Mốc vô tuyến cân bằng tín hiệu

4. Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể:

2.1 Mốc vô tuyến cân bằng tín hiệu

Mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống vơ tuyến hạ cánh dải sóng mét loại 1, khi điều kiện thời tiết tốt có hạ cánh dễ dàng và thuận lợi, có thể quan sát đường băng từ khoảng cách xa (không nhỏ

hơn 800m), địi hỏi độ chính xác và độ ổn định hoạt động của các mốc vô tuyến không cao.

Mốc vô tuyến cân bằng tín hiệu được sử dụng cho cả mốc vơ tuyến chỉ hướng và mốc vô tuyến chỉ tầm. Mốc vô tuyến cân bằng tín hiệu là thiết bị dẫn đường vơ tuyến được đặt cố định trên mặt đất. Hệ thống anten của nó phát xạ tạo thành 2 giản đồ hướng cố định fa1() và fa2( ) giao nhau. Điểm giao nhau của 2 giản đồ hướng đó tạo thành hướng cân bằng tín hiệu, tức là trên hướng đó, tín hiệu nhận được có biên độ như nhau. Đối với mốc vơ tuyến chỉ hướng loại cân bằng tín hiệu thì đường thẳng đi qua điểm giao nhau của 2 giản đồ đó là đường chỉ hướng, nó là quỹ tích của những điểm gần đường tâm đường băng nhất (trong điều kiện lí tưởng thì nó trùng với trục đường băng hạ cánh), nằm trong mặt phẳng bất kỳ và tại đó tín hiệu nhận được bằng nhau về biên độ (Hình 2.1a).

Hình 2.1. Các giản đồ hướng anten và thành phần phổ tín hiệu của mốc vơ tuyến chỉ hướng loại cân bằng tín hiệu (a), phổ của các tín hiệu thu được (b) và vị trí kim chỉ thị hướng ở bộ hiển thị trên máy bay (c) khi máy bay nằm ở vị trí 1,

2 và 3

Đối với mốc vô tuyến quỹ đạo hạ cánh loại cân bằng tín hiệu thì hướng cân bằng tín hiệu nằm trong mặt phẳng đứng có chứa đường quỹ đạo hạ cánh (Hình 2.2a). Đường quỹ đạo hạ cánh là đường thẳng hợp với mặt đất 1 góc

o

3

0 

Hình 2.2. Các giản đồ hướng anten và thành phần phổ của tín hiệu mốc vơ tuyến quỹ đạo cất – hạ cánh loại cân bằng tín hiệu (a), phổ của tín hiệu nhận được (b), vị trí kim chỉ thị quỹ đạo cất – hạ cánh ở bộ hiển thị trên máy bay (c)

khi vị trí của máy bay ở điểm 1, 2 và 3

Ta có biên độ tín hiệu U1của giản đồ hướng có tần số fa1, biên độ tín hiệu U2 của giản đồ hướng có tần số fa2. Khi máy bay đúng trên đường chỉ hướng hoặc đường quỹ đạo hạ cánh thì  U U U1 2 0 . Khi máy bay bay lệch đi khỏi các đường chỉ hướng hoặc đường quỹ đạo hạ cánh thì dẫn đến biên độ tín hiệu nhận được từ 2 giản đồ hướng sẽ có sự chênh lệch, biên độ tín hiệu của giàn đồ hướng này sẽ vượt q biên độ tín hiệu của giản đồ hướng cịn lại, dẫn đến  U U U1 2 0. Khi đó, dựa trên sự chênh lệch biên độ tín hiệu thu được, người ta tính tốn được các góc sai lệch   , . Để loại trừ sự phụ thuộc của phép đo U vào cự li đến máy bay, tín hiệu thu về được tạo ngưỡng, nghĩa là giá trị hiệu U được đưa về ngưỡng nhờ mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại tương ứng với tỉ lệ U U U/ ( 1 2).

Các tín hiệu, được các mốc vơ tuyến chỉ hướng và mốc vô tuyến quỹ đạo hạ cánh bức xạ theo các giản đồ hướng khác nhau fa1() và fa2() , giống nhau theo sự điều chế của chúng: tín hiệu phát xạ bởi anten có giản đồ hướng fa1(),

sẽ được điều chế biên độ với tần số f1 = 90 Hz, cịn tín hiệu phát xạ bởi anten có giản đồ hướng fa2() được điều chế ở tần số f2 = 150 Hz. Độ lệch của máy bay so với đường chỉ hướng hoặc quỹ đạo hạ cánh được xác định khi so sánh biên độ các thành phần phổ của tín hiệu với các tần số f1 và f2 ở điểm thu (hình 2.1b và 2.2b)

*Các tín hiệu nhận được từ mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu:

Xét mốc vơ tuyến quỹ đạo hạ cánh loại cân bằng tín hiệu phát xạ tín hiệu điều biên liên tục.

Khi đó, trường điện từ được tạo thành tại điểm thu có cường độ bằng tổng các cường độ trường được tạo bởi các anten của mốc vơ tuyến quỹ đạo hạ cánh. Ta có cường độ điện trường được tạo bởi các anten lần lượt là:

t E t t m f E t

e1( ,) m a1()(1 sin1 )sin0  1sin0

t E t t m f E t

e2( ,) m a2()(1 sin2 )sin0  2sin0 Ở đây Emlà biên độ của cường độ trường

m - hệ số độ sâu điều biên 1

12F

 , 22F2

Biên độ của cường độ trường tổng hợp ở điểm thu:

  1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 sin sin ( ) ( ) ( ) a a c m a a a a a f f E E E E f f m t m t f f f                      (2.1)

Các hệ số sin1t và sin2t xác định sự phụ thuộc của biên độ dao động tần số điều chế vào góc  và được gọi là các hệ số độ sâu điều chế không gian. Ta đặt:     1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) a a a a a a M mf f f M mf f f             (2.2)

Hiệu các độ sâu điều chế là tham số mang tin của tín hiệu nhận được:

   1

1 2 a1( ) a2( ) a1( ) a2( )

M M M m f  f  f  f  

Khi máy bay bay trên hướng trùng với hướng của đường quỹ đạo hạ cánh thìM 0 . Khi thiết bị bay lệch khỏi đường quỹ đạo hạ cánh thì M  0,nếu

0

M

  tức là fa1( )  fa2( ) tương ứng với máy bay lệch lên phía trên đường quỹ đạo hạ cánh, và ngược lại M 0 tương ứng với thiết bị bay ở dưới đường quỹ đạo hạ cánh thì (hình 2.2b)

* Tính chính xác của mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu

Xét fa1(β0)= fa2(β0)= fa(β0) từ (2.3) nhận được phương trình cơ bản của

mốc vơ tuyến sử dụng tín hiệu cân bằng:

   

mfa fa  M



 ' 0 / 0 1 (2.4)

Bỏ qua sai số của phép đo hiệu độ sâu điều chế và xác định góc ∆β, ta có:

      1 1 0 ' 0 1 : ;     M PГГ M m fa  fa  m a    (2.5)

ở đây a  fa'   0 / fa 0 : độ nhạy định hướng của mốc vơ tuyến.

Ở kênh chỉ hướng cũng có thể nhận được biểu thức tương đương (2.5) Theo biểu thức (2.5), để có thể tăng độ chính xác, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống hạ cánh mốc vô tuyến loại cân bằng tín hiệu thì ta cần phải tăng hệ số điều chế m và tăng fa' 0 đồng thời phải giảm fa  . Tuy nhiên, theo biểu thức (2.1), hệ số điều chế m ở hệ thống hạ cánh sử dụng mốc vô tuyến không được lớn hơn 1. Mặt khác, nếu giảm fa  tức là sẽ làm cho vùng hoạt động của hệ thống giảm đi đáng kể. Do đó, trường hợp khả thi nhất để tăng độ chính xác của hệ thống hạ cánh mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu đó là phải tăng fa' 0 . Tuy nhiên, việc tăng fa' 0 cũng phải trong một giới hạn nhất định, bởi vì tăng fa' 0 tức là tăng độ dốc của giản đồ hướng anten ở điểm đo phương vị (đối với mốc vơ tuyến quỹ đạo hạ cánh) hoặc điểm đo góc tà (đối với mốc vơ tuyến chỉ hướng) và giảm nhỏ mức tín hiệu ở điểm này. Điều này dẫn đến việc làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống mốc vơ tuyến dẫn đường hạ cánh, do đó nó hồn tồn khơng có lợi. Mặt khác, để có thể tăng độ dốc giản đồ hướng của anten thì cách thực hiện

đơn giản nhất đó là thu hẹp các giản đồ hướng dẫn đến việc làm giảm phạm vi góc hoạt động của mốc vô tuyến (Tuy việc giảm độ rộng của giản đồ hướng là mong muốn của các nhà thiết kế hệ thống vơ tuyến hạ cánh dải sóng mét). Để đưa thiết bị bay dưới một góc lớn đến quỹ đạo quy định trong vùng hoạt động của giản đồ hẹp cần phải sử dụng anten phụ có giản đồ hướng rộng (điều này sẽ được nói đến ở mốc vơ tuyến dẫn đường hạ cánh loại mốc vơ tuyến 2 kênh).

Ngồi ra, tín hiệu được phản xạ từ các mục tiêu nằm ở gần đường băng mới là nguyên nhân chính làm giảm độ chính xác của hệ thống hạ cánh sử dụng mốc vô tuyến.

Giả sử thiết bị bay nằm tại điểm M trên đường quỹ đạo hạ cánh (hình 2.3), cịn toạ độ góc của mục tiêu phản xạ O đặc trưng bởi góc β so với đường quỹ đạo chuẩn.

Áp dụng biểu thức (2.1) với tín hiệu truyền thẳng và tín hiệu phản xạ, sau khi biến đổi ta có hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tổng :

  M  0 K M0  cos

M   t  px

  (2.6)

Với:

∆Мt - hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tới, khi thiết bị bay được điều chỉnh nằm đúng trên đường chỉ hướng, tức là tại điểm M thì ∆Мt=0

Kpx- modul hệ số phản xạ của thiết bị bay )

(

0 

M

 - hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu phản xạ, được tính bằng cơng thức: M0()0,5m.fa2()/ fa(0)

 - độ dịch pha của tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ

Từ biểu thức (2.6), ta có thể rút ra được rằng, với kết quả thu được từ tín hiệu phản xạ thì hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tổng tại thời điểm máy bay ở điểm M trên đường quỹ đạo hạ cánh là khác 0, đồng thời tín hiệu kênh quỹ đạo hạ cánh ở đầu ra của mạch so sánh trong thiết bị trên máy bay sẽ tỉ lệ với độ sâu điều chế của tín hiệu tổng ở thời điểm đó. Tín hiệu này mang thơng tin về độ

lệch góc  và sẽ thơng báo trên màn hình chỉ thị của máy bay, do đó phi cơng thực hiện hoặc hệ thống sẽ tự động điều chỉnh đưa máy bay bay đến vị trí mà tại đó có hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tổng bằng 0 (điểm M1trên hình 2.3a).

Hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tổng tại điểm M1:

    0 cos 0 



M Mt Kpx M   (2.7)

Lúc này, thiết bị bay sẽ bay lệch khỏi đường quỹ đạo hạ cánh chính xác 1 góc đúng bằng góc chênh lệch  được tính tốn bằng thiết bị trên thiết bị bay.

Hình 2.3. Độ uốn cong của đường hướng do ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ: a- Giản đồ anten và phổ của tín hiệu bức xạ; b-Phổ tần tín hiệu phát (1),tín hiệu

phản xạ (2) và tín hiệu tổng (3).

Khi máy bay hạ độ cao dần tiếp cận đường băng để tiến hành hạ cánh, làm tín hiệu truyền thẳng (tín hiệu tới) và phản xạ thay đổi dựa theo khoảng cách và độ cao của máy bay tới đường băng dẫn đến độ dịch pha ψ thay đổi. Khi đó, các điểm mà tại đó hiệu độ sâu điều chế của tín hiệu tổng bằng 0 cũng thay đổi phân bố tại các điểm khác nhau xung quanh đường quỹ đạo hạ cánh chính xác (các điểm M1, M2), lúc này thiết bị trên khoang máy bay sẽ tiến hành tính tốn điều chỉnh máy bay bay theo quỹ đạo là đường nét đứt trên hình 2.3a, độ lệch góc của  máy bay so với quỹ đạo chính xác bị thay đổi và đổi dấu, đạt giá trị cực đại ở điểm M2 nào đó trong khơng gian. Sự thay đổi giá trị của độ lệch góc  theo chu kỳ đã gây nên hiện tượng quỹ đạo hạ cánh bị méo/sai lệch so với quỹ đạo hạ cánh chính xác, hay cịn được gọi là quỹ đạo hạ cánh bị uốn cong do ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ từ các thiết bị bay khác nằm gần đường băng.

