Рециркуляционный радиовысотомер

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения высоты полета летательного аппарата. Техническим результатом является повышение точности измерения высоты полета летательного аппарата, быстродействия и помехоустойчивости радиовысотомера. Для этого вводятся блоки, позволяющие осуществлять измерение высоты в два этапа: измеряют время Т_о рециркуляции N периодов повторения по внутреннему каналу, затем измеряют время Т_н рециркуляции по каналу измерения высоты и определяют высоту при этом период повторения рециркуляционных импульсов изменяется по случайному закону. 7 ил.

 

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью высоты полета летательного аппарата (ЛА).

Известен [1] рециркуляционный радиовысотомер (РРВ), содержащий передатчик, приемник, устройство с регулируемой задержкой, блок электронного сопровождения, генератор синхроимпульсов, генератор калибровочных импульсов, схему совпадения, к выходу которой подключен реверсивный счетчик, смеситель и счетчик числа периодов рециркуляции, подключенные к триггеру, и блок управления задержкой, вход которого соединен с выходом счетчика периодов рециркуляции, а выход - со вторым входом блока регулируемой задержки.

В этом РРВ реализованы описанные в [2], с.72, с.150, с.132, [3], с.220 и в [4], с.172 методы повышения точности импульсных устройств за счет использования принципа рециркуляции, а для повышения помехоустойчивости в отношении воздействия репиторной помехи введен блок регулируемой задержки, обеспечивающий совместно с блоком управления задержки излучение импульсов с переменным периодом повторения.

Недостатком этого импульсного радиовысотомера (ИРВ) является относительно большая систематическая погрешность измерения высоты, вызываемая нестабильностью времени задержки t_o сигнала во внутренних блоках устройства (передатчике, приемнике, и др.), которая, как показывают проведенные испытания, может достигать ±0,1 мкс, что соответствует погрешности измерения высоты ±15 м, и в ряде случаев недопустимо.

Для уменьшения этой ошибки в некоторых ИРВ [5] перед полетом ЛА применяется режим встроенного контроля, при котором увеличивается усиление приемника и происходит захват зондирующего сигнала, возникающего на выходе приемной антенны за счет недостаточной развязки между приемной и передающей антеннами. Измеренное при этом значение высоты запоминается в аппаратуре потребителя информации о высоте, вычитается из результата измерения высоты Н_и, полученного в процессе полета ЛА, и истинная высота Н_ист определяется потребителем как

H_ист=Н_и-Н_о.

Недостатком этого способа уменьшения ошибки является погрешность измерения высоты, вызываемая изменением времени t_o в процессе полета, достигающим Δt_o=0,05-0,08 мкс, что в ряде случаев недопустимо.

Наиболее близким по техническому решению устройством, в котором устранен этот недостаток, является радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер [6], предназначенный для измерения уровня вещества, находящегося в резервуаре, и содержащий (фиг.1) последовательно соединенные формирователь импульсов, устройство задержки, схему ИЛИ, передатчик, антенный блок, устанавливаемый на крышке резервуара, и приемник, генератор старт-импульсов, выход которого подключен ко второму входу схемы ИЛИ, а сбросовый вход соединен с выходом устройства задержки, отражатель опорного сигнала, последовательно соединенные линия задержки с двумя отводами, коммутатор задержанных импульсов, формирователь селекторных импульсов и селектор, сигнальный вход которого подключен к выходу приемника, а выход соединен с входом формирователя импульсов, линия задержки, селектированный автоматический регулятор усиления, и процессорный блок, выход которого является выходом уровнемера. Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.1.

В этом устройстве проблема повышения точности измерения уровня решается путем разделения цикла измерения уровня вещества, находящегося в резервуаре, на два этапа.

На первом этапе определяется систематическая погрешность измерения уровня, вызываемая нестабильностью времени задержки t_o сигнала во внутренних цепях устройства (приемнике, передатчике и др.) и блоках рециркуляции.

На этом этапе рециркуляция осуществляется при работе устройства по опорному сигналу, создаваемому специальным отражателем, расстояние Н_оп до которого от антенного блока известно с высокой точностью. По результатам рециркуляции процессорным блоком определяется время

где t_p - время задержки сигнала в цепях рециркуляции (селекторе, формирователе импульсов, устройстве задержки, схеме ИЛИ);

t_оп - время распространения сигнала от антенного блока до специального отражателя и обратно.

При этом

где С - скорость света;

α - коэффициент замедления скорости распространения радиоволн. Поскольку Н_оп известно с высокой точностью, из выражения (1) можно определить время t_o+t_p=Т_о-t_оп.

На втором этапе рециркуляция идет при работе устройства по сигналу, отраженному от поверхности вещества, загруженного в резервуар, и процессорным блоком измеряется время

где

R - расстояние от антенного блока до уровня вещества.

В процессорном блоке происходит вычитание времени Т_о из времени Т_и и формируется код времени

Таким образом, исключаются погрешности измерения уровня, вызываемые нестабильностью времени t_o и t_p.

Недостатком этого устройства при работе в качестве измерителя высоты полета ЛА является то, что оно может работать лишь по нефлюктуирующему отраженному сигналу, что имеет место при отражении радиоволн от поверхности веществ, находящихся в резервуаре, на верхней крышке которого установлен уровнемер.

При отражении от земной поверхности и при полете ЛА отраженный сигнал сильно флюктуирует [16], с.145-147, что практически исключает работоспособность РВ, построенного в соответствии с вышеописанной схемой, т.к. при уменьшении в результате флюктуации уровня отраженного сигнала ниже порога срабатывания селектора рециркуляция может быть прекращена. Другим недостатком является низкая помехозащищенность при воздействии уводящей (репиторной) помехи, т.к. измерение высоты полета ЛА проводится с использованием импульсов, имеющих постоянный период повторения.

Необходимо также отметить, что применение в прототипе процессорного блока с ограниченной тактовой частотой требует большого числа рециркуляции, что приводит к увеличению времени измерения и увеличению динамической ошибки измерения высоты полета ЛА.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения высоты полета летательного аппарата. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор старт-импульсов, передатчик, антенный блок, приемник, последовательно соединенные первый элемент ИЛИ и первую линию задержки с отводами, введены генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные шифровальная колодка, блок управляемой задержки и вторая линия задержки, последовательно соединенные направленный ответвитель и развязывающий блок, последовательно соединенные первый элемент И, второй элемент ИЛИ, триггер и сверхвысокочастотный выключатель, последовательно соединенные детектор и третья линия задержки, выход которой подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные разрешающий триггер, третий элемент И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, и счетчик импульсов высоты, последовательно соединенные таймер, второй элемент И, второй вход которого подключен к первому выходу генератора старт-импульсов, и третий элемент ИЛИ, последовательно соединенные следящая система, четвертый элемент И, счетчик числа периодов рециркуляции и пятый элемент И, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента ИЛИ, последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, вычитающее устройство и преобразователь код-код, последовательно соединенные четвертая линия задержки и шестой элемент И, последовательно соединенные инвертор и седьмой элемент И, первый вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу второго элемента И, второй вход - к первому выходу следящей системы, второй вход блока управляемой задержки подключен к выходу первого элемента ИЛИ, третий вход - к первому выходу первой линии задержки, четвертый вход - ко второму выходу первой линии задержки, а пятый вход - ко второму выходу генератора старт-импульсов, вход передатчика подключен к выходу второй линии задержки, а выход - ко входу направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом детектора, первый вход-выход развязывающего блока подключен к вход-выходу антенного блока, второй выход - ко второму входу сверхвысокочастотного выключателя, выход которого подключен к первому входу приемника, выход блока управляемой задержки дополнительно подключен ко второму входу первого элемента И, первый вход которого подключен к выходу таймера, и к первому входу следящей системы, второй вход которой подключен к выходу приемника, а первый выход дополнительно подключен к третьему входу пятого элемента И, второй выход - ко вторым входам четвертого и пятого элементов И, а третий выход подключен ко второму входу приемника, выход третьей схемы ИЛИ подключен ко входу четвертой линии задержки, первый выход которой дополнительно подключен ко второму входу седьмого элемента И, второй выход соединен с первым входом разрешающего триггера, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, третий выход - с вторыми входами счетчика импульсов высоты и счетчика периодов рециркуляции, выход счетчика импульсов высоты подключен ко вторым входам оперативного запоминающего устройства и вычитающего устройства, второй выход счетчика числа периодов рециркуляции подключен к входу шифровальной колодки, вход таймера соединен с выходом пятого элемента И, а выход дополнительно подключен ко второму входу шестого элемента И и входу инвертора, первый вход оперативного запоминающего устройства подключен к выходу седьмого элемента И, третий вход - к выходу шестого элемента И, а выходом радиовысотомера является выход преобразователя код-код.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что для обеспечения работоспособности при работе по поверхности Земли и высокой точности измерения высоты полета ЛА вводятся следящая система, обеспечивающая слежение за передним фронтом импульса, снимаемого с выхода приемника, и рециркуляцию как в режиме измерения времени Т_о, так и в режиме измерения высоты, когда измеряется Т_и=Т_о+Т_h,

где

Н - высота полета ЛА,

производится вычитание из времени Т_и времени Т_о, при этом для повышения помехоустойчивости по отношению к уводящей помехе по случайному закону изменяется время задержки, создаваемое блоком управляемой задержки, что изменяет время между излучаемыми импульсами, т.е. обеспечивается работа с переменной частотой повторения излучаемых СВЧ-импульсов, как в первом, так и во втором режимах работы.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие в нем новых блоков: блока управляемой задержки, направленного ответвителя, развязывающего блока, детектора, СВЧ-выключателя, триггеров, элементов И и ИЛИ, счетчиков числа периодов рециркуляции и импульсов высоты, вычитающего устройства, оперативного запоминающего устройства, следящей системы, преобразователя код-код и шифровальной колодки.

Вновь вводимые блоки известны и описаны в известной литературе:

- направленные ответвители и детекторы, развязывающие блоки в [7], с.57-58 и с.44-46, соответственно;

- СВЧ-выключатели в [8], с.50-72;

- триггеры, элементы И и ИЛИ, счетчики импульсов, вычитающие устройства и оперативные запоминающие устройства в [9], с.117-121, с.102, с.344-350, с.331-338 и с.392, соответственно;

- преобразователи код-код в [10], с.14;

- следящие системы в [11], с.39;

- шифровальные колодки в [12].

Блок управляемой задержки может быть выполнен по функциональной схеме, приведенной на фиг.4, содержащей общеизвестные элементы.

Однако включение вновь введенных блоков в соответствии с вышеуказанными связями из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».

При введении новых блоков в указанных связях с остальными блоками устройство проявляет новые свойства, позволяющие повысить точность измерения высоты полета летательного аппарата, что не следует из уровня техники и соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, на которых представлены:

- фиг.1 - функциональная схема прототипа;

- фиг.2 - функциональная схема предлагаемого рециркуляционного радиовысотомера;

- фиг.3 - функциональная схема генератора старт-импульсов;

- фиг.4 - функциональная схема блока управляемой задержки;

- фиг.5 - функциональная схема следящей системы;

- фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу РРВ в режиме измерения Т_о;

- фиг.7 - временные диаграммы, поясняющие работу РРВ в режиме измерения высоты.

Функциональная схема рециркуляционного радиовысотомера приведена на фиг.2, на которой обозначены:

1 - генератор старт-импульсов (ГСИ);

2 - первый элемент ИЛИ (1-ый ИЛИ);

3 - первая линия задержки с отводом (1-ая ЛЗ);

4 - блок управляемой задержки (БУЗ);

5 - вторая линия задержки (2-ая ЛЗ);

6 - передатчик (Прд);

7 - направленный ответвитель (НО);

8 - развязывающий блок (РБ);

9 - антенный блок (АБ);

10 - детектор (Д);

11 - сверхвысокочастотный выключатель (СВЧВ);

12 - третья линия задержки (3-я ЛЗ);

13 - триггер (Т);

14 - первый элемент И (1-ый И);

15 - второй элемент И (2-ой И);

16 - шифровальная колодка (ШК);

17 - приемник (Прм);

18 - следящая система (СС);

19 - разрешающий триггер (РТ);

20 - третий элемент И (3-ий И);

21 - четвертый элемент И (4-ый И);

22 - счетчик числа периодов рециркуляции (СЧПР);

23 - пятый элемент И (5-ый И);

24 - счетчик импульсов высоты (СИВ);

25 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

26 - вычитающее устройство (ВУ);

27 - преобразователь код-код (ПКК);

28 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);

29 - таймер;

30 - второй элемент ИЛИ (2-ой ИЛИ);

31 - четвертая линия задержки (4-ая ЛЗ);

32 - третий элемент ИЛИ (3-ий ИЛИ);

33 - шестой элемент И (6-ой И);

34 - инвертор;

35 - седьмой элемент И (7-ой И).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.2.

Генератор старт-импульсов 1 (фиг.3) содержит:

36 - кварцевый генератор (КГ);

37 - делитель частоты (ДЧ);

38 - формирователь старт-импульсов (ФСИ).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.3.

Блок управляемой задержки 4 (фиг.4) содержит:

39 - RS-триггер (RST);

40 - восьмой элемент И (8-ой И);

41 - счетчик импульсов (СИ);

42 - формирователь импульсов (ФИ);

43 - четвертый элемент ИЛИ (4-ый ИЛИ).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.4.

Следящая система 18 (фиг.5) содержит:

44 - временной дискриминатор (ВД);

45 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

46 - временной модулятор (ВМ);

47 - формирователь канала «Захват» (ФСЗ);

48 - формирователь сигнала автоматической регулировки усиления (ФСАРУ).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.5.

На фиг.6 и фиг.7 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы РРВ, соответственно в первом и втором режимах работы, а именно:

а - импульсы на выходе ГСИ 1;

б - импульсы на 1-ом выходе 1-ой ЛЗ 3;

в - импульсы на 2-ом выходе 1-ой ЛЗ 3;

г - импульсы на выходе RST 39;

д - импульсы на выходе БУЗ 4;

е - импульсы на выходе 2-ой ЛЗ 5;

ж - импульсы на выходе триггера 13;

и - СВЧ-импульсы Прд 6;

к - импульсы на выходе Прм 17;

л - импульсы на первом выходе СС 18;

м - импульсы на выходе Д 10;

н - импульсы на выходе 3-ей ЛЗ 12;

о - импульсы на выходе 5-го И 23;

п - импульсы на первом выходе 4-ой ЛЗ 31;

р - импульсы на втором выходе 4-ой ЛЗ 31;

с - импульсы на третьем выходе 4-ой ЛЗ 31;

т - импульсы на выходе РТ 19.

Генератор старт-импульсов 1, как и в прототипе, предназначен для обеспечения начала рециркуляции и должен формировать импульсы, период повторения которых должен быть существенно больше максимального периода рециркуляции в первом режиме, определяемого временами задержки, создаваемыми первой и второй линиями задержки, блоком управляемой задержки, передатчиком, приемником и следящей системой. ГСИ может быть выполнен, например, по функциональной схеме, приведенной на фиг.3. Формирование импульса «а» путем деления частоты КГ 36 обеспечивает отсутствие временных флюктуации импульса «д» на выходе БУЗ 4 относительно импульса «а».

Первый элемент ИЛИ 2 обеспечивает прохождение импульсов, поступающих на его входы, на вход 1-ой ЛЗ 3 и второй вход триггера 13, и может быть выполнен в составе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) типа ALTERA [13] или на микросхеме типа 1533.

1-ая линия задержки 3 предназначена для формирования задержанных импульсов, необходимых для работы БУЗ 4, и может быть выполнена на ЛЗ типа ЛЗТ [15].

Блок управляемой задержки 4 предназначен для формирования выходных импульсов, задержка которых относительно входных импульсов изменяется в соответствии с кодом, снимаемым с выхода ШК 16, и может быть выполнен по функциональной схеме, приведенной на фиг.4.

Вторая ЛЗ 5 предназначена для обеспечения задержки запуска Прд 6 относительно запуска СС 18, что необходимо для обеспечения измерения малых высот работы РРВ во втором режиме и для ограничения максимальной частоты повторения импульсов рециркуляции в первом режиме работы РРВ.

В качестве 2-ой ЛЗ 5 может быть использована линия задержки типа ЛЗТ [15].

Передатчик 6 предназначен для формирования СВЧ импульсов малой длительности. Согласно [4], с.172, для измерения малых дальностей (высот) длительность зондирующих импульсов должна быть порядка десяти наносекунд. Такой передатчик может быть построен, как и в прототипе, на транзисторе типа 2Т982.

Направленный ответвитель 7 предназначен для вывода части мощности СВЧ-колебаний, создаваемых Прд 6.

Развязывающий блок 8 предназначен для обеспечения работы Прд 6 на антенный блок 9 и пропускания поступающих на его вход-выход импульсов с выхода АБ 9 на вход Прм 17. В качестве РБ 8 может быть использован Y-циркулятор типа ФЦП2-13А.

Антенный блок 9 предназначен для излучения импульсов СВЧ колебаний, создаваемых Прд 6, и приема сигналов, отраженных земной поверхностью. В качестве антенны может быть использована антенна обратной волны или параболическая антенна.

При использовании узконаправленных антенн в состав антенного блока могут входить устройства, обеспечивающие излучение сигналов по нормали к поверхности Земли по управляющим сигналам об углах крена и тангажа ЛА, поступающим с выхода системы управления, в состав которой входит РРВ.

Детектор 10 предназначен для создания видеоимпульса, соответствующего времени появления СВЧ-импульса Прд 6. В качестве диода детектора может быть использован диод 2А112.

СВЧ-выключатель 11 предназначен для обеспечения прохождения СВЧ-импульса Прд 6 на вход Прм 17 при работе РРВ в первом режиме и уменьшения уровня этого сигнала при работе РРВ во втором режиме (режиме измерения высоты) и может быть выполнен на pin-диодах типа 2А543-А2.

Третья линия задержки 12 предназначена для задержки импульса «м», снимаемого с выхода детектора Д10, и должна иметь время задержки t_ЛЗ3>t_и,

где t_и - длительность излученного импульса.

При излучении наносекундных импульсов в качестве ЛЗ 3 возможно использование, как и в прототипе, короткого высокочастотного кабеля.

Триггер 13 предназначен для создания импульса «ж», в течение действия которого затухание СВЧВ 11 минимально, и может быть выполнен на логических элементах ПЛИС.

Первый элемент И 14 предназначен для пропускания импульса «д» на вход триггера 13 в первом режиме работы РРВ и может быть выполнен на логических элементах ПЛИС.

Второй элемент И 15 предназначен для пропускания в первом режиме работы импульса «а» на первые входы 1-го элемента ИЛИ 2 и третьего элемента ИЛИ 32, который может быть выполнен в составе ПЛИС.

Шифровальная колодка 16 предназначена для преобразования кода, поступающего на нее со второго выхода СЧПР 22, что повышает имитоустойчивость РРВ, и может быть выполнена, как описано в [12].

Приемник 17 предназначен для усиления и преобразования поступающих на его вход импульсов и может быть выполнен аналогично приемнику прототипа.

Следящая система 18 предназначена для выделения отраженного сигнала на фоне помех и формирования поискового импульса «л», следящего за передним фронтом снимаемого с выхода приемника 17 импульса «к», формирования сигнала «Захват» при их совпадении, создания напряжения, регулирующего усиление приемника с целью обеспечения постоянной амплитуды импульса «к», снимаемого с его выхода, и может быть выполнена по схеме, приведенной на фиг.5, аналогичной используемой в [5].

Разрешающий триггер 19 предназначен для формирования импульса, длительность которого пропорциональна времени рециркуляции в первом и втором режимах работы РРВ, и может быть выполнен на логических элементах, входящих в состав ПЛИС.

Третий элемент И 20 предназначен для пропускания импульсов ГТИ 28 на второй вход СИВ 24 по сигналу с выхода РТ 19 и может быть выполнен на логических элементах, входящих в состав ПЛИС.

Четвертый элемент И 21 предназначен для пропускания поисковых импульсов «л» на 1-ый вход СЧПР 22 и на второй вход РТ 19 после захвата СС 18 импульса «к» с выхода Прм 17.

Счетчик числа периодов рециркуляции 22 предназначен для счета числа периодов рециркуляции, выдачи информации о нем, поступающей на вход ШК 16, и выдачи сигнала лог.1, когда число периодов рециркуляции соответствует расчетному. Счетчик числа периодов рециркуляции может быть выполнен на логических элементах, входящих в состав ПЛИС.

Пятый элемент И 23 предназначен для пропуска на второй вход третьей ИЛИ 32 поискового импульса «л» после поступления на вход СЦПР 22 расчетного числа периодов рециркуляции.

Счетчик импульсов высоты 24 предназначен для счета числа импульсов ГТИ 28, поступающих на его первый вход с выхода 3-го элемента И 20, и может быть выполнен на логических элементах, входящих в состав ПЛИС.

Оперативное запоминающее устройство 25 предназначено для записи в него кода времени Т_о, полученного при работе РРВ в первом режиме, выдачи информации о Т_о в ВУ 26 при работе ИРВ во втором режиме и может быть выполнено на микросхеме 556РТ5.

Вычитающее устройство 26 предназначено для вычитания запомненного в ОЗУ 25 кода времени Т_о из кода времени Т_и, полученного во втором режиме работы РРВ, и может быть выполнено на микросхемах 564ИМ-1.

Преобразователь код-код 27 предназначен для преобразования параллельного кода, снимаемого с выхода ВУ 26, в код обмена, принятый в системе управления ЛА, в состав которой входит РРВ. Например, если обмен проводится по ГОСТ 26765.52-87, то в качестве ПКК-27 может быть использован малогабаритный приемопередатчик ВА996А, [10], с.14.

Генератор тактовых импульсов 28 предназначен для создания стабильных по частоте повторения импульсов, следующих с высокой частотой повторения, и может быть выполнен с использованием кварцевого резонатора, умножителя частоты и логических элементах, входящих в ПЛИС.

Таймер 29 предназначен для периодического переключения РРВ из второго режима работы в первый с целью для определения время Т_о задержки сигнала в цепях РРВ. Таймер может быть выполнен на логических элементах, входящих в ПЛИС.

Второй элемент ИЛИ 30 предназначен для подачи на 1-ый вход Т 13 импульсов «д» с выхода 1-го И 14 или импульсов «н» с выхода 3-ей ЛЗ 12.

Четвертая линия задержки 31 предназначена для задержки импульсов «а» или «о», формирования импульса «р», поступающего на первый вход РТ 19, импульса «п», поступающего на первый вход 6-го И 32 и второй вход 7-го И 35, и импульса «с», поступающего на вторые входы СЧПР 22 и СИВ 24.

Третий элемент ИЛИ 32 предназначен для пропускания на вход 4-й ЛЗ 31 импульсов «а» или импульсов «о».

Шестой элемент И 33 предназначен для пропускания импульса «п» на первый вход ОЗУ 25 с целью записи в него информации о времени Т_о в первом режиме работы РРВ.

Инвертор 34 и седьмой элемент И 35 предназначены для пропускания импульса «п» во втором режиме работы РРВ на второй вход ОЗУ 25 с целью извлечения из него записанной в нем информации о времени Т_о.

Устройство работает в двух режимах:

- первом, когда измеряется задержка Т_о в цепях рециркуляции и приемопередатчика;

- втором, когда измеряется высота полета Н_п.

Перевод в первый режим осуществляется таймером 29, формирующим при включении РРВ и в процессе его работы с некоторым периодом сигнал лог.1, поступающий на первые входы 1-го элемента И 14 и 2-го элемента И 15, второй вход 6-го элемента И 33 и инвертора 34.

ГСИ 1 формирует импульсы «а», период повторения Т которых

где T_p1 - максимальный период повторения при работе в первом режиме;

Т_поиска - время поиска;

N - число рециркуляции.

Если, например, T_p1=15 мкс, N=32 и Т_поиска=500 мкс, то Т>980 мкс.

Эти импульсы через открытый 2-ой И 15 и первый элемент ИЛИ 2 поступают на 2-ой вход триггера 13 и приводят его в состояние лог.0, при котором СВЧВ 11 имеет большое затухание. Импульсы «а» с выхода 2-го И 15 через 3-ий ИЛИ 32 поступают также на вход 4-й ЛЗ 31. Снимаемый с ее второго выхода импульс «р» поступает на первый вход РТ 19, приводя его выход в состояние лог.0, при котором закрывается 3-й И 20, и импульсы ГСИ 28 не поступают на первый вход СИВ 24.

Снимаемый с третьего выхода 4-й ЛЗ 31 импульс «с» поступает на вторые входы СИВ 24 и СЧПР 22, устанавливая в исходное состояние входящие в их триггеры.

Импульсы «а» через 2-ой И 15 и 1-ый ИЛИ 2 поступают на вход 1-ой ЛЗ 3 и второй вход БУЗ 4, устанавливая входящие в состав СИ 41 триггеры (фиг.4) в нулевое положение. Импульсы «а» также через 4-ый ИЛИ 43 поступают на второй вход RST 39, устанавливая его в положение лог.0, при котором 8-ой И 40 закрыт.

Снимаемый с первого выхода 1-ой ЛЗ 3 импульс «б» вводит в триггеры СИ 41 код с выхода ШК 16.

Импульс «в» со второго выхода 1-ой ЛЗ 3 поступает на первый вход RST 39 и переводит его в состояние лог.1, при котором открывается 8-ой И 40, и поступающие на его второй вход импульсы КГ 36 начинают поступать на первый вход СИ 41. После заполнения СИ 41 на его выходе возникает перепад напряжения, который запускает ФИ 42, формирующий импульс «д», переводящий RST 39 через 4-ый ИЛИ 43 в состояние лог.0.

Таким образом, время задержки τ₃ импульса «д» относительно импульса «в» будет изменяться в зависимости от кода, поступающего с выхода ШК 16. Чем большее значение кода поступает на БУЗ 4, тем меньше τ₃. Этим самым обеспечивается рециркуляция с изменяющимся периодом повторения с одним и тем же законом изменения как в режиме измерения Т_о, так и в режиме измерения высоты.

Импульс «д» поступает на вход 2-ой ЛЗ 5, 1-ый вход СС 18 и второй вход 1-го И 14. Поскольку на его первый вход (фиг.2) в этом режиме подается уровень лог.1, импульс «д» проходит на его выход, через второй элемент ИЛИ 30 поступает на первый вход триггера 13 и переводит его выход в состояние лог.1, при котором затухание СВЧВ 11 мало. Снимаемые с выхода 2-ой ЛЗ 5 импульсы «е» запускают ПРД 6, формирующий импульсы «и» СВЧ колебаний, которые ослабляются на величину развязки между первым входом и вторым выходом РБ 8 и через второй выход РБ 8 и СВЧВ 11 поступают на вход Прм 17, усиливаются и преобразуются им в импульсы «к», поступающие на второй вход СС 18, ВМ 46 которой формирует поисковый импульс «л», задержка которого относительно импульса «д», поступающего на его второй вход, увеличивается до тех пор, пока его задний фронт не совпадает с передним фронтом импульса «к». После совпадения нескольких импульсов «л» с импульсами «к» на выходе ВД 44 следящей системы 18 (фиг.5) появляется напряжение, переводящее СС 18 в режим слежения за импульсом «к». Поскольку отраженные от Земли импульсы приходят на второй выход РБ 8 после импульсов «и», а СС 18 осуществляет поиск начиная с минимальной задержки, захват этих импульсов не происходит. Под действием этого напряжения срабатывает ФСЗ 47, и СС 18 на втором выходе формирует сигнал «Захват» в виде уровня лог.1, поступающий на вторые входы 4-го И 21 и 5-го И 23, обеспечивая тем самым поступление поискового импульса «л» на первый вход СЧПР 22, и на второй вход РТ 19, переводя его в состояние лог.1, при котором 3-й И 20 открывается по первому входу, и импульсы ГСИ 28 начинают поступать на 1-й вход СИВ 24.

Поисковый импульс «л» поступает также на второй вход 1-го ИЛИ 2, переводит триггер 13 в состояние лог.0 и через 1-ю ЛЗ 3 поступает на вход БУЗ 4, формирующий импульс «д», который через 2-ю ЛЗ 5 запускает Прд 6.

Таким образом, при работе в первом режиме рециркуляция происходит с периодом T_pi

где t_ЛЗ1, t_ЛЗ2, t_БУЗ4i, t_прд, t_пр, t_cc - время задержки сигнала, создаваемое первой и второй линиями задержки, блоком управляемой задержки, передатчиком, приемником и следящей системой, соответственно.

При этом время задержки t_{БУЗ 4i} изменяется в зависимости от кода, поступающего на его 1-ый вход и представляющего собой модифицируемый ШК 16 код с выхода СЧПР 22.

Если, например, t_{ЛЗ 1}=1 мкс, t_{БУЗ 4i}=15 мкс, t_{ЛЗ 2}=0,5 мкс, t_прд=0,1 мкс, t_пр=0,5 мкс, t_cc=0,5 мкс, то Т_pi=1+15+0,5+0,1+0,5+0,1=17,2 мкс.

После осуществления N периодов рециркуляции на первом выходе СЧПР 22 возникает сигнал лог.1, открывающий 5-й И 23, на выходе которого возникает импульс «о», поступающий через второй вход 3-го ПЛИ 32 на вход 4-й ЛЗ 31. Снимаемый с ее второго выхода импульс «р» задержан относительно импульса «о» на время

где t_ПИ - длительность поискового импульса «л».

Импульс «р» поступает на первый вход РТ 19, переводя его в состояние лог.0, при котором 3-ий И 20 закрыт.

Очевидно, что время Т₀, в течение которого 3-ий И 20 находился в открытом состоянии при работе РРВ в первом режиме, составляет:

где t_БУЗ4i - время задержки, создаваемое БУЗ 4 в i-том периоде повторения;

t_З1ЛЗ31 - время задержки импульса «р» относительно импульса «о».

В течение этого времени в СИВ 24 будут поступать импульсы ГТИ 28, и на его выходе формируется параллельный код, соответствующий этому времени.

Снимаемый с 1-го выхода 4-й ЛЗ 31 импульс «п» поступает на 1-ые входы 6-го И 33 и 7-го И 35. При этом время задержки импульса «п» относительно импульса «р» должно быть больше времени установления триггеров СИВ 24.

Поскольку открыт только 6-ой И 33, импульс «п» проходит на его выход, поступает на 3-ий вход ОЗУ 25 и осуществляет запись в него кода с выхода СИВ 24.

Снимаемый с выхода 5-го И 23 импульс «о» поступает на вход таймера 29, который формирует на своем выходе уровень лог.0. Снимаемый с третьего выхода ЛЗ 31 импульс «с» поступает на 2-ые входы СЧПР 22 и СИВ 24, устанавливая входящие в их триггеры в состояние лог.0, и РРВ переводится в режим измерения высоты.

Число рециркуляции N выбирается исходя из допустимой флюктуационной погрешности измерения высоты, определяемой как

где f_кв - частота генератора ГТИ 28.

Откуда .

Максимальная частота t_кв ограничивается быстродействием счетных триггеров СИ 41. Как показано в [14], триггер Мах 9381 может считать импульсы, следующие с частотой 3 ГГц.

Если считать, что t_кв=10⁹ Гц, σ_ф=3·10^-3 м,

то

Для удобства приборной реализации следует выбрать N=32.

Время T₁, необходимое для измерения времени Т_о, можно определить как

Если, например, Т_р1=17,6 мкс, а N=32, Т_поиска=0,5 мс, то T₁=1 мс.

Такое малое время позволяет производить измерение времени Т_о и в процессе полета ЛА, поскольку возможное изменение высоты полета ΔН_ЛА ЛА за это время мало и составляет

где V_в = вертикальная скорость ЛА.

Если даже принять V_в=100 м/с, то ΔН_ЛА=100·1·10^-3=0,1 м.

В прототипе частота генератора тактовых импульсов, определяемая быстродействием процессорного блока, составляет f_пр=12 МГц.

Следовательно, число рециркуляции в прототипе N_пр должно быть увеличено в раз, т.е.

а Т_1ПР=Т_p1·N_пр+Т_поиска=17,6·10^-6·2,66·10³+0,5·10^-3=47,4 мкс.

Поэтому при тех же условиях полета

что в ряде случаев недопустимо.

При работе в режиме измерения высоты с выхода таймера 29 снимается уровень лог.0, первый элемент И 14 и второй элемент И 15 закрыты, следовательно, импульсы «а» не проходят на выход 2-го И 15, а импульсы «д» не проходят на выход 1-го И 14. Поэтому триггер 13 в момент излучения импульсов «и» находится в состоянии лог.0, при котором затухание СВЧВ 11 велико, уровень зондирующего сигнала на выходе Прм 17 ниже порога его чувствительности, и захват его СС 18 не происходит. Снимаемые с выхода 2-ой ЛЗ 5 импульсы «е» запускают Прд 6, импульсы СВЧ-колебаний которого через НО 7 и РБ 8 подводятся к АБ 9 и излучаются. Снимаемые со второго выхода НО 7 СВЧ-колебания детектируются Д 10 и через 3-ю ЛЗ 12 и 2-ой вход второго ИЛИ 30 поступают на 1-ый вход триггера 13, переводя его в состояние лог.1, при котором затухание СВЧВ 11 минимально, что обеспечивает прохождение на вход Прм 17 сигналов, отраженных земной поверхностью и принятых антенным блоком 9. Эти сигналы усиливаются и преобразуются Прм 17, поступают на 2-ой вход СС 18 и обрабатываются так же, как и сигналы передатчика 6, принятые в первом режиме, т.е. сначала РРВ находится в режиме поиска, триггеры СИВ 24 и СЧПР 22 приведены в нулевое состояние, РТ 19 - в состояние лог.0.

После совпадения импульсов «к» и «л» СС 18 на втором выходе создает сигнал «Захват», ФСАРУ формирует напряжение автоматической регулировки усиления (АРУ), поддерживающее постоянную амплитуду импульса «к», РТ 19 переводится в состояние лог.1 импульсом «л», снимаемым с выхода 4-го И 21; после осуществления N рециркуляций на выходе 5-го И 23 возникает импульс «о», поступающий через 2-ой вход 3-го ИЛИ 32 на 4-ю ЛЗ 31.

При работе в этом режиме рециркуляция происходит с периодом

Очевидно, что время Т`_и, в течение которого 3-ий И 20 находился в открытом состоянии при работе РРВ во втором режиме, составляет:

На выходе СИВ 24 формируется код, определяемый временами Т_о и ,

где Н - высота полета ЛА;

С - скорость света,

т.е. измеряется t_и=Т_о+Т_h.

Этот код подается на второй вход ВУ 26, на первый вход которого подается код с выхода ОЗУ 25. Так как в этом режиме напряжение на выходе таймера 29 равно нулю, то импульс «п» проходит на выход 7-го И 35, поступает на первый вход ОЗУ 25 и извлекает из него код ранее записанного времени Т_о, который подается на первый вход ВУ 26.

ВУ 26 проводит вычитание, и на его выходе формируется параллельный код времени t_и=Т_о+Т_h-Т_о=Т_h.

Таким образом, выходной код ВУ 26 содержит информацию только о времени Т_h. Этот код преобразуется ПКК 27 в код, принятый в системе управления ЛА, в которую входит РРВ.

Погрешность измерения высоты определяется удвоенной величиной ошибки дискретности σ_q, определяемой частотой генератора f_кв и числом рециркуляции N.

Если принять f_кв=10⁹ Гц, N=32, то σ_q=3·10^-3 м, а ΔН=6·10^-3 м, т.е. ошибка близка к погрешности уровнемера [6] и на несколько порядков меньше ошибки ИРВ А-035 [5].

При этом время обновления информации о высоте полета

Если, например, N=32, Т_о=17 мкс и Н=10 км, то .

Это время значительно меньшее времени обновления информации как в прототипе, так и в изделии А-035, в котором это время может достигать 50 мс.

Вновь вводимые блоки: развязывающий блок и направленный ответвитель имеют малые затухания (менее 1,5 дБ) и не приведут к значительным снижениям излучаемой мощности и чувствительности приемника.

Для построения заявляемого РВ может быть использована элементная база, выпускаемая, в основном, в настоящее время отечественной промышленностью.

Вновь введенные генератор тактовых импульсов, разрешающий триггер, элементы И, ИЛИ, счетчики импульсов, таймер, могут быть выполнены в виде одной программируемой логической интегральной схемы, а детектор, развязывающий блок и направленный ответвитель могут быть изготовлены по тонкопленочной технологии.

Следовательно, введение дополнительных блоков не приведет к значительному увеличению объема и массы по сравнению с прототипом.

Работа РРВ на одну антенну при использовании СВЧ-импульсов наносекундной деятельности позволяет измерять малые высоты полета ЛА и исключить методическую ошибку измерения высоты применяемых ИРВ, работающих на две антенны (передающую и приемную). Эта ошибка может достигать 0,68 м [20].

Между тем, в последнее время рядом заказчиков РВ выдвигаются требования повышения точности измерения малых высот. Например, в [17] изложено требование к измерения высот полета ЛА от 0 до 5 м с погрешностью менее ±0,1 м, а в [18] - высот до 100 м с погрешностью менее ±(0,2+1% Н) м, в то время как лучший РВ последней разработки (А052 [19]) измеряет малые высоты с погрешностью 2σ=±(0,45+1% Н) м.

Поэтому предлагаемый РРВ может найти применение для точного измерения высоты, в том числе и для проверки точности вновь разрабатываемых РВ различного назначения, и, следовательно, удовлетворяет требованию критерия «Промышленная применимость».

Литература

1. Рециркуляционный радиовысотомер. Авторское свидетельство СССР №326528 от 22.10.1971 по заявке №1411131/26-9 от 2.03.1970, кл. G 01 S 9/10.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлухов А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука, 1973, с.72, с.150, с.132.

3. Радиолокационные системы летательных аппаратов. Под ред. П.С.Давыдова. - М.: Транспорт, 1977, с.220.

4. Моругин Л.А. Импульсные устройства с запаздывающей обратной связью. - М.: Советское радио, 1961. с.172.

5. Изделие А-035. Руководство по технической эксплуатации ГУ 1.000.048 РЭ. УПКБ «Деталь», г.Каменск-Уральский, 1988.

6. Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер. Патент РФ №2176382, кл. G 01 F 23/00 от 27.11.2001 по заявке №2000117976 от 5.07.2000 г.

7. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И.Веселова. - М.: Высшая школа, 1988, с.57-58.

8. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, с.50-72.

9. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.102, 117-121, 331-338, 344-350, 392.

10. Аксесуары для построения линий передачи информации MIL STD-1553В и приборы для их отладки. Рекламный проспект фирмы «ЭЛКУС», 2004, с.14.

11. Митяшев Б.Н. Определение временного положения импульса при наличии помех. - М.: Советское радио, 1962, с.39.

12. Система опознавания «свой-чужой». Патент РФ №2191403 по заявке 2001133283/09 от 11.12.2001, кл. G 01 S 13/78, 13/74.

13. WWW.ALTERA.com.

14. Триггер Max 9381. WWW maxim ic.com.

15. Линии задержки теплостойкие типа ЛЗТ. Технические условия ГИО.206.004 ТУ, 1986.

16. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. - М.: Советское радио, 1979, с.145-147.

17. Письмо Авиационного научно-технического комплекса «Антонов» от 14.10.2000, исх. 12/7676.

18. Техническое задание на разработку импульсного радиовысотомера. Раменское приборостроительное конструкторское бюро, исх. 287/102 от 09.02.2004.

19. Малогабаритные авиационные радиовысотомеры А-052, А-053. Рекламный проспект ОАО «Уральское проектно-конструкторское «Деталь», 2004.

20. Жуков В.М., Жуков М.В. Способ измерения радиовысотомером малых и предельно малых высот. Заявка на предполагаемое изобретение №2004113049 от 27.04.2004.

Рециркуляционный радиовысотомер, содержащий генератор старт-импульсов, передатчик, антенный блок, приемник, последовательно соединенные первый элемент ИЛИ и первую линию задержки с отводами, отличающийся тем, что введены генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные шифровальная колодка, блок управляемой задержки и вторая линия задержки, последовательно соединенные направленный ответвитель и развязывающий блок, последовательно соединенные первый элемент И, второй элемент ИЛИ, триггер и сверхвысокочастотный выключатель, последовательно соединенные детектор и третья линия задержки, выход которой подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные разрешающий триггер, третий элемент И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, и счетчик импульсов высоты, последовательно соединенные таймер, второй элемент И, второй вход которого подключен к первому выходу генератора старт-импульсов, и третий элемент ИЛИ, последовательно соединенные следящая система, четвертый элемент И, счетчик числа периодов рециркуляции и пятый элемент И, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента ИЛИ и входу таймера, последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, вычитающее устройство и преобразователь код-код, последовательно соединенные четвертая линия задержки и шестой элемент И, последовательно соединенные инвертор и седьмой элемент И, первый вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу второго элемента И, второй вход - к первому выходу следящей системы, второй вход блока управляемой задержки подключен к выходу первого элемента ИЛИ, третий вход - к первому выходу первой линии задержки, четвертый вход - ко второму выходу первой линии задержки, а пятый вход - ко второму выходу генератора старт-импульсов, вход передатчика подключен к выходу второй линии задержки, а выход - ко входу направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом детектора, первый вход-выход развязывающего блока подключен к вход-выходу антенного блока, второй выход - ко второму входу сверхвысокочастотного выключателя, выход которого подключен к первому входу приемника, выход блока управляемой задержки дополнительно подключен ко второму входу первого элемента И, первый вход которого подключен к выходу таймера, и к первому входу следящей системы, второй вход которой подключен к выходу приемника, а первый выход дополнительно подключен к третьему входу пятого элемента И, второй выход - к вторым входам четвертого и пятого элементов И, а третий выход подключен ко второму входу приемника, выход третьей схемы ИЛИ подключен ко входу четвертой линии задержки, первый выход которой дополнительно подключен ко второму входу седьмого элемента И, второй выход соединен с первым входом разрешающего триггера, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, третий выход - с вторыми входами счетчика импульсов высоты и счетчика периодов рециркуляции, выход счетчика импульсов высоты подключен ко вторым входам оперативного запоминающего устройства и вычитающего устройства, второй выход счетчика числа периодов рециркуляции подключен к входу шифровальной колодки, вход таймера соединен с выходом пятого элемента И, а выход дополнительно подключен ко второму входу шестого элемента И и входу инвертора, первый вход оперативного запоминающего устройства подключен к выходу седьмого элемента И, третий вход - к выходу шестого элемента И, а выходом радиовысотомера является выход преобразователя код-код.