Малогабаритный бортовой радиовысотомер для беспилотных летательных аппаратов (варианты)
Изобретение относится к области радиолокаторов и может быть использовано в качестве радиовысотомера для летательных объектов. Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности, чувствительности и максимальной измеряемой высоты. Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией дополнительно содержит фазосдвигающую цепь на 90°, второй балансный смеситель, второй усилитель-ограничитель разностной частоты, перемножитель и удвоитель частоты. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к области радиолокаторов и может быть использовано в качестве радиовысотомера для летательных объектов.
Уровень техники
Основная проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение - отсутствие недорогих высокоточных малогабаритных высотомеров, интегрированных с системами автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), предназначенных для применения в БЛА гражданского назначения малого и среднего класса. В настоящее время в Российской Федерации отсутствует массовое изготовление большинства комплектующих для беспилотных летательных аппаратов, включая радиовысотомеры. Имеющиеся на рынке образцы радиовысотомеров не могут быть массово использованы в БЛА гражданского назначения, поскольку они предназначены, в основном, для использования в пилотируемой авиации и несовместимыми по характеристикам с БЛА малого и среднего класса, либо представлены зарубежными аналогами с высокой стоимостью или худшими характеристиками.
По сравнению с барометрическим методом определения высоты полета, радиовысотомер обеспечивает измерение не средней высоты, а реальной текущей высоты с учетом неровностей местности. Использование спутниковых систем навигации для определения высоты полета также имеет ряд существенных недостатков по сравнению с радиовысотометрией - спутниковая навигация дает среднее значение высоты над геоидом, а неровности местности учитывает по данным электронной карты, что приводит к большим погрешностям в измерении. Кроме того, разрешающая способность (0,3 м) и частота выборок (1 Гц при использовании протокола NMEA) не позволяют использовать значения показателя текущей высоты полета по данным спутниковых навигационных систем в контуре системы автоматического управления (САУ) БЛА.
Из уровня техники известен радиовысотомер малых высот с частотной модуляцией (см. [1] патент РФ на полезную модель №186371, МПК G01S 13/94, опубл. 17.01.2019), содержащий последовательно соединенные устройство поиска-слежения, модулятор, второй выход которого соединен со входом первого измерителя периода модуляции, генератор СВЧ, излучающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, приемник, выполненный любым подходящим и известным способом, частотный (периодный) дискриминатор, имеющий постоянную переходную частоту fд0, выход которого соединен с интегратором устройства поиска-слежения через схему согласования, соединенную с ключом управления устройства поиска-слежения, а также обнаружитель, вход которого соединен с выходом приемника, а его выход - с управляющим входом упомянутого ключа управления устройства поиска-слежения, при этом второй вход приемника соединен со вторым выходом генератора СВЧ, а также многовходовый элемент, входы которого соединены с контрольными выходами всех контролируемых функциональных элементов РВ, например, модулятора, обнаружителя и др. При этом в устройство введены последовательно соединенные устройство согласования уровней напряжений, измеритель числа импульсов преобразованного сигнала за измерительный интервал периода модуляции, двухпороговая схема сравнения данных, при этом вход элемента согласования соединен с выходом усилителя-ограничителя, вход разрешения счета измерителя числа импульсов соединен с выходом модулятора, соединенного одновременно со входом первого измерителя периода модуляции, выход первого измерителя соединен со вторым входом двухпороговой схемы сравнения данных, выход которой соединен с одним из входов многовходового элемента, объединяющего признаки отказов функциональных элементов радиовысотомера.
Недостатком данного аналога является высокие массогабаритные характеристики и погрешность измерений, при этом указанный радиовысотомер предназначен для пилотируемой авиации не подходит для применения в БЛА.
Из уровня техники известен радиовысотомер малых высот с частотной модуляцией (см. [2] патент РФ на полезную модель №207967, МПК G01S 13/34, опубл. 29.11.2021), содержащий последовательно соединенные приемную антенну, малошумящий усилитель, смеситель синфазного канала, аналого-цифровой преобразователь синфазного канала; последовательно соединенные модулятор, генератор, управляемый напряжением, усилитель мощности, направленный ответвитель, передающую антенну, последовательно соединенные фазовращатель, смеситель квадратурного канала, аналого-цифровой преобразователь квадратурного канала, а также последовательно соединенные комплексный умножитель, фазовый преобразователь, усредняющий сумматор, петлевой фильтр и генератор опорного сигнала. Второй выход направленного ответвителя соединен со вторым входом смесителя синфазного канала и с входом фазовращателя. Второй вход смесителя квадратурного канала соединен с выходом малошумящего усилителя. Первый и второй входы комплексного умножителя соединены соответственно с выходами аналого-цифровых преобразователей синфазного и квадратурного каналов, его третий и четвертый входы - соответственно с первым и вторым выходами генератора опорного сигнала, а его первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами фазового преобразователя. Выход петлевого фильтра является выходом устройства. Данный аналог позволяет повысить точность оценки высоты, однако недостатками являются низкая разрешающая способность, чувствительности и присутствие помех.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является радиолокационный радиовысотомер (см. [3] Ainstein US-D1 UAV Standard Radar Altimeter https://ainstein.ai/drone-makers-drone-service-providers/us-d1/). содержащий модулятор, сумматор, усилитель мощности, передающую антенну, делитель несущей частоты, приемную антенну, балансный смеситель, усилитель-ограничитель разностной частоты, генератор опорной частоты, частотомер, интерфейс, фазовый детектор, фильтр низкой частоты. Недостатком прототипа является низкий диапазон измеряемых высот (до 50 метров), также низкая разрешающая способность и присутствие помех.
Сущность изобретения
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является радиолокационное измерение высоты полета над подстилающей поверхностью беспилотного летательного аппарата методом непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), с возможностью измерения скорости, накопления и осреднения разностного сигнала, что дает высокую разрешающую способность, компактные массогабаритные характеристики. Дополнительно изобретение должно быть простым в использовании и интеграции, а также в обслуживании, за счет отсутствия оптических элементов конструкции.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности измерений и надежности устройства, снижение энергопотребления, снижение массогабаритных характеристик и отсутствие помех. Эффективность измерений повышается за счет повышения разрешающей способности, чувствительности и максимальной измеряемой высоты.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счет радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, содержащий модулятор, сумматор, управляемый напряжением генератор несущей частоты, усилитель мощности, передающую антенну, делитель несущей частоты, приемную антенну, усилитель высокой частоты, балансный смеситель, усилитель-ограничитель разностной частоты, генератор опорной частоты, частотомер, интерфейс, фазовый детектор, фильтр низкой частоты, при этом: выход модулятора соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты, выход которого через усилитель мощности подключен к передающей антенне, а также ко входу делителя несущей частоты и к первому входу балансного смесителя, приемная антенна подключена ко входу усилителя высокой частоты, выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя, выход которого соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты, выход которого подключен ко входу частотомера, выходной код которого подключен во входу интерфейса, выход которого является выходом устройства, выход генератора опорной частоты соединен с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора подключен к выходу делителя несущей частоты, а выход фазового детектора - ко входу фильтра низкой частоты, выход которого подключен ко второму входу сумматора, причем с целью повышения разрешающей способности, чувствительности и максимальной измеряемой высоты введены: фазосдвигающая цепь на 90°, второй балансный смеситель, второй усилитель-ограничитель разностной частоты, перемножитель и удвоитель частоты, при этом: вход фазосдвигающей цепи подключен к выходу управляемого напряжением генератора несущей частоты, а выход фазосдвигающей цепи к первому входу второго балансного смесителя, второй вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты, а выход второго балансного смесителя ко входу второго усилителя-ограничителя разностной частоты, выходы первого и второго усилителей ограничителей разностной частоты подключены ко входам перемножителя, выход которого соединен со входом удвоителя частоты, выход удвоителя частоты соединен со входом частотомера.
Технический результат также достигается за счет того, что введены: схема выборки/хранения, делитель опорной частоты, два триггера Шмита и логическая схема блокировки счета, при этом: вход схемы выборки хранения соединен с выходом фазового детектора, выход - со вторым входом сумматора, вход управления - с выходом делителя опорной частоты, первый вход логической схемы соединен с выходом импульса обратного хода модулятора, второй вход с выходом удвоителя частоты, третий вход с выходом делителя опорной частоты, а выход - со входом частотомера, входы триггеров Шмита подключены к выходам усилителей - ограничителей разностной частоты, а их выходы - ко входам перемножителя. Схема выборки/хранения представляет собой фильтр нижней частоты с отключаемым входом.
Технический результат также достигается за счет того, что введен микроконтроллер, в котором совмещаются функции частотомера, интерфейса, логической схемы блокировки счета, генератора опорной частоты, делителя опорной частоты и фазового детектора, эти функции реализуются в микроконтроллере программно-аппаратными средствами.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 - функциональная схема предложенного изобретения по первому варианту реализации изобретения.
На Фиг. 2 - функциональная схема предложенного изобретения по второму варианту реализации изобретения.
На Фиг. 3 - функциональная схема предложенного изобретения по третьему варианту реализации изобретения.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - модулятор (генератор пилообразного напряжения); 2 - генератор несущей частоты; 3 - усилитель мощности; 4 - передающая антенна; 5 - приемная антенна; 6 - усилитель высокой частоты; 7 - балансный смеситель; 8 - усилитель-ограничитель разностной частоты; 9 - частотомер; 10 - интерфейс; 11 - генератор опорной частоты; 12 - делитель несущей частоты; 13 - фазовый детектор; 14 - фильтр низкой частоты; 15 - сумматор; 16 - делитель опорной частоты; 17 - фазосдвигающая цепь; 18 - второй балансный смеситель; 19 - второй усилитель-ограничитель разностной частоты; 20 - перемножитель; 21 - удвоитель частоты; 22 - схема выборки/хранения реализованная в виде фильтра нижней частоты с отключаемым входом; 23, 24 - триггер Шмита; 25 - логическая схема блокировки счета; 26 - микроконтроллер.
Осуществление изобретения
Первый вариант заявленного изобретения реализован в виде радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, который содержит модулятор (1) (генератор пилообразного напряжения), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фильтр низкой частоты (14). При этом выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12) и к первому входу балансного смесителя (7). Приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7), выход которого соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), выход которого подключен ко входу частотомера (9), выходной код которого подключен ко входу интерфейса (10), выход которого является выходом устройства. Выход генератора опорной частоты (11) соединен с первым входом фазового детектора (13), второй вход фазового детектора (13) подключен к выходу делителя несущей частоты (12), а выход фазового детектора (13) ко входу фильтра низкой частоты (14), выход которого подключен ко второму входу сумматора (15). С целью повышения разрешающей способности, чувствительности и максимальной измеряемой высоты в конструкцию радиовысотомера введены: фазосдвигающая цепь (17) на 90°, второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21). При этом вход фазосдвигающей цепи (17) подключен к выходу управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), а выход фазосдвигающей цепи (17) к первому входу второго балансного смесителя (18), второй вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты (6), а выход второго балансного смесителя (18) ко входу второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19), выходы первого (8) и второго (19) усилителей ограничителей разностной частоты подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход удвоителя частоты соединен со входом частотомера (9).
Работа предложенной схемы показана на фиг. 1. На выходе второго балансного смесителя (18) формируется сигнал такой же разностной частоты, что и с выхода смесителя (7), но со сдвигом по фазе на 90°. Сигналы усиливаются и ограничиваются по амплитуде усилителями-ограничителями (8) и (19), что в результате логического перемножения этих сигналов в перемножителе (20) приводит к точному удвоению разностной частоты на выходе перемножителя (20). Удвоитель частоты (21) может быть выполнен на основе перемножителя (такого же, как 20), на второй вход которого подается выходной сигнал перемножителя (20) с малой задержкой, например, на RC-цепи, что ведет к выделению обоих фронтов сигнала перемножителя (20). Таким образом, импульсный сигнал с выхода удвоителя частоты (21) имеет в 4 раза большую частоту по сравнению с разностной, следовательно, при прочих равных условиях (частота модуляции, девиация и полоса пропускания), схема фиг. 1, имеет в 4 раза большую разрешающую способность.
