đồ án kỹ thuật viễn thông Vô tuyến điện dẫn đường

Các thiết bị trên máy bay hoặc ở trên mặt đất dùng để đo góc giữa hướng bay và một hướng xác định nào đó hướng đến kinh tuyến bắc đi qua tâm của máy bay hoặc hướng đến đài phát gọi là h

Lời nói đầu

Vô tuyến điện dẫn đường hàng không là một ngành khoa học nghiên cứu nguyên lý dẫn đường cho các phương tiện bay bằng vô tuyến điện, trên cơ sở đó xây dựng các phương pháp và thiết bị phù hợp với mục đích đề ra Để thực hiện nhiệm vụ dẫn đường cho các phương tiện bay, các thiết bị vô tuyến điện phải đảm bảo chính xác các tham sè sau đây: cự ly, góc hướng, góc phương vị, độ cao, tốc

độ, góc trượt, gia tốc… của các phương tiện bay hoạt động trong không gian và các tham số khác phục vụ cho người điều khiển ở các giai đoạn bay như thực hiện xuyên mây, cất và hạ cánh trong mọi điều kiện thời tiết, ngày cũng như đêm.

Như chóng ta đã biết, ngày nay cùng với sự phát triển của ngành kỹ thuật hàng không, hàng loạt các loại máy bay hiện đại được thiết kế và chế tạo Các hệ thống vô tuyến điện dẫn đường đóng góp phần rất quan trọng trong việc nâng cao

và phát huy tính năng sẵn có của máy bay Sở dĩ máy bay có khả năng hoạt động được trong mọi điều kiện của thời tiết trên mọi địa hình phức tạp ở bất cứ thời gian nào, đặc biệt là khả năng bay theo địa hình phần lớn đều dùa vào khả năng làm việc và độ tin cậy của các hệ thống vô tuyến điện dẫn đường hàng không Với nhiệm vụ đồ án được giao là: "Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn đường APK-15 và nguyên lý hoạt động của mạng trung tần, tách sóng APY của hệ thống".

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện làm đồ án môn học này, em đã được sự

giúp đỡ rất tận tình của thầy Võ Yên Chương Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Võ Yên Chương đã tận tình hướng dẫn em trong thời gian vừa qua.

Chương I Khái quát chung về APK-15 và hệ thống dẫn

- Giúp máy bay, bay xa đài hoặc về hướng đài nhờ bộ chỉ thị góc

- Liên tục đo góc kẹp KYP, góc hướng đến đài phát

- Giúp máy bay hạ cánh theo hệ thống OCΠ

- Thu và nghe các tín hiệu đài phát trong giải tần số từ 150 1799,5KHZ

2 Các kỹ năng kỹ chiến thuật cơ bản.

- Dải tần công tác: 150 1799,5KHZ

- Độ nhạy máy thu ở chế độ thoại Tλφ không kém hơn ở khoảng tần số

150 200KHz, và không kém hơn ở trong khoảng tần số 150 1799,5KHz

- Tỷ số: Tín/tạp = 2/1

- Độ chính xác đặt tần sè:

- Độ nhạy định hướng khi góc sai lệch và dao động kim chỉ thị không kém hơn (đối với phương án chính) và không kém hơn đối với phương án đơn giản

- Thời gian điều chỉnh đài: 4s

- Tốc độ quay tự động (Tốc độ chỉ thị trung bình) Không nhỏ hơn

- Cù ly công tác với đài ΠAP-3P:

+ Khi bay ở độ cao 10000m không nhỏ hơn 340km

+ Khi bay ở độ cao 1000m không nhỏ hơn 180km

- Điều kiện làm việc:

+ Nhiệt độ làm việc (đối với anten khung từ )

+ Độ Èm cho phép khoảng khi nhiệt độ là

- Dòng tiêu thụ ở điện xoay chiều 36V- 400Hz không kém hơn 1A, ở điên áp xoay chiều 27V không kém hơn 2A

3 Các chế độ công tác.

Đài APK-15 có 3 chế độ công tác sau:

- Chế độ tự động định hướng “KOM-ΠAC”

- Chế độ “ANTEN”

- Chế độ “PAM KA”.

Chế độ “KOM-ΠAC” là chế độ làm việc cơ bản của đài Trong chế độ này APK-15 tự động xác định góc giữa hướng máy bay với hướng góc đài phát (góc kẹp KYP) Tín hiệu thu được truyền tới tai người sử dụng qua bé tai nghe mắc trực tiếp ở cựa ra của đài

Chế độ “ANTEN” dùng anten dây để thu và nghe tín hiệu đài phát Nếu đài phát làm việc ở chế độ đẳng biên thì quá trình thu tiến hành theo chế độ báo Chế độ “PAMKA” là chế độ dự bị: Đài dùng một anten khung để thu tín hiệu Khi cần có thể quay độc lập bộ tìm của Gônômét để xác định góc phương vị của đài Chế độ này có thể dùng khi mức nhiễu tạp quá cao

II KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GÓC.

Các thiết bị trên máy bay hoặc ở trên mặt đất dùng để đo góc giữa hướng bay và một hướng xác định nào đó (hướng đến kinh tuyến bắc đi qua tâm của máy bay hoặc hướng đến đài phát ) gọi là hệ thống dẫn đường góc vô tuyến điện

Hệ thống dẫn đường có thể phân ra các loại sau đây:

- Hệ thống đài định hướng ở mặt đất Hệ thống này có thể giúp cho máy bay xác định được vị trí của mình bằng phương pháp liên lạc hai chiều: Hỏi – Trả lời

- Hệ thống la bàn vô tuyến điện Hệ thống này dùng để kiển tra đường bay, dẫn máy bay về sân bay hoặc đến điểm quy định

Để định hướng được bằng sóng vô tuyến điện người ta có thể dùng các phương pháp sau:

- Phương pháp biên độ:

+ Phương pháp biên độ cực đại

+ Phương pháp biên độ cực tiểu

+ Phương pháp so sánh biên độ

- Phương pháp định hướng theo pha

+ Phương pháp quay anten có hướng

+ Phương pháp quay anten vô hướng

Để có cơ sở cho quá trình khảo sát đài la bàn tự động định hướng APK-15 Sau đây ta đi sâu nghiên cứu các loại anten dùng trong hệ thống dẫn đường góc

Anten hướng trong hệ thống dẫn đường góc có công dụng biến đổi những tín hiệu của đài phát vô hướng thành tín hiệu đưa vào máy thu mang được lượng thông tin về góc độ, phương hướng của đài phát

1 Anten khung.

Anten khung có đặc tính hướng không thay đổi trong một giải tần rộng nên được sử dụng rộng rãi trong các la bàn định hướng trên không Anten khung là anten kín gồm nhiều vồng dây quấn hình chữ nhật liên tiếp nhau Để tăng biên độ tín hiệu người ta thường quấn trên lõi phe rít

a Tín hiệu trên anten khung theo quan điểm điện trường.

- Giả sử có một khung dây đặt thẳng đứng và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang và có thể quay được theo trục thẳng đứng

- Giả sử có tia sóng “S” gây ra cường độ điện trường tại O là:

E(t) = E0.SinωtHướng tới của “S” hợp với mặt phẳng anten khung một góc θ

- Chiếu anten khung xuống mặt phẳng nằm ngang Ta có: (1,1’), (2,2’), (3,3’) vuông góc với “S” đi qua 3 điểm Theo tính chất của sóng điện từ cho phép ta suy

ra những mặt phẳng đi qua các đường thẳng trên thể hiện là những mặt phẳng đồng pha của sóng điện từ

- Giả sử tại điểm O góc pha của sóng điện từ bằng 0 ( góc ) như vậy sóng điện từ gây ra trên thanh CD và AB có giá trị sau:

Ta đã biết sóng điện từ có góc dịch pha tương đương với việc sóng điện từ

di chuyển được một đoạn là Vậy khi góc dịch pha được một lượng là thì sóng điện từ di chuyển được một đoạn đường là OM nên ta có:

Vẽ biểu diễn quan hệ và trong hệ tọa độ cực ta thấy giản đồ hướng của Anten khung có hình số 8 ( hình 2 )

b Tín hiệu trên Anten khung theo quan điểm từ trường.

Giả sử có một tia sáng S, tia này là nằm ngang và hợp với mặt phẳng Anten khung một góc θ

Nó gây ra tại điểm O một cường đồ điện trường có giá trị:

E0 = Em.Sin Theo lý thuyết trường điện từ đã chứng minh được tại O cũng tồn tại một từ trường có giá trị là: H0 = Hm.Sin Hai véc tơ này vuông góc với nhau

Cả hai mặt phẳng chữa hai véc tơ trên cũng vuông góc với tia sóng S Ta phân tích H0 thành hai thành phần:

- Thành phần H2 nằm trong mặt phẳng Anten khung

- Thành phần H1 vuông góc với mặt phẳng Anten khung

Với: H H1 = H0.Cosθ = Hm.Cosθ.Sin

Chính H1 là từ trường xuyên qua khung dây, là nguyên nhân gây ra suất điện động cảm ứng trên khung dây Ta có:

Mà:

Trong đó: : Là độ từ thẩm của môi trường

S : Là diện tích của khung dây

Từ và ta có:

Nhận xét: Từ biểu thức ta thấy điện áp lấy ra trên Anten khung tỷ lệ với hàm

, tức là nó cũng lệch một góc 900 so với cường độ điện trường Điện áp ra

còn tỷ lệ với hệ sè do vậy để tăng biên độ điện áp ra người ta thường quấn khung dây trên lõi pherít.

Ta biểu diễn hai véc tơ này trên một mặt phẳng quay với vận tốc góc thì ta được hình 4

Từ hình vẽ ta có:

Nếu ta đặt: và thì biểu thức trên ta có thể viết:

- Ta xét trường hợp tín hiệu trên Anten khung đồng pha với tín hiệu Anten vô hướng, tức là góc Thay giá trị vào ta được:

H×nh 4

0

Nếu ta chọn A=1 thỡ Vậy ta cú giản đồ hướng của Anten tổng hợp

Giản đồ hướng của Anten dây

Giản đồ hướng của

Anten khung

Giản đồ hướng của Anten dây

Giản đồ hướng của Anten tổng hợp có cực tiểu vuông góc với hướng cực tiểu của Anten khung nên khi quay Anten khung hướng cực tiểu của Anten tổng hợp cũng quay, do vậy ta xác định hướng đến mục tiêu.

Điều kiện để khi ta cộng giản đồ hướng của Anten dây với giản đồ hướng của Anten khung cho ta giản đồ hướng của Anten tổng hợp là có hình trái tim:

- Là điều kiện về pha: Có thể chọn hoặc tức là tín hiệu Anten khung và Anten dây phải đồng pha hoặc ngược pha với nhau Theo tính toán trên khi thu hai tín hiệu này pha của chúng lệch nhau 900 nên để đảm bảo điều kiện trên ta phải dịch pha tín hiệu Anten khung đi 900

- Điện kiện về biên độ: Biên độ tín hiệu trên Anten khung và Anten dây phải bằng nhau Trên thực tế thì tín hiệu trên Anten khung nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu trên Anten dây vì vây ta phải đưa tín hiệu của Anten khung qua rất nhiều tầng khuyếch đại trước khi đưa vào mạch cộng

3 Phương pháp quay giản đồ hướng của Anten

Để xác định hướng được bằng sóng vô tuyến điện, phần lớn người ta phải quay Anten mới xác định được hướng Để thực hiện điều này người ta có hai cách:

UraH×nh 6: Nguyªn lý lµm viÖc cña G«n«mÐt

Dùng Gônômét để thay thế cho việc quay Anten khung mà giản đồ hướng của Anten vẫn có thể quay được Sơ đồ nguyên lý của Gônômét thể hiện trên hình 6 Anten khung gồm hai cuộn dây cố định đặt vuông góc với nhau ( cuộn 1 và 2)

và đặt ở vị trí thoáng có thể thu được sóng điện từ Gônômét cũng có hai cuộn dây đặt vuông góc với nhau và đặt cố định (1' và 2') Hai cuộn này được nối với nhau theo từng cặp nh hình vẽ Ngoài ra ở Gônômét còn có cuộn thứ ba có thể quay một cách tương đối với hai cuộn tìm nên gọi là cuộn rôto của hai cuộn trên

Nguyên lý làm việc:

Giả sử có một tia sóng điện từ tác động vào anten khung, khi tia sóng S hợp với cuộn 1 của anten khung một góc θ thì suất điện động trên cuộn 1 là:

Vì cuộn 1 nối với cuộn 1' nên gây ra ở cuộn 1' mét dòng điện là:

Dòng điện I1 tạo ra từ trường H1 vuông góc với cuộn dây và có giá trị:

Hiện tượng trên cũng xảy ra nh ở cuộn 2 và 2' Do đó ta có:

Tại Gônômét có thể tổng hợp hai véc tơ thành véc tơ HT và xác định góc hợp bởi véc tơ HT với thành phần nằm ngang của Gônômét, đó là góc θ Vậy khi xác định véc tơ HT ta xác định hướng mục tiêu, nhưng chưa chỉ rõ được việc quay rôto của Gônômét có thể được thay thế việc quay anten khung, do vậy phải tính điện áp

ra của rôto

Cuộn rôto của Gônômét có mặt phẳng hợp với Gônômét một góc α, muốn tìm điện áp lấy ra trên rôto ta phải phân tích véc tơ HT thành hai thành phần Một thành phần vuông góc với cuộn dây rôto và một thành phần song song với cuộn dây rôto

Ta tính Hn: Trong tam giác vuông OHnHT ta có góc nhọn HT bằng tổng góc θ và góc phụ với góc α

Trong đó: - là góc hướng đến nguồn phát

- là góc hợp bởi cuộn rôto và cuộn stato thứ nhất

Theo hệ thức lượng trong tam giác vuông ta có:

Từ thông xuyên qua cuộn dây rôto được tính bằng biểu thức:

Trong đó: - là hệ số từ thẩm của môi trường

- S là diện tích bề mặt của cuộn rôto

- Hn là thành phần từ thông vuông góc với cuộn rôto

Thay giá trị Hn vào biểu thức từ thông xuyên qua cuộn dây ta có:

Theo định luật cảm ứng điện từ trên cuộn dây rôto xuất hiện một suất điện động được tính bằng biểu thức:

Căn cứ vào biểu thức trên ta thấy tín hiệu trên Gônômét đồng pha với tín hiệu lấy trên anten dây Trong biểu thức của uRa có tham số góc θ, do vậy tín hiệu đầu

ra cũng phụ thuộc vào góc hướng đến mục tiêu

Bằng cách quay rôto để α bằng góc hướng θ thì biên độ tín hiệu lấy trên rôto của Gônômét sao cho biên độ điện áp ra là lớn nhất thì ta dừng lại, giá trị pha lúc

đó chính là giá trị của góc hướng đến mục tiêu Như vậy trong biểu thức của uRa

thì vai trò của α và θ là bình đẳng nhau nên ta có thể thay thế việc thay đổi α(quay rôto) cho việc thay đổi θ (quay anten khung) Kết quả điện áp ra nh nhau

Gônômét thuận lợi hơn cho việc bố trí trên máy bay, chỉ cần đặt phần tử xử lý tín hiệu với khoảng cách cực đại từ Gônômét đến anten khung là Dmax=10m, khi D

<10m, phải dùng đường dây giả để cộng vào cho đủ

4 Độ chính xác, định đường chuẩn trong hệ thống dẫn đường góc.

Trong hệ thống dẫn đường vị trí, đường chuẩn là những đường có góc hướng không thay đổi

Vị trí chính xác của đường chuẩn là OM ( hình 7) Vì một nguyên nhân nào đó

mà vị trí chuyển thành OM', như vây việc xác định góc sẽ sai đi một lượng là ∆θ

và độ dài ∆MM'=∆l Đoạn này rất nhỏ ta tính ∆l=DSin∆θ ( coi tam giác OMM' là vuông) Nhưng ∆θ rất nhỏ nên suy ra Sin∆θ≈∆θ ∆l =D ∆θ

Nếu thay ∆l =δ(e): sai sè trung bình, bình phương của phép xác định đường chuẩn

∆θ = δ(θ), sai sè trung bình, bình phương của phép xác định hướng

Đại lượng δ(e) của hệ thống dẫn đường góc không phụ thuộc vào hướng đến mục tiêu mà chúng tỷ lệ thuận với cư ly đên mục tiêu và sai sè trung bình, bình phương của phép xác định góc hướng θ

Chương II Nguyên lý làm việc của APK-15 theo sơ

2700, do đó sẽ gây ra sai sè khi định hướng Để khắc phục người ta mắc thêm anten dây để tạo thành tổng hợp Việc xử lý tín hiệu thu được thực hiện trên anten tổng hợp với vai trò điều chế cho phép ta nhận được tín hiệu điều chế biên độ, thông tin chứa ban đầu của tín hiệu cao tần đối với việc xác định góc lệch so với hướng thu cực tiểu dùng để thay đổi phương quay của cuộn tìm Độ sâu điều chế xác định bởi góc lệch của cuộn tìm so với hướng cực tiểu, pha của đường bao phụ thuộc vào hướng lệch Tín hiệu này được so sánh với tín hiệu có pha chuẩn của dao động âm tần, tạo tín hiệu điều khiển quay cuộn tìm về vị trí cực tiểu Trong quá trình bám sát đó góc quay của cuộn tìm luôn được chỉ thị thành góc kẹp KYP giữa hướng của máy bay với hướng của đài phát từ mặt đất

+ Anten khung:

Dùng để thu các tín hiệu ngoài không gian Cấu tạo của Anten khung gồm hai cuộn dây quấn trên lõi pherít, các vòng dây được quấn vuông góc với nhau Mỗi cuộn dây là một Anten khung riêng biệt có độ cao hiệu dụng 120mm, điểm giữa các cuộn dây được tiếp mát qua màng chắn của dây cáp Trên lõi pherít có đặt các vòng kiểm tra khả năng làm việt của APK khi dùng máy kiểm tra IPK-3 Anten khung cùng các vòng dây được tẩm phủ bằng keo dính đặc biệt tạo thành một khối Tín hiệu thu được trên Anten được đưa qua bệ cáp tương đương của Anten

để đến những líp sau

+ Bé tương đương của cáp Anten khung.

Dùng để đảm bảo các tham số của cáp Anten khung Độ dài của chúng đối vơi mỗi loại máy bay khác nhau Cuộn dây kích từ Gônômét nối với Anten khung nhờ

bộ tương đương này

+ Gônômét.

Nằm giữa cáp Anten khung và thiết bị thu Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Gônômét đã nói ở phần trước Anten khung cố định và Gônômét có thể quay nhAnten khung quay Tín hiệu lấy ra từ cuộn tìm Gônômét được đưa đến bộ khuyếch đại Anten khung

+ Khuếch đại Anten khung.

Tín hiệu từ cuộn tìm có giá trị và pha xác định bởi hướng đến đài phát được đưa và bộ điều chế qua các cấp chuyển mạch vào nh khuyếch đại dịch pha 900, đảo pha và điều chế cân bằng

Cấp khuyếch đại dùng để khuếch đại thêm tín hiệu của anten khung tới một biên độ đủ lớn Vì độ cao hiệu dụng của anten khung nhỏ hơn khoảng 100 lần so với độ cao hiệu dung của anten dây Tín hiệu sau khi khuếch đại được đưa sang mạch đảo pha 900

+ Mạch đảo pha 90 0

Cấu tạo là mạch RC có tác dụng dịch pha tín hiện anten khung đi 900 Phải dịch pha 900 vì điên áp lấy từ cuộn tìm của Gônômét và điện áp lấy từ đầu ra của anten dây lệch pha nhau 900 Ta đã đề cập trong phần chương I đến điều kiện về pha và biên độ của tín hiệu trên anten khung và anten dây để tín hiệu tổng hợp của chúng

có giản đồ hướng hình trái tim Do vây phải nhất thiết có dịch pha 900 Về nguyên tắc ta có thể dịch pha 900 mét trong hai tín hiệu trên, nhưng trong APK-15 ta tiến hành dịch pha tín hiệu của anten khung Tín hiệu sau khi dịch pha được đưa sang mạch đảo pha cân bằng

+ Mạch điều chế cân bằng.

Mạch này có cấu tạo gồm hai khoá điốt được điều khiển bởi điện áp dao động chuẩn 135Hz Điện áp dao động chuẩn mở lần lượt các điốt điều chế Tín hiệu cao tần từ mạch điều chế cân bằng ngược pha nhau tạo bởi mạch đảo pha Mỗi đầu ra của mạch đảo pha được nối vơi các khoá điốt riêng biệt của mạch điều chế cân bằng Tín hiệu sau mạch điều chế cân bằng được đưa sang mạch cộng hưởng

+ Khối dao động chuẩn.

Tạo tín hiệu chuẩn có tần số chuẩn là 135Hz cấp cho mạch điều chế cân bằng, khống chế pha của tín hiệu cao tần từ anten khung, đông thời làm tín hiệu chuẩn

so sánh với tín hiệu la bàn sau khối thu riêng từ đó xác định tín hiệu sai lệch tạo điện áp điều khiển môtơ quay cuộn tìm của Gônômét Làm cơ sở cho việc xác định hướng đài.

+ Anten dây.

Dùng thu về hướng tín hiệu ngoài không gian qua bộ phối hợp anten, tín hiệu này kết hợp với tín hiệu từ anten khung đưa tơi mạch cộng để tạo thành tín hiệu anten tổng hợp Anten dây không có phương hướng nên sức điện động cẩm ứng thu được trên anten dây ở mọi hướng đều có pha và biên độ nh nhau Tín hiệu của anten dây sau khi qua bộ phối hợp anten được khuyếch đại đến biên độ phù hợp sau đó đưa vào mạch cộng

+ Mạch chọn lọc tập trung.

Dùng để cân bằng hệ số truyền tín hiệu trong toàn bộ băng tần và kết hợp giữa mạch lọc với trộn tần Quá trình này đạt được là do mắc các va ly cáp có điện dung biến đổi từ làm phần tử liên hệ Tín hiệu sau mạch lọc tập trung được đưa sang mạch trộn tần

+ Mạch trộn tần.

Làm nhiêm vụ trộn hai tín hiệu Tín hiệu từ anten tổng hợp và tín hiệu từ bộ dao động nội đưa lên tạo thành tín hiệu trung tần, tải của mạch trộn tần được măc với đầu vào của khối trung tần và điều khiển tần số sau trộn bằng 500Khz Tín hiệu sau trộn tần được đưa sang khối trung tần

+ Khối trung tần.