9.2. Методы измерения скорости

Доплеровский метод измерения путевой скорости и угла сноса

В настоящее время широкое применение для управления объектом получили автономные средства навигации. К их числу относятся и доплеровские измерители вектора скорости объекта, например летательного аппарата (ЛА). Наиболее распространенными являются доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДИСС). Напомним, что путевой скоростью самолета называют горизонтальную проекцию скорости ЛА относительно земной поверхности. Путевая скорость W связана с воздушной скоростью V и скоростью ветра U навигационным треугольником, в котором угол φ между векторами воздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причиной является ветер. Доплеровский измеритель позволяет непосредственно определить путевую скорость по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью.

Рис. 9.4. Расположение лучей и треугольник скоростей

При горизонтальном полете ЛА для обеспечения достаточно большой проекции вектора скорости W на направление облучения и сохранения значительного отражения в направлении ДИСС применяют наклонное облучение земной поверхности (рис. 9.5, а).

Рис. 9.5. Принцип работы доплеровского лага

Четырехлучевая система см. 9.5.в сочетает преимущества односторонней и двусторонней двухлучевых систем, заключающиеся в уменьшении погрешностей из-за продольного и поперечного кренов, поскольку их влияние практически компенсируется при вычитании доплеровских смещений противоположно направленных лучей. Сохраняется и высокая чувствительность к изменению доплеровского смещения при отклонении оси самолета в горизонтальной плоскости, что позволяет найти угол сноса или поперечную составляющую скорости с высокой точностью. Большим достоинством системы является также снижение требований к кратковременной стабильности частоты.

Корреляционный метод измерения путевой скорости W и угла сноса заключается в измерении времени задержки между отраженными от подстилающей поверхности сигналами, принимаемыми разнесенными антеннами, расположенными на ЛА. Предположим, что передающая антенна А_и и две приемные антенны А₁ и А₂ (рис. 9.6, а) расположены на продольной оси ЛА на расстоянии d и имеют ДНА, направленные вертикально вниз. Полет происходит без сноса (φ = 0). Тогда максимальное значение функции взаимной корреляции сигналов s₁(t) и s₂(t + τ₃), принятых первой и второй антеннами и смещенных по времени на τ_з будет соответствовать моменту, когда ЛА пролетит расстояние, равное d. Если в первый канал приемника (рис. 9.6, б) ввести устройство регулируемой задержки τ = τ_з = d/W, то функция достигнет максимального значения, фиксируемого прибором на выходе усредняющего фильтра. Скорость определяется по формуле , где 2d - расстояние между приемниками;  - корреляционная временная задержка, при которой коэффициент взаимно корреляционной функции имеет максимум /3/.

Рис. 9.6. Принцип работы корреляционного лага

При этом шкала регулятора задержки может быть проградуирована в единицах путевой скорости. В реальных измерителях применяется три приемных антенны A_l A₂ и А₃ , что позволяет измерять не только W, но и угол сноса φ. Задержки сигналов, принимаемых парами антенн A_iA₂ и А₁А₃, соответствуют максимальным значениям функций взаимной корреляции. Так же как и в случае ДИСС, точность корреляционных измерителей падает при эволюциях ЛА. Так, относительная погрешность измерения W при полете с углом тангажа η равна ∆W/W=1 - cosη}. Примерно такова же относительная погрешность измерения угла сноса если его абсолютное значение незначительно. Флуктуационная погрешность корреляционных измерителей связана с ограниченным временем усреднения в реальных измерителях. Сравнение доплеровских и корреляционных измерителей показывает, что по точности они примерно равноценны. Однако при полете над водной поверхностью корреляционные измерители предпочтительнее, так как в отличие от ДИСС они сохраняют работоспособность и при спокойной поверхности. Это объясняется тем, что ДНА корреляционных измерителей направлены вертикально и отраженные сигналы при спокойной поверхности не только не пропадают, как в ДИСС с наклонным облучением поверхности, а даже возрастают. На основе корреляционного метода возможно создание и комбинированного измерителя для определения высоты и составляющих скорости полета ЛА.

Измеритель скорости в составе навигационного комплекса. Возрастающие требования к точности и надежности управления полетом ЛА удовлетворяются как путем улучшения характеристик отдельных навигационных измерителей, так и объединением их в единый навигационный комплекс. В состав комплекса в различных сочетаниях включают инерциалъную систему навигации, доплеровский (или корреляционный) измеритель путевой скорости и угла сноса, датчик воздушной скорости, измеритель курса, крена и тангажа (курсовертикаль), а также угломерно-дальномерную систему ближней навигации (РСБН), радиосистему дальней навигации(РСДН), бортовую РЛС и другие датчики навигационной информации. Объединение и обработка навигационной информации осуществляются с помощью бортовой ЭВМ. При этом обеспечивается непрерывное автоматическое измерение координат ЛА, его путевой и воздушной скорости, курса, углов сноса, крена и тангажа, барометрической и истинной высот. Основой непрерывного определения координат ЛА является счисление пути с помощью данных инерциальной системы навигации, измерителей воздушной скорости, курса, крена и танагажа, а также путевой скорости и угла сноса, измеряемых ДИСС или корреляционным измерителем. Объединение инерциальной и доплеровской систем при счислении пути повышает надежность и точность управления полетом, поэтому радиотехнический измеритель скорости стал неотъемлемым элементом пилотажно-навигационных комплексов.