DIPLOMOVÁ PRÁCE DAVID HAROK. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINĚ Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikací a multimédií. Studijní obor: TELEKOMUNIKACE

Navržení optimální frekvence vysílacího pásma navigačních prostředků letecké dopravy v souvislosti s výstavbou nové paralelní vzletové a přistávací dráhy na letišti Praha-Ruzyně DIPLOMOVÁ PRÁCE DAVID HAROK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINĚ Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikací a multimédií Studijní obor: TELEKOMUNIKACE Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD.

Stupeň kvalifikace: inženýr (Ing.) Datum odevzdání diplomové práce: 7. 5. 2009

ŽILINA

Abstrakt Práce popisuje kompletní proces koordinace kmitočtů rádiového spektra. Zaměřuje se na spektrum letecké radionavigace a na reálné situaci, na letišti PrahaRuzyně, stanovuje kmitočty pro zařízení ILS, které zde bude umístěno v souvislosti s výstavbou nové paralelní dráhy.

Anotační záznam Názov práce: Navržení optimální frekvence vysílacího pásma navigačních prostředků letecké dopravy v souvislosti s výstavbou nové paralelní vzletové a přistávací dráhy na letišti Praha-Ruzyně Priezvisko a meno: Harok David Fakulta elektrotechnická Počet strán:

59

Počet grafov: 1

akademický rok: 2008/2009 Katedra telekomunikácií a multimédií

Počet obrázkov:

19

Počet tabuliek:

15

Počet príloh:

3

Použitá lit.:.

16

Anotácia v slovenskom (českom) jazyku: Práce popisuje na základě konkrétní reálné situace koordinaci kmitočtů leteckého radionavigačního spektra v souvislosti s přidáním prvku do systému. Zabývá se určením optimálního pracovního kmitočtu navigačního zařízení ILS pro budoucí paralelní dráhu 06R/24L na letišti Praha-Ruzyně. Určení kmitočtů je provedeno z hlediska požadavků na koordinaci v rámci jedné radiokomunikační služby a koordinaci z hlediska rušení radiokomunikační službou ze sousedního kmitočtového pásma. Je zde rovněž popsán administrativní proces přidělení kmitočtu, proces národní a mezinárodní koordinace. Anotácia v cudzom jazyku ( angl. resp. nemecký): Thesis describes process of coordination of aeronautical radio navigation frequency on real situation in connection with add the new element in to the system. Defines an optimal frequency of ILS devices which will be installed on Prague Airport on new parallel runway. Defining of frequency is coordinate with the same radio navigation services and other VHF radio communication services. The administration coordination process of frequency assigning on the national and international coordination bases is described too. Kľúčové slová: koordinace, rušení radiového VKV spektra, mezislužbová a vnitroslužbová koordinace, radionavigační zařízení, Vedúci práce:

doc. Ing. Ján Dúha, PhD.

Recenzent práce: …………...............................................................................… Dátum odovzdania práce:

7.5.2009

Obsah ÚVOD ...............................................................................................................................1 1

ÚLOHA ANTÉNY V RADIOKOMUNIKAČNÍM ŘETĚZCI [1].................2

1.1

PARAMETRY ANTÉN [1], [2], [4].............................................................................3

1.1.1

Směrová a vyzařovací charakteristika ..................................................................3

1.1.2

Výkonová hustota vyzařovacího pole....................................................................6

1.1.3

Intenzita vyzařování ..............................................................................................6

1.1.4

Směrovost 6

1.1.5

Vstupní impedance ................................................................................................7

1.1.6

Účinnost antény ....................................................................................................7

1.1.7

Vyzařovací účinnost antény ..................................................................................8

1.1.8

Výkonový zisk ........................................................................................................8

1.1.9

Šumová teplota antény ..........................................................................................9

2

RADIONAVIGACE [5], [7] ...............................................................................9

2.1

PŘISTÁVACÍ SYSTÉMY OBECNĚ ............................................................................10

2.2

SYSTÉM PRO PŘESNÉ PŘIBLÍŽENÍ ILS [5], [6], [11]...............................................11

2.3

VKV VŠESMĚROVÝ MAJÁK VOR (VHF OMNIDIRECTIONAL RANGE) [5], [11] .....17

2.4

DÁLKOMĚRNÝ SYSTÉM DME (DISTANCE MEASURING EQUIPMENT).....................18

3

KMITOČTOVÉ PLÁNOVÁNÍ [2], [3], [8], ...................................................20

3.1

KMITOČTOVÁ KOORDINACE VERSUS RÁDIOVÉ RUŠENÍ [9], [10], [12] ..................22

3.2

RUŠENÍ NAVIGAČNÍHO PROSTŘEDKU (ILS) ROZHLASOVÝMI VYSÍLAČI VKV [8], [9], [13] ...............................................................................................................26

3.3

RUŠENÍ NAVIGAČNÍCH PROSTŘEDKŮ ILS – ILS [9], [11]......................................28

3.4

RUŠENÍ NAVIGAČNÍCH PROSTŘEDKŮ ILS – VOR [8], [11] ...................................29

3.5

KOORDINACE [16]................................................................................................30

3.6

ZPĚTNÁ KONTROLA [13] ......................................................................................31

4

STÁVAJÍCÍ RADIONAVIGAČNÍ ZAŘÍZENÍ, JAKO VÝCHOZÍ PARAMETR PRO UMÍSTĚNÍ PRVKU DO SYSTÉMU ............................32

4.1

LETIŠTĚ PRAHA-RUZYNĚ [14] .............................................................................33

4.2

LETIŠTĚ A NAVIGAČNÍ PROSTŘEDKY DO VZDÁLENOSTI 200 KM OD ILS PRAHARUZYNĚ ..............................................................................................................36

4.2.1

Letiště podléhající koordinaci.............................................................................36

4.2.2

Navigační a traťové zařízení podléhající koordinaci .........................................39

5

KMITOČTOVÁ KOORDINACE SYSTÉMU ILS PARALELNÍ DRÁHY NA LETIŠTI PRAHA-RUZYNĚ ....................................................................41

5.1

STANOVENÍ FREKVENCE ILS PARALELNÍ DRÁHY 06R/24L – PRAHA-RUZYNĚ .....42

5.2

KONTROLNÍ URČENÍ FREKVENCE PRO ILSN POMOCÍ SOFTWARU ..........................44

5.3

NEDOKONALOST HLEDÁNÍ FREKVENCE „RUČNÍ“ METODOU OPROTI SOFTWARU MANIF 6.0X........................................................................................................46

5.4

PROCES PŘIDĚLENÍ KMITOČTU .............................................................................47

5.5

TESTOVÁNÍ NALEZENÝCH KMITOČTŮ NA RUŠENÍ ZE STRANY VKV RADIOVÉHO VYSÍLÁNÍ..............................................................................................................48

ZÁVĚR .............................................................................................................................50 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY............................................................................52 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ................................................................................................54 PŘÍLOHOVÁ ČÁST .......................................................................................................55

Seznam obrázků a tabulek Seznam obrázků 1.1-1 Směrový diagram vysílací antény – 2D zobrazení 1.1-2 Dva směrové diagramy vysílací antény – pro horizontální a vertikální rovinu – kartézské zobrazení 1.1-3 Náhradní obvod antény 2.2-1 Zobrazení kursové a sestupové osy vzniklé průnikem stejných hloubek modulace dvou navigačních tónů 90 a 150 Hz 2.2-2 Požadavky na krytí kursového majáku 2.2-3 Požadavky na vertikální krytí sestupového radiomajáku 2.2-4 Ukázka amplitudové modulace nosné frekvence kursového nebo sestupového majáku 2.2-5 Podélný řez sestupovou rovinou s umístěním tří markerů 2.2-6 Systém ILS v plné konfiguraci 4.1-1 Aktuální stav umístění navigačních prvků ILS na letišti Praha-Ruzyně se zanesením paralelní dráhy a k ní náležících navigačních prvků ILS 4.2-1 Letiště podléhající koordinaci 4.2-2 Zobrazení posuzovaných letišť a traťových zařízení 4.2-3 Znázornění potřebné vzdálenosti pro umístění dvou ILS vysílačů vysílajících na stejném kmitočtu 5.1-1 Zobrazení využití kmitočtového spektra a minimální potřebná vzdálenost rozestupu navrhovaného a existujícího ILS zařízení v případě vysílání na stejném kmitočtu 5.1-2 Ukázka grafického zobrazení ILS Dresden – 109,7 MHz, ve vzdálenosti 112 km od ILSN 5.2-1 Zadání vstupních parametrů pro vyhledávání v software MANIF 6.0x 5.2-2 Výpis nalezených frekvencí

5.4-1 Směrovost ILS vysílacích antén užitých při výpočtu 5.5-1 Výpis zadání programu AeroData 5.5-2 Výpis výsledku – projev rušení typu A1, A2 a B1 pro stanovený kmitočet 108,150 MHz

Seznam tabulek 2.1-1 Kmitočtová pásma 2.4-1 Požadované separační vzdálenosti mezi ILS zařízeními 3.1-1 Kategorie přesného přiblížení 4.1-1 Seznam kmitočtů podléhajících koordinaci 4.2-1 Popis navigačního zařízení ILS letiště Brno Tuřany 4.2-2 Popis navigačního zařízení ILS letiště Karlovy Vary 4.2-3 Popis navigačního zařízení ILS letiště Pardubice 4.2-4 Popis navigačního zařízení ILS letiště Vodochody 4.2-5 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Kbely 4.2-6 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Náměšť 4.2-7 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Čáslav 4.2-8 Popis navigačního zařízení ILS letiště Dresden v SRN 4.2-9 Výčet traťových navigačních zařízení, které spadají do oblasti 200 km od ILS Praha-Ruzyně 4.2-10 Vzdálenost mezi ILS Praha-Ruzyně a ostatními posuzovanými navigačními zařízeními 5.3-1 Rozdíly v nalezených kmitočtech

Seznam zkratek CAT I, II, III

označení pro kategorii letiště pro přesné přiblížení

ČTÚ

Český telekomunikační úřad

DME

Distance Measuring Equipment

dálkoměrný systém

ERP

Effective Radiated Power

efektivní vyzářený výkon [W]

FM

frekvenční modulace nosného signálu

GP

Glide Path

sestupový maják

ICAO

International Civil Aviation Association

Mezinárodní organizace pro civilní letectví

IEEE

Standard Definitions of Terms for Antennas

Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství

ILS

Instrument Landing System

Systém přístrojového přiblížení

ITU

International Telecommunication Union

Mezinárodní telekomunikační unie

LLZ

viz LOC

kursový maják

LOC

Localiser

kursový maják

NDB

Non Directional Radio Beacon

nesměrový radiomaják

NM

Nautical Mile

námořní míle (1NM = 1,85 km)

UHF

Ultra High Frequency

kmitočtové pásmo 300 – 3 000 MHz

VHF

Very High Frequency

kmitočtové pásmo 30 – 300 MHz

VKV

velmi krátké vlny, viz VHF

Úvod Kmitočtové spektrum je nutno chápat jako přírodní zdroj, který dala příroda lidstvu a je nutno jej vnímat jako ostatní přírodní zdroje, např. uhlí, nafta, plyn, apod. Z hlediska využívání kmitočtového spektra je nutno přijímat takové postupy a nařízení, jež vedou k jeho maximálnímu využití, které je dané stupněm technického poznání a technických možností v místě a čase. Letecká doprava je jedním z uživatelů kmitočtového spektra. Přesto, že je pouze jeho uživatelem, jsou na spektrum určené letecké dopravě kladeny speciální požadavky. Situace, kdy nám zrní televize, se jistě nedá přirovnat k situaci, kdy je letadlo vedeno radiovým paprskem na přistání, a v jedné chvíli letecké palubní přístroje přestanou paprsek, pro jeho vysoké rušení, rozeznávat od šumu. Koordinací kmitočtového spektra se zabývají národní i mezinárodní organizace. Důvodem jednotného přístupu je nejen celosvětová jednota v rozdělení kmitočtového spektra, ale i fyzikální vlastnosti elektromagnetické vlny, jejíž šíření není omezeno geografickými hranicemi státu. Rozvoj letecké dopravy a služeb jako takových si vyžaduje stanovení míry bezpečnosti, která bude provozovateli leteckých společností, letišť a služeb řízení letového provozu dodržována. V souvislosti s tím se rovněž rozrůstají letiště a jejich vnitřní systémy, které tak poskytují větší kapacity pro cestující, letadla, odbavení, atd. Letiště Praha-Ruzyně je v současné době na svém kapacitním maximu. Výstavba terminálů Sever 1 a Sever 2 zvýšila kapacitu letiště až na 25 miliónů cestujících za rok, nicméně dráhový systém je již se současnými 12 mil. cestujících za rok přetížený. K vyřešení kapacitních problémů, stížností na vysoké zatížení okolních obcí hlukem a udržení či zvýšení provozní bezpečnosti, je nutné postavit paralelní dráhu. Tento záměr existuje již od 60. let. V současné době probíhá fáze příprav. Nová dráha si vyžádá rozšíření letištních navigačních systémů o přistávací systém pro přesné přiblížení. Ten má umožnit vykonání bezpečného přiblížení a přistání i za zhoršených meteorologických podmínek. Práce má za cíl stanovit optimální frekvenci přistávacího zařízení pro přesné přiblížení ILS (Instrument Landing System/Systém přístrojového přistání) tak, aby

1

nevzniklo riziko rušení ze strany stávajících systémů, či naopak, aby ony nebyly umístěním nového prvku rušeny. Na letišti Praha-Ruzyně budou umístěny dva systémy ILS na plánovanou paralelní dráhu označovanou jako 06R/24L. Je zapotřebí nalézt optimální kmitočet v leteckém navigačním spektru. Z důvodu komplexního přístupu k dané problematice je nutné brát v úvahu možné rušení ze strany navigačních systémů navzájem či VKV radiového vysílání, popsat aktuální stav na letišti Praha-Ruzyně a blízkém okolí a uvést princip činnosti vybraných leteckých navigačních zařízení. Na základě zjištěných skutečností pak určit optimální pracovní kmitočty pro systémy ILS a provést kontrolu pomocí specializovaného softwaru.

