Urządzenia do pomiaru odległości (lotnictwo) - Distance measuring equipment (aviation)
W lotnictwie , odległość pomiaru urządzenia ( DME ) jest radionawigacji technologia, która mierzy nachylenie zasięg (odległość) między statkiem powietrznym i stacji naziemnej przez czas opóźnienia propagacji sygnałów radiowych w paśmie częstotliwości pomiędzy 960 i 1215 megaherców (MHz). Wymagana jest widoczność pomiędzy samolotem a stacją naziemną. Interrogator (powietrzny) inicjuje wymianę, przesyłając parę impulsów na wyznaczonym „kanale” do stacji naziemnej transpondera. Przypisanie kanału określa częstotliwość nośną i odstępy między impulsami. Po znanym opóźnieniu transponder odpowiada, wysyłając parę impulsów na częstotliwości, która jest przesunięta od częstotliwości odpytywania o 63 MHz i ma określoną separację.
Systemy DME są używane na całym świecie, wykorzystując standardy ustalone przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO), RTCA, Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego Unii Europejskiej (EASA) i inne organy. Niektóre kraje wymagają, aby statki powietrzne wykonujące loty według wskazań przyrządów (IFR) były wyposażone w interrogator DME; w innych interrogator DME jest wymagany tylko do wykonywania niektórych operacji.
Chociaż wolnostojące transpondery DME są dozwolone, transpondery DME są zwykle sparowane z systemem naprowadzania azymutalnego, aby zapewnić samolotom dwuwymiarową nawigację. Powszechną kombinacją jest DME umieszczony w jednej stacji naziemnej z nadajnikiem VHF dookólnego zasięgu (VOR). W takim przypadku częstotliwości urządzeń VOR i DME są sparowane. Taka konfiguracja umożliwia samolotowi określenie kąta azymutu i odległości od stacji. Instalacja VORTAC (VOR kolokowana z TACAN ) zapewnia te same możliwości cywilnym samolotom, ale zapewnia również możliwości nawigacji 2D dla wojskowych statków powietrznych.
Transpondery DME małej mocy są również powiązane z niektórymi instalacjami systemu lądowania przyrządowego (ILS), lokalizatora ILS i systemu lądowania mikrofalowego (MLS). W takich sytuacjach częstotliwość transpondera/odstęp między impulsami DME jest również sparowana z częstotliwością ILS, LOC lub MLS.
ICAO charakteryzuje transmisje DME jako ultrawysokie częstotliwości (UHF). Używany jest również termin L-band.
Opracowany w Australii, DME został wynaleziony przez Jamesa „Gerry'ego” Gerranda pod nadzorem Edwarda George'a „Taffy” Bowena, gdy był zatrudniony jako szef Wydziału Radiofizyki Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO). Kolejna zaprojektowana wersja systemu została wdrożona przez Amalgamated Wireless Australasia Limited na początku lat pięćdziesiątych, pracując w paśmie VHF 200 MHz . Ta australijska wersja krajowa była określana przez Federalny Departament Lotnictwa Cywilnego jako DME(D) (lub DME Domestic), a późniejsza wersja międzynarodowa przyjęta przez ICAO jako DME(I).
DME jest w zasadzie podobny do funkcji radaru wtórnego , z tą różnicą, że role sprzętu w samolocie i na ziemi są odwrócone. DME było powojennym rozwojem opartym na systemach identyfikacji przyjaciela lub wroga (IFF) z okresu II wojny światowej . Aby zachować kompatybilność, DME jest funkcjonalnie identyczny z komponentem do pomiaru odległości TACAN.
Operacja
W swojej pierwszej iteracji samolot wyposażony w DME wykorzystywał sprzęt do określania i wyświetlania swojej odległości od transpondera naziemnego poprzez wysyłanie i odbieranie par impulsów. Stacje naziemne są zazwyczaj połączone z VOR lub VORTAC. Pompa DME o niskiej mocy może być umieszczony z ILS lub MLS, w którym zapewnia on dokładne odległości do lądowania, podobny do tego inaczej określone przez ILS radiolatarni (i, w wielu przypadkach, umożliwiających usunięcie tego ostatniego).
Nowszą rolą DME jest nawigacja obszarowa DME/DME (RNAV). Ze względu na ogólnie wyższą dokładność DME w stosunku do VOR, nawigacja z użyciem dwóch DME (przy użyciu trilateracji/odległości) pozwala na operacje, których nawigacja z VOR/DME (przy użyciu azymutu/odległości) nie umożliwia. Wymaga to jednak, aby samolot posiadał zdolności RNAV, a niektóre operacje wymagają również bezwładnościowej jednostki odniesienia.
Typowy transponder naziemny DME do nawigacji na trasie lub terminalu będzie miał szczytową moc wyjściową impulsu 1 kW na przypisanym kanale UHF.
Sprzęt komputerowy
System DME składa się z nadajnika/odbiornika (interrogatora) UHF (pasmo L) w samolocie oraz odbiornika/nadajnika ( transpondera ) UHF (pasmo L ) na ziemi.
wyczucie czasu
Tryb szukania
150 par impulsów zapytania na sekundę. Samolot zapytuje transponder naziemny serią par impulsów (zapytania), a po precyzyjnym opóźnieniu (zwykle 50 mikrosekund) stacja naziemna odpowiada identyczną sekwencją par impulsów. Odbiornik DME w samolocie wyszukuje pary impulsów odpowiedzi (tryb X = odstęp 12 mikrosekund) z prawidłowym interwałem i wzorcem odpowiedzi na oryginalny wzorzec zapytania. (Pary impulsów, które nie są zbieżne z wzorcem zapytań poszczególnych statków powietrznych, np. niesynchroniczne, są określane jako pary impulsów wypełniających lub squitter . Również odpowiedzi do innych statków powietrznych, które są w związku z tym niesynchroniczne, również pojawiają się jako squitter).
Tryb śledzenia
Mniej niż 30 zapytań Pary impulsów na sekundę, ponieważ średnia liczba impulsów w SEARCH i TRACK jest ograniczona do maksymalnie 30 par impulsów na sekundę. Interrogator statku powietrznego blokuje się na stacji naziemnej DME po rozpoznaniu, że konkretna sekwencja impulsów odpowiedzi ma takie same odstępy jak pierwotna sekwencja zapytania. Gdy odbiornik jest zablokowany, ma węższe okno, w którym można szukać echa i może zachować blokadę.
Obliczanie odległości
Sygnał radiowy potrzebuje około 12,36 mikrosekund, aby przebyć 1 milę morską (1852 m) do celu iz powrotem. Różnica czasu między zapytaniem a odpowiedzią, pomniejszona o 50 mikrosekundowe opóźnienie transpondera naziemnego i szerokość impulsów odpowiedzi (12 mikrosekund w trybie X i 30 mikrosekund w trybie Y), jest mierzona przez obwód czasowy interrogatora i konwertowana na pomiar odległości ( slant range ), w milach morskich, a następnie wyświetlany na wyświetlaczu DME w kokpicie.
Wzór odległości, odległość = szybkość * czas , jest używany przez odbiornik DME do obliczania jego odległości od stacji naziemnej DME. Szybkość w obliczeniach to prędkość impulsu radiowego, czyli prędkość światła (w przybliżeniu 300 000 000 m/s lub 186 000 mil/s ). Czas w obliczeniach wynosi (całkowity czas – 50 µs-szerokość impulsu odpowiedzi)/2 .
Precyzja
Dokładność stacji naziemnych DME wynosi 185 m (±0,1 nm ). Ważne jest, aby zrozumieć, że DME zapewnia fizyczną odległość między anteną samolotu a anteną transpondera DME. Odległość ta jest często określana jako „zasięg skośny” i zależy trygonometrycznie od wysokości statku powietrznego nad transponderem oraz odległości między nimi na ziemi.
Na przykład samolot bezpośrednio nad stacją DME na wysokości 6076 stóp (1 nm) nadal będzie pokazywał 1,0 nm (1,9 km) na odczycie DME. Samolot jest technicznie oddalony o milę, tylko milę w górę. Błąd zasięgu nachylenia jest najbardziej widoczny na dużych wysokościach, w pobliżu stacji DME.
Pomoce radionawigacyjne muszą zachowywać pewien stopień dokładności, określony przez międzynarodowe standardy, FAA, EASA , ICAO itp. Aby to zapewnić, organizacje kontroli lotów sprawdzają okresowo krytyczne parametry za pomocą właściwie wyposażonego statku powietrznego w celu kalibracji i certyfikacji precyzji DME.
ICAO zaleca dokładność mniejszą niż suma 0,25 nm plus 1,25% mierzonej odległości.
Specyfikacja
Typowy naziemny sygnalizator nawigacyjny DME ma limit 2700 zapytań na sekundę (pary impulsów na sekundę – pps). W ten sposób może dostarczać informacje o odległości do 100 samolotów na raz — 95% transmisji dla samolotów w trybie śledzenia (zwykle 25 pps) i 5% w trybie wyszukiwania (zwykle 150 pps). Powyżej tej granicy transponder unika przeciążenia poprzez ograniczenie czułości (wzmocnienia) odbiornika. Odpowiedzi na słabsze (zwykle bardziej odległe) zapytania są ignorowane, aby zmniejszyć obciążenie transpondera.
Częstotliwość radiowa i dane modulacji
Częstotliwości DME są sparowane z częstotliwościami VOR, a interrogator DME jest przeznaczony do automatycznego dostrajania się do odpowiedniej częstotliwości DME po wybraniu powiązanej częstotliwości VOR. Interrogator DME samolotu wykorzystuje częstotliwości od 1025 do 1150 MHz. Transpondery DME nadają na kanale w zakresie od 962 do 1213 MHz i odbierają na odpowiednim kanale od 1025 do 1150 MHz. Pasmo podzielone jest na 126 kanałów odpytywania i 126 kanałów odpowiedzi. Częstotliwości zapytania i odpowiedzi zawsze różnią się o 63 MHz. Odstęp wszystkich kanałów wynosi 1 MHz przy szerokości widma sygnału 100 kHz.
Odniesienia techniczne do kanałów X i Y dotyczą tylko odstępu poszczególnych impulsów w parze impulsów DME, odstępu 12 mikrosekund dla kanałów X i odstępu 30 mikrosekund dla kanałów Y.
Urządzenia DME identyfikują się za pomocą trzyliterowego kodu Morse'a o częstotliwości 1350 Hz . Jeśli jest kolokowany z VOR lub ILS, będzie miał ten sam kod identyfikacyjny, co placówka nadrzędna. Dodatkowo, DME będzie identyfikować się pomiędzy tymi z zakładu macierzystego. Tożsamość DME to 1350 Hz, aby odróżnić się od tonu 1020 Hz VOR lub lokalizatora ILS.
Rodzaje transponderów DME
US FAA zainstalowała trzy typy transponderów DME (nie wliczając tych związanych z systemem lądowania): Transpondery terminalowe (często instalowane na lotnisku) zazwyczaj zapewniają obsługę na minimalnej wysokości nad ziemią 12 000 stóp (3700 m) i zasięgu 25 morskich mile (46 km); Transpondery na małej wysokości zazwyczaj zapewniają obsługę na minimalnej wysokości 18 000 stóp (5500 m) i zasięgu 40 mil morskich (74 km); oraz transpondery dużych wysokości, które zazwyczaj zapewniają obsługę do minimalnej wysokości 45 000 stóp (14 000 m) i zasięgu 130 mil morskich (240 km). Jednak wiele z nich ma ograniczenia operacyjne w dużej mierze oparte na zablokowaniu linii wzroku, a rzeczywista wydajność może być inna. Podręcznik informacji lotniczej USA stwierdza, prawdopodobnie odnosząc się do transponderów DME na dużych wysokościach: „wiarygodne sygnały mogą być odbierane z odległości do 199 mil morskich [369 km] na wysokości linii wzroku”.
Transpondery DME związane z ILS lub innym podejściem instrumentalnym są przeznaczone do użycia podczas podejścia do określonej drogi startowej, z jednego lub obu końców. Nie są dopuszczone do żeglugi ogólnej; nie określono ani minimalnego zasięgu ani wysokości.
Wykorzystanie częstotliwości/kanalizacja
Wykorzystanie częstotliwości DME, kanałowanie i parowanie z innymi pomocami nawigacyjnymi (VOR, ILS itp.) są definiowane przez ICAO. 252 kanały DME są zdefiniowane przez kombinację ich częstotliwości zapytania, odstępu między impulsami zapytania, częstotliwości odpowiedzi i odstępu między impulsami odpowiedzi. Kanały te są oznaczone jako 1X, 1Y, 2X, 2Y, ... 126X, 126Y. Kanały X (które pojawiły się jako pierwsze) mają zarówno pary impulsów zapytania, jak i odpowiedzi, oddalone od siebie o 12 mikrosekund. Kanały Y (które zostały dodane w celu zwiększenia przepustowości) mają pary impulsów zapytania oddzielone o 36 mikrosekund i pary impulsów odpowiedzi oddzielone od siebie o 30 mikrosekund.
Łącznie zdefiniowano 252 częstotliwości (ale nie wszystkie używane) dla zapytań i odpowiedzi DME — w szczególności 962, 963, ... 1213 megaherców. Częstotliwości odpytywania to 1025, 1026, ... 1150 megaherców (łącznie 126) i są takie same dla kanałów X i Y. Dla danego kanału częstotliwość odpowiedzi wynosi 63 megaherców poniżej lub powyżej częstotliwości odpytywania. Częstotliwość odpowiedzi jest inna dla kanałów X i Y, a inna dla kanałów o numerach 1-63 i 64-126.
Nie wszystkie zdefiniowane kanały/częstotliwości są przypisane. Istnieją „dziury” przydziału skoncentrowane na 1030 i 1090 megahercach, aby zapewnić ochronę systemu wtórnego radaru dozorowania (SSR). W wielu krajach istnieje również „dziura” przyporządkowania wyśrodkowana na 1176,45 megaherca w celu ochrony częstotliwości GPS L5. Te trzy „dziury” usuwają około 60 megaherców z dostępnych częstotliwości.
Precyzyjne DME (DME/P), składnik mikrofalowego systemu lądowania, jest przypisane do kanałów Z, które mają trzeci zestaw odstępów między impulsami zapytania i odpowiedzi. Kanały Z są multipleksowane z kanałami Y i nie mają istotnego wpływu na plan kanałów.
Przyszły
W 2020 roku jedna firma zaprezentowała swój „DME piątej generacji”. Chociaż jest kompatybilna z istniejącym sprzętem, ta iteracja zapewnia większą dokładność (do 5 metrów przy użyciu triangulacji DME/DME), z dalszą redukcją do 3 metrów dzięki dalszemu udoskonaleniu. Sprzęt o długości 3 metrów jest rozważany jako część europejskiego projektu SESAR , z możliwością wdrożenia do 2023 roku.
W XXI wieku nawigacja powietrzna w coraz większym stopniu opiera się na naprowadzaniu satelitarnym. Jednak nawigacja naziemna będzie kontynuowana z trzech powodów:
- Sygnał satelitarny jest bardzo słaby, można go sfałszować i nie zawsze jest dostępny;
- Unii Europejskiej zasada wymaga od państw członkowskich, aby zachować i utrzymać nawigacyjne naziemnych;
- Poczucie suwerenności, czyli kontroli nad własnymi środkami nawigacyjnymi państwa. „Niektóre państwa chcą, aby nawigacja nad ich terytorium polegała na środkach, które kontrolują. I nie każdy kraj ma swoją konstelację, taką jak amerykański GPS czy europejski Galileo”.
Jedną z zalet sprzętu piątej generacji zaproponowanego w 2020 r. jest możliwość jego sprawdzenia działania przez loty dronami , co znacznie zmniejszy koszty i opóźnienia poprzednich załogowych testów certyfikacyjnych.
Zobacz też
- Automatyczny nadzór zależny – rozgłoszeniowy (ADS-B)
- Gee-H (nawigacja)
- Zasady lotu według wskazań przyrządów (IFR)
- Bezkierunkowe radiolatarnie (NDB)
- Squitter
- System lądowania na transponderze (TLS)