РАДИОВЫСОТОМЕРА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО РАДИОВЫСОТОМЕРА

САМАРА 2004

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С. П. КОРОЛЕВА»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО РАДИОВЫСОТОМЕРА

Методические указания

САМАРА 2004

Составители: В.Я. Громчев, А.И. Махов.

УДК 621.396.962

Исследование частотного радиовысотомера: Метод. указания / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Сост. В.Я. Громчев, А.И. Махов. Самара, 2004.

Методические указания предназначены для изучения на лабораторных занятиях принципа действия и особенностей частотных радиовысотомеров.

Указания составлены на кафедре «Радиотехнические устройства»; предназначены для студентов, обучающихся по специальности 210302, изучающих курс «Радиотехнические системы».

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева.

Рецензенты: Н.Е. Сабуров, Ю.И. Спесивцев.

Цель работы – изучение частотного метода измерения дальности, изучение принципа действия, устройства и основных свойств радиовысотомера РВ-5.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЧАСТОТНОГО

РАДИОВЫСОТОМЕРА

Радиовысотомер малых высот РВ-5 предназначен для измерения высо­ты полета летательного аппарата над подстилающей поверхностью (рисунок 1, на котором обозначено: 1 – передающая, 2 – приемная антенны) и представляет собой автономную на­вигационную РЛС. В радиовысотомере используется частотный метод изме­рения дальности.

Частотный метод реализуется при непрерывном частотно-модулирован-ном зондирующем сигнале. Закон модуляции может быть произвольным. В РВ-5 используется линейная частотная модуляция по симметричному пилообразному закону (рисунок 2а). Закон частотной модуляции отраженного сигнала повторяет закон модуляции зондирующего, однако запаздывает относительно него на время распространения электромагнитной волны до цели (подстилающей поверхности) и обратно. Благодаря этому за­паздыванию частоты зондирующего и отраженного сигнала разные, при­чем разность частот (рисунок 2б) оказывается пропорциональной дальности (высоте Н). Измерив разностную частоту, можно получить значение дальности (высоты Н).

Для частоты зондирующего сигнала можно записать выражение:

,

где f₁ – частота зондирующего сигнала;

f₀ – несущая частота;

– коэффициент, определяющий скорость измерения частоты.

Для частоты отраженного сигнала запишем:

,

где – время распространения сигнала до цели и обратно (задержка сигнала);

с – скорость света.

Для разностной частоты имеем выражение:

.

Рисунок 2. Изменение частоты сигналов высотомера

Из рисунка 2 следует, что:

,

где – девиация частоты;

Т_m и F_m – период и частота модуляции соответственно.

Тогда получаем:

, (1)

где – постоянная радиовысотомера.

Соотношение (1) является основным для частотного радиовысотомера.

Простейший частотный радиовысотомер неследящего типа может быть реализован согласно структурной схеме, приведенной на рисунке 3. Такое устройство работает следующим образом. Передатчик высотомера через передающую антенну А1 излучает частотно-модулированный (ЧМ) зондирующий сигнал. Малая часть мощности этого сигнала подается в приемник в качестве опорного сигнала. Отраженный сигнал улавливается приемной антенной А2 и поступает на вход приемника. В смесителе СМ приемника принятый и опорный сигналы перемножаются, образуя сигнал разностной частоты. После усиления и фильтрации этот сигнал поступает на вход измерителя частоты. Измеритель частоты может работать либо на инди­катор (указатель высоты), либо выдавать некоторый приборный аналог высоты (ток, напряжение, цифровой код).

Рисунок 3. Структурная схема частотного радиовысотомера

Рассмотрим основные погрешности частотных высотомеров.

Вследствие периодического характера модуляции зондирующего сиг­нала частота биений кратна частоте модуляции F_m. Следовательно, измерение высоты возможно лишь в дискретных точках. Погрешность дис­кретизации можно определить из формулы (1), положив f_р = n F_m:

. (2)

Как видно из выражения (2), указанную погрешность можно уменьшить, увеличивая девиацию частоты .

Из рисунка 2 следует, что частота биений f_р не постоянна во времени. Измеритель оценивает некоторую среднюю частоту, отличающуюся от истинной (максимальной на рисунке 2):

.

Погрешность измерения высоты от непостоянства частоты биений за вре­мя измерения определяется следующим выражением:

.

Уменьшение этой погрешности достигается ограничением диапазона измеряемых высот (уменьшение ) и увеличением периода модуляции сигнала. Погрешности измерения могут быть вызваны также нестабильностью частоты модуляции, девиации частоты и доплеровским смещением частоты принимаемого сигнала.

К достоинствам частотных радиовысотомеров (дальномеров) можно отнести следующие:

– малая мощность излучения;

– отсутствие мертвых зон (в отличие от импульсных систем), что позволяет производить измерения на самых малых высотах;

– простота реализации.

Малая точность измерения вследствие погрешностей, указанных вы­ше, и сравнительно широкой полосы пропускания приемника (повышенная флуктуационная погрешность) относится к недостаткам частотного радио­высотомера.

Принцип действия радиовысотомера РВ-5 в общем соответствует принципу действия простейшего устройства, рассмотренного выше. В РВ-5 приняты схемные решения, направленные на повышение его точности и надежности, что, естественно, привело к усложнению системы. Основные особенности построения радиовысотомера РВ-5 состоят в следующем:

1. В высотомер введен канал автоматической подстройки постоянной k радиовысотомера. Этот канал устраняет погрешность измерения, возникающую вследствие случайных изменений параметров высотомера (девиации частоты Δf, частоты модуляции F_M).

2. Рабочий диапазон частот основного приемного канала разбит на несколько поддиапазонов. В зависимости от текущего значения частоты биений автоматически изменяется частотная характеристика приемного тракта. Таким образом происходит сужение полосы пропускания приемника, что приводит к уменьшению мощности шумов и к соответствующему уменьшению флуктуационной погрешности высотомера.

3. В высотомере имеется устройство встроенного контроля и индикации сигналов работоспособности системы. В аварийном режиме это устройство информирует экипаж летательного аппарата об отказе высотомера. Соответствующий сигнал выдается также при достижении предельно малой высоты полета.

РВ-5 (рисунок 4) состоит из следующих основных блоков: передающая A1 и приемная А2 антенны, ВЧ-тракт, передатчик, блок усиления разностной частоты, блок измерения частоты (БИЧ), указатель высоты (УВ), блок контроля. Генератор (Г) магнетронного типа (митрон) с электронной перестройкой частоты создает модулированные (модулятором М) по частоте СВЧ-колебания со средней частотой 4300МГц. Эти колебания через рупорную антенну A1 излучается в направлении земной поверхности. Часть мощности передатчика с помощью направленного ответвителя (НО) отбирается в приемник в качестве гетеродинного сигнала. Отраженный от земной поверхности сигнал принимается антенной А2 и поступает на вход балансного смесителя БС2, на другой вход которого подается гетеродинный сигнал. Сигнал разностной частоты с выхода смесителя поступает на предварительный усилитель разностной частот (ПУРЧ), а затем – в блок усиления разностной частоты (УРЧ). По мере увеличения высоты полета летательного аппарата (увеличение частоты биений) интенсивность отраженного от земли сигнала падает. Для компенсации этого ослабления эхо-сигнала амплитудно-частотная характеристика ПУРЧ имеет подъем около 6дБ на октаву (6 дБ / 20 дБ).

Рисунок 4. Функциональная схема радиовысотомера РВ-5

В блоке УРЧ осуществляется фильтрация полезного сигнала с целью подавления шумов и паразитных сигналов. Для этого в схему УРЧ включены четыре фильтра, три из которых переключаются с помощью ключей-компарато-ров КЛ-1, КЛ-2, КЛ-З, срабатывающих при определенном уровне управляющего напряжения.

ФНЧ с частотой среза 160 КГц (непереключаемый) ограничивает рабочую полосу УНЧ в области высоких частот. При полете ЛА на самых низких высотах (до 20 – 30м) включен ФНЧ с частотой среза 4,5 КГц (ключ КЛ-1 замкнут, КЛ-2 – разомкнут). При полете ЛА на средних высотах (до 150 – 200м) включается ФНЧ с частотой среза 30 КГц и выключается ФНЧ с частотой среза 4,5 КГц (ключ КЛ-2 разомкнут, КЛ-3 – замкнут), при этом полоса пропускания блока УРЧ становится 30 КГц. При полете ЛА на высотах более 50 – 60м включается ФВЧ с частотой среза 10 КГц (ключ КЛ-1 разомкнут). При этом полоса пропускания блока УРЧ ограничивается в области низких частот, тем самым обеспечивается ослабление паразитных сигналов связи между антеннами и других низкочастотных помех с частотой меньше 10 КГц. Ключи КЛ-1 и К1-2 – диодные, КЛ-3 – транзисторный. Управляются эти ключи выходным напряжением блока измерителя частоты БИЧ. Ключ КЛ-3 управляется выходным напряжением отдельного измерителя частоты ИЧ2, подключенного ко входу

ФНЧ – 4,5 КГц. Ключи срабатывают при достижении управляющим напряжением определенных значений, соответствующих частотам среза фильтров. Таким образом, в зависимости от текущего значения разностной частоты приемный тракт имеет частотные характеристики четырех видов (рисунок 5).

