ניווט אלקטרוני, עזרי רדיו לניווט GPS, VOR, ILS & DME כיצד הם פועלים, וכיצד הטייס מנווט עלפיהם

1. ניווט אלקטרוני, עזרי רדיו לניווטGPS, VOR, ILS & DMEכיצד הם פועלים, וכיצד הטייס מנווט עלפיהם מאת אריאל אריאלי

2. מציאת מיקום במרחב • הגדרות: • נקודה – מקום חסר מימד. מוגדר ע"י שלושה צירים: X, Y & Z • קו – אוסף אינסופי של נקודות • ישר – קו המחבר שתי נקודות בדרך הקצרה ביותר (תלוי בהגדרה מהי הדרך הקצרה ביותר) • מישור – מקום דו מימדי במרחב (פני כדור הארץ ייחשב כמישור, למרות שהם פני כדור) • מיקום גיאוגראפי – נקודה במישור המוגדרת ע"י שני צירים • מיקום פיזי – מקום במרחב המוגדר ע"י שני צירים במישור פלוס גובה

3. מיקום על פני כדור הארץ • אורך גיאוגראפי – זווית שקודקודה מרכז כדור הארץ, הנוצרת בין קו (של מעגל גדול) דמיוני המחבר את שני הקטבים של כדור הארץ והעובר דרך גריניץ', לבין הנקודה שאת מיקומה אנו מגדירים. (יכולה להיות מזרחית או מערבית) • רוחב גאוגראפי - זווית שקודקודה מרכז כדור הארץ, הנוצרת בין קו המשווה, לבין הנקודה שאת מיקומה אנו מגדירים. (יכולה להיות צפונית או דרומית) • גובה – גובה הנקודה מעל פני הים הממוצע

4. מציאת מיקום גיאוגראפי • תיאור ע"י קווי אורך ורוחב גיאוגראפיים • מרחק מנקודת ייחוס על פני כדור הארץ (שמיקומה ידוע) וזווית שקודקודה בנקודת הייחוס והנוצרת בין הצפון הגיאוגראפי לבין הנקודה שאת מיקומה מחפשים וגובה מעל פני הים הממוצע • חיתוך הנוצר בין שני וקטורים היוצאים מנקודות ייחוס ידועות כאשר הזוית של כל ווקטור (ביחס לצפון) ידועה • מרחק מ(לפחות) שלוש נקודות ייחוס הנמצאות מחוץ לכדור הארץ שמיקומן המוחלט במרחב ידוע

5. סוגי ניווט • א. ניווט לפי גרמי שמיים • ב. ניווט לפי מפה ותוואי קרקע • ג. ניווט חישובי • ד. ניווט לפי עזרים אלקטרוניים קרקעיים • ה. ניווט לפי מערכות אינרציאליות פנימיות • ו. ניווט לפי נקודות ייחוס לוויניות

6. עקרונות ניווט אלקטרוני • התפשטות גלי רדיו, פחות או יותר, ישרה • מהירות ההתפשטות קבועה • גלי רדיו = התפשטות אנרגיה אלקטרומגנטית בעלת אירוע מחזורי בתדר ידוע • ניתן להעביר מידע נוסף ע"ג הגל האלקטרומגנטי

7. עזרי ניווט קרקעיים • תחנות רדיו מסחריות וייעודיות ADF • מערכת ניווט ארוכת טווח LORAN • מערכת ניווט בתדר גבוה VOR • מערכת נחיתת מכשירים ILS • מערכת ייחוס מרחק DME

8. עזרי ניווט חיצוניים (חלל) • מערכת ניווט לווינית - GPS

9. מהו גל אלקטרומגנטי • אנרגיה המתפשטת במרחב (במהירות האור), אשר משנה תכונות בין מגנטיות לחשמליות. • קצב השינוי נקרא תדירות ונמדד במחזורים לשנייה – הרץ (Hz) 1,000 מחזורים בשנייה = 1KHz , 1000,000 מחזורים שנייה = 1MHz 1,000,000,000 מחזורים בשנייה = 1GHz • מאחר ומהירות ההתפשטות קבועה וקצב ההשתנות ידוע, ניתן למצוא נקודות מחזוריות במרחב שבהן לגל תכונות זהות (ברגע נתון). המרחק בין נקודות אלו נקרא "אורך-גל". אורך הגל מחושב ע"י חלוקת מהירות ההתפשטות בתדירות