1 Úloha antény v radiokomunikačním řetězci [1] IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas definuje anténu jako zařízení pro vyzařování nebo příjem rádiových vln. Anténa představuje, vzhledem ke své pozici v radiokomunikačním řetězci, nejjakostnější prvek – „zesilovač“ celé radiokomunikační soustavy. Uplatňuje své výběrové hledisko, a to jak výběrem určitého pásma kmitočtů, tak také výběrem určitého směru příjmu. První hledisko je dáno vlastnostmi frekvenčního filtru, druhé souvisí se specifickou vlastností antén přijímat signál z určitého směru více než z ostatních – směrovost. Anténa má tedy možnost vybrat pouze určité pásmo kmitočtů a ostatní potlačit tak, aby vylepšila šumové vlastnosti z hlediska klasické radioelektroniky, mimoto má možnost potlačit příjem z nežádoucích směrů, ze kterých přicházejí rušivá elektromagnetické záření, ať již povahy nežádoucí radiové komunikace, nebo skutečného šumu způsobeného nejrůznějšími možnými přírodními či umělými zdroji. Vlastní příspěvek antény k šumu celého řetězce je dán pouze vlastními ztrátami na konstrukci antény, tedy většinou konečnou vodivostí a dále tzv. šumovou teplotou vlastní antény, která je vztažena právě ke směrovým vlastnostem. Tato šumová teplota má tedy fyzikálně jinou povahu, než jsme zvyklí u jiných prvků radiokomunikačního řetězce, kde se jedná především o šum způsobený uvnitř vlastního zařízení. U antény tento šum přichází naopak z míst, která nesouvisí s anténou, a je přijímán váženě podle směrové charakteristiky antény. Šumová teplota antény je chápána jako teplota fiktivního rezistoru na vstupu bezeztrátové nešumící antény, který je zahřátý na tuto teplotu. 2

Jinou možností definice antény v radiokomunikačním řetězci je definovat ji jako hraniční element radiokomunikační soustavy, který transformuje elektromagnetickou vlnu vedenou po určitém typu vedení na elektromagnetickou vlnu, která je vyzařována ne přijímána z volného prostoru. Anténu jako pasivní element s těmito vyznačenými vlastnostmi potom chápeme jako lineární symetrický prvek, a proto je možné zaměnit anténu vysílací a přijímací vzájemně. Pochopitelně z hlediska konkrétního využití se tyto antény liší. Existují antény všesměrové nebo naopak úzce směrové. Vysílací antény jsou uzpůsobeny pro maximální vyzáření elektromagnetické energie do prostoru a měly by mít malé vlastní ztráty a dobré přizpůsobení. S ohledem na výkonová hlediska jsou často robustnější konstrukce. Přijímací anténa je spíše konstruována tak, aby splňovala směrové vlastnosti, které daný typ komunikace vyžaduje. S ohledem na téma diplomové práce a jejího zaměření se v textu práce budeme věnovat anténám výhradně vysílacím.

1.1 Parametry antén [1], [2], [4] Klasickým a nejjednodušším rozdělením parametrů antén může být na to jak se anténa chová při měření ve volném prostoru, tedy její geometrie a vlastnosti materiálů ze kterých je postavena, a na hodnoty, které naměříme v případě, že s ní pracujeme jako s části obvodu. Tedy vlastnosti směrové, které jsou dány rozložením elektromagnetických zdrojů po celé její struktuře, a impedanční. Zdroji jsou náboje a v anténách především proudy, které tečou po určitých drahách po tělese antény. Pak poměrem napětí a proudu v místě připojení antény definujeme vstupní impedanci. Tyto proudy jsou podstatou vzniku vyzařované elektromagnetické vlny určitého prostorového uspořádání. Tím tedy anténa vytváří směrové vlastnosti. Změnou impedančních vlastností způsobíme současně změnu směrových vlastností. Vliv má rovněž její umístění v prostoru a konstrukce.

1.1.1 Směrová a vyzařovací charakteristika Pojem směrová charakteristika používáme v češtině u přijímacích antén, pojem vyzařovací charakteristika u vysílacích. Jedná se o stejnou veličinu popisující směrové vlastnosti antény. Z principů reciprocity a duality obecně plyne, že řada parametrů 3

vysílacích a přijímacích antén je záměnná a že odlišnost v jejich využití je spíš v konkrétních požadavcích kladených na uvedené třídy antén. Anténou vyzařované elektromagnetické pole lze ve sférických souřadnicích vystihnout obecným vztahem E = C ⋅ Ae jψ a0 F (ϑ , ϕ ) ⋅

e − jkr , r

kde C obsahuje konstanty prostředí, Ae jψ a0 je funkce buzení, tedy amplitudy a fáze zdrojové veličiny, F (ϑ , ϕ ) je vyzařovací charakteristika – prostorové rozložení vyzařované intenzity pole prostoru ve sférických souřadnicích a

e − jkr je závislost r

amplitudy a fáze vyzařovaného pole na vzdálenost r od antény. Obecná anténa se vyznačuje tím, že velikost jí vysílané elektromagnetické energie je různá v různých směrech. Směrová charakteristika je definovaná jako reprezentace směrových vlastností antény v závislosti na prostorových souřadnicích, vlastnosti určují komplexní intenzitu elektrického pole (amplitudu a fázi) a polarizační vlastnosti. Všesměrová (izotropická) anténa je definovaná jako hypotetická anténa, jejíž vyzařovací vlastnosti nezávisí na směru. Vzhledem ke komplexnosti pojmu (amplitudy, fáze a polarizace) není tato anténa fyzikálně realizovatelná. Pro řadu aplikací se však používá jako reference k popisu vlastností reálných antén. Směrovou charakteristikou izotropického zářiče je kulová plocha. Směrový zářič má výše uvedené vlastnosti podstatně závislé na konkrétním směru, do kterého vysílá. Speciálním typem je takzvaná všesměrová anténa/zářič (např. elementární dipól, elementární smyčka). Důvodem použití směrového zářiče je soustředit vysílací výkon do požadovaného směru. U směrové přijímací antény je zapotřebí zajistit příjem žádaného signálu z požadovaného směru. Vedlejším produktem je potom omezení vlivu nežádoucího signálu z ostatních směrů, mimo směr hlavního vyzařování antény. Směrové vlastnosti antény se nejčastěji znázorňují diagramem poměrné směrovosti. V něm je graficky znázorněna velikost napětí na svorkách antény v závislosti na úhlu, pod kterým dopadá na anténu rovinná vlna s konstantní intenzitou, u zářiče diagram znázorňuje vyzařovací směrové charakteristiky za konstantního napětí na svorkách zářiče.

4

Směrový diagram přijímací antény znázorňuje hlavní lalok a laloky postranní, či lalok zadní. Úhel α je většinou definován jako třídecibelová šířka svazku. Mírou směrových vlastností je velikost úhlu, v jehož rozsahu neklesne napětí na svorkách antény o více než 3 dB intenzity pole měřeného od osy antény (70,8 %, tj. 50 % pokles výkonu), jedná se o tzv. třídecibelová šířka hlavního svazku. Jednotlivé laloky směrového diagramu přijímací antény jsou odděleny místy minimálního příjmu, kterým se říká směry nulového příjmu. Polohy takového směru lze využít pří potlačení nežádoucího signálu. Potlačení nežádoucího signálu může být větší, je-li anténa k rušivému signálu směrována nulovým směrem i za cenu, že užitečný signál nedopadá ve směru hlavního maxima. U vysílací antény je popis směrového diagramu analogický.

Obr. 1.1-1 Směrový diagram vysílací antény – 2D zobrazení hlavní lalok (svazek) postranní laloky zpětný lalok

Obr. 1.1-2 Dva směrové diagramy vysílací antény – pro horizontální a vertikální rovinu – kartézské zobrazení 5

1.1.2 Výkonová hustota vyzařovacího pole Okamžitá hodnota Poyntingova vektoru je definovaná vektorovým součtem

s(t ) = e × h , kde s je okamžitá hodnota Poyntingova vektoru [W.m-2], e je okamžitá hodnota intenzity elektrického pole [V.m-1] a h je okamžitá hodnota intenzity magnetického pole [A.m-1]. Poyntingův vektor představuje výkonovou hustotu, celkový výkon antény získáme integrací vektoru přes obklopující plochu.

1.1.3 Intenzita vyzařování Intenzita vyzařování U v daném směru je definovaná jako výkon vyzařovaný anténou do jednotkového prostorového úhlu. Je to parametr, který získáme součinem vyzařované výkonové hustoty čtvercem vzdálenosti.

U = r 2 S vyz U je intenzita vyzařování [W.sr-1], S je hustota vyzařovaného výkonu [W.m-1] a r je vzdálenost od zdroje [m].

1.1.4 Směrovost Směrovost D je poměr intenzity vyzařování U v daném směru k intenzitě vyzařování referenční antény U0. Většinou se jako referenční anténa používá izotropický zářič, v některých případech krátký dipól. K výpočtu se užívají následující vzorce:

D(ϑ , ϕ ) = Dmax =

U (ϑ , ϕ ) 4πU (ϑ ,ϕ ) = U0 Pvyz

U max 4πU max = U0 Pvyz

2 U max = B0 Fmax (ϑ ,ϕ )

kde Fmax je maximum směrové charakteristiky, ϑ , ϕ určují směr maxima a B0 je konstanta úměrnosti. Směrová charakteristika se obvykle udává v decibelech. DdB = 10 log D 6

1.1.5 Vstupní impedance Vstupní impedance je definovaná jako impedance antény na jejích napájecích svorkách, tedy jako poměr napětí a proudu na těchto svorkách viz obr. 1.1-3.

Obr. 1.1-3 Náhradní obvod antény Z A = R A + jX A ; R A = Rvyz + R ztr ,

ke ZA je vstupní impedance antény, vztaženo k místu napájení. Rvyz je vyzařovací odpor a Rztr je ztrátový odpor antény. Vyzařovací odpor antény je vztažen k amplitudě proudu,

vztah platí např. pro půlvlný dipól. Vyzářený výkon a ztracený výkon se vypočítá: Pvyz =

Pztr =

2

  Rvyz ⋅  2  ( Rvyz + R ztr + R g ) + ( X A + X g ) 2 

Ug

2

  R ztr ⋅  2  ( Rvyz + R ztr + R g ) + ( X A + X g ) 2 

Ug

1.1.6 Účinnost antény Celkový výkon vyzářený anténou Pvyz a výkon Pvst na vstupu bezztrátové antény jsou svázány vztahem 7

Pvyz = ηPvst , kde

η označuje bezrozměrnou celkovou účinnost antény, která v sobě zahrnuje ztráty na vstupu a uvnitř anténní struktury, což jsou ztráty odrazem výkonu ηr v důsledku nepřizpůsobení napájecího vedení, ztráty ηc v důsledku konečné vodivosti kovových částí antény a ηd ztráty v dielektriku, které se nachází v objemu anténní struktury. Celková účinnost tak může být zapsána pomocí složky z nepřizpůsobení ηr, dielektrických ztrát ηd a složky, kterou se uplatňuje konečná vodivost materiálu antény ηc.

η= ηr ηd ηc Celkovou účinnost rovněž ovlivňují objekty ležící v blízkosti antény. Ty jsou sice mimo vlastní anténu, ale ovlivňují rozložení proudu a napětí a absorbují část výkonu.

1.1.7 Vyzařovací účinnost antény Vyzařovací účinnost antény je dána vztahem níže a slučuje v sobě ztráty způsobené konečnou vodivostí materiálu ηc a ztráty v dielektriku ηd.

η vyz =

Rvyz R ztr + Rvyz

= η cη d

1.1.8 Výkonový zisk Výkonový zisk je dán poměrem vysílacího výkonu (výkon na výstupní ploše antény) k výkonu dodávanému na vstup antény. Častěji se ale používá relativní zisk, jako poměr výkonového zisku v daném směru k výkonovému zisku referenční bezztrátové antény. Zisk je tedy poměr na vstupu bezztrátové referenční antény k výkonu, který musíme přivést do skutečné antény, aby produkovala v daném směru totéž pole (stejný výkonový tok). Tato hodnota se většinou vyjadřuje v decibelové míře, a to takto:

G (ϑ , ϕ ) dB = 10 log G (ϑ , ϕ )

8

1.1.9 Šumová teplota antény Absolutně černé těleso vyzařuje elektromagnetickou energii, jejíž velikost můžeme určit podle Planckova zákona. Tento výkon má šumovou povahu a pro pásmo rádiových vln můžeme použít jeho aproximaci danou vztahem

PN = kT0 ⋅ ∆f , kde PN je celkový šumový výkon vyzařovaný objektem [W], k je Boltzmannova konstanta [1,38 . 10-23 J/K], T0 je teplota objektu [K]a ∆f je šířka pásma [Hz]. Šumový výkon generují v závislosti na své teplotě všechna tělesa v okolí antén, rovněž i ztrátové prvky na vlastním tělese antény. Celkové množství energie vyzařované objekty se většinou reprezentuje pomocí ekvivalentní teploty nebo častěji podle jasové teploty:

PN = kT j ⋅ ∆f

(

2

)

T j = εT0 = 1 − R T0

,

kde Tj je jasová teplota objektu, ε je emisivita anténou sledovaného jevu, T0 je absolutní fyzikální teplota a R je koeficient odrazu povrchu tělesa pro danou polarizaci elektromagnetické vlny a danou geometrii uspořádání. Emisivita ε je bezrozměrná, fyzikálně velmi závislá veličina, která závisí na teplotě, frekvenci, elektrických materiálových parametrech, polarizaci a tvaru povrchu.

2 Radionavigace [5], [7] Slovo navigace je odvozeno z latinských slov „navis“ – loď a „agere“ – řídit, hýbat se. V původním významu tedy navigace znamenala řízení pohybu lodí. Po vzniku letectví a hlavně obchodní dopravy vzniká letecká navigace, jejímž úkolem je určování polohy letadel nad zemským povrchem, vedení letadel po předem stanovených tratích s danou přesností a zajištění jejich bezpečného přistání v daném místě a čase. V současné době se výsledků získaných v letectví a námořnictvu používá pro navigaci vozidel, jednotlivců či skupin lidí ve známém i neznámém terénu. Rádiová navigace, zkráceně radionavigace, je speciální odvětví obecné navigace, které pro plnění úkolů používá vhodné radiové prostředky. Jak je výše popsáno, k letecké navigaci je užito mnoho různých navigačních prostředků pracujících na různých principech, v odlišných frekvenčních pásmech a 9

užitých na různých místech letecké trati. V této práci se budu zabývat navigačními prostředky užitými v poslední fázi letu, radionavigačními prostředky sloužícími k přesnému přiblížení na letiště Praha-Ruzyně. Úkolem této práce je popsat stávající navigační prostředky sloužící k navedení letadel na přistání a zabezpečující danou kategorii přesného přiblížení, jakož i stanovení nových navigačních prostředků v souvislosti s budoucí výstavbou paralelní dráhy 06R/24L a stanovení optimální využití kmitočtového spektra tak, aby nedošlo k omezení nebo narušení stávajícího systému. Nutnou součástí této práce je proto popis stávajícího systému umístěného na přistávacích drahách na letišti Praha-Ruzyně, popis funkce jednotlivých zařízení a návrh nového zařízení.

