Способ измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн. Достигаемый технический результат - увеличение точности измерения. Указанный результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата, заключающемся в облучении радиоволнами подстилающей поверхности двумя антенными системами, каждая из которых ориентирована под углом θ с каждой из сторон от его оси в горизонтальной плоскости и под углом β0 в вертикальной, приеме отраженных волн, смешивании с частью излучаемой волны и выделении двух доплеровских сигналов, вычислении доплеровских частот ƒD1 и ƒD2 по максимумам спектров этих сигналов, дополнительно устанавливают разные частоты излучения радиоволн для первой и второй антенн ƒ1 и ƒ2, выделяют сигналы разностной частоты между этими двумя излучаемыми S0 и принимаемыми Sψ волнами, пропускают сигнал Sψ через фильтр, настроенный на частоту F=ƒ12, измеряют фазу между сигналами S0 и Sψ - ψ, по изменению фазы Δψ относительно опорного сигнала S0 за интервал времени Δt определяют вертикальную составляющую скорости WY, по величинам ƒD1, ƒD2, и WY вычисляют путевую скорость W и угол сноса ϕ. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн.

Для решения ряда навигационных задач, в особенности основной задачи навигации - определения места самолета - необходимо знать его полную скорость WH (скорость относительно земной поверхности), где проекцией ее на горизонтальную плоскость является путевая скорость W.

В настоящее время известны и применяются способы для измерения скорости и угла сноса летательного аппарата ЛА, использующие барометрический принцип действия. Он отличается высокой надежностью и простотой реализации, однако имеет существенные недостатки. Барометрический способ измерения скорости определяет воздушную скорость V и не учитывает скорость и направление воздушного потока U. Путевая скорость является суммой этих двух векторов с учетом вертикальной скорости, поэтому необходима постоянная коррекция из-за изменений в скорости ветра, температуры, плотности воздуха. Угол между скоростями V и W называется углом сноса ϕ. Его коррекция осуществляется передачей данных по ориентирам на местности или по сигналам спутниковой навигации. Это приводит к невысокой точности, особенно при отсутствии связи, видимости или при пропадании сигналов со спутников. Поэтому для определения путевой скорости W и угла сноса ϕ применяются радиоволновые способы на основе эффекта Доплера. Это единственные способы, которые позволяют автономно измерять путевую скорость с учетом угла сноса. В частности, известен способ, описанный в доплеровском измерителе путевой скорости и угла сноса самолета (ДИСС) (Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. М., Радио и связь, 1994).

На Фиг. 1 поясняется принцип действия доплеровского однолучевого измерителя путевой скорости и угла сноса.

Как показано на Фиг. 1, в простейшем однолучевом ДИСС радиоволновое излучение с частотой ƒu направляется антенной с ЛА на подстилающую поверхность под углом β0 по направлению полета. Для определения спектра частот отраженного сигнала необходимо вырезать из облучаемой площади А элементарную полоску Ai, все точки которой расположены на направлениях, составляющих угол βi с вектором скорости W. Имея в виду, что каждой из N элементарных полосок соответствует доплеровский сдвиг частоты ƒDi, для всей облучаемой площади спектр отраженного сигнала можно представить последовательностью частот

где λu=c/ƒu - длина волны излучаемого колебания, с - скорость света в воздухе. Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра определяется формой диаграммы направленности (ДНА) измерителя в вертикальной плоскости. Максимальную мощность в этом случае имеет сигнал на средней частоте доплеровского спектра, соответствующей направлению W (оси ДНА).

Если вектор W горизонтален (высота полета Н постоянна и угол α=0) и составляет с осью ДНА угол γ в горизонтальной и β0 в вертикальной плоскости, то доплеровская частота:

.

В процессе вращения антенны, при совмещении направления облучения в горизонтальной плоскости с вектором W угол γ=0 и доплеровское приращение частоты достигает максимума:

В этот момент средняя доплеровская частота ƒDm определяется с помощью частотомера, затем вычисляется путевая скорость W по формуле (2). Угол сноса ϕ равен углу, составленному осью самолета и осью ДНА в момент ее совмещения с направлением вектора путевой скорости.

Данный способ не обладает достаточной точностью из-за его низкой чувствительности к изменению угла γ при небольших рассогласованиях направлений W и оси ДНА в горизонтальной плоскости. Снижают точность также наличие вибрации, нестабильность частоты и амплитуды генератора, неравномерные отражающие свойства облучаемой поверхности, поскольку весь шум, вызванный этими факторами, накладывается на спектр доплеровского сигнала. Особо следует отметить влияние крена и возможного наличия вертикальной составляющей скорости, которые влияют на величину W, но никак не учитываются. Это приводит к необходимости дополнительного измерения высоты или поддержания антенной системы строго в горизонтальном положении, что сильно усложняет и удорожает общую систему навигации.

Более высокую точность показывают многолучевые способы измерения путевой скорости и угла сноса. Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости и угла сноса (Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др./ Под ред. Ю.М. Казаринова. Радиотехнические системы - Радиотехнические системы: Учеб. для Вузов по спец. «Радиотехника» / М.: Высш. шк., 1990, с. 362), принятый за прототип.

На Фиг. 2 показана схема, поясняющая принцип действия доплеровского двухлучевого способа измерения путевой скорости и угла сноса, выбранного в качестве прототипа.

Способ заключается в облучении радиоволнами с фиксированной частотой подстилающей поверхности двумя антеннами, каждая из которых ориентирована под углом θ с каждой из сторон от оси самолета в горизонтальной плоскости и под углом β0 в вертикальной (см. Фиг. 2), приеме отраженных волн, смешивании с частью излучаемой волны и выделении первого и второго доплеровских сигналов, а вычисление путевой скорости W и угла сноса ϕ производится по частотам доплеровских сигналов ƒD1 и ƒD2.

При этом не используется поворотное устройство для системы антенн, а путевая скорость W и угол сноса ϕ находится из решения системы двух уравнений с двумя неизвестными:

Данный способ позволяет определить путевую скорость с углом сноса и поперечную составляющую скорости с высокой точностью, благодаря высокой чувствительности к изменению доплеровских частот при отклонении оси самолета в горизонтальной плоскости. Положительное влияние на точность также оказывает отказ от использования поворотного устройства. Однако способ не устраняет ошибки от наличия вертикальной составляющей скорости (при α≠0).

Если же ЛА летит с набором высоты или снижается, то появляется вертикальная составляющая полной скорости WY (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), которая не дает приращения горизонтального пути ЛА, но входит в результат измерений доплеровских частот для обеих антенных систем, соответственно уменьшая или увеличивая ее значение. Это может привести к значительной ошибке в измерении путевой скорости. С учетом вертикальной составляющей скорости система уравнений (3) примет вид:

знак « - » у второго члена в уравнениях идет при наборе высоты (кабрировании), а «+» - при снижении (пикировании).

Таким образом, для точного измерения путевой скорости необходимо также знать текущее значение вертикальной скорости WY.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата, заключающемся в облучении радиоволнами подстилающей поверхности двумя антенными системами, каждая из которых ориентирована под углом θ с каждой из сторон от его оси в горизонтальной плоскости и под углом β0 в вертикальной, приеме отраженных волн, смешивании с частью излучаемой волны и выделении двух доплеровских сигналов, вычислении доплеровских частот ƒD1 и ƒD2 по максимумам спектров этих сигналов, дополнительно устанавливают разные частоты излучения радиоволн для первой и второй антенн ƒ1 и ƒ2, выделяют сигналы разностной частоты между этими двумя излучаемыми S0 и принимаемыми Sψ волнами, пропускают сигнал Sψ через фильтр, настроенный на частоту F=ƒ12, измеряют фазу между сигналами S0 и Sψ, - ψ, по изменению фазы Δψ относительно опорного сигнала S0 за интервал времени Δt, определяют вертикальную составляющую скорости WY, по величинам ƒD1, ƒD2 и WY вычисляют путевую скорость W и угол сноса ϕ.

Система уравнений (4) преобразуется к следующему виду:

где λ1=c/ƒ1 и λ2=c/ƒ2 - длины волн излучаемых колебаний. В этой системе уравнений имеются три неизвестных W, ϕ и WY. Вертикальную составляющую скорости WY можно определить следующим образом.

Каждая из волн, излучаемых первой и второй антеннами с частотами ƒ1 и ƒ2 - S21 и S22, после отражения приходит обратно на смесители с задержкой по времени или , где L - расстояние по оси диаграммы направленности до поверхности земли в м, а Н - высота в м:

S21=S210sin (2πƒ1t+2πλ1τ/c) и S22=S220sin (2πƒ2t+2πλ2τ/с),

где S210 и S220 - амплитуды принятых волн с частотами ƒ1 и ƒ2. Если теперь с помощью смесителя выделить сигнал разностной частоты этих двух принятых волн Sψ, то его фаза ψ тоже будет сдвинута на время τ:

где F=ƒ12 - частота сигнала разностной частоты Sψ с амплитудой Sψ0 между принятыми отраженными сигналами S21 и S22. Из формулы (6) видно, что фаза этого сигнала ψ зависит от времени τ и, следовательно, высоты ЛА - Н. При этом из-за периодичности синусоидального сигнала, диапазон однозначности будет повторяться через каждую полуволну сигнала Sψ, что соответствует высоте . Таким образом, измеряя изменения фазы ψ относительно опорного сигнала за небольшой интервал времени Δt - Δψ/Δt, из формулы (6) можно определить вертикальную составляющую скорости WY - ΔН/Δt, при изменениях высоты полета Н:

В качестве опорного сигнала S0 можно использовать сигнал разностной частоты от излучаемых волн S11 и S12 с частотами ƒ1 и ƒ2, выделяемый на отдельном смесителе. Для устранения влияния доплеровских частот, можно использовать пропускающий фильтр на частоту F для сигнала разностной частоты Sψ от принимаемых волн S21 и S22.

Таким образом, по полученному значению WY из уравнения (7) и измеренным значениям ƒD1 и ƒD2 можно найти значения W и ϕ, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными любым численным методом (5).

На Фиг. 3 показана структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит генераторы СВЧ 1, 8, направленные ответвители 2, 3, 6 и 9, 10, 13, циркуляторы 4, 11, антенны 5, 12, смесители 7, 14, 15, 17, 18, фильтр 16 и вычислительный блок 19.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ-волны с частотами ƒ1 и ƒ2 через направленные ответвители 2, 3 и 9, 10, циркуляторы 4, 11 поступают на антенны 5, 12, ориентированные под углом β0 к поверхности и углом θ к оси ЛА. Отраженные волны S21 и S22 принимаются антеннами и через циркуляторы поступают на первые входы смесителей 7 и 14 через направленные ответвители 6 и 13. На вторые входы этих смесителей поступает часть мощности излучаемых волн от дополнительных выводов направленных ответвителей 3 и 10. Доплеровские сигналы с выходов этих смесителей ƒD1 и ƒD2 поступают на входы вычислительного блока 19. Части мощности отраженных сигналов поступают с дополнительных выводов направленных ответвителей 6 и 13 на входы смесителя 15. Сигнал с его выхода Sψ поступает через фильтр на частоту F 16 на первый вход смесителя 17. На второй его вход поступает сигнал с выхода смесителя 18 S0, на входы которого поступает часть мощности излучаемых волн через дополнительные выводы направленных ответвителей 2 и 9. На выходе смесителя 17 образуется сигнал, пропорциональный фазе сигнала разностной частоты ψ, который поступает на вычислительный блок 19. В этом блоке происходит вычисление по изменению фазы Δψ относительно опорного сигнала S0 за интервал времени Δt, вертикальной составляющей скорости WY, а затем путевой скорости W и угла сноса ϕ из решения системы уравнений (5) с учетом измеренных ƒD1, ƒD2 и вычисленной скорости WY.

Способ измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата, заключающийся в облучении радиоволнами подстилающей поверхности двумя антенными системами, каждая из которых ориентирована под углом θ с каждой из сторон от его оси в горизонтальной плоскости и под углом β0 в вертикальной, приеме отраженных волн, смешивании с частью излучаемой волны и выделении двух доплеровских сигналов, вычислении доплеровских частот ƒD1 и ƒD2 по максимумам спектров этих сигналов, отличающийся тем, что устанавливают разные частоты излучения радиоволн для первой и второй антенн ƒ1 и ƒ2, выделяют сигналы разностной частоты между этими двумя излучаемыми S0 и принимаемыми Sψ волнами, пропускают сигнал Sψ через фильтр, настроенный на частоту F=ƒ12, измеряют фазу между сигналами S0 и Sψ - ψ, по изменению фазы Δψ относительно опорного сигнала S0 за интервал времени Δt определяют вертикальную составляющую скорости WY, по величинам ƒD1, ƒD2 и WY вычисляют путевую скорость W и угол сноса ϕ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи для повышения точности измерения скорости движения космических аппаратов (КА).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн.

Изобретение относится к способам и устройствам обработки радиолокационных (РЛ) сигналов в радиолокационных станциях (РЛС) и может быть использовано для измерения скорости полета воздушного объекта (ВО).

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для создания автоматических систем посадки и взлета беспилотных вертолетов. Технический результат заключается в обеспечении возможности автономной посадки вертолета на горизонтальную, наклонную и неровную поверхность в условиях отсутствия оптической видимости и в сложных метеорологических условиях.

Изобретение относится к способу для контроля скорости рельсовых транспортных средств, а также к относящемуся к нему устройству. .

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в наземных РЛС с инверсным синтезированием апертуры антенны. .

Изобретение относится к устройствам автономной навигации и посадки, предназначенным для навигации и слепой посадки в основном вертолетов и других летательных аппаратов, для которых имеет большое значение диапазон измеряемых скоростей с переменой знака скорости, измерение высоты в диапазоне от максимальной до предельно близкой к нулю, в том числе и при перевозке груза на подвеске, и для которых в режиме висения важна стабильность положения, а в режиме посадки необходимы сведения о наклоне посадочной площадки для правильной ориентации летательного аппарата по отношению к направлению максимальной крутизны для предотвращения опрокидывания.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для осуществления трассового сопровождения подвижных маневрирующих источников радиоизлучений (ИРИ) с помощью однопозиционных систем радиотехнической разведки (СРТР) воздушного базирования.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн.

Изобретение относится к области радиолокационной техники, а именно к способам определения угловых координат измерений произвольного количества точечных близко расположенных целей.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для измерения угловых координат целей в процессе обзора пространства радиолокационной станцией.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для определения угловых координат источника радиоизлучения одновременно в двух ортогональных плоскостях пеленгации.

Изобретение относится к области радиотехники. .

Изобретение относится к радиолокации, в частности к области автоматического измерения азимута радиолокационных целей с помощью обзорной радиолокационной станции (РЛС), и может быть использовано в аппаратуре первичной обработки радиолокационной (р/л) информации, являющейся оконечной частью РЛС.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в мобильных радиолокационных станциях (РЛС) для контроля воздушного пространства, например, обнаружения, измерения координат, опознавания, сопровождения и распознавания целей, а также при модернизации РЛС.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в импульсных радиолокационных станциях (РЛС) сопровождения, работающих по целеуказанию. Достигаемый технический результат - увеличение производительности РЛС сопровождения за счет снижения временных потерь, вызванных задержкой в обработке информации.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для осуществления трассового сопровождения подвижных маневрирующих источников радиоизлучений (ИРИ) с помощью однопозиционных систем радиотехнической разведки (СРТР) воздушного базирования.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн. Достигаемый технический результат - увеличение точности измерения. Указанный результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата, заключающемся в облучении радиоволнами подстилающей поверхности двумя антенными системами, каждая из которых ориентирована под углом θ с каждой из сторон от его оси в горизонтальной плоскости и под углом β0 в вертикальной, приеме отраженных волн, смешивании с частью излучаемой волны и выделении двух доплеровских сигналов, вычислении доплеровских частот ƒD1 и ƒD2 по максимумам спектров этих сигналов, дополнительно устанавливают разные частоты излучения радиоволн для первой и второй антенн ƒ1 и ƒ2, выделяют сигналы разностной частоты между этими двумя излучаемыми S0 и принимаемыми Sψ волнами, пропускают сигнал Sψ через фильтр, настроенный на частоту Fƒ1-ƒ2, измеряют фазу между сигналами S0 и Sψ - ψ, по изменению фазы Δψ относительно опорного сигнала S0 за интервал времени Δt определяют вертикальную составляющую скорости WY, по величинам ƒD1, ƒD2, и WY вычисляют путевую скорость W и угол сноса ϕ. 3 ил.

Наверх