10. גלי רדיו - הגדרות

11. אפנון • אפנון הוא תהליך שבו מוסיפים לגל האלקטרומגנטי מידע הנישא ע"ג הגל • שיטות איפנון • CW – שידור לסרוגין של הגל האלקטרומגנטי (הנושא) עפ"י המידע המועבר (למשל, מורס) • AM – איפנון תנופה. עוצמת הגל (הנושא) משתנה בכל רגע ורגע • FM – אפנון תדירות. תדירות הגל הנושא משתנה בכל רגע ורגע • PM – פאזת הגל הנושא משתנה (מין "וורסיה" של שיטת ה-FM)

12. אפנון AM

13. אפנון - FM

14. משדר רדיו • משדר רדיו מכיל את המכלולים הבאים • מתנד – ליצירת תדירות הגל • מאפנן "להרכבת" המידע ע"ג הגל הנושא • דרגת הספק – מפיקה את האנרגיה החשמלית הדרושה ליצירת הגל האלקטרומגנטי • אנטנה – "לפיזור" (או הקרנת) הגל האלקטרומגנטי במרחב

15. מקלט רדיו • מקלט רדיו מורכב מהמכלולים הבאים • דרגת כניסה – מגבירה את האות הנקלט באנטנה, הגברה ראשונית • דרגת בחירה – מורכבת ממתנד ליצירת תדר ידוע ומערבל היוצר חיבור/חיסור מתמטי בין התדר הנקלט לבין תדר המתנד לקבלת תדר מסויים וקבוע. כאן נעשית בחירת התדר הרצוי (ערוץ רדיו) • דרגת ביניים – דרגה הפועלת בתדר יחיד ומגבירה את האות הנקלט • דרגת "גילוי" – מפרידה את המידע מהגל הנושא • דרגת הגברה - לאות המידע

16. אנטנה • אנטנה היא האלמנט הקולט את הגלים האלקטרומגנטיים והופך אותם לזרמים חשמליים – במקלט. ואילו במשדר, האנטנה הופכת את הזרמים החשמליים המופקים בדרגת ההגברה של המשדר, לגלים אלקטרומגנטיים • קיימים סוגים רבים וצורות רבות של אנטנות , והם מוכתבים עפ"י התכונות והשימושים הנדרשים. • הגודל הפיזי של האנטנה היא נגזרת של תדר העבודה (יחסי לאורך הגל). ככל שתדר העבודה גבוה, המימדים של האנטנה יקטנו

17. הגל המשודר מהאנטנה מתפשט במרחב עפ"י תכונות ההקרנה הכיוונית של האנטנה אנטנה כלל כיוונית Omni Directional עקומות קליטה של אנטנות

18. עקומות קליטה של אנטנות • אנטנה דו כיוונית – אנטנה המשדרת (וקולטת) בעיקר משני כיוונים

19. עקומות קליטה של אנטנות • אנטנה כיוונית – אנטנה הקולטת (ומשדרת) בכיוון מסויים

20. אנטנות - קיטוב • קיטוב אנטנה – האנטנה המשדרת אנכית או אופקית • ישנן אנטנות "ספיראליות" אשר להן אין קוטביות מוגדרת • אנטנת הקליטה חייבת להיות באותה קוטביות כזו של המשדרת

21. GPS • עזר ניווט חיצוני – מהחלל – מערכת כלל עולמי פרוסה בחלל, 24 ליוונים מהם שלושה רזרוויים • עזר ניווט מדויק ביותר – דיוק של ס"מ בודדים במישור עשרות ס"מ במימד הגובה

22. GPS מערכת הניווט הלוויינית מבוססת על 21 לווינים (+ 3 המשמשים לגיבוי) המקיפים את כדור הארץ במרחק של 20163 ק"מ (השווה ל-25562 ק"מ ממרכז הכדור) במהירות היקפית של 3.87 ק"מ/שנייה, מה שגורם להם להקיף את כדור הארץ פעמיים ביממה. למסתכל, העומד על כדור הארץ, הם נראים בתנועה. זהו מסלול שאינו "מסלול גיאו-סינכרונייזד"

23. GPS • מדידת מרחק מנקודה אחת – מעטפת של כדור

24. GPS • מדידת מרחק משתי נקודות – מעגל מישורי • מדידת מרחק משלוש נקודות – מיקום נקודתי

25. GPS • מדידת המרחק נעשית באמצעות מדידת הזמן החולף מרגע עזיבת האות את הלווין עד הגיעו את המקלט • קיים סינכרון כמעט אבסולוטי של כל מערכת ה-GPS • אות העוזב את הלווין מכיל מידע על זמן העזיבה

26. GPS • המקלט קולט את האות המגיע מהלווין ומחשב את הזמן החולף כהפרש הזמן בין זמן הקליטה לזמן העזיבה. • מתבצע חישוב של המרחק מכל אחד הלווינים ואחר-כך מתבצע חישוב המיקום במרחב. • מאחר ומדובר בנקודה, הרי שניתן להגדיר את מיקום הנקודה בשלושה צירים – X ו-Z שהן קואורדינטות גיאוגרפיות ו-Y שהוא הגובה

27. GPS • האות האלקטרומגנטי המשודר מהלווינים הוא גל רדיו בשני תדרים: L1 – 1575.42MHz לשימוש אזרחי ו- L2 – 1227.6MHz לשימוש צבאי • בנוסף לאות הזמן, האות המשודר מכיל מידע נוסף. זהו מידע דיגיטאלי המשודר בקצב של 50bps החוזר על עצמו כל 30 שניות. המידע המשודר מכיל אינפורמציה חיונית לצורך הסינכרון של שעון המקלט עם שעוני הלווינים ואינפורמציה נוספת הדרושה לתפעול המערכת.

28. GPS • יש לזכור כי מעבר הגל האלקטרומגנטי דרך האטמוספירה גורם לאי דיוקים מסויימים שיחד עם רעשים נוספים, גורמים להיווצרות אי דיוקים במדידת המרחקים וכפועל יוצא מזה – לטעות במיקום המדויק. • טעות מיקום זו נקראת rms noise והיא אינה מאפשרת להגיע לדיוק במיקום בפחות מעשרה עד עשרים מטר.

29. GPS • ע"מ להגיע לדיוקים גבוהים יותר (עשרות ס"מ) יש צורך בשימוש במערכת עזר קרקעית ואז מתקבלת מערכת DGPS – Differential GPS DGPS היא מערכת שבה תחנה קרקעית שמיקומה ידוע בדיוק של מ"מ, קולטת את הלווינים עם השגיאה הנובעת מה-rms noise, מחשבת את השגיאה בכל אחד הצירים ומשדרת ברדיו את התיקון הנדרש.

30. GPS במטוס כיום מצויים מספר רב מאד של דגמי מקלטי GPS החל באלו הנותנים קואורדינטות מיקום, נתיב אל היעד, מפה נעה והמענין ביותר – אוטוסטרדה בשחקים Hay-way in the Sky

31. GPS במטוס

32. GPS במטוס - Highway in the Sky

33. GPS • במטוס – moving map & HSI

34. VORVery-high frequency Omni-Range • עזר ניווט קרקעי – מוגבל לטווח ראיה, או עד בערך, 200 מיילים ימיים. • עזר ניווט עיקרי, מאד מדויק אך מבוסס ניווט זוויתי (ניתן לראותו כמייצר ווקטורים אשר הזוית שלהם מופקת ממידע ה-VOR והאורך שלהם נמדד באמצעות ה-DME) • רוב נתיבי התעופה עוברים בין שתי תחנות VOR

35. VOR במטוס ועל המפה

36. VOR • DVOR + DME VOR + DME

37. VOR עקרון הפעולה שידור שני גלי רדיו משתי אנטנות במקביל – אנטנה אחת כלל כיוונית והשנייה, כיוונית מסתובבת סביב צירה תדר הגל המופק במשדר 108.00 to 117.95MHz קיטוב האנטנה – אופקי איפנון – AM המידע המאופנן – צליל בתדר של 30Hz האנטנה הכיוונית מסתובבת בקצב של 1800rpm או 30 סיבובים בשנייה

38. VOR יצירת הזוית • כאשר האנטנה המסתובבת נמצאת בדיוק בכיוון צפון, הפאזה של צליל 30Hz המשודר ממנה, נמצא בדיוק באותה הפאזה של הצליל 30Hz של הגל המשודר מהאנטנה הכלל כיוונית. • מאחר וזמן הסיבוב של האנטנה המסתובבת שווה בדיוק לזמן המחזור של צליל ה- 30Hz, זווית הצליל המשודר ממנה שווה בדיוק לזווית האנטנה ביחס לצפון. • כלומר, כאשר האנטנה המסתובבת נמצאת בזוית של 30 מעלות ביחס לצפון, זווית הצליל מוזזת בדיוק 30 מעלות ביחס לזווית הצליל של הגל המשודר מהאנטנה הכלל כיוונית. • בכל זווית שבה נמצאת האנטנה המסתובבת, קיים בדיוק אותו הפרש פאזה בין צליל האנטנה המסתובבת לבין צליל האנטנה הכלל כיוונית.

39. השוואת פאזה -שני האותות באותה הפאזההפרש פאזה = 0

40. השוואת פאזה -הפרש פאזה = 90

41. השוואת פאזה -הפרש פאזה = 180

42. VOR פענוח המידע • המקלט קולט את שני הגלים המשודרים בו-זמנית • הגלאי במקלט מוציא שני אותות של 30Hz • שני אותות אלו מועברים למעבד המשווה את הפאזה ביניהם ומוציא מתח היחסי להפרש הפאזה שבין שני הצלילים • אות המוצא מועבר למכשיר CDI - Course Deviation Indicator • בתוך ה- CDI ישנו מחולל אות אשר נשלט ע"י כפתור ה-OBS • שני האותות מושווים וההפרש נמסר למערכת מכנית המזיזה מחוג • כאשר שני האותות שווים, המחוג יימצא במרכז הסקאלה. • כאשר האות המגיע מהמקלט גדול מהאות של ה-OBS , המחט תזוז ימינה ולהיפך • מאחר וניתן לעשות השוואת פאזה של 180 מעלות בלבד ישנו אות נוסף המציין אם בחירת ה-OBS היא בכיוון "אל התחנה" או "מהתחנה". אות זה מועבר לדגלון המסומן “TO” או “FROM” • דגלון נוסף מסמן האם קליטת התחנה מספיק חזקה. כאשר הקליטה חלשה, או אין קליטה, הדגלון מורה OFF

43. VOR זהוי התחנה המשדרת • שידור צליל של 1020Hz ע"ג הגל המשודר מהאנטנה הכלל כיוונית (נוסף על צליל ה- 30Hz) • צליל זה מאופנן CW(יש צליל/אין צליל) • אפנון לפי שיטת מורס של אותיות הזיהוי של התחנה

44. DVOR • VOR מודרני • אין אנטנה מסתובבת • שידור גל מהאנטנה המרכזית הכלל כיוונית • שידור שני פסי צד (USB=Fc+9960Hz, LSB=Fc-9960Hz)מסדרת אנטנות המסודרות ברדיוס מסביב לאנטנה המרכזית • פסי הצד ממותגים מאנטנה לאנטנה בצורה סדרתית בקצב סיבוב של 30 סיבובים לשנייה • פסי הצד נקלטים במקלט כגל מאופנן איפנון FM

45. VOR מול DVOR VOR DVOR

46. ILS –Instrument Landing System מערכת לנחיתת מכשירים בניגוד למערכות צבאיות שם נהוג (היה) להשתמש במערכת מסוג GCA – Ground Control Approach , אשר בהן הטייס היה מקבל הנחיות נחיתה ממכ"ם קרקעי, במערכות אזרחיות, הטייס הוא זה המנחה עצמו לנחיתה עפ"י אותות רדיו המשודרים ממערכת ה-ILS

47. ILS • מורכבת משתי תת-מערכות: • Localizer • Glide Slope ה-Localizer הי מערכת הנחיית כיוון מרכז מסלול וה-Glide-Slope היא מערכת הנחיית זווית גלישה לתחילת מסלול

48. ILSמבט כללי

49. ILS ובהפשטה:

50. ILS Localizer – מערכת המשדרת שתי אלומות צרות (מאד כיווניות) של גלי רדיו בתדר של 108.1MHz to 111.95MHz המאופננים בשני צלילים: • 150Hz מאפנן את האלומה הימנית, ו- • 90Hz המאפנן את האלומה השמאלית