Una brújula de radio automática (ARC) es un radiogoniómetro aerotransportado diseñado para navegar aeronaves de acuerdo con las señales de las estaciones de radio terrestres midiendo continuamente el ángulo de rumbo de la estación de radio (KUR). Ángulo de rumbo de la estación de radio : el ángulo encerrado entre el eje longitudinal de la aeronave y la dirección a la estación de radio, contado en el sentido de las agujas del reloj.
La brújula de radio se llama automática porque, después de sintonizar la frecuencia portadora de la estación de radio, mide continuamente el valor CSD sin la participación de una persona (operador). KUR se muestra en un puntero o indicador digital, y también se puede transmitir al sistema de navegación a bordo.
Junto con los instrumentos de rumbo, la radio brújula permite a la tripulación resolver las siguientes tareas de navegación en cualquier condición meteorológica, en cualquier momento del día:
La acción de los radiogoniómetros de aeronaves se basa en la recepción simultánea de señales de estaciones de radio en dos antenas : una antena de cuadro y una omnidireccional. Una condición necesaria para el funcionamiento de dichos radiogoniómetros es la polarización vertical de las ondas de radio recibidas , que en las bandas de onda media y larga utilizadas casi siempre se cumple debido a las características específicas de las antenas de los transmisores de radio y al predominio del mecanismo de superficie de propagación de ondas de radio.
Una antena omnidireccional es una varilla o alambre vertical. El patrón de radiación de dicha antena en el plano horizontal es un círculo, es decir, el nivel de la señal de radio recibida por la antena de látigo no depende de la dirección hacia la fuente de la señal de radio.
Una antena de cuadro en una forma simplificada es una o más vueltas planas de cable , y el perímetro de la vuelta es mucho menor que la longitud de onda operativa de la estación de radio. Como regla general, por compacidad, los giros se ubican en un núcleo de ferrita (antena de bucle magnético). El plano de los giros está ubicado verticalmente. El diagrama de radiación "a lo largo del campo" de una antena de cuadro de este tipo en el plano horizontal, de acuerdo con la ley de Faraday , se describe mediante la función sin ( φ ) (cuando el ángulo φ se mide desde la normal al plano del marco) , y cuando se muestra en un sistema de coordenadas polares, se parece al número 8 ("ocho"). Es decir, el patrón de radiación consta de dos pétalos de la misma forma y tamaño. En particular, si el plano del marco es paralelo a la dirección de la estación de radio (el marco "se encuentra de lado"), entonces el nivel ( amplitud ) de la señal recibida por la antena de cuadro es máxima. Si el plano del marco es perpendicular a la dirección de la estación de radio, entonces el nivel de la señal recibida es mínimo. La recepción de ondas de radio de la misma fuente en uno y otro lóbulo del patrón de radiación de la antena de cuadro difiere solo en la fase de la señal de radio: cuando la antena de cuadro se gira 180 ° alrededor del eje vertical, el nivel de la la señal de radio recibida no cambiará, y la fase cambiará en 180 ° (el signo de la función sen ( φ ) se invierte, la señal se desfasa con respecto a la orientación original del marco).
A la entrada del receptor de radio de la brújula de radio, las señales de las antenas omnidireccionales y de cuadro se suman con ciertos factores de ponderación. Seleccionando estos coeficientes, es posible formar el patrón de radiación resultante en forma de cardioide , y su máximo se dirige hacia uno de los lóbulos del patrón de radiación de la antena de cuadro, y el mínimo se dirige hacia el otro (dependiendo en cuál de estas direcciones las señales de radio recibidas por las antenas, teniendo en cuenta los coeficientes de ponderación, están en fase y en cuáles, en antifase).
En una realización, la antena de cuadro de la brújula de radio es capaz de girar alrededor de un eje vertical. La rotación se realiza mediante un servoaccionamiento electromecánico controlado por un receptor de brújula de radio. En la dirección del patrón de radiación máxima con un pequeño cambio de dirección hacia la estación de radio, el nivel de la señal de radio cambia poco (la primera derivada de la cardioide con respecto al argumento en el punto máximo es cero, la segunda derivada (curvatura) es pequeño), esto impide una medición precisa del rumbo (dirección a la estación de radio) por el método más simple: el patrón de antena máximo del método. Con un método más preciso, el método mínimo, el nivel de la señal total de las antenas disminuye a casi cero y la recepción de la señal de la estación de radio se detiene. En este sentido, periódicamente, con una frecuencia de varias decenas de hercios , la conmutación ( inversión , desplazamiento de 180 °) de la fase de la señal de la antena de cuadro se utiliza utilizando un inversor de fase controlado . El sistema electromecánico de seguimiento gira la antena de cuadro hasta que la dirección a la estación de radio cae en el mínimo del patrón de radiación en un cierto estado del inversor de fase. Sincrónicamente con la rotación del marco de la antena, la flecha de rumbo en el indicador de la brújula de radio también gira.
En otra realización, las salidas de las antenas de cuadro están conectadas (directamente o después de la amplificación y conversión a una frecuencia intermedia) a un goniómetro de radio , un dispositivo electromecánico compacto que permite, en lugar de girar las antenas, girar la bobina receptora ubicada en el campo de dos pares de bobinas de excitación, cuyos ejes son mutuamente perpendiculares. En la actualidad, para extraer información sobre el rumbo de una estación de radio, está más justificado el procesamiento digital de las señales de radio recibidas por las tres antenas de un sistema de antena de radiogoniometría.
La precisión de determinar el ángulo de rumbo de la estación de radio con una brújula de radio automática depende de las condiciones de propagación de las ondas de radio, que se ven afectadas por el terreno , las estructuras del suelo (varios edificios, mástiles ), los elementos estructurales de la aeronave , los reflejos de la radio ondas de la superficie terrestre y la ionosfera.
Todos estos factores distorsionan el campo electromagnético debido a los mecanismos de refracción en el medio de propagación, difracción en heterogeneidades y reflexión de obstáculos, lo que lleva a que el mínimo del cardioide se desvíe algo de la dirección a la estación de radio, introduciendo así una error en la determinación del CSD. Es posible determinar errores de radiogoniometría causados por obstáculos constantes (relieve, estructuras) y tenerlos en cuenta solo sobre la base de los resultados de mediciones prácticas en el suelo. Algunos errores son de naturaleza estacional y dependen de los cambios en los parámetros eléctricos del suelo y de los objetos locales y son causados por cambios en las condiciones climáticas.
Asimismo, a la hora de determinar la CSD se deben tener en cuenta los fenómenos característicos de la propagación de ondas de radio en el rango de onda media: el efecto costa, el efecto montaña y el efecto noche.
Los errores por efecto costa están asociados a la refracción de las ondas superficiales cuando se propagan por la interfaz entre dos medios: tierra y mar, dando como resultado un error ∆ entre la CSD verdadera y la lectura actual de la radio brújula (ORC). La refracción será tanto mayor cuanto menor sea el ángulo entre la línea de costa y la dirección de llegada de las ondas de radio a la línea de costa. Así, por ejemplo, en ángulos agudos de contacto entre la onda superficial y la costa, el error de radiogoniometría puede alcanzar los 6-8°. La influencia más notable del efecto costa se observará en las inmediaciones de la línea de costa. A medida que se aleja de él, el frente de onda se nivela gradualmente y el error al determinar el rumbo se vuelve insignificante.
La esencia del efecto montaña es que las ondas electromagnéticas, reflejadas por las irregularidades de la superficie terrestre (montañas, colinas), interfieren con el campo de ondas directas de la estación de radio y lo distorsionan.
La magnitud de los errores ARC causados por el efecto montaña depende de la altura de las montañas y la distancia a ellas, la longitud de onda de la estación de radio de radiogoniometría y la altitud real de la aeronave.
Con una altura de montaña de 300-1500 m, el error afecta a una distancia de 8-10 km de la montaña, con una altura de montaña de 1500-4000 m, afecta a distancias de 20-40 km. Por ejemplo, al volar sobre un valle montañoso por debajo de la altura de las crestas circundantes, el error de radiogoniometría no supera los 5 ° cuando la radiogoniometría de una estación de radio ubicada en el mismo valle, a una distancia de al menos 10 km del montañas. En otras condiciones, especialmente a una altitud de vuelo inferior a 300 m, los errores en la determinación de la CSD pueden alcanzar los 90°. Los mayores errores se observan si la aeronave se ubica entre la estación de radio y el punto más alto del relieve.
Detrás del paso, los errores de búsqueda de dirección disminuyen y, a una distancia de 30 a 40 km de las montañas, el error prácticamente no existe. Al volar en terreno montañoso, la velocidad de oscilación de la flecha del indicador ARC a una altitud de vuelo de 900-1200 m sobre las montañas es de aproximadamente 10-20 grados/s. Al volar a altitudes de menos de 300 m, se observan fluctuaciones y giros más rápidos de la aguja del puntero en ± 90 °, por lo tanto, al pilotar, existe el peligro de colisión con picos de montañas individuales.
Para mejorar la precisión de la medición del CSD en zonas montañosas, se utilizan ondas de radio con una longitud de onda más corta, y cuando se vuela a altitudes inferiores a 500 m, se debe tomar la lectura promedio del indicador CSD durante la navegación.
El sistema de antena de la brújula de radio durante el día generalmente solo se ve afectado por una onda superficial con polarización vertical, y la precisión de búsqueda de dirección es mayor. Con el inicio de la noche, la absorción de ondas de radio del rango de onda media en la parte inferior de la ionosfera (en la capa D) disminuye, la refracción ("reflexión") de la onda es más pronunciada en las capas superiores (en la capa E) , como resultado de lo cual, además de la onda superficial, también llega una onda espacial al punto de recepción. Al interactuar con una ionosfera inestable, el plano de polarización de una onda del cielo puede rotar aleatoriamente debido al efecto Faraday o, en el caso general, la polarización se vuelve elíptica. Como resultado, además de la vertical, aparece una componente horizontal (polarización cruzada) del campo eléctrico en el punto de recepción, lo que induce corrientes no deseadas en el sistema de antena, lo que lleva a un error en la determinación del rumbo ( errores de polarización ).
Con la influencia del efecto nocturno, la precisión de la radiogoniometría depende de la distancia a la estación de radio, así como de la longitud de onda operativa y la potencia de la estación de radio: cuanto más cerca esté la estación de radio y más larga sea la longitud de onda, más débil será la la onda del cielo se compara con la onda de la superficie y menor es el error al determinar el rumbo. Por lo tanto, a una distancia de 100 km de la estación de radio, el efecto nocturno casi no tiene efecto sobre la precisión de determinar el CSD por la brújula de radio, ya que domina la onda del cielo. A mayor distancia, el efecto nocturno es más intenso 1-2 horas antes del amanecer, durante este período de tiempo el error en la determinación de la CSD puede alcanzar los 30°. Por la noche, el error de búsqueda de dirección es de 10-15°. El efecto de una onda del cielo puede ser especialmente pronunciado durante el crepúsculo (mañana, tarde), durante dos horas antes y después de la salida (puesta del sol) del sol, cuando se altera la estabilidad de la ionosfera. En el diseño del sistema de antena, se utilizan soluciones técnicas que debilitan la influencia del componente de polarización cruzada del campo eléctrico.
Por propósito y rango de frecuencia, los ARC se dividen en dos grupos: onda media (navegación) y emergencia (búsqueda), que operan en el rango VHF (ondas métricas). .