2.1 Přistávací systémy obecně Jednou z nejnebezpečnějších letových fází je konečné přiblížení, tedy příprava na přistání a vlastní přistávací manévr. Při vzniku letectva bylo možné, vzhledem k nedostatečnému přístrojovému vybavení letadel, létat pouze za příznivého počasí a ve dne. Toto způsobovalo velké zpoždění letů, popřípadě odklonění na jiné letiště, což mělo za následek nepopularitu letecké dopravy. Postupným rozvojem přístrojového vybavení palub letadel a letišť bylo možné přiblížení na přistání provádět podle přístrojů, tedy za snížené viditelnosti. Meteorologická situace přestala být limitujícím parametrem pro bezpečné vykonání letu či přistávacího manévru. Úsilí zvýšit letovou bezpečnost právě za nepříznivých podmínek stále pokračuje. Cílem je vyvinout takovou navigační soustavu, která by manévr konečného přiblížení i přistání uskutečnila automaticky, bez zásahu pilota. Pro potřebu klasifikace vlastní meteorologické situace bylo nutné stanovit tzv. meteorologické minima. Podle nich jsou pak určeny stupně vybavenosti letiště navigačními prostředky pro přesné přiblížení. Kategorie

Minimální dohlednost - minimální dohlednost v horizontální rovině

I 800 m II 350 m III A 200 m III B 50 – 200 m III C 0m Tab. 2.1-1 Kategorie přesného přiblížení 10

Minimální výška rozhodnutí minimální výška kdy musí pilot mít vizuální kontakt se zemí 60 m 30 m 0 – 30 m 0 – 15 m 0m

K tomu, aby byla zabezpečena potřebná kategorie přesného přiblížení na přistání, musí být letiště patřičně vybaveno. Mezinárodní organizace pro civilní letectví stanovilo, že nutné vybavení pro splnění požadavků pro kategorii I a víc je systém ILS.

2.2 Systém pro přesné přiblížení ILS [5], [6], [11] Přesné přibližovací zařízení ILS (Instrument Landing System / Systém přístrojového přiblížení) poskytuje pilotovi na trati konečného přiblížení stálou informaci jak o směrovém vedení letadla, tak i o jeho vertikální poloze. Pilot v každém okamžiku umí vyhodnotit, zda se s letadlem nachází vlevo nebo vpravo od trati konečného přiblížení, nad či pod sestupovou rovinou. Proto je schopen okamžitě provádět korekce a vést letadlo přesně po sestupové rovině i v ose dráhy. Odtud tedy název přesné přiblížení. ILS je radionavigační pozemní zařízení, jež se skládá ze dvou radiomajáků a tří polohových návěstidel.

Kursový maják VKV kursový radiomaják vyzařuje elektronickou rovinu kolmou k rovině dráhy směrem v ose dráhy. Nazýváme ho localizer (LLZ). Je instalován přibližně 400 m za koncem dráhy a zajišťuje letadlu směrové vedení na trati konečného přiblížení. Signál vysílaný anténním systémem kursového majáku v pásmu mezi 108 MHz až 111,975 MHz vytváří složený vyzařovací diagram. Odstup používaných nosných kmitočtů musí být větší než 5 kHz a větší než 14 kHz. Přidělování kmitočtů pro kursový maják ILS je dáno podmínkou lichého čísla za desetinou čárkou, např. kmitočty 108,1; 108,15; 108,3; 108,35; … Vysílání kursového majáku musí být orientováno horizontálně. Nosná frekvence obsahuje amplitudově modulované navigační tóny 90 Hz a 150 Hz, které představují kursový sektor, v němž převažuje hloubka modulace jednoho navigačního tónu na jedné a druhého navigačního tónu na druhé straně od kursové čáry. Na kursové

čáře je hloubka modulace obou tónů stejná. Z pohledu přiblížení letadla k prahu dráhy směrem na kursový maják převažuje vpravo hloubka modulace nosného kmitočtu navigačním tónem 150 Hz a vlevo hloubka modulace nosného kmitočtu navigačním tónem 90 Hz. Ideální směrové vedení přímo na osu dráhy je pouze tehdy, jsou-li oba navigační tóny stejně silné. Pro dostatečně kvalitní příjem pro vedení nesmí být vyzářený výkon menší než 100 µV/m (-106 dBW/m2). 11

Obr. 2.2-1 Zobrazení kursové a sestupové osy vzniklé průnikem stejných hloubek modulace dvou navigačních tónů 90 a 150 Hz Elektromagnetické pole lze vytvořit jen v určitém úhlu a do omezené vzdálenosti od prahu dráhy. Předpisy určují minimální hodnoty takového krytí. Hodnoty krytí kursového majáku: - 46,3 km (25 NM) v rozmezí ± 10° od kursové čáry předního kursového sektoru, - 31,5 km (17 NM) mezi 10° a 35° od kursové čáry předního kursového sektoru a je-li zajištěno krytí do vzdálenosti: - 18,5 km (10 NM) v ostatních směrech mimo sektor ± 35°, s výjimkou, že pokud to provozní požadavky dovolí, mohou být v případě nepříznivých terénních podmínek hranice krytí sníženy na 33,3 km (18 NM) v rozmezí ± 10° a 18,5 km (10 NM).

12

Obr. 2.2-2 Požadavky na krytí kursového majáku

Sestupový maják UKV sestupový maják vyzařuje elektronickou vlnu, která tvoří sestupovou rovinu a nazýváme ho glide path (GP). Je instalován ve vzdálenosti nejméně 120 m vlevo nebo vpravo od osy dráhy na úrovni bodu dotyku a zajišťuje letadlu plynulé a rovnoměrné klesání v průběhu konečného přiblížení. UHF signál o frekvenci 328,6 MHz až 335,4 MHz vysílaný anténním systémem sestupového majáku vytváří složený vyzařovací diagram obsahující amplitudově modulované navigační tóny 90 Hz a 150 Hz. Odstup mezi užívanými nosnými musí být mezi 4 kHz a 32 kHz. Hloubka modulace navigačního tónu 150 Hz převažuje pod a hloubka navigačního tónu 90 Hz nad sestupovou rovinou. Vysílání je polarizováno horizontálně. Rovina sestupového majáku je nakloněná rovina vedoucí až na dotykovou zónu na dráze, svírá s rovinou dráhy úhel 3°.

Obr. 2.2-3 Požadavky na vertikální krytí sestupového radiomajáku 13

Pro poskytnutí řádného krytí v sestupové rovině nesmí vyzařovaný výkon klesnout pod 400 µV/m (-95 dBW/m2). V obou případech (u kursového majáku i u sestupového majáku) se nosný kmitočet moduluje na navigační tón o frekvenci 90 Hz a 150 Hz. Poměr tónů určuje velikost odchýlení letadla od sestupové osy. Kmitočty kursového a sestupového majáku jsou spolu systémově svázány a každému kmitočtu kursového majáku je přidružen vždy týž kmitočet sestupového majáku. Kmitočtové páry jsou stanoveny Mezinárodní organizací pro civilní letectví, Přílohou č. 10 (Annex 10) [11].

Obr. 2.2-4 Ukázka amplitudové modulace nosné frekvence kursového nebo sestupového majáku

Polohová návěstidla VKV polohová návěstidla (markery) vyzařují směrem vzhůru amplitudově modulovaný kmitočet a jsou instalována v ose dráhy v úseku konečného přiblížení. Při jejich přeletu udávají letadlu informaci o jeho poloze od prahu dráhy, provázenou přerušovanou světelnou a zvukovou signalizací. Návěstidla pracují všechna na nosném kmitočtu 75,0 MHz a fungují tak, že vyzařují kolmo vzhůru jakýsi kužel radiových vln. Vysílání je polarizováno horizontálně. Síla elektromagnetického pole pro dostatečně kvalitní příjem nesmí poklesnout pod 1,5 mV/m (-82 dBW/m2). Přijímač v letadle je pevně naladěn na 75 MHz a zachytí signál při přeletu antény. Pokud se vyskytnou zvláštní provozní požadavky, může letecký úřad udělit výjimku pro instalaci dalšího, třetího polohového návěstidla. Návěstidla se označují 14

vnější, střední a vnitřní. Majáky (markery) lze identifikovat pomocí modulace nosné vlny. Vnější polohové návěstidlo je modulováno frekvencí 400 Hz a pro identifikaci vysílá (klíčováním modulačního signálu) nepřetržitě čárky rychlostí 2 čárky za sekundu (▬ ▬). Střední polohové návěstidlo je modulováno frekvencí 1 300 Hz, vysílá střídavě tečky a čárky rychlostí 2 čárky nebo 6 teček za sekundu (▬ ▬ • • • • • •), a vnitřní polohové návěstidlo má modulační kmitočet 3 000 Hz a vysílá nepřetržitou sérii teček rychlostí 6 teček za sekundu (• • • • • •). Vnitřní polohové návěstidlo by mělo být umístěno ve vzdálenosti mezi 75 m a 450 m od prahu dráhy. Střední polohové návěstidlo vyznačuje blízkost místa přechodu z přístrojového na vizuální vedení letadla, provádějícího přiblížení na přistání. Mělo by být umístěno ve vzdálenosti 1.050 m ± 150 m od prahu dráhy. Vnější polohové návěstidlo musí být umístěno tak, aby dostatečně sloužilo k ověření správné výšky, vzdálenosti a

činnosti zařízení letadla ve fázi středního a konečného přiblížení na přistání. Umístění vnějšího polohového návěstidla se doporučuje ve vzdálenosti 7.200 m od prahu dráhy.

Obr. 2.2-5 Podélný řez sestupovou rovinou s umístěním tří markerů Během vývoje leteckých navigačních zařízení byl v 60. letech vyvinut tzv. DME (Distance Measuring Equipment / zařízení pro měření vzdálenosti), je tedy možné se setkat s tím, že namísto VKV polohových návěstidel je jako součást systému ILS použitý 15

měřič vzdálenosti DME. DME má dvě zásadní výhody oproti návěstidlům - jeho vysílač je umístěn na letišti, nevyžaduje tedy instalaci na vzdálených místech od pozemku letiště, a poskytuje pilotovi spojitou informaci o vzdálenosti. Proto jsou instalace nových „ILSů“ většinou vybavena instalací DME místo návěstidel. DME však je zcela odlišný systém a není fyzickou součástí ILS. Proto se v tom případě neexistence polohových návěstidel použije označení ILS/DME. Nevýhodou je nutnost mít DME přijímač jako palubní vybavení letadla, bez něj nelze provést ILS/DME přiblížení. Jelikož se však DME dnes běžně používá i pro traťovou navigaci, bývá tento požadavek obvykle splněn.

Obr. 2.2-6 Systém ILS v plné konfiguraci – kursový maják (localiser - 1), sestupová rovina (glide path – 2), 2x marker – 3, 4 Obě vyzařované elektronické roviny GP a LLZ jsou na sebe kolmé a průnik dvou rovin v prostoru je vždy přímka. Tato přímka vychází z bodu dotyku v ose dráhy a zpravidla svírá s rovinou dráhy 3º. Palubní vybavení ILS se skládá ze sestupového, směrového a markerového přijímače. Po naladění příslušného kmitočtu je signál v přijímačích zachycen a veden k palubním přístrojům. Ukazatel směrového a sestupového radiomajáku ILS je palubní zařízení se dvěma na sebe kolmými osami – vodorovnou a svislou. Každá osa je rozdělena na deset dílků, pět dílků nahoru a dolů a pět vlevo a vpravo od středu indikátoru. Výchylka ručiček indikátoru udává velikost odchýlení letadla od správné sestupové roviny.

Rušení ILS Základní výhodou ILS je poměrně velká odolnost proti atmosférickému rušení VHF a UHF frekvence nejsou tolik ovlivněny meteorologickými jevy, jako třeba 16

středovlnné. Rovněž použitý způsob modulace jedné nosné dvěma různými frekvencemi zaručuje odolnost proti meteorologickým jevům a různým podmínkám šíření vln (např. při sněžení přijímáme v určité vzdálenosti slabší signál než při jasném počasí, ale obě modulace jsou sněžením zeslabeny stejně, a proto se kursová nebo sestupová rovina neodchyluje - přijímač na palubě vždy vyhodnocuje jen poměr obou signálů modulací, ne jejich absolutní hodnotu). Poloha rovin je však závislá na směrovém diagramu antén, který je ovlivňován překážkami v okolí antény, převážně ve směru šíření signálu. Výskyt interference signálů ILS závisí na celkovém okolí a charakteristikách antén ILS. Každý velký odrážející objekt, včetně provozních mechanismů nebo pevných objektů (např. staveb v prostoru vyzařování signálů) může potenciálně vyvolat interferenci na struktuře kursové nebo sestupové čáry, to se projeví jako zvlnění kursové nebo sestupové čáry do nepřijatelných hodnot. Umístění a velikost odrážejících pevných objektů a staveb ve spojení se směrovými vlastnostmi antén určují staticky kvalitu struktury kursu nebo sestupu CAT I, II nebo III. Mobilní objekty, kterými se rozumí zejména pojíždějící letadla, mohou zhoršit tuto strukturu na nepřijatelné hodnoty. Prostory, ve kterých je možné takové ovlivnění, je třeba definovat a určit. Pro účely zpracování kritérií ochranných prostorů se tyto dělí na dva typy - kritické prostory a citlivé prostory. Kritický prostor ILS je oblast definovaná rozměry v okolí antény kursového majáku a sestupového majáku, kde se nesmí mechanismy včetně letadel v době činnosti ILS vyskytovat vůbec. Kritické prostory jsou chráněny, protože výskyt vozidel nebo letadel uvnitř vyvolá nepřípustné zkreslení signálu ILS v prostoru. Citlivý prostor ILS je oblast okolo kritického prostoru, kde je řízen pohyb a parkování vozidel a letadel pro zamezení možné nepřijatelné interference signálu ILS.

