Автоматические радиопеленгаторы

На просторах Интернет нашел замечательный материал про пеленгаторы, который может заинтересовать наших спортсменов.

Автоматические радиопеленгаторы (АРП) — это радиоэлектронные средства, которые используются в управлении воздушным движением и решения задач привода воздушных судов (ВС) на аэродромы и морские платформы. В некоторых странах они также используются для проводки судов по фарватерам.

Здесь я рассказываю только об аэродромных радиопеленгаторах, и в частности — судовых для привода вертолетов на судовые посадочные площадки. Все эти средства работают в УКВ диапазонах 118–136 МГц (частоты гражданской авиации) и 220–400 МГц (частоты военной авиации).

Классическое применение аэродромных пеленгаторов — опознавание метки воздушного судна на индикаторе РЛС (радиолокационной станции). Несмотря на то, что современные РЛС используют вторичную локацию и получают с ВС всю идентификационную информацию, АРП все равно используются. На этом настояли аэродромные диспетчеры, для которых жизненно важно иметь второй независимый канал информации о направлении на ВС, с которым они поддерживают связь.

Конечно, существует большой класс АРП, используемых для других целей, от радиоразведки до мониторинга эфира. Они имеют специфическое исполнение, но основные принципы их построения, изложенные здесь, сохраняются.

Слово «автоматический» в названии АРП сохранилось по историческим причинам и сейчас является уже избыточным. В стародавние времена, в пеленгаторах с рамочной антенной, оператор вручную ориентировал антенну на источник излучения, после чего засекал пеленг. Со временем эти функции были реализованы в антенных коммутаторах различного типа, после чего отпала надобность в механических манипуляциях и пеленгаторы обзавелись приставкой «автоматический» — АРП. В зарубежной транскрипции классическое сочетание для АРП «Direction Finder» — DF иногда также используется в сочетании «Automatic Direction Finder» — ADF.

Основное назначение пеленгатора — определение направления, или пеленга на источник излучения, в нашем случае — бортовую УКВ радиостанцию воздушного судна в тот момент, когда экипаж выходит на связь. Типичное время, в течение которого должен быть определен пеленг — от 0,5 секунды. Переговоры бортов с наземными службами часто весьма короткие и длятся от одной до двух секунд.

Дальность пеленгования определяется только высотой полета ВС и практически не зависит от мощности излучения бортовой радиостанции, которая составляет около 5 Вт. Это связано с тем, что в УКВ диапазоне распространение радиоволн происходит практически только в пределах прямой видимости. Если ВС располагается в эшелоне 10.000 метров, тогда дальность пеленгования составит около 240 км. На нижних эшелонах соответственно дальность пеленгования падает.

Есть ограничение по высоте, в пределах которого может работать АРП. Это ограничение определяется углом места — направлением на ВС в вертикальной плоскости, в то время как пеленг — направление в горизонтальной плоскости. В старых модификациях АРП предельное значение углов места ограничивалось значением 45 градусов, современные АРП работают в диапазоне до 60 градусов.

Другая важная характеристика АРП — количество частотных каналов, с которыми он может одновременно работать. Диспетчеры используют различные зоны ответственности и соответственно разные частоты для связи с экипажем. Например, диспетчер «Старта» выходит на связь на своей частоте, когда ВС находится на рулежной дорожке или на стоянке. Диспетчер «Круга» ведет борт, когда он выполняет круг перед посадкой, и это отдельная частота. Частота «Подхода» используется, когда ВС входит в зону ответственности диспетчера аэродрома и сообщает о своем появлении.

Современные АРП имеют до 16 одновременно работающих каналов пеленгования.

Принцип работы аэродромных радиопеленгаторов основан на эффекте Доплера, из-за чего вначале их называли доплеровскими пеленгаторами. С этим эффектом сталкивался каждый, когда слышал звук сирены мчащейся мимо машины. Когда она едет в нашу сторону, звук воспринимается более высоким, чем когда она удаляется. Поэтому если в поле источника излучения передвигать антенну, то к его частоте будет добавляться составляющая, которая зависит от скорости и направления перемещения антенны. Если эту антенну вращать по кругу, то добавленная доплеровская составляющая частоты будет изменяться по синусоиде, а ее относительный сдвиг в градусах будет определять пеленг на источник излучения.

Однако, на практике доплеровский принцип в чистом виде не использовался. Вращение приемного вибратора по кругу было заменено на последовательную коммутацию определенного количества вибраторов (как правило от 8 до 32, обычно 16), расположенных по окружности. В этом случае псевдо-доплеровский эффект заключался в том, что в момент коммутации скачкообразно изменялась фаза принимаемого сигнала, а совокупная кривая изменения фазы, состоящая из дискретных точек, точно также вписывалась в доплеровскую огибающую. Все современные аэродромные АРП построены по этому квазидоплеровскому принципу; при этом выделяя огибающую из ступенчатой синусоиды сдвига фаз, определяется искомый пеленг.

Со смещением акцентов с аналоговой на цифровую обработку сигналов принцип Доплера потерял свой изначальный смысл. Теперь работа кольцевой антенной решетки заключается просто в последовательном снятии информации о фазовом распределении поля для выделения данных о направлении.

Именно поэтому антенны нынешних АРП приобрели такой специфический вид — кольцевой антенной решетки. Вы можете видеть ее в любом аэропорту рядом со взлетно-посадочной полосой, когда ваш самолет начинает взлетать или садится. Благодаря АРП, в случае если откажут все остальные радионавигационные и спутниковые комплексы, и если на борту работает только одна радиостанция, у пилотов будет возможность найти аэродром и совершить аварийную посадку.

В Союзе — СССР разработками АРП занимался Научно-исследовательский институт измерительной техники (НИИИТ), который располагался в г. Челябинске. Название института очень характерно для того времени — обезличенность и несоответствие профилю деятельности. Помимо АРП, институт вел разработки радиолокационных станций и других аэродромных радиоэлектронных средств. Следует отметить, что АРП как и РЛС считается техникой двойного применения — для гражданских и военных целей. Поэтому все требования к АРП гражданского применения все равно согласуются с военным заказчиком.

Благодаря НИИИТ аэропорты Союза оснащались такими радиопеленгаторами, как АРП-75 (Клен) и контейнерный АРП-80 (Тополь). В начале 80-х годов Министерством радиопромышленности, куда входил НИИИТ, было принято решение об организации филиала этого НИИ в городе Махачкале. Вновь созданное предприятие, которое называлось филиалом НИИИТ, быстро пополнялось амбициозными и целеустремленными выпускниками местных вузов, в числе которых был и я. Ряд специалистов с Челябинска, которым стало тесно в метрополии, переехали в Махачкалу и возглавили ключевые отделы и конструкторские службы. Мы работали как одержимые — стояла задача доказать, что филиал имеет право на существование и даже более того — брать на себя самостоятельные разработки.

Метрополия не торопилась передавать свои знания и технологии своему филиалу. Челябинск был заинтересован в том, чтобы перебросить в филиал второстепенные, вспомогательные темы и разработки. Одна из таких тем — перевод контейнерного варианта АРП-80 Тополь в кузовной вариант и запуск его серийного производства на Избербашском радиозаводе — ИРЗ. И хотя махачкалинский филиал НИИИТ после этого числился разработчиком АРП-80К, было понятно, что все идеи, наработки вплоть до принципиальных схем изделия были переданы Челябинском.

Существенный сдвиг в этой внутренней борьбе произошел тогда, когда руководству филиала удалось пробить в Москве крупный контракт на разработку унифицированного ряда аэродромных радиопеленгаторов под наименованием «Пихта». Унификация предполагала, что как гражданские так и военные АРП можно комплектовать из унифицированных блоков, причем появлялась возможность выбора любой канальности — от 2-до 16, что было очень выгодно с экономической точки зрения. К этому моменту действующие АРП-75 Клен были уже морально-устаревшими, потому что работали по аналоговым технологиям. АРП-80, который использовал уже цифровую обработку сигнала, был двухканальным и поэтому предназначался только для малых аэродромов. Архитектура этого АРП не позволяла увеличить количество каналов путем добавления дополнительных модулей.

Можно сказать, что филиал НИИИТ поднялся на разработке Пихты. Был накоплен колоссальный опыт, который будучи помноженным на энтузиазм молодых разработчиков и конструкторов (средний возраст сотрудников был около 25–28 лет) позволил добиться результата. Гражданские версии АРП «Пихта» проходили испытания на аэродроме Кишинева (да-да, это был еще Советский Союз), военные — на большой базе ВВС. Тогда я курировал проведение испытаний с военными и ездил со своим напарником в командировки поочереди по 20 дней в течении года.

К этому времени компания Intel уже сделала свой знаменитый процессор 8080. Появились микропроцессоры и других архитектур, такие как 1806 — аналог PDP серии. В процессе разработки Пихты мы горели желанием заменить жесткую логику на микро-ЭВМ, основанные на этих процессорах. Но руководство предпочло сосредоточить основные усилия на продвижение традиционного варианта. Несмотря на это, мы собирались после работы, спорили, обсуждали те уникальные возможности, которые предоставляли микропроцессоры. Ведь программная обработка сигнала предоставляла возможность реализовать целый пласт сложных и уникальных алгоритмов, которые никогда не могли быть воплощены в железе.

В результате мы доказали свое право на новую архитектуру, хотя сопротивление было очень сильным. Перелом произошел тогда, когда я со своей лабораторией вышел с альтернативным, микропроцессорным вариантом судового АРП. В процессе судовых испытаний пеленгатор, который был сделан на традиционной жесткой логике, был похоронен. АРП с микро-ЭВМ наконец был дан зеленый свет, и я стал Главным конструктором этого направления. Шли непростые 90-е годы, но мы не унывали. Это направление развивалось в наших совместных проектах с Tesla Pardubice, Rohde&Scwarz и получило свое полное, логически завершенное воплощение в АРП «Платан» — DF-2000, который установлен уже более чем в 150 аэропортах РФ.

После этого институт был преобразован в независимый «почтовый ящик» и получил название ДагНИИРА — Дагестанский НИИ Радиоаппаратуры (точно такое же обезличенное название). После этого институт не раз менял название — «Сапфир», «Азимут».