Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

Уменьшения погрешности, вызываемой креном, можно достигнуть путем стабилизации антенны в горизонтальной плоскости или введения поправок на крен в вычислитель­ ном устройстве при обработке данных. Однако это при­ водит к существенному усложнению измерителя, но не устраняет органических недостатков однолучевого метода,

измерения путевой скорости и угла сноса является приме­

§ 17.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА МНОГОЛУЧЕВЫМИ СИСТЕМАМИ

Измерители вектора скорости ЛА делят на самолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряются продоль­ ная и поперечная составляющие вектора скорости, т. е. путевая скорость и угол сноса, тогда как вертолетные ДИСС позволяют измерять и вертикальную составляющую скорости. Кроме того, в вертолетных измерителях заранее не известен знак путевой скорости, а ее значение может быть и равно нулю в режиме зависания. Отличаются также максимальные значения измеряемых скоростей, ко­

время как для вертолетных максимальные скорости и вы­ соты в несколько раз меньше. Однако объем выходных данных вертолетных измерителей может быть существенно больше из-за необходимости измерения полного вектора скорости. Заметим, что вертолетные измерители применя­ ются также для обеспечения мягкой посадки КА, а самолет­ ные ДИСС — для управления крылатыми ракетами и экранопланами.

В состав измерителя вектора скорости, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 17.4, входят антенное устройство, формирующее три или четыре луча, приемопередатчик, устройство обработки сигналов, вычислитель составляющих скорости и устройство отоб­ ражения. Обычно данные ДИСС непосредственно вводятся в систему автоматического управления ЛА.

Рассмотрим принцип действия многолучевых ДИСС для горизонтального полета самолета, при котором вектор W всегда направлен вперед, а вертикальная составляющая

361

Рис. 17.4

скорости отсутствует. Для того чтобы понять необходи­ мость использования трех или четырех лучей, изучим сначала двухлучевые системы. На рис. 17.5 дано располо­ жение лучей односторонней двухлучевой системы.

При измерении путевой скорости и угла сноса антенная система поворачивается до совмещения спектров сигналов на выходе каналов приемника, соответствующих двум лучам антенны. При этом ось симетрии лучей совмещена с вектором W, а угол между этой осью и осью самолета равен углу сноса <р. Из рисунка видно, что точность двухлучевой системы выше, чем однолучевой, так как при повороте антенны лучи пересекают линии равных частот под углом, близким к прямому, а это обеспечивает большую чувствительность системы.

Если обозначить угол между осями диаграмм и А2 в горизонтальной плоскости 29, то доплеровское

смещение частоты сигналов, принимаемых по направле­ ниям осей диаграмм А{ и А2,

362

Рис. 17.5 Рис. 17.6

Если при измерении равенство частот FW1 и FW2 установлено неточно и их разность, отличаясь от нуля,

в измерении путевой скорости при неточном знании угла

повышается при использовании двусторонних систем, име­ ющих лучи, направленные вперед и назад (рис. 17.6). В этом случае доплеровские частоты в первом и втором каналах

Предположим, что угол облучения Р установлен с по­ грешностью Др. Тогда

363

Fn,p=—— cos у [cos(p - A p) + cos(p + A p)] =—— cosycosPcosAp.

Таким образом, каждый градус погрешности в уста­ новке угла облучения р приводит к погрешности при измерении IV порядка 0,00015, т. е. существенно меньшей, чем в односторонней двухлучевой системе. Однако погреш­

измерения путевой скорости и угла сноса достигается при использовании в системе трех или четырех лучей.

Если накрест лежащие лучи антенны (Л1; А3 и А2, А4) четырехлучевой системы (рис. 17.7) расположены в од­

364

Таким образом, добившись поворотом антенной сис­ темы равенства разностных частот, можно определить угол сноса по положению оси антенной системы от­ носительно оси самолета, а путевую скорость — по измерен­ ной разностной частоте.

При неподвижной относительно оси самолета антенной системе значения W и (р находят с помощью вычислитель­ ного устройства путем решения уравнений (17.11) и (17.12) с учетом того, что

<P = 7i-Y2 = Yi-9 = 9-Y2-

Четырехлучевая система сочетает преимущества одно­ сторонней и двусторонней двухлучевых систем, заключаю­ щиеся в уменьшении погрешностей из-за продольного и поперечного кренов, поскольку их влияние практически компенсируется при вычитании доплеровских смещений противоположно направленных лучей. Сохраняется и вы­ сокая чувствительность к изменению доплеровского сме­ щения 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, поскольку взаи­ модействующие сигналы каналов приходят примерно с рав­ ных расстояний (£\ и D3 для пары Лу и Л3) и их временной сдвиг Ат13 = 2(£>1 — D3)jc, определяющий тре­ бования к стабильности частоты /н, мал. Практически такие же результаты могут быть получены и при ис­ пользовании в системе трех лучей.

При анализе точности различных методов измерения W и (р доплеровский сигнал представляют в виде колебания единственной частоты, тогда как фактически принимаемый сигнал содержит целый спектр доплеровских частот, что было показано ранее. Это вносит дополнительные погреш­ ности в работу ДИСС.

§ 17.3. ПОСТРОЕНИЕ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВЕКТОРА СКОРОСТИ

Построение доплеровских измерителей в значительной степени зависит от выбранного режима излучения. При­ меняются системы непрерывного излучения без модуляции или с частотной модуляцией, а также системы с импульс­ ным излучением малой (квазинепрерывные) и большой скважности.

365

К навигационному вычислителю

Рис. 17.8

Основным достоинством системы непрерывного излу­ чения без модуляции является сосредоточенность спектра отраженного сигнала в пределах одной полосы частот, что обеспечивает наиболее полное испльзование энергии сигнала, а также сравнительно простое устройство передат­ чика, приемника и индикатора.

На рис. 17.8 представлена структурная схема простейшего трехлучевого самолетного ДИСС с непрерывным излучением, неподвижной антенной системой и непосредственным преоб­ разованием отраженных сигналов на низкую частоту.

Генератор высокой частоты (ГВЧ) клистронного или полупроводникового типа генерирует колебания с частотой fu необходимой мощности, поступающие через делитель мощности па три излучателя передающей антенны, которая формирует три луча, направленных под заданными углами Р и 0 вниз и в стороны относительно оси антенной системы, совпадающей с осью самолета.

Отраженные сигналы со средними частотами fzt=f„+FWi (1 = 1,2, 3), принятые по каждому из трех лучей приемной антенны, поступают на три идентичных приемоизмерительных канала. На вход каждого канала проникают также колебания от ГВЧ на частоте fa, которые выполняют функции опорных в балансных смесителях на входе каждого канала. На выходах балансных смесителей выделяются низкочастотные колебания доплеровского спектра, которые после усиления УНЧ в каж­ дом канале поступают на измеритель частоты. Ширина полосы УНЧ выбирается исходя из возможного диапазона доплеровских частот. Заметим, что при таком преобразовании частоты теряется знак доплеровского смещения, что несущест­ венно для самолетных ДИСС.

Измеритель частоты в каждом канале измеряет сред­ нюю частоту FWi0 доплеровского спектра, а вычислитель-

366

которые затем регистрируются индикатором, а также применяются для определения координат самолета мето­ дом счисления пути (интегрированием скорости).

Для измерения средней доплеровской частоты можно использовать счетчик числа пересечений нулевого уровня напряжением НЧ (счетчик числа «нулей»), автокоррелятор, измеряющий время корреляции, обратно пропорциональное средней частоте, или частотный дискриминатор. Во всех трех случаях получают почти одинаковые погрешности. Практически легче осуществить счетчик «нулей», а точнее, счетчик числа импульсов, сформированных схемой огра­ ничения и дифференцирования, в точках пересечения нуле­ вого уровня напряжением на выходе УНЧ.

Более высокую чувствительность имеет ДИСС, в ко­ тором основное усиление осуществляется на промежу­ точной частоте после первого преобразования частоты смешением сигнала с колебаниями гетеродина на частоте /г=/»+/пч, причем постоянство fn4 поддерживается с по­ мощью АПЧ гетеродина.

Важно также формирование колебаний с частотой /и+/пч с помощью генератора опорной частоты (ГОЧ) fa4~fa4 и балансного модулятора, в котором колебания ГВЧ и ГОЧ смешиваются и после фильтрации верхней боковой частоты /и+/пч подаются на балансный смеситель. На выходе УПЧ в такой схеме (рис. 17.9) включен

Рис. 17.9

367

синхронный детектор, обеспечивающий лучшее отношение сигнал/шум при выделении доплеровских частот. В ос­ тальном рассматриваемая схема ДИСС аналогична преды­ дущей.

В вертолетных ДИСС необходимо определять знак доплеровского приращения частоты, теряемый в предыду­ щих схемах. Для этого в приемниках таких ДИСС вместо синхронного детектора применяется квадратурный смеси­ тель, содержащий два синхронных детектора, на которые

на я/2: w01(z)=l/0cos2n/0z и w02 = t/0cos(2n/0r + n/2). На выходах такого смесителя выделяются колебания частотой Fn-, фаза которых отличается на л/2, причем — л/2 соот­ ветствует положительному, а л/2 — отрицательному знаку Fw. Информацию о знаке получают с помощью простой

ется трудность устранения просачивающегося на вход приемника сигнала передатчика. Этот сигнал обычно модулирован по амплитуде и фазе шумовым напряжением. Он может во много раз превышать не только собственные

в ДИСС используется частотная или импульсная моду­ ляция излучаемых колебаний. Проще всего осуществить развязку приемного и передающего каналов для импульс­ ного режима излучения, при котором на время излучения импульса т„ приемник запирается. Однако при этом появляются «слепые высоты», т. е. ДИСС оказывается неработоспособным на высотах 7/С1, на которых время задержки отраженных сигналов т, кратно периоду повторе­

лишь для малых высот, где отраженный сигнал обеспе­ чивает большое отношение сигнал/помеха, что и исполь-

368

зуется в непрерывно-импульсных ДИСС при работе на малых высотах без блокирования приемного канала.

Однако наибольшее практическое применение находят импульсные ДИСС, работающие в автокогерентном режи­ ме, при котором поочередно взаимодействуют доплеровс­ кие спектры противоположно направленных лучей (первого и третьего, второго и четвертого). Передающее устройство таких ДИСС (рис. 17.10) генерирует высокочастотные импульсы длительностью ти с частотой повторения Fn и несущей /и.

Высокочастотный коммутатор с частотой коммутации FK (несколько герц) поочередно подключает к передатчику соответствующие пары антенн. На время излучения при­ емник запирается переключателем прием-передача, управ­ ляемым импульсами от модулятора.

Отраженные сигналы соответствующих пар лучей через коммутатор лучей и переключатель прием-передача поступают на смеситель сигнала, затем усиливаются на промежуточной частоте и детектируются. На выходе детектора поочередно выделяется спектр разностных частот Fw 13 или Fw2i в соответствии с (17.11) и (17.12). Этот спектр и используется дальше для определения путевой скорости IV и угла сноса ср.

Такой метод выделения доплеровской информации в виде разностной частоты двух одновременно приходящих отраженных сигналов не требует опорного сигнала, поэто­ му и получил название автокогерентного приема или приема с внешней когерентностью. Сигнал, пропорцио­ нальный разности частот &F=FW 13 — FW2i, позволяет уп­ равлять поворотом антенны в горизонтальной плоскости. При AF=0 продольная ось антенны совмещается с векто­ ром W, угол между осью антенны и осью самолета равен <р. Этот угол с помощью датчика передается на индикатор W, ср.

К сожалению, крен самолета ведет к неодновремен­ ному приходу сигналов пар лучей, что нарушает работу ДИСС. Поэтому в автокогерентных ДИСС осуществляют стабилизацию антенны в горизонтальной плоскости. Одна­ ко при этом не устраняются нарушения работы ДИСС в условиях сильно пересеченной местности, когда задержки сигналов противоположных лучей настолько отличаются, что отраженные сигналы не перекрываются и разностные биения не образуются. На практике такие условия созда­ ются сравнительно редко.

Следует отметить, что в ДИСС с автокогерентным приемом могут использоваться генераторы с невысокой

369