность 100 миль (для больших высот) просто гарантирует, что на меньших удалениях такого не произойдет.

Радиомаяки непрерывно совершенствуются. PVOR (Precision VOR) является дальнейшим развитием системы. Он имеет диаграмму направленности в виде нескольких лепестков. Для устранения вызванной этим неоднозначности используются два канала измерения пеленга – грубый и точный. PVOR обеспечивает более точное измерение пеленга и менее подверженное помехам.

DVOR (Doppler VOR – доплеровские VOR) являются более точными, но и более сложными. В таких радиомаяках опорный сигнал имеет амплитудную модуляцию, а переменный сигнал – частотную, то есть как раз наоборот по сравнению с обычными радиомаяками. Это способствует уменьшению помех, например, от местных предметов вблизи радиомаяка.

Эффект вращения диаграммы направленности создается электронным путем многочисленными неподвижными антеннами, расположенными по окружности диаметром 13,4 м (см. рис. 5.6). При таком диаметре и вращении со скоростью 30 оборотов в секунду линейная скорость вращения диаграммы (1264 м/с) превышает скорость звука. Из-за этой линейной скорости для наблюдателя, находящегося в стороне от радиомаяка, получается доплеровский сдвиг частоты. Напомним, что эффект Доплера заключается в том, что при приближении источника излучения к наблюдателю воспринимаемая частота больше фактически излучаемой. При удалении – наоборот.

Антенна, излучающая опорный сигнал, несколько смещена от центра вращения диаграммы переменного сигнала. Именно ее расположение является точкой начала отсчета пеленга. Из-за смещения антенны переменного сигнала его доплеровский сдвиг будет зависеть от направления излучения, отсчитываемого от антенны опорного сигала. Принимая на борту оба сигнала можно более точно измерить пеленг.

Несмотря на разнообразие видов радиомаяков, бортовое оборудование может работать с любым из них. Пилот может и не знать, с маяком какого вида он сейчас работает.

Разработаны и еще более совершенные PDVOR (Precision Doppler VOR), но для работы с ними уже должны использоваться другие приемники.

Навигационный параметр, измеряемый VOR. Как следует из описанного выше принципа работы данной навигационной системы бортовое оборудование путем измерения разности фаз опорного и переменного сигналов определяет пеленг самолета относительно меридиана, проходящего через радиомаяк. Какого именно меридиана? В подавляющем большинстве случаев радиомаяки ориентируются так, что нулевое значение пеленга совпадает с северным направлением магнитного меридиана радиомаяка. Поэтому с помощью VOR непосредственно измеряется магнитный пеленг самолета (МПС) относительно меридиана радиомаяка. Так мы далее и будем считать в данном учебном пособии.

На самом деле в полярных районах (например, на севере Канады) радиомаяки ориентируют по истинному меридиану, поскольку магнитное склонение там велико и достаточно быстро меняется. В таких случаях об этом обязательно указывается на полетной карте. Так, на рис. 5.10 указано «VOR/DME Oriented True North» (VOR/DME ориентирован на истинный север). Соответственно и заданный путевой угол от этого радиомаяка указан истинный, что обозначено буквой T (указано 214ºT).

5.10. VOR в полярном районе

Применительно к использованию VOR магнитный пеленг самолета получил еще и другое широко употребляемое название – радиал (radial). По сути радиал - это просто и есть магнитный пеленг самолета от радиомаяка – просто другое, более короткое название. Радиалы выражают целым числом (доли градуса не используют) и обозначают либо так же как пеленги, например, 128º, либо как R-128 (в этом случае значок градусов не указывают). Можно считать, что от радиомаяка исходят 360 направлений (радиалов) во все стороны, как на рис.5.11.

Рис. 5.11. Радиалы (пеленги)

Важно помнить, что радиал – это всегда направление ОТ радиомаяка. Использовать этот термин применительно к направлению НА маяк (то есть к МПР) нельзя.

Таким образом, можно сказать, что с помощью VOR непосредственно измеряется текущее значение радиала ВС.

Некоторое различие между радиалом и ЗМПУ все же имеется (точнее – может иметься). Действительно, VOR ориентируют по магнитному меридиану пункта, в котором он расположен (например, ППМ) и тогда радиал и ЗМПУ совпадают. Но ведь магнитное склонение со временем меняется, хотя и медленно. Северное направление магнитного меридиана через пару-тройку лет станет другим, а радиомаяк останется ориентированным как и прежде. Поэтому для выдерживания ЛЗП по- прежнему необходимо выдерживать все тот же опубликованный когда-то на карте радиал. Но он уже не будет совпадать с ЗМПУ. Ведь ЗМПУ, так же как и измеряемый компасом магнитный курс, отсчитываются от фактического направления магнитного меридиана (вектора напряженности магнитного поля Земли), которое уже изменилось.

Для каждого радиомаяка VOR публикуется значение угла между северным направлением истинного меридиана и направлением нулевого радиала. По-английски эта величина называется Declination. На русском языке она общепринятого названия пока не имеет, но иногда называется «склонением станции». Теоретически она должна совпадать с магнитным склонением, но по описанным выше причинам может со временем от него и отличаться.

По правилам, принятым в США, если Declination отличается от магнитного склонения более, чем на 2º, то радиомаяк необходимо заново выставить по магнитному меридиану. Но на практике, видимо, из-за финансовых соображений, это не всегда делается и иногда эта разница достигает 4-5º.

На современных ВС для каждого радиомаяка величина declination хранится в бортовых базах аэронавигационных данных и учитывается при автоматизированной навигации.

Автоматизированное выполнение полета по ЛЗП. На всех ВС, имеющих бортовое оборудование для работы с радиомаяками VOR, имеется возможность автоматизировать определение уклонения от ЛЗП при полете на или от радиомаяка. Это означает, что пилоту нет необходимости каждый раз отсчитывать с индикатора показания пеленга, чтобы сравнить их с заданным путевым углом. Прибор сам покажет сторону и величину уклонения.

На ВС зарубежного производства соответствующий режим работы оборудования обозначается OBS (Omni bearing selector). Используется специальный индикатор CDI (Course Deviation Indicator –индикатор отклонения от заданного путевого угла) (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Course deviation indicator

С помощью кремальеры “OBS” пилот вращает шкалу CDI и устанавливает напротив треугольного индекса значение ЗМПУ линии заданного пути, проходящей через радиомаяк. Бортовое оборудование само определяет, выполняется полет на радиомаяк или от него, сравнивая направление на самолет с установленным путевым углом.

Если измеренный текущий радиал ВС (направление на ВС от радиомаяка) направлен примерно в ту же сторону, что и установленный ЗМПУ (находится от него в секторе ±90°), то предполагается, что полет выполняется от маяка и загорается надпись “FR” (from – от). В противном случае, когда направление на самолет противоположно установленному ЗМПУ (то есть лежит в секторе ±90° от ЗМПУ±180°), то загорается надпись “TO” (на) (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Формирование сигналов “FROM” или “TO”

Следует подчеркнуть, что бортовое оборудование не может определить, в какую сторону на самом деле летит самолет. Оно только определяет, в каком направлении находится самолет: в том же, что и установленный путевой угол, или в противоположном. Например, если установлено значение ЗМПУ=50°, а направление на самолет (радиал) 60°, то гореть будет надпись «от» независимо от того, летит ВС от радиомаяка или развернулось и летит уже на маяк.

Для определения величины уклонения фактическое значение радиала сравнивается с тем его значением, при котором ВС находилось бы на ЛЗП (при полете от маяка этот радиал равен установленному ЗМПУ, а при полете на маяк ЗМПУ±180°). Напряжение, пропорциональное разности заданного и фактического радиалов поступает на CDI и вызывает отклонение вертикальной планки от центра прибора вправо или влево (рис. 5.17 и 5.18).

Рис. 5.17. Полет от радиомаяка

Рис. 5.18. Полет на радиомаяк

Показания этого индикатора можно интерпретировать следующим образом. Кружок в центре прибора – это ВС. Вертикальная планка – это ЛЗП. Если планка находится в левой части прибора (как на рис. 5.17), то ЛЗП находится слева от самолета, следовательно, самолет уклонился вправо от ЛЗП. Пилот должен уменьшить курс, довернув влево, и по мере приближения к ЛЗП планка будет приближаться к центру прибора. Таким образом, для следования по ЛЗП необходимо стремиться выдерживать вертикальную планку в центре.

Следует подчеркнуть, что величина отклонения планки соответствует не линейному (выраженному в километрах), а угловому отклонению самолета (в градусах). То есть, при полете от маяка – соответствует БУ, а на маяк – ДП. На зарубежных ВС максимальное отклонение планки соответствует величине БУ (ДП) 10°, следовательно, расстояние между двумя смежными точками на приборе соответствует 2°.Зная угловую величину уклонения и расстояние до маяка можно рассчитать и ЛБУ. Впрочем, величину БУ или ДП легко определить и отсчитав пеленг по РМИ, без использования CDI.

На многих ВС отечественного производства для работы с радиомаяками VOR используется бортовое оборудование КУРС-МП (например, КУРС-МП-2, КУРС-МП-70). Оно имеет двоякое назначение. При заходе на посадку оно работает с радиомаячными системами посадки (ILS, СП). Применение его для этих целей будет рассмотрено в другой части данного учебного пособия. Но это же оборудование может быть использовано для выполнения полета на или от радиомаяка VOR. Принцип его работы в этом случае аналогичен рассмотренному режиму OBS, но с некоторыми особенностями.

ЗМПУ устанавливается на отдельном пульте, называемом «Селектор курса» (рис. 5.19). Это название, присвоенное разработчиками оборудования, является неправильным, поскольку на селекторе с помощью кремальеры устанавливается не курс, а путевой угол (course). Переключатель в центре этого пульта должен обычно находиться в нижнем положении. В этом случае загораются табло «от» или «на» в зависимости от соотношения установленного ЗМПУ и текущего радиала, аналогично тому, как в режиме OBS на зарубежных ВС. Но здесь имеется и дополнительная возможность.

Рис. 5.19. Селектор курса в оборудовании Курс-МП

Допустим ВС выполняло полет от радиомаяка и вертикальная планка правильно показывала сторону уклонения от ЛЗП (вправо или влево). Если ВС развернется в обратную сторону и будет выполнять полет на радиомаяк, для него «право» и «лево» поменяются местами, то есть, если самолет находился справа, то после разворота в обратную сторону он будет слева. Но бортовое оборудование КУРС-МП не знает, в какую сторону на самом деле летит ВС и по-прежнему будет считать, что выполняется полет от радиомаяка. Поэтому планка будет показывать сторону уклонения как и раньше, то есть ровно наоборот по сравнению с фактическим уклонением. Но абсолютная угловая величина уклонения будет индицироваться правильно. Для правильной индикации стороны уклонения следовало бы изменить установленный ЗМПУ на 180°. Но в КУРС-МП можно в такой ситуации поступить проще – поставить переключатель в верхнее положение. При этом загорится табло «на» и индикация станет правильной.

При использовании CDI, да и вообше VOR и других РНС, необходимо учитывать, от какого именно меридиана отсчитывается ЗПУ, а от какого – пеленг.

Предположим пилот хочет выполнить полет с использованием CDI от пункта САНУЛ на VOR КОТЛАС (рис.5.20).

Рис. 5.20. Определение ЗМПУ для установки на OBS

Для этого на OBS необходимо установить ЗМПУ. Первое, что приходит в голову – установить ЗМПУ=62, поскольку именно это значение указано в начале участка маршрута. Но это неверно, поскольку данное значение ЗМПУ указано от меридиана, проходящего через САНУЛ. А для правильной работы системы необходимо, чтобы ЗМПУ отсчитывался от того же меридиана, от которого измеряется пеленг, то есть от магнитного меридиана Котласа.

Разумеется, можно «перевести» ЗМПУ от меридиана САНУЛ к меридиану Котласа, используя, например, мнемоническое правило (для этого к значению 62 нужно прибавить магнитное склонение в САНУЛ, прибавить модуль угла схождения меридианов и вычесть магнитное склонение в Котласе). Но в данном случае в таком расчете нет необходимости. Ведь на карте указан и обратный путевой угол (из Котласа в САНУЛ), равный 244. А этот ЗМПУ как раз и отсчитан от магнитного меридиана Котласа, который нам нужен. Правда, это ЗМПУ «обратно», а нам нужно «туда». Но направления «туда» и «обратно», если они отсчитаны от одного и того же меридиана, различаются ровно на 180°. Поэтому для полета на Котлас на OBS нужно установить 64 (то есть 244-180). Это и будет направление нашей ЛЗП, отсчитанное от магнитного меридиана Котласа. После его установки на CDI появится флажок «НА» и планка будет показывать, с какой стороны находится заданная нами ЛЗП.

Если после пролета Котласа необходимо лететь и дальше на восток по той же трассе Р30, то необходимо просто установить ЗМПУ=38, указанный на карте. Ведь это и есть путевой угол от меридиана ППМ Котлас, где и установлен радиомаяк. После пролета радиомаяка загорится надпись «ОТ».

Если не учитывать от какого меридиана что отсчитывается, то трудно обеспечить точную навигацию. Иногда приходится слышать от пилотов, что, мол, при полете от VOR лечу точно по ЛЗП, а когда настраиваюсь на VOR, расположенный впереди, получается, что самолет якобы уклонился. При этом пилоты грешат на погрешности наземного оборудования. Мол, радиомаяк неправильно установлен. Что ж, иногда бывает и так. Но чаще причина в том, что пилот использовал значение ЗМПУ не от того меридиана, от которого нужно.

С помощью CDI можно выполнить вписывание (interception) в новую ЛЗП. Предположим, что по каким-то причинам после пролета САНУЛ поступило указание диспетчера сойти со своей трассы, вписаться в трассу Р22 (на участок ПАНУС- Котлас) и дальше следовать на Котлас уже по ней.

Для этого пилот устанавливает для новой ЛЗП ЗМПУ=48 (подумайте, почему) и планка на CDI уйдет далеко вправо. Ведь самолет пока находится на прежней трассе и оказался далеко слева от новой ЛЗП. Затем пилот выполняет разворот вправо, чтобы с выбранным углом выхода (например, 40-50) выйти на новую трассу Р22. По мере приближения к ней вертикальная планка будет смещаться к центру прибора (ЛБУ уменьшается) и пилот может плавно вписаться в новую ЛЗП.

Такого рода процедуры приходится часто выполнять при полете по аэродромным схемам.

Кстати, не следует путать похожие слова interception (вписывание) и intersection (пересечение, перекресток). Словом intersection обозначают точки на маршруте, которые заданы путем пересечения ЛЗП с ЛРПС (линией пеленга или радиала). Такой точкой является, например, пункт MATIX на рис.5.12).