УДК 621.376.222

Состав и назначение современных курсо-глиссадных систем

Некрасов Тимур Денисович – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Целогородцев Сергей Алексеевич – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Сагитов Дамир Ильдарович – доцент кафедры Систем автоматизированного управления Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: В статье рассматриваются технические возможности курсо-глиссадной системы, используемой воздушными судами для автоматического захода на посадку; показан принцип работы КГС с точки зрения электротехники; указаны преимущества КГС перед другими методами захода на посадку; указана проблема установки КГС в аэропортах; показана траектория решения проблемы.

Ключевые слова: КГС, экипаж, глиссада, радиосигнал, модуляция, луч, безопасность, прибор.

Проблема организации безопасности полетов никогда не теряла своей актуальности. На протяжении всей истории развития гражданской авиации лучшие инженеры совершенствовали системы аэропортов и воздушных судов.

Полет воздушного судна представляет собой комплексный процесс, включающий в себя несколько этапов: взлет, полет на эшелоне и посадка. Последний из них считается самым сложным элементом пилотирования, так как во время посадки многократно возрастает нагрузка на экипаж, ввиду необходимости выполнения множества сложных процедур. Пилоты должны правильно распределять обязанности между собой. Для облегчения процесса посадки и снижения уровня стресса летного экипажа используется множество современных автоматических систем управления воздушным судном. В случае ухудшения погодных условий, в том числе видимости, пилоты нуждаются в ярко прочерченной линии-траектории захода на посадку, и такая линия существует, её не видят пилоты, но чувствуют приборы самолета.

Системы инструментального захода на посадку (КГС – курсо-глиссадная система), основанные на радионавигационных принципах работы, начали разрабатывать в 1930-х годах. В США после успешных испытаний КГС управление гражданской авиации заключило контракт на ее установку в шести аэропортах страны к 1941 г. А к 1945 г. в США КГС уже использовались на девяти гражданских и 50 военных аэродромах. В СССР первая система автоматического захода на посадку появилась в конце 1930-х годов, а в 1950 году была создана модернизированная версия - СП-50 «Материк». В 1950-х СП-50 «Материк» была установлена на нескольких аэродромах страны.

Рассмотрим принцип работы системы инструментального захода на посадку. Специфика устройства КГС основана на радиофизике - разделе физики, охватывающем изучение и использование электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона.

Для формирования луча КГС используется две основных технологии: амплитудная модуляция сигналов и антенные решетки. Принцип работы антенных решеток заключается в создании различных диаграмм направленности. Разделяют два способа формирования сигнала в зависимости от его частоты: действия с фазой, а также изменение коэффициентов усиления на отдельных элементах антенной решетки.

Подробно разберем принцип модуляции диаграмм направленности: простейшая дипольная антенна излучает сигнал в перпендикулярном направлении. Чтобы задать глиссаду (траектория полёта летательного аппарата при заходе на посадку) под нужным углом, используется технология антенных решеток. Если мы хотим получить в нужном направлении максимальный сигнал, а в нежелательном направлении избавиться от него, то потребуется вспомнить еще и школьную тригонометрию. Задача: необходимо получить максимальную амплитуду радиосигнала в направлении вверх 3˚ от горизонта. Угол 3˚ - величина наклона глиссады. Расстояние между элементами антенны составляет половину длины волны. При определенном отклонении от горизонтальной линии одно из излучений начинает отставать, происходит сдвиг по фазе (рис.1), где φ=3˚. Имеем уравнение колебаний: y(t)=W₁sin(ωt+φ₁)+W₂cos(ωt). Теперь избавимся от нежелательного радиосигнала, то есть максимально ослабить его амплитуду. Этот вопрос решается при помощи подбора коэффициентов усиления W₁ и W₂. Таким образом, при использовании технологии антенных решеток, состоящих из множества простейших антенных элементов, мы можем передавать направленный радиосигнал.

Рисунок 1. Схематичное изображение антенной решетки.

Теперь разберемся с передачей информации на расстояние. Для наиболее эффективного переноса энергии дистанционно используются гармонические колебания. На принимающую антенну воздействует электрическое поле, в свою очередь антенна получает этот сигнал и преобразует его в напряжение на своем приемнике. Если радиосигнал никак не изменяется, то передать с его помощью информацию не получится. Она передается в том случае, если меняется хотя бы один из параметров гармонического колебания: частота, фаза, амплитуда. В случае КГС используется амплитудная модуляция сигнала. Для того чтобы соблюсти границы изменения амплитуды и обеспечить ее неотрицательность, используется достаточно простой метод. К низкочастотному сигналу добавляется постоянная составляющая, чтобы ее значение не пересекало метку нуля. К гармонике прибавляют единицу, амплитуда модулирующего колебания изменяется от нуля до k, где k меньше 1. Этот параметр называется глубиной модуляции. Таким образом, надежно устраняются пересечения нуля. После того как подготовленные модулирующие колебания сформированы, они умножаются на высокочастотную несущую.

Для придании сигналам конкретного значения изменяют частоту сигнала. К примеру, при уменьшении частоты на n, уменьшается разнос боковых гармоник, и наоборот. Теперь наш радиосигнал может нести определенную информацию.

Разобравшись с принципом работы амплитудной модуляции и антенных решеток, можно переходить к КГС. КГС включает в себя две главные составляющие: курсовую направляющую (горизонтальную) и глиссадную часть (вертикальную составляющую).

Глиссадная часть:

В вертикальной плоскости формируются два узконаправленных радиосигнала, передаваемые наземными антенными решетками. Первый луч находится ниже глиссады, второй – выше (рис.2). Средняя пунктирная линия – глиссада. Излучение – гармоническое колебание, которое модулируется по амплитуде с низкочастотной гармоникой с частотой 90 – 150 Гц. Радиосигнал имеет частоту от 108 до 112 МГц.

Рисунок 2. Схематичный пример глиссадной составляющей.

При движении самолета вверх или вниз относительно траектории глиссады интенсивность одного из лучей уменьшится, следовательно, начнет уменьшаться и боковая составляющая.

Курсовая часть:

Курсовая часть работает по такому же принципу, что и глиссадная. При отклонении воздушного судна от курса какая-то из боковых составляющих начнет уменьшаться (рис.3). Различие состоит в том, что несущие частоты ультракоротких волн в горизонтальном и вертикальном канале отличны друг от друга.

Рисунок 3. Схематичное изображение курсовой составляющей.

Приемник (рис.4) самолета принимает изменение радиосигналов, описанных выше, и выводит показания на приборы пилотажного комплекса. Рассмотрим принцип работы приемника: сигналы, попадая в фильтры приемника фильтруются по боковым составляющим, также в них подавляются составляющие на удвоенной частоте. Отфильтрованные гармонические радиосигналы выпрямляются с отсеканием отрицательной части. Более мощная боковая составляющая частоты дает больший ток, следовательно, отклоняется условная стрелка амперметра, фиксирующая изменение тока.

Рисунок 4. Схематичное изображение радиоприемника самолета.

Такое изменение приведет к отклонению планок на КГС приборе (рис.5) в кабине экипажа, тем самым, пилоты поймут свое местоположение относительно траектории захода.

Рисунок 5. Прибор КГС.

Наиболее интересным аспектом этой технологии является то, что она позволяет посадить самолет в автоматическом режиме без участия пилота. Автоматический заход на посадку с использованием КГС позволяет сэкономить усилия и внимание летного состава на одном из самых ответственных участков полета, что существенно повышает безопасность полетов.

Преимущества КГС:

КГС позволяет посадить самолет в автоматическом режиме в отличие от других систем, предназначенных для посадки. Самый близкий аналог КГС – это маркерные радиомаяки, которые ставятся на осевой линии ВПП (взлетно-посадочная полоса) за её пределами. При пролете над ними экипаж сверяется с показаниями приборов и продолжает заход в ручном режиме. Использование маркерных радиомаяков требует от пилотов большей концентрации внимания.

Проблема установки КГС:

КГС сложная электротехническая система, установка которой требует больших финансовых затрат. Расходы могут быть оправданы только лишь в условиях интенсивной эксплуатации аэродромов. Стоимость оснащения самолетов системами автоматической посадки также высока, поскольку дорогостоящие системы приходится многократно дублировать для обеспечения безопасности полетов.

Траектория решения проблемы:

1. Предлагается повышенное финансирование программ по модернизации аэропортов новыми радионавигационными средствами автоматической посадки. В том числе КГС III категории. При повышении безопасности полетов, повысится пассажиропоток. Увеличиться количество рейсов в СМУ (сложные метеорологические условия). Таким образом улучшится экономическая эффективность.
2. Внедрение новых и неординарных технических решений, к примеру, точная спутниковая навигация воздушного судна при заходе на посадку.

Список литературы

1. [Никитин Д. А. Курсо-глиссадные системы посадки в гражданской авиации СССР // Научный вестник МГТУ ГА. — 2006. — № 101.]
2. [Сарайский Ю. Н., Алешков И. И. Аэронавигация. — Санкт-Петербург, 2010. — Т. 1. Основы навигации и применение геотехнических средств. — С. 18. — 302 с.]