Низкочастотный радиодиапазон , также известный как четырёхкурсный радиодиапазон , четырёхкурсный НЧ/СЧ радиодиапазон , радиодиапазон AN , радиодиапазон Adcock или обычно « диапазон », был основной навигационной системой, используемой самолётами для полётов по приборам в 1930-х и 1940-х годах, до появления всёнаправленного диапазона VHF (VOR), начавшегося в конце 1940-х годов. Он использовался для навигации по маршруту, а также для заходов на посадку и ожиданий по приборам . [1] [2] [3]
На основе сети радиовышек, которые передавали направленные радиосигналы, радиодиапазон определял конкретные воздушные трассы в небе. Пилоты осуществляли навигацию с помощью низкочастотного радио, слушая поток автоматизированных кодов Морзе «A» и «N» . Например, они поворачивали или уводили самолет вправо, когда слышали поток «N» («да-дит, да-дит, ...»), влево, когда слышали поток «A» («ди-да, ди-да, ...»), и летел прямо вперед, когда эти звуки сливались, создавая постоянный тон, указывающий, что самолет напрямую отслеживал луч. [4] [5]
По мере того, как система VOR постепенно внедрялась по всему миру, низкочастотный радиодиапазон постепенно сворачивался, в основном исчезнув к 1970-м годам. Сегодня не осталось никаких действующих объектов. При максимальном развертывании только в континентальной части США насчитывалось более 400 станций, использующих исключительно низкочастотный радиодиапазон. [6] [2]
После Первой мировой войны авиация начала расширять свою роль в гражданской сфере, начав с авиапочтовых рейсов. Вскоре стало очевидно, что для надежной доставки почты, а также для пассажирских рейсов, которые вскоре последовали, требовалось решение для навигации ночью и в условиях плохой видимости. В США для пилотов авиапочты была построена сеть светящихся маяков , похожих на морские маяки . Но маяки были полезны в основном ночью и в хорошую погоду, в то время как в условиях плохой видимости их было невозможно увидеть. Ученые и инженеры поняли, что навигационное решение на основе радио позволит пилотам «видеть» при любых условиях полета, и решили, что необходима сеть направленных радиолучей. [7]
24 сентября 1929 года тогдашний лейтенант (позже генерал) Джеймс Х. «Джимми» Дулиттл , армия США, продемонстрировал первый «слепой» полет, выполненный исключительно по приборам и без внешней видимости, и доказал, что полет по приборам осуществим. [8] [9] Дулиттл использовал недавно разработанные гироскопические приборы — авиагоризонт и гирокомпас — чтобы помочь ему поддерживать положение и курс своего самолета , а также специально разработанную направленную радиосистему для навигации в аэропорт и из аэропорта. [10] [примечание 1] Экспериментальное оборудование Дулиттла было специально создано для его демонстрационных полетов; для того, чтобы полет по приборам стал практичным, технология должна была быть надежной, массово производимой и широко распространенной как на земле, так и в самолетном парке. [7]
Существовало два технологических подхода к наземным и воздушным компонентам радионавигации, оценка которых проводилась в конце 1920-х и начале 1930-х годов.
На земле, для получения направленных радиолучей с четко определенным навигационным курсом, изначально использовались скрещенные рамочные антенны . Ford Motor Company разработала первое коммерчески работоспособное приложение рамочного низкочастотного радиодиапазона. Они установили его на своих полях в Дирборне и Чикаго в 1926 году и подали на него патент в 1928 году. [11] [12] Более ранние концепции системы были разработаны в Германии в 1906 году [13] , с которыми позже экспериментировали Бюро стандартов США и Корпус связи армии в начале 1920-х годов. Технология была быстро принята Министерством торговли США, которое создало демонстрационный диапазон 30 июня 1928 года [2] [7] , и первая серия станций была введена в эксплуатацию позже в том же году. [14] Но конструкция рамочной антенны генерировала чрезмерные горизонтально поляризованные небесные волны, которые могли мешать сигналам, особенно ночью. К 1932 году антенная решетка Эдкока устранила эту проблему, имея только вертикальные антенны, и это стало предпочтительным решением. Отделение аэронавтики Министерства торговли США называло решение Эдкока «TL Antenna» (для «Transmission Line») и изначально не упоминало имя Эдкока. [7] [15]
В воздухе также было два конкурирующих проекта, исходящих от групп с разным опытом и потребностями. Корпус связи армии , представляющий военных летчиков, предпочел решение, основанное на потоке аудионавигационных сигналов, постоянно подаваемых в уши пилотов через гарнитуру. С другой стороны, гражданские пилоты, которые в основном были пилотами авиапочты, летающими по стране для доставки почты, считали, что аудиосигналы будут раздражать и их будет трудно использовать во время длительных полетов, и предпочли визуальное решение с индикатором на приборной панели. [7]
Визуальный индикатор был разработан на основе вибрирующих язычков, которые обеспечивали простой монтируемый на панели индикатор «поворот влево-вправо». Он был надежным, простым в использовании и более устойчивым к ошибочным сигналам, чем конкурирующая аудиосистема. Пилоты, которые летали как со слуховыми, так и со визуальными системами, решительно предпочитали визуальный тип, согласно опубликованному отчету. [7] [16] Однако решение на основе язычков было проигнорировано правительством США , и аудиосигналы стали стандартом на десятилетия вперед. [7] [15]
К 1930-м годам сеть наземных низкочастотных радиопередатчиков в сочетании с доступными бортовыми AM-радиоприемниками стала важной частью полетов по приборам. Низкочастотные радиопередатчики обеспечивали навигационное руководство для самолетов для операций на маршруте и заходов на посадку практически при любых погодных условиях, помогая сделать реальностью последовательные и надежные графики полетов. [4]
Радиодиапазон оставался основной системой радионавигации в США и других странах, пока его постепенно не заменила значительно улучшенная технология VOR на основе VHF , начиная с конца 1940-х годов. VOR, используемый и по сей день, включает в себя визуальный указатель левого-правого направления. [2] [15] [17] [18]
Низкочастотный радионаземный компонент состоял из сети радиопередающих станций, которые были стратегически расположены по всей стране, часто вблизи крупных аэропортов, примерно в 200 милях друг от друга. Ранние низкочастотные станции использовали скрещенные рамочные антенны, но более поздние конструкции для многих станций использовали вертикальную антенную решетку Эдкока для улучшения производительности, особенно ночью. [3] [7]
Каждая станция диапазона Эдкока имела четыре антенные башни высотой 134 фута (41 м), возведенные по углам квадрата 425 × 425 футов, с дополнительной дополнительной башней в центре для передачи голоса и наведения . [3] [7] [15] Станции излучали направленное электромагнитное излучение на частотах от 190 до 535 кГц и мощностью от 50 до 1500 Вт в четыре квадранта. [1] [19] [примечание 2] Излучение одной пары противоположных квадрантов модулировалось (на звуковой частоте 1020 Гц ) кодом Морзе для буквы A ( · — ), а другой пары — буквой N ( — · ). [примечание 3] Пересечения между квадрантами определили четыре линии курса, исходящие от передающей станции, вдоль четырех направлений компаса, где сигналы A и N были одинаковой интенсивности, с их объединенными кодами Морзе, сливающимися в устойчивый звуковой тон частотой 1020 Гц. Эти линии курса (также называемые «ногами»), где можно было услышать только тон, определяли воздушные пути . [17]
