В авиации дальномерное оборудование ( DME ) представляет собой радионавигационную технологию, которая измеряет наклонную дальность (расстояние) между самолетом и наземной станцией путем измерения задержки распространения радиосигналов в диапазоне частот от 960 до 1215 мегагерц (МГц). Требуется прямая видимость между самолетом и наземной станцией. Запросчик (бортовой) инициирует обмен, передавая пару импульсов на назначенном «канале» на наземную станцию транспондера. Назначение канала определяет несущую частоту и интервал между импульсами. После известной задержки ответчик отвечает, передавая пару импульсов на частоте, которая смещена от частоты запроса на 63 МГц и имеет указанное разделение. [1]
Системы DME используются во всем мире, используя стандарты, установленные Международной организацией гражданской авиации (ИКАО), [1] RTCA, [2] Европейским агентством по безопасности полетов (EASA) [3] и другими органами. Некоторые страны требуют, чтобы самолеты, работающие по правилам полетов по приборам (ППП), были оснащены запросчиком DME; в других странах запросчик DME требуется только для выполнения определенных операций.
Хотя автономные транспондеры DME разрешены, транспондеры DME обычно работают в паре с системой азимутального наведения, чтобы предоставить самолету возможность двухмерной навигации. Распространенной комбинацией является DME, совмещенный с передатчиком всенаправленного диапазона VHF (VOR) на одной наземной станции. Когда это происходит, частоты оборудования VOR и DME объединяются. [1] Такая конфигурация позволяет самолету определять свой азимутальный угол 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.
Маломощные транспондеры DME также связаны с некоторыми установками систем посадки по приборам (ILS), курсового маяка ILS и микроволновой системы посадки (MLS). В этих ситуациях частота транспондера DME/интервал импульсов также сопряжены с частотой ILS, LOC или MLS.
ИКАО характеризует передачи DME как сверхвысокие частоты (UHF). 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 в Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO). Другая разработанная версия системы была развернута компанией Amalgamated Wireless Australasia Limited в начале 1950-х годов, работая в диапазоне ОВЧ 200 МГц . Эта австралийская внутренняя версия была обозначена Федеральным департаментом гражданской авиации как DME(D) (или DME Domestic), а более поздняя международная версия была принята ИКАО как DME(I).
DME в принципе похож на функцию измерения дальности вторичного радара , за исключением того, что роли оборудования в самолете и на земле поменялись местами. DME был послевоенной разработкой, основанной на системах опознавания «свой-чужой » (IFF) времен Второй мировой войны . Для обеспечения совместимости DME функционально идентичен компоненту измерения расстояния TACAN.
В своей первой итерации самолет, оснащенный DME, использовал оборудование для определения и отображения своего расстояния от наземного транспондера путем отправки и приема пар импульсов. Наземные станции обычно совмещены с VOR или VORTAC. Маломощный DME может быть совмещен с ILS или MLS, где он обеспечивает точное расстояние до приземления, аналогичное тому, которое в противном случае обеспечивали маркерные маяки ILS (и, во многих случаях, позволяя удалить последние).
Новая роль DME — это зональная навигация DME/DME (RNAV). [6] [7] Благодаря в целом более высокой точности DME по сравнению с VOR, навигация с использованием двух DME (с использованием трилатерации/расстояния) позволяет выполнять операции, которые навигация с VOR/DME (с использованием азимута/расстояния) не позволяет. Однако для этого требуется, чтобы самолет имел возможности RNAV, а для некоторых операций также требуется инерциальный опорный блок.
Типичный наземный транспондер DME для маршрутной или конечной навигации будет иметь пиковую импульсную выходную мощность 1 кВт на назначенном канале УВЧ.
Система DME включает в себя передатчик/приемник УВЧ (L-диапазона) (запросчик) на борту самолета и приемник/передатчик УВЧ (L-диапазона) ( транспондер ) на земле.
150 пар импульсов запроса в секунду. Самолет опрашивает наземный транспондер серией пар импульсов (запросов) и после точной задержки по времени (обычно 50 микросекунд) наземная станция отвечает идентичной последовательностью пар импульсов. Приемник DME в самолете ищет пары импульсов ответа (X-режим = интервал 12 микросекунд) с правильным интервалом и шаблоном ответа на свой исходный шаблон запроса. (Пары импульсов, которые не совпадают с шаблоном запроса отдельного самолета, например, не синхронны, называются парами импульсов-заполнителей или сквиттером . Кроме того, ответы другим самолетам, которые поэтому не синхронны, также отображаются как сквиттер).
Менее 30 пар импульсов опроса в секунду, так как среднее число импульсов в режимах SEARCH и TRACK ограничено макс. 30 парами импульсов в секунду. Воздушный запросчик захватывает наземную станцию DME, как только распознает, что конкретная ответная последовательность импульсов имеет тот же интервал, что и исходная последовательность опроса. После захвата приемника у него появляется более узкое окно для поиска эхо-сигналов, и он может удерживать захват.
Радиосигналу требуется приблизительно 12,36 микросекунд, чтобы пройти 1 морскую милю (1852 м) до цели и обратно. Разница во времени между запросом и ответом за вычетом 50-микросекундной задержки наземного транспондера и интервала между ответными импульсами (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, а затем отображается на дисплее кабины DME.
Формула расстояния, расстояние = скорость * время , используется приемником DME для расчета расстояния от наземной станции DME. Скорость в расчете — это скорость радиоимпульса, которая является скоростью света (примерно 300 000 000 м/с или 186 000 миль/с ). Время в расчете равно C. ½( общее время − задержка ответа ), где C — скорость света.
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 оно зависит тригонометрически от высоты самолета над транспондером, а также от расстояния между ними по земле.
Например, самолет, находящийся прямо над станцией DME на высоте 6076 футов (1 морская миля), все равно покажет 1,0 морская миля (1,9 км) на показаниях DME. Технически самолет находится на расстоянии мили, всего в миле прямо вверх. Ошибка наклонной дальности наиболее выражена на больших высотах, когда она находится близко к станции DME.
Радионавигационные средства должны поддерживать определенную степень точности, установленную международными стандартами, FAA, [9] EASA , ICAO и т. д. Чтобы гарантировать это, организации по летной инспекции периодически проверяют критические параметры на должным образом оборудованных воздушных судах для калибровки и сертификации точности DME.
ИКАО рекомендует точность менее суммы 0,25 морских миль плюс 1,25% от измеренного расстояния.
Типичный наземный ответчик DME имеет предел в 2700 запросов в секунду (пар импульсов в секунду — pps). Таким образом, он может предоставлять информацию о расстоянии для 100 самолетов одновременно — 95% передач для самолетов в режиме отслеживания (обычно 25 pps) и 5% в режиме поиска (обычно 150 pps). Выше этого предела ответчик избегает перегрузки, ограничивая чувствительность (усиление) приемника. Ответы на более слабые (обычно более дальние) запросы игнорируются, чтобы снизить нагрузку на ответчик.
Частоты DME сопряжены с частотами VOR, и 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 на канале в диапазоне от 962 до 1213 МГц и принимают на соответствующем канале между 1025 и 1150 МГц. Диапазон разделен на 126 каналов для запроса и 126 каналов для ответа. Частоты запроса и ответа всегда отличаются на 63 МГц. Интервал и полоса пропускания каждого канала составляют 1 МГц, а полоса пропускания — 1 МГц.
Технические ссылки на каналы X и Y относятся только к интервалу между отдельными импульсами в паре импульсов DME: интервал 12 микросекунд для каналов X и интервал 30 микросекунд для каналов Y.
Средства DME идентифицируют себя с помощью трехбуквенного идентификатора кода Морзе 1350 Гц . При совмещении с VOR или ILS он будет иметь тот же код идентификации, что и родительское средство. Кроме того, DME идентифицирует себя между средствами родительского средства. Идентификатор DME составляет 1350 Гц, чтобы отличать себя от тона 1020 Гц VOR или локализатора ILS.
FAA США установило три типа транспондеров DME (не включая те, которые связаны с системой посадки): Терминальные транспондеры (часто устанавливаются в аэропорту) обычно обеспечивают обслуживание на минимальной высоте над землей 12 000 футов (3 700 м) и дальности 25 морских миль (46 км); Низковысотные транспондеры обычно обеспечивают обслуживание на минимальной высоте 18 000 футов (5 500 м) и дальности 40 морских миль (74 км); и Высоковысотные транспондеры, которые обычно обеспечивают обслуживание на минимальной высоте 45 000 футов (14 000 м) и дальности 130 морских миль (240 км). Однако многие из них имеют эксплуатационные ограничения, в основном основанные на блокировке прямой видимости, и фактическая производительность может отличаться. [10] В Руководстве по аэронавигационной информации США говорится, предположительно, в отношении высотных транспондеров DME: «надежные сигналы могут быть получены на расстоянии до 199 морских миль [369 км] на высоте прямой видимости».
Транспондеры DME, связанные с ILS или другим инструментальным подходом, предназначены для использования во время подхода к определенной взлетно-посадочной полосе, как с одного, так и с обоих концов. Они не разрешены для общей навигации; ни минимальная дальность, ни высота не указаны.
Использование частоты DME, канализация 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 обозначены как 1X, 1Y, 2X, 2Y, ... 126X, 126Y. Каналы X (которые появились первыми) имеют пары импульсов запроса и ответа, разнесенные на 12 микросекунд. Каналы Y (которые были добавлены для увеличения емкости) имеют пары импульсов запроса, разнесенные на 36 микросекунд, и пары импульсов ответа, разнесенные на 30 микросекунд.
Всего определено 252 частоты (но не все используются) для запросов и ответов DME, а именно 962, 963, ... 1213 мегагерц. Частоты запросов составляют 1025, 1026, ... 1150 мегагерц (всего 126) и одинаковы для каналов X и Y. Для данного канала частота ответа составляет 63 мегагерца ниже или выше частоты запроса. Частота ответа 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, центрированные на 1030 и 1090 мегагерц, для обеспечения защиты системы вторичного обзорного радара (SSR). Во многих странах также существует «дыра» назначения, центрированная на 1176,45 мегагерц, для защиты частоты GPS L5. Эти три «дыры» удаляют примерно 60 мегагерц из частот, доступных для использования.
Precision DME (DME/P), компонент микроволновой системы посадки, назначается каналам Z, которые имеют третий набор интервалов между импульсами опроса и ответа. Каналы Z мультиплексируются с каналами Y и не оказывают существенного влияния на план каналов.
В 2020 году одна компания представила свой «DME пятого поколения». Хотя эта итерация совместима с существующим оборудованием, она обеспечивает большую точность (до 5 метров с использованием триангуляции DME/DME), с дальнейшим снижением до 3 метров с использованием дальнейшего уточнения. 3-метровое оборудование рассматривается как часть европейского проекта SESAR с возможным развертыванием к 2023 году.
В двадцать первом веке воздушная навигация стала все больше зависеть от спутникового наведения. Однако наземная навигация будет продолжать существовать по трем причинам: [ необходима цитата ]
Одним из преимуществ оборудования пятого поколения, предложенного в 2020 году, является возможность проверки его работоспособности с помощью полетов беспилотников , что значительно сократит расходы и задержки предыдущих пилотируемых сертификационных летных испытаний. [11]