Suuntaamaton radiomajakka

Suuntaamattomat radiomajakat eli NDB-majakat (engl. non-directional beacon, NDB) ovat ilmailussa käytettäviä – ja aiemmin myös merenkulussa käytettyjä – radiosuunnistusmajakoita, jotka lähettävät MF- (190– 300 kHz) ja HF- (300–1 750 kHz) taajuusalueilla. NDB ja sen vastaanottoon käytetty ADF-laite edustavat vanhinta yhä käytössä olevaa ilmailun sähköistä suunnistusteknologiaa (1930-luvulta). Järjestelmän avulla lennettiin maailmanlaajuisesti ensimmäinen sähköiseen suunnistusjärjestelmään perustuva mittarilähestyminen 9. toukokuuta 1932 (tämän jälkeen mittarilähestymislaitteet ja -menetelmät yleistyivät nopeasti, esimerkiksi Aeron, nykyisen Finnairin, ensimmäinen mittarilähestyminen lennettiin 3. huhtikuuta 1937 käyttäen Lorenz-sädettä, ja kyseinen lento oli samalla myös yhtiön ensimmäinen kaupallinen yölento). Konetta ohjasi laitteen kehittäjä, Yhdysvaltain ilmavoimien kapteeni Albert Francis Hegenberger, jonka mukaan joskus edelleen puhutaan Hegenberger-järjestelmästä. Laite yleistyi kuitenkin maailmanlaajuisesti vasta 1940-luvulla. Tästä majakkatyypistä käytetään myös nimitystä ympärisäteilevä majakka, sillä päinvastoin kuin esimerkiksi VHF-monisuuntamajakan tapauksessa, vastaanotettava radiosignaali ei sisällä itse signaaliin koodattua suuntatietoa. Sen sijaan vastaanottajan asema suhteessa majakkaan (ns. suuntima) määritetään signaalin voimakkuuden perusteella. NDB-laitteita voidaan käyttää reittisuunnistukseen, tai lähestymisalueella osana lähtö- ja tuloreittejä sekä mittarilähestymismenetelmän ensi- tai toissijaisena suunnistuslaitteena. Suuntaamattoman radiomajakan yhteydessä voi toimia myös etäisyydenmittauslaite eli DME-majakka (engl. Distance Measuring Equipment, DME), jolloin lentäjälle voidaan tuottaa etäisyystieto. Tällainen lisämajakka toimii aina erillisellä VHF-alueen (30 –300 MHz) taajuudella. Yhdistelmästä käytetään nimitystä NDB/DME. NDB-majakat tulivat alkujaan käyttöön lähinnä LFR-majakoiden (käytössä 1928-1980-luvun alku) tueksi, mutta esimerkiksi Suomessa ne olivat mittarilennon ensimmäinen ja ensisijainen täysimittainen sähköinen suunnistusjärjestelmä vuosina 1946-1963 (LFR:ää ei Suomessa ollut käytössä), jota ennen radiosuunnistukseen oli käytetty mm. yleisradioasemien lähettimiä. Kokeilut mm. valomajakoilla lopetettiin Suomessa lyhyeen, kun ilmeni, että kaupallinen ilmailu hyötyy säästä riippumattomista radiolaitteista. Sekä NDB- että sen kanssa samanaikainen LFR-majakkateknologia alkoi osin syrjäytyä jo 1940-luvun lopulta alkaen VOR:n myötä. On kuitenkin huomattava, että eräissä maissa, lähinnä Amerikassa, NDB ei koskaan ole ollut ensisijainen suunnistusjärjestelmä.

NDB-mittarilähestymiskartta St. Louis Regional-lentoaseman kiitotielle 17 tammikuulta 2022. Yhdysvalloissa NDB-lähestymiseen on mahdollisuus enää yksittäisillä lentoasemilla. Myös muualla maailmassa menetelmien määrä on vähentynyt 2000-luvulla voimakkaasti. Poikkeuksen muodostavat kehitysmaat ja entisen Neuvostoliiton alue, joista jälkimmäisessä VOR länsimaisena teknologiana ei koskaan saavuttanut suosiota.

Ilmailun radiosuunnistusjärjestelmien vertailua.

Varsinaisen radiosuunnistusvarustuksen osalta vähimmäisvaatimus 1950-70-luvuilla suomalaisessa mittarilentotoiminnassa oli kullakin lennolla reittirakenteen ja käytettäväksi suunniteltujen lähtö- ja lähestymismenetelmien osalta tarvittava varustus, kuitenkin vähintään kaksi toisistaan riippumatonta radiosuunnistusvastaanotinta (käytännössä siis vähintään 2xADF), VORin ollessa suositeltava 1970-luvun alusta, ja tullessa pakolliseksi 1970-80-lukujen vaihteessa: vielä 1975 ilmailukäsikirja totesi kahden ADF:n antavan riittävän perusmittarisuunnistuskyvyn, kunhan määräkentän sää oli riittävän hyvä NDB-lähestymiseen, joka nykymittapuulla estyy jo varsin lievästi heikentyneessä säässä. Yleinen vaatimus ADF-varustuksesta (NDB-majakan vastaanotin) IFR-lennoilla poistui vasta vuonna 2013 (käytännön seurauksena se, että vähimmäissuunnistuslaitevaatimus "VOR, ILS ja ADF" muuttui muotoon "VOR ja ILS"), ollen sen jälkeen voimassa vain paikoin, tosin säännöstä tehtiin poikkeuksia jo aiemmin, esimerkiksi kesällä 2001 Continental Airlinesille toimitetuissa 737 NG-sarjan koneissa ei ollut ADF-laitteita. VOR:n (1940, Suomessa 1963 alkaen) ja sittemmin GPS:n (siviililiikenteelle 1993-1994, tosin maalaitteista riippumattomien GPS-menetelmien käyttöönotto ja vakiintuminen kesti vuosikymmeniä) käyttöönoton jälkeen NDB/ADF-järjestelmän rooli on jäänyt paikoin vähäiseksi (esimerkiksi Suomessa NDB-majakoita on lokakuun 2023 jälkeen vain Seinäjoen ja Mikkelin lentoasemilla), ja sen arvioidaan poistuvan laajamittaisesta käytöstä länsimaissa vuoteen 2030 mennessä (esimerkiksi EU-komission täytäntöönpanoasetuksen mukaan suunnistusmenetelmien tulee tammikuusta 2030 alkaen olla ensisijaisesti satelliittipohjaisia). Järjestelmä on kuitenkin edullinen toteuttaa, mistä syystä se on suosittu kolmansissa maissa. NDB-laitteita alettiin Suomessa vähentää jo 1980-luvulta alkaen, ja lopullinen siirtymä kohti ensisijaisesti satelliittipohjaisia menetelmiä aloitettiin 2014, mihin on liittynyt aiempaa mittavampia suunnistuslaitepoistoja, mutta täälläkin se on edullisuutensa vuoksi säilynyt pitkään, erityisesti maakuntalentoasemilla, joilla joillakin ei ole koskaan ollutkaan VOR-majakkaa (esim. Seinäjoki). Nykyisiinkin lentokoneisiin on yleensä saatavilla vähintään yksi ADF, nykyään useimmiten lisämaksusta.

Tekniikka

Tyypillinen mekaaninen ADF-näyttölaite.

ADF-komposiittiantennin napakaavio. Komposiittiantennin säteilykentässä on vain yksi nolla-alue.

NDB-suunnistusjärjestelmä koostuu kahdesta osasta: NDB-maalaitteesta sekä lentokoneen radiokompassista. Nykyiset radiokompassit ovat itsetoimisia, ns. ADF-laitteita (automatic direction finder): kun lentäjä virittää haluamansa majakan, näytetään suuntima majakalle (ts. missä suunnassa majakka sijaitsee ilma-aluksen pituusakseliin nähden) joko kompassilevyyn kiinnitetyn mekaanisen osoittimen avulla tai digitaalisella näytöllä. Vastaanottimesta riippuen voi asteikko olla joko absoluuttinen (näyttää suoraan suuntimalinjan majakalle) tai suhteellinen (x astetta vasemmalle/oikealle). Majakan ohitus voidaan päätellä osoittimen näyttämän kääntymisestä 180 asteella (majakka edessä/takana). NDB:n avulla saavutetaan vain noin 5 asteen suuntimistarkkuus, minkä lisäksi ne ovat erittäin herkkiä kaikille sähkömagneettisen häiriösäteilyn lähteille, esimerkiksi säälle. Yksinkertaisimmillaan ADF-vastaanottimessa on kaksi antennia, ympärisäteilevä kehäantenni ja suunta-antenni. Tarkastellaan ensin kehäantennia yksinään: Kun antennin kehä sijaitsee aallon kulkusuunnan tasossa, antennin puolten välille syntyy vaihe-ero, jolloin siihen indusoituu sähkövirta induktiolain mukaisesti. Osoittautuu, että kehäantennilla on seuraava ominaisuus: kun antennin ja aallon kulkusuunnan välinen kulma saavuttaa 90 astetta, induktiovirta on nolla, ollen kiertokulman funktio. Tätä virran riippuvuutta kiertokulmasta tai lähettimen suhteellisesta sijainnista kuvataan napakaaviolla (kuva). Kuvasta näkyy, että induktiovirta on nolla sekä lähettimen sijaitessa suoraan suunta-antennin edessä että takana, koska vaihe-ero on molemmissa tilanteissa nolla, joten saatu informaatio ei riitä lähettimen suhteellisen sijainnin ratkaisemiseen. Ongelma ratkaistaan suunta-antennilla, joka on auton radioantennin kaltainen suuntaamaton antenni. Sen ja kehäantennin yhdistelmän, komposiittiantennin, yhteisessä napakaaviossa (induktiovirtojen resultantti) on vain yksi nollakohta (ks. kaavakuvan oikea puoli). Tätä sydämenmuotoista herkkyyskuviota nimitetään kardioidiksi. Periaatteessa siis suunta-antenni vahvistaa toista napakaavion napaa siten, että saadaan yksinapainen napakaavio, jolloin suuntaongelma ratkeaa. Vanhemmissa järjestelmissä piti asettaa tehtaalla toinen nollista kohtilentonollaksi laitteiston asettelun perusteella. Uusimmissa ADF-laitteissa (solid-state ADF, "puolijohde-ADF") ei myöskään ole kierrettävää antennia, vaan suuntima lasketaan useiden, tunnetusti aseteltujen antenniryppäiden vastaanottamien induktiovirtojen perusteella. NDB-maalaitteessa puolestaan voi olla jopa 50-metrinen T-antenni, joka toimii vaihtovirralla.

Käyttö

Laskeutuva kone sivuuttamassa Klagenfurtin lentoaseman NDB-lähestymismajakkaa.

NDB-majakoita voidaan käyttää reitti- tai lähestymismajakoina (lokaattoreina). Lähestymismajakoiden avulla voidaan rakentaa pelkästään NDB-pohjainen menetelmä tai niitä voidaan käyttää esimerkiksi ILS-lähestymisen väli- tai loppulähestymisosalla tai lähtö- tai tuloreiteillä. ILS-lähestymisen loppulähestymisen tapauksessa lähestymismajakka voi olla 75 MHz:n merkkimajakan lisänä tai tilalla, mikä mahdollistaa esim. odotuskuvion perustamisen. NDB-reittimajakoilla, jotka nykyään ovat jo harvinaisia, voidaan määritellä lentoväyliä samaan tapaan kuin VORin avulla. Reittimajakan lähetysteho on lähestymismajakkaa suurempi, jotta kuuluvuusalue suurenisi: käytetään jopa usean kilowatin majakoita.

Hyötyliikennekuuntelu

NDB-majakoita hyötyliikennekuunnellaan myös radioharrastusmielessä kuuntelija-amatööreinä. Esimerkiksi Valkealan Tieteellinen Tutkimusseura VTTS ry, jolla on myös radioamatöörilähetyskutsumerkki OH5LIZ, pitää NDB-lähetteiden vastaanottamista varten OpenWebTX / KiwiSDR -vastaanotinta Kouvolan Valkealassa. Yhteisö jakaa vastaanottotulokset Internetissä enintään neljällä samanaikaisella kuuntelijalle osoitteessa http://oh5liz.proxy.kiwisdr.com:8073 .

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Suuntaamaton radiomajakka Wikimedia Commonsissa