Исследование радиовысотомеров Российских и западных разработчиков

Радиовысотомер как средство навигации
1.1 Назначение радиовысотомеров

Радиовысотомеры (РВ) предназначены для измерения истинной высоты полета летательного аппарата. Они относятся к классу автономных радионавигационных установок, так как не требуют для образования канала измерения дополнительного наземного оборудования.
Для радиовысотомеров выделены определенные диапазоны частот вблизи 4300, 1600-1900 и 440 МГц. В радиовысотомерах применяется радиолокационный принцип определения расстояния (высоты) по отраженному сигналу. Передатчик радиовысотомера формирует колебания, которые с помощью передающей антенны А-1 направляются в сторону земной поверхности. Отраженный сигнал поступает на приемную антенну А-2 и приемник. Измеритель высоты ИВ вырабатывает напряжение, пропорциональное времени прохождения сигнала до земной поверхности и обратно, т.е. пропорциональное истинной высоте .
Для измерения высоты используются частотный и временной (импульсный)методы. Соответствующие РВ называют частотными и импульсными. В зависимости от максимальной измеряемой высоты различают РВ малых и больших высот.
Радиовысотомеры малых высот (до 1500 м) применяют главным образом для управления ЛА в вертикальной плоскости в системах захода на посадку и автоматической посадки. Используются, в основном, РВ с изучением непрерывных частотно-модулированных колебаний. Большинство РВ малых высот дают информацию не только о текущей высоте полета, но и о достижении самолетом установленной заданной высоты полета (или опасной высоты), а также о своей работоспособности. Эта информация обычно в виде постоянных напряжений поступает на индикаторы РВ и в вычислитель системы управления ЛА.
Радиовысотомеры больших высот (до 30 км) применяют как вспомогательное навигационное средство при аэрофотосъемке местности и для других целей. Данные РВ используют излучение импульсных колебаний.



1.1 Принцип действия радиовысотомера малых высот.

Упрощенное объяснение этого метода состоит в следующем, генератор УВЧ через передающую антенну излучает по направлению к земле высокочастотные колебания, модулированные по частоте специальным частотным модулятором. Кроме того, колебания генератора подаются непосредственно к балансному декодеру (так называемый прямой сигнал).
Отраженные от земли частотно-модулированные высокочастотные колебания принимаются приемной антенной радиовысотомера и поступают на вход балансного декодера с запаздыванием по отношению к прямому сигналу на время
t=2H/C (1)
где Н-высота полета, С- скорость света.
В результате смещения прямого и отраженного сигналов на входе балансного детектора образуется результирующий сигнал, представляющий собой высокочастотные колебания, модулированные не только по частоте, но и по амплитуде.
Методы измерения малых высот.
Частотный метод измерения высоты основан на частотной модуляции (ЧМ) излучаемых колебаний.
Низкочастотный генератор ГНЧ (рис.1.) вырабатывает модулирующее напряжение, которое управляет частотой высокочастотных колебаний генерируемых передатчиком Прд. Отраженный от земной поверхности сигнал поступает на балансный смеситель БС, куда подается также часть мощности излучаемых ЧМ колебании. Частоты принимаемого и излучаемого колебаний отличаются друг от друга, так как за время tH мгновенная частота излучаемого колебания изменяется из-за модуляции частоты. Сигнал разностной частоты выделяется усилителем низкой частоты УНЧ и поступает на измеритель частоты ИЧ с которого снимается напряжение U(Н), пропорциональное высоте полета.


