В авиации дальномерное оборудование ( DME ) — это радионавигационная технология , которая измеряет наклонную дальность (расстояние) между самолетом и наземной станцией путем измерения задержки распространения радиосигналов в полосе частот от 960 до 1215 мегагерц (МГц). Требуется прямая видимость между самолетом и наземной станцией. Запросчик (бортовой) инициирует обмен, передавая пару импульсов по назначенному «каналу» на наземную станцию транспондера. Назначение канала определяет несущую частоту и интервал между импульсами. После известной задержки транспондер отвечает, передавая пару импульсов на частоте, которая смещена от частоты запроса на 63 МГц и имеет заданное разделение. [1]
Системы DME используются во всем мире с использованием стандартов, установленных Международной организацией гражданской авиации (ИКАО), [1] RTCA, [2] Агентством авиационной безопасности Европейского Союза (EASA) [3] и другими организациями. Некоторые страны требуют, чтобы воздушные суда, летающие по правилам полетов по приборам (ППП), были оснащены запросчиком DME; в других запросчик DME требуется только для выполнения определенных операций.
Хотя автономные транспондеры DME разрешены, транспондеры DME обычно работают в паре с системой наведения по азимуту, чтобы обеспечить воздушному судну возможность двумерной навигации. Обычной комбинацией является размещение DME с передатчиком всенаправленного диапазона VHF (VOR) на одной наземной станции. В этом случае частоты оборудования VOR и DME спариваются. [1] Такая конфигурация позволяет летательному аппарату определять угол азимута и расстояние от станции. Установка VORTAC (VOR, совмещенная с TACAN ) обеспечивает те же возможности для гражданских самолетов, но также обеспечивает возможности двухмерной навигации для военных самолетов .
Транспондеры DME малой мощности также связаны с некоторыми установками системы посадки по приборам (ILS), курсового радиомаяка ILS и микроволновой системы посадки (MLS). В таких ситуациях частота/интервал между импульсами транспондера DME также сопряжена с частотой ILS, LOC или MLS.
ИКАО характеризует передачи DME как сверхвысокочастотные (УВЧ). Также используется термин L-диапазон. [4]
Разработанный в Австралии, DME был изобретен Джеймсом «Джерри» Джеррандом [5] под руководством Эдварда Джорджа «Тэффи» Боуэна, когда он работал начальником отдела радиофизики Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO). Другая разработанная версия системы была развернута компанией Amalgamated Wireless Australasia Limited в начале 1950-х годов и работала в диапазоне УКВ 200 МГц . Эта австралийская внутренняя версия называлась Федеральным департаментом гражданской авиации как DME (D) (или DME Domestic), а более поздняя международная версия, принятая ИКАО, как DME (I).
DME по принципу аналогичен функции вторичного радиолокатора , за исключением того, что роли оборудования в самолете и на земле поменяны местами. DME был послевоенной разработкой, основанной на системах идентификации «свой-чужой» (IFF) времен Второй мировой войны . Для обеспечения совместимости DME функционально идентичен компоненту измерения расстояния TACAN.
В своей первой версии самолет, оснащенный DME, использовал это оборудование для определения и отображения расстояния до наземного транспондера путем отправки и приема пар импульсов. Наземные станции обычно размещаются рядом с VOR или VORTAC. Маломощный DME может быть совмещен с ILS или MLS, где он обеспечивает точное расстояние до приземления, аналогично тому, которое в противном случае обеспечивается маркерными маяками ILS (и, во многих случаях, позволяет удалить последний).
Новая роль DME — это зональная навигация DME/DME (RNAV). [6] [7] Из-за в целом более высокой точности DME по сравнению с VOR, навигация с использованием двух DME (с использованием трилатерации/расстояния) позволяет выполнять операции, которые не позволяют навигация с использованием VOR/DME (с использованием азимута/расстояния). Однако для этого требуется, чтобы самолет имел возможности RNAV, а для некоторых операций также требуется инерциальный эталонный блок.
Типичный наземный транспондер DME для навигации по маршруту или в районе аэродрома будет иметь пиковую импульсную выходную мощность 1 кВт на назначенном канале УВЧ.
Система DME состоит из передатчика/приемника УВЧ (L-диапазона) (запросчика) на самолете и приемника/передатчика УВЧ (L-диапазона) ( транспондера ) на земле.
150 пар опросных импульсов в секунду. Самолет опрашивает наземный транспондер серией пар импульсов (запросов), и после точной временной задержки (обычно 50 микросекунд) наземная станция отвечает идентичной последовательностью пар импульсов. Приемник DME на самолете ищет пары ответных импульсов (режим X = интервал 12 микросекунд) с правильным интервалом и шаблоном ответа на исходный шаблон запроса. (Пары импульсов, которые не совпадают с шаблоном запроса отдельного воздушного судна, например, не синхронны, называются парами импульсов-заполнителей или самогенерируемым сигналом . Кроме того, ответы другим воздушным судам, которые поэтому являются несинхронными, также отображаются как самогенерируемый сигнал).
Менее 30 пар импульсов опроса в секунду, так как среднее количество импульсов в режимах ПОИСК и ОТСЛЕЖИВАНИЕ ограничено максимум 30 парами импульсов в секунду. Запросчик самолета фиксируется на наземной станции DME, как только он распознает, что определенная последовательность ответных импульсов имеет тот же интервал, что и исходная последовательность запроса. Как только приемник заблокирован, у него появляется более узкое окно для поиска эхо-сигналов, и он может сохранять блокировку.
Радиосигналу требуется примерно 12,36 микросекунды, чтобы пройти 1 морскую милю (1852 м) до цели и обратно. Разница во времени между запросом и ответом, за вычетом задержки наземного транспондера в 50 микросекунд и ширины импульсов ответа (12 микросекунд в режиме X и 30 микросекунд в режиме Y), измеряется схемой синхронизации запросчика и преобразуется в измерение расстояния. ( наклонная дальность ) в морских милях, затем отображается на дисплее DME в кабине.
Формула расстояния расстояние = скорость * время используется приемником DME для расчета расстояния от наземной станции DME. Скорость в расчете — это скорость радиоимпульса, которая равна скорости света (примерно 300 000 000 м/с или 186 000 миль/с ). Время расчета составляет ½ ( общее время – задержка ответа ).
Точность наземных станций DME составляет 185 м (±0,1 морских миль ). [8] Важно понимать, что DME обеспечивает физическое расстояние между антенной самолета и антенной транспондера DME. Это расстояние часто называют «наклонной дальностью» и тригонометрически зависит от высоты самолета над транспондером, а также от земного расстояния между ними.
Например, самолет, находящийся непосредственно над станцией DME на высоте 6076 футов (1 миль), все равно будет показывать 1,0 миль (1,9 км) на показаниях DME. Технически самолет находится в миле от нас, всего в миле вверх. Ошибка наклонной дальности наиболее выражена на больших высотах, когда вы находитесь вблизи станции DME.
Радионавигационные средства должны сохранять определенную степень точности, предусмотренную международными стандартами, FAA, [9] EASA , ICAO и т. д. Чтобы гарантировать это, организации летной инспекции периодически проверяют критические параметры на правильно оборудованных воздушных судах для калибровки и сертификации. Точность DME.
ИКАО рекомендует точность менее суммы 0,25 морских миль плюс 1,25% измеренного расстояния.
Типичный наземный маяк-ответчик DME имеет предел в 2700 запросов в секунду (пар импульсов в секунду – pps). Таким образом, он может предоставлять информацию о расстоянии до 100 самолетов одновременно: 95% передач для самолетов в режиме слежения (обычно 25 импульсов в секунду) и 5% в режиме поиска (обычно 150 импульсов в секунду). Выше этого предела транспондер избегает перегрузки, ограничивая чувствительность (усиление) приемника. Ответы на более слабые (обычно более удаленные) запросы игнорируются, чтобы снизить нагрузку на транспондер.
Частоты DME сопряжены с частотами VOR, а запросчик DME предназначен для автоматической настройки на соответствующую частоту DME при выборе соответствующей частоты VOR. Запросчик DME самолета использует частоты от 1025 до 1150 МГц. Транспондеры DME передают по каналу в диапазоне от 962 до 1213 МГц и принимают по соответствующему каналу в диапазоне от 1025 до 1150 МГц. Полоса разделена на 126 каналов для запроса и 126 каналов для ответа. Частоты запроса и ответа всегда отличаются на 63 МГц. Разнос всех каналов составляет 1 МГц при ширине спектра сигнала 100 кГц.
Технические ссылки на каналы X и Y относятся только к интервалу между отдельными импульсами в паре импульсов DME: интервалу 12 микросекунд для каналов X и интервалу 30 микросекунд для каналов Y.
Объекты DME идентифицируют себя трехбуквенным кодом Морзе с частотой 1350 Гц. Если он расположен рядом с VOR или ILS, он будет иметь тот же идентификационный код, что и родительский объект. Кроме того, DME будет идентифицировать себя между устройствами родительского объекта. Идентификация DME составляет 1350 Гц, чтобы отличаться от тона 1020 Гц VOR или курсового радиомаяка ILS.
ФАУ США установило три типа транспондеров DME (не считая тех, которые связаны с системой посадки): Терминальные транспондеры (часто устанавливаемые в аэропорту) обычно обеспечивают обслуживание на минимальной высоте над землей 12 000 футов (3 700 м) и дальности действия 25 морских миль. мили (46 км); Транспондеры малой высоты обычно обеспечивают обслуживание на высоте не менее 18 000 футов (5 500 м) и дальности действия 40 морских миль (74 км); и высотные транспондеры, которые обычно обеспечивают обслуживание на высоте не менее 45 000 футов (14 000 м) и дальности действия 130 морских миль (240 км). Однако многие из них имеют эксплуатационные ограничения, в основном связанные с блокировкой прямой видимости, и фактическая производительность может отличаться. [10] В Руководстве по аэронавигационной информации США говорится, предположительно, относительно высотных транспондеров DME: «надежные сигналы могут приниматься на расстояниях до 199 морских миль [369 км] на высоте прямой видимости».
Транспондеры DME, связанные с заходом на посадку по ILS или другим приборам, предназначены для использования во время захода на посадку к конкретной ВПП, с одного или обоих концов. Они не допущены к обычному плаванию; ни минимальный диапазон, ни высота не указаны.
Использование частот DME, распределение каналов и сопряжение с другими навигационными средствами (VOR, ILS и т. д.) определяются ИКАО. [1] 252 канала DME определяются комбинацией их частоты запроса, интервала между импульсами запроса, частоты ответа и интервала между импульсами ответа. Эти каналы имеют маркировку 1X, 1Y, 2X, 2Y,... 126X, 126Y. Каналы X (которые были первыми) имеют пары импульсов запроса и ответа, разделенные интервалом 12 микросекунд. Каналы Y (которые были добавлены для увеличения пропускной способности) имеют пары импульсов запроса с интервалом 36 микросекунд и пары импульсов ответа с интервалом 30 микросекунд.
Всего определены 252 частоты (но не все используются) для запросов и ответов DME, а именно: 962, 963,... 1213 мегагерц. Частоты опроса составляют 1025, 1026,... 1150 МГц (всего 126), одинаковы для каналов X и Y. Для данного канала частота ответа на 63 МГц ниже или выше частоты запроса. Частота ответов различна для каналов X и Y, а также для каналов с номерами 1–63 и 64–126.
Не все определенные каналы/частоты назначены. Существуют «дыры» назначения, сосредоточенные на частотах 1030 и 1090 МГц для обеспечения защиты системы вторичного обзорного радара (ВОРЛ). Во многих странах также существует «дыра» присвоения частоты 1176,45 МГц для защиты частоты GPS L5. Эти три «дыры» удаляют примерно 60 мегагерц из доступных для использования частот.
Прецизионный DME (DME/P), компонент микроволновой системы посадки, назначен каналам Z, которые имеют третий набор интервалов между импульсами запроса и ответа. Каналы Z мультиплексируются с каналами Y и существенно не влияют на план каналов.
В 2020 году одна компания представила свое «DME пятого поколения». Хотя эта версия совместима с существующим оборудованием, она обеспечивает большую точность (до 5 метров при использовании триангуляции DME/DME) с дальнейшим снижением до 3 метров при дальнейшем уточнении. Трехметровое оборудование рассматривается как часть европейского проекта SESAR с возможным внедрением к 2023 году.
В двадцать первом веке воздушная навигация все больше зависит от спутникового наведения. Однако наземная навигация продолжится по трем причинам :
Одним из преимуществ оборудования пятого поколения, предложенного в 2020 году, является возможность проверки его работоспособности с помощью полетов дронов , что позволит значительно сократить расходы и задержки предыдущих пилотируемых сертификационных летных испытаний. [11]