Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов

 

Использование: радиолокационные устройства одновременного измерения составляющих вектора скорости и высоты для вертолетов и космических аппаратов. Сущность изобретения: цель облучают частотно-модулированным (ЧМ) сигналом, при этом модуляцию сигнала осуществляют сигналом, непрерывно изменяющимся по частоте по ступенчато-пилообразному закону с заданной величиной скачка частоты на ступеньку, и длительностью ступеньки с возможностью измерения фазы на ней. По измеренным значениям фазы и скачкам фазы от ступеньки к ступеньке определяют дальность, при этом обеспечивается ликвидация высотных провалов, возникающих при использовании ЧМ с высокой частотой модуляции. 1 ил.

Изобретение относится к автономным навигационным устройствам для летательных аппаратов, в частности к радиолокационным устройствам одновременного измерения составляющих вектора скорости и высоты для вертолетов и космических аппаратов.

Известны доплеровские измерители скорости (ДИСС) со встроенными различного типа каналами измерения дальности по лучам антенны, высоты и местной вертикали. Journal of the Institute of Navigation (G.B.) 1960, 1, V.13, N 1, р.96-98; Journal of the Institute of Navigation (G.B.) 1966, 1, V.29, N 1, р.75-77.

К недостаткам известных систем следует отнести ограниченность измерения дальности и высоты, а также необходимость внешнего сигнала для переключения режима "с вобуляцией" или "без вобуляции", т.е. необходим отдельный высотомер.

Известен способ определения дальности в доплеровских измерителях скорости, высоты и местной вертикали ДИССВ, обеспечивающий выполнение всех указанных функций в ограниченном диапазоне высот (порядка до 1000 м), а измерение скоростей - до высот, определяемых энергетическим потенциалом.

К недостаткам такого способа относится необходимость на борту летательного аппарата отдельного высотомера для работы на больших высотах и для переключения режима работы (включение-выключение) "вобуляции"), что делает устройство неавтономным, усложняет взаимодействие аппаратуры, увеличивает общий вес аппаратуры и усложняет взаимодействие при перевозке грузов на внешней подвеске на больших высотах.

Целью изобретения является обеспечение высокой точности измерения углов наклона местной вертикали (дальностей по лучам антенны) на малых высотах с одновременным обеспечением измерения дальностей в лучах антенны, высоты и других данных на больших высотах, в том числе и при полетах с грузом на подвеске, с сохранением энергетических характеристик по измерению скоростей на уровне ДИСС с ЧМ, не имеющих измерителей дальностей.

Предлагаемое техническое решение - вобуляция частоты модулирующего сигнала по ступенчато-пилообразному закону, обеспечивает ликвидацию так называемых высотных провалов, возникающих при использовании ЧМ с высокой частотой модуляции для получения точности при измерении дальностей по лучам антенны на малых высотах, а также позволяет измерять большие дальности, превышающие 1/2 ТмС (где С - скорость света, Тм - период модулирующей частоты) с достаточно высокой точностью, а также ликвидировать отдельный высотомер.

Появление фазовой ошибки в тракте приемника на разных модулирующих частотах предлагается компенсировать либо с помощью специального фильтра, имеющего частотно-фазовые характеристики, аналогичные приемнику, либо введением сигнала калибровки для всего набора модулирующих частот.

На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа.

СВЧ-генератор 1 является источником излучаемой мощности. Фидерный тракт 2 обеспечивает канализацию СВЧ-мощности к антенне, распределение ее по лучам, а также канализацию отраженной мощности к приемнику. Антенна 3 обеспечивает излучение и прием по 3-4 лучам сигналов в направлении к земной поверхности. Генератор синусоидального модулирующего сигнала 4 обеспечивает частотную модуляцию сигнала СВЧ-генератора с одновременным созданием опорного сигнала для приемника.

Блок управления частотой модулирующего сигнала 5 предназначен для обеспечения изменения частоты модуляции в соответствии с принятым законом вобуляции в виде ступенчато-пилообразной функции либо "без вобуляции" по сигналу из вычислителя высоты. Синхронизатор 6 предназначен для привязки сигналов модуляции, вобуляции с точностью до фазы и выдачи синхросигналов в устройство обработки и вычислитель. Приемник 7 на промежуточной частоте, соответствующей первой гармонике частоты модуляции, выполнен по схеме, обеспечивающей с помощью квадратурных преобразований сигнала выделение сигналов доплеровской частоты с учетом знака и выделения запаздывания фазы отраженного сигнала на частоте модуляции.

Измеритель доплеровских частот 8 обеспечивает фильтрацию доплеровского сигнала и преобразование значения частоты в код. Измеритель фазы 9 задержанного сигнала обеспечивает измерение фазы отраженного сигнала на интервале длительностью одной ступеньки (интервала постоянства частоты модуляции) и выдает ее значение в виде кода. Вычислитель 10 выполнен на основе ЭВМ и обеспечивает вычисление составляющих скорости по частотам в лучах антенны, вычисление дальностей по измеренным запаздываниям фазы как в режиме "без вобуляции" для малых высот, так и для режима "с вобуляцией" для работы на больших высотах.

На основе измеренных значений дальностей в лучах антенны определяется высота и углы местной вертикали. Фильтр 11 опорного сигнала модуляции обеспечивает сдвиг фазы опорного сигнала в соответствии с запаздыванием фазы отраженного сигнала в тракте приемника на разных частотах модуляции с целью компенсации фазовой ошибки в приемнике.

Предлагаемый ДИССВ работает следующим образом.

Сигнал СВЧ-ЧМ генератора 1 через фидерное устройство 2 поступает в антенну 3 и излучается по направлению к земле по трем (четырем) лучам.

Отраженный от земной поверхности сигнал в каждом из лучей антенны через фидерный тракт направляется в приемник 7. Отраженный сигнал вследствие наличия скорости смещен по частоте, а также задержан за счет времени распространения по отношению к излученному сигналу.

В качестве гетеродинного сигнала используется часть мощности передатчика, которая предварительно преобразуется в два сигнала, сдвинутые по фазе на π/2.

Отраженный сигнал преобразуется в два сигнала на первой гармонике частоты модуляции.

В приемнике 7 осуществляется предварительная обработка сигнала, обеспечивающая разделение положительных и отрицательных доплеровских частот при сохранении фазы отраженного сигнала на первой гармонике частоты модуляции, сравнением с фазой опорного модулирующего сигнала, подаваемого через фильтр 11 от генератора модулирующего сигнала, выделение доплеровской частоты для измерения скорости и фазы отраженного сигнала на частоте модуляции, перенесенной на низкую частоту, как фазовую задержку очень низкой частоты относительно сигнала той же частоты, жестко связанной синхросигналами от синхронизатора 6 с модулирующим сигналом и ступеньками "вобуляции" частоты модулирующего сигнала.

Выходные сигналы по доплеровской частоте с учетом знака ее поступают в измеритель доплеровской частоты 8, обеспечивающий измерение доплеровской частоты и выдачу ее значения в виде кода в вычислитель 10, в котором вычисляются составляющие вектора скорости полета.

В свою очередь, выходной сигнал приемника на низкой частоте, сдвинутый по фазе относительно опорного низкочастотного сигнала, поступает в измеритель фазы задержанного сигнала 9, в котором осуществляется измерение фазы задержанного сигнала цифровым методом с фильтрацией при работе "без вобуляции" и с обеспечением измерения величины запаздывания фазы для каждой из значений модулирующей частоты при "вобуляции".

Измеренные значения фазы задержанного сигнала поступают в вычислитель 10, в котором на основании измеренных значений запаздывания фазы отраженного сигнала происходит вычисление значений дальностей земной поверхности по лучам антенны, высоты и местной вертикали.

Вычисление значений дальностей на основе измерения фазы задержанного сигнала в предложенном ДИССВ происходит следующим образом.

Выходной сигнал приемника для определения фазы отраженного сигнала определяется выражением U(t)=A cos[Ω t- ω_м(t_отр+t_г), (1) где А - амплитуда сигнала; Ω - круговая частота сигнала на выходе приемника; t_отр - время задержки сигнала за счет распространения до земли и обратно; t_г - время задержки сигнала гетеродина; ω_м - круговая частота модулирующего сигнала.

Фаза ω_мt_отр определяет дальность, которая может быть однозначно определена лишь при ω_мt_отр<2π (2) На интервале высот, соответствующих дальностям по лучам антенны, удовлетворяющим выражению (2) с 20-30%-ным запасом, ДИССВ работает без вобуляции модулирующей частоты.

При этом измеритель фазы работает тактами длительностью 2-4 периода низкой частоты Ω, в которых сравнивается опорная фаза сигнала, запомненная в цифровом фазовращателе, с фазой сигнала на входе измерителя.

По достижении установленной высоты включается режим "вобуляции", при котором устройство управления частотой модулирующего сигнала начинает менять частоту модуляции по ступенчато-пилообразному закону.

При этом имеется место следующее: на каждой из ступенек осуществляется измерение приращения фазы относительно фазы, измеренной в предыдущем цикле (на предыдущей ступеньке).

На интервале дальностей, удовлетворяющих выражению (2), приращения фазы, вызванные переходом к другой частоте модуляции, пропорциональны приращению частоты модулирующего сигнала, т.е., если при ступенчатой вобуляции приращение частоты от ступеньки к ступеньке происходит на 10%, то и приращение фазы от ступеньки к ступеньке в этой зоне дальностей будет также на 10%.

На дальностях, соответствующих ω_мt_отр<2π (зона неоднозначности дальности от фазы), приращение фазы при измерении на разных частотах модуляции (в режиме "с вобуляцией") в основном определяется числом периодов модулирующей частоты, укладывающихся на интервале времени распространения сигнала Δϕ_i= K2Π+Δα_i, (3) где - отношение приращения частоты модуляции к частоте модуляции; К - количество целых периодов частоты ω_мi, укладывающихся на интервале времени распространения;
Δα_i - приращение фазы, пропорциональное приращению частоты, на интервале дальностей зависимости (2).

Поскольку значения Δ ω_i и ω_мi от ступеньки к ступеньке известны, то по скачкам фазы вычислитель легко определяет величину К как целое выражение
K= , (4) где Δ ϕ_i+1 - приращение фазы от одной ступеньки к другой;
2Π - скачок приращения фазы на величину дальности, соответствующей одному периоду частоты модуляции.

При этом при наличии так называемых высотных провалов и потерях сигнала возможно измерение приращений фазы относительно любых ступенек, не расположенных рядом.

Вычисление дальности происходит по формуле
R= + KC, (5) где ϕ_мi - фаза, измеренная на частоте i-й ступеньки;
ω_мi - круговая частота модулирующего сигнала для i-й ступеньки;
С - скорость света.

По полученным значениям дальностей по лучам антенны легко вычисляется высота полета либо по данным от всех лучей, либо для режима с грузом на подвеске только по двум лучам.

Использование изобретения позволяет при сохранении общей схемы построения ДИСС с ЧМ для вертолетов обеспечить измерение высоты в широком диапазоне высот с сохранением высокой точности измерения местной вертикали для осуществления слепой посадки любых летательных аппаратов, а также измерение высоты при наличии подвески груза.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, заключающийся в том, что цель (отражающую поверхность) облучают частотно-модулированным сигналом, принимают отраженный сигнал, измеряют фазу отраженного сигнала на частоте модуляции относительно фазы излученного сигнала, по измеренной величине определяют дальность до цели (отражающей поверхность), отличающийся тем, что частотную модуляцию сигнала, облучающего цель (отражающую поверхность), осуществляют сигналом с изменяющейся по ступенчатопилообразному закону частотой с известной величиной скачка частоты от ступеньки к ступеньке, а в принятом сигнале на каждой ступеньке измеряют сдвиг фазы ϕ_мi , отраженного от цели (отражающей поверхности) сигнала на частоте модуляции относительно фазы излученного сигнала и приращение фазы Δ ϕ_i+1 от ступеньки к ступеньке, по значению сдвига фазы ϕ_мi на интервале ступеньки постоянства частоты модуляции w_мi определяют дальность R_i в пределах однозначности дальности от фазы по формуле
R_i = ϕ_мi˙c / 2w_мi ,
где c - скорость света,
а по величине приращения сдвига фазы от ступеньки к ступеньке Δ ϕ_i+1 определяют количество периодов K частоты модуляции w_мi , укладывающихся на интервале времени распространения, и определяют дальность R, превышающую интервал однозначности по формуле
R = R_i + π Kc / w_мi .

РИСУНКИ

Рисунок 1