Рисунок 1 Упрощенная структурная схема частотного радиовысотомера

В РВ используют гармоническую или линейную (пилообразную) частотную модуляцию излучаемых колебаний .
При гармонической ЧМ полезный сигнал балансного смесителя (преобразованный сигнал) имеет вид
Uб.с.=UБ.Сcos[wh th+ 2mчм sin (0,5WM th) cos WM t]; (2)
где UБ.С —-амплитуда преобразованного сигнала ; wH=2pfH—средняя частота излучаемых колебаний (несущая частота); mч.м==Dwд/Wм — индекс модуляции; WМ = 2pFм — частота модуляции; Dwд = 2pDf — девиация частоты.
Мгновенная частота этого сигнала
Fp=|fизл -fпр| =|2Dfд sin (0,5WM tH)sin WMt| (3)
является периодической функцией времени. Измеритель частоты выдает напряжение, пропорциональное, например, средней частоте преобразованного сигнала:
Fp=2TM -1т0Tм/2 Fp(t)dt=4p-1Dfд sin (0,5WMtH) (4)
При малых tH/TM которые обеспечиваются в РВ выбором частоты модуляции, зависимость Fp(H) имеет линейный характер.
Недостатком гармонического закона модуляции является большая ширина спектра преобразованного сигнала, что затрудняет селекцию сигналов и приводит к снижению точности РВ.
При линейной ЧМ изменение частоты излучаемых колебаний среднее и мгновенное значения частоты преобразованного сигнала связаны соотношением
Fp =Fp (1- 2tH/TM ) (5)
и практически совпадают при tH«TM. При несимметричном пилообразном законе. ЧМ частоты Fp1 и Fp2 существенно отличаются друг от друга. Для измерения высоты обычно используется частота Fp1.
Достоинством линейной ЧМ является более узкий, чем при гармонической ЧМ, спектр преобразованного сигнала, что определило преимущественное применение линейной ЧМ в современных РВ.
Закон частотной модуляции
Информативный параметр преобразованного сигнала
Масштабный коэффициент
Гармонический
Fp =8с-1 FМDfдН (6)
М =0,125с ТМ Dfд-1 (7)
Пилообразный симметричный
Fp8с-1 FМDfдН (8)
М =0,125с ТМ Dfд-1 (9)
Пилообразный нессимметричный (РВ с измерением ТМ)
Fp1 =4с-1 FМDfдН (10)
М =0,25с ТМ Dfд-1 (11)
Частотные радиовысотомеры в зависимости от ширины полосы пропускания усилителя преобразованного сигнала разделяют на широкополосные и узкополосные.
Широкополосный РВ (рис. 2.) имеет полосовой усилитель ПУ, полоса пропускания которого DFП.У.>> DFс, где DFс — ширина спектра преобразованного сигнала- Крайние частоты Fmin и Fmax полосы пропускания определяются диапазоном измеряемых высот. В амплитудном ограничителе АО преобразованный сигнал превращается в последовательность импульсов постоянной амплитуды, которые подаются на счетчик импульсов СИ. Средняя частота следования этих импульсов равна при отсутствии помех среднеквадратической частоте сигнала. Счетчик вырабатывает напряжение, пропорциональное количеству поступивших на него импульсов, а инерционное звено ИЗ усредняет это напряжение. Обычно ограничитель вырабатывает импульсы при пересечении напряжением сигнала нулевого уровня. Поэтому счетчик измерителя частоты часто называют счетчиком числа переходов через нуль.

Рисунок 2 Структурная схема, поясняющая принцип действия широкополосного частотного радиовысотомера.
Узкополосные РВ широко применяют в качестве прецизионных измерителей высоты, в частности, в системах автоматического захода на посадку.
В узкополосных РВ полосу пропускания тракта обработки преобразованного сигнала выбирают близкой к ширине спектра преобразованного сигнала DFC и используют следящую систему, которая позволяет совмещать среднюю частоту преобразованного сигнала с частотой f0 настройки тракта. Такие РВ обладают высокой точностью даже при небольших отношениях сигнал/шум на входе РВ, что объясняется как уменьшением мощности шумов на входе измерителя частоты при сужении полосы пропускания тракта обработки, так и снижением систематической погрешности, которая возникает при несовпадении средних частот сигнала и шума.
Радиовысотомер (рис.3) поочередно работает в режиме измерения и режиме контроля и калибровки масштабного коэффициента.
Режим измерения реализуется в тракте, состоящем из управляемого генератора УГ; частотно-модулированного генератора ЧМГ; направленного ответвителя НО; передающей и приемной антенн А-1 и А-2; балансного смесителя БС; узкополосного фильтра УПФ; усилителя-ограничителя УО; частотного дискриминатора ЧД-1 и схемы управления частотой модулирующих колебаний СУ-1. По структурной схеме РВ представляет собой замкную следящую систему, чувствительным элементом которой служит ЧД-1 с постоянной частотой настройки fо. На частоту f0 настроен и УПФ, полоса пропускания которого DFу.пф.»DFc.
Частотный дискриминатор вырабатывает напряжение, пропорциональное отклонению средней частоты Fс.о спектра сигнала от частоты настройки f0. Это напряжение интегрируется в СУ-1 и используется для управления частотой генератора модулирующего напряжения. Частота FM изменяется в сторону уменьшения рассогласования.
DF= DFc.о-f0. (12)
Для предварительного грубого совмещения частот DFc.о и f0 необходима схема поиска СП, с помощью которой частоту FM плавно изменяют до тех пор, пока спектр преобразованного сигнала не попадет в полосу пропускания УПФ и схема переключения режимов работы СПР не переведет РВ в режим слежения за частотой преобразованного сигнала. Последняя выбирается обычно равной 25 кГц. В схеме измеряется период модуляции колебаний с выхода УГ. Измеритель периода модуляции ИПМ выдает сигнал Н, пропорциональный высоте полета.
Режим контроля включается несколько раз в секунду с помощью синхронизатора Синх. В тракт контроля входят главные устройства основного тракта, а также линия калиброванной задержки ЛЗ, подключаемая к тракту с помощью антенных переключателей АП-1 и АП-2, и частотный дискриминатор ЧД-2. Эта часть схемы работает так же, как и основная. Напряжение с ЧД-2 используется для контроля уровня сигнала.
В режиме контроля проверяется постоянство масштабного коэффициента. Частота модуляции с УГ (значение которой определяется задержкой в ЛЗ и должно быть постоянным в режиме контроля) подается на смеситель См, куда поступают также колебания с опорного генератора ОГ

Рисунок 3 Структурная схема узкополосного частотного радиовысотомера.
Выделенная смесителем разностная частота несет информацию о величине и знаке отклонения частоты на выходе УГ от заданного ЛЗ значения и используется в схеме управления СУ-2 для изменения амплитуды модулирующих колебаний, а следовательно, и девиации частоты сигнала. Управление амплитудой происходит в модуляторе М.
Схема контроля СК при наличии преобразованного сигнала и постоянстве (в пределах установленных допусков) масштабного коэффициента формирует сигнал готовности (Гот. Н). Этот сигнал свидетельствует о работоспособности РВ. Схема сравнения СС служит для получения сигнала Нзад при уменьшении высоты до заданного значения.

1.2 Погрешность радиовысотомеров

Первую группу погрешностей образуют методические, связанные со случайным характером принятого сигнала, изменением рассеивающих свойств земной поверхности в процессе полета, влиянием крена и тангажа ЛА, флуктуациями сигнала из-за процесса рассеяния ЭМ волн, шумами внешнего и внутреннего происхождения. Все эти погрешности можно разбить на две составляющие:
-ошибки из-за смещения средней оценки измерения высоты
-флуктуационные ошибки
Вторая группа связана с динамическими ошибками. В радиовысотомерах они возникают из-за маневров ЛА: измерение высоты сильнопересеченного рельефа, использования РВ в системах управления самолета и других случаях. Так как измерительные устройства РВ имеют динамические характеристики соответствующего порядка, то при наличии вышеуказанных причин имеет место отставание в измерении высоты и возникает динамическая ошибка.
Третью группу составляют инструментальные (аппаратурные) погрешности, связанные с прохождением сигналов через антенно- фидерные, приемно-передающие и измерительные тракты РВ, а также ошибки из-за схемных конструктивных и технологических решений конкретных блоков РВ.
Для радиовысотомеров малых высот периодичность закона модуляции и способ измерения частоты ограничивают минимальную рабочую высоту. При периодическом законе модуляции частоты фаза преобразованного сигнала, соответствующего отражению от одиночной цели, периодически меняется с частотой модуляции излучаемых колебаний. Спектр преобразованного сигнала содержит только те составляющие, частоты которых кратны частоте модуляции FM. Если в РВ использован измеритель частоты типа счетчика числа переходов сигнала через нуль, то при изменении высоты частота следования импульсов на входе счетчика меняется дискретно, оставаясь кратной FM. Минимальное значение этой частоты
Fpmin =FM. (13)
Это явление приводит к ограничению минимальной высоты той величиной Нmin, которая соответствует Fpmin. При симметричных законах ЧМ
Hmin = 0,125сDfД-1 »37,5DfД -1м (14)
где девиация частоты DfД берется в мегагерцах. При DfД равной, например, 50 МГц, Нmin = 0,75 м. Для уменьшения Нmin необходимо увеличивать девиацию частоты DfД . Получение больших DfД тем проще, чем выше несущая частота излучаемых колебаний.
Непрерывный характер излучения в частотном РВ приводит к появлению на входе приемника прямого (просочившегося) сигнала, обусловленного электромагнитной связью передающего и приемного трактов. Прямой сигнал состоит из двух составляющих, каждая из которых промодулирована по амплитуде и фазе по случайным законам. Первая из этих составляющих представляет собой просочившийся сигнал передатчика, а вторая-тот же сигнал, не попадающий на вход приемника из-за отражений от элементов конструкции самолета. Параметры случайной модуляции сигнала передатчика определяются характеристиками генератора высокой частоты, в то время как параметры модуляции отраженного сигнала зависят от изменения взаимного расположения антенн РВ и отражающих элементов конструкции, вызываемого вибрациями ЛА.
Наибольшее влияние оказывают амплитудно-модулированные составляющие прямого сигнала. Они вызывают появление на выходе балансного смесителя шумового напряжения, основная доля энергии спектра которого приходится на низкочастотную часть, т. е. на тот участок, где располагаются частоты Fpmin – Fpmax, соответствующие измеряемым высотам полета.
Мощность шумов на выходе балансного смесителя, вызываемых прямым сигналом, не зависит от высоты полета, в то время как мощность полезного сигнала убывает с ростом высоты. Поэтому на некоторой высоте эти мощности становятся соизмеримыми, что вызывает ухудшение точности РВ и приводит к ограничению максимальной высоты Hmах (или высотности РВ). Подобное ограничение Hmax имеет место и в доплеровских измерителях скорости при излучении непрерывных колебаний.
Входящий в выражение для Hmах средний коэффициент шума приемника
Ш=Шпрм+DШпрм (15)
где DШпрм— коэффициент шума при отсутствии прямого сигнала; DШПРД=DШПРД+DШВИБ —прирост коэффициента шума за счет просачивания сигнала передатчика (DШПРД) и промодулированной виброшумами составляющей (DШВИБ).
Если оговорена максимально допустимая величина
mmax=DШПРМ/ШПРМ (16)
то требуется определенное ослабление прямого сигнала по сравнению с излучаемым, т. е. определенная развязка передающего и приемного трактов bр.т:
bр.т Ј 4.10-21mШПРМ (Рш.ген + 0,25 mп2 P0)-1 (17)
где Р0 — мощность передатчика; Рш.ген — мощность собственных шумов передатчика (зависит от типа генератора); mп- коэффициент паразитной амплитудной модуляции виброшумами.
Если принять m=0,1; ШПРМ =100; Р0 = 0,5ё1 Вт; Рш.ген =10-12- 10-14; mn= 10-6 ё10-7, то требуемая развязка bр.т составляет 10-6 -10-8 или 60-80 дБ.
Радикальным средством борьбы с шумами, вносимыми прямым сигналом, является улучшение шумовых характеристик генератора и увеличение развязки, т. е. уменьшение bр.т . Реализация последней рекомендации требует рационального размещения антенн РВ ....