2.3 VKV všesměrový maják VOR (VHF omnidirectional range) [5], [11] Navigační zařízení VOR – VHF omnidirectional range je složeno ze sítě všesměrových majáků, pomocí kterých je uživateli udáván kurs vzhledem ke zvolenému majáku. Mezi hlavní přednosti patří použití VKV pásma a z toho vyplývající zanedbatelné atmosférické a průmyslové rušení, prakticky přímočaré šíření, malé rozměry 17

požadovaných anténních soustav a malé rozměry palubní části systému. Nevýhodou je krytí, které se omezuje pouze na optický dosah a náchylnost na nepřesnosti způsobené odrazem vln od terénních překážek. VOR udává údaj o odchylce od předem zadaného kurzu, vybavenější palubní přístroje udávají i úhel, který svírá osa letadla se směrem na maják VOR. VOR dle doporučení Mezinárodní organizace pro civilní letectví pracuje na kmitočtech mezi 111,975 MHz a 117,975 MHz. Může však se svolením a splněním určitých podmínek využívat i pásmo mezi 108 a 111,975 MHz. Rozteč mezi kanály se dává obvykle 50 kHz. Při přidělování kmitočtů pro antény VOR se užívá kmitočtů, které mají sudou číslici za desetinou čírkou, např. 108,200; 108,250; 108,400; atd.… Funkce spočívá v tom, že nosná vlna nese dva oddělené nízkofrekvenční signály o kmitočtu 30 Hz. Jeden z nich je nezávislý na kursu, je vysílán všesměrově a označován jako referenční, a druhý má proměnnou fázi vzhledem k signálu referenčnímu, s rozdílem fází odpovídající změně kurzu k majáku od 0 do 360°. Např. ve směru 090° se proměnná fáze liší od referenční o 90°. Elektrický fázový posun ve stupních je shodný s úhlem od severu ve stupních. Změřením fázového posunu referenčního a proměnlivého signálu získáme zaměření vzhledem k majáku, a to v kterémkoliv místě dosahu majáku. Anténní soustava se skládá z pěti antén umístěných ve vrcholech a středu čtverce. Střední vyzařuji horizontálně polarizovanou vlnu s kmitočtově modulovaným referenčním signálem. Protilehlé páry jsou napájené signálem vzájemně fázově posunutým o 180°, takže vzniká osmičkový vyzařovací diagram, který se otáčí rychlostí 1800 ot./min = 30 Hz. Přesnost zobrazeného údaje je 1°. U traťového navigačního zařízení je toto dostatečná přesnost, která je tak pilotovi při směrovém vedení poskytována.

2.4 Dálkoměrný

systém

DME

(distance

measuring

equipment) Princip činnosti tohoto zařízení v této práci uvádím proto, že dálkoměrný systém DME se v poslední době stává nedílnou součástí systému ILS. Jak bylo v kapitole výše

řečeno, z důvodu informování pilota o tom, v jaké fázi letu se právě nachází a jak daleko od dráhy, je systém ILS vybaven vnějším a vnitřním návěstidlem, která při klesání letadla 18

po sestupové rovině dávají pilotovi audiovizuální informaci o fázi sestupu, a tedy i o vzdálenosti od dráhy. Tato informace je však nespojitá, značně nepřesná, a rovněž umísťování markerů je pro provozovatele obtížné, protože se většinou jedná o pozemky nesouvisející s letištěm, je nutné zajistit dostatečnou ochranu, napájení, atd. Systém DME v kombinaci s ILS se stává výhodným kompromisem. Pilotovi se dostává spojitá informace o vzdálenosti k anténě, která je umístěna v blízkosti bodu dotyku přistávací dráhy. V tomto případě je pracovní frekvence DME zpřažená s frekvencí kursového majáku. Tak jako je zpřažená frekvence kursového a sestupového majáku. Pilot pak naladěním jedné frekvence dostává informaci ze třech různých navigačních prostředků, kursového majáku, sestupového majáku a DME. V Letecké informační příručce (dokument, který podá pilotovi potřební informace o daném letišti) bývá v tomto případě uveden pouze kmitočet kursového majáku. Dálkoměrný systém DME pracuje na principu OTÁZKA – ODPOVĚĎ. DME vysílá na kmitočtech 1 025 MHz až 1 120 MHz. Palubní dotazovač vysílá impulsy na jednom ze 126 kmitočtových kanálů s krokem 1 MHz. Dotazovací impuls má tvar párového impulsu. Impulsy páru jsou od sebe vzdáleny o 12 µs. Délka každého z těchto impulsů je 3,5 µs. Opakovací kmitočet dotazovacích impulsů je proměnlivý a může se měnit od 5 do 150 párových impulsů za vteřinu. Impulsní výkon dotazovacích impulsů je 50 W – 2 kW. Použití párových impulsů dovoluje snížit vliv poruch způsobených kromě jiného i ostatními dotazovači jiných letadel. Pozemní maják přijme dotaz a po určité době zpoždění, která konstantně činí 50 µs, uskuteční jejich retranslaci k dotazovači. Retranslace je uskutečněna na kmitočtu, který je o 63 MHz posunut níže či výše, než je kmitočet dotazu. Impulsní výkon retranslátoru je 1 – 20 kW. Palubní dotazovač automaticky určuje dobu zpoždění mezi okamžiky vyslání dotazu a příjmem odpovědi. Na základě toho může být na stupnici zobrazena vzdálenost letadla od antény retranslátoru. Každý odpovídač je navržen tak, aby byl schopen odpovídat současně na 50 – 100 dotazů. Přesnost vyhodnocení vzdálenosti bývá 3% ze stupnice na palubně letadla. Dotazovač je možné zapnout do režimu hrubšího zjištění vzdálenosti, což způsobí větší rozestupy mezi odeslanými párovými impulsy, přesnost poté bývá do 160 m a jemnější zjištění hodnoty vzdálenosti, pro menší vzdálenosti od DME, přesnost je poté do 16 m.

19

3 Kmitočtové plánování [2], [3], [8], Zásadním elementem kmitočtového hospodářství je fakt, že využívání spektra je na jedné straně výrazem národní suverenity a má přímý dopad na bezpečnost státu a součastně na straně druhé je radiová komunikace ze své podstaty činností, kterou nelze omezit státními hranicemi. Kmitočtové spektrum, jako médium nezbytné pro fungování

řady služeb, je také možno chápat jako důležitou komoditu. Z výše uvedeného je zřejmé, že kmitočtové hospodářství je komplexní obor zahrnující jak činnosti ryze technické, tak regulační, strategické a politické. Správa kmitočtového spektra je prakticky ve všech zemích světa svěřena vládní instituci, která dbá na to, aby bylo kmitočtové spektrum využíváno v souladu se zákony a úmluvami. Tato instituce obvykle také reprezentuje svůj stát na mezinárodní úrovni a garantuje mezistátní úmluvy týkající se využívání spektra. V České

republice

je

správou

kmitočtového

spektra

pověřen

Český

telekomunikační úřad (ČTÚ), a to na základě ustanovení § 3 zákona č. 127/2005 Sb., o elektronických komunikacích a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o elektronických komunikacích).

ČTÚ vykonává zajištění správy a účelného využívání rádiových kmitočtů, správu rádiového spektra, která je v souladu s celosvětovými harmonizačními záměry Evropských společenství. Rádiovým spektrem se v současné době rozumí elektromagnetické vlny o kmitočtech od 9 kHz do 3 000 GHz šířené prostorem bez zvláštního vedení. Správou rádiového spektra se rozumí rozdělení kmitočtů (kmitočtových pásem) jednotlivým

radiokomunikačním

službám,

které

jsou

celosvětově

definovány

v Radiokomunikačním řádu vydávaným Mezinárodní telekomunikační unií (ITU). Na národní bázi je sestavení Plánu využití rádiového spektra, udělování individuálního oprávnění k využívání rádiových kmitočtů, udělování přídělu rádiových kmitočtů, udělování souhlasu k převodu práv vyplývajících z přídělu rádiových kmitočtů, přidělování volacích značek a identifikačních čísel a kódů, koordinace rádiových kmitočtů a kmitočtových pásem a kontrola využívání rádiového spektra. ČTÚ v rámci správy rádiového spektra odpovídá za jeho optimální využití.

20

Efektivní využívání rádiového spektra vyžaduje mezinárodní koordinaci celé řady

činností. Tato potřeba vedla ke vzniku mnoho mezinárodních organizací a institucí, jejichž mandát souvisí právě s využíváním rádiového spektra. Na celosvětové úrovni je zásadní institucí Mezinárodní telekomunikační unie (ITU), dále se specifickými oblastmi zabývají například Mezinárodní organizace civilního letectví (ICAO), Mezinárodní námořní organizace (IMO), unie radioamatérů (IARU), Světová organizace obchodu (WTO) a další. Na evropské půdě je nejdůležitější CEPT – Evropská konference regulačních orgánů v oblasti pošt a telekomunikací. Rádiové spektrum je rozděleno na kmitočtová pásma označená vzestupnými celými čísly, např. dle dále uvedené tabulky. Jednotkou kmitočtu je hertz (Hz) a kmitočty se např. v Radiokomunikačním řádu vyjadřují: – v kilohertzích (kHz) od 9 kHz do 27 500 kHz včetně, – v megahertzích (MHz) od 27,5 MHz do 10 000 MHz včetně, – v gigahertzích (GHz) od 10 GHz do 3 000 GHz včetně. Existují i jiná dělení kmitočtů. Podle Plánu přidělení kmitočtových pásem je dělení následující. Číslo pásma N

Symboly

4 5 6 7 8 9 10 11 12

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF ---

Rozsah kmitočtů (dolní mez Odpovídající názvy mimo, horní mez včetně) pásem 3 až 30 kHz 30 až 300 kHz 300 až 3000 kHz 3 až 30 MHz 30 až 300 MHz 300 až 3000 MHz 3 až 30 GHz 30 až 300 GHz 300 až 3000 GHz

myriametrové kilometrové hektometrové dekametrové metrové decimetrové centimetrové milimetrové decimilimetrové

Metrické zkratky pro pásma Mam km hm Dm m dm cm mm ----

Tab. 2.1-1 Kmitočtová pásma Pro určování pásem platí následující podmínka. Číslo pásma N platí od 0,3 × 10N Hz do 3 × 10N Hz.

21

3.1 Kmitočtová koordinace versus rádiové rušení [9], [10], [12] Rozvoj a využívání radiokomunikačních služeb přináší s sebou řadu technických a s tím často spojených legislativních problémů. Je-li definována požadovaná chybovost provozu radiokomunikačního systému, je třeba respektovat technické možnosti použitého zařízení,

zejména

jeho

odolnost

vůči

rušení

vyvolaného

provozem

jiných

radiokomunikačních zařízení či celých systémů. Zároveň je však také třeba zkoumat rušení, která může způsobit provoz navrhovaného rádiového zařízení ostatním radiokomunikačním službám. K pokrytí vysoké poptávky po přidělení kmitočtů je třeba přistoupit k opakování užívaných kmitočtů. Tím se dostává do popředí otázka stanovení a kvantifikace kriterií, která mají zajistit možnost vícenásobného využití daného kmitočtu tak, aby provoz navrhovaného radiokomunikačního zařízení nebyl v požadovaném prostoru služby rušen ostatními radiokomunikačními provozy, a aby sám takové rušení nepůsobil. V praxi je možno tento požadavek popsat termíny pasivního a aktivního rušení.

Typické oblasti výskytu rušení Pomineme-li rušení průmyslového charakteru, potom rádiová rušení vznikající provozem systémů radiokomunikačních služeb je možno rozdělit do následujících oblastí: - rušení mezi systémy uvnitř jediné radiokomunikační služby; - rušení mezi systémy různých radiokomunikačních služeb; - rušení na kombinačních kmitočtech generované na nelinearitách radiokomunikačních zařízení nebo podél cesty rádiového přenosu, zejména v blízkosti jejích koncových bodů; - rušení vysokofrekvenčním polem v nízkofrekvenčních obvodech (radary, mobilní telefony systému GSM). Třetí a čtvrtá oblast je zde rozlišena z demonstračních důvodů, třebaže fyzikální podstata rušení je v obou oblastech táž - nelinearity.

22

Rámcový rozbor Pod pojmem radiokomunikační služby je třeba chápat služby definované podle

Článku I Radiokomunikačního řádu (dále jen Řádu). Rušení generovaná stejným druhem služby nebo též rušení vnitroslužbová jsou dána provozem shodných radiokomunikačních zařízení se shodnými systémovými parametry. Jedná se zejména o totožnou modulační metodu a podobné nebo totožné systémové parametry přijímače např. jeho citlivost, požadovaný odstup úrovně užitečného signálu od úrovně signálů rušících, funkce rozdílu mezi kmitočtem provozním a rušícím. Jako příklad může posloužit jakékoli rušení vznikající v rámci radiokomunikační služby stejného druhu. Zda dané radiokomunikační zařízení je či není rušeno, závisí na jeho pracovním kmitočtu fD, na kmitočtu rušícího signálu fU, na úrovních užitečného (D) a rušícího (U) signálu. Obecně je možno tuto situaci popsat následovně: Rušení = fce (D, U, OP) kde OP (ochranný poměr) je požadovaný minimální rozdíl mezi úrovní užitečného signálu a signálu rušícího pro kmitočty fD a fU. Tedy:

∆f = fD - fU

a potom OP = fce (∆f)

Dalším možným rušením jsou potom rušení, která vznikají mezi různými druhy radiokomunikačních služeb. Rušení vznikají v těch kmitočtových pásmech, která jsou různými druhy radiokomunikačních služeb sdílena. Podle zápisu dané služby v kmitočtové tabulce se potom může jednat o sdílení mezi službami stejné priority, tedy sdílení souřadného charakteru, nebo může jedna ze služeb být zapsána jako přednostní a druhá jako podružná. V druhém případě pak z hlediska rušení služba podružná musí respektovat službu, která je zapsána jako přednostní. U služeb se stejnými prioritami se aplikují odsouhlasené koordinační postupy. V případě služeb souřadných je tedy nutno rušení posuzovat právě tak, jako by se jednalo o rušení vnitroslužbové. V kmitočtových tabulkách (tabulka Radiokomunikačního řádu; Národní kmitočtová tabulka) je možno ve většině kmitočtových pásem nalézt sdílení, a tedy potřebu odsouhlasené mezislužbové koordinace. Při těchto typech koordinací se postupuje vždy specificky podle druhu a systémových parametrů radiokomunikačních služeb, které dané kmitočtové pásmo sdílejí.

23

Rušení na nelinearitách V poslední době rychle přibývá případů rušení na kombinačních kmitočtech, generovaného na nelinearitách radiokomunikačních zařízení a v jejich blízkém okolí. Prostorové i kmitočtové zahušťování rádiových provozů vede zákonitě ke vzniku rušení na kombinačních kmitočtech, jehož kvantifikace i odstraňování je velice obtížné. Tato rušení vznikají kombinací několika kmitočtů (minimálně dvou) na nelinearitách, buď přímo v napadeném přijímači nebo obecně na kovových přechodech (spojích) v blízkosti anténního systému (vysílače nebo přijímače), které jsou napadeny korozí. Tak nechtěně vzniká polovodičový přechod, který se stává zdrojem tohoto typu rušení. Tato rušení je možno rozdělit do dvou oblastí: A) intermodulační produkt vznikající kombinací kmitočtů na nelinearitách kovových konstrukcí, B) intermodulační produkt daný kombinací kmitočtů vznikající v přijímači napadeném rušením. Definujeme je vztahem: fintermod = f1 + f2 – f3 , kde fintermod je intermodulační produkt spadající do rozsahu pracovního kmitočtu rušeného přijímače, f1, f2, f3 jsou pracovní kmitočty vysílačů, jejichž elektromagnetické pole způsobuje rušení na kombinačních kmitočtech, přičemž musí platit f1 ≥ f2 > f3. Rušení typu A je omezeno na společná stanoviště na nichž se rušící kmitočty provozují, prakticky tam, kde se vysílání provozuje na společném anténním nosiči nebo na různých nosičích, ale ve vzájemné blízkosti. Jedná se o velice nepříjemné rušení, neboť může vznikat kombinací různých kmitočtů. Úroveň rušení je potom dána následující funkcí: R = N1 + N2 + N3 – MU , kde N1; N2; N3 jsou jednotlivé složky rušícího signálu, MU je maximální přípustná úroveň sumy rušících signálů (lineární superpozice jejich výkonů) na vstupu rušeného přijímače. Odstranění rušení typu A je velice obtížné. Je to možné vyloučením jednoho z rušících kmitočtů ze společného stanoviště. Rušení typu A je ještě o to nepříjemnější, 24

neboť vzniká na korozí napadených kovových přechodech. Tedy nemusí být indikováno, ale může se objevit až koroze na nosiči i anténních systémech pokročí. Je tedy patrné, že rušení typu A může být velice proměnlivé v čase a tedy obtížně predikovatelné. Pro rušení typu B platí stejné kombinační mechanismy rušících kmitočtů. Napadení přijímače je dáno jeho konstrukcí a jeho odolností před nežádoucím elektromagnetickým polem. Souhrnně jsou to aspekty jako řešení jeho vstupních obvodů, celkové odstínění před nežádoucím elektromagnetickým polem, druh používané modulace a zasazení do prostředí ve kterém má daný přijímač pracovat. Rušení je potom dáno úrovní signálů, které se na rušení na jednotlivých kombinačních kmitočtech podílejí. Protože se jedná o rušení, která vznikají v napadeném přijímači, může být zdroj některého z nich vzdálen od napadeného přijímače i několik desítek až stovek kilometrů. Úroveň rušícího signálu v místě vzniku rušení je obecně dána funkcí: N = fce (ERP, U, R), kde ERP je vyzářený výkon rušícího signálu, U je útlum rušícího signálu na cestě mezi jeho zdrojem a místem indikovaného rušení a R je útlum rušícího signálu daný kmitočtovým rozdílem mezi rušícím signálem a pracovním kmitočtem rušeného přijímače. Je tedy zřejmé, že útlum u rušícího signálu bude dán jako funkce vzdálenosti a kmitočtu, tedy: U = fce (d, f) Útlum R daný kmitočtovým rozdílem je potom dán jako: R = fce (∆f). Velice často dochází k situacím, kdy v jednom místě je indikováno rušení dané kombinací kmitočtů a o několik kilometrů dále rušení indikováno není, protože poklesla úroveň jedné komponenty rušícího signálu způsobené útlumem (U). Tato rušení je možno buď predikovat soustavou výpočtů v předem zadané topologii bodů, nebo dodatečně zjišťovat

měřením v zájmové oblasti. Tato rušení lze odstranit snížením úrovně

některého z rušících signálů tak, aby v celé zájmové oblasti úroveň sumárního rušení poklesla pod přípustnou hodnotu.

25

Jedním z obtížně definovatelných rušení je vliv vysokofrekvenčního (vf) pole na nízkofrekvenční (nf) obvody. Jeho účinky a projevy se velice těžko dají předvídat. Vzhledem k tomu, že problematika tohoto druhu rušení se nevztahuje na zaměření diplomové práce, nebudu se tímto tématem dále zabývat a ve výčtu možných rušení je toto uvedeno pouze z důvodu podání komplexní informace.

3.2 Rušení navigačního prostředku (ILS) rozhlasovými vysílači VKV [8], [9], [13] VKV rozhlasové vysílače pracují vzhledem k systému ILS v sousedním kmitočtovém úseku, na kmitočtech 87,5 – 107,9 MHz. Problém rušení leteckých navigačních prostředků spočívá v ovlivnění navigačního přijímače na palubě letadla elektromagnetickým polem vysoké intenzity, které generují rozhlasové vysílače o výkonech až desítky kW. Toto může způsobit chyby v navigačním přijímači nebo jej úplně vyřadit z provozu v důsledku zahlcení vysokým výkonem. Navigační přijímač pracuje ve výškách 0 až 15 000 m nad mořem. Je tak vystaven o mnoho většímu působení elektromagnetických vln, než kdyby byl umístěný na zemi. Rušení VKV ve vzduchu se projevuje do větších vzdáleností, než bývá běžně na zemi zvykem, kde se bohatě uplatňuje zakřivení zemského povrchu a stínění signálu terénem. Rušení, které z hlediska letecké navigační služby v důsledku VKV vysílání vznikají, se dělí na rušení způsobena vyzařováním jednoho nebo více rozhlasových vysílačů do kmitočtového pásma letecké navigace a rušení, které vzniká na navigačním přijímači vlivem přesycení elektromagnetickým polem nebo kombinací kmitočtů. Tyto můžeme pro zpřesnění dále rozdělit: A1) Jeden rozhlasový vysílač může produkovat nežádoucí vyzařování do pásma letecké navigace. Dva a více rozhlasových vysílačů můžou produkovat intermodulační komponenty spadající do kmitočtového pásma letecké navigace. A2) Spektrum rozhlasového vysílání může obsahovat nemalé složky zasahující pásmo letecké navigace. Toto nastává u kombinace rozhlasového vysílače a navigačního prostředku, jejichž pracovní kmitočty jsou z obou stran blízké 108 MHz. B1) Rušení vznikající na elektrických nelinearitách na povrchu letadla a v navigačním přijímači způsobené minimálně dvěmi kmitočty VKV vysílačů. 26

B2) Zahlcení navigačního přijímače jedním nebo více rozhlasovými signály v důsledku velkého vysílacího výkonu. Uvedená rušení mohou ovlivnit přesnost navigačního údaje nebo navigační přijímač vyřadit z provozu. Tento případ je posádce indikován. Posádka se však již nedozví o zobrazování chybné informace v důsledku rušení, což může mít fatální následky. Rušení typu A1 a B1 jsou způsobena takovou kombinací rozhlasových kmitočtů, kdy jejich intermodulační produkt spadá do pásma letecké navigace. Rušení druhého řádu vzniká kombinací f1 a f2 a je definováno vztahem

fi = 2 f1 – f2 pro f1 > f2 . Rušení třetího řádu vzniká kombinací tří rozhlasových kmitočtů

fi = f1+ f2- f3 pro f1 ≥ f2 > f3 , kde fi je intermodulační kmitočet a f1, f2 a f3 jsou kmitočty rozhlasového vysílače. V případě rušení A1 se jedná o několik VKV kmitočtů vysílaných z jednoho stožáru nebo z těsné blízkosti, výpočty ukazují, že maximálně 3 km. Odstranění tohoto rušení je velmi problematické. Východiskem je zvětšit rozestup stožárů na vzdálenost větší než 3 km nebo vyloučení jednoho z rušících vysílačů. Rušení typu B1 jsou dána velkým počtem a vysokými ERP (vyzářený výkon) rozhlasových vysílačů. Odstranit je lze posouzením úrovní rušících příspěvků jednotlivých vysílačů a snížením jejich výkonu na úroveň ERP řádově 100W. V některých případech lze rušení eliminovat úpravou horizontálního vyzařovacího diagramu antény. Ve skutečnosti však odstranění rušení nebývá jednoduché, protože v současné době se při výpočtu rušení prostředků letecké navigace zpravidla jedná o úlohu „přidání prvku do systému“, tzn. do systému VKV vysílačů je třeba umístit ještě jeden, který svým elektromagnetickým polem nevyvolá v daném prostoru rušení. Bývá proto velice obtížné upravovat technické parametry již provozovaných vysílačů a tedy ve většině případů je nutné omezit ERP nebo nepovolit provoz. V případě rušení typu A2 a B2, kdy se jedná o rušení způsobené pouze jedním VKV vysílačem, postačuje snížit úroveň ERP rušícího vysílače, případně ho vyřadit ze systému. Kriteria plánování kmitočtů uvedená v doporučení ITU – R IS.1009-1 však neuvažují s intermodulačními produkty dvou a tří signálů pátého řádu (typ B1). Měření 27

ukázala, že intermodulační produkty pátého řádu, která vznikají v přijímači vysíláním stanic FM, mohou degradovat výkonnost přijímačů ILS, které vyhovují požadavkům výše uvedeným. Intermodulační produkty pátého řádu se mohou vyskytovat i bez přítomnosti intermodulačních produktů třetího řádu na stejném kmitočtu ILS. Při plánování kmitočtů a při vyhodnocování ochrany proti rušení vysíláním rozhlasu FM je třeba brát v úvahu intermodulační produkty dvou a tří signálů pátého řádu, které se generují v přijímačích ILS rozhlasovým vysíláním FM.

3.3 Rušení navigačních prostředků ILS – ILS [9], [11] Vzdušný prostor a jeho kapacita je v jistých místech vyčerpaná, tím dochází ke snižování veškerých rozestupů na povolené minimum. To vyžaduje stále vyšší přesnost a preciznost při vykonávání různých manévrů, jako jsou postupy pro vzlet, let v hladině, přiblížení na přistání a samotné přistání. Vše se odráží na stránce bezpečnosti a ekonomičnosti letu. Každé pochybení či odklonění od předepsané trajektorie může znamenat nemalé finanční ztráty nebo ohrožení života. Taktéž naše letiště bývají kapacitně saturované. Jednou z možností zajištění kvalitního přístrojového vedení až k přistání a tím i zajištění možnosti přistání za zhoršených meteorologických podmínek je letištní vybavení pro přesné přiblížení – ILS. Každé mezinárodní letiště disponuje minimálně jedním systémem ILS. Toto zvyšuje jistotu leteckých dopravců při přistání a operabilitu letiště v situacích za špatného počasí. Na druhou stranu je zapotřebí umísťování zařízení ILS důsledně koordinovat vnitrostátně i mezinárodně. V souvislosti s rušením ILS zařízení navzájem fungují tytéž zákonitosti, které se projevují v FM rádiovém vysílání VKV. Kursový maják (localiser – LLZ) ILS operuje v kmitočtovém pásmu 108 MHz – 111,975 MHz. Zákonitosti a poznatky o rušení uvedené v předešlé kapitole, tzn. rušení VKV vysílání, se plně aplikují i na vysílání ILS vysílačů. Konstrukce přijímače zajistí správnou činnost za těch podmínek, kdy úroveň žádaného signálu převyšuje nejméně o 20 dB úroveň rušivého (nežádoucího) signálu na stejném kanálu. Úroveň nežádoucího signálu, posunutého o: - 150 kHz od žádaného signálu, převyšuje žádaný signál nejvýše o 20 dB, - 300 kHz od žádaného, převyšuje žádaný signál nejvýše o 40 dB. 28

Výpočty vycházejí z předpokladu, že poskytovaná ochrana žádaného signálu před nežádoucím signálem je 20 dB. To odpovídá změně indikace na hranici užitečného krytí ILS menší než 15 µA. Přesto, že interferencí žádaného a nežádoucího nosného kmitočtu může vzniknout záznějový tón, ochranný poměr zajišťuje, že nedojde k ovlivnění indikace. Při návrhu umístění nového ILS systému, tzv. přidání prvku do systému, je zapotřebí dbát minimální separace mezi jednotlivými zařízeními. Kmitočtová separace

Minimální separace mezi druhým zařízením a ochranným bodem prvního zařízení (v km). * Kursový maják Shodný kmitočet 150 100 50 kHz 9 100 kHZ 0 200 Khz 0 Sestupový Shodný kmitočet 93 maják 150 kHz 2 300 kHz 0 450 kHz 0 600 kHz 0 * Týká se kursových přijímačů pro 50 kHz dělení ve spojení s přijímači pro 150 kHz dělení. Poznámka 1: Uvedené hodnoty vycházejí z předpokladu, že ochranný bod kurzového majáku leží ve vzdálenosti 46 km a výšce 1900 m, sestupového majáku ve vzdálenosti 18,5 km a výšce 760 m. Tab. 2.4-1 Požadované separační vzdálenosti mezi ILS zařízeními

3.4 Rušení navigačních prostředků ILS – VOR [8], [11] VKV všesměrový maják VOR (VHF omnidirectional range) ke své činnosti užívá

část radionavigačního spektra, a to kmitočet od 111,975 MHz po 117,975 MHz s kmitočtovým rozestupem nosných frekvencí 50 kHz. Existují však případy, kdy může VOR pracovat v kmitočtovém pásmu ILS, tedy 108 MHz – 111,975 MHz. Z výše uvedeného lze dovodit, že i činnost zařízení VOR může svou funkcí a nevhodným umístěním či určením pracovní frekvence ovlivnit systém ILS, jehož bezproblémová funkce je prioritní. Úroveň ochrany pro systém ILS a systém VOR je dostatečná, pokud je jejich odstup 20 dB. V případě provozu na stejném kanálu je pro ochranu systému ILS třeba, aby VOR byl nejméně 100 km od ochranného bodu ILS. 29

V případě provozu na sousedních kanálech je ochrana systému VOR účinně zajištěna bez zeměpisné separace daných zařízení. Pokud se jedná o kursový přijímač, vyžaduje ochrana sytému ILS, aby VOR byl umístěn ve vzdálenosti nejméně 80 km od ochranného bodu ILS. Ochrana systému ILS proti interferenčnímu rušení zařízením VOR je nutná, pokud je radiomaják VOR umístěn blízko přibližovacího sektoru ILS. V takových případech je nutné použít vhodné kmitočtové separace kanálů ILS a VOR, aby se zamezilo rušení výstupu přijímače ILS možnou křížovou modulací.

3.5 Koordinace [16] Z důvodu potencionálního rušení letecké navigace je v ČR a evropských zemích ke každému uvedení VKV vysílače do provozu prováděna koordinace s prostředky letecké navigace. V ČR jsou prováděny koordinace nejen všech VKV vysílačů umísťovaný do provozu na území ČR, ale v rámci mezinárodní koordinace i VKV vysílačů umísťovaných na územích okolních států. Velký počet VKV vysílačů vytváří rádiové pozadí vysokých úrovní elektromagnetického pole a mnohdy i velice malá změna v technických parametrech VKV vysílače může způsobit nežádoucí rušení prostředků letecké navigace. Proto každá, i malá změna již schváleného vysílače, změna výkonu, stanoviště či anténního diagramu, se může navenek zachovat jako umístění nového prvku do systému. V případech, kdy je měněn nebo vyhledáván volný kmitočet pro umístění nového navigačního prostředku, se tyto služby koordinují nejen mezi sebou navzájem, ale počítá se i s možným rušením od VKV vysílačů. Při stále stoupajících požadavcích na vysílání se v ČR blížíme ke stavu nasycení. Nový VKV vysílač nebo již zvýšení ERP může vyvolat negativní účinky na letecké navigační zařízení. Rušení ILS systémů ze strany VKV vysílačů je indikováno převážně ve velkých městech, jako jsou Praha, Brno, Ostrava, České Budějovice a Ústí nad Labem. Problém je o to závažnější, že v okolí všech těchto měst se nacházejí letiště, ve třech z nich i s navigačním prostředkem ILS. S problém rušení navigačních prostředků se potýkají i okolní státy Evropy. V některých zemích je omezován ERP na maximální hodnotu 500 W u vysílačů, které se kmitočtem blíží k frekvenci 108 MHz. V Polsku se kmitočty nad 104 MHz používají 30

velice omezeně, Rakousko a Spolková republika Německo řeší problémy koordinace podobně jako my. Tento přístup umožňuje maximální využití frekvenčního spektra, ale zároveň vyžaduje maximální kázeň všech provozovatelů VKV vysílačů v dodržování povolených parametrů.

3.6 Zpětná kontrola [13] Úřad pro civilní letectví provádí mimo jiné i státní dozor nad kvalitou radionavigačního prostředí ve vzdušném prostoru ČR. Provádějí se kalibrační lety, během kterých se měří parametry všech civilních radionavigačních prostředků z důvodu odhalení případného rušení radionavigačního pásma 108 – 117,975 MHz. Můžou nastat tyto situace: - není indikováno žádné rušení, vysílač je uveden do provozu s plným výkonem, - rušení je indikováno výpočtem v řádu jednotek dB, vysílač je možné provozovat se sníženým výkonem nebo po provedeném letovém měření a s výkonem, který je Úřadem potvrzený, - rušení je indikované výpočtem je vysoké (desítky dB), provozování vysílače není možné, pouze za předpokladu změny jeho polohy a jiných technických parametrů. Fyzikální meze odolnosti palubních navigačních přijímačů jsou specifikovány Přílohou č. 10 (Annex 10) vydanou Mezinárodní organizací pro civilní letectví (ICAO), která uvádí maximální úrovně složek intermodulačních prostředků 2. a 3. řádu. Úrovně jsou definovány v dBm na vstupní impedanci 50 Ohm. Platí tedy:

N 1 + N 2 + N 3 + 72 ≤ 0 - pro rozhlasové vysílání v pásmu 107,7 – 108 MHz 108,1 − f max   N 1 + N 2 + N 3 + 3 ⋅  24 − 20 log  0,4  

- pro rozhlasové vysílání v pásmu

pod 107,7 MHz, kde N1, N2, N3 jsou úrovně jednotlivých složek rušení [dBm] a fmax je kmitočet rozhlasového vysílače nejblíže k ke kmitočtu 108,1 MHz. Skutečné úrovně signálu jsou dále fyzicky měřeny. Měření probíhá v několika úrovních a vzdálenostech od vysílače, hodnoty jsou během letu vyhodnocovány spektrálním analyzátorem, který je připojen na přijímací anténu namísto navigačního 31

zařízení. Vhodné impedanční přizpůsobení zabezpečí vysokou přesnost naměřených hodnot.

4 Stávající radionavigační zařízení, jako výchozí parametr pro umístění prvku do systému Jak již bylo dříve napsáno, tato práce má za úkol navrhnout optimální frekvenci systému ILS na letišti Praha-Ruzyně za předpokladu, že nedojde k rušení se stávajícím navigačním systémem a rovněž nebude vystavena rušení ze strany VKV vysílání. Pro vhodné posouzení této situace a nalezení „volného“ kmitočtu pro ILS je zapotřebí vyhodnotit stávající obsazenost kmitočtového spektra určeného pro leteckou radionavigaci. ILS zařízení pracuje na kmitočtech mezi 108 MHz a 111,975 MHz. V tomto rozmezí je zapotřebí provést koordinaci s ostatními navigačními zařízeními využívajícími tuto část leteckého radionavigačního spektra. Situaci je zapotřebí posuzovat nejen v národním měřítku, nýbrž i mezinárodně. Dle kapitoly 3.3 je zřejmé, že v případě nutnosti použít stejný kmitočet u nového ILS jako je již užitý u existujícího ILS na sousedním letišti v ČR či přilehlém státě, je zapotřebí uvažovat s minimální vzdáleností mezi novým ILS a ochranným bodem existujícího ILS. Vzdálenost musí být minimálně 150 km. Ochranný bod je umístěný na konci vyzařovací charakteristiky ILS(existující), u kursového majáku ve vzdálenosti 46 km a u sestupového majáku 18,5 km od antény. Jedná se o bod, který je umístěn ve vzdálenosti, kde elektromagnetické pole nabývá hraniční hodnoty rozeznatelnosti. Za tímto bodem už není nutné, aby navigační počítač na palubě letadla indikoval příjem ILS signálu. Do výběru letišť byly zahrnuty pouze ty, které svou vzdáleností a navigačním vybavení mohou plánovaný ILS omezit. Z výše uvedeného důvodu je zapotřebí počítat s následujícími civilními letišti v ČR – letiště Praha, Brno, Karlovy Vary, Pardubice a Vodochody, a vojenskými letišti – letiště Kbely, Náměšť a Čáslav. Ze zahraničních letišť může při koordinaci hrát roli pouze letiště ve Spolkové republice Německo, a to sice letiště Dresden. Mimo letiště a jejich navigační vybavení, které je zapotřebí do koordinace zahrnout, jsou zde navíc traťové navigační zařízení, které jsou rozmístěny tak, aby 32

pokrytím obsáhly celé území státu a slouží výhradně k navigaci za letu. Zařízení na které je nutné pro účely této práce brát zřetel jsou tyto: v ČR – Neratovice (VOR/DME) a ve Spolkové republice Německo – Straubing (VOR) a Altenburg (VOR).

4.1 Letiště Praha-Ruzyně [14] Letiště Praha Ruzyně je vybaveno dvěmi přistávacími dráhami, které se označují podle kursu, který svírají s magnetickým severním pólem. Hlavní dráha je označená 06/24, tedy z jedné strany se provádí start či přistání v kursu 60° a z druhé 240°. Je dlouhá 3 715 m a široká 45 m. Tato dráha je v obou směrech vybavena navigačním prostředkem pro přesné přiblížení ILS, tedy dvakrát kursový maják (LOC – localiser) umístěn na obou koncích dráhy a dvakrát sestupový maják (GP – glide path) umístěn na protilehlých koncích oproti kursovému majáku, minimálně 120 m kolmé vzdálenosti vzdálen od osy dráhy. Kursový maják a sestupový maják spolu tvoří neoddělitelný pár, který je dále doplněn zařízením DME – měřič vzdálenosti. Vedlejší dráha označovaná jako 13/31 je dlouhá 3 250 m a široká rovněž 45 m. Vedlejší dráha je také vybavena systému ILS na obou stranách. Paralelní dráha je souběžná s hlavní dráhou, tedy 06/24, její označení bude 06R/24L. Tato dráha má být vybavena pro přesné přiblížení CAT III. Dráha bude po obou stranách vybavena systémem ILS/DME. Nalezení pracovních frekvencí obou ILS je cílem této práce. Oboustranným vybavením dráhy systémem ILS bude zajištěno bezpečně přistání i za špatných meteorologických podmínek z obou stran dráhy. Možnost přistání z dvou stran se ukáže jako velké plus v případech silných větrů. Platí pravidlo, že letadlo vždy přistává či startuje proti větru. Západovýchodní směrování dráhy je právě z důvodu převládajícího západního proudění.

33

Obr. 4.1-1 Aktuální stav umístění navigačních prvků ILS na letišti Praha-Ruzyně se zanesením paralelní dráhy a k ní náležících navigačních prvků ILS

Legenda k obrázku 4.1-1: 1

kursový maják pro přistání na dráhu 24 (LOC 109,100 MHz)

2

sestupový maják s měřičem vzdálenosti DME pro přistání na dráhu 06 (GP/DME 331,550 MHz)

3

kursový maják pro přistání na dráhu 31 (LOC 109,500 MHz)

4

sestupový maják s měřičem vzdálenosti DME pro přistání na dráhu 24 (GP/DME 331,400 MHz)

5

kursový maják pro přistání na dráhu 06 (LOC 111,150 MHz)

6

sestupový maják pro přistání na dráhu 13 (GP 333,650 MHz)

7

VOR maják (112,600 MHz)

8

sestupový maják s měřičem vzdálenosti DME pro přistání na dráhu 31 (GP/DME 332,600 MHz) 34

9

kursový maják pro přistání na dráhu 13 (LOC 109,950 MHz)

10

koordinovaný kursový maják pro přistání na dráhu 24L

11

koordinovaný sestupový maják pro přistání na dráhu 06R

12

koordinovaný kursový maják pro přistání na dráhu 06R

13

koordinovaný sestupový maják pro přistání na dráhu 24L

Výše uvedený obrázek zobrazuje situační plánek v měřítku 1:15 000 se zanesením všech vzletových a přistávacích drah. V blízkosti drah jsou zvýrazněna místa, kde jsou umístěny antény – kursový maják, sestupový maják, DME a VOR (body 1 – 9). Je zde rovněž zobrazena lokalizace paralelní dráhy a dvou systémů ILS, které sestávají z dvou párů kursového majáku a sestupového majáku (body 10 – 13). S větším rozlišením je situační plánek umístěn v Přílohové části této práce. Níže je uvedená tabulka s výčtem navigačních prostředků jimi užívaných kmitočtů na letišti Praha-Ruzyně. Kursový maják, sestupový maják a zařízení DME mají pracovní kmitočty zpřažené dohromady.

Druh zařízení, CAT ILS LOC 06 - ILS CAT I DME 06 LOC 24 - ILS CAT III DME 24 LOC 31 - ILS CAT I DME 31 LOC 13 - ILS CAT I DME 13

Kmitočet 111,150 MHz 111,150 MHz / 1 072 MHz * 109,100 MHz 109,100 MHz / 1 050 MHz* 109,500 MHz 109,500 MHz / 1 056 MHz* 109,950 MHz 109,950 MHz / 1 060 MHz*

Tab. 4.1-1 Seznam kmitočtů podléhajících koordinaci DME ve skutečnosti pracuje na odlišném kmitočtu než kursový maják, vzhledem k tomu, že se jedná o doplnění systémů ILS jsou frekvence DME, kursového a sestupového majáku dohromady svázány. Pilotovi pak stačí na palubním počítači naladit pouze frekvenci kursového majáku.

35

4.2 Letiště a navigační prostředky do vzdálenosti 200 km od ILS Praha-Ruzyně [14], [15] Jak bylo dříve napsáno, při kmitočtové koordinaci navigačního zařízení ILS operujícího ve VKV pásmu je nutno dbát na rozestupy mezi jednotlivými zařízeními. V případě, že by se měla použít totožná frekvence, je minimální vzdálenost těchto dvou antén cca 200 km. Toto určuje Mezinárodní organizace pro civilní letectví Přílohou č. 10 k Úmluvě o mezinárodním civilním letectví [11]. V následujících kapitolách jsou uvedená letiště, jejich navigační prostředky, a traťové navigační prostředky, podle následujících kritérií: - navigační prvek leží 200 km od prvku ILS na letišti Praha-Ruzyně; - navigační prvek pracuje na kmitočtu v rozmezí 108 MHz až 111,975 MHz. K nalezení výše uvedených kritérií byl užitý dokument COM 3, který vydává Mezinárodní organizace pro civilní letectví ICAO

-

evropská a severoatlantická

kancelář. Dokument uvádí výčet všech na navigačních zařízení a jejich technických specifikací všech států dané oblasti.

4.2.1 Letiště podléhající koordinaci Letiště v okolí 200 km od Prahy-Ruzyně, resp. systému ILS, který je novým prvkem a je třeba ho zkoordinovat, jsou civilní letiště - Brno, Karlovy Vary, Pardubice, Vodochody a Dresden (SRN); vojenská letiště - Kbely, Náměšť a Čáslav. Pro účely této práce nemá význam uvádět technické parametry jednotlivých letišť. Ke koordinaci je zapotřebí znalost pouze pracovních kmitočtů ILS, ILS/DME, případně VOR a jejich výkon, který je u všech osazovaných ILS konstantní, a to 29 W.

Brno Tuřany Druh zařízení, CAT ILS VOR/DME LOC 28 - ILS CAT I / DME 28

Kmitočet 113,900 MHz * 111,500 MHz *

Tab. 4.2-1 Popis navigačního zařízení ILS letiště Brno Tuřany

36

Karlovy Vary Druh zařízení, CAT ILS LOC 29 – ILS CAT I / DME

Kmitočet 111,550 MHz *

Tab. 4.2-2 Popis navigačního zařízení ILS letiště Karlovy Vary

Pardubice Druh zařízení, CAT ILS LOC 27 / DME

Kmitočet 109,350 MHz *

Tab. 4.2-3 Popis navigačního zařízení ILS letiště Pardubice

Vodochody Druh zařízení, CAT ILS LOC 28 – ILS CAT I / DME

Kmitočet 110,750 MHz *

Tab. 4.2-4 Popis navigačního zařízení ILS letiště Vodochody

Kbely Druh zařízení, CAT ILS LOC 24 – ILS / DME

Kmitočet 108,350 MHz *

Tab. 4.2-5 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Kbely

Náměšť Druh zařízení, CAT ILS LOC 31 – ILS / DME

Kmitočet 111,350 MHz

Tab. 4.2-6 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Náměšť

Čáslav Druh zařízení, CAT ILS LOC 32 – ILS / DME

Kmitočet 111,750 MHz *

Tab. 4.2-7 Popis navigačního zařízení ILS vojenského letiště Čáslav 37

* DME pracuje na odlišných kmitočtech než kursový maják, ale jeho frekvence je svázána s frekvencí kursového majáku.

Dresden - SRN Druh zařízení, CAT ILS LOC – ILS CAT I VOR/DME LOC – ILS CAT III

Kmitočet 109,700 MHz 114,350 MHz 110,500 MHz

Tab. 4.2-8 Popis navigačního zařízení ILS letiště Dresden v SRN

112 km

97 km

16 km 20 km ¨

106 km

82 km

170 km

200 km

Obr. 4.2-1 Letiště podléhající koordinaci

Na obrázku jsou znázorněna všechna letiště, jejichž navigační zařízení podléhají koordinaci s navrhovaným systémem ILS na letišti Praha-Ruzyně. Jsou zařazeny i výpočty vzdáleností pro představu, s jakou mírou se budou vzájemné navigační prostředky ovlivňovat. Na základě skutečností uvedených v Annexu 10 vydaném Mezinárodní organizací pro civilní letectví [11] jsou pro účely této práce vybrány a 38

posuzovány letiště s maximální vzdáleností 200 km od letiště Praha-Ruzyně. Letiště Brno-Tuřany dosahuje právě vzdálenosti 200 km od plánovaného ILS v Praze. Z toho vyplývá, že v případě užití totožného kmitočtu se plánovaný ILS v Praze-Ruzyni a ILS v Brně nemohou rušit, neboť je dodržený rozestup 150 km mezi kursovým majákem plánovaného ILS a ochranným bodem stávajícího ILS v Brně a připočtená vzdálenost 46 km mezi kursovým majákem v Brně a jeho ochranným bodem. Pro upřesnění je uveden obrázek popisované situace.

ILS Praha-Ruzyně, ochranný kursový maják

ILS Brno - Tuřany, kursový maják

bod

150 km

46 km

Obr. 4.2-3 Znázornění potřebné vzdálenosti pro umístění dvou ILS vysílačů vysílajících na stejném kmitočtu Z důvodu objasnění a názorné ukázky dvousetkilometrové vzdálenosti byl navigační prostředek ILS Brno-Tuřany zařazen do posuzovaných letišť.

4.2.2 Navigační a traťové zařízení podléhající koordinaci Rovněž je zapotřebí ke správné a úplné koordinaci a nalezení nového kmitočtu pro ILS Praha-Ruzyně počítat s traťovými navigačními prostředky. Jsou to radiomajáky, které slouží pilotům k orientaci při letu po trati. Jedná se převážně o majáky typu VOR či NDB (Non Directional Radio Beacon) samostatně nebo v kombinaci s měřičem vzdálenosti DME. Do uvažované oblasti 200 km od ILS Praha-Ruzyně spadají majáky Neratovice, Straubing a Aletenburg.

39

Navigační traťové zařízení pracující v kmitočtovém pásmu ILS Druh traťového zařízení Neratovice (ČR) – VOR/DME Straubing (SRN) – VOR Altenburg (SRN) – VOR

Kmitočet 108,350 MHz 111,600 MHz 108,700 MHz

Tab. 4.2-9 Výčet traťových navigačních zařízení, které spadají do oblasti 200 km od ILS Praha-Ruzyně

Obr. 4.2-2 Zobrazení posuzovaných letišť a traťových zařízení Výše uvedený obrázek názorně ukazuje geografické rozmístění letišť a traťových zařízení vzdálených maximálně 200 km od letiště Praha-Ruzyně. V ČR, Spolkové republice Německé, Rakousku či Polsku se traťových navigačních zařízení ležících ve 200 km vzdálenosti od letiště Praha-Ruzyně nachází více, nicméně jsou to zařízení, která užívají jiných pracovních kmitočtů, odlehlých od kmitočtů užívaných ILS. Jedná se například o nesměrový radiomaják NDB (Non Directional Radio Beacon). Vysvětlení principu funkce tohoto zařízení není předmětem této práce, postačující je skutečnost, že NDB pracuje mezi kmitočty 190 kHz až 1 750 kHz, nebo zařízení VOR, které využívá kmitočtů mezi 111,975 MHz až 117,975 MHz. Systém ILS 40

ke své činnosti užívá část leteckého radionavigačního spektra mezi 108 MHz až 111,975 MHz. Z výše uvedeného důvodu nebylo zapotřebí mezi posuzované traťové navigační prvky zařazovat všechny ty, které se nacházejí v 200 km vzdálenosti od letiště Ruzyně.

Vzdálenost posuzovaných navigačních prvků Vzdálenost mezi navigačními zařízeními Praha Ruzyně – Vodochody Praha Ruzyně – Kbely Praha Ruzyně – Neratovice Praha Ruzyně – Čáslav Praha Ruzyně – Karlovy Vary Praha Ruzyně – Pardubice Praha Ruzyně – Dresden (SRN) Praha Ruzyně – Altenburg (SRN) Praha Ruzyně – Náměšť Praha Ruzyně – Straubing (SRN) Praha Ruzyně – Brno Tuřany

Vzdálenost 16 km 20 km 38 km 82 km 97 km 106 km 112 km 157 km 170 km 184 km 200 km

Tab. 4.2-10 Vzdálenost mezi ILS Praha-Ruzyně a ostatními posuzovanými navigačními zařízeními

5 Kmitočtová koordinace systému ILS paralelní dráhy na letišti Praha-Ruzyně Již bylo řečeno dostatek informací k tomu, aby se dala spolehlivě provést koordinace, tedy stanovení kmitočtu, který bude respektovat stávající kmitočtové rozdělení v České republice i blízkém zahraničí. Kmitočet budu stanovovat dvěmi způsoby, přitom vycházet ze sávajícího rozdělení kmitočtů a respektovat všechny pravidla dříve uvedené. Naleznu frekvenci, která bude vyhovující pro ILS paralelní dráhy. Druhý způsob bude spíše kontrolní, a to s využitím sofistikovaného software určeného přímo pro tuto činnost.

41

5.1 Stanovení frekvence ILS paralelní dráhy 06R/24L – Praha-Ruzyně Pro usnadnění popisu a lepší pochopení si ILS paralelní dráhy 06R/24L letiště Prahy-Ruzyně označím ILSN. Ke spolehlivému stanovení frekvence pro navigační zařízení ILSN využiji údaje o stávajících navigačních prostředcích, které se nacházejí v maximální vzdálenosti 200 km od umístění systému ILS pro paralelní dráhu. Jednotlivé obsazené kmitočty pro lepší orientaci zobrazím graficky a z grafu rovněž odečtu hodnoty, které by bylo možné pro ILSN využít.

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 108,0 108,1 108,2 108,3 108,4 108,5 108,6 108,7 108,8 108,9 109,0 109,1 109,2 109,3 109,4 109,5 109,6 109,7 109,8 109,9 110,0 110,1 110,2 110,3 110,4 110,5 110,6 110,7 110,8 110,9 111,0 111,1 111,2 111,3 111,4 111,5 111,6 111,7 111,8 111,9 112,0

Vzdálenost k umístění ILS se shodnou frekvencí [km]

Zobrazení využití kmitočtů

Kmitočet [MHz]

Obr. 5.1-1 Zobrazení využití kmitočtového spektra a minimální potřebná vzdálenost rozestupu navrhovaného a existujícího ILS zařízení v případě vysílání na stejném kmitočtu

Výše uvedený graf zobrazuje využití jednotlivých kmitočtů. Výška amplitudy je závislá na vzdálenosti, která schází k tomu, aby bylo možné daný kmitočet pro ILSN 42

Vzdálenost k umístění ILS se shodnou frekvencí [km] .

použít. Např. kmitočet 109,7 MHz je využitý pro ILS na letišti Dresden, které je od ILSN vzdáleno 112 km. V případě použití kmitočtu 109,7 MHz pro ILSN toto není možné, neboť není dodržená vzdálenost jednotlivých antén kursových majáku 200 km, chybí k tomu 88 km, které zobrazuje špička při hodnotě 109,7 MHz.

100 80 60 40 20

109,9

109,8

109,7

109,6

109,5

109,4

109,3

109,2

109,1

109,0

108,9

108,8

108,7

108,6

108,5

108,4

108,3

108,2

108,1

108,0

0

Kmitoč

Obr. 5.1-2 Ukázka grafického zobrazení ILS Dresden – 109,7 MHz, ve vzdálenosti 112 km od ILSN

Z výše uvedeného grafického zobrazení obsazených kmitočtů lze snadno vyčíst kmitočty, které pro ILSN přicházejí v úvahu. Je však zapotřebí vzít v úvahu skutečnost, že odstup mezi jednotlivými nosnými při použití DME činí 200 kHz a při použití ILS 50 kHz. Vzhledem k tomu, že se tyto zařízení užívají v kombinaci, tzn. v páru, je zapotřebí u každé již užívané frekvence počítat s odstupem 200 kHz na obě strany. Z grafu – za použití pravidel pro stanovování kmitočtů pro zařízení ILS lze odečíst následující kmitočty. 1.

108.100 MHz

2.

108,150 MHz

3.

110,150 MHz

4.

110,950 MHz 43

5.

111,950 MHz

Výše uvedené frekvence nejsou v kolizi se stávajícími navigačními zařízeními, nicméně není možné použít kteroukoliv frekvenci pro ILSN. Důvodem je nutné posouzení s VKV rádiovým vysíláním z důvodu výskytu intermodulačních složek 2. nebo 3. řádu. Mezinárodní organizace pro civilní letectví ICAO doporučuje rovněž prověřovat intermodulační složky 5. řádu. Toto posouzení je nutno provést speciálním softwarem, který vyhledává jednotlivé složky a zjišťuje, zda by k rušení došlo.

5.2 Kontrolní určení frekvence pro ILSN pomocí softwaru Ke kontrolnímu určení použitelného kmitočtu pro ILSN byl použitý software MANIF 6.0x, který vyvinula Evropská organizace pro bezpečnost leteckého provozu EUROCONTROL právě pro účely kmitočtové koordinace. Princip činnosti software je jednoduchý. Spočívá v obhospodařování elektronické databáze všech navigačních prostředků a jejich hlavních technických parametrů jako druh zařízení, pracovní kmitočet, geografické umístění, vysílací výkon, krytí a jiné. Následně při zadání prvku a lokality, pro který se hledá kmitočet, dojde k propočtení všech kmitočtů v souvislosti s jejich obsazením a krytím zařízení, které je případně užívá. Princip algoritmu je prakticky totožný, jak bylo ukázáno v předešlé kapitole. Výhodou tohoto softwaru je, že dokáže obhospodařovat databázi s tisíci prvky a v krátké době je dokáže spolehlivě vyhodnotit. Jeho slabým místem je naopak skutečnost, že neaktuálnost databáze může způsobit chybný výpočet. Systém aktualizování není prováděn automaticky, ale je třeba jej provést ručně. Po vytvoření zadání a vložení vstupních požadavků, kterými jsou optimální frekvence pro ILSN na dráhu 06R/24L, určení umísťovaného zařízení (kombinace zařízení ILS/DME), vysílací výkon - 29 W a geografické umístění - 500600N 141600E, software vyhodnotil zadání a porovnal se stávajícími, již existujícími zařízeními, následně vypsal vyhovující kmitočty. Viz obrázek.

44

Obr. 5.2-1 Zadání vstupních parametrů pro vyhledávání v software MANIF 6.0x

Obr. 5.2-2 Výpis nalezených frekvencí Výše je uveden výpis nalezených frekvencí, které v pásmu pracovních kmitočtů ILS přicházení v úvahu pro plánovaný ILS na Ruzyni. Je třeba však dodat, že tyto kmitočty je zapotřebí ještě posoudit v souvislosti s rušením vůči VKV radiovému vysílání. V přílohové části této diplomové práce dále uvádím výpis všech kolizních frekvencí, které nemohly být použity. 45

5.3 Nedokonalost

hledání

frekvence „ruční“

metodou

oproti softwaru MANIF 6.0x Jsou patrné rozdíly mezi kmitočty nalezenými „ručně“, tedy z odečtu grafu, a kmitočty nalezené softwarem MANIF. Důvodem je skutečnost, že software do výpočtů zahrnuje i směrovou charakteristiku vysílací antény. 200 km vzdálenost odstupu jednotlivých antén s totožnou frekvencí není dodržená v celých 360°. Vyzařovací diagram je při výběru kmitočtů zohledněn, což způsobilo drobné odchylky v kmitočtech nalezených „ručně“ a softwarem.

Nalezené frekvence „ručně“ 108,100 MHz 108,150 MHz 110,150 MHz

Nalezené frekvence pomocí software 108,100 MHz 108,150 MHz 110,100 MHz 110,300 MHz 110,350 MHz 110,550 MHz 110,700 MHz 110,950 MHz 110,900 MHz 111,700 MHz 111,900 MHz 111,950 MHz 111,950 MHz Tab. 5.3-1 Rozdíly v nalezených kmitočtech

Směrovost jednotlivých vysílacích antén systému ILS, které jsou při výpočtu použity, jsou zobrazeny na následujícím obrázku. Na obrázku však nejsou zobrazeny všesměrové antény VOR a DME.

46

Obr. 5.4-1 Směrovost ILS vysílacích antén užitých při výpočtu

5.4 Proces přidělení kmitočtu Kmitočtové pásmo pro leteckou navigaci, které je dle Plánu předělení kmitočtových pásem určeno mezi kmitočty 108 MHz a 117, 975 MHz má ve správě Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO). Tato organizace rovněž vede databázi všech již přidělených kmitočtů a charakteristiky antén na nich operující. Na základě toho pak vydává kmitočtové tabulky COM 2, COM 3, COM 4 a COM 5. COM 2 – letecká telekomunikace, COM 3 – letecká radionavigace (ILS, VOR, DME, MLS), COM 4 – letecká navigace na dlouhých a středních vlnách (NDB), COM 5 – letecká záchranná služba – jako u COM 2 a COM 3.

1.

Na národní úrovni podá žadatel žádost na Ministerstvo dopravy o přidělení frekvence. 47

2.

Ministerstvo provede koordinaci s národními leteckými navigačními a telekomunikačními zařízeními, jak je popsáno v předešlých kapitolách. Koordinace se provádí rovněž vůči VKV radiovému vysílání, z důvodu výskytu možných intermodulačních složek 2. nebo 3. řádu.

3.

Na národní úrovni vybraný kmitočet musí být dále zkoordinován mezinárodně. Prostřednictvím ICAO je deklarována žádost o mezinárodní koordinaci, s termínem vznesení námitek do 30 dnů od zveřejnění data žádosti. Do tohoto termínu musí dotčená správa vznést námitky. Pokud tak neučiní má se za to, že s kmitočtovým návrhem souhlasí. V případě vznesení námitek, dochází k diskusi a hledání řešení přídělem jiného kmitočtu, respektive úpravou technických parametrů zamýšleného kmitočtového přídělu. Takto upravený návrh kmitočtového přídělu je opět podroben plné mezinárodní koordinaci.

4.

V případě, že je kmitočet nekonfliktní i na mezinárodní úrovni, je dále postoupen organizaci ICAO, která jej oficiálně přidělí danému leteckému navigačnímu či telekomunikačnímu prvku a kmitočet je zapsán do registru kmitočtů (tabulka COM 3).

5.

ICAO vydá změnu patřičné COM tabulky.

5.5 Testování nalezených kmitočtů na rušení ze strany VKV radiového vysílání K tomuto úkolu byl použitý software AeroLab a RadioBase (databáze VKV vysílačů), který byl vyvinut v TESTCOM Praha. Software pracuje s databázemi VKV rozhlasových vysílačů operujících v České republice, Polsku, Německu, Slovensku, Rakousku a Maďarsku. Databáze má okolo 4 000 položek. Hlavní předností tohoto programu je dovednost počítat rušení A1, A2, B1 a B2 (viz kapitola 3.2) v závislosti na konkrétních technických parametrech jednotlivých vysílačů. Nalezení intermodulačních komponentů, které vznikly spojením dvou nebo tří kmitočtů a projeví se v leteckém radionavigačním pásmu. Zadání spočívalo v určení zařízení ILS, které má být z hlediska nežádoucího rušení zkoumáno, tedy o geografické umístění antény, dráhy, kde bude použitá, určení 48

směru vyzařování, typu zařízení a stanovení požadavků na výpočet (jaké typy rušení se mají vypočíst, model navigačního přijímače,…). K testování rušení byla zvolena frekvence 108,150 MHz pro dráhu 24L.

Obr. 5.5-1 Výpis zadání programu AeroData Při stanoveném směru vyzařování a určené frekvenci byl výstup výpočtu negativní. Na kmitočtu 108,150 MHz se projevily v hojné míře všechny typy rušení (A1, A2, B1 a B2). Z výpisu je rovněž možné vyčíst, které vysílače na kterých kmitočtech se negativně projevují a jaký typ rušení vytvářejí, včetně číselné hodnoty v dB, která udává teoretickou hodnotu rušení.

Obr. 5.5-2 Výpis výsledku – projev rušení typu A1, A2 a B1 pro stanovený kmitočet 108,150 MHz

49

Tomuto výpočtu byly podrobeny všechny kmitočty, které se z pozice rušení ILSILS zdály být vhodné (uvedené v předešlé kapitole). Nicméně ve všech případech se zde vyskytuje rušení, které by negativně působilo na směrové vedení letadla nebo palubní zařízení. Byly proto vytipovány kompromisní kmitočty, které program označil jako rušení, nicméně při bližšímu zkoumání zdroje rušení se ukázalo, že ILS má být rušený intermodulační složkou vysílače Liepzig (104,9 MHz), vysílače Wroclaw (104,9) a vysílače Beroun (107.7 MHz). Vzhledem k tomu, že software AeroLab zpracovává šíření elektromagnetických vln pouze nad rovným terénem, je zapotřebí rušení od vzdálenějších vysílačů posuzovat i na základě profilu terénu a zakřivení zeměkoule programem RadioLab. U vysílačů Liepzig (SRN) a Wroclaw (PL) se dále ukázalo, že útlum terénu bude dostatečný a predikované rušení se v reálném prostředí neprojeví. Jako optimální se z tohoto důvodu jeví kmitočty 110,550 MHz a 111,900 MHz. Tedy pro ILS na dráze 24L je to kmitočet 111,900 MHz a pro ILS na dráze 06R je to 110,550 MHz. V případě, kdy není možné nalézt kompromisní řešení a všechny nabízené kmitočty se jeví jako rušené, je zapotřebí provést měření v terénu a měření za letu, kde se zkoumá reálný stav rušení. Jestliže letové měření neprokáže rušení, je možno daný kmitočet použít. Pokud se rušení při letovém měření projeví, je zapotřebí hledat jiný kmitočet pro zařízení ILS nebo provést změny v síti VKV vysílačů (úprava technických parametrů vysílačů, vyloučení jednoho rušícího kmitočtu VKV vysílače).

Závěr Kmitočtové spektrum je v poslední době stále více přetěžováno množstvím služeb a poskytovatelů. V této souvislosti je stále větší problém spojený s přidělováním volných kmitočtů. Spektrum letecké radionavigace je přísně střeženo Mezinárodní organizací pro civilní letectví, ale přesto zde dochází k průnikům rušení ze strany VKV radiových vysílačů. Nalezení volného kmitočtu, jeho koordinace na národní a mezinárodní straně, a dále jeho přidělení je složitý proces a ne vždy je zakončen úspěšně. Mnohdy výsledek závisí na kompromisním řešení jednoho či více již existujících provozovatelů. 50

V případě navigačního systému ILS pro paralelní vzletovou a přistávací dráhu v Praze-Ruzyni bylo možné vhodný kmitočet nalézt. Popsání stávající situace v oblasti obsazenosti kmitočtů leteckého radionavigačního spektra a následné vytipování vhodných neobsazených kmitočtů vedlo ke zúžení výběru, který byl dále podroben koordinaci s VKV radiovým vysíláním. Výsledkem této práce jsou stanovené kmitočty, které jsou vhodné pro bezkonfliktní provoz dvou systémů ILS pro dráhu 06R a 24L. Kmitočty byly podrobeny vnitroslužbové

i

mezislužbové

koordinaci.

Dá

se

proto

s vysokou

mírou

pravděpodobnosti očekávat jejich úspěšné užívání. Pro kursový maják dráhy 06R se jedná o kmitočet 110,550 MHz a kursový maják dráhy 24L kmitočet 111,900 MHz.

51

Seznam použité literatury [1]

Mazánek, M., Pechač, P., Vrba, J. Základy antén, šíření vln a mikrovlné techniky. 1. vydání ČVUT Praha: 2008.

[2]

Mazánek, M., Pechač, P. Šíření elektromagnetických vln a antény. 2. vydání

ČVUT Praha: 2004. [3]

Zákon č. 127/2005 Sb., o elektronických komunikacích a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o elektronických komunikacích), ve znění pozdějších přepisů.

[4]

Vlastnosti antén pro VKV [online]. [cited 2009-02-27]. Dostupné na WWW: .

[5]

Šebesta, J. Radiolokace a radionavigace. Brno: MJ Servis, s.r.o., 2004.

[6]

Základy radionavigace – ILS [online]. 2006 [cited 2009-03-15]. Dostupné na WWW: < www.vacc-cz.org/download/download.php?file=175>.

[7]

Volner, R. Radionavigace 1. Ostrava: VŠB – Technická univerzita Ostrava, 2008.

[8]

Valenta, J. Interakce mezi leteckým provozem a VKV vysíláním. Konference Radiokomunikace 2001. Pardubice: Unit, 2001.

[9]

Valenta, J. Dnešní pohled na rádiové rušení. Konference Radiokomunikace 2004. Pardubice: Unit, 2004.

[10]

Radiokomunikační řád ITU (Radio Regulations). Ženeva: 2004.

[11]

Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO). Annex 10 to the Convention

on International Civil Aviation: International telecommunications (L 10: Radionavigační prostředky). Montreal: ICAO, 2007. [12]

Doporučení ITU: Recommendation ITU-R SM.1009-1 Compatibility between the sound-broadcasting service in the band of about 87-108 MHz and the aeronautical services in the band 108-137 MHz. ITU, 1993-1995.

[13]

Najman, M. Interakce mezi leteckým provozem a VKV vysíláním – metodika

měření. Konference Radionkomunikace 2001. Pardubice: UNIT, 2001. [14]

Ministerstvo dopravy. Letecká informační příručka: AIP – Aeronautical

Information Publication. Praha: Letecká informační služba, 2009. 52

[15]

ICAO, EUROCONTOL. COM 3: Assignments of international and national

frequency to radio navigation aids. Paris, 2008. [16]

Český telekomunikační úřad. Plán přidělení kmitočtových pásem. Praha, 2004.

53

Čestné prohlášení

Čestně prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce doc. Ing. Jánem Dúhou, PhD. a používal jsem pouze literaturu uvedenou v této práci. Souhlasím s půjčováním diplomové práce.

V Žilině 6. května 2009.

……………………… David Harok

54

Přílohová část Výpis software MANIF 6.0x kolizních frekvencí, které nemohou být pro plánovaný systém ILS na letišti v Praze – Ruzyni použity. --------------------------------------------------------Assignment performed : CZE 26 108.100 PRAHA/R ID ILS-DME --------------------------------------------------------110.100 Compatible 110.300 Compatible 110.350 Compatible 110.550 Compatible 110.700 Compatible 110.900 Compatible 111.900 Compatible 111.950 Compatible --------------------------------------------------------111.750

Incompatible (1)

108.300

Incompatible (1)

109.750

Incompatible (1)

109.950

Incompatible (1)

110.150

Incompatible (1)

111.700

Incompatible (1)

110.750

Incompatible (1)

108.350

Incompatible (1)

109.550

Incompatible (1)

110.950

Incompatible (1)

111.100

Incompatible (1)

111.350

Incompatible (2)

108.900

Incompatible (1)

109.100

Incompatible (1)

CZE 22 111.750 CASLAV ILS-DME CZE 28 18X PRAHA/R ILS-DME CZE 25 36Y PRAHA/R ILS-DME CZE 25 109.950 PRAHA/R ILS-DME CZE 25 36Y PRAHA/R ILS-DME CZE 25 109.950 PRAHA/R ILS-DME CZE 33 110.750 VODOCHODY ILS-DME CZE 12 108.350 KBELY ILS-DME OP CZE 24 109.500 PRAHA/R ILS-DME CZE 27 48Y PRAHA/R ILS-DME CZE 27 111.150 PRAHA/R ILS-DME CZE 27 48Y PRAHA/R ILS-DME CZE 23 28X PRAHA/R ILS-DME CZE 23

55

(35NM missing) (weight:456) (9NM missing) (weight:472) (10NM missing) (weight:474) (80NM missing) (weight:474) 10NM missing) (weight:474) (1NM missing) (weight:474) (46NM missing) (weight:480) (68NM missing) (weight:522) (3NM missing) (weight:544) (8NM missing) (weight:544) (4NM missing) (weight:544 (8NM missing) (weight:544) (9NM missing) (weight:548) (80NM missing)

474

110.500

Incompatible (1)

111.550

Incompatible (1)

108.150

Incompatible (1)

108.500

Incompatible (1)

108.550

Incompatible (1)

108.700

Incompatible (1)

109.300

Incompatible (2)

111.150

Incompatible (2)

108.750

Incompatible (1)

108.950

Incompatible (1)

109.350

Incompatible (2)

109.900

109.500

109.700

Incompatible (2)

Incompatible (2)

Incompatible (3)

109.100 PRAHA/R ILS-DME D 25 1 10.500 DRESDEN ILS/DME CZE 11 111.550 KARLOVY VARY ILS-DME OP CZE 35 18Y BLANSKO DME DME CZE 1 23X NERATOVICE VD VOR-DME OP CZE 1 108.600 NERATOVICE VD VOR-DME OP CZE 1 23X NERATOVICE VD VOR-DME OP CZE 23 28X PRAHA/R ILS-DME CZE 24 32X PRAHA/R ILS-DME CZE 23 109.100 PRAHA/R ILS-DME CZE 27 111.150 PRAHA/R ILS-DME CZE 14 26Y CZE DME TACAN CZE 14 26Y CZE DME TACAN CZE 5 109.350 PARDUBICE ILS-DME OP CZE 15 29Y CZE DME TACAN CZE 38 34X CZE DME TACAN CZE 25 109.950 PRAHA/R ILS-DME CZE 38 34X CZE DME TACAN CZE 24 109.500 PRAHA/R ILS-DME CZE 38 34X CZE DME TACAN D 24 109.700 DRESDEN

56

(weight:548) (30NM missing) (weight:572) (54NM missing) (weight:576) (15NM missing) (weight:337) (9NM missing) (weight:628) (9NM missing) (weight:628) (9NM missing) (weight:628) (9NM missing) (weight:548) (8NM missing) (weight:544) (1NM missing) (weight:548) (79NM missing) (weight:544) (10NM missing) (weight:868) (123NM missing) (weight:868) (21NM missing) (weight:428) (45NM missing) (weight:868) (10NM missing) (weight:868) (5NM missing) (weight:474) (10NM missing) (weight:868) (78NM missing) (weight:544) (123NM missing) (weight:868) (20NM missing) (weight:574)

111.300

111.500

109.150

Incompatible (2)

Incompatible (2)

Incompatible (3)

ILS/DME CZE 24 32X PRAHA/R ILS-DME CZE 39 51X CZE DME TACAN CZE 16 51X CZE DME TACAN CZE 39 51X CZE DME TACAN CZE 16 51X CZE DME TACAN CZE 14 26Y CZE DME TACAN CZE 15 29Y CZE DME TACAN CZE 23 109.100 PRAHA/R ILS-DME

57

(8NM missing) (weight:544) (45NM missing) (weight:868) (45NM missing) (weight:868) (45NM missing) (weight:868) (45NM missing) (weight:868) (10NM missing) (weight:868) (45NM missing) (weight:868) (5NM missing) (weight:548)

Letiště Praha-Ruzyně, situační plánek

58

Zobrazení navigačních prvků v oblasti 200 km od letiště Praha.Ruzyně

59