В дополнение к повторяющемуся сигналу модуляции A или N , каждая передающая станция также передавала свой идентификатор кода Морзе (обычно 2 или 3 буквы) каждые тридцать секунд для положительной идентификации. [20] Идентификатор станции отправлялся дважды: сначала на паре передатчиков N , затем на A , чтобы обеспечить покрытие во всех квадрантах. [3] [примечание 4] Кроме того, на некоторых установках местные погодные условия периодически передавались голосом по частоте диапазона, вытесняя навигационные сигналы, но в конечном итоге это делалось на центральной пятой башне. [21] [примечание 5]
Низкочастотный радиодиапазон изначально сопровождался маяками на воздушных трассах , которые использовались в качестве визуального резерва, особенно для ночных полетов. [4] Дополнительные «маркерные маяки» (маломощные радиопередатчики УКВ) иногда включались в качестве дополнительных точек ориентации. [22]
Бортовые радиоприемники — изначально простые наборы амплитудной модуляции (АМ) — были настроены на частоту низкочастотных наземных радиопередатчиков, а звук азбуки Морзе обнаруживался и усиливался в динамиках, обычно в гарнитурах, которые носили пилоты. [4] Пилоты постоянно слушали звуковой сигнал и пытались вести самолет по линиям курса («летая по лучу»), где был слышен однородный тон. Если сигнал одной буквы ( A или N ) становился отчетливо слышимым, самолет поворачивался по мере необходимости так, чтобы модуляция двух букв снова накладывалась, и звук азбуки Морзе становился устойчивым тоном. [2] Область «на курсе», где звуки A и N сливались, была приблизительно 3° шириной, что соответствовало ширине курса ±2,6 мили на расстоянии 100 миль от станции. [4]
Пилоты должны были проверить, что они настроены на правильную частоту станции дальности, сравнивая ее идентификатор кода Морзе с тем, который был опубликован на их навигационных картах. Они также проверяли, летят ли они к станции или от нее, определяя, становится ли уровень сигнала (т. е. громкость слышимого тона) сильнее или слабее. [4] [5] [примечание 7]
Конечные сегменты захода на посадку низкочастотных радиоинструментальных заходов на посадку обычно выполнялись вблизи станции дальности, что обеспечивало повышенную точность. Когда самолет находился над станцией, звуковой сигнал исчезал, поскольку непосредственно над передающими башнями не было модуляционного сигнала. Эта тихая зона, называемая « конусом тишины », означала для пилотов, что самолет находился прямо над станцией, выступая в качестве положительной наземной точки отсчета для процедуры захода на посадку. [2] [4]
В типичной процедуре захода на посадку по низкочастотному радиоприбору окончательный заход на посадку начинался бы над станцией дальности с поворотом на определенный курс. Пилот снижался бы до указанной минимальной высоты снижения (MDA), и если бы аэропорт не был виден в течение указанного времени (на основе скорости движения по земле ), инициировалась бы процедура ухода на второй круг . В изображенной процедуре захода на посадку по низкочастотному радио в Джолиете, штат Иллинойс , минимальная высота снижения могла бы быть всего 300 футов над уровнем земли , и требовалась бы минимальная видимость в одну милю, в зависимости от типа самолета. [22] [23]
Диапазон низкочастотных радиосигналов также позволял авиадиспетчерам давать указания пилотам входить в зону ожидания «по лучу», т. е. на одном из низкочастотных участков, с точкой ожидания (ключевой точкой поворота) над низкочастотной радиостанцией, в конусе тишины или над одним из маркеров веера. Захваты использовались либо во время маршрутной части полета, либо как часть процедуры захода на посадку вблизи конечного аэропорта. Захваты по низкочастотным радиосигналам были точнее, чем захваты по ненаправленному маяку (NDB), поскольку курсы ожидания NDB основаны на точности бортового магнитного компаса , тогда как захват по низкочастотному радиосигналу был таким же точным, как и участок низкочастотного радиосигнала, с приблизительной шириной курса 3°. [3]
С момента своего появления в начале 1930-х годов низкочастотное радио было дополнено низкочастотными ненаправленными маяками (NDB). В то время как низкочастотное радио требовало сложной наземной установки и только простого AM-приемника на борту самолета, наземные установки NDB представляли собой простые одноантенные передатчики, требующие несколько более сложного оборудования на борту самолета. Диаграмма направленности радиоизлучения NDB была равномерной во всех направлениях в горизонтальной плоскости . Бортовой приемник NDB назывался радиопеленгатором ( RDF). Комбинация NDB-RDF позволяла пилотам определять направление наземной станции NDB относительно направления, на которое указывал самолет. При использовании в сочетании с бортовым магнитным компасом пилот мог перемещаться к станции или от нее по любому выбранному курсу, исходящему от станции.
Ранние приемники RDF были дорогими, громоздкими и сложными в эксплуатации, но более простая и менее затратная наземная установка позволила легко добавлять точки маршрута и подходы на основе NDB , чтобы дополнить низкочастотную радиосистему. [4] Современные приемники RDF, называемые «автоматическими пеленгаторами» (или «ADF»), небольшие, недорогие и простые в эксплуатации. Система NDB-ADF остается сегодня в качестве дополнения и резерва для более новых навигационных систем VOR и GPS , хотя она постепенно выводится из эксплуатации. [24] [25] Все вопросы, касающиеся работы NDB/ADF, были удалены из материалов испытаний пилотов FAA по сертификации до октября 2017 года. [26]
Хотя низкочастотная радиосистема использовалась в течение десятилетий в качестве основного метода аэронавигационной навигации в условиях плохой видимости и ночных полетов, она имела некоторые хорошо известные ограничения и недостатки. Пилотам приходилось слушать сигналы, часто часами, через гарнитуры раннего поколения того времени. Линии курса, которые были результатом баланса между диаграммами направленности излучения от разных передатчиков, колебались в зависимости от погодных условий, растительности или снежного покрова вблизи станции и даже угла антенны бортового приемника . При некоторых условиях сигналы из квадранта A «перескакивали» в квадрант N (или наоборот), вызывая ложный «виртуальный курс» вдали от любой реальной линии курса. Кроме того, грозы и другие атмосферные возмущения создавали электромагнитные помехи , нарушающие сигналы дальности и вызывающие потрескивание «статических» помех в гарнитурах пилотов. [21]
Низкочастотная радионавигационная система требовала, как минимум, только простого радиоприемника AM на борту самолета для точной навигации по воздушным трассам в метеорологических условиях приборов и даже выполнения захода на посадку по приборам на низкие минимумы. [примечание 8] С другой стороны, она имела только четыре направления курса на станцию, была чувствительна к атмосферным и другим типам помех и аберраций и требовала от пилотов прослушивания в течение нескольких часов раздражающего монотонного звукового сигнала или слабого потока кодов Морзе, часто встроенных в фоновые «статические» помехи . Ее окончательная замена, навигационная система VOR диапазона VHF , имела много преимуществ. VOR была практически невосприимчива к помехам, имела 360 доступных направлений курса, имела визуальный дисплей «на курсе» (без необходимости прослушивания) и была намного проще в использовании. [18] Следовательно, когда система VOR стала доступной в начале 1950-х годов, ее принятие было быстрым, и в течение десятилетия низкочастотное радио было в основном выведено из эксплуатации. Сама VOR постепенно выводится из эксплуатации сегодня в пользу гораздо более совершенной Глобальной системы позиционирования (GPS). [15] [25]
Ниже приведены имитированные звуки для низкочастотного радио Silver Lake . Станция дальности, расположенная примерно в 10 милях к северу от Бейкера, Калифорния , будет упреждать навигационные сигналы каждые 30 секунд, чтобы передать свой идентификатор кода Морзе («RL»). Идентификатор станции будет слышен один или два раза, возможно, с разной относительной амплитудой, в зависимости от местоположения самолета. [ 3] Пилоты будут слушать и ориентироваться по этим звукам часами во время полета. [2] [4] Фактические звуки содержат «статические» , помехи и другие искажения, не воспроизводимые моделированием. [4] Регулировка громкости повлияет на эффективную ширину курса. [3] Например, в имитированном звуке для «сумерек» A ниже, где самолет находится почти на луче, но немного внутри квадранта A , низкая громкость почти скрывает слабый звук A , тогда как громкая делает его более отчетливым.
( Если у вас возникли проблемы с воспроизведением этих звуковых файлов, см. Wikipedia:Media help .)
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )