13.2. Радиовысотомер малых высот

Радиовысотомеры малых высот (до 1500 м) применяют главным образом для управления ЛА в вертикальной плоскости в системах захода на посадку и автоматической посадки. В РВ малых высот используется непрерывный принцип измерения высоты. Особенностью РВ непрерывного действия является частотная модуляция излучаемых радиоволн. Большинство РВ малых высот дают информацию не только о текущей высоте полета, но и о достижении самолетом установленной заданной высоты полета (или опасной высоты), а также о своей работоспособности. Эта информация обычно в виде постоянных напряжений поступает на индикаторы РВ и в вычислитель системы управления ЛА.

Рис. 13.2. Упрощенная структурная схема РВ малых высот (частотного РВ)

Низкочастотный генератор ГНЧ (рис.12.2) вырабатывает модулирующее напряжение, которое управляет частотой высокочастотных колебаний генерируе­мых передатчиком Прд. Отраженный от земной поверхности сигнал поступает на балансный смеситель БС, куда подается также часть мощности излучаемых ЧМ колебании. Частоты принимаемого и излучаемого колебаний отличаются друг от друга, так как за время t_H мгновенная частота излучаемого колебания изменяется из-за модуляции частоты. Сигнал разностной частоты выделяется усилителем низкой частоты УНЧ и поступает на измеритель частоты ИЧ, с которого снимается напряжение U(Н), пропорциональное высоте полета.

В РВ используют гармоническую или линейную (пилообразную) частотную модуляции излучаемых колебаний.

При гармонической ЧМ полезный сигнал балансного смесителя (преобразован­ный сигнал) имеет вид:

U_б.с. =U_Б.Сcos[_h t_h+ 2m_чм sin (0,5_M t_h) cos _M t; (12.9)

где U_Б.С ‒амплитуда преобразованного сигнала; _H=2fH‒средняя ча­стота излучаемых колебаний (несущая частота); m_ч.м=_д/_м — индекс модуляции;

_М = 2F_м — частота модуляции; _д = 2f — девиация частоты.

Мгновенная частота этого сигнала:

F_p=|f_изл -f_пр| =|2fд sin (0,5_M t_H)sin _Mt| (12.10)

является периодической функцией времени. Измеритель частоты выдает напряжение, пропорциональное, например, средней частоте преобразованного сиг­нала:

Fp=2T_M ^-1 ₀^Tм/2 Fp(t)dt=4^-1fд sin (0,5_M t_H). (12.11)

При малых t_H/T_M которые обеспечиваются в РВ выбором частоты модуляции, за­висимость Fp(H) имеет линейный характер (табл. 1).

Недостатком гармонического закона модуляции является большая ширина спектра преобразованного сигнала, что затрудняет селекцию сигналов и приво­дит к снижению точности РВ.

При линейной ЧМ изменение частоты излучаемых колебаний среднее и мгновенное значения частоты преобразованно­го сигнала связаны соотношением:

Fp =F_p (1- 2t_H/T_M ) (13.12)

и практически совпа­дают при t_H«T_M. При несимметричном пилообразном законе. ЧМ частоты Fp₁ и Fp₂ существенно отличаются друг от друга. Для измерения высоты обычно используется частота Fp_1.

Достоинством линейной ЧМ является более узкий, чем при гармонической ЧМ, спектр преобразованного сигнала, что определило преимущественное при­менение линейной ЧМ в современных РВ.

Аналитические выражения для информативного параметра и масштабного коэффициента представлены в табл. 12.1.

Таблица 13.1.

Закон частотной модуляции	Информативный параметр преобразованного сигнала	Масштабный коэффициент
Гармонический	Fp=8с-1 FМfдН	М=0,125с ТМ fд-1
Пилообразный симметричный	Fp8с-1 FМfдН	М=0,125с ТМ fд-1
Пилообразный несимметричный (РВ с измерением FP)	Fp1 =4с-1 FМfдН	М=0,25с ТМ fд-1
Пилообразный несимметричный (РВ с измерением ТМ)	ТМ=4с-1 Fр1 –1 fдН	М=0,25с Fp1 fд-1

Частотные радиовысотомеры в зависимости от ширины полосы пропуска­ния усилителя преобразованного сигнала разделяют на широкополосные и уз­кополосные.

Широкополосный РВ (рис. 13.3) имеет полосовой усилитель ПУ, полоса про­пускания которого F_П.У.F_с, где F_с — ширина спектра преобразованного сигнала. Крайние частотыF_min иF_maxполосы пропускания определяются диапазоном измеряемых высот. В амплитудном ограничителе АО преобразован­ный сигнал превращается в последовательность импульсов постоянной ампли­туды, которые подаются на счетчик импульсов СИ. Средняя частота следования этих импульсов равна при отсутствии помех среднеквадратической частоте сиг­нала. Счетчик вырабатывает напряжение, пропорциональное количеству посту­пивших на него импульсов, а инерционное звено ИЗ усредняет это напряжение. Обычно ограничитель вырабатывает импульсы при пересечении напряжением сигнала нулевого уровня. Поэтому счетчик измерителя частоты часто называют счетчиком числа переходов через нуль.

Узкополосные РВ широко применяют в качестве прецизионных измерите­лей высоты, в частности, в системах автоматического захода на посадку

Рис. 13.3. Структурная схема, поясняющая принцип действия широкополосного частотного радиовысотомера малых высот

В узкополосных РВ полосу пропускания тракта обработки преобразован­ного сигнала выбирают близкой к ширине спектра преобразованного сигнала F_C и используют следящую систему, которая позволяет совмещать среднюю частоту преобразованного сигнала с частотой f₀ настройки тракта. Такие РВ обладают высокой точностью даже при небольших отношениях сигнал/шум на входе РВ, что объясняется как уменьшением мощности шумов на входе измери­теля частоты при сужении полосы пропускания тракта обработки, так и сниже­нием систематической погрешности, которая возникает при несовпадении сред­них частот сигнала и шума.

Радиовысотомер (рис.13.4) поочередно работает в режиме измерения и режи­ме контроля и калибровки масштабного коэффициента.

Режим измерения реализуется в тракте, состоящем из управляемого гене­ратора УГ; частотно-модулированного генератора ЧМГ; направленного ответвителя НО; передающей и приемной антенн А-1 и А-2; балансного смесителя БС; узкополосного фильтра УПФ; усилителя-ограничителя УО; частотного дискри­минатора ЧД-1 и схемы управления частотой модулирующих колебаний СУ-1. По структурной схеме РВ представляет собой замкнутую следящую систе­му, чувствительным элементом которой служит ЧД-1 с постоянной частотой на­стройки fо. На частоту f₀ настроен и УПФ, полоса пропускания которого F_у.пф.F_c.

Частотный дискриминатор вырабатывает напряжение, пропорциональное отклонению средней частоты F_с.о спектра сигнала от частоты настройки f₀. Это напряжение интегрируется в СУ-1 и используется для управления частотой ге­нератора модулирующего напряжения. Частота F_M изменяется в сторону умень­шения рассогласования.

F= F_c.о-f₀. (13.13)

Для предварительного грубого сов­мещения частот F_c.о и f₀ необходима схема поиска СП, с помощью которой ча­стоту F_M плавно изменяют до тех пор, пока спектр преобразованного сигнала не попадет в полосу пропускания УПФ и схема переключения режимов работы СПР не переведет РВ в режим слежения за частотой преобразованного сигнала. Последняя выбирается обычно равной 25 кГц. В схеме измеряется период моду­ляции колебаний с выхода УГ. Измеритель периода модуляции ИПМ выдает сигнал Н, пропорциональный высоте полета.

Режим контроля включается несколько раз в секунду с помощью синхрони­затора Синх. В тракт контроля входят главные устройства основного тракта, а также линия калиброванной задержки ЛЗ, подключаемая к тракту с помощью антенных переключателей АП-1 и АП-2, и частотный дискриминатор ЧД-2. Эта часть схемы работает так же, как и основная. Напряжение с ЧД-2 используется для контроля уровня сигнала.

В режиме контроля проверяется постоянство масштабного коэффициента. Частота модуляции с УГ (значение которой определяется задержкой в ЛЗ и должно быть постоянным в режиме контроля) подается на смеситель См, куда посту­пают также колебания с опорного генератора ОГ.

Рис. 13.4 Структурная схема узкополосного частотного радиовысотомера малых высот

Выделенная смесителем раз­ностная частота несет информацию о величине и знаке отклонения частоты на выходе УГ от заданного ЛЗ значения и используется в схеме управления СУ-2 для изменения амплитуды модулирующих колебаний, а следовательно, и девиа­ции частоты сигнала. Управление амплитудой происходит в модуляторе М.

Схема контроля СК при наличии преобразованного сигнала и постоянстве (в пределах установленных допусков) масштабного коэффициента формирует сигнал готовности. Этот сигнал свидетельствует о работоспособности РВ. Схема сравнения СС служит для получения сигнала Н_зад при уменьшении высоты до заданного значения.

Примером реализации принципа построения высотомеров малых высот являются высотомеры типа А-052, А-053 (рис. 13.5).

Радиовысотомер А-052 предназначен для вертолетов, но может быть установлен на любой тип летательного аппарата с минимальной высотой установки антенн в посадочной (стояночной) конфигурации от 0,3 м и более.

Рис. 13.5. Внешний вид радиовысотомеров малых высот А-052 и А-053

Высотомер А-053 предназначен для авиации общего назначения, самолетов магистральных авиалиний и вертолетов.

Радиовысотомеры А-052, А-053 являются бортовыми радиолокационными станциями с непрерывным излучением частотно-модулированных радиоволн. Они имеют малые габариты и массу, высокую надежность и достоверность выдаваемой информации, соответствуют требованиям DO-160, TSO-С87 и нормам летной годности самолетов (НЛГС). Конструкция приемопередатчика позволяет установку без амортизации на борт летательного аппарата.

Технические характеристики радиовысотомеров А-052 и А-053 близки и представлены в табл. 13.2.

Табл. 13.2.

Диапазон частот, ГГц	4,2 - 4,4
Диапазон измерения, м	0 - 1500
Диапазон индикации, м	0 - 300 0 - 750 0 - 1500
Погрешность измерения:
- цифровой выход, м	± 0,45 или ± 0,01H*- последовательный цифровой код по ГОСТ 18977-79, РТМ 1495-81
- индикатор, м	± (1,5 + 0,05Н), где Н - измеряемая высота, м * что больше