Рисунок 5. Частотные характеристики УРЧ

Схема коммутации КОМ (см. рисунок 4), включенная в блок УРЧ, осуществляет подключение к ФНЧ и далее к БИЧ либо сигнала разностной частоты (режим измерения), либо тест-сигнала частоты контроля (при нажатии кнопки «КОНТРОЛЬ» на указателе высоты), либо сигнала внешнего генератора (отключение тумблера УРЧ). Сигнал разностной частоты с выхода блока УРЧ поступает в блок измерения частоты БИЧ, на входе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное разностной частоте (приборный аналог высоты). Это напряжение подается на УВ для индикации значения высоты. Устройство и работа блоков БИЧ и УВ будут рассмотрены ниже.

Мы рассмотрели работу основного приемно-усилительного тракта радиовысотомера.

В высотомере предусмотрено два способа управления коммутацией фильтров (ФНЧ – 30 КГц и ФНЧ – 4,5 КГц) – для нормального режима и при появлении сигнала отказа. Нормальный режим работы был рассмотрен выше. При появлении сигнала отказа (+18 В) с блока контроля ФНЧ – 4,5 КГц отключается (КЛ-3 замыкается) и включается мультивибратор (МВ), частота генерации которого составляет 0,5 Гц. Импульсы MB подаются через схему НПИ на ключ КЛ-2, который периодически включает ФНЧ – 30 КГц до тех пор, пока не будет снят сигнал отказа.

Канал автоподстройки постоянной k радиовысотомера состоит из калиброванной линии задержки τ, балансного смесителя БС1, УНЧК, измерителя частоты ИЧ1 и усилителя постоянного тока (УПТ), подключенного к модулятору передатчика. Принцип действия канала автоподстройки заключается в поддержании постоянной частоты биений сигналов: задержанного в эталонной линии задержки с эквивалентом высоты 15 м и гетеродинного, поступающего от передатчика через НО без задержки. Биения образуется в балансном смесителе БС1, усиливаются в УНЧК и поступают на ИЧ1, который выдает постоянное напряжение, пропорциональное частоте биений. Это напряжение поступает на один из входов дифференциального усилителя постоянного тока УПТ. На второй вход УПТ подается опорное напряжение, величина которого соответствует входному напряжению ИЧ1 при номинальном значении постоянной k радиовысотомера. УПТ отрабатывает сигнал ошибки (разность входного напряжения ИЧ2 и опорного напряжения) и управляет размахом пилообразного напряжения модулятора.

Сигнал, поступающий на вход ИЧ1 канала автоподстройки, после ограничения в Ч1 используется в качестве тест-сигнала при контроле радиовысотомера.

Устройство встроенного контроля работоспособности радиовысотомера осуществляет непрерывный контроль за амплитудой сигнала разностной частоты и сигнала на выходе УПТ автоподстройки. Блок контроля состоит из двух компараторов ПУ и схемы совпадения «И» (см. рисунок 9). Если амплитуда сигнала разностной частоты в приемном канале достаточна для нормальной работы РВ, то на схему «И» (вход 1) поступает высокий уровень сигнала «1». Аналогично, если значение напряжения УПТ соответствует номинальному значению (близкому к нулю), то на схему «И» (вход 2) также подается «1». В результате на выходе схемы формируется высокий уровень (+18 В) сигнала исправности, а на выходе схемы «НЕ» – низкий уровень (отсутствие сигнала отказа). При несоответствии хотя бы одного из сигналов номинальному в схеме формируются сигналы отказа. При этом стрелка указателя высоты заходит за черный сектор >750 м.

В радиовысотомере РВ-5 имеется устройство установки, выдачи и индикации ОПАСНОЙ ВЫСОТЫ, которое представляет собой электромеханическое устройство, контакты которого связаны со стрелкой указателя высоты УВ. Индикация опасной высоты осуществляется с помощью сигнальной лампочки и звукового сигнала.

Поиск по сайту: