Системы наблюдения, навигации и посадки гражданской авиации

 
 
 
 
 
 
 
 
Э. А. Болелов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ,  
НАВИГАЦИИ И ПОСАДКИ  
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
 
УДК 629.7.066 
ББК 39.57 
Б79 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Прохоров Александр Валентинович 
(ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет  
гражданской авиации» (МГТУ ГА), профессор кафедры «Техническая  
эксплуатация радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта»); 
доктор технических наук, доцент Шестаков Иван Николаевич  
(ФГУП ГосНИИ Гражданской авиации, ученый секретарь ГосНИИ ГА); 
доктор технических наук Коротков Сергей Сергеевич  
(генеральный конструктор – заместитель генерального директора  
ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация») 
 
 
 
Болелов, Э. А. 
Б79  
Системы наблюдения, навигации и посадки гражданской авиации : 
учебное пособие / Э. А. Болелов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 304 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1711-2 
 
Рассматриваются теоретические вопросы построения систем наблюдения, их тактико-технические характеристики, методы измерения параметров движения воздушных объектов. Даны некоторые конкретные образцы радиолокационных систем наблюдения, систем автоматического зависимого наблюдения и многопозиционных систем 
наблюдения. Приведены принципы построения и функционирования навигационных 
систем, методы определения навигационных параметров, приводятся примеры некоторых навигационных систем и их характеристики. Рассмотрены системы посадки метрового и сантиметрового диапазона длин волн. Приведены принципы их построения и 
функционирования, технические характеристики. Представлены перспективные системы посадки для гражданской авиации.  
Для студентов технических вузов, изучающих средства радиотехнического обеспечения полетов. Может быть полезно аспирантам, преподавателям и инженерам, обслуживающим средства радиотехнического обеспечения полетов гражданской авиации. 
 
УДК 629.7.066 
ББК 39.57 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1711-2 
© Болелов Э. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 5 
 
РАЗДЕЛ 1. СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ ГРАЖДАНСКОЙ  
АВИАЦИИ ................................................................................................................ 6 
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ .................. 6 
1.1. Радиолокационные цели и их отражающие свойства .................................... 7 
1.2. Тактико-технические характеристики радиолокационных  
систем наблюдения ................................................................................................. 16 
1.3. Методы измерения дальности, скорости и угловых координат 
радиолокационных целей ....................................................................................... 30 
1.4. Трассовые и аэродромные обзорные радиолокационные системы  
и комплексы ............................................................................................................. 49 
1.5. Вторичные радиолокационные системы........................................................ 62 
1.6. Радиолокаторы обзора летного поля 
.............................................................. 67 
ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО  
НАБЛЮДЕНИЯ 
....................................................................................................... 76 
2.1. Виды систем автоматического зависимого наблюдения ............................. 76 
2.2. Технологии АЗН-В ........................................................................................... 81 
ГЛАВА 3. МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ 
................ 89 
3.1. Принципы функционирования многопозиционных  
систем наблюдения ................................................................................................. 89 
3.2. Способы построения МПСН ........................................................................... 93 
3.3. Аэродромная МПСН ........................................................................................ 98 
3.4. Широкозонная МПСН ................................................................................... 105 
3.5. Интегрированная МПСН ............................................................................... 112 
ГЛАВА 4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РАДИОПЕЛЕНГАТОРЫ 
............................ 118 
 
РАЗДЕЛ 2. СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ 
... 123 
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ 
........... 123 
5.1. Навигационные системы координат ............................................................ 123 
5.2. Навигационные элементы ............................................................................. 128 
5.3. Методы решения навигационных задач ...................................................... 132 
5.4. Классификация и принципы действия радионавигационных устройств  
и систем .................................................................................................................. 134 
5.5. Тактические и технические характеристики систем ближней  
навигации ............................................................................................................... 137 
5.6. Принципы построения систем ближней радионавигации ......................... 156 
ГЛАВА 6. СИСТЕМЫ БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ ........................................... 164 
6.1. Азимутальный радиомаяк VOR .................................................................... 165 
6.2. Дальномерный радиомаяк DME ................................................................... 185 
ГЛАВА 7. СИСТЕМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ  
И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ ................................................. 189 
3 

 
 
7.1. Общие сведения о спутниковых радионавигационных системах 
............. 189 
7.2. Принцип определения местоположения объекта в спутниковых  
радионавигационных системах 
............................................................................ 198 
7.3. Факторы, влияющие на точность спутниковых радионавигационных  
систем ..................................................................................................................... 205 
7.4. Спутниковые радионавигационные системы 
.............................................. 209 
7.5. Функциональные дополнения глобальных спутниковых  
навигационных систем 
.......................................................................................... 227 
 
