pienoiskuva|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. pienoiskuva|Ilmailun radiosuunnistusjärjestelmien vertailua. Suuntaamattomat radiomajakat eli NDB-majakat (, 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 (, 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. Ensimmäiset Suomessa käytetyt laitteet olivat kotimaassa valmistettuja, mutta pian valtio hankki yhteensä 100kpl eri tehoisia, kanadalaisen Nautelin valmistamia laitteita, joita käytettiin 1980-luvulle saakka. Tämän jälkeen laitteita on hankittu myös muualta.
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 sekä pienen tauon jälkeen myös Kittilän lentoasemalla), 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, ja siihen on liittynyt aiempaa suurempia suunnistuslaitepoistoja, mutta täälläkin se on edullisuutensa vuoksi säilynyt pitkään, erityisesti maakuntalentoasemilla, joilla joillakin ei ole koskaan ollutkaan VOR-majakkaa (esimerkiksi Seinäjoki). Nykyisiinkin lentokoneisiin on yleensä saatavilla vähintään yksi ADF, nykyään useimmiten lisämaksusta.
Tekniikka pienoiskuva|Tyypillinen mekaaninen ADF-näyttölaite. pienoiskuva|ADF-komposiittiantennin napakaavio. Komposiittiantennin säteilykentässä on vain yksi nolla-alue.NDB-majakka ei lähetä tietoa ilma-aluksen suunnasta tai majakasta lähtevästä radiaalista, vaan ainoastaan jatkuvaa, vaakatasossa likimäärin ympärisäteilevää radiosignaalia. Majakan suunta määritetään ilma-aluksessa olevalla radiokompassilla vastaanotetun sähkömagneettisen kentän tulosuunnan perusteella. NDB:n ja ADF:n toimintaperiaate eroaa siten esimerkiksi VOR-järjestelmästä, jossa suunnan määrittämiseen tarvittava vaihevertailu sisältyy jo maa-aseman lähettämään signaaliin.
NDB:n muodostamassa järjestelmässä on näin ollen erotettava toisistaan kaksi osaa:
maassa oleva NDB-lähetin, joka lähettää ympärisäteilevää radiosignaalia; ilma-aluksessa oleva ADF-vastaanotin antenneineen ja näyttölaitteineen, joka määrittää signaalin näennäisen tulosuunnan.
Majakan lähettämä signaali
NDB toimii pienillä tai keskisuurilla radiotaajuuksilla. Ilmailussa käytettävien NDB-majakoiden taajuudet ovat tavallisesti muutamia satoja kilohertsejä. Esimerkiksi Pohjois-Amerikassa useimmat ilmailun NDB-majakat toimivat 190–535 kilohertsin taajuusalueella, mutta muualla on käytetty myös tätä korkeampia taajuuksia.
Radioaallon aallonpituus saadaan yhtälöstä
missä on valonnopeus ja lähetystaajuus. Esimerkiksi 300 kilohertsin taajuudella aallonpituus on noin kilometri. Neljännesaallon mittainen pystysuora antenni olisi tällöin noin 250 metriä korkea, minkä vuoksi NDB-asemilla käytetään tavallisesti aallonpituuteen nähden hyvin lyhyttä pystysäteilijää.
NDB-lähete muodostuu jatkuvasta radiotaajuisesta kantoaallosta. Jos kantoaallon taajuus on , sen hetkellinen jännite voidaan ideaalitapauksessa esittää muodossa
Majakan tunnus lähetetään tavallisesti kantoaaltoon liitettynä äänitaajuisena amplitudimodulaationa. Tunnus muodostuu yleensä kahdesta tai kolmesta morsekirjaimesta. Moduloitu lähete voidaan yksinkertaistetusti esittää muodossa
missä on tunnuksessa käytetty äänitaajuus ja modulaatiosyvyys. Ilmailun NDB-majakoissa tunnusäänen taajuutena on käytetty esimerkiksi 400 tai 1 020 hertsiä.
Joissakin lähettimissä tunnus on muodostettu kahden hieman eritaajuisen kantoaallon avulla. Kun vastaanotin vastaanottaa molemmat kantoaallot, niiden taajuusero synnyttää kuultavan tunnusäänen. Tunnuksen tekninen muodostamistapa ei kuitenkaan muuta suunnanmäärityksen periaatetta.
Tunnussignaali ei sisällä suuntatietoa. Lentäjä kuuntelee tunnuksen varmistaakseen, että vastaanotin on viritetty oikealle ja toimintakuntoiselle asemalle. Varsinainen suunta päätellään radiotaajuisen kantoaallon muodostaman sähkömagneettisen kentän tulosuunnasta.
Lähetysantenni
NDB-aseman lähetysantennina käytetään tavallisesti pystysuoraa monopoliantennia. Koska antenni on hyvin lyhyt suhteessa aallonpituuteen, se käyttäytyy sähköisesti pääasiassa kapasitiivisena kuormana. Antennin kapasitiivista reaktanssia kompensoidaan suurella virityskelalla, jonka induktiivinen reaktanssi kumoaa antennin kapasitiivisen reaktanssin toimintataajuudella:
Antennijärjestelmän kokonaisimpedanssi voidaan resonanssissa esittää likimäärin muodossa
Tässä on antennin säteilyresistanssi. Se kuvaa sitä osaa antennin sähköisestä kuormasta, jonka kautta lähetinteho muuttuu radioaalloiksi. Muut resistanssit kuvaavat pääasiassa lämmöksi muuttuvia häviöitä.
Lyhyen antennin yläosassa voidaan käyttää vaakasuuntaisista johtimista muodostettua kapasitiivista hattua. Se kasvattaa antennin kapasitanssia ja tehollista korkeutta, jolloin tarvittavaa viritysinduktanssia voidaan pienentää. Tämä puolestaan vähentää virityskelan resistiivisiä häviöitä.
Antennijärjestelmään kuuluu lisäksi maadoitusverkko, vastapaino tai suuri määrä säteittäisiä maajohtimia, joiden kautta antennivirta palaa lähettimeen. Maadoituksen resistanssi ja ympäröivän maaperän sähkönjohtavuus vaikuttavat huomattavasti antennin hyötysuhteeseen.
Koska NDB-antenni on vain pieni osa aallonpituudesta, sen säteilyresistanssi on pieni. Huomattava osa lähettimen tehosta voi tämän vuoksi muuttua lämmöksi virityskelassa, johtimissa ja maaperässä. NDB-aseman hyötysuhde voi siten olla paljon huonompi kuin sellaisen radioaseman, jonka antenni on lähempänä resonanssipituuttaan.
NDB-lähettimessä voidaan valvoa antennivirtaa, sillä säteilyteho riippuu likimäärin antennivirran neliöstä:
Antennin jäätyminen, maaperän kosteuden muuttuminen, huonontunut liitos tai virityspiirin poikkeama voi muuttaa antennivirtaa, vaikka itse lähetin edelleen tuottaisi radiotaajuista tehoa.
NDB-antennin säteilykuvio on ylhäältä katsottuna likimäärin ympyränmuotoinen. Majakka lähettää siten vaakatasossa suunnilleen samanlaisen signaalin kaikkiin ilmansuuntiin. Todellinen kuvio ei ole koskaan täysin ympyränmuotoinen, sillä sitä voivat vääristää maasto, rakennukset, johtimet, maaperän ominaisuudet ja muut aseman lähellä olevat rakenteet.
Kolmiulotteisesti pystysuoran monopoliantennin säteily ei ole tasainen kaikkiin suuntiin, vaan sen kuvio muistuttaa vaakatasossa olevaa rengasta. Säteily on voimakkainta pienillä korkeuskulmilla ja heikkoa suoraan antennin yläpuolella.
Signaalin eteneminen
NDB:n ensisijainen etenemismuoto on maan ja ilmakehän rajapintaa seuraava pinta-aalto. Pienillä taajuuksilla radioaalto taipuu maanpinnan mukana paremmin kuin VHF- tai UHF-taajuuksilla, joten majakka voidaan vastaanottaa jonkin verran radiohorisontin ulkopuolellakin.
Pinta-aallon voimakkuuteen ja vaiheeseen vaikuttavat muun muassa
taajuus; etäisyys; maastonmuodot; maaperän sähkönjohtavuus; reitin kulkeminen maan tai veden yllä; reitin varrella olevat johtavat rakenteet.
Meriveden sähkönjohtavuus on yleensä paljon suurempi kuin kuivan maan tai kallion. Tämän vuoksi pinta-aalto vaimenee meriveden yllä tavallisesti hitaammin kuin huonosti johtavan maan yllä.
NDB lähettää pystypolarisoitua radioaaltoa, sillä pystypolarisaatio soveltuu vaakapolarisaatiota paremmin maanpintaa seuraavaan etenemiseen. Vaakasuuntainen sähkökenttäkomponentti aiheuttaisi johtavassa maassa suurempia häviöitä.