2.3 Радиовысотомеры

Высота полета является одним из основных навигационных параметров, информация о котором необходима на всех этапах полета ВС. Поэтому в состав пилотажно-навигационных комплексов ЛА помимо барометрических входят радиовысотомеры (РВ), обеспечивающие измерение истинной высоты полета (т.е. высота над рельефом земной поверхности) с высокой точностью. Погрешность измерения высоты полета не превышает доли метра.

В зависимости от измеряемой максимальной высоты различают РВ малых и больших высот.

На ВС гражданской авиации используются в основном РВ малых высот (до 1500 м) с изучением непрерывных частотно-модулированных (ЧМ) колебаний вблизи частоты 4300 МГц (рис.2.2).

РВ больших высот (около 30000 м) с изучением импульсных колебаний на частоте 840 МГц применяют на ВС как вспомогательное навигационное средство при аэрофотосъмке местности и для других целей.

Из рис. 2.2, б видно, что информация о высоте полета Н заключена в сдвиге по времени законов ЧМ изучаемого и отраженного сигналов.

Генератор низкой частоты (ГНЧ) вырабатывает напряжение , управляющее частотой зондирующего ЧМ-сигнала, формируемого в генераторе сверх высокой частоты (СВЧ). Антенна служит для изучения сигнала в сторону земной поверхности. При изменении частоты СВЧ-генератора по несимметричному пилообразному закону с периодом модуляции частота излучаемых колебаний

, (2.6)

где -средняя частота излучаемых колебаний (несущая частота) ; -полоса модуляции (девиация) частоты передатчика.

Рисунок 2.2 –Упрощенная структурная схема радиовысотомера с частотной модуляцией (а) и временные диаграммы (б).

Отраженный сигнал с антенны А2 поступает на балансный смеситель (БС), куда подается часть мощности зондирующего (прямого) сигнала. Частота отраженного сигнала повторяет частоту излученного сигнала с запаздыванием на :

(2.7)

В балансном смесителе выделяется разностная частота (частота биений), значение которой пропорционально , а следовательно и Н:

(2.8)

или (2.9).

Искомое значение высоты при постоянных , с и определяется по формуле , где М –масштабный коэффициент, зависящий от параметров РВ.

Таким образом, для определения Н необходимо измерить . С этой целью сигнал после БС - преобразованный сигнал – усиливается в усилителе низких (разностных) частот и поступает на измеритель частоты (ИЧ), с которого снимается напряжение , пропорциональное высоте полета ВС.

2.4 Доплеровские измерители скорости и угла сноса

Важнейшей характеристикой движения ВС относительно земной поверхности является его вектор скорости (рис. 323). На самолетах обычно измеряются горизонтальная составляющая вектора скорости (путевая скорость ) , т.е. сумма вектора воздушной скорости , создаваемой двигателями, и горизонтальной составляющей вектора скорости ветра , а также угол сноса ₄ .

Доплеровские измерители скорости и угла сноса (ДИСС) позволили решить проблему оперативности и точности отсчета и , а следовательно, и обеспечить вождение ВС по кратчайшему расстоянию – ортодромии. При этом направление вектора путевой скорости = должно совпадать с линией пути.

ДИСС является одним из основных датчиков автономной навигационной системой бортового комплекса (рис.3.4). Эта система осуществляет автоматическое решение таких навигационных задач, как счисление пройденного пути при определении местонахождения и направления полета современного скоростного ВС. Точность местонахождения ВС с помощью доплеровской РЛС практически зависит только от погрешности датчика истинного курса которая превосходит погрешности, вносимые ДИСС. Практика показала, что вероятная ошибка, характеризующая точность ДИСС при усреднении сигналов на участке горизонтального полета не менее 20 км, равна по скорости по углу сноса .

Таким образом, ДИСС предназначен для определения составляющих вектора скорости ВС относительно подстилающей поверхности и выдачи экипажу и в навигационный комплекс информации, необходимой для выполнения полета и счисления пути.

ДИСС основаны на радиолокационном принципе и являются автономными устройствами, т.е. работают без связи с наземными радионавигационными точками, что не ограничивает их дальность действия. В этом заключается важнейшее преимущество ДИСС.

Для доплеровских измерителей не существует принципиальных ограничений по скорости, они могут устанавливаться на ВС различного назначения. Кроме того, современные ДИСС достаточно надежны в эксплуатации, имеют небольшие габариты и массу, работают практически при любых метеорологических условиях.

Рисунок 2.3 Составляющие вектора полной скорости (а) и навигационный тре­угольник скоростей (б)

Рисунок 2.4 Основные датчики информации автономной системы навигации

Формирование навигационной информации в ДИСС

Определение скорости ВС основано на эффекте Доплера, в силу которого частоты отраженного и излучаемого сигналов отличаются на доплеровскую частоту , где - радиальная скорость; - длина волны излучаемого сигнала.

Доплеровская частота зависит от радиальной, а следовательно, и от полной скорости ВС.

Практически на ВС постоянно действует ветер какого-либо направления, вызывая его снос на угол . В этом случае доплеровская частота зависит от значения и направления угла сноса ВС.

Для луча (рис.2.5,а) радиальная скорость , а доплеровский сдвиг частоты . С учетом информации об угловом положении луча , и длине волны частота Доплера зависит от двух неизвестных навигационных параметров и .

Поскольку речь идет о двух неизвестных величинах, то инфор­мация о составляющих вектора скорости и угле сноса формируется при совместном решении уравнений для .

Рисунок 2.5 –Ориентация диаграммы направленности в связанной с ВС системе координат (а), огибающая и ширина доплеровского спектра (б), спектр частот сигнала, отраженный от участка s (в)

При неподвижной антенне такая система уравнений может быть получена путем приема сигналов с двух симметричных относительно продольной оси ВС направлений (лучи 2, 3, рис. 2.6). Для компенсации искаженной информации при эволюциях (крене и тангаже) ВС целесообразно применение третьего дополнительного луча 1.

При горизонтальном полете доплеровские частоты по каждому из лучей антенны в самолетном ДИСС:

Таким образом, самолетный ДИСС при трехлучевой антенне выдает следующую информацию:

Образование информационных сигналов и последовательное преобразование их для определения значений и осуществляется бортовой РЛС ДИСС, в состав которой входят антенны (передающая и приемная), приемопередатчик, устройство измерения средней доплеровской частоты автономные вычислители и а. а также индикатор путевой скорости и угла сноса (см. рис. 2.6).

Эта упрощенная структурная схема для современных ДИСС различных типов, применяемых в гражданской авиации, одинакова.

Рисунок 2.6 –Обобщенная структурная схема измерителя скорости и угла сноса, расположение трех лучей в пространстве, частоты доплеровских сигналов при различных углах сноса .