2.2. Устройства измерения скорости движения и пройденного пути.

Устройства счисления пути основаны на принципе либо непосредственного измерения (например, счетчики оборотов колеса), либо однократного или двухкратного интегрирования скорости или ускорения соответственно.

По признаку физических способов измерений различают аэрометрические (относнтельио воздушной среды), ионосферные (относительно ионной среды в высших слоях атмосферых гидрометрические (относительно водной среды), доплеровские радиолокационные, световые или звуковые (относительно отражающей поверхности) и инерциальные измерители.

По количеству измеряемых составляющих датчики скорости (или ускорения) разделяют на одномерные (для объектов, движущихся в направлении продольной оси объекта, например, по железной дороге), двухмерные (для объектов, когда направление движения не связано с продольной осью объекта и трехмерные (для летательных аппаратов).

2.2.1. Доплеровские измерители скорости (дис).

Доплеровские навигационные автоматы основаны на автоматическом счисление пути относительно земной поверхности. В качестве датчика скорости используются радиолокационные доплеровские измерители путевой скорости. Принцип действия таких датчиков основан ва использовании эффекта Доплера. Посланный передатчиком с борта ОН в сторону Земли радиосигнал определенной частоты отражается от ее поверхности н принимается на борту, но его частота изменена. Это изменение частоты зависит от скорости ОН относительно поверхности Земли и измеряется специальным электронным частотомером. Частоты радиосигналов доплеровского измерителя подбираются такими, чтобы влияние метеоусловий или помех, зависящих от состояния отражающей поверхности, которой может быть и земля, и вода, были минимальными. Кроме того, при проектировании такого измерителя скорости, обеспечивают требуемый диапазон измеряемых скоростей. Особо этим различаются характеристики доплеровских измерителей скорости для летательных аппаратов, судов или наземных самоходных объектов.

Достоинства доплеровских измерителей состоят в возможности обеспечения высокой точности измерения, достигающей десятых долей процента.

Рассмотрим блок-схему доплеровского измерителя скорости (Рис. 2.7).

Приемо-передающее антенное устройство 7, питаемое генератором S электромагнитной энергии СВЧ, излучает энергию СВЧ в сторону Земли. Отраженные от Земли электромагнитные колебания принимаются антенной и подаются на приемник 6. Частоты электромагнитных колебаний генератора и отраженного от Земли сигнала вычитаются в смесителе 4, и затем разностная частота усиливается и подается в частотомер 2. Указатель 1 может быть отградуирован в единицах скорости.

объект

V

А

α

Земля V_OTH

Рис.2.7. Блок – схема ДИС.

1. Измерительный прибор (указатель скорости).

2. Частотомер.

3. Усилитель.

4. Смеситель.

5. Генератор электромагнитной СВЧ-энергии.

6. Приёмник.

7. Приёмно- передающее антенное устройство.

Пусть точка А приемо-передающего устройства движется со скоростью V_ОТН относительно Земли. Часть энергии излучения частоты отражается от поверхности Земли и попадает в принимающую антенну 7 и приемник 6. Наблюдатель в точке А₃ будет принимать сигнал от приближающегося передатчика на частоте , где - приращение частоты вследствие эффекта Доплера. Точку А₃ можно рассматривать как передатчик энергии частоты . Благодаря этому воспринимаемый в точке А сигнал , также имеет доплеровское приращение частоты по сравнению с частотой отраженного от Земли сигнала. Таким образом, разность между частотами посылаемого в сторону Земли и принимаемого отраженного сигнала равна доплеровской частоте

,

где , λ – длина волны.

Измеренный доплеровский сдвиг частот будет равен:

(2.14)

Доплеровский сдвиг частот пропорционален составляющей относительной скорости V_ОТН в направлении распространения радиосигнала. Из этой зависимости также ясно, что доплеровский сдвиг частоты определяется углом  направления от приемо-передатчика на рассеиваемую поверхность и не зависит от расстояния между ними. Излучение антенны не является одиночным лучом, а занимает некоторый телесный угол конечной ширины(Рис2.8). Максимум электромагнитной энергии диаграммы направленности излучается под углом ₀, ширина диаграммы ограничена углами ₁ и ₂. Вследствие этого отражение происходит под различными углами , и принимаемые отраженные сигналы содержат целый спектр частот.

В положении 1 (рис. 2.8) начинает облучаться элемент А_З (по переднему краю поверхности облучения). При перемещении облучателя из положения 1 в положение 2 амплитуда отраженного сигнала увеличивается и достигает максимума, когда максимум диаграммы направленности обращен в точку А_З. Затем амплитуда отраженного сигнала убывает и прием прекращается в положении 3. Частота отраженного сигнала при этом также меняется, имея максимальное значение в положении 1 и минимальное – в положении 3 (углы ₁ и ₂). Поэтому форма принимаемого сигнала будет соответствующей рис. 2.9а. Так как облученная поверхность состоит из множества рассеивающих элементов, то суммарный отраженный сигнал содержит бесчисленную сумму сигналов, отличающихся друг от друга амплитудой и фазой. Вследствие этого доплеровский частотный спектр представляется в виде спектра (рис 2.9б), имеющего непрерывный характер, ширину и его середина соответствует частоте .

Выделение доплеровской частоты из шумового фона, имеющего достаточно равномерный по плотности уровень, возможно с использованием характеристики спектра, которая в меньшей степени искажается наличием шума. Такой характеристикой может быть, например, середина энергетического спектра.

С точки зрения анализа погрешностей системы важное значение имеет ширина доплеровского спектра по уровню половинной мощности:

(2.15)

где - среднеквадратичное отклонение частоты ,  - ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности в направлении .

Если измеритель частоты производит сглаживание или осреднение сигнала в течение времени Т, то величину относительной среднеквадратической погрешности в измерении скорости можно записать в виде:

; (2.16)

Рис. 2.8

Схема перемещения лучей доплеровского радиолокационного измерителя скорости.

Рис. 2.9

Форма и спектр сигнала, отраженного от элемента В поверхности при прохождении объектом

положений 1,2,3.

Р ис 2.10

Схема измерения при помощи однолучевой доплеровской системы при наличии угла качки Δα_к.

Рис. 2.11

Схема стабилизации антенны.

СХ₁, СZ₁ – сельсины- датчики;

СХ₂, CZ₂ – сельсины-приёмники;

ДВ_X, ДВ_Z – силовые двигатели отработки;

1 - гировертикаль;

2 – антенна.

Чем больше скорость V и время сглаживания Т, чем меньше длина волны  и ширина диаграммы  по уровню половинной мощности, тем меньше относительная величина среднеквадратической погрешности измерения скорости. При больших углах ₀ погрешность возрастает. С другой стороны увеличение времени осреднения Т равносильно увеличению постоянной времени и ведет к запаздыванию в измерении скорости.

Вследствие продольной и поперечной качки объекта, а значит и антенны ДИС, при движении происходит отклонение луча, направленного в сторону Земли от антенны ДИС.

Для выяснения влияния качки антенны на измерение скорости рассмотрим простейшую схему измерения при помощи однолучевого ДИС (рис. 2.10). С антенной совместим начало системы координат – точку 0. Ось Х направим вдоль горизонта, а ось Y – по вертикали места. Составляющие скорости точки 0 по осям Х и Y обозначим V_X и V_Y. Излучение происходит в плоскости XY. Положим, что антенна занимает два последовательных угловых положения: ₀ и ₀+_К, где _к – изменение угла ₀ под действием качки объекта. Запишем доплеровские сдвиги частот для обоих положений:

(2.17)

; (2.18)

Изменение доплеровского сдвига частот, вызванного отклонением луча на угол _к:

(2.19)

Решая уравнения (2.17), (2.18) и (2.19) можно найти относительные погрешности в измерении составляющих скорости:

(2.20)

Угол ₀ выбирают с одной стороны из условия необходимости получения наибольшей скоростной чувствительности, которая возрастает с уменьшением угла ₀. С другой стороны из условия увеличения интенсивности отраженного сигнала, растущего с увеличением угла ₀. Принято считать оптимальной величиной угол ₀=70. При этом относительные ошибки в измерении горизонтальной и вертикальной составляющих скорости соответственно равны 1,7 и 0,63% на каждый градус _К.

Известны три способа уменьшения этой погрешности:

1. Стабилизация антенны относительно вертикали места.

2. Аналитический учёт поправки на крен (так называемая «стабилизация данных»).

3. Использование двухлучевой системы с симметричными относительно вертикали лучами.

Для стабилизации антенны её устанавливают в двухстепенном кардановом подвесе, по осям которого имеются сельсины-приемники СХ₂ и СZ₂ и силовые двигатели отработки Дв_Х и Дв_Z (рис. 2.11). Ориентация осей подвеса антенны 2 совпадает с ориентацией осей подвеса гировертикали 1 с сельсинами – датчиками СХ₁ и СZ₁.

Следящие системы образованы на основе отработки двигателями разностных сигналов сельсинов, появляющихся при рассогласовании подвеса антенны относительно гироскопа. Погрешности стабилизации антенны  складываются из собственных погрешностей ₁ гировертикали, погрешностей ₂ следящей системы и ошибок ₃ от установки и деформации мест установки гировертикали и антенны. При их независимом и случайном характере суммарная погрешность будет определяться среднеквадратической величиной. Так как  << _К то в соответствии с (2.20) ошибки измерения скорости уменьшаются по сравнению с жесткой (нестабилизированной) установкой антенны на объекте.

Однако очевидно усложнение за счет необходимости иметь ГВ, следящие системы и карданова подвеса антенны.

Способ «стабилизации данных» (рис. 2.12) требует также наличия на борту объекта гировертикали, вырабатывающей сигналы углов крена объекта. Объект, наклоняясь на угол крена _К приводит к тому, что антенна ДИС получает суммарный наклон ₀+_К. Гировертикаль дает сигнал _КГВ, отличающийся от _К на величину ₁ погрешности ГВ. Сигналы _КГВ с вертикали и V с измерителя поступают в вычислитель 3, который дает поправку , вычисляемую по формуле (2.19). Поправка учитывается сумматором, и измеритель 5 выдает уточненную скорость V.

Погрешность способа «стабилизации данных» определяется ошибкой ГВ и вычислителя, но вследствие их малости точность измерения скорости много выше, чем у первого метода.

Третий метод основан на использовании двухлучевого ДИС, у которого лучи симметричны относительно вертикали места. Если антенна не отклоняется (рис. 2.13), то доплеровские сдвиги частот для первого и второго лучей в положении 1 и 2 (при _К = 0) определяются следующими зависимостями:

;

(2.21)

;

Полезный сигнал определяется по разности ( ), которая пропорциональна измеряемой скорости V_X :

(2.22)

При отклонении антенны вследствие качки объекта на угол _К (положение лучей 1’ и 2’) c использованием зависимостей (2.18) по разности ( ) можно путём преобразований получить величину относительной погрешности в измерении скорости в следующем виде:

; ; (2.23)

При =0 погрешность на каждый градус _К составит 0,015%.

Рис. 2.12.

Блок-схема устройства «стабилизации данных».

1 – объект;

2 – датчик кренов – гировертикаль;

3 – вычислитель;

4 –ДИС с углом наклона антенны на угол ₀;

5 – измеритель;

6 – сумматор.

Р ис 2.13

Схема двухлучевого измерителя.