В настоящеевремя широко распространены автономные средства навигации ЛА. К их числупринадлежат и доплеровские измерители вектора скорости объекта. Наиболеераспространенные из них – доплеровские измерители путевой скорости и угла сносасамолета (ДИСС).
Под путевойскоростью ЛА обычно понимают горизонтальную проекцию его скорости относительноземной поверхности. Путевая скорость W связана с воздушной скоростью Vи скоростьюветра Uнавигационным треугольником, в котором угол между векторамивоздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причинойявляется ветер. Доплеровский измеритель позволяет непосредственно определитьпутевую скорость по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью,основываясь на эффекте Доплера, заключающемся в изменении частоты отраженногоот объекта сигнала в зависимости от скорости движения этого объекта.
Пригоризонтальном полете летательного аппарата для обеспечения достаточно большойпроекции вектора скорости Wна направление облучения и для сохранения значительного отражения отповерхности в направлении ДИСС применяют наклонное облучение поверхности.
Еслиотражающие свойства поверхности в облучаемой площади примерно одинаковы, тоформа огибающей спектра частот отраженного сигнала определяется формой ДНАизмерителя в вертикальной плоскости. Максимальную мощность при этом имеетсигнал на средней частоте спектра, соответствующий направлению оси ДНА.
Для измеренияпутевой скорости ЛА необходимо найти среднюю частоту доплеровского спектра Wгоризонтален и составляет с осью ДНА угол в горизонтальной и в вертикальнойплоскостях, то:
Еслинаправление облучения совпадает с вектором W в горизонтальной плоскости, то угол и приращение достигаетмаксимума:
Если известны и W можно определить непосредственным измерением с помощью частотомера.
Однолучевыерадиоизмерители скорости, однако, не находят применения из-за очень низкойточности измерения. Неточность эта вызвана, в первую очередь, неточностьюсовмещения оси ДНА с вектором Wиз-за погрешности измерения. Второй важной причинойпогрешностей измерения скорости однолучевым прибором является крен ЛА. Этапогрешность достигает 0.05% отклонения показаний прибора от истинной скоростина каждый градус крена летательного аппарата.
Погрешностькрена можно компенсировать за счет стабилизации антенны ЛА в горизонтальнойплоскости или введения поправок на крен при обработке данных в вычислительномустройстве. Однако это, естественно, приводит к усложнению и утяжелениювычислителя, не устраняя при этом органических недостатков однолучевого методаизмерений, к которым также относятся высокие требования к стабильности частотыизмеряемых колебаний.
Наиболееразумным способом увеличения точности измерения скорости является применениемноголучевых измерителей, излучающих в двух, трех или четырех направлениях.
Многолучевыеизмерители вектора скорости, основанные на эффекте Доплера, делятся насамолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряется продольная и поперечнаясоставляющие вектора скорости, тогда как в вертолетных системах измеряется ещеи вертикальная составляющая скорости. Кроме того, у самолетных ДИСС заранеенеизвестен знак вектора скорости, который может быть и нулевым в режимезависания. Отличаются максимальные значения измеряемых скоростей, высотный потолокизмерения – у самолетных систем они в десятки раз выше. Однако объем выходныхданных вертолетных измерителей больше из-за необходимости измерения полноговектора скорости. Вертолетные ДИСС применяются также для осуществления мягкойпосадки космических аппаратов, а самолетные – для управления крылатыми ракетамии экранопланами.
Рассмотримпринцип действия многолучевых ДИСС для горизонтального полета, при которомвектор W всегданаправлен вперед, а вертикальная составляющая скорости отсутствует. Чтобыпонять необходимость использования трех или четырех лучей, изучим сначаладвулучевые системы.
При измерениипутевой скорости и угла сноса антенная система поворачивается до совмещенияспектров сигналов на выходе каналов приемника, соответствующих двум лучамантенны. При этом ось симметрии лучей совмещена с вектором W, а угол между этой осью и осью самолетаравен углу сноса
Если приизмерении равенство частот и установлено неточно тоэто приводит к погрешности в определении угла сноса, однако почти в 30 разменьшей, чем у однолучевой системы. Однако погрешность из-за крена остаетсяпримерно такой же, как у однолучевой системы, то есть неоправданно высокой.
Точностьизмерения путевой скорости значительно повышается при использованиидвусторонних систем, имеющих лучи, направленные вперед и назад. Такоеконструктивное решение позволяет снизить погрешности измерения путевой скоростиеще в 3-5 раз. Однако погрешность измерения угла сноса остается почти такой же,как и у однолучевой системы.
Очевидно, чтоодновременное повышение точности измерения и угла сноса, и путевой скоростидает лишь применение в системе трех или четырех лучей.
Добившисьповоротом антенной системы равенства разностных частот, можно определить уголсноса по положению антенной системы относительно оси самолета, а путевую скорость– по измеренной разностной частоте.
Принеподвижной относительно оси самолета антенной системе значения Wи находят путем решениянесложных уравнений с помощью вычислительного устройства.
Четырехлучеваясистема сочетает в себе достоинства продольной и поперечной двулучевых систем,заключающиеся в значительном уменьшении погрешностей из-за продольного ипоперечного кренов аппарата, поскольку их влияние практически компенсируетсяпри вычитании доплеровских смещений противоположно направленных лучей.Сохраняется высокая чувствительность к изменению доплеровского смещения приотклонении оси самолета в горизонтальной плоскости, что позволяет найти уголсноса или поперечную составляющую скорости с высокой точностью. Большимдостоинством системы также является снижение требований к кратковременнойстабильности частоты, поскольку взаимодействующие сигналы каналов приходятпримерно с равных расстояний и их временной сдвиг мал. Практически такие жерезультаты могут быть получены и при использовании в системе трех лучей.
Техническоепостроение же ДИСС в значительной степени зависит от выбранного режимаизлучения. В настоящее время применяются системы непрерывного излучения безмодуляции или с частотной модуляцией, а также системы с импульсным излучениеммалой и большой скважности.
Основнымдостоинством системы непрерывного излучения без модуляции являетсясосредоточенность спектра отраженного сигнала в пределах одной полосы частот,что обеспечивает наиболее полное использование энергии сигнала, а такжесравнительно простое устройство передатчика, приемника и индикатора. Недостатокэтой системы – очень высокий уровень модулированного по фазе и амплитуде шума,что ведет к снижению чувствительности приемника.
Для уменьшениявлияния шумов используют системы с частотной или импульсной модуляцией. Большеераспространение получила частотная модуляция.
Дляиспользования импульсного излучения применяют две разнесенные антенны на одномЛА. Такой метод утяжеляет и усложняет систему.
ИспользованиеДИСС, особенно в сочетании с такими навигационными приборами, как инерциальнаясистема навигации, датчик воздушной скорости, курсовертикаль,угломерно-дальномерная система ближней навигации, радиосистема дальнейнавигации, бортовая РЛС, позволяет значительно увеличить надежность и точностьуправления полетом, поэтому радиоизмеритель скорости стал неотъемлемымэлементом пилотажно-навигационных комплексов.
Библиография
1) «Радиотехника».Учебник для ВУЗов.
2) www.college.ru/physics/courses
3) www.5ballov.ru
4) www.referat.ru
5) Осипов М. Л.«Радиотехника», 1995, вып. 3
6) Бункин Б. В. идр. «Письма в ЖТФ»
7) Ван Трис Г.«Теория обнаружения, оценок и модуляции»
8) Тихонов В. И.«Оптимальный прием сигналов»
9) Куликов Е. И.,Трифонов А. П. «Оценка параметров сигналов на фоне помех»