TL;DR: A radionavigáció és radiolokáció rövid összefoglalása

A radionavigáció a navigáció speciális ága, amely rádióeszközöket használ a járművek vagy légi járművek helyzetének meghatározására és vezetésére. Olyan rendszereket foglal magában, mint a VOR, DME, ILS és a modern GNSS (pl. GPS). Ezek a rendszerek segítenek a rövid, közepes és hosszú távú navigációban, és biztosítják a pontos megközelítést a repülőterekre.

A radiolokáció, más néven radar, objektumok felderítésére szolgál a térben, és helyzetük meghatározására elektromágneses hullámok segítségével. A radiolokáció történeti fejlődése egészen 1925-ig nyúlik vissza, és ma a radarok széles skáláját foglalja magában – a felderítő és megközelítési radaroktól a meteorológiai és katonai rendszerekig. Mindkét terület kulcsfontosságú a modern közlekedés, különösen a légi közlekedés biztonsága és hatékonysága szempontjából.

Radionavigáció és radiolokáció: Teljes útmutató diákoknak

Üdvözlünk abban a világban, ahol a rádióhullámok határozzák meg a helyzetedet és segítenek biztonságosan repülni! Ez a cikk részletesen foglalkozik a radionavigációval és radiolokációval, a modern közlekedés, különösen a polgári légi közlekedés két kulcsfontosságú területével. Egy érthető elemzést készítettünk számotokra, amelyet minden diák hasznosnak talál majd a vizsgákra való felkészüléshez vagy tudásának bővítéséhez.

Radionavigáció: Alapok, történelem és rendszerek a légi közlekedésben

A radionavigáció a navigáció speciális ága, amely feladatainak ellátásához kizárólag rádióeszközöket használ. Rádióelektronikai berendezések és rendszerek széles spektrumára támaszkodik, amelyek közül a legfontosabbak a navigációs jeladó rendszerek.

Radionavigációs rendszerek a polgári légi közlekedésben

A légi navigációs rendszerek hatótávolság és cél szerint több fő kategóriába sorolhatók:

• Rövid és közepes távolságú navigációs rendszerek: Ezek a rendszerek körülbelül 200 km-es távolságot fednek le. Korábban ide tartozott az NDB (nem irányított rádiójeladó), amelyet ma már nem használnak, és a továbbra is használt VOR.
• Hosszú távú navigációs rendszerek: Hosszabb távolságokra a DME rendszert használják.
• Végleges megközelítési rendszerek (leszállító rendszerek): A biztonságos leszálláshoz kulcsfontosságúak az ILS és MLS rendszerek.
• Kombinált rendszerek: Ötvözik a radionavigációt és a légiforgalmi irányítást.
• Komplex rendszerek: Diszpécseri szolgáltatásokhoz tervezve.

Nem irányított rádiójeladó NDB (Non Directional Beacon) – A radionavigáció múltja

Az NDB (Non Directional Beacon) egy nem irányított rádiójeladó volt, amely körsugárzó antennát használt. A VOR jeladóval ellentétben nem hozott létre radiálokat.

Középhullámú frekvenciákon sugárzott, és az NDB vevőjét ARK-nak (automatikus rádiótávmérő), angolul ADF-nek (automatic direction finder) nevezték. A rádiótávmérő egy függő navigációs eszköz volt, amely automatikusan jelzi a rádióállomás irányzögét (KUR).

A rádióállomás irányzöge (KUR) a repülőgép hossztengelyétől az óramutató járásával megegyező irányban mért szög a rádióállomás felé. Ma az NDB jeladókat már nem használják a mindennapi üzemben.

VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) – Kulcsfontosságú rendszer a műszeres navigációhoz

A VOR egy navigációs URH rendszer, amely körsugárzó jeladók hálózatából áll. Ezek a jeladók a felhasználó számára a kiválasztott jeladóhoz viszonyított irányt adják meg.

A légi forgalomban a műszeres navigációhoz használt alapvető rendszerek közé tartozik, és 108 és 118 MHz közötti frekvenciasávban működik. A fedélzeti VOR vevő lehetővé teszi, hogy a beállított útvonalon repüljünk a rádiójeladó felé vagy attól el, és jelzi az útvonaltól balra vagy jobbra való eltéréseket.

A rendszer egy nagyon alacsony frekvenciájú referencia- és mérőjel közötti fáziseltolódás kiértékelésén alapul, és több üzemmódban is működhet. A VOR-t elképzelhetjük, mint egy klasszikus tengeri világítótornyot: a forgó fény és az északi irány keresztezésekor bekövetkező körsugárzó villanás lehetővé teszi az azimut kiszámítását.

A VOR berendezéseket az elvük szerint a következőkre osztjuk:

• CVOR (conventional VOR) – klasszikus.
• DVOR (Doppler VOR) – a jeladó modernebb változata.

A különbség a földi berendezésben (a jel előállításának módjában és az antennákban) van, de a kapott jel a fedélzeti vevő számára azonos.

DME (Distance Measuring Equipment) – Távolságmérő rendszer a gyakorlatban

A DME egy radionavigációs berendezés, amely a fedélzeti lekérdező és a földi válaszadó közötti ferde távolságot adja meg. A fedélzeti lekérdező ezenkívül lehetővé teszi a földi jeladó eléréséhez szükséges idő és a földhöz viszonyított repülési sebesség kiszámítását.

Ez egy impulzusrendszer, amely 960–1214 MHz-es sávban működik. A földi DME jeladókat általában a körsugárzó VOR jeladókkal együtt helyezik el, így alkotva egy tipikus útvonalnavigációs rendszert (DME/VOR rendszer). A DME hatótávolsága akár 370 km is lehet. Ez a rendszer a polgári és kisebb módosításokkal a katonai légi közlekedést is szolgálja (TAKAN rendszer).

ILS (Instrument Landing System) – Pontos megközelítés bármilyen időben

Az ILS egy precíziós megközelítési és leszállási rendszer, amely repülőtéri berendezésből és fedélzeti műszerből áll. Lehetővé teszi a pilóta számára, hogy extrém esetben nulla látótávolság mellett is leszálljon a repülőgéppel a repülőtéren.

Az ILS fedélzeti műszere két mutatóból áll, amelyek a repülőgép aktuális helyzetét szimbolizálják a vízszintes és függőleges süllyedési síkhoz képest. A függőleges vonal a pályatengelytől balra/jobbra való eltérést, a vízszintes vonal pedig a túl nagy magasságot/alacsonyságot mutatja. A leszállás elsajátítása kizárólag ezzel a műszerrel nehéz, és további pilótaképzést igényel.

Jelenleg minden nemzetközi forgalmi repülőteret ILS rendszerrel kell felszerelni. A repülőtéri berendezés jeladók komplex földi rendszeréből áll:

• ILS-LOC jeladó (iránymérő jeladó).
• ILS-GS jeladó (süllyedési rádiójeladó).
• Marker rendszer.

Iránymérő jeladó ILS-LOC – Vezetés a pályatengely mentén

Az ILS-LOC iránymérő jeladó (pálya jeladó) olyan jelet hoz létre, amely alkalmas a repülőgép vezetésére a leszállópálya meghosszabbított tengelyén áthaladó függőleges sík mentén. A leszállópálya mögött 300-1000 m-re, annak tengelyén helyezkedik el, hatótávolsága körülbelül 45 km.

A jeladó két irányított elektromágneses energianyalábot sugároz, amelyek kijelölik azt a függőleges síkot, ahol a leszállópálya hossztengelye található. Ez a tengely a 90 és 150 Hz-es modulációs jelek azonos amplitúdójú pontjainak geometriai helyét képezi. Ha a repülőgép a pályatengelyen kívül érkezik, az egyik modulációs komponens amplitúdója nagyobb, amit a VOR indikátor függőleges mutatója jelez. A pilóta manőverezik, hogy a mutatót nullára stabilizálja.

Süllyedési rádiójeladó ILS-GS – A megfelelő siklási síkhoz

Az ILS-GS süllyedési rádiójeladó egy ferde siklási sík létrehozására szolgál, amely a leszállópálya referencia pontján (a pálya küszöbétől körülbelül 150-300 m-re lévő helyen) halad át. Körülbelül 120-170 m-re a leszállópálya mellett és körülbelül 240-280 m-re annak küszöbétől helyezkedik el. A süllyedési jeladó hatótávolsága körülbelül 20 km, és a süllyedési sík szöge 2,5 és 3° között mozog.

A siklási síkot két irányított karakterisztika hozza létre, amelyekbe két, 90 Hz és 150 Hz modulációs frekvenciával amplitúdómodulált nagyfrekvenciás jelet sugároznak. A siklási sík a két alacsonyfrekvenciás jel azonos modulációs amplitúdójú pontjainak geometriai helyeként van definiálva. Ha a repülőgép a megfelelő siklási síkon repül, a mutató pontosan nullát mutat. Gyorsabb vagy lassabb süllyedés esetén a mutató eltér a vízszintes helyzetből, és a pilóta a mutató eltéréseit követi a repülőgéppel, hogy fenntartsa a helyes trajektóriát.

Marker rendszer ILS – Távolságjelzés a pálya küszöbétől

A marker rendszer három jeladóból áll, amelyek lapos, függőlegesen felfelé irányuló sugárzási karakterisztikával rendelkeznek. A repülőgép fedélzetén egy vevő és egy antenna található a marker frekvenciájához. A kimeneti jel a pilóta fejhallgatójába és a jelzőlámpákra vezet, amelyek általában az ILS indikátoron helyezkednek el. Ezek a lámpák (kék, narancssárga, fehér) jelzik az egyes markerek feletti átrepülést, amivel a pilóta információt kap a pálya küszöbétől való távolságáról.

Globális navigációs műholdrendszerek (GNSS) – A radionavigáció jövője

A globális navigációs műholdrendszerek (GNSS) a globális rendszerek kategóriájába tartoznak, amelyek lehetővé teszik a Föld bármely pontjának helyzetének meghatározását egy egységes, közös koordináta-rendszerben. A műholdak műholdak (jeladók) rendszerét alkotják, optimális földi lefedettséggel, amelyek az űrből helymeghatározási és időzítési adatokat sugároznak a GNSS vevőknek.

A globális műholdas navigáció legelterjedtebb rendszere jelenleg a GPS – NAVSTAR (USA, Global Positioning System – Navigation System Using Time and Range). További jelentős GNSS rendszerek az európai Galileo, az orosz GLONASS (ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА) és a kínai BeiDou.

A GNSS vevők a műholdakról érkező jelek alapján tíz-egységnyi méteres pontossággal számítják ki a helyzetüket; speciális alkalmazásokban a pontosság akár néhány centimétert vagy millimétert is elérhet. Fontos megjegyezni, hogy a GPS-NAVSTAR és a GLONASS katonai rendszerek, és üzemeltetőik nem garantálják a folyamatos működést, míg a Galileo polgári ellenőrzés alatt áll.

A GPS elve és működése – Hogyan működik a műholdas navigáció

A műholdas GPS navigáció a távolságmérésen alapul: a Földön elfoglalt helyzetünket egy műholdcsoporttól való objektum távolságának mérésével számítjuk ki. A műholdak referenciapontokat jelentenek a térben, pontosan ismert helyzettel.

A műholdas navigációs rendszereket úgy tervezték, hogy a jelek időre, helyzetre és sebességre vonatkozó információkat szolgáltassanak. A műholdak körülbelül 10900 NM (tengeri mérföld) távolságban keringenek orbitális pályákon, és a keringési idő 12 óra, hat különböző pályán zajlik.

Három műhold bemérésével az objektum – műhold összekötő vonalak metszéspontjaiból pontos helyzetet kapunk. Az egyes műholdak távolságát a fénysebesség és az idő szorzata adja (távolság = fénysebesség × idő). Ebből következik az idő nagy pontosságú mérésének alapvető követelménye. Ezért a műholdrendszerek pontos órákkal vannak felszerelve, amelyek 1 ns (0,000 000 001 s) pontossággal mérik az időt. Ezzel szorosan összefügg az a szükséglet, hogy tudjuk, mikor hagyta el a rádiójel a műholdat. Ezt az információt a generált kód egyidejű szinkronizálása biztosítja a műholdban és a vevőben is. Ezután elegendő a kódokat fogadni a műholdról, és megállapítani, mennyi idővel korábban generálták ugyanazt a kódot a vevőben.

A helymeghatározáshoz és a műholdjelek feldolgozásához a következő módszereket használják:

• Szögmérési módszer.
• Doppler-módszer.
• Interferometrikus módszer.
• Vivőfázis-mérésen alapuló módszer.
• Távolságmérési módszer.

Radiolokáció: A történelemtől a modern radarokig

Radiolokáción az objektumok felderítését a térben, valamint helyzetük és mozgási paramétereik meghatározását értjük elektromágneses hullámok segítségével. Az említett feladatok ellátására szolgáló berendezéseket rádiólokátoroknak, röviden RLS-nek (rádiólokációs rendszer), vagy lokátoroknak, illetve radaroknak nevezzük.

A RADAR a Radio Detection and Ranging rövidítése. A radar által detektált objektumot rádiólokációs célpontnak (TARGET) nevezzük.

A radiolokáció történeti fejlődése – Kulcsfontosságú mérföldkövek

A radiolokáció története lenyűgöző és tele van innovációval:

• 1925: Breit és Tuve impulzusmódszert alkalmaztak az ionoszféra magasságának mérésére. Ez a módszer, amely a kibocsátott és a visszavert impulzus közötti idő pontos mérésén alapul, ma is használatos a légi rádiómagasságmérőkben.
• 1931–1933: Adatokat publikáltak a rádióhullámok repülőgépekről való visszaverődéséről Angliában és az USA-ban. Megállapították, hogy a repülőgépek gyenge, de detektálható visszaverődések forrásai.
• 1938: London és a Temze torkolatának védelmére figyelmeztető rádiólokátorok láncolatát, a CH (Chain Home)-t építették ki. Ezek a lokátorok 15 m-es hullámhosszon működtek, az adó impulzusteljesítménye 150 kW (később 1 MW), az impulzus hossza 12 μs, az ismétlési frekvencia 25 Hz volt, hatótávolságuk pedig elérte a 200 km-t.
• 1940: Angliában kifejlesztették az első magnetront (mikrohullámú sugárzás generátorát), amelyet a radiolokációhoz először az amerikaiak használtak. Ettől az évtől kezdve intenzív kutatási munkák folytak a centiméteres rádiólokátorok fejlesztésére vadászrepülőgépekhez és légvédelmi tűzvezetéshez. Egy ilyen radar működött Hawaiin a Pearl Harbor elleni támadás idején, sajnos az operatív központ tévesen értékelte a helyzetet.
• 2. világháború: A radiolokáció fejlődésével egyidejűleg számos eszköz is megjelent a működésük zavarására. Az ellenség megtévesztésére például sztaniolcsíkokat használtak, amelyek hossza megfelelt az ellenfél radarjának elektromágneses hullámhosszának felének.
• 2. világháború után: Ezt követte a légtér felderítésére szolgáló nagy rendszerek kiépítése és a radarok tömeges felhasználása a polgári szektorban. Fontos volt a félvezető technika fejlődése és a radarokból és más érzékelőkből származó információk fúziója is.

Radartípusok és paramétereik

A radarokat működési elvük és céljuk szerint több típusra osztjuk:

• Primer rádiólokátorok (aktív RLS): Saját jelet sugároznak, és elemzik a visszaverődéseket. Ide tartoznak az impulzus- és folyamatos hullámú radarok (kb. 1 km-ig használhatók).
• Szekunder rádiólokátorok (aktív RLS aktív válaszadóval): Kommunikálnak a célponton lévő válaszadóval, amely a jel vétele után saját választ küld.
• Félaktív rádiólokátorok: A célpontot külső forrás világítja meg, és a radar passzívan fogadja a visszavert jelet.
• Passzív rádiólokátorok: Csak a célpont elektromágneses sugárzását vagy külső adóktól származó visszaverődéseket fogadják. Iránymérő, Doppler- és időmérő típusokra oszthatók (pl. TDOA = Time Difference of Arrival rendszer).

A radarok paraméterei technikai és taktikai paraméterekre oszthatók:

Technikai paraméterek: A rádiólokátor egyes részeinek tulajdonságait fejezik ki.

• Működési frekvencia.
• Alkalmazott moduláció típusa.
• Adóteljesítmény.
• Vevőérzékenység.
• Antennarendszer sugárzási diagramja.
• Kimeneti eszközök száma és típusa.
• Képes a fix célokról érkező visszhangok elnyomására.

Taktikai paraméterek: Meghatározzák a lokátor felhasználását és általános képességeit a célpont azonosítására és térbeli paramétereinek meghatározására.

• Letapogatási terület.
• Letapogatási idő.
• Meghatározott koordináták száma és típusa, valamint a meghatározás pontossága.
• Felbontóképesség (távolságban és szögben).
• Zavartűrés (taktikai szempontból).

Radarrendszerek példái a gyakorlatban

• Primer felderítő rádiólokátor (ATC): Példa az RL-64 rendszer (Brno Tuřany Légiforgalmi Irányítás), amely a légiforgalom monitorozására szolgál.
• Primer megközelítési rádiólokátor (ATC): Például az RP-5PAR, ahol a PAR a Precision Approach Radar (precíziós megközelítési radar) rövidítése.
• Primer meteorológiai Doppler-radar: Légköri jelenségek észlelésére és nyomon követésére használják.
• Primer légvédelmi radar: Példa a RAT31SL, amely tartalmazhat szekunder felderítő radar (SSR = Secondary Surveillance Radar) antennát vagy primer radar fázisvezérelt antennarendszerét (DBF = Digital Beam Forming) is.
• Primer rakétavédelmi radar: Mint például az XBR rendszer.
• Passzív RLS: RADAR TDOA: Példa a TAMARA radarrendszer állomása, amely a Time Difference of Arrival elvét használja.

GYIK: Gyakran ismételt kérdések a radionavigációról és radiolokációról (diákoknak)

Mi a radionavigáció és a radiolokáció, és mi a különbség közöttük?

A radionavigáció rádiójeleket használ a helyzet meghatározására és a navigációra, azaz mozgó objektumok célba vezetésére. A radiolokáció (radar) objektumokat detektál a térben, és meghatározza azok helyzetét és mozgási paramétereit elektromágneses hullámok kibocsátásával és vételével. A radionavigáció tehát a saját helyzet és az útvonal meghatározására összpontosít, míg a radiolokáció az idegen objektumok detektálására és nyomon követésére.

Melyek a légi közlekedésben használt fő radionavigációs rendszerek?

A légi közlekedés fő radionavigációs rendszerei közé tartozik a VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) közepes távolságokra, a DME (Distance Measuring Equipment) a távolságmérésre, az ILS (Instrument Landing System) a pontos megközelítéshez és leszálláshoz, valamint a modern GNSS (Global Navigation Satellite System), amely olyan rendszereket foglal magában, mint a GPS, Galileo, GLONASS és BeiDou.

Hogyan működik az ILS rendszer a pontos leszállási megközelítéshez?

Az ILS (Instrument Landing System) rendszer egy iránymérő jeladóból (ILS-LOC) áll a pályatengely mentén való vezetéshez, egy süllyedési rádiójeladóból (ILS-GS) a megfelelő süllyedési sík meghatározásához, és egy marker rendszerből a pályától való távolság jelzéséhez. A pilóta a fedélzeti műszeren két mutatót figyel, amelyek az ideális trajektóriától való eltéréseket mutatják, és ennek alapján korrigálja a repülést. A rendszer nagyon rossz látási viszonyok között is lehetővé teszi a leszállást.

Mik azok a GNSS-ek, és miben különböznek a GPS-től?

A GNSS (Global Navigation Satellite System) egy gyűjtőfogalom a globális műholdas navigációs rendszerekre, amelyek lehetővé teszik a helyzet meghatározását a Föld bármely pontján. A GPS (Global Positioning System) az amerikai katonai NAVSTAR rendszer, amely a legismertebb és legelterjedtebb a GNSS-ek közül. A GPS mellett más GNSS rendszerek is léteznek, mint az európai Galileo, az orosz GLONASS és a kínai BeiDou. A Galileo ráadásul az egyetlen, amely polgári ellenőrzés alatt áll.

Mi a különbség a primer és a szekunder radar között?

A primer radar (primer RLS) saját elektromágneses hullámokat bocsát ki, és az objektumokat ezen hullámok célpontról való visszaverődése alapján detektálja. Nem függ a célpont felszereltségétől. A szekunder radar (szekunder RLS) a célponton elhelyezett aktív válaszadóval kommunikál. A radar lekérdező jelet küld, és a célponton lévő válaszadó a vétel után visszaküld egy választ további információkkal (pl. azonosítás, magasság). Tehát a célpont válaszadóval való felszereltségétől függ.