С другой стороны, умножение разностной частоты на 4 может позволить снизить девиацию частоты и полосу пропускания в 4 раза, что при сохранении разрешающей способности схемы на фиг. 1 позволяет существенно (в пределе в 4 раза) снизить уровень шумов и увеличить чувствительность и максимальную измеряемую высоту.
Второй вариант заявленного изобретения реализован в виде радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, который содержит модулятор (1), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фазосдвигающая цепь (17) на 90° второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21). Выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12), входу фазосдвигающей цепи (17) и к первому входу балансного смесителя (7). Приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7) и ко второму входу второго балансного смесителя (18). К первому входу второго балансного смесителя (18) подключен выход фазосдвигающей цепи (17), при этом выход балансного смесителя (7) соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), а выход второго балансного смесителя (18) соединен со входом второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19). Выход генератора опорной частоты (11) соединен с первым входом фазового детектора (13), второй вход которого подключен к выходу делителя несущей частоты (12). С целью повышения чувствительности и максимальной измеряемой высоты, а также снижения методической погрешности введены: схема выборки/хранения (22), представляющая собой фильтр нижней частоты с отключаемым входом, делитель опорной частоты (16), два триггера Шмита (23 и 24) и логическая схема (25) блокировки счета. Вход схемы выборки/хранения (22) соединен с выходом фазового детектора (13), выход - со вторым входом сумматора (15), а вход управления схемы выборки/хранения (22) - с выходом делителя опорной частоты (16). Выходы усилителей-ограничителей разностной частоты (8 и 19) подключены к входам триггеров Шмита (23 и 24, соответственно), выходы которых подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход которого подключен к первому входу логической схемы блокировки счета (25), второй вход которого соединен с выходом импульса обратного хода модулятора (1), а третий вход с выходом делителя опорной частоты (16). Выход логической схемы блокировки счета (25) подключен ко входу частотомера (9), выходной код которого подключен ко входу интерфейса (10), выход которого является выходом устройства.
Заявленный второй вариант реализации изобретения (схема на фиг. 2) позволяет устранить низкую чувствительность и малую максимальную измеряемую высоту обусловленные, во-первых, внутренними шумами устройства, а именно, переходными процессами в петле автоматической подстройки средней несущей частоты во время измерения разностной частоты и во-вторых наличием шумов на фронтах сигналов с выходов усилителей-ограничителей (8) и (19). Схема (22) выборки/хранения представляет собой фильтр нижней частоты с отключаемым входом. Вход схемы подключен во время логического нуля на управляющем входе, а именно, когда счет разностной частоты в частотомере запрещен с выхода логической схемы (25) блокировки счета, то есть измерение происходит в отсутствие блокировки счета, когда схема (22) выборки/хранения находится в режиме хранения и напряжение на ее выходе постоянно. Кроме того, схема (25) исключает счет разностной частоты во время обратного хода модулирующего напряжения, что существенно снижает методическую погрешность и вариацию отсчетов разностной частоты.
Включение триггеров (23) и (24) Шмита в цепях сигналов разностной частоты перед перемножителем 20 позволяет исключить шумы (резкие изломы на фронтах сигналов разностной частоты, создающие ложные счетные импульсы для частотомера) за счет зоны гистерезиса в передаточной характеристике триггеров Шмита.
Третий вариант заявленного изобретения реализован в виде радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, который содержит модулятор (1), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фазосдвигающая цепь (17) на 90°, второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21). Выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12), входу фазосдвигающей цепи (17) и к первому входу балансного смесителя (7). Приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7) и ко второму входу второго балансного смесителя (18), а к первому входу второго балансного смесителя (18) подключена выходом фазосдвигающая цепь (17). Выход балансного смесителя (7) соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), а выход второго балансного смесителя (18) соединен со входом второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19). С целью повышения чувствительности и максимальной измеряемой высоты, а также снижения методической погрешности введены: схема выборки/хранения (22), делитель опорной частоты (16), два триггера Шмита (23 и 24) и логическая схема блокировки счета (25). При этом с целью упрощения конструкции и снижения уровня внутренних электромагнитных помех введен микроконтроллер (26), в котором совмещаются функции частотомера (9), интерфейса (10), логической схемы блокировки счета (25), генератора опорной частоты (11), делителя опорной частоты (16) и фазового детектора (13), эти функции реализуются в микроконтроллере программно-аппаратными средствами. Выход фазового детектора (13), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами подключен ко входу схемы выборки/хранения (22), управляющий вход которой подключен к выходу делителя опорной частоты (16), реализованного в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, а выход схемы выборки/хранения (22) соединен со вторым входом сумматора (15). Выход делителя несущей частоты (12) подключен к первому входу фазового детектора (13), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, ко второму входу которого подключен выход генератора опорной частоты (11), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами. Выходы усилителей-ограничителей разностной частоты (8 и 19) подключены к входам триггеров Шмита (23 и 24, соответственно), выходы которых подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход которого подключен к первому входу логической схемы блокировки счета (25), реализуемой в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, второй вход которого соединен с выходом импульса обратного хода модулятора (1), а третий вход с выходом делителя опорной частоты (16), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами. Выход логической схемы блокировки счета (25) подключен ко входу частотомера (9), выходной код которого подключен к первому входу интерфейса (10), выход которого является выходом устройства, причем ко второму входу интерфейса (10) также подключен выход делителя опорной частоты (16).
Объединение элементов схемы в микроконтроллере позволяют упростить конструкцию устройства и снизить уровень внутренних электромагнитных помех, снижающих чувствительность и максимальную измеряемую высоту устройства.
Радиовысотомер работает следующим образом.
Зондирующий частотно-модулированный радиосигнал формируется передающим трактом генератор модулирующего сигнала - генератор, управляемый напряжением -усилитель мощности и подается на передающую антенну. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, усиливается малошумящим усилителем высокой частоты и поступает на балансные смесители, осуществляющие выделение разностной частоты. На вторые входы смесителей подается напряжение от генератора, управляющего напряжением с фазой 0° и 90°. Квадратурные составляющие разностной частоты поступают на каналы разностной частоты, содержащие усилители ограничители и триггеры Шмита.
Разностный сигнал каждого канала усиливается усилителем ограничителем и преобразуется в прямоугольные импульсы триггером Шмита. Кроме того, триггер Шмита уничтожает слабые сигналы и шумы, амплитуда которых не превышает ширину петли его гистерезиса. Импульсы с выходов триггеров Шмита имеют сдвиг по фазе в четверть периода. Эти импульсы логически перемножаются перемножителем на логическом элементе «исключающее ИЛИ», в результате чего частота полученного сигнала удваивается. С выхода схемы «исключающее ИЛИ» сигнал поступает на первый вход второй схемы «исключающее ИЛИ», на второй вход которой сигнал поступает через RC-цепь с малой постоянной времени, в результате чего на выходе второй схемы «исключающее ИЛИ» выделяются фронты исходного сигнала, частота которого также удваивается. Таким образом, путем выделения фронтов вторая схема «исключающее ИЛИ» работает удвоителем частоты Частота сигнала прямоугольной формы с выхода удвоителя частоты измеряется микроконтроллером. Кроме того, микроконтроллер формирует опорную частоту и сигнал автоподстройки частоты на схему выборки /хранения для целей автоподстройки, опорный интервал измерения частоты с выхода удвоителя частоты, управляет блокировкой измерения частоты, управляет схемой выборки /хранения, а так же считыванием, масштабированием и передачей информации о разностной через интерфейсы CAN (controller area network) или UART (universal asynchronous receiver-transmitter) потребителю (на систему высшего уровня (автопилот) (СБУ)).
Датчик температуры выдает на микроконтроллер температуру ГУН для учета нестабильности его частоты, а, следовательно, и девиации частоты. Выход схемы выборки хранения замыкает цепь автоподстройки несущей частоты. Вторичный источник питания обеспечивает преобразование внешнего напряжения питания и выдачу стабильных питающих напряжений всем потребителям в схеме радиовысотомера.
Использование микроконтроллера с кварцевой стабилизацией тактовой частоты позволяет с достаточной точностью и стабильностью осуществлять автоподстройку несущей частоты и измерение учетверенной разностной частоты.
Рассчитаем разрешающую способность по высоте при следующих исходных параметрах: Δf=100 МГц, Fм=1 кГц, где Δf - девиация частоты, Fм - частота модуляции.
Крутизна преобразования: К=8Δf Fм/c=8*108*103/3*108=2 666.7 Гц/м (где с - скорость света). При выборе частоты отсчетов 10 Гц время измерения частоты будет 0,1 с получим разрешающую способность 0,00375 м, при 100 Гц - 0,0375 м.
Рассчитаем максимальную разностную частоту при высоте 300 м:
Fp=8Δf FмH/c=8*108*103*300/3*108=800 000 Гц.
Таким образом, потребная полоса усилителя ограничителя разностной частоты должна быть не уже, чем 266…800 000 Гц, что позволяет измерять высоту от 0.1 до 300 м с разрешающей способностью от ~4 до ~40 мм, что соответствует заявленного техническому результату.
Заявленное изобретение позволяет:
• определять высоту полета летательного аппарата с точностью +-0,1 м на высоте полета не менее 150 м в диапазоне от 0,5 до 150 м от земной поверхности;
• автоматически выдерживать заданную высоту полета БЛА при переменном рельефе местности;
• автоматически контролировать высоту при взлете и посадке БЛА;
• повысить безопасность эксплуатации БЛА и снизить аварийность полетов по сравнению с применением стандартной навигационной системы на базе ГНСС;
• исключить необходимость у пилота в ручном режиме производить корректировку высоты полета в зависимости от изменения рельефа;
• автоматически контролировать и корректировать вертикальное ускорение в зависимости от высоты при взлете и посадке БЛА;
• повысить точность определения высоты полета в 2-3 раза (из расчета средней точности определения высоты полета над поверхностью на 5 суммарных часов полета) при использовании одновременно с инерциально-навигационной системой и барометрическим высотомером как дополнительным источником данных о высоте по сравнению с использованием стандартной навигационной системы на базе ГНСС;
• повысить стабильность импульсного сигнала малогабаритного бортового радиовысотомера (МБР) при наличии внешних источников помех, атмосферных воздействий, загрязнения корпуса приемо-передающей антенны;
• предоставить возможность определения высоты полета через редкую растительность и траву.
1. Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией, содержащий модулятор (1), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фильтр низкой частоты (14), при этом выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12) и к первому входу балансного смесителя (7), приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7), выход которого соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), выход которого подключен ко входу частотомера (9), выходной код которого подключен ко входу интерфейса (10), выход которого является выходом устройства, выход генератора опорной частоты (11) соединен с первым входом фазового детектора (13), второй вход фазового детектора (13) подключен к выходу делителя несущей частоты (12), а выход фазового детектора (13) - ко входу фильтра низкой частоты (14), выход которого подключен ко второму входу сумматора (15), отличающийся тем, что с целью повышения разрешающей способности, чувствительности и максимальной измеряемой высоты введены: фазосдвигающая цепь (17) на 90°, второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21), при этом вход фазосдвигающей цепи (17) подключен к выходу управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), а выход фазосдвигающей цепи (17) к первому входу второго балансного смесителя (18), второй вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты (6), а выход второго балансного смесителя (18) ко входу второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19), выходы первого (8) и второго (19) усилителей ограничителей разностной частоты подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход удвоителя частоты соединен со входом частотомера (9).
2. Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией, содержащий модулятор (1), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фазосдвигающую цепь (17) на 90°, второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21), при этом выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12), входу фазосдвигающей цепи (17) и к первому входу балансного смесителя (7), приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7) и ко второму входу второго балансного смесителя (18), а к первому входу балансного смесителя (18) подключен выход фазосдвигающей цепи (17), при этом выход балансного смесителя (7) соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), а выход второго балансного смесителя (18) соединен со входом второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19), выход генератора опорной частоты (11) соединен с первым входом фазового детектора (13), второй вход которого подключен к выходу делителя несущей частоты (12), отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и максимальной измеряемой высоты, а также снижения методической погрешности введены: схема выборки/хранения (22), делитель опорной частоты (16), два триггера Шмита (23 и 24) и логическая схема (25) блокировки счета, при этом вход схемы выборки/хранения (22) соединен с выходом фазового детектора (13), выход - со вторым входом сумматора (15), а вход управления схемы выборки/хранения (22) - с выходом делителя опорной частоты (16), при этом выходы усилителей-ограничителей разностной частоты (8 и 19) подключены ко входам триггеров Шмита (23 и 24, соответственно), выходы которых подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход которого подключен к первому входу логической схемы блокировки счета (25), второй вход которого соединен с выходом импульса обратного хода модулятора (1), а третий вход с выходом делителя опорной частоты (16), причем выход логической схемы блокировки счета (25) подключен ко входу частотомера (9), выходной код которого подключен ко входу интерфейса (10), выход которого является выходом устройства.
3. Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией, содержащий модулятор (1), сумматор (15), управляемый напряжением генератор несущей частоты (2), усилитель мощности (3), передающую антенну (4), делитель несущей частоты (12), приемную антенну (5), усилитель высокой частоты (6), балансный смеситель (7), усилитель-ограничитель разностной частоты (8), генератор опорной частоты (11), частотомер (9), интерфейс (10), фазовый детектор (13), фазосдвигающую цепь (17) на 90°, второй балансный смеситель (18), второй усилитель-ограничитель разностной частоты (19), перемножитель (20) и удвоитель частоты (21), при этом выход модулятора (1) соединен с первым входом сумматора (15), выход которого соединен со входом управляемого напряжением генератора несущей частоты (2), выход которого через усилитель мощности (3) подключен к передающей антенне (4), а также ко входу делителя несущей частоты (12), входу фазосдвигающей цепи (17) и к первому входу балансного смесителя (7), приемная антенна (5) подключена ко входу усилителя высокой частоты (6), выход которого подключен ко второму входу балансного смесителя (7) и ко второму входу второго балансного смесителя (18), а к первому входу второго балансного смесителя (18) подключен выход фазосдвигающей цепи (17), при этом выход балансного смесителя (7) соединен со входом усилителя-ограничителя разностной частоты (8), а выход второго балансного смесителя (18) соединен со входом второго усилителя-ограничителя разностной частоты (19), отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и максимальной измеряемой высоты, а также снижения методической погрешности введены: схема выборки/хранения (22), делитель опорной частоты (16), два триггера Шмита (23 и 24) и логическая схема блокировки счета (25), при этом с целью упрощения конструкции и снижения уровня внутренних электромагнитных помех введен микроконтроллер (26), в котором совмещаются функции частотомера (9), интерфейса (10), логической схемы блокировки счета (25), генератора опорной частоты (11), делителя опорной частоты (16) и фазового детектора (13), эти функции реализуются в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, при этом выход фазового детектора (13), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, подключен ко входу схемы выборки/хранения (22), управляющий вход которой подключен к выходу делителя опорной частоты (16), реализованного в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, а выход схемы выборки/хранения (22) соединен со вторым входом сумматора (15), причем выход делителя несущей частоты (12) подключен к первому входу фазового детектора (13), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, ко второму входу которого подключен выход генератора опорной частоты (11), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, при этом выходы усилителей-ограничителей разностной частоты (8 и 19) подключены ко входам триггеров Шмита (23 и 24 соответственно), выходы которых подключены ко входам перемножителя (20), выход которого соединен со входом удвоителя частоты (21), выход которого подключен к первому входу логической схемы блокировки счета (25), реализуемой в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, второй вход которой соединен с выходом импульса обратного хода модулятора (1), а третий вход с выходом делителя опорной частоты (16), причем выход логической схемы блокировки счета (25) подключен ко входу частотомера (9), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, выходной код которого подключен к первому входу интерфейса (10), реализуемого в микроконтроллере программно-аппаратными средствами, выход которого является выходом устройства, причем ко второму входу интерфейса (10) также подключен выход делителя опорной частоты (16).