РАЗДЕЛ 3. СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ......... 241 
ГЛАВА 8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ПОСАДКИ ......................... 241 
ГЛАВА 9. СИСТЕМЫ ПОСАДКИ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА .................. 248 
9.1. Инструментальная система посадки ILS ..................................................... 248 
9.2. Система посадки типа СП ............................................................................. 258 
9.3. Маркерный канал системы посадки ............................................................. 277 
ГЛАВА 10. СИСТЕМЫ ПОСАДКИ САНТИМЕТРОВОГО  
ДИАПАЗОНА ........................................................................................................ 281 
ГЛАВА 11. ПОСАДОЧНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ............ 284 
ГЛАВА 12. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ............................... 288 
 
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 294 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
................................................................................... 298 
 
 
 
4 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Развитие отечественной гражданской авиации на современном этапе, несмотря на санкционные ограничения США и Евросоюза, характеризуется устойчивой тенденцией к росту воздушных пассажирских и грузовых перевозок на 
внутренних и международных линиях.  
Для Российской Федерации гражданская авиация играет особую роль при 
обеспечении воздушных перевозок в труднодоступных районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, где она вместе с сезонным речным и морским 
транспортом часто является единственным средством сообщения. В районах 
Крайнего Севера и Арктики основную роль в перевозках грузов и пассажиров 
играет гражданская авиация. В настоящее время в России на государственном 
уровне приняты ряд решений, в соответствии с которыми осуществляется широкомасштабная программа по развитию инфраструктуры районов Крайнего Севера и Арктики, освоению территорий, побережья Северного морского пути, разработке месторождений полезных ископаемых. 
Естественным следствием тенденции к увеличению интенсивности воздушного движения является повышение роли и значимости систем наблюдения, 
навигации и посадки воздушных судов, вносящих значительный вклад в обеспечение безопасности и регулярности полетов гражданской авиации.  
Книга четко разделяется на три раздела, которые посвящены изложению 
теоретических основ построения и функционирования систем наблюдения, навигации и посадки воздушных судов. В книге представлены как общеизвестные 
подходы, изложенные в ранее вышедших учебниках и книгах, так и оригинальный материал, полученный в ходе выполнения теоретических и экспериментальных работ.  
Настоящее учебное пособие представляет собой результат многолетнего 
чтения лекций по дисциплинам «Системы наблюдения на воздушном транспорте» и «Системы навигации и посадки» в Московском государственном техническом университете гражданской авиации. Учебное пособие предназначено 
для студентов радиотехнического профиля подготовки и может быть полезно для 
всех, кого интересуют современные проблемы радиотехнического обеспечения 
полетов гражданской авиации. 
 
 
5 

 
 
РАЗДЕЛ 1 
 
СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ  
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ 
 
 
ГЛАВА 1 
 
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ  
СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ 
 
Радиолокацией называют область радиоэлектроники, которая занимается 
разработкой методов и технических устройств (систем) для обнаружения и определения координат и параметров движения различных объектов с помощью радиоволн. В гражданской авиации радиолокация обеспечивает решение задач обнаружения воздушных объектов (самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов) для управления воздушным движением. 
Процесс просмотра заданной области пространства с целью получения информации о наличии в ней различных объектов, измерения их координат и параметров движения, определения классов и типов объектов называют радиолокационным наблюдением. Объекты же радиолокационного наблюдения называют радиолокационными целями или просто целями. Выполнение частной 
задачи радиолокационного наблюдения, например, обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью одноименных радиолокационных устройств. Совокупность радиолокационных устройств, предназначенных для решения какой-либо конкретной задачи называется радиолокационной 
системой или радиолокационной комплексом. Техническая реализация такой 
системы или комплекса часто именуется радиолокационной станцией (РЛС) 
или радиолокатором (РЛ). 
Источником радиолокационной информации служит радиолокационный 
сигнал, который может быть сформирован либо путем отражения (вторичного 
излучения) электромагнитных волн от цели, либо переизлучения (ретрансляции) 
данных волн целью, либо излучения электромагнитных волн самой целью. 
Операции, выполняемые в ходе радиолокационного наблюдения над принимаемыми радиолокационными сигналами для получения информации о целях, 
называют обработкой радиолокационных сигналов. 
В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала 
различают следующие методы радиолокации: 
1) активный метод радиолокационного наблюдения основан на том, что 
излучаемые РЛС электромагнитные колебания, которые еще называют зондирующим радиолокационным сигналом, отражаются от цели и поступают на вход 
6 

 
 
приемника РЛС. Данный метод радиолокационного наблюдения является наиболее распространенным в современных РЛС гражданской авиации. При использовании активного метода передатчик и приемник РЛС находятся в одной точке 
пространства; 
2) метод радиолокации с активным ответом. В этом случае радиолокационный сигнал формируется не в результате отражения излучаемых электромагнитных волн целью, а переизлучения с помощью специального ответчика- 
ретранслятора. Данный метод широко используется в системах определения государственной принадлежности воздушных судов (ВС) и управления воздушным 
движением (УВД). 
Кроме рассмотренных методов, которые находят применение в радиолокационных системах наблюдения (РЛСН) гражданской авиации, существуют еще 
два метода радиолокации: 
– полуактивный метод радиолокации (полуактивные РЛС). При использовании данного метода радиолокационный сигнал формируется как при активном 
методе путем отражения зондирующих радиоволн от цели. Но позиция передающего устройства, формирующего зондирующие радиоволны, и позиция приема 
отраженных сигналов разнесены в пространстве; 
– пассивная радиолокация или пассивный метод радиолокационного 
наблюдения основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного устройства, состоящего из приемной антенны и собственно приемника.  
Все РЛСН можно разделить на две основные группы. В первую группу 
входят РЛСН аэропортов и воздушных трасс, основной задачей которых являются обнаружение, измерение координат и параметров движения воздушных целей. 
Вторую группу составляют бортовые РЛСН, предназначенные для контроля метеорологической обстановки по направлению полета ВС, обнаружения 
очагов грозовой деятельности, получения радиолокационного изображения земной поверхности. 
В настоящей книге рассматриваются только РЛСН первой группы. 
 
1.1. Радиолокационные цели и их отражающие свойства 
 
Физическая сущность отражения радиоволн от объекта (цели) состоит в 
том, что радиоволна возбуждает в облучаемой цели токи высокой частоты: токи 
проводимости – в металлах; токи смещения – в диэлектриках. При этом цель сама 
становится самостоятельным источником излучения радиоволн по всем направлениям пространства, в том числе и в направлении на РЛСН. Наблюдатель, где 
бы он ни находился, трактует эту волну как «отраженную от цели», считая ее во 
всех других направлениях «рассеянной волной». Рассеяние (отражение) радиоволн зависит, в первую очередь, от геометрических размеров и формы объекта, 
структуры и материала ее поверхности, а также от характера ее перемещения относительно РЛСН. 
7 

 
 
Радиолокационные цели в зависимости от их геометрических размеров и 
способов наблюдения подразделяются на точечные и распределенные [10,  
18, 19].  
Классификация целей тесно связана с понятием разрешающей способности РЛСН. Забегая несколько вперед, определим понятие разрешающей способности РЛСН.  
Антенна РЛСН излучает в пространство некий «сгусток» электромагнитной энергии конечных размеров, представляющий собой некоторый параллелепипед, длины двух сторон которого равны а
R α
=
Δ
 и b
R β
=
Δ , где R – расстояние до цели, α
Δ
 и β
Δ
 – ширина диаграммы направленности антенны РЛСН по 
азимуту и по углу места, соответственно (см. рис. 1.1). Размер третьей стороны 
2
c
R
τ
Δ
=
не зависит от расстояния и определяется длительностью излученного 
импульса τ  (при импульсном режиме излучения) или неким другим конечным 
значением (при не импульсном режиме излучения). Следует сказать, что все 
РЛСН гражданской авиации работают в импульсном режиме.  
 
 
 
Рисунок 1.1 – Элемент разрешения 
 
Все объекты, находящиеся внутри усеченной пирамиды со сторонами, равными 
,
R α
Δ
 R β
Δ  и 
,
R
Δ
 на выходе РЛСН будут трактоваться как одиночная цель. 
Точечной целью, с позиции ее наблюдателя, называется цель, которая по 
выходному сигналу в оконечном (выходном) устройстве РЛСН не дает возможности судить как о размерах и деталях цели, так и даже об их количестве. На 
индикаторе РЛСН такая цель в большинстве случаев дает отметку в виде светящейся точки, что и определило ее название – «точечная». 
8 

 
 
Типичным примером точечной цели является самолет, вертолет или беспилотный летательный аппарат. На рис. 1.2 приведено отображение на экране 
РЛСН нескольких воздушных судов (ВС), интерпретируемых, как точечные 
цели. 
 
 
 
 
Рисунок 1.2 – Пример точечных целей на экране РЛСН 
 
Точечные цели имеют размеры r меньшие, чем размеры элемента пространства, соответствующего разрешающей способности РЛСН (рис. 1.1): 
 
 
,
r
R
< Δ
 
,
r
R α
<
Δ
 r
R β
<
Δ
. 
 (1.1) 
 
Если, хотя бы одно из условий (1.1), не выполняется, цель не является точечной.  
По характеру отражения радиоволн от точечных целей они могут быть разделены на элементарные и сложные. К элементарным целям относятся отражающие объекты простой геометрической формы: лист, шар, уголковый отражатель и т. п. К сложным целям относятся объекты, состоящие из большого числа 
элементарных отражателей. В частности, одна из основных радиолокационных 
целей – воздушное судно (ВС) – состоит из различных поверхностей и деталей, 
одновременно участвующих в создании отраженного сигнала. 
Распределенные цели имеют размеры, большие, чем линейная разрешающая способность РЛСН по одной, двум или трем координатам. Распределенная 
цель фактически может быть разбита на ряд целей (по числу элементов разрешения), что невозможно для точечной цели. Распределенные цели могут быть разделены на линейные, площадные и объемные.  
Линейной целью называется цель, длина которой (la), превышает линейную разрешающую способность РЛСН, хотя бы по одной из координат, а ширина 
(lb) меньше любой из линейных разрешающих способностей. К числу линейных 
9 

 
 
радиолокационных целей относятся взлетно-посадочные полосы, рулевые дорожки на аэродроме и т. п. 
Площадной целью называется цель, два размера которой превышают линейные разрешающие способности РЛС по двум координатам, а высота – 
меньше линейной разрешающей способности по углу места. Части земной поверхности представляют собой площадные цели. 
Объемной целью называется цель, все размеры которой превышают линейные разрешающие способности РЛСН. Дождевое облако или другие гидрометеоры являются обычно объемными распределенными целями. 
Таким образом, деление целей на точечные и распределённые (линейные, 
площадные, объемные) базируется на соотношении между размерами цели и разрешающей способностью РЛСН.  
При радиолокационном зондировании различных объектов важную роль 
играет соотношение между размерами цели, которые будем описывать некоторым обобщенным размером r, и длиной рабочей волны λ, на которой происходит 
зондирование. Здесь следует выделить три ситуации. 
1. Размеры объекта много меньше длины волны (r<<λ). Из-за малых размеров объекта имеет место слабая возбужденная волна, которая несколько искажает поле прямой волны вблизи самого объекта (дифракция радиоволны). Отражение от объекта в направлении РЛС будет ничтожно малым, в связи с чем объект, размеры которого значительно меньше длины волны, не относится к классу 
радиолокационных целей. 
2. Размеры объекта соизмеримы с длиной волны (r~λ). Это случай резонансного отражения, когда падающая волна возбуждает в облучаемом объекте 
значительные токи, служащие источником интенсивной отраженной волны. Резонансным отражением обладает, например, лента дипольного отражателя, 
длина, которой составляет около половины длины волны РЛС. Облако, составленное из большого числа таких отражателей, дает интенсивный сигнал, засвечивающий экраны индикаторов и нарушающий работу автоматических оконечных устройств РЛС.  
3. Размеры объекта много больше длины волны (r>>λ). Этот случай особенно важен для радиолокации, потому что подавляющее большинство радиолокационных целей, точечных и распределенных, удовлетворяют соотношению 
r>>λ. При наличии крупных (по сравнению с длиной волны λ) поверхностей отражение радиоволн по аналогии с оптическим отражением в сильной степени зависит от состояния отражающей поверхности, а именно – от соотношения между 
ее неровностями р и длиной волны λ.  
Шероховатые поверхности дают диффузное, а гладкие – зеркальное отражение радиоволн. 
Зеркальное отражение радиоволн (см. рис. 1.3), обеспечивающее равенство угла падения и угла отражения, имеет место при одновременном выполнении условий: r>>λ и p>>λ. Энергия отраженной радиоволны за исключением 
случая ее вертикального падения на приемную антенну РЛСН чрезвычайно мала. 
10