DIPLOMOVÁ PRÁCE DAVID HAROK. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINĚ Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikací a multimédií. Studijní obor: TELEKOMUNIKACE

Transkript

1 Navržení optimální frekvence vysílacího pásma navigačních prostředků letecké dopravy v souvislosti s výstavbou nové paralelní vzletové a přistávací dráhy na letišti Praha-Ruzyně DIPLOMOVÁ PRÁCE DAVID HAROK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINĚ Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikací a multimédií Studijní obor: TELEKOMUNIKACE Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD. Stupeň kvalifikace: inženýr (Ing.) Datum odevzdání diplomové práce: ŽILINA

2

3 Abstrakt Práce popisuje kompletní proces koordinace kmitočtů rádiového spektra. Zaměřuje se na spektrum letecké radionavigace a na reálné situaci, na letišti Praha- Ruzyně, stanovuje kmitočty pro zařízení ILS, které zde bude umístěno v souvislosti s výstavbou nové paralelní dráhy.

4 Anotační záznam Názov práce: Navržení optimální frekvence vysílacího pásma navigačních prostředků letecké dopravy v souvislosti s výstavbou nové paralelní vzletové a přistávací dráhy na letišti Praha-Ruzyně Priezvisko a meno: Harok David akademický rok: 2008/2009 Fakulta elektrotechnická Katedra telekomunikácií a multimédií Počet strán: 59 Počet obrázkov: 19 Počet tabuliek: 15 Počet grafov: 1 Počet príloh: 3 Použitá lit.:. 16 Anotácia v slovenskom (českom) jazyku: Práce popisuje na základě konkrétní reálné situace koordinaci kmitočtů leteckého radionavigačního spektra v souvislosti s přidáním prvku do systému. Zabývá se určením optimálního pracovního kmitočtu navigačního zařízení ILS pro budoucí paralelní dráhu 06R/24L na letišti Praha-Ruzyně. Určení kmitočtů je provedeno z hlediska požadavků na koordinaci v rámci jedné radiokomunikační služby a koordinaci z hlediska rušení radiokomunikační službou ze sousedního kmitočtového pásma. Je zde rovněž popsán administrativní proces přidělení kmitočtu, proces národní a mezinárodní koordinace. Anotácia v cudzom jazyku ( angl. resp. nemecký): Thesis describes process of coordination of aeronautical radio navigation frequency on real situation in connection with add the new element in to the system. Defines an optimal frequency of ILS devices which will be installed on Prague Airport on new parallel runway. Defining of frequency is coordinate with the same radio navigation services and other VHF radio communication services. The administration coordination process of frequency assigning on the national and international coordination bases is described too. Kľúčové slová: koordinace, rušení radiového VKV spektra, mezislužbová a vnitroslužbová koordinace, radionavigační zařízení, Vedúci práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD. Recenzent práce:... Dátum odovzdania práce:

5 Obsah ÚVOD ÚLOHA ANTÉNY V RADIOKOMUNIKAČNÍM ŘETĚZCI [1] PARAMETRY ANTÉN [1], [2], [4] Směrová a vyzařovací charakteristika Výkonová hustota vyzařovacího pole Intenzita vyzařování Směrovost Vstupní impedance Účinnost antény Vyzařovací účinnost antény Výkonový zisk Šumová teplota antény RADIONAVIGACE [5], [7] PŘISTÁVACÍ SYSTÉMY OBECNĚ SYSTÉM PRO PŘESNÉ PŘIBLÍŽENÍ ILS [5], [6], [11] VKV VŠESMĚROVÝ MAJÁK VOR (VHF OMNIDIRECTIONAL RANGE) [5], [11] DÁLKOMĚRNÝ SYSTÉM DME (DISTANCE MEASURING EQUIPMENT) KMITOČTOVÉ PLÁNOVÁNÍ [2], [3], [8], KMITOČTOVÁ KOORDINACE VERSUS RÁDIOVÉ RUŠENÍ [9], [10], [12] RUŠENÍ NAVIGAČNÍHO PROSTŘEDKU (ILS) ROZHLASOVÝMI VYSÍLAČI VKV [8], [9], [13] RUŠENÍ NAVIGAČNÍCH PROSTŘEDKŮ ILS ILS [9], [11] RUŠENÍ NAVIGAČNÍCH PROSTŘEDKŮ ILS VOR [8], [11] KOORDINACE [16] ZPĚTNÁ KONTROLA [13] STÁVAJÍCÍ RADIONAVIGAČNÍ ZAŘÍZENÍ, JAKO VÝCHOZÍ PARAMETR PRO UMÍSTĚNÍ PRVKU DO SYSTÉMU LETIŠTĚ PRAHA-RUZYNĚ [14]...33

6 4.2 LETIŠTĚ A NAVIGAČNÍ PROSTŘEDKY DO VZDÁLENOSTI 200 KM OD ILS PRAHA- RUZYNĚ Letiště podléhající koordinaci Navigační a traťové zařízení podléhající koordinaci KMITOČTOVÁ KOORDINACE SYSTÉMU ILS PARALELNÍ DRÁHY NA LETIŠTI PRAHA-RUZYNĚ STANOVENÍ FREKVENCE ILS PARALELNÍ DRÁHY 06R/24L PRAHA-RUZYNĚ KONTROLNÍ URČENÍ FREKVENCE PRO ILS N POMOCÍ SOFTWARU NEDOKONALOST HLEDÁNÍ FREKVENCE RUČNÍ METODOU OPROTI SOFTWARU MANIF 6.0X PROCES PŘIDĚLENÍ KMITOČTU TESTOVÁNÍ NALEZENÝCH KMITOČTŮ NA RUŠENÍ ZE STRANY VKV RADIOVÉHO VYSÍLÁNÍ...48 ZÁVĚR...50 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...52 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ...54 PŘÍLOHOVÁ ČÁST...55

7 Seznam obrázků a tabulek Seznam obrázků Směrový diagram vysílací antény 2D zobrazení Dva směrové diagramy vysílací antény pro horizontální a vertikální rovinu kartézské zobrazení Náhradní obvod antény Zobrazení kursové a sestupové osy vzniklé průnikem stejných hloubek modulace dvou navigačních tónů 90 a 150 Hz Požadavky na krytí kursového majáku Požadavky na vertikální krytí sestupového radiomajáku Ukázka amplitudové modulace nosné frekvence kursového nebo sestupového majáku Podélný řez sestupovou rovinou s umístěním tří markerů Systém ILS v plné konfiguraci Aktuální stav umístění navigačních prvků ILS na letišti Praha-Ruzyně se zanesením paralelní dráhy a k ní náležících navigačních prvků ILS Letiště podléhající koordinaci Zobrazení posuzovaných letišť a traťových zařízení Znázornění potřebné vzdálenosti pro umístění dvou ILS vysílačů vysílajících na stejném kmitočtu Zobrazení využití kmitočtového spektra a minimální potřebná vzdálenost rozestupu navrhovaného a existujícího ILS zařízení v případě vysílání na stejném kmitočtu Ukázka grafického zobrazení ILS Dresden 109,7 MHz, ve vzdálenosti 112 km od ILS N Zadání vstupních parametrů pro vyhledávání v software MANIF 6.0x Výpis nalezených frekvencí

8 5.4-1 Směrovost ILS vysílacích antén užitých při výpočtu Výpis zadání programu AeroData Výpis výsledku projev rušení typu A1, A2 a B1 pro stanovený kmitočet 108,150 MHz Seznam tabulek Kmitočtová pásma Požadované separační vzdálenosti mezi ILS zařízeními Kategorie přesného přiblížení Seznam kmitočtů podléhajících koordinaci Popis navigačního zařízení ILS letiště Brno Tuřany Popis navigačního zařízení ILS letiště Karlovy Vary Popis navigačního zařízení ILS letiště Pardubice Popis navigačního zařízení ILS letiště Vodochody Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Kbely Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Náměšť Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Čáslav Popis navigačního zařízení ILS letiště Dresden v SRN Výčet traťových navigačních zařízení, které spadají do oblasti 200 km od ILS Praha-Ruzyně Vzdálenost mezi ILS Praha-Ruzyně a ostatními posuzovanými navigačními zařízeními Rozdíly v nalezených kmitočtech

9 Seznam zkratek CAT I, II, III ČTÚ označení pro kategorii letiště pro přesné přiblížení Český telekomunikační úřad DME Distance Measuring Equipment dálkoměrný systém ERP Effective Radiated Power efektivní vyzářený výkon [W] FM frekvenční modulace nosného signálu GP Glide Path sestupový maják ICAO International Civil Aviation Association Mezinárodní organizace pro civilní letectví IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství ILS Instrument Landing System Systém přístrojového přiblížení ITU International Telecommunication Union Mezinárodní telekomunikační unie LLZ viz LOC kursový maják LOC Localiser kursový maják NDB Non Directional Radio Beacon nesměrový radiomaják NM Nautical Mile námořní míle (1NM = 1,85 km) UHF Ultra High Frequency kmitočtové pásmo MHz VHF Very High Frequency kmitočtové pásmo MHz VKV velmi krátké vlny, viz VHF

10 Úvod Kmitočtové spektrum je nutno chápat jako přírodní zdroj, který dala příroda lidstvu a je nutno jej vnímat jako ostatní přírodní zdroje, např. uhlí, nafta, plyn, apod. Z hlediska využívání kmitočtového spektra je nutno přijímat takové postupy a nařízení, jež vedou k jeho maximálnímu využití, které je dané stupněm technického poznání a technických možností v místě a čase. Letecká doprava je jedním z uživatelů kmitočtového spektra. Přesto, že je pouze jeho uživatelem, jsou na spektrum určené letecké dopravě kladeny speciální požadavky. Situace, kdy nám zrní televize, se jistě nedá přirovnat k situaci, kdy je letadlo vedeno radiovým paprskem na přistání, a v jedné chvíli letecké palubní přístroje přestanou paprsek, pro jeho vysoké rušení, rozeznávat od šumu. Koordinací kmitočtového spektra se zabývají národní i mezinárodní organizace. Důvodem jednotného přístupu je nejen celosvětová jednota v rozdělení kmitočtového spektra, ale i fyzikální vlastnosti elektromagnetické vlny, jejíž šíření není omezeno geografickými hranicemi státu. Rozvoj letecké dopravy a služeb jako takových si vyžaduje stanovení míry bezpečnosti, která bude provozovateli leteckých společností, letišť a služeb řízení letového provozu dodržována. V souvislosti s tím se rovněž rozrůstají letiště a jejich vnitřní systémy, které tak poskytují větší kapacity pro cestující, letadla, odbavení, atd. Letiště Praha-Ruzyně je v současné době na svém kapacitním maximu. Výstavba terminálů Sever 1 a Sever 2 zvýšila kapacitu letiště až na 25 miliónů cestujících za rok, nicméně dráhový systém je již se současnými 12 mil. cestujících za rok přetížený. K vyřešení kapacitních problémů, stížností na vysoké zatížení okolních obcí hlukem a udržení či zvýšení provozní bezpečnosti, je nutné postavit paralelní dráhu. Tento záměr existuje již od 60. let. V současné době probíhá fáze příprav. Nová dráha si vyžádá rozšíření letištních navigačních systémů o přistávací systém pro přesné přiblížení. Ten má umožnit vykonání bezpečného přiblížení a přistání i za zhoršených meteorologických podmínek. Práce má za cíl stanovit optimální frekvenci přistávacího zařízení pro přesné přiblížení ILS (Instrument Landing System/Systém přístrojového přistání) tak, aby 1

11 nevzniklo riziko rušení ze strany stávajících systémů, či naopak, aby ony nebyly umístěním nového prvku rušeny. Na letišti Praha-Ruzyně budou umístěny dva systémy ILS na plánovanou paralelní dráhu označovanou jako 06R/24L. Je zapotřebí nalézt optimální kmitočet v leteckém navigačním spektru. Z důvodu komplexního přístupu k dané problematice je nutné brát v úvahu možné rušení ze strany navigačních systémů navzájem či VKV radiového vysílání, popsat aktuální stav na letišti Praha-Ruzyně a blízkém okolí a uvést princip činnosti vybraných leteckých navigačních zařízení. Na základě zjištěných skutečností pak určit optimální pracovní kmitočty pro systémy ILS a provést kontrolu pomocí specializovaného softwaru. 1 Úloha antény v radiokomunikačním řetězci [1] IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas definuje anténu jako zařízení pro vyzařování nebo příjem rádiových vln. Anténa představuje, vzhledem ke své pozici v radiokomunikačním řetězci, nejjakostnější prvek zesilovač celé radiokomunikační soustavy. Uplatňuje své výběrové hledisko, a to jak výběrem určitého pásma kmitočtů, tak také výběrem určitého směru příjmu. První hledisko je dáno vlastnostmi frekvenčního filtru, druhé souvisí se specifickou vlastností antén přijímat signál z určitého směru více než z ostatních směrovost. Anténa má tedy možnost vybrat pouze určité pásmo kmitočtů a ostatní potlačit tak, aby vylepšila šumové vlastnosti z hlediska klasické radioelektroniky, mimoto má možnost potlačit příjem z nežádoucích směrů, ze kterých přicházejí rušivá elektromagnetické záření, ať již povahy nežádoucí radiové komunikace, nebo skutečného šumu způsobeného nejrůznějšími možnými přírodními či umělými zdroji. Vlastní příspěvek antény k šumu celého řetězce je dán pouze vlastními ztrátami na konstrukci antény, tedy většinou konečnou vodivostí a dále tzv. šumovou teplotou vlastní antény, která je vztažena právě ke směrovým vlastnostem. Tato šumová teplota má tedy fyzikálně jinou povahu, než jsme zvyklí u jiných prvků radiokomunikačního řetězce, kde se jedná především o šum způsobený uvnitř vlastního zařízení. U antény tento šum přichází naopak z míst, která nesouvisí s anténou, a je přijímán váženě podle směrové charakteristiky antény. Šumová teplota antény je chápána jako teplota fiktivního rezistoru na vstupu bezeztrátové nešumící antény, který je zahřátý na tuto teplotu. 2

12 Jinou možností definice antény v radiokomunikačním řetězci je definovat ji jako hraniční element radiokomunikační soustavy, který transformuje elektromagnetickou vlnu vedenou po určitém typu vedení na elektromagnetickou vlnu, která je vyzařována ne přijímána z volného prostoru. Anténu jako pasivní element s těmito vyznačenými vlastnostmi potom chápeme jako lineární symetrický prvek, a proto je možné zaměnit anténu vysílací a přijímací vzájemně. Pochopitelně z hlediska konkrétního využití se tyto antény liší. Existují antény všesměrové nebo naopak úzce směrové. Vysílací antény jsou uzpůsobeny pro maximální vyzáření elektromagnetické energie do prostoru a měly by mít malé vlastní ztráty a dobré přizpůsobení. S ohledem na výkonová hlediska jsou často robustnější konstrukce. Přijímací anténa je spíše konstruována tak, aby splňovala směrové vlastnosti, které daný typ komunikace vyžaduje. S ohledem na téma diplomové práce a jejího zaměření se v textu práce budeme věnovat anténám výhradně vysílacím. 1.1 Parametry antén [1], [2], [4] Klasickým a nejjednodušším rozdělením parametrů antén může být na to jak se anténa chová při měření ve volném prostoru, tedy její geometrie a vlastnosti materiálů ze kterých je postavena, a na hodnoty, které naměříme v případě, že s ní pracujeme jako s části obvodu. Tedy vlastnosti směrové, které jsou dány rozložením elektromagnetických zdrojů po celé její struktuře, a impedanční. Zdroji jsou náboje a v anténách především proudy, které tečou po určitých drahách po tělese antény. Pak poměrem napětí a proudu v místě připojení antény definujeme vstupní impedanci. Tyto proudy jsou podstatou vzniku vyzařované elektromagnetické vlny určitého prostorového uspořádání. Tím tedy anténa vytváří směrové vlastnosti. Změnou impedančních vlastností způsobíme současně změnu směrových vlastností. Vliv má rovněž její umístění v prostoru a konstrukce Směrová a vyzařovací charakteristika Pojem směrová charakteristika používáme v češtině u přijímacích antén, pojem vyzařovací charakteristika u vysílacích. Jedná se o stejnou veličinu popisující směrové vlastnosti antény. Z principů reciprocity a duality obecně plyne, že řada parametrů 3

13 vysílacích a přijímacích antén je záměnná a že odlišnost v jejich využití je spíš v konkrétních požadavcích kladených na uvedené třídy antén. Anténou vyzařované elektromagnetické pole lze ve sférických souřadnicích vystihnout obecným vztahem jψ e E = C Ae a0f( ϑ, ϕ) r kde C obsahuje konstanty prostředí, Ae jψ a0 jkr, je funkce buzení, tedy amplitudy a fáze zdrojové veličiny, F ( ϑ, ϕ) je vyzařovací charakteristika prostorové rozložení vyzařované intenzity pole prostoru ve sférických souřadnicích a amplitudy a fáze vyzařovaného pole na vzdálenost r od antény. e jkr r je závislost Obecná anténa se vyznačuje tím, že velikost jí vysílané elektromagnetické energie je různá v různých směrech. Směrová charakteristika je definovaná jako reprezentace směrových vlastností antény v závislosti na prostorových souřadnicích, vlastnosti určují komplexní intenzitu elektrického pole (amplitudu a fázi) a polarizační vlastnosti. Všesměrová (izotropická) anténa je definovaná jako hypotetická anténa, jejíž vyzařovací vlastnosti nezávisí na směru. Vzhledem ke komplexnosti pojmu (amplitudy, fáze a polarizace) není tato anténa fyzikálně realizovatelná. Pro řadu aplikací se však používá jako reference k popisu vlastností reálných antén. Směrovou charakteristikou izotropického zářiče je kulová plocha. Směrový zářič má výše uvedené vlastnosti podstatně závislé na konkrétním směru, do kterého vysílá. Speciálním typem je takzvaná všesměrová anténa/zářič (např. elementární dipól, elementární smyčka). Důvodem použití směrového zářiče je soustředit vysílací výkon do požadovaného směru. U směrové přijímací antény je zapotřebí zajistit příjem žádaného signálu z požadovaného směru. Vedlejším produktem je potom omezení vlivu nežádoucího signálu z ostatních směrů, mimo směr hlavního vyzařování antény. Směrové vlastnosti antény se nejčastěji znázorňují diagramem poměrné směrovosti. V něm je graficky znázorněna velikost napětí na svorkách antény v závislosti na úhlu, pod kterým dopadá na anténu rovinná vlna s konstantní intenzitou, u zářiče diagram znázorňuje vyzařovací směrové charakteristiky za konstantního napětí na svorkách zářiče. 4

14 Směrový diagram přijímací antény znázorňuje hlavní lalok a laloky postranní, či lalok zadní. Úhel α je většinou definován jako třídecibelová šířka svazku. Mírou směrových vlastností je velikost úhlu, v jehož rozsahu neklesne napětí na svorkách antény o více než 3 db intenzity pole měřeného od osy antény (70,8 %, tj. 50 % pokles výkonu), jedná se o tzv. třídecibelová šířka hlavního svazku. Jednotlivé laloky směrového diagramu přijímací antény jsou odděleny místy minimálního příjmu, kterým se říká směry nulového příjmu. Polohy takového směru lze využít pří potlačení nežádoucího signálu. Potlačení nežádoucího signálu může být větší, je-li anténa k rušivému signálu směrována nulovým směrem i za cenu, že užitečný signál nedopadá ve směru hlavního maxima. U vysílací antény je popis směrového diagramu analogický. Obr Směrový diagram vysílací antény 2D zobrazení hlavní lalok (svazek) postranní laloky zpětný lalok Obr Dva směrové diagramy vysílací antény pro horizontální a vertikální rovinu kartézské zobrazení 5

15 1.1.2 Výkonová hustota vyzařovacího pole Okamžitá hodnota Poyntingova vektoru je definovaná vektorovým součtem s ( t) = e h, kde s je okamžitá hodnota Poyntingova vektoru [W.m -2 ], e je okamžitá hodnota intenzity elektrického pole [V.m -1 ] a h je okamžitá hodnota intenzity magnetického pole [A.m -1 ]. Poyntingův vektor představuje výkonovou hustotu, celkový výkon antény získáme integrací vektoru přes obklopující plochu Intenzita vyzařování Intenzita vyzařování U v daném směru je definovaná jako výkon vyzařovaný anténou do jednotkového prostorového úhlu. Je to parametr, který získáme součinem vyzařované výkonové hustoty čtvercem vzdálenosti. U = r 2 S vyz U je intenzita vyzařování [W.sr -1 ], S je hustota vyzařovaného výkonu [W.m -1 ] a r je vzdálenost od zdroje [m] Směrovost Směrovost D je poměr intenzity vyzařování U v daném směru k intenzitě vyzařování referenční antény U 0. Většinou se jako referenční anténa používá izotropický zářič, v některých případech krátký dipól. K výpočtu se užívají následující vzorce: U ( ϑ, ϕ) 4πU ( ϑ, ϕ) D( ϑ, ϕ) = = U P D U max max U = U = B 0 max 0 F 2 max 0 4πU = P vyz ( ϑ, ϕ) max kde F max je maximum směrové charakteristiky, vyz úměrnosti. Směrová charakteristika se obvykle udává v decibelech. D db = 10log D ϑ, ϕ určují směr maxima a B 0 je konstanta 6

16 1.1.5 Vstupní impedance Vstupní impedance je definovaná jako impedance antény na jejích napájecích svorkách, tedy jako poměr napětí a proudu na těchto svorkách viz obr Obr Náhradní obvod antény Z = R + jx ; R = R + R, A A A A vyz ztr ke Z A je vstupní impedance antény, vztaženo k místu napájení. R vyz je vyzařovací odpor a R ztr je ztrátový odpor antény. Vyzařovací odpor antény je vztažen k amplitudě proudu, vztah platí např. pro půlvlný dipól. Vyzářený výkon a ztracený výkon se vypočítá: P P vyz ztr U g = 2 U g = ( R ( R vyz vyz + R + R ztr ztr R + R + R g R g vyz ) + ( X ztr ) + ( X A A + X + X g g ) ) Účinnost antény Celkový výkon vyzářený anténou P vyz a výkon P vst na vstupu bezztrátové antény jsou svázány vztahem 7

17 P = η, kde vyz P vst η označuje bezrozměrnou celkovou účinnost antény, která v sobě zahrnuje ztráty na vstupu a uvnitř anténní struktury, což jsou ztráty odrazem výkonu η r v důsledku nepřizpůsobení napájecího vedení, ztráty η c v důsledku konečné vodivosti kovových částí antény a η d ztráty v dielektriku, které se nachází v objemu anténní struktury. Celková účinnost tak může být zapsána pomocí složky z nepřizpůsobení η r, dielektrických ztrát η d a složky, kterou se uplatňuje konečná vodivost materiálu antény η c. η = η r η d η c Celkovou účinnost rovněž ovlivňují objekty ležící v blízkosti antény. Ty jsou sice mimo vlastní anténu, ale ovlivňují rozložení proudu a napětí a absorbují část výkonu Vyzařovací účinnost antény Vyzařovací účinnost antény je dána vztahem níže a slučuje v sobě ztráty způsobené konečnou vodivostí materiálu η c a ztráty v dielektriku η d. Rvyz η vyz = =ηcη d R + R ztr vyz Výkonový zisk Výkonový zisk je dán poměrem vysílacího výkonu (výkon na výstupní ploše antény) k výkonu dodávanému na vstup antény. Častěji se ale používá relativní zisk, jako poměr výkonového zisku v daném směru k výkonovému zisku referenční bezztrátové antény. Zisk je tedy poměr na vstupu bezztrátové referenční antény k výkonu, který musíme přivést do skutečné antény, aby produkovala v daném směru totéž pole (stejný výkonový tok). Tato hodnota se většinou vyjadřuje v decibelové míře, a to takto: G( ϑ, ϕ) = db 10logG( ϑ, ϕ) 8

18 1.1.9 Šumová teplota antény Absolutně černé těleso vyzařuje elektromagnetickou energii, jejíž velikost můžeme určit podle Planckova zákona. Tento výkon má šumovou povahu a pro pásmo rádiových vln můžeme použít jeho aproximaci danou vztahem P N = kt0 f, kde P N je celkový šumový výkon vyzařovaný objektem [W], k je Boltzmannova konstanta [1, J/K], T 0 je teplota objektu [K]a f je šířka pásma [Hz]. Šumový výkon generují v závislosti na své teplotě všechna tělesa v okolí antén, rovněž i ztrátové prvky na vlastním tělese antény. Celkové množství energie vyzařované objekty se většinou reprezentuje pomocí ekvivalentní teploty nebo častěji podle jasové teploty: P T N j = kt f j 2 ( R ) 0 = εt0 = 1 T, kde T j je jasová teplota objektu, ε je emisivita anténou sledovaného jevu, T 0 je absolutní fyzikální teplota a R je koeficient odrazu povrchu tělesa pro danou polarizaci elektromagnetické vlny a danou geometrii uspořádání. Emisivita ε je bezrozměrná, fyzikálně velmi závislá veličina, která závisí na teplotě, frekvenci, elektrických materiálových parametrech, polarizaci a tvaru povrchu. 2 Radionavigace [5], [7] Slovo navigace je odvozeno z latinských slov navis loď a agere řídit, hýbat se. V původním významu tedy navigace znamenala řízení pohybu lodí. Po vzniku letectví a hlavně obchodní dopravy vzniká letecká navigace, jejímž úkolem je určování polohy letadel nad zemským povrchem, vedení letadel po předem stanovených tratích s danou přesností a zajištění jejich bezpečného přistání v daném místě a čase. V současné době se výsledků získaných v letectví a námořnictvu používá pro navigaci vozidel, jednotlivců či skupin lidí ve známém i neznámém terénu. Rádiová navigace, zkráceně radionavigace, je speciální odvětví obecné navigace, které pro plnění úkolů používá vhodné radiové prostředky. Jak je výše popsáno, k letecké navigaci je užito mnoho různých navigačních prostředků pracujících na různých principech, v odlišných frekvenčních pásmech a 9

19 užitých na různých místech letecké trati. V této práci se budu zabývat navigačními prostředky užitými v poslední fázi letu, radionavigačními prostředky sloužícími k přesnému přiblížení na letiště Praha-Ruzyně. Úkolem této práce je popsat stávající navigační prostředky sloužící k navedení letadel na přistání a zabezpečující danou kategorii přesného přiblížení, jakož i stanovení nových navigačních prostředků v souvislosti s budoucí výstavbou paralelní dráhy 06R/24L a stanovení optimální využití kmitočtového spektra tak, aby nedošlo k omezení nebo narušení stávajícího systému. Nutnou součástí této práce je proto popis stávajícího systému umístěného na přistávacích drahách na letišti Praha-Ruzyně, popis funkce jednotlivých zařízení a návrh nového zařízení. 2.1 Přistávací systémy obecně Jednou z nejnebezpečnějších letových fází je konečné přiblížení, tedy příprava na přistání a vlastní přistávací manévr. Při vzniku letectva bylo možné, vzhledem k nedostatečnému přístrojovému vybavení letadel, létat pouze za příznivého počasí a ve dne. Toto způsobovalo velké zpoždění letů, popřípadě odklonění na jiné letiště, což mělo za následek nepopularitu letecké dopravy. Postupným rozvojem přístrojového vybavení palub letadel a letišť bylo možné přiblížení na přistání provádět podle přístrojů, tedy za snížené viditelnosti. Meteorologická situace přestala být limitujícím parametrem pro bezpečné vykonání letu či přistávacího manévru. Úsilí zvýšit letovou bezpečnost právě za nepříznivých podmínek stále pokračuje. Cílem je vyvinout takovou navigační soustavu, která by manévr konečného přiblížení i přistání uskutečnila automaticky, bez zásahu pilota. Pro potřebu klasifikace vlastní meteorologické situace bylo nutné stanovit tzv. meteorologické minima. Podle nich jsou pak určeny stupně vybavenosti letiště navigačními prostředky pro přesné přiblížení. Kategorie Minimální dohlednost - minimální dohlednost v horizontální rovině 10 Minimální výška rozhodnutí - minimální výška kdy musí pilot mít vizuální kontakt se zemí I 800 m 60 m II 350 m 30 m III A 200 m 0 30 m III B m 0 15 m III C 0 m 0 m Tab Kategorie přesného přiblížení

20 K tomu, aby byla zabezpečena potřebná kategorie přesného přiblížení na přistání, musí být letiště patřičně vybaveno. Mezinárodní organizace pro civilní letectví stanovilo, že nutné vybavení pro splnění požadavků pro kategorii I a víc je systém ILS. 2.2 Systém pro přesné přiblížení ILS [5], [6], [11] Přesné přibližovací zařízení ILS (Instrument Landing System / Systém přístrojového přiblížení) poskytuje pilotovi na trati konečného přiblížení stálou informaci jak o směrovém vedení letadla, tak i o jeho vertikální poloze. Pilot v každém okamžiku umí vyhodnotit, zda se s letadlem nachází vlevo nebo vpravo od trati konečného přiblížení, nad či pod sestupovou rovinou. Proto je schopen okamžitě provádět korekce a vést letadlo přesně po sestupové rovině i v ose dráhy. Odtud tedy název přesné přiblížení. ILS je radionavigační pozemní zařízení, jež se skládá ze dvou radiomajáků a tří polohových návěstidel. Kursový maják VKV kursový radiomaják vyzařuje elektronickou rovinu kolmou k rovině dráhy směrem v ose dráhy. Nazýváme ho localizer (LLZ). Je instalován přibližně 400 m za koncem dráhy a zajišťuje letadlu směrové vedení na trati konečného přiblížení. Signál vysílaný anténním systémem kursového majáku v pásmu mezi 108 MHz až 111,975 MHz vytváří složený vyzařovací diagram. Odstup používaných nosných kmitočtů musí být větší než 5 khz a větší než 14 khz. Přidělování kmitočtů pro kursový maják ILS je dáno podmínkou lichého čísla za desetinou čárkou, např. kmitočty 108,1; 108,15; 108,3; 108,35; Vysílání kursového majáku musí být orientováno horizontálně. Nosná frekvence obsahuje amplitudově modulované navigační tóny 90 Hz a 150 Hz, které představují kursový sektor, v němž převažuje hloubka modulace jednoho navigačního tónu na jedné a druhého navigačního tónu na druhé straně od kursové čáry. Na kursové čáře je hloubka modulace obou tónů stejná. Z pohledu přiblížení letadla k prahu dráhy směrem na kursový maják převažuje vpravo hloubka modulace nosného kmitočtu navigačním tónem 150 Hz a vlevo hloubka modulace nosného kmitočtu navigačním tónem 90 Hz. Ideální směrové vedení přímo na osu dráhy je pouze tehdy, jsou-li oba navigační tóny stejně silné. Pro dostatečně kvalitní příjem pro vedení nesmí být vyzářený výkon menší než 100 µv/m (-106 dbw/m 2 ). 11

21 Obr Zobrazení kursové a sestupové osy vzniklé průnikem stejných hloubek modulace dvou navigačních tónů 90 a 150 Hz Elektromagnetické pole lze vytvořit jen v určitém úhlu a do omezené vzdálenosti od prahu dráhy. Předpisy určují minimální hodnoty takového krytí. Hodnoty krytí kursového majáku: - 46,3 km (25 NM) v rozmezí ± 10 od kursové čáry předního kursového sektoru, - 31,5 km (17 NM) mezi 10 a 35 od kursové čáry předního kursového sektoru a je-li zajištěno krytí do vzdálenosti: - 18,5 km (10 NM) v ostatních směrech mimo sektor ± 35, s výjimkou, že pokud to provozní požadavky dovolí, mohou být v případě nepříznivých terénních podmínek hranice krytí sníženy na 33,3 km (18 NM) v rozmezí ± 10 a 18,5 km (10 NM). 12

22 Obr Požadavky na krytí kursového majáku Sestupový maják UKV sestupový maják vyzařuje elektronickou vlnu, která tvoří sestupovou rovinu a nazýváme ho glide path (GP). Je instalován ve vzdálenosti nejméně 120 m vlevo nebo vpravo od osy dráhy na úrovni bodu dotyku a zajišťuje letadlu plynulé a rovnoměrné klesání v průběhu konečného přiblížení. UHF signál o frekvenci 328,6 MHz až 335,4 MHz vysílaný anténním systémem sestupového majáku vytváří složený vyzařovací diagram obsahující amplitudově modulované navigační tóny 90 Hz a 150 Hz. Odstup mezi užívanými nosnými musí být mezi 4 khz a 32 khz. Hloubka modulace navigačního tónu 150 Hz převažuje pod a hloubka navigačního tónu 90 Hz nad sestupovou rovinou. Vysílání je polarizováno horizontálně. Rovina sestupového majáku je nakloněná rovina vedoucí až na dotykovou zónu na dráze, svírá s rovinou dráhy úhel 3. Obr Požadavky na vertikální krytí sestupového radiomajáku 13

23 Pro poskytnutí řádného krytí v sestupové rovině nesmí vyzařovaný výkon klesnout pod 400 µv/m (-95 dbw/m 2 ). V obou případech (u kursového majáku i u sestupového majáku) se nosný kmitočet moduluje na navigační tón o frekvenci 90 Hz a 150 Hz. Poměr tónů určuje velikost odchýlení letadla od sestupové osy. Kmitočty kursového a sestupového majáku jsou spolu systémově svázány a každému kmitočtu kursového majáku je přidružen vždy týž kmitočet sestupového majáku. Kmitočtové páry jsou stanoveny Mezinárodní organizací pro civilní letectví, Přílohou č. 10 (Annex 10) [11]. Obr Ukázka amplitudové modulace nosné frekvence kursového nebo sestupového majáku Polohová návěstidla VKV polohová návěstidla (markery) vyzařují směrem vzhůru amplitudově modulovaný kmitočet a jsou instalována v ose dráhy v úseku konečného přiblížení. Při jejich přeletu udávají letadlu informaci o jeho poloze od prahu dráhy, provázenou přerušovanou světelnou a zvukovou signalizací. Návěstidla pracují všechna na nosném kmitočtu 75,0 MHz a fungují tak, že vyzařují kolmo vzhůru jakýsi kužel radiových vln. Vysílání je polarizováno horizontálně. Síla elektromagnetického pole pro dostatečně kvalitní příjem nesmí poklesnout pod 1,5 mv/m (-82 dbw/m 2 ). Přijímač v letadle je pevně naladěn na 75 MHz a zachytí signál při přeletu antény. Pokud se vyskytnou zvláštní provozní požadavky, může letecký úřad udělit výjimku pro instalaci dalšího, třetího polohového návěstidla. Návěstidla se označují 14