В. Измерение скорости

Скорость движения является важным тактическим параметром как для военных самолетов и вертолетов, так и для самолетов и вертолетов гражданской авиации.

Существует две постановки задачи относительно измерения скорости движения.

Первая – измерение скорости движения лоцируемого объекта. Эта постановка задачи относится к области радиолокации.

Вторая – измерение собственной скорости движения самолета или вертолета. Данная постановка задачи относится к области радионавигации.

В обоих случаях большинство задач измерения скорости решается путем использования доплеровского эффекта. Данный эффект получил свое название в честь австрийского физика и астронома Кристиана Доплера (1803-1853), который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления взаимного перемещения наблюдателя и источника указанных колебаний. Рассмотрим использование этого эффекта более подробно.

а) Вычисление доплеровской частоты.

Измерение скорости в авиационных радиосистемах базируется на том факте, что два гармонических колебания, а именно, излученное в направлении движущегося объекта и отраженное от этого объекта (рис. 3.34) будут, в общем случае, иметь неодинаковые частоты. Разность данных частот называется доплеровской частотой , которая вычисляется следующим образом:

где: - частота излученного гармонического колебания; С – скорость распространения электромагнитных волн (); - радиальная скорость объекта. При этом частота гармонического колебания, отраженного от движущегося объекта, рассчитывается как , если объект удаляется, и как , если объект приближается.

Что касается радиальной скорости , то она для точечного объекта, обладающего скоростью V, является проекцией скорости V на направление «объект – измерительная радиосистема». Следуя геометрическому построению, приведенному на рис. 3.34, величина радиальной скорости определяется по формуле:

где - угол между вектором скорости V и направлением «объект – измерительная радиосистема».

Возможен и иной вариант – гармоническое колебание частоты излучает сам движущийся объект, а измерительная радиосистема выполняет лишь приемные функции. В таком случае, на вход измерительной радиосистемы поступит гармоническое колебание частоты , причем доплеровская частота , равная разности частот и (), будет вычисляться согласно соотношению:

Величина доплеровской частоты много меньше, чем частота излученного колебания. Так, например, если (случай, типичный для радиолокационной практики), а , то доплеровская частота , рассчитанная по алгоритму (3.36), будет равна .

Рассмотрим механизм вычисления доплеровской частоты для различных ситуаций, когда доплеровская измерительная приемо-передающая радиосистема установлена на борту самолета, движущегося горизонтально (в плоскости, параллельной земной поверхности) со скоростью V:

- ситуация 1 – ветер отсутствует; луч радиосистемы, направленный на землю под углом , расположен в вертикальной плоскости, проходящей через ось фюзеляжа (рис. 3.35, а):

- ситуация 2 – ветер отсутствует; луч радиосистемы, направленный на землю под углом , расположен в вертикальной плоскости, которая отклонена на угол относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось фюзеляжа (рис. 3.35, б):

- ситуация 3 – присутствует горизонтальный ветер, скорость которого, векторно складываясь со скоростью самолета, создает новый вектор скорости, составляющий угол (угол сноса) с осью фюзеляжа; прочие условия – те же, что и в ситуации 2; тогда значение будет (рис. 3.35, в):

Из анализа соотношения (3.41) видно, что по измеренной невозможно одновременно вычислить однозначные значения скорости и угла сноса. Эта неоднозначность проявляет себя в еще большей степени, когда полет самолета не происходит в горизонтальной плоскости и когда необходимо одновременно определять величины пространственных составляющих итогового вектора скорости совместно с углами сноса, крена и тангажа лишь по измеренной доплеровской частоте . Чтобы избежать подобной неоднозначности, на самолетах и вертолетах устанавливают не однолучевые, а многолучевые (чаще всего трех- и четырехлучевые) доплеровские измерители скорости.

б) Многолучевой доплеровский измеритель скорости.

Примером многолучевого доплеровского измерителя скорости может служить, в частности, трехлучевой измеритель, устанавливаемый на борту вертолета. Этот измеритель в комплексе с бортовыми курсовой системой и гировертикалью предназначен для непрерывного измерения составляющих вектора скорости и индикации этих составляющих, в результате чего осуществляется выведение вертолета в точку с заданными координатами, зависание и посадка вертолета при отсутствии как информации о силе ветра, так и визуальной видимости.

Основные технические характеристики указанного измерителя:

- вид излучения – непрерывные электромагнитные колебания сверхвысоких частот;

- мощность излучаемых (в одном луче) электромагнитных колебаний – не менее 0,7Вт;

- диапазон измеряемых доплеровских частот – 5…4000Гц;

- мощность, потребляемая от источника питания 27В – не более 240Вт.

Рассмотрим принципиальную сторону работы более сложного (четырехлучевого) доплеровского бортового измерителя скорости. Расположение (вид сверху) диаграмм направленности этого измерителя показано на рис. 3.36.

Радиопередающее устройство данного измерителя работает в непрерывном режиме, излучая гармонический радиосигнал частоты . Этот радиосигнал распространяется в пространстве, достигает земной поверхности, отражается от нее и далее поступает на вход радиоприемного устройства. Тогда, с учетом эффекта Доплера, частоты указанного радиосигнала, поступающего по каждому из лучей, в общем случае будут иметь следующие значения:

Для случая горизонтального полета величины доплеровских частот будут вычисляться согласно выражениям:

из совместного решения которых находятся значения и .

В случае произвольного полета величины частот будут отличными друг от друга, и по их значениям вычисляются составляющие и вектора скорости. Эти составляющие являются проекциями полного вектора скорости на оси прямоугольной системы координат XYZ, начало которой совмещено с центром масс самолета или вертолета.

Упрощенная структурная схема 4-лучевого доплеровского измерителя скорости представлена на рис. 3.37. Работа данного измерителя осуществляется следующим образом.

Генератор 6 радиосигнала непрерывно вырабатывает гармоническое напряжение частоты . Это напряжение поступает на антенный ферритовый коммутатор 5, к которому поочередно подключаются пары радиопередающих антенн (радиосигнал попеременно излучается то с антенн 1,3 то с антенн 2,4) и одновременно с этим – пары радиоприемных антенн (соответственно – либо , либо ). Переключением антенн управляет генератор 13 частоты коммутации. Радионапряжение частоты подается, кроме антенного ферритового коммутатора, также на аттенюатор 7, который уменьшает (в предохранительных целях) амплитуду этого радионапряжения, а далее – на вторые входы смесителей 8 и 9. На первые входы данных смесителей поступают радиосигналы с выходов радиоприемных антенн. В смесителях выполняется частотное вычитание (образуется разность излученной и принятой частот), в результате чего на выходах смесителей формируется радионапряжение той или иной доплеровской частоты. Эти радионапряжения, полученные за один полупериод коммутации, подается на частотомеры 10 и 11, которые формируют отсчеты соответствующих (за тот же полупериод коммутации) доплеровских частот. Показания этих частотомеров далее поступают в вычислитель 12. Работу частотомеров и вычислителя синхронизирует генератор частоты коммутации. Выходной информацией вычислителя являются составляющие и вектора скорости самолета. Далее эти составляющие подаются на индикаторные устройства для их считывания и последующего управления полетом.

Радиодальномеры.

Поскольку радиоконтакты, осуществляемые любой радиосистемой, обязательно являются дистанционными, то дальность действия является одной из наиболее важнейших тактико-технических характеристик данной радиосистемы. Рассмотрим расчет дальности действия и принципы практической реализации различных радиодальномеров, используемых для решения радиолокационных и радионавигационных задач.

А. Бортовые радиодальномеры.

В настоящем разделе приводятся алгоритмы для вычисления дальности действия радиодальномеров (указанные алгоритмы могут быть применены также и для расчета дальности действия тех радиосистем, которые не выполняют впрямую функцию измерения дальности – например, радиосистем передачи и приема информации, радиоответчиков и т.д.) и изучаются способы построения импульсных и фазовых радиодальномеров. Работа частотного радиодальномера излагается в разделе «радиовысотомер малых высот».

а) импульсные радиодальномеры;

Импульсный метод измерения дальности может быть реализован в двух вариантах – когда объект, дальность до которого подлежит измерению, является пассивным (только отражает распространяющийся в пространстве электромагнитный радиосигнал), и когда объект дальнометрии имеет активный характер (способен излучать собственный электромагнитный радиосигнал). Рассмотрим принципы построения радиодальномеров для обоих случаев.

Первый случай. Объект дальнометрии – пассивен.

Данная ситуация представлена на рис. 3.38. Расстояние между самолетами (носителем радиодальномера) и объектом, не известное заранее, измеряется следующим образом. Антенна радиодальномера излучает импульс электромагнитной энергии. Этот импульс распространяется в пространстве, достигает объекта, отражается от него, начиная движение в обратном направлении, после чего принимается антенной радиодальномера. Специальное электронное устройство внутри радиодальномера измеряет временной интервал между моментами излучения импульса и его приема, а затем вычисляет дальность до объекта по формуле (3.14):

,

где - скорость распространения электромагнитных волн в пространстве, принимаемая равной .

Рассмотрим вопрос о нахождении величины максимальной дальности действия радиодальномера.

Пусть мощность радиосигнала, создаваемого радиопередающим устройством, равна . Тогда мощность радиосигнала, излученного антенной радиодальномера, окажется равной , где - коэффициент полезного действия тех волноводно-фидерных каналов, которые соединяют радиопередающее устройство с антенной.

Предположим, что излучение антенны радиодальномера является изотропным (равнонаправленным во все стороны) и осуществляется в идеализированном, не создающем для излучения никаких потерь пространстве. В таком случае плотность излученной мощности, оказавшаяся в непосредственной близости около объекта, находящегося на расстоянии относительно радиодальномера, будет равна величине

.

Учитывая, что излучение антенны на самом деле не является изотропным, а сконцентрировано в определенной области пространства согласно диаграмме направленности излучения, получим, что реальная плотность излученной мощности, оказавшаяся вблизи лоцируемого объекта, будет вычисляться по формуле

(3.44)

Теперь нетрудно рассчитать мощность , отраженную от объекта, как величину

,

где: - геометрическая площадь объекта;

- коэффициент, учитывающий потери мощности в объекте (зависит от материала объекта, от степени шероховатости его поверхности, и т.д.);

- коэффициент, обусловленный пространственными характеристиками объекта (ориентацией его крупноразмерных составляющих, диаграммой обратного рассеяния, и т.п.).

или, в более сокращенной (и употребляющейся значительно чаще) записи

, (3.45)

где коэффициент имеет размерность площади и является обобщенной характеристикой отражающих свойств объекта. Коэффициент называется эффективной площадью рассеяния объекта. Например, для дальнего бомбардировщика составляет (15...20)м², для среднего бомбардировщика равна (7...10)м², для истребителя - (3...5)м², для человека - (0,5...1)м².

Используем далее ход рассуждений, аналогичный предыдущему. А именно – полагая объект излучающим изотропно, получим, что плотность отраженной от объекта мощности в области, непосредственно на расстоянии приемной антенне радиодальномера, будет вычисляться как

;

а с учетом диаграммы направленности приемной антенны окончательное выражение для итоговой плотности мощности (в той же пространственной области) примет вид

. (3.46)

Тогда мощность , поступившая на вход приемного устройства радиодальномера, запишется в виде следующего выражения:

, (3.47)

где - эффективная (составляющая величину примерно 0,7 от геометрической) площадь приемной антенны;

- коэффициент полезного действия волноводно-фидерных трактов, соединяющих приемную антенну с приемным устройством радиодальномера.

В итоге, объединяя соотношения (3.44)...(3.47) в единое уравнение, получим:

или, полагая

, (такое допустимо, если для

излучения и приема используется одна и та же приемо-передающая антенна),

придем к выражению

,

откуда дальность действия радиодальномера отыщется в виде:

(3.48)

Зависимость дальности действия от угловых координат и связана,

как видно из данного алгоритма, с наличием пространственно-ориентированной

диаграммы направленности антенны.

Окончательно – максимальная дальность действия

радиодальномера может быть найдена из соотношения (3.48), если вместо

величины подставить значение чувствительности приемного устройства, то

есть величину ; тогда получим:

(3.49)

Поскольку величина зависит от и , то на практике пользуются

значением , соответствующей дальности , измеряемой в направлении

максимума главного лепестка диаграммы направленности; в таком

случае в алгоритм (3.49) подставляется не , а .

Напомним еще раз, что алгоритм (3.49) позволяет вычислить максимальную

дальность действия радиодальномера лишь при условии наличия идеализированного (в котором не происходит потерь электромагнитной энергии при ее, например, рассеянии на пылевых частицах, гидрометеорах, и т.д.) пространства распространения электромагнитных волн.

Рассмотрим функционирование импульсного радиодальномера. Отметим, что в отличие от радиодальномера, структурная схема которого представлена на рис. 3.15 и который использует в своей работе так называемые простые (с неизменной во времени частотой заполнения) радиоимпульсы, данный радиодальномер, структурная схема которого приведена на рис. 3.39, формирует и излучает в пространство уже не простые, а сложные (в частности, с линейно изменяющейся во времени частотой заполнения) радиоимпульсы.

Поясним, что в отличие от простых радиоимпульсов, для которых произведение (здесь - длительность радиоимпульса, а - ширина центрального лепестка его спектра), сложными называются такие радиоимпульсы, у которых аналогичное произведение много больше 1 (например, 30...80). Другое название сложных радиоимпульсов – энергоемкие. Одним из сложных радиоимпульсов, наиболее часто используемых на практике, являются линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) радиоимпульсы.

Функционирование импульсного радиодальномера, структура которого показана на рис. 3.39., заключается в следующем.

Запускающий импульс синхронизатора 1 поступает на вход формирователя 2, и на его выходе вырабатывается линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) радиоимпульс. Внешний вид ЛЧМ – радиоимпульса приведен рис. 3.40, а), а закон изменения частоты заполнения данного радиоимпульса изображен на рис. 3.40, б), где - девиация указанной частоты.

Далее сформированный ЛЧМ – радиоимпульс попадает сначала на импульсный модулятор 3, а затем – на радиопередающее устройство 4, после чего через антенный переключатель 5 и антенну параболического типа излучаются в пространство.

Отметим, что в радиодальномере, помимо антенного переключателя 5, закрывающего вход радиоприемного устройства 7 на время излучения ЛЧМ – радиоимпульса (во избежание повреждения первых приемных каскадов мощным радиоимпульсом), дополнительно (по той же причине) используется еще и устройство защиты 6.

Отраженный от объекта ЛЧМ – радиоимпульс поступает на антенну, выполняющую функции излучения и приема, а затем, после прохождения открытым синхронизатором 1 антенного переключателя 5 и устройства защиты 6, подается на один из входов радиоприемного устройства 7. На второй вход радиоприемного устройства 7 вводится (для обеспечения когерентной работы радиопередающего 4 и радиоприемного 7 устройств) радионапряжение с выхода импульсного устройства 8 фазовой автоподстройки (ФАП). После усиления ЛЧМ – радиоимпульс поступает на вход так называемого фильтра сжатия 9.

Название «фильтр сжатия» является в известной степени жаргонным. По сути дела структура данного фильтра, имея однозначное соответствие (согласованность) со структурой сформированного в радиодальномере ЛЧМ – радиоимпульса, является оптимальной с позиции обеспечения максимальной величины выходного (для фильтра сжатия) радиосигнала. При этом длительность указанного выходного радиосигнала оказывается существенно (в несколько десятков раз) меньше, чем длительность ЛЧМ – радиоимпульса. Одновременное наличие данных факторов (увеличение амплитуды выходного радиосигнала и уменьшение длительности того же радиосигнала) дали основание для присвоения рассматриваемому устройству наименования «фильтр сжатия».

Структура фильтра сжатия 9 и эпюры радионапряжений в различных точках этого фильтра приведены на рис. 3.41.

Основным элементом фильтра сжатия 9 является ультразвуковая линия задержки (ЛЗ) с неравномерно-подключенными отводами. Отмеченная неравномерность подсоединения отводов приводит к тому, что ЛЧМ – радиоимпульсы, снимаемые с этих отводов, оказываются сдвинутыми (во времени) на неравные друг относительно друга промежутки. В итоге, суммирование данных не равно – отстоящих друг от друга ЛЧМ – радиоимпульсов обеспечивает мощный и короткий выходной радиоимпульс.

Поясним эффект сжатия на конкретном примере. Пусть ЛЧМ – радиоимпульс имеет длительность и девиацию частоты . Тогда длительность радиоимпульса на выходе фильтра сжатия (отсчитываемая по уровню приблизительно половиной мощности, то есть на высоте от максимума) будет вычисляться по формуле

(3.50)

и окажется равной 0,02мксек. Это означает, что разрешающая способность по дальности, найденная по соотношению

, (3.51)

для ЛЧМ – радиоимпульса составит 3м, аналогично (3.21), в то время когда простого радиоимпульса той же длительности (1мксек) она равнялась 150м. Иными словами, ЛЧМ – радиоимпульс обладает более высокой разрешающей способностью по дальности, нежели простой (с постоянной частотой заполнения) радиоимпульс. Положительный вывод о предпочтительности ЛЧМ – радиоимпульса по сравнению с простым радиоимпульсом делается так же из точки зрения амплитудных соотношений. Так, в частности, если оба (простой и ЛЧМ) радиоимпульса имеют на входах согласованных с ними фильтров одинаковые () амплитуды, то выходные амплитуды будут сильно отличаться: для простого радиоимпульса она составит 1 В, а для ЛЧМ – радиоимпульса, будучи рассчитанной по формуле

(3.52)

получится равной 7 В. Из этого сравнения следует еще один вывод о выгодности использования ЛЧМ – радиоимпульсов: при прочих равных (мощность передатчика, антенна, дальность и эффективная площадь рассеяния объекта, и т.д.) условиях ЛЧМ – радиоимпульс способен, по сравнению с простым радиоимпульсом, обеспечить повышение дальности действия радиодальномера. Оба указанных преимущества (улучшение и повышение ) привели к тому, что в большинстве современных радиодальномеров используются сложные (в частности ЛЧМ) радиоимпульсы.

Продолжим рассмотрение функционирования импульсного радиодальномера. После фильтра сжатия 9 и амплитудного детектирования в блоке 10 происходит измерение дальности до объекта в узле 11. Указанное измерение дальности в современных импульсных радиодальномерах осуществляется в цифровой форме (с тем, чтобы ввести получившийся код дальности в бортовую ЭЦВМ – в электронную цифровую вычислительную машину). Принцип цифрового измерения дальности и структурная схема устройства, реализирующего этот принцип, приведены на рис. 3.42. Поскольку данный измеритель 11 дальности является узлом, включенный в импульсный радиодальномер (его структура изображена на рис. 3.39), то нумерация блоков измерителя 11 (на рис. 3.42, а) продолжает нумерацию рис. 3.39. Работа рассматриваемого измерителя дальности происходит следующим образом. Генератор 12 синхронизирующих импульсов, которые следуют друг за другом с малым (порядка десятых или сотых долей микросекунды) периодом повторения, работает в так называемом автоколебательном режиме, вырабатывая непрерывную последовательность указанных импульсов. Эти импульсы подаются как на делитель 13 частоты, так и на первый вход схемы 14 включения. Импульсы с выхода делителя 13 задают период повторения для радиодальномера (с периодом в пространство излучаются ЛЧМ – радиоимпульсы), которой, как правило, составляет величину несколько миллисекунд.

