Тема № 4 Радиовысотомеры (2 часа)

Термины и определения. Общие сведения. Аппаратура высотомеров малых высот. Принцип действия РВ. Основные параметры радиовысотомеров.

При осуществлении полета ВС основным средством контроля высоты полета служат барометрические высотомеры. На самолетах их устанавливают не менее двух. Им присущи инструментальные, аэродинамические и методические погрешности. Для точного выдерживания заданного эшелона высоты H₇₆₀ (высота по атмосферному давлению 760 мм рт. с) к каждому барометрическому высотомеру для наивыгоднейших скоростей полета прилагается таблица требуемых показаний высотомера с учетом суммарной поправки на погрешности измерений. В качестве примера приведем эту таблицу 4.

Таблица 4

Высота эшелона, м	900	1200	……..	6000	и т. д.
Приборная скорость, км/ч	830	820	….….	705	и т. д.
Показания высотомера с учетом ΣΔH, м	950	1230	……..	6080	и т. д.

На истинных высотах полета менее 1500м эффективным средством измерения высоты полета ВС являются радиовысотомеры.

Основная задача измерения истинной высоты полета состоит в предупреждении столкновений с наземными препятствиями при полете на небольших высотах H<1500м.

Радиовысотомеры малых высот в этих условиях полета предназначены для измерения истинной высоты полета, а также формирования световой и звуковой сигнализации заданных высот. Дадим несколько определений.

Высота истинная – расстояние от ВС до расположенной под ним точки подстилающей поверхности.

Высота опасная (принятия решения) – выбираемое пилотом по индикатору высотомера значение текущей высоты.

Высота остаточная – суммарное значение половины электрических длин кабелей от приемопередатчика радиовысотомера и половины минимальной длины пути от передающей антенны до подстилающей поверхности и от подстилающей поверхности до приемной антенны.

Подстилающая поверхность – участок земной поверхности, отражающий сигналы передатчика РВ.

Высотность – максимальная высота полета ВС, на которой обеспечивается определение высоты с погрешностью, не превышающей допустимого значения.

Информация о высоте полета ВС, получаемая с помощью радиовысотомера малых высот, играет важную роль при заходе самолета на посадку.

Начиная с высоты примерно 200м, в систему траекторного управления ВС от РВ поступают сигналы, которые служат для уменьшения коэффициента передачи по каналу глиссады от максимального значения до нуля по высоте начала выравнивания (15…20м). Эти же сигналы используются для уменьшения вертикальной скорости снижения до значения 0,45 м/с при начале выравнивания и уменьшения примерно в 2 раза коэффициента передачи системы автоматического управления по каналу курса по мере снижения ВС.

Особенность РВ – автономность. Во всех РВ используются диапазон частот вблизи 4300 МГц.

Типы РВ отличаются видом частотной модуляции (ЧМ) излучаемого сигнала и обработки отраженного сигнала.

Часть высотомеров (РВ-5, А-031) реализуют широкополосную обработку преобразованного сигнала, получаемого в результате смешивания излученного и отраженного ЧМ сигналов.

Часть высотомеров (А-037, РВ-85) реализуют узкополосную обработку и содержат схемы поддержания постоянного значения частоты преобразованного сигнала.

Определение высоты полета ВС основано на радиолокационном принципе с использованием отраженного от земной поверхности сигнала (рис.12).

Передатчик формирует ЧМ колебания, которые излучаются антенной А-1. Отраженный сигнал поступает на антенну А-2 и в приемник. Измеритель высоты вырабатывает сигнал, пропорциональный времени распространения колебаний до земной поверхности и обратно t_H=2H/c, а следовательно, проп орциональный текущей высоте полета.

Принцип действия РВ с широкополосной обработкой преобразованного сигнала (рис.13) основан на частотном методе измерения времени запаздывания t_H.

Генератор низкой частоты (F_M≈150Гц) вырабатывает напряжение U_M, управляющее частотой f₁ зондирующего ЧМ сигнала, формируемого в генераторе ЧМГ. Антенна А-1 служит для излучения сигнала в сторону земной поверхности. Отраженный сигнал с антенны А-2 поступает на балансный смеситель БС, куда подается часть мощности зондирующего сигнала.

Запаздывание сигнала приводит к отличию мгновенной частоты f₂ в спектре отраженного ЧМ сигнала, от мгновенной частоты f₁ зондирующего ЧМ сигнала. Вне интервалов времени, соответствующих переходу частоты биений

F_δ=| f₁-f₂ |,

через нулевое значение, эта частота как следует из рис.14 равна

F_δ= ,

Для определения H необходимо измерить F_δ. С этой целью сигнал после БС (преобразованный сигнал) усиливается в усилителе разностной частоты (частоты биений) УРЧ и поступает на измеритель частоты ИЧ, с которого снимается напряжение U(H), пропорциональный высоте полета. Измеритель частоты определяет F_δ.ср среднее значение частоты биений.

При пилообразном законе частотной модуляции (рис.14)

F_δ.ср = F_δ(1-2t_Н/Т_М)

и практически совпадает с F_δ при t_H<<T_M.

Кроме симметричного пилообразного закона ЧМ модуляции в РВ применяют и другие законы (табл.5).

Таблица 5

Закон частотной модуляции	Информативный параметр	Масштабный коэффициент
Гармонический. Пилообразный симметричный. Пилообразный несимметричный с измерением Fδ. Пилообразный несимметричный с измерением TM (узкополосный)	Fδ.ср=8c-1FM∆fH Fδ.ср=8c-1FM∆fH Fδ.1=2c-1FM∆fH* TM=2c-1Fδ.1-1∆fH	MF=0,125cTM∆f -1 MF=0,125TM∆f -1 MF=0,5TM∆f -1 MF=0,5cFδ.1∆f--1

В широкополосных РВ измеритель частоты построен на основе аналогового измерителя – счетчика числа нулевых переходов частоты биений F_δ.

Блок–схема тракта обработки (ИЧ) широкополосного РВ приведена на рис.15.а, а графики сигналов в характерных точках приведены на рис.15.б.

Для уменьшения влияния помех (шумов) на точность РВ используют предварительную фильтрацию сигнала в схеме полосового усилителя ПУ. Полоса пропускания фильтров зависит от измеряемой высоты полета. При включении РВ, когда требуемое значение полосы фильтрации неизвестно, схема поиска переключает фильтры и просматривает весь участок спектра отраженного сигнала.

Р ис.15.

Блок-схема узкополосного радиовысотомера А-037 приведена на рис.16.

Узкополосный РВ имеет полосу пропускания тракта обработки ∆F_обр=∆F_с=const. В таком РВ используется следящая система, совмещающая среднюю частоту спектра отраженного сигнала F_с.c с частотой настройки f₀ узкополосного фильтра УПФ.

Узкополосные РВ обладают повышенной точностью даже при небольших отношениях мощности сигнала и шума на входе РВ.

Сигнал с балансного смесителя БС поступает на узкополосный фильтр УПФ, полоса пропускания которого ∆F_УПФ=∆F_с. Очищенный от помех сигнал поступает на ограничитель амплитуды ОА и далее на частотно-чувствительный элемент – частотный детектор ЧД. Частоты настройки УПФ, ОА и ЧД равны f₀≈30кГц. Частотный детектор вырабатывает напряжение, величина и полярность которого зависит от величины и знака разности ∆F=F_с.c-f₀. Это напряжение интегрируется в схеме управления СУ и используется для измерения частоты генератора ГМЧ, сигнал которого осуществляет частотную модуляцию ЧМГ.

Следящая система стремится свести величину ∆F к нулю. Таким образом поддерживается равенство F_с.c=f₀ при любой высоте полета, которая определяется из соотношения

H=0,125cf₀∆f ^-1T_M=M₂T_M,

т.е. для нахождения высоты требуется измерить период колебаний ГМЧ.

На начальном этапе работы РВ необходим поиск преобразованного сигнала, при котором частота F_M изменяется до тех пор, пока спектр преобразованного сигнала не попадет в полосу пропускания УПФ (∆F ≈18 кГц) и не вступит в действие система слежения за F_с.c.

Точность определения высоты РВ малых высот оценивается суммарной погрешностью

σ_H= ,

где ν – информативный параметр (частота биений или период модуляции); и σ_H - среднеквадратические погрешности определения информационного параметра сигнала и высоты; - среднеквадратическая погрешность (нестабильность) масштабного коэффициента М.

Нестабильность масштабного коэффициента приводит к погрешности

σ_H1=Н /М.

Уменьшение σ_H1 добиваются за счет схем стабилизации, поддерживающих М=const.

Суммарная погрешность РВ при М=const (σ_H2=М ) зависит только от значения М и точности измерения информативного параметра.

Для уменьшения σ_H2 целесообразно уменьшение М т. е. повышение чувствительности РВ по высоте

S_H=1/М

Значения инструментальной погрешности (2 ) близки к 0,002F_δ.c и 0,0016Т_М в широкополосном и узкополосном РВ соответственно.

Принципы построения аппаратуры общие для всех РВ малых высот. В состав РВ входят приемопередатчик и указатель высоты с органами управления РВ. Одинаковы структурные схемы передатчиков и приемников. Аналогична и выдаваемая РВ информация. Основные отличия РВ различных типов – метод обработки преобразованного сигнала и способ уменьшения влияния нестабильности масштабного коэффициента. В состав РВ обычно включают барометрическое реле, отключающее его на высотах более 3…4 тыс. м.

Антенное устройство РВ любого типа состоит из передающей и приемной антенн, которые полностью идентичны. Это либо антенны обратной волны, либо рупорные.

Ширина диаграммы направленности на уровне 3дБ составляет 60⁰ или 40⁰, а коэффициент усиления 8…12дБ.

Антенны размещаются на расстоянии не менее 1м одна за другой на нижней части фюзеляжа ВС.

Допускается смещение параллельных осей симметрии антенн, не превышающее 0,1м.

Структурная схема общих элементов РВ различных типов приведена на рис.17.

Р ис.17.

Передающий тракт РВ содержит модулятор М, который под действием напряжения U_упр формирует сигнал, определяющий закон изменения частоты излучаемых колебаний. Последние вырабатывает генератор ЧМГ, сигнал с которого поступает на высокочастотную головку ВЧГ. Вентили В-1, В-2, В-3 служат для развязки высокочастотных элементов. Направленный ответвитель НО необходим для получения опорного сигнала балансного смесителя БС, а также сигнала U_ст , поступающего на устройство стабилизации масштабного коэффициента. Вместо НО часто применяют делители мощности. Приемный тракт начинается с балансного смесителя БС. Для компенсации ослабления отраженного сигнала при увеличении высоты применяют усилитель разностной частоты (частоты биений), АЧХ которого обеспечивает рост усиления на 6дБ при повышении частоты биений в 2 раза.

Для устранения паразитной амплитудной модуляции в широкополосных РВ используют усилитель ограничитель УО (для аналогичных целей в узкополосных РВ используют ОА).

Система следящих фильтров СФ служит для ограничения полосы обработки сигнала в широкополосных РВ. В узкополосных РВ в качестве СФ используют УПФ (см. рис.5), а УРЧ отсутствует.

Информация от РВ обычно выдается в аналоговом виде, хотя имеется РВ (РВ-85) с цифровым выходом.

Выходные сигналы, кроме данных о высоте полета, содержат обычно информацию об опасной высоте H_оп. Эта информация в виде звукового сигнала выдается в самолетное переговорное устройство при снижении ВС до высоты H_оп. Установка H_оп производится пилотом на измерителе высоты.

Все РВ снабжены встроенными схемами контроля (ВСК) с помощью которых формируются сигналы «Исправность» или «Отказ» и готовность «Гот». В выработке сигналов ВСК обычно участвует и система стабилизации масштабного коэффициента.

Основные параметры радиовысотомеров малых высот приведены в табл.6

Высота H₁ составляет 10, 10 и 60м для РВ-5, А-031 и А-037; H₂ – соответственно 10, 20, 20м.

Как видно из анализа данных таблицы 6 все типы радиовысотомеров с широкополосной и узкополосной обработкой сигналов имеют примерно одинаковую погрешность измерения высоты при H ≥ H₁ и H=0…H₁.

Радиовысотомер РВ-5 существенно проигрывает высотомеру А-037 по излучаемой мощности, обеспечивающей одинаковую

Таблица 6

Параметр	РВ-5	А-031	А-037
Несущая частота, ГГц Диапазон измеряемых высот, м Погрешность (2σ) измерения высоты по линейному выходу (по указателю высоты) на высотах: 0…H1*, м H>H1, % от H Погрешность (2σ) сигнализация опасной высоты относительно шкалы указателя высоты на высотах: 0…H2*, м H>H2, % от H Излучаемая мощность, Вт Девиация частоты, МГц Частота основной модуляции, Гц Чувствительность приемника, дБ Потребляемая мощность от сети: 115В, 400 Гц, ВА 27В постоянного тока, Вт Масса, кг Объем приемопередатчика, дм3	4,3 0…750 0,6(0,8) 6(8) 0,5 5 0,4 50 150 85 100 10 10 12,5	4,3 0…1500 0,6(1) 6(10) 0,5 3 0,1 50±10 120…600 85 65 30 11,3 10	4,3 0…1500 0,6+0,05 6(10) 2 (10) 0,15 100 - 87 10 30 6…7 3

точность измерения Н (0,4 Вт против 0,15). Потребление мощности от сети переменного тока у РВ-5 в десять раз больше, чем у А-037. А суммарная мощность потребления от сети переменного и постоянного тока у РВ-5 примерно в 3 раза больше чем у А-037.

Существенный выигрыш у А-037 имеет место по объему приемопередатчика (3 дм³ против 12,5 дм³ у РВ-5).

Несмотря на очевидные преимущества узкополосного радиовысотомера А-037 по сравнению с широкополосным высотомером РВ-5 или А-031, все типы высотомеров находят практическое применение.

Это связано с особенностями эксплуатации самолетов и вертолетов, которые имеют различные тактические и технические характеристики, различную маневренность и аэродинамические характеристики.

Например, для ВС, предназначенных для выполнения сложных полетных маневров за короткие промежутки времени более подходящими являются РВ с широкополосной обработкой преобразованного сигнала, поскольку они имеют более простую и существенно более быстродействующую систему поиска информационного сигнала.

Высотомер А-037 наоборот более инерционен в силу использования схемы автосопровождения информационного параметра, следовательно, он подвержен срыву слежения, т. е. потери отслеживаемого параметра при сложных маневрах.

Поэтому его целесообразнее использовать на больших грузопассажирских самолетах гражданской авиации.