3. Средства для траекторных измерений

Кинотеодолиты используются: для стационарной установки (обычно на башне) и в передвижном варианте. Последняя модификация дает возможность выполнять траекторные измерения при изменении направления измерительной трассы или величины базы между кинотеодолитами.

Конструкция стационарного кинотеодолита имеет значительные габаритные размеры и массу. Точность измерения им углов очень высока. Для обеспечения этого требуется постройка башен специальной конструкции, обеспечивающей ее необходимую жесткость.

Кинотеодолиты имеют ряд положительных свойств:

• высокую точность измерения углов;

• возможность получения наглядной картины (в виде фильма) протекающего процесса;

• возможность выполнения измерений в воздушном пространстве почти без ограничения.

К недостаткам кинотеодолитов можно отнести:

• ограничение их применения в случае плохих метеоусловий (туман, облачность и т.п.);

• зависимость получения изображений от освещенности;

• сложность наведения кинотеодолита на летательный аппарат при больших его удалениях;

• большое влияние атмосферной рефракции в приземном слое воздуха на точность измерений.

Перед съемкой кинотеодолиты подлежат проверке и юстировке в соответствии с инструкцией по их эксплуатации. На рис. 9 показан общий вид кинотеодолита.

Рис. 9. Общий вид кинотеодолита.

Результаты измерений углового положения летательного аппарата кинотеодолитом (углы и ) регистрируются покадрово на фотопленке. Если летательный аппарат находится на пересечении перекрестия, то оптическая ось главного телескопа кинотеодолита точно направлена на летательный аппарат, и его положение можно определить по показаниям вертикального и горизонтального лимбов кинотеодолита. Если же изображение летательного аппарата не совпадает с центром кадра, т.е. имеет место неточность слежения, то это следует учитывать при определении истинных значений углов и . Для уменьшения неточности слежения в составе кинотеодолита предусматривается следящая система, воспринимающая инфракрасное излучение от летательного аппарата приемниками, расположенными на кинотеодолите. Для точного определения координат летательного аппарата и поправок на ошибки слежения нужно знать фокусное расстояние объектива кинотеодолита и положение оптического центра снимка в момент регистрации. Эти величины, определяемые заводом, являются его константами. Важной характеристикой кинотеодолита является дальность фотографирования по отрицательному контрасту. Существенным при этом является сохранение постоянства фокусного расстояния объектива кинотеодолита в условиях эксплуатации, так как дефокусировка порядка 0,1 мм приводит к уменьшению дальности фотографирования на 20 ... 30%.

У оптических измерительных средств, в том числе и кинотеодолитов, источником информации является изображение летательного аппарата на фотопленке. За критерий качества изображения принимается разрешающая способность фотооптической системы, величина которой обратна предельно разрешающему линейному расстоянию между двумя точечными или линейными объектами съемки.

Разрешающая способность зависит от многих факторов, сопутствующих съемке (апертура объектива, освещенность) и обработке фотопленки (тип пленки, режим фотохимической обработки) и т.п. Другими важнейшими характеристиками кинотеодолита являются его изобразительные свойства, оцениваемые оптической передаточной функцией.

Оптическая передаточная функция характеризует свойства оптических измерительных средств по передаче спектра пространственных частот от летательного аппарата к его изображению. Модуль оптической передаточной функции, называемый частотно–контрастной характеристикой, определяет снижение контраста, а аргумент, представляющий собой фазово–частотную характеристику – продольное смещение изображения по отношению к тому, которое должно быть при идеальной оптике.

Таким образом, работа оптических измерительных средств в значительной мере зависит от:

• оптических характеристик измерительной трассы;

• тщательности юстировки и фокусировки кинотеодолитов;

• правильности экспонирования;

• типа фотоматериала и его фотохимической обработки.

Суммарная погрешность оптических измерений зависит не только от конструктивных особенностей и технического состояния оптических измерительных средств, но также и от физического состояния атмосферы. Атмосферная земная рефракция может значительно исказить выполняемые кинотеодолитами измерения углов места ( ) в приземных слоях воздуха. Например, погрешность от рефракции может достигать 35'. Кроме влияния на величину суммарной погрешности, атмосфера вызывает ослабление интенсивности электромагнитной (световой) волны, что приводит к уменьшению дальности действия оптических измерительных средств. Поправки на рефракцию в значения углов места учитываются выражением: , где – действительный угол места летательного аппарата; – поправка на вертикальную рефракцию.

Величина зависит от температуры, влажности и давления атмосферы, а также от угла места и дальности до летательного аппарата от измерительного пункта.

Колебания изображения летательного аппарата из-за турбулентности атмосферы не вызывают систематической погрешности в измерениях вертикальных углов, но случайные погрешности увеличиваются до 40 ... 45" и больше и могут быть оценены только качественно.

При использовании кинотеодолитов необходимо соблюдение следующих условий:

• прямая видимость летательного аппарата с измерительного пункта во всей необходимой зоне полета летательного аппарата;

• перекрытие измерительных зон кинотеодолитами с соседних измерительных пунктов для получения непрерывных измерений траектории летательного аппарата;

• минимум методической погрешности, т.е. выбор трассы полета перпендикулярно измерительной базе на таком расстоянии от измерительного пункта, чтобы угловые скорости и ускорения при отслеживании кинотеодолитами летательного аппарата не превышали допустимых для кинотеодолита величин.

Для уменьшения влияния атмосферной рефракции кинотеодолиты устанавливаются на башнях высотой ~ 5 м. Геодезическая привязка точек установки кинотеодолитов проводится с погрешностями, не превышающими 30 см.

Лекция 14.

Радиолокационные станции (РЛС).

В современных радиолокационных станциях используют моноимпульсный метод слежения за летательным аппаратом в отличие от ранее применявшихся радиолокационных станций с коническим сканированием.

В моноимпульсной радиолокационной станции каждый импульс от летательного аппарата дает полную информацию о его угловых координатах. Это достигается одновременным сравнением амплитуд и фаз сигналов, принимаемых четырьмя неподвижными антеннами (по две в горизонтальной и вертикальной плоскостях, перпендикулярных друг другу), которые смещены относительно опорного направления. На выходе антенной системы в радиолокаторе находится устройство, вырабатывающее сумму и разность сигналов (принятых парой антенн в каждой плоскости), которые сравниваются между собой. Амплитуда разностного сигнала содержит информацию о величине отклонения углового положения летательного аппарата от опорного направления, а разность фаз между суммарным и разностным сигналами определяет знак этого отклонения.

Суммарная погрешность измерения с помощью радиолокационной станции состоит из инструментальных погрешностей (механические, электрические) и погрешностей, связанных с условиями измерений (дальность измерений, распространение радиоволн, динамика движения летательного аппарата и т.д.).

Кроме проверки перед каждой работой электрической, электронной и механической частей радиолокационная станция подлежит юстировке с регистрацией данных по каналу дальности и каналам измерения углов. Для этой цели используются геодезически привязанные ориