Характеристика DME. Далекомірна радіонавігаційна система (ДРНС) включає в себе наземне обладнання (дальномерний радіомаяк) і бортове обладнання (літаковий далекомір).
У міжнародній практиці такі системи називають DME (Distance Measuring Equipment - обладнання вимірювання дальності). Таку назву використовується і в документах аеронавігаційної інформації Росії, хоча радіомаяки, що випускаються вітчизняними виробниками, можуть мати і зовсім іншу офіційну назву (наприклад, РМД - радіомаяк дальномерний).
Принцип дії далекомірної системи в спрощеному вигляді полягає в наступному (рис.6.1). Парк літаків далекомір на борту випромінює електромагнітні імпульси (радіохвилі) в усіх напрямках. Наземний радіомаяк приймає їх і через фіксований час затримки (50 мікросекунд) випромінює відповідний сигнал, який приймається на борту.
Рис.6.1. Принцип роботи віддалемірних РНС
Час t між випромінюванням імпульсу далекоміром і прийомом їм же у відповідь імпульсу складається з часу проходження імпульсу «туди» (від літака до радіомаяка), такого ж часу проходження сигналу у відповідь «назад» і часу затримки. Знаючи швидкість поширення радіохвиль с. можна визначити відстань до маяка
Оскільки радіохвилі УКХ-діапазону поширюються по прямій, то L в цій формулі - це похила дальність (по прямій лінії від літака до радіомаяка).
В даному випадку виходить, що бортове обладнання як би запитує інформацію у радіомаяка, тобто є запитувачем (interrogator), а радіомаяк відповідає йому, є відповідачем (transponder).
Це загальний принцип вимірювання дальності, але насправді, звичайно, все складніше і цікавіше. Далекомір випромінює не поодинокі, а парні імпульси (інтервал між імпульсами в парі, наприклад, 12 мкс) і радіомаяк «відповідає» тільки в тому випадку, якщо отримав саме такий імпульс. В іншому випадку йому довелося б відповідати на всі випадкові імпульси, які якесь інше обладнання передало на цій частоті (наприклад, стільниковий зв'язок працює в близькому діапазоні частот).
Всі літаки, що працюють з даними радіомаяків, випромінюють імпульси на одній частоті, але інтервал між парами імпульсів у всіх ЗС різний, у кожного своя частота повторення імпульсів PRF (Pulse Repetition Frequency). Відповідач радіомаяка посилає імпульси з такою ж PRF, з якою прийняв сигнали від даного літака. Це зроблено для того, щоб кожен літак отримав відповідь саме на свій сигнал, а не для іншого ВС.
Крім того, радіомаяк відповідає не на тій частоті, на якій він сигнал прийняв, а на що відрізняється від неї на 63 МГц. Це зроблено для того, щоб бортовий далекомір не прийняв помилково за відповідний сигнал радіомаяка власні імпульси, відбиті від якихось об'єктів (гір, хмар, фюзеляжу). В іншому випадку могло б статися так, що далекомір випромінюючи запитні імпульси, вони відбилися від гори, далекомір їх прийняв і вважав, що це відповідні імпульси від радіомаяка.
При включенні бортового обладнання DME воно спочатку працює в режимі пошуку і передає запитні імпульси з частотою 150 пар в секунду. Коли у відповідь сигал отриманий (зазвичай через 4-5 секунд) частота проходження імпульсів зменшується до 25 в секунду.
Пропускна здатність наземного відповідача обмежена, він може не встигати відповісти всьому безлічі літаків, які його запитують.
Зазвичай радіомаяк здатний обслужити одночасно 100 літаків. Якщо їх в зоні дії маяка знаходиться більше, то перестають обслуговуватися найбільш слабкі сигнали, від найбільш віддалених літаків.
Для роботи DME виділений діапазон частот від 960 до 1215 МГц. Це дециметрові хвилі (UHF) ультракороткохвильової діапазону, звідки випливає, що вони поширюються в межах дальності прямої видимості. Тому до них відноситься все, що говорилося раніше про максимальну дальність дії засобів УКХ-діапазону.
Частоти VOR і ILS, про які йшла мова в попередніх розділах, пронумеровані і ці номери названі каналами (Channel). Оскільки поняття каналу ще знадобиться далі, в табл.6.1 в ілюстративних цілях приведена невелика витримка із загальної таблиці частот і каналів.
Витяг з таблиці номерів каналів
Частота VHF кошти, МГц
З таблиці можна бачити, що для каналів, позначених Х, частота відповіді на 63 МГц менше, ніж запиту, а для каналів У - навпаки на 63 МГц більше.
Якщо пілот на своєму бортовому обладнанні встановлює частоту VOR (або ILS), то автоматично встановлюється і відповідна їй частота DME.
Можуть використовуватися радіомаяки трьох видів, що позначаються як DME / N, DME / P і DME / W. У переважній більшості випадків доводиться мати справу з маяками DME / N як на трасах, так і на аеродромах, тому під DME далі і будемо розуміти саме їх. Вони мають вузький спектр випромінювання (N - narrow, вузький). Маяки DME / P є більш точними (P - precision, точність), але встановлюються, як правило, тільки в складі мікрохвильової системи посадки MLS (Microwave Landing System). Але таких систем на аеродромах світу встановлено дуже мало. Ще рідше використовуються DME / W з широким спектром випромінювання (W - wide, широкий).
Бортове обладнання, яке працює з маяками DME, часто називають літаковими дальномерами (наприклад, СД-67, СД-75). Пілотові доводиться мати справу з його індикатором, на якому дальність відображається у вигляді цифр - електромеханічним способом (барабанний лічильник) або за допомогою світлодіодів. На рис. 6.2 зліва зображений індикатор, що входить до складу СД-67. Якщо значення дальності на індикаторі недостовірно (наприклад, при втраті сигналу), цифри перекриваються індикатор, як і показано на малюнку. На тому ж малюнку праворуч зображено «індикатор літаковий дальності ІСД-1», який може працювати в складі ради директорів-75. На ньому можна змінити одиниці вимірювання дальності (кілометри або морські милі).
Значення дальності може бути виведено і на інші індикатори, наприклад, на HIS.
Мал. 6.2. Види індикаторів літакового далекоміра
DME є дуже точним засобом. У відповідності зі стандартами ІКАО сумарна похибка вимірювання дальності, виражена в метрах, повинна бути не більше ± (460 + 0,0125D), де D - значення вимірюваної дальності. Чим далі літак від маяка, тим більше похибка вимірювання дальності. Зазначена похибка відповідає ймовірності 0,95, отже, СКП вимірювання дальності вдвічі менше.
Це означає, що поблизу радіомаяка СКП має порядок близько # 963; D = 0,3 км, а на видаленні, наприклад, D = 300 км, вже близько # 963; D = 2 км. Це дуже хороша точність, яка в більшості випадків задовольняє сучасним жорстким вимогам до точності аеронавігації. У DME / P похибка ще менше (близько 30 м).
Перерахунок похилій дальності в горизонтальну. Далекомірні системи безпосередньо вимірюють похилу дальність, але для навігації частіше необхідна дальність горизонтальна. Для визначення МС, тобто розташування ЗС на земній поверхні, пілот відкладає дальність на карті, тобто в горизонтальній площині. Очевидно, що за величиною похила і горизонтальна дальності розрізняються, і якщо замість горизонтальної дальності використовувати похилу (наприклад, відклавши її на карті), то буде мати місце похибка. Вона матиме систематичний характер, оскільки за даних умов буде мати одну і ту ж величину.
Зрозуміло, ця похибка виникає не з вини самої далекомірної системи (вона-то вимірює дальність правильно), а з вини пілота, який замість однієї величини використовує іншу.
З урахуванням сферичності Землі розрахувати горизонтальну дальність за відомою похилій можна за формулою
де H - висота польоту; R - радіус Землі.
Можна звернути увагу, що в цій формулі величина H / R дуже мала (порядку однієї тисячної), отже, знаменник під коренем дуже близький до одиниці. Тому цю формулу цілком можна спростити:
Очевидно, що ця формула відповідає теоремі Піфагора і передбачає, що Земля пласка (рис. 6.3). Однак ним повною мірою можна користуватися, враховуючи, що в цивільній авіації виконуються польоти не на такі вже й великих висотах, особливо в порівнянні з радіусом Землі. Наприклад, якщо політ виконується на висоті H = 10 км і виміряна L = 300 км, то за точною формулою (з урахуванням сферичності Землі) отримаємо D = 299,598 км, а по наближеною (на площині) D = 299,833 км. Тобто похибка становитиме всього 235 метрів. Це можна порівняти з випадковою похибкою вимірювання дальності за допомогою DME. Таким чином, враховувати сферичність Землі при розрахунку горизонтальної дальності не має особливого сенсу, особливо на невеликих удалениях.
Мал. 6.3. Похила і горизонтальна дальності
Але, може бути, можна взагалі не перераховувати похилу дальність в горизонтальну? А ось це допустимо робити далеко не завжди.
Перш за все, можна звернути увагу, що співвідношення між L і D залежить ще і від висоти польоту H. Навіть з рис. 6.3 можна бачити, що коли ВС знаходиться точно над радіомаяків, похила дальність дорівнює висоті польоту, а горизонтальна дальність дорівнює нулю. У такій ситуації має місце найбільша різниця між L і D.
Якщо літак знаходиться в повітрі, то свідчення далекоміра ніколи не будуть дорівнюють нулю.
Але в міру віддалення від радіомаяка відмінність між цими величинами стає все менше. Зменшується різниця між гіпотенузою (L) і катетом (D) в прямокутному трикутнику, вершинами якого є радіомаяк, ВС і МС. Ця різниця може стати порівнянною за величиною з самої точністю вимірювання похилої дальності.
На практиці прийнято вважати, що цілком допустимо не перераховувати похилу дальність в горизонтальну (тобто, прийняти D = L) в разі, якщо похила дальність перевищує висоту польоту в 5-7 разів і більше.
Наприклад, якщо H = 10 км, а L = 70 км (в сім разів більше), то отримаємо D = 69,3 км. Похила дальність відрізняється від горизонтальної на 700 м. У більшості випадків цієї похибкою можна знехтувати, адже сучасний літак пролітає цю відстань за 3 сек.
Але якщо при польоті на тій же висоті похила дальність складає всього L = 30 км, то їй відповідає D = 28,3 км. Похибка в 1,7 км є вже досить суттєвою, особливо при польоті в районі аеродрому, де потрібна вища точність навігації.
Перерахунок похилій дальності в горизонтальну можна виконати безпосередньо за формулою (6.2), наприклад, за допомогою калькулятора. Але при наявності НЛ-10 це зручніше зробити з використанням допоміжного кута # 952; (Рис. 6.3). Очевидно, що
Ці нескладні формули можуть бути легко реалізовані на НЛ-10 за допомогою ключа на рис. 6.4.
Мал. 6.4. Перерахунок похилій дальності в горизонтальну на НЛ-10