МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,

СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

(СПБГУТ)

_________________________________________________________________________

Кафедра радиосистем и обработки сигналов (РОС)

Лабораторная работа №2

ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА

Выполнил

студент группы РТ-01

Проверил: Поддубный С.С.

____________________

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение принципов построения, основных тактико-технических характеристик и методики экспериментальных исследований допплеровских измерителей скорости и угла сноса (ДИСС) .

Методические указания по подготовке к работе

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить зачёт по коллоквиуму. При подготовке к коллоквиуму необходимо изучить принципы построения ДИСС, ознакомиться с составом аппаратуры лабораторной установки и задачами экспериментальных исследований.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает действующий комплект аппаратуры ДИСС, имитатор сигналов и помех (два генератора стандартных сигналов в диапазоне допплеровских частот и генератор шума), измеритель частоты и осциллограф.

Назначение ДИСС

Для решения различных задач навигации летательных аппаратов (ЛА) необходимо знать величину и направление вектора скорости относительно поверхности Земли (или иной планеты). Зная скорость и направление движения, можно управлять полётом ЛА. Кроме того, путём интегрирования составляющих вектора скорости в заданной системе координат можно определить текущие координаты ЛА.

Для определения вектора скорости ЛА широко применяется радиоаппаратура, использующая эффект Допплера. Наиболее часто допплеровские устройства применяются в автономных самолётных системах навигации, обеспечивающих полёт самолёта по заданному маршруту. Обычно такой полёт происходит на постоянной высоте, при этом вертикальная составляющая скорости равна нулю. В этом случае необходимо определять только две составляющие вектора скорости в горизонтальной плоскости или величину горизонтальной скорости и угол сноса. Отсюда и название – допплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС).

В настоящее время ДИСС применяются для решения широкого круга задач. Условно их делят на два типа – самолётные и вертолётные. Вертолётные ДИСС, в отличие от самолётных, определяют полный вектор скорости ЛА, т.е. дополнительно к горизонтальным определяют ещё и вертикальную составляющую вектора скорости.

Указанное деление ДИСС является условным. К примеру, ДИСС самолётного типа используются на экранопланах и судах на воздушной подушке, а «вертолётные» – в системах мягкой посадки космических аппаратов на Луну и Марс. В дальнейшем будем рассматривать самолётные ДИСС.

Введём некоторые понятия, связанные с решением задач навигации при движении самолёта по маршруту (рис. 1).

Линия пути – это проекция траектории ЛА на земную поверхность;

W_п - вектор путевой скорости (горизонтальная составляющая полного вектора скорости ЛА относительно земной поверхности). Путевой скоростью можно назвать также скорость перемещения проекции центра тяжести ЛА вдоль линии пути;

V_г - горизонтальная составляющая вектора воздушной скорости ЛА (относительно масс воздуха);

U_г - горизонтальная составляющая вектора скорости ветра;

_с - угол сноса – угол в горизонтальной плоскости между проекцией продольной оси самолёта и вектором путевой скорости;

K - курс самолёта – угол в горизонтальной плоскости между северным направлением меридиана и проекцией продольной оси самолёта;

_п - путевой угол – измеряется в горизонтальной плоскости между направлением на север и направлением вектора путевой скорости;

_ск – угол аэродинамического скольжения – между горизонтальной проекцией продольной оси самолета и вектором V_г;

_ВТ – угол сноса ветром – между векторами V_г и W_п.

Положительные направления перечисленных углов – по часовой стрелке.

При полёте самолёта направление движения обычно не совпадает с направлением продольной оси, т.е. путевой угол не равен курсу, и самолёт перемещается в заданном направлении «боком» (рис. 1). Происходит это вследствие двух причин – сноса самолёта ветром и аэродинамического скольжения (проскальзывания самолёта в боковом направлении при крене и в других случаях). В соответствии с этим угол сноса равен

_с = _ск + _ВТ

Ддя тяжёлых скоростных самолётов при полёте по маршруту _ск  0 и может не учитываться, тогда _с  _ВТ. Вектор путевой скорости определяется суммой векторов воздушной скорости и скорости ветра

W_п = V_г + U_г

Три этих вектора образуют так называемый треугольник скоростей. Самолётный ДИСС определяет угол сноса _с и путевую скорость W_п. Для определения путевого угла необходимо знать также курс K самолёта, поскольку

_п = K +_с

При помощи магнитного компаса измеряют магнитный курс К_м. Для перехода к истинному курсу K необходимо внести поправку на магнитное склонение в данной местности

К = К_м + _м .

К_м измеряется по часовой стрелке между северным направлением магнитного меридиана и горизонтальной проекцией продольной оси самолета; _м – угол между истинным и магнитным меридианами.

ДИСС и курсовая система, определяющая курс, являются основными датчиками для автономного навигационного устройства самолёта (АНУ). АНУ представляет собой счётно-решающую аппаратуру, которая определяет пройденное расстояние и текущие координаты самолёта. Во время полёта ЛА из-за воздействия дестабилизирующих факторов (например, изменения силы ветра), а также вследствие пилотирования, значения K, _с и W_п непрерывно изменяются во времени. В АНУ определяются две составляющие вектора путевой скорости в прямоугольной системе координат, у которой ось У направлена на север, а ось Х – на восток

Текущие координаты находят путём интегрирования составляющих вектора скорости

,

где X₀, Y₀ координаты в момент t₀, например, в точке старта.

Пройденное расстояние определяют в результате интегрирования путевой скорости

,

До разработки ДИСС приборов для измерения угла сноса не существовало: он измерялся штурманом косвенным путём с большими погрешностями. В последнее время разработаны также корреляционные измерители путевой скорости и угла сноса, которые успешно конкурируют с ДИСС.

Частота Допплера при горизонтальном полёте

Будем рассматривать горизонтальный полёт и для простоты считать луч антенны бесконечно узким, направленным в точку А земной поверхности (рис. 2). Найдём зависимость частоты от направления луча. Для этого введём прямоугольную систему координат, связанную с самолётом (ось У совпадает с продольной осью самолёта, ось X направлена вверх, плоскость Х0У совпадает с горизонтальной плоскостью при полёте).

Обозначим  - угол поворота антенны (луча) в плоскости Х0У, отсчитываемый от оси У;  - угол наклона луча относительно плоскости Х0У;  - угол между вектором W_п и направлением луча 0А (в наклонной плоскости).

При отражении сигнала от точки А частота Допплера на входе приёмника ДИСС определяется, как известно, радиальной скоростью самолёта относительно А (скоростью изменения расстояния между самолётом и точкой А)

где W_R – значение радиальной скорости;  - длина волны ДИСС.

Частота Допплера положительна, если самолёт приближается к точке А, и отрицательна, если удаляется.

Радиальную скорость можно найти, если спроектировать век­тор полной скорости самолёта относительно Земли W на направ­ление луча 0А (в плоскости 0АС). Учитывая, что при горизонталь­ном полёте W = W_п , получим W_R = W_пcos. Можно также спроектировать W_п на 0А в два этапа; вначале в плоскости Х0У на направление 0В (угол -_с), а затем – в плоскости 0АВ (угол )

(1)

Тогда получим

(2)

На рис. 3 и 4 приведены диаграммы F_Дпри изменении углов  и  в полярной системе координат. F_Д максимальна, когда луч совпадает с W_П, и F_Д = 0 при повороте луча на 90^о по отношению к W_П .

Наглядное представление о допплеровской частоте при различных положениях луча можно получить, построив для фиксированного момента времени линии равных допплеровских частот на земной поверхности.

И з формулы (2) следует, что F_Д = const при  = const. Поэтому, полагая  постоянным, будем мысленно вращать луч вокруг вектора W_П . При таком вращении луч образует поверхность конуса, ось которого совпадает с W_П (рис. 5). На земной поверхности он прочертит некоторую кривую равных допплеровских частот. Эта кривая будет являться гиперболой, поскольку она образуется как линия пересечения конуса и плоскости (горизонтальной), параллельной оси конуса. Полученную гиперболу называют изодопплеровской, так как она проходит через точки земной поверхности, которым соответствует постоянная частота Допплера при отражении сигналов. При новом  луч прочертит еще одну гиперболу, которой будет соответствовать новое значение F_Д, и т.д.

На рис. 6 изображена сетка изодопплеровских гипербол. По этой сетке можно непосредственно определить F_Д при получении отражённых сигналов от любой точки на земной поверхности. Про­екция вектора W_П на земную поверхность является осью симмет­рии всех гипербол и определяет положение сетки гипербол. Прямая F_Д = 0 является вырожденной гиперболой и соответствует  = 90°. Гиперболы, расположенные симметрично относительно этой прямой, имеют допплеровские частоты, равные по величине, но противоположные по знаку.

В заключение заметим, что при негоризонтальном полёте, когда W  W_П , конус, осью которого всегда является W, займёт иное положение в пространстве. В этом случае изодопплеровскими линиями будут другие кривые второго порядка в зависимости от направления W – окружности, эллипсы или параболы.