Sai lệch/méo quỹ đạo hạ cánh là nguyên nhân chủ yếu làm giảm chất lượng cũng như độ chính xác của hệ thống vơ tuyến dẫn đường hạ cánh sử dụng mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu, đồng thời làm khả năng hoạt động của thiết bị điều chỉnh hạ cánh tự động bị rối loạn, hay nếu phi công tự hạ cánh bằng thao tác thủ cơng sẽ gây ra khó khăn rất lớn, địi hỏi người phi cơng phải có kinh nghiệm cao, có khả năng điều khiển máy bay hạ cánh theo phương thức khác khơng dựa vào độ sai lệch góc được tính tốn. Từ biểu thức (2.4) và giả sử rằng M Mt(); . Khi đó:

       

Mt m fa' 0 / fa 0 (2.8)

Thay biểu thức (2.8) vào biểu thức (2.7), giả sử fa1   fa2   fa 0 ;

  '   2 0 ' 1 a a f

f  và fa2   fa1  ta tìm được giá trị của góc sai lệch:

      /2 '  cos 2 a a px f f K    (2.9)

Để tăng độ chính xác của hệ thống hạ cánh sử dụng mốc vơ tuyến cân bằng tín hiệu, chúng ta cần phải làm giảm sự sai lệch/méo quỹ đạo hạ cánh nhỏ nhất có thể, tức là làm cho giá trị của độ sai lệch góc  càng nhỏ . Từ biểu thức (2.9), để giảm giá trị của  , ta có thể tiến hành giảm fa2  hoặc tăng ' 

a

f . Đầu tiên, giảm fa2  tức là giản đồ hướng của anten có tín hiệu điều chế ở tần số 150Hz phải được nâng cao so với mặt đất. Tuy nhiên theo tiêu chuẩn đảm bảo an tồn trong q trình hạ cánh được quy định bởi ICAO thì góc hạ cánh tiêu chuẩn phải đạt o o

o 2,40 ~3

 , do đó việc nâng giới hạn

dưới của giản đồ hướng anten mà vẫn đảm bảo tiêu chuẩn góc hạ cánh sẽ rất khó khăn và phức tạp. Và như đã nói ở phần trước đó, việc giảm fa2  sẽ làm giảm cự ly hoạt động của hệ thống. Tiếp theo, nếu tăng ' 

a

f tức là tăng độ dốc của giản đồ hướng, điều này làm giảm phạm vi góc vùng hoạt động của hệ thống. Do đó, việc giảm fa2  và tăng ' 

a

f rất khó được thực hiện, thay vào đó, người ta sẽ bố trí thêm các anten phụ sao cho trường của nó sẽ

bù trừ đi sự bức xạ của anten chính với một góc nhỏ hơn 1o so với đường chân trời để tăng độ chính xác cho hệ thống hạ cánh sử dụng mốc vô tuyến.

Để đảm bảo an tồn cho q trình hạ cánh, ICAO đã đề ra tiêu chuẩn về giá trị cho phép giới hạn độ uốn cong quỹ đạo cho từng loại mốc vô tuyến và đoạn quỹ đạo hạ cánh là M 0.0050.03. Tuy nhiên, để đảm bảo giá trị M

theo quy chuẩn của ICAO địi hỏi chi phí lắp đặt và trình độ kĩ thuật cao, do đó, mốc vơ tuyến dẫn đường hạ cánh loại cân bằng tín hiệu chỉ được sử dụng trong điều kiện hạ cánh thuận lợi, tầm nhìn đường băng khơng bị ảnh hưởng, q trình hạ cánh địi hỏi độ chính xác của mốc vơ tuyến dẫn đường không cao, thường được sử dụng trong hệ thống mốc vô tuyến loại 1.