Каждый импульс с выхода делителя 13, поступивший на первый вход устройства 15 (в качестве которого в простейшем случае может использоваться триггер) переключения, приводит к тому, что устройство 15 открывает (по второму входу) схему 14 (в простейшем случае она представляет собой схему совпадения, или схему И) включения, и синхронизирующие импульсы начинают сквозь схему 14 поступать на суммирующий вход счетчика 16 (перед очередным импульсом с выхода делителя 13 этот счетчик был установлен в нулевое состояние), от чего цифровой код в счетчике 16, начиная с нуля, возрастает.

Увеличение цифрового кода в счетчике 16 происходит до тех пор, пока на выходе амплитудного детектора 10 не появится импульс, соответствующий во времени заднему фронту принятого ЛЧМ – радиоимпульса (см. рис. 3.41). Этот отсчетный импульс поступает на второй вход устройства 15 переключения, которое закрывает схему 14 включения, в результате чего доступ синхронизирующих импульсов в счетчике 16 прекращается.

Цифровой код, оказавшийся в данный момент в счетчике 16, характеризует время запаздывания принятого ЛЧМ – радиоимпульса относительно излученного радиоимпульса, а следовательно, и дальность до объекта. В самом деле, пусть количество синхронизирующих импульсов, оказавшихся между выходными импульсами делителя 13 и амплитудного детектор 8, оказалось равным величине . Тогда время запаздывания может быть вычислено как

,

а дальность объекта определена по формуле

. (3.53)

Если величину представить в двоичной системе счисления, то соответствующее значение будет назваться цифровым кодом дальности . Если, например, =37, то =100101. Именно цифровой код дальности и передается с выхода счетчика 16 через схему 18 передачи числа (с выхода измерителя 11 дальности) в бортовую ЭЦВМ для выполнения с этим кодом различных операций (например, для прогнозирования траектории объекта).

Помимо прекращения доступа синхронизирующих импульсов в счетчик 16, импульс с выхода амплитудного детектора еще выполняет роль импульса, пересылающего код и счетчика 10 в бортовую ЭЦВМ (для этой цели схема 18 открывается на время действия указанного импульса), и импульса, устанавливающего счетчик 16 в нулевое состояние (для предотвращения возможных сбоев при передачи кода из счетчика 16 в бортовую ЭЦВМ через схему 18, в измеритель 11 дальности введен элемент 17 задержки во времени, благодаря которому обнуление счетчика 16 происходит после пересылки кода в бортовую ЭЦВМ).

Так осуществляется измерение дальности до пассивного объекта с помощью бортового импульсного радиодальномера. Рассмотренный радиодальномер нередко используется для определения высоты полета самолета. В таком случае роль пассивного объекта выполняет земная поверхность, а импульсный радиодальномер называется радиовысотомером больших (свыше 0,5км) высот.

Приведем, в качестве примера, основные технические характеристики одного из радиовысотомеров больших высот.

Диапазон измеряемых высот – 500...30000 м.

Точность измерения высоты – 25 м ± 0,15% от высоты.

Импульсная мощность передатчика – 2 кВт.

Несущая (внутриимпульсная) частота – 845 ± 3 МГц.

Длительность излучаемого импульса - 1± 0,5 мкс.

Частота повторения импульсов – 1000 ± 200 Гц.

Потребляемая мощность:

- от сети ~ 115В 400 Гц – 120 В А

- от сети + 27В – 50 Вт

Объем (без антенн и кабелей) – 15 .

Отметим, что помимо радиовысотомеров больших высот в авиации используются также и радиовысотомеры малых высот (которые будут рассмотрены далее, в разделе «Радиосистемы навигационно–посадочного комплекса»).

Второй случай. Объект дальнометрии – активен.

Данный случай характерен для радионавигации, когда бортовая радиоаппаратура самолета осуществляет определение местоположения своего собственного летательного аппарата, используя для этого радиосигналы, излучаемые либо наземными, либо бортовыми (самолетными, спутниковыми) радиомаяками. При этом координаты указанных радиомаяков известны на борту. Иными словами, означенные радиомаяки являются своего рода опорными пунктами, относительно которых экипаж (или сопряженное с бортовой ЭЦВМ радиоэлектронное оборудование) самолета вычисляет свое местонахождение. Изложенную ситуацию поясняет рис. 3.43.

На этом рисунке расстояние между самолетом (летательным аппаратом ЛА) и объектом (радиомаяком) измеряется радиодальномером, установленным на борту летательного аппарата. Происходит это путем измерения времени запаздывания между излученным (с борта ЛА) и принятым (на борту ЛА) радиосигналами. Указанное время запаздывания слагается из трех компонент:

, (3.54)

где: - время распространения запросного радиосигнала (от момента излучения бортовым радиодальномером до момента приема наземным радиомаяком);

- длительность задержки радиосигнала в узлах радиомаяка (т.е. интервал времени от момента приема радиомаяком запросного сигнала до момента излучения радиомаяком ответного сигнала);

- время распространения ответного радиосигнала (от момента излучения наземным радиомаяком до момента приема бортовым радиодальномером).

На практике величины компонент в соотношении (3.54) оказываются достаточно малыми, так что изменение расстояния между радиодальномером (самолетом) и радиомаяком оказывается незначительным, и времена и полагаются равными:

(3.55)

Тогда из алгоритма (3.54), с учетом выражения (3.55), окончательно получим соотношение:

, (3.56)

где - величина, известная заранее и введенная в измерительное устройство радиодальномера.

Рассмотрим вопрос о вычисления максимальной дальности действия радиодальномера в запросно-ответном режиме (случай активного объекта).

Если передатчик бортового радиодальномера вырабатывает мощность , а коэффициент полезного действия волноводно-фидерных каналов, соединяющих передатчик с антенной, равен , то с учетом диаграммы направленности излучения, получим, используя рассуждения, аналогичные тем, что употреблялись при выводе соотношения (3.44), что плотность излученной мощности, оказавшаяся в непосредственной близости от приемной антенны радиомаяка, то есть на расстоянии от радиодальномера, будет вычисляться по формуле:

, (3.57)

где и - углы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, под которыми радиомаяк расположен относительно радиодальномера. Тогда мощность , поступившая на вход приемного устройство радиомаяка, может быть найдена из соотношения:

, (3.58)

где: - эффективная площадь приемной антенны радиомаяка;

- коэффициент полезного действия волноводно-фидерного канала, соединяющего приемную антенну радиомаяка с приемным устройством того же радиомаяка.

Структурная схема радиомаяка приведена на рис. 3.44. Если мощность , поступившая на вход приемника данного радиомаяка, оказывается равной или больше чувствительности приемника этого радиомаяка, то радиоприемное устройство 1 вырабатывает импульс, запускающий формирователь 2 ответных импульсов (ответные импульсы обычно образуют кодовую последовательность – чаще всего эта последовательность состоит из двух импульсов, временной интервал между которыми жестко фиксирован для каждого самолета), которые далее подаются на радиопередающее устройство 2, после чего происходит их излучение (в качестве ответного сигнала) в окружающее пространство.

Используя ту же схему вывода, что употреблялась при получении соотношения (3.44), запишем выражение для нахождения плотности потока мощности, существующей вблизи антенны радиодальномера и обязанной своим происхождением излучению радиомаяка:

, (3.59)

где: - коэффициент полезного действия волноводно-фидерного канала,

соединяющего передатчик радиомаяка с излучающей антенной того же радиомаяка;

- мощность, создаваемая передатчиком радиомаяка;

- диаграмма направленности излучения радиомаяка в функции от угловых координат и (начало данной системы координат совмещено с местом расположения радиомаяка) в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- расстояние от радиомаяка до радиодальномера.

Тогда мощность радиоимпульса, поступившего на вход приемного устройства радиодальномера, будет вычисляться по формуле

, (3.60)

где: - эффективная площадь приемной антенны радиодальномера;

- коэффициент полезного действия волноводно-фидерного канала, соединяющего антенну радиодальномера с приемным устройством того же радиодальномера.

В этом случае, когда величина окажется равной или больше, чем чувствительность () приемного устройства радиодальномера, указанный радиодальномер будет работать в нормальном режиме измерения дальности.

Совокупность выражений (3.57)...(3.60) задает алгоритмическую связь между техническими характеристиками радиодальномера и радиомаяка в общем случае.

На практике обычно используют ряд упрощений. А именно, полагают, что во-первых (то есть за интервал сигнал в радиомаяке дальность остается практически неизменной), во вторых, (то есть в радиодальномере и в радиомаяке используются сходные волноводно-фидерные каналы), в-третьих, и (то есть радиодальномер и радиомаяк используют антенны с достаточно широкими диаграммами направленности). Учитывая это обстоятельство, запишем соотношения для вычисления максимальных дальностей действия радиодальномера в случае, когда объект является активным, в виде:

- для линии «радиодальномер-радиомаяк»:

, (3.61)

- для линии «радиомаяк-радиодальномер»:

. (3.62)

Оба этих выражения являются исходными для проектирования соответствующей линии. Очевидно, что наиболее целесообразным вариантом окажется случай равенства в алгоритмах (3.61) и (3.62).

Если же использовать дополнительное условие, что (как в радиодальномере, так и в радиомаяке используются приемо-передающие антенн, работающие на одной и той же частоте), то, как следует из приравнивания формул (3.61) и (3.62), наиболее экономный энергетический режим будет осуществляться при соблюдении равенства:

. (3.63)

Если же данное равенство не выполняется, то максимальная дальность действия принимается как меньшая из величин, рассчитанных по формулам (3.61) и (3.62).

Теперь обратимся к рассмотрению функционирования радиодальномера, определяющего расстояние до активного объекта. Его упрощенная структурная схема приведена на рис. 3.45.

Запросный сигнал данного радиодальномера состоит из двух радиоимпульсов, смещенных друг относительно друга на небольшую величину задержки во времени и имеющих заранее заданную частоту заполнения.

- Во время полета частота может изменяться. При этом ее изменение может происходить как с помощью ручного, так и с помощью автоматического (от бортовой ЭЦВМ) управления. Формирование базовой частоты, из которой в дальнейшем будет образована частота , происходит с помощью пульта 1 управления, двух генераторов (2 и 3) и смесителя 4.

Первый генератор 2, частота которого является высокостабильной (за счет использования кварца в схеме этого генератора), способен вырабатывать напряжение одной частоты из набора возможных частот, которые отделены друг от друга заранее заданным шагом (этот шаг полагается единичным и составляет, например 1МГц). Второй генератор 2, также имеющий в своем составе кварц, создает напряжение определенной частоты из набора возможных частот, каждая из которых отстоит от соседней на шаг, в несколько (например 10) раз превышающий единичный шаг (в частности, величина данного шага может быть равна 10МГц). Напряжение обеих частот подаются на входы смесителя 4, осуществляющего суммирование указанных частот, и далее, после селекторного усилителя 5, напряжение суммарной частоты поступает на умножитель 6 частоты, формирующий напряжение частоты . Совокупность узлов 1...6 называется синтезатором частоты.

Рассмотрим работу радиодальномера в режиме излучения запросного сигнала.

Запускающий импульс с выхода синхронизатора 7 подается на измеритель 8 дальности, задавая начало отсчета, и одновременно на шифратор 9, который формирует запросный сигнал (два видеоимпульса с кодовым расстоянием между ними). Этот запросный сигнал поступает на модулятор 10, осуществляющий модулирование как умножителя 6 частоты, так предварительного усилителя 11, в результате чего на вход усилителя 12 мощности вводится предназначенный для излучения (обладающий частотой заполнения) запросный сигнал. Данный запросный сигнал, пройдя через антенный переключатель 13 (кольцевой волноводный мост) и волноводно-фидерный канал 14, излучается через антенну (четвертьволновый вертикальный вибратор, конструктивно выполненный в виде штыря, запрессованного в плоскость с фланцем, который крепится к обшивке фюзеляжа в средней части самолета; диаграмма направленности данной антенны – практически круговая в горизонтальной плоскости; масса антенны – 0,3 кГ) в пространство.

Рассмотрим работу радиодальномера в режиме приема ответного (сформированного и излученного радиомаяком) сигнала.

Ответный сигнал представляет собой последовательность двух радиоимпульсов (разнесенных, как правило, на интервал 12 или 36 мкс), частота заполнения которых отличается от частоты . Указанное отличие объясняется тем фактом, что электромагнитные радиосигналы, излучаемые наземным радиомаяком, отражаются от окружающих радиомаяк объектов, и если бы частота данных радиосигналов равнялась , то возникла бы возможность ложных срабатываний радиомаяка.

Принятый антенной радиодальномера ответный сигнал проходит через волноводно-фидерный канал 14 и антенный переключатель 13 на вход усилителя 15 высокой частоты, подвергаясь далее стандартным для радиоприемного устройства с двойным гетеродинированием операциям, а именно – переносу частоты заполнения ответного сигнала с высокой сначала на первую промежуточную (путем вычитания в первом смесителе 16 приемника указанной высокой частоты и гетеродинной частоты, поданной на этот смеситель с выхода предварительного усилителя 11) частоту с последующим усилением в усилителе 17 первой промежуточной частоты, а затем и на вторую промежуточную частоту (при помощи вычитания первой промежуточной и новой гетеродинной частот во втором смесителе 18 приемника, причем новую гетеродинную частоту вырабатывает местный гетеродин 19) с дальнейшим усилением в усилителе 20 второй промежуточной частоты, и наконец, амплитудного детектирования и усиления полученных видеоимпульсов в блоке 21. Выполнение этих традиционных для радиоприемника с двойным гетеродинированием операций завершается поступлением двух видеоимпульсов ответного сигнала на дешифратор 22, который вырабатывает отсчетный импульс.

В момент появления отсчетного импульса происходит измерение дальности от самолета до радиомаяка. Это осуществляется путем подачи отсчетного импульса на вход измерителя 8 дальности.

Поскольку в подавляющем большинстве современных бортовых радиодальномеров измерение дальности осуществляется в цифровой форме, то структурная схема и принцип функционирования рассматриваемого измерителя дальности (когда объект – активен) полностью совпадают со структурной схемой и принципом функционирования ранее рассмотренного (см. рис. 3.42) измерителя дальности (для случая пассивного объекта). Сформированный код дальности передается от измерителя 8 дальности на индикатор 23 дальности.

Одновременно с подачей отсчетного импульса на измеритель 8 дальности дешифратор 22 включает также и динамик, звуковой сигнал которого оповещает экипаж о наличии радиомаяка в пределах зоны действия радиодальномера.

Так завершается один цикл работы бортового импульсного радиодальномера в случае, когда объект (радиомаяк) – активен. Отметим, что выходные импульсы синхронизатора 7 поступают на целый ряд блоков данного радиодальномера, однако соединительные шины на рис. 3.45 не показаны.

Приведем некоторые основные характеристики одного из вариантов рассмотренного радиодальномера:

Частотный диапазон:

- передатчика - 1025...1150 МГц;

- приемника - 962...1213 МГц.

Число частотных каналов – 252.

Диапазон измеряемых дальностей – 0,5...750 км.

Среднеквадратичная ошибка измерения дальности:

- 100 м (в диапазоне дальностей 0,5...20 км);

- 200 м (в диапазоне дальностей 20...560 км).

Потребляемая мощность (от сети 115 В, 400 Гц) – 190 В А.

Масса:

- запросчика (без амортизационной рамы) – 10 кГ;

- всего комплекта – 16 кГ.

Объем:

- запросчика (без амортизационной рамы) – 9,8 ;

- пульта управления – 2,2 .

б) фазовые радиодальномеры.

Напомним некоторые основные положения.

Первое – фазовый радиодальномер работает в режиме непрерывного излучения. Второе – измерение дальности до объекта основано на измерении разности фаз между не излученным и принятым высокочастотными колебаниями, а соответствующими низкочастотными гармониками, которые задают закон амплитудной модуляции указанных высокочастотных колебаний (см. рис. 3.23). Принцип функционирования фазового радиодальномера пояснялся ранее структурной схемой, представленной на рис. 3.24. Что касается практических реализаций, используемых в авиационной практике, то целесообразно рассмотреть два случая.

Случай первый. Объект дальнометрии – пассивен.

Внешняя ситуация изображена на рис. 3.38. Вычисление дальности при неподвижном объекте производится в данном случае по формуле (3.27):

.

где: - циклическая (круговая) частота гармоники, которая выполняет амплитудную модуляцию излучаемого высокочастотного колебания;

- измеренная разность фаз между амплитудно-модулирующими гармониками излученного и принятого высокочастотных колебаний.

Если же происходит взаимное перемещение пассивного объекта и самолета (носителя фазового радиодальномера), то приходится учитывать эффект Доплера. Это означает, что если прежде (при неподвижном объекте, находящемся на расстоянии ) текущая (мгновенная) фаза огибающей принятого сигнала записывалась как

,

то при взаимном перемещении (с результирующей радиальной скоростью - см. рис. 3.34) пассивного объекта и носителя фазового радиодальномера та же текущая (мгновенная) фаза будет записываться как

, (3.64)

где - круговая частота Доплера, выраженная через циклическую частоту Доплера.

Для нахождения полной частоты модуляции принятого сигнала продифференцируем выражение (3.64) по времени ; в результате получим формулу

(3.65)

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при наличии радиальной скорости измеренная разность фаз будет иметь вид:

(3.66)

Уравнение (3.66) содержит два неизвестных ( и , или, что то же, и ) и, следовательно, имеет бесконечное множество решений. Чтобы устранить данную неопределенность, следует ввести еще одно соотношение с теми же неизвестными. Таким соотношением может стать, в частности, уравнение, аналогичное (3.66), но с другими величинами частоты модуляции (например, со значением ) и, соответственно, измеренной разности () фаз. На практике это означает, что высокочастотное колебание, излучаемое фазовым радиодальномером, следует промодулировать не одной, как прежде, частотой , а двумя - и , причем обе эти частоты должны быть достаточно близки, то есть . Упрощенная структурная схема фазового радиодальномера для этого случая приведена на рис. 3.46.

Работа этой схемы происходит следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает синусоидальное колебание частоты , а генератор 2 - синусоидальное колебание частоты . Оба эти колебания подаются на вход радиопередающего устройства 3 для амплитудной модуляции высокочастотного напряжения, вырабатываемого в данном радиопередающем устройстве. Сформированный таким образом сигнал излучается передающей антенной в пространство.

Одновременно с подачей на вход радиопередающего устройства указанные колебания частот и поступают на вход первого смесителя 4.

Сигнал, отраженный от пассивного объекта, поступает на приемную антенну и далее на вход радиоприемного устройства 5. В радиоприемном устройстве данный сигнал усиливается, переносится на промежуточную частоту, детектируется, после чего подается на входы двух фильтров – настроенного на частоту (фильтр 6) и настроенного на частоту (фильтр 7). Напряжения частот и с выходов указанных фильтров поступают на входы второго смесителя 8.

Поиск по сайту: