2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy. Pavel Kovář

2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy Pavel Kovář kovar@fel.cvut.cz

Obsah Základní pojmy Letecké mapy Pilotážní přístroje Světelné majáky Principy rádiové navigace Rádiové navigační systémy Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 2

Definice pojmů Navigace Vedení prostředku po stanovené trati pomocí navigačních prostředků se vyhodnocuje odchylka od stanovené trati a provádí se korekce, tzv. pilotáž Určování polohy Stanovení polohy (zeměpisných souřadnic) prostředku (uživatele) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 3

Způsoby navigace Pilotáž (Map Matching - porovnávání s mapou) Odchylka trasy se určuje porovnáním význačných bodů v terénu s navigační mapou. Za nepříznivých povětrnostních podmínek obtížná nebo nemožná Deduced reckoning (let nebo jízda naslepo) Trasa letu je stanovena předem (kurzy, rychlosti, letové doby) Odchylka od stanovené trasy se neurčuje! Je nutné počítat s faktoru ovlivňující trajektorii letu (jízdy) směr a rychlost větru směr a rychlost mořských proudů přesnost vedení prostředku v daném kurzu atd. Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 4

Branné cvičení 80. léta 20. století (příklad deduced reckoning navigace) Úkol č. 5 Jděte z výchozího bodu po trase kurs vzdálenost 1. 125 155 m 2. 40 80 m 3. 320 55 m 4. 115 130 m 5. 15 25 m Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 5

Základní pojmy Navigace podle vidu (visual navigation) omezena na denní světlo a dobré povětrnostní podmínky Pilotáž (deduced reckoning) řízení letadla podle mapy porovnání okolí s mapou Let naslepo (dead reckoning) let po předem připraveném kursu Kurs (course, ground track) Boční větry (crosswinds) Korekční úhel na boční vítr (crosswind correction angle) Letecké mapy Různá měřítka 1:500 000 oblastní mapa - sectional charts 1:1000 000 světová mapa - world aeronautical charts (WACs) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 6

Letecké mapy 1:500 000 oblastní mapa - sectional charts 1:1000 000 světová mapa - world aeronautical charts (WACs) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 7

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 8

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 9

Pilotážní přístroje Umožňují řídit letadlo bez viditelnosti země magnetický kompas směrový indikátor umělý horizont zatáčkoměr rychloměr variometr barometrický výškoměr Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 10

Magnetický kompas měří natočení osy letadla vzhledem k magnetickému severu Úhlový rozdíl mezi opravdovým severem a magnetickým severem variace (variation) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 11

Deviace kompasu způsobena narušením magnetického pole v okolí kompasu Korekční tabulka magnetické deviace korekce kompasu - je jí vybaveno každé letadlo Další chyby kompasu chyba způsobená zrychlením chyba při zatáčení letadla Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 12

Směrový indikátor pracuje na gyroskopickém principu před letem musí být nastaven netrpí problémy magnetického kompasu trpí driftem musí být průběžně za letu kontrolován, zda ukazuje správně Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 13

Pilotážní přístroje Umělý horizont (altitude indicator) umožňuje let bez viditelnosti pracuje na principu gyroskopu Zatáčkoměr (Turn coordinator) Barometrický výškoměr (Altimeter) Rychloměr (Airspeed indicator) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 14

Rychloměr (uzly + km/h) Výškoměr (stopy) Variometr (stopy/min) Umělý horizont Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 15

Světelný otočný maják vyznačení letišť vyznačení letových tras 10 otáček za min. záblesky viditelné do 40 mil. bílá-zelená zelená-zelená bílá - žlutá žlutá - žlutá zelená bílá bílá zelená žlutá - bílá pozemní letiště pozemní letiště letiště na vodě letiště na vodě vojenské letiště vojenské letiště Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 16

Základy rádiové navigace Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 17

Základy rádiové navigace Poloha resp. odchylka od trasy se vyhodnocuje na základě zpracování rádiových signálů AoA Angle of Arrival - směr příchodu signálu SS Signal Strength - síla signálu ToA Time of Arrival - čas příchodu signálu TDoA Time Difference of Arrival - rozdíl časů příchodu signálů DS Doppler shift - Dopplerův posuv kmitočtu nosné vlny Elektronické vyznačení trasy Elektronické vyznačení bodu Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 18

AoA směr příchodu signálu Aplikace sever φ uživatel maják Směrové antény Radiokompas DF Automatický radiokompas ADF Radar Dopplerovský směrový zaměřovač VHF Direction Finder (VKV směrový zaměřovač letadel) Zaměřování ukradených vozidel Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 19

Určování polohy Určí se kurs ke dvěma všesměrovým majákům NDB Poloha se určí jako průsečík příslušných radiál v navigační mapě Přesnost závisí na přesnosti měření kurs k NDB1 kurs k NDB2 NDB1 NDB2 sever Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 20

Dopplerovský směrový zaměřovač y rotující anténa Ω φ n směr příchodu signálu Souřadnice rotující antény x t R t ( ) = sin ( Ω ) ( ) = cos( Ω ) rychlost dx( t ) ( ) y t R t ( ) vx t = = RΩ cos Ωt dt dy ( t ) vy ( t ) = = RΩ sin Ωt dt ( ) R Rotační pohyb antény způsobí, že v důsledku Dopplerova jevu bude přijímaný signál kmitočtově modulovaný harmonickým signálem s periodou otáčení antén. Fáze modulačního signálu závisí na směru φ příchodu signálu. x Dopplerův posuv kmitočtu způsobuje vzájemná rychlost antén ( ) = ( ) cosϕ + ( ) sinϕ = R ( t ) ϕ R ( t ) R sin ( t ϕ ) v t v t v t n y x = Ω sin Ω cos + Ω cos Ω sinϕ = = Ω Ω Kmitočet přijímaného signálu c + vn fc frx = fc = fc RΩsin( Ωt ϕ ) c c kmitočtová modulace fáze závisí na směru příchodu signálu Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 21

Dopplerovský směrový zaměřovač Rotující anténu lze nahradit přepínáním antén rozmístěných po kružnici Ω Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 22

SS síla signálu Měří vzdálenost od majáku na základě úrovně přijímaného signálu Uživatel se nachází na kružnici resp. na povrchu koule o poloměru R Při použití více majáků lze určit polohu jako průsečík příslušných kruhů resp. koulí P Radiokomunikační rovnice λ = P G G 4π R dp v v p 2 Aplikace měření vzdálenosti k prahu vzletové a přistávací dráhy u systému ILS (nepoužívá se) R maják pokusy s navigací uvnitř budov uživatel Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 23

ToA čas příchodu signálu Měří vzdálenost od majáku na základě doby šíření signálu Uživatel se nachází na kružnici resp. na povrchu koule o poloměru R Při použití více majáků lze určit polohu jako průsečík příslušných kruhů resp. koulí uživatel R = ct z maják vysílaný signál časové značky t přijímaný signál t z t zpoždění signálu způsobené šířením Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 24

ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr ct R = z 2 odraz od cíle Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy Signál radaru je vysílán směrovou anténou, což dovoluje určit směr cíle (kombinace AoA a ToA) S Pv G = 4π R Pasivní odraz od cíle a 2 plošná hustota výkonu Schopnost cíle odrážet rádiové vlny se popisuje pomocí efektivní odrazné plochy A ef. Cíl se chová jako izotropní zářič. P O = SA odražený výkon od cíle ef Radarová rovnice 2 2 λ 2 λ = pd O a = v ef a 3 4 P P G P A G 4π R 4 Výkon přijímaného signál klesá se čtvrtou mocninou vzdálenosti cíle!!! Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 25 ( π ) R

ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy odraz od terénu cτ z h = 2 Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 26

ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar tz t R= c 2 p kódovaný dotaz kódovaná odpověď dotazovač Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy odpovídač t p - doba zpracování signálu v odpovídači Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 27

ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar tz t R= c 2 p kódovaný dotaz kódovaná odpověď odpovídač Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy odpovídač t p - doba zpracování signálu v odpovídači Signál radaru je vysílán směrovou anténou, což dovoluje určit směr cíle (kombinace AoA a ToA) Sekundární radar řeší nevýhodnou energetickou bilanci primárního radaru. Cíl musí být vybaven rádiově aktivním odpovídačem sekundárního radaru. Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 28

ToA čas příchodu signálu Rádiově aktivní systémy (uživatel vysílá rádiové signály) Pasivní odraz primární radar rádiový výškoměr Dotazovač odpovídač dálkoměr DME sekundární radar R = ct z značky v přesně definovaných časech Rádiově pasivní systémy (uživatel pouze přijímá signály majáků) Družicové navigační systémy t z t zpoždění signálu způsobené šířením Problém Maják a uživatel musí mít synchronizovanou časovou základnu. Chyba 1µs představuje chybu ve vzdálenosti 300m. Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 29

TDoA rozdíl časů příchodu signálů Řeší problém přesnosti časové základny uživatele u systémů ToA Signál vysílán dvěma nebo více synchronizovanými majáky Uživatel vyhodnocuje rozdíl časů příchodu signálu od majáků maják2 maják1 uživatel Aplikace Loran C Omega Deca Tamara a její nástupci maják3 Hyperbola křivka s konstantním rozdílem vzdálenosti (zpoždění) mezi ohnisky Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 30

DS Dopplerův posuv kmitočtu nosné vlny Měří vzájemnou rychlost uživatele a majáku v1 vd1 P1 (x1,y1,z1) Aplikace Transit GNSS stanovení vektoru rychlosti uživatel (x,y,z) dráha družice Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 31

Elektronické vyznačení trasy A-N range vznikl v 20 letech, sloužil do 50 let pracuje na 190 565 khz výkon vysílače 1500 W 2 vertikální rámové antény 1 anténa vysílá morse A (tečka čárka) 2 anténa vysílá morse N (čárka tečka) A elektronický paprsek Aplikace A-N Range VOR ILS TACAN N N A elektronický paprsek Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 32

Elektronické vyznačení bodu Aplikace Marker maják Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 33

Rádiové navigační systémy Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 34

Marker Slouží k označení místa přeletu při přeletu Markeru pilot uslyší kódovaný signál NDB maják Maják pracuje v pásmu 190 540 khz, vysílá všesměrově. Letadlo určuje směr příchodu signálu vzhledem k ose letadla. Přijímač DF (Direction Finder) ADF (Autonatic Direction Finder) Radiokompas Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 35

Radiokompas Zaměření kurzu k radiomajáku pomocí směrové antény Rámová magnetická anténa Radiomajáky DV, SV rozhlasové vysílače Speciální všesměrové majáky NDB Konstrukce antény několik kruhových závitů v kovové trubce, na vrcholu rozřízlé, aby netvořila závit nakrátko Kombinace rámové a všesměrové antény vyzařovací charakteristika - kardioida - jedno minimum Vyzařovací charakteristika v horizontální rovině -osmičková -zaměřuje se na minimum -2 minima - problém s neurčitostí + anténa radiokompasu Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 36

Navigace letová trasa je vyznačena všesměrovými radiomajáky NDB letadlo letí od majáku k majáku problém s bočním větrem NDB1 skutečná dráha letu (psí křivka) rychlost vzhledem k zemskému povrchu zamýšlená dráha letu rychlost větru rychlost vzhledem k atmosféře Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 37

Rádiová navigace Four-Course Radio Range (A-N range) vznikl v 20 letech, sloužil do 50 let pracuje na 190 565 khz výkon vysílače 1500 W 2 vertikální rámové antény 1 anténa vysílá morse A (tečka čárka) 2 anténa vysílá morse N (čárka tečka) Když se letadlo nachází v kursu, pilot slyší ve sluchátkách nepřetržitý tón. V opačném případě by slyšel morse A nebo morse N, podle toho ve které oblasti se od vyznačeného kursu nachází. Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 38

VAR - Visual aural range Pracuje na stejném principu jako Four-Course Radio Range, ale v pásmu VKV. vyřešen problém s orientací menší problém s odrazy dosah na viditelnost Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 39

VOR VHF Omni directional range umožňuje let po jakékoliv radiále k majáku VOR vznikl v 1937 první instalace 1944 mezinárodní standard 1949 pracuje v pásmu VKV Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 40

Kategorie VOR TVOR Terminal VOR malý výkon, dosah 25 námořních mil Low-altitude VOR dosah 40 námořních mil zóna bez interferencí je garantována do 18 000 feet High-altitude VOR pro letadla ve výškách 18 000 60 000 feet dosah 200 námořních mil Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 41

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 42

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 43

Kolem majáku VOR musí být volný prostor, jinak dojde k narušení vlastností signálu nepoužitelné radiály. Problém částečněřeší Doppler VOR signál má stejné vlastnosti, ale jeho generace v majáku je jiná Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 44

MEA (minimum en route altitude) letová výška, nad kterou je garantován signál VOR stanovuje se pro každou letovou trasu kontroluje se měřením MOCA (minimum obstruction clearance altitude) letová výška pro danou trasu, ve které se nenacházejí překážky signál VOR je garantován do 22 námořních mil Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 45

Určování polohy pomocí VOR Změří se radiály na kterých se nachází letoun ke dvěma VOR majákům. Poloha je dána průsečíkem radiál. Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 46

DME Rádiový dálkoměr měří vzdálenost letadla k majáku spolu s VOR umožňuje rho-theta určování polohy pracuje kolem 1 GHz. na palubě dotazovač, na zemi odpovídač vzdálenost měřena na základě zpoždění odpovědi Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 47

DME DME měří šikmou vzdálenost Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 48

TACAN Vojenský VOR pracuje na 1 GHz přesnější než VOR - dokonalejší signál koaxiální instalace s VOR = VORTAC Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 49

Prostorová navigace Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 50

RNAV CLC course-line computer Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 51

LORAN A, LORAN C Hyperbolický navigační systém měří se rozdíl doby přijmu rádiových pulsů od několika synchronizovaných majáků Loran A pracoval na 1700 2000 khz Loran C pracuje na 100 khz Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 52

Dostupnost signálu LORAN C Šíření signálu LORAN C Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 53

Navigační přijímač LORAN C Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 54

GPS družicový dálkoměrný navigační systém 3D poloha se počítá na základě změření vzdáleností min. ke 3 resp. 4 družicím. (3 družice lze použít jen v případě, že máme přesnou informaci o čase, v opačném případě je nutno použít 4 družice.) Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 55

WAAS Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 56

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 57

Historie řízení letového provozu a letectví Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 58

Řízení letového provozu 2. Pilotážní přístroje a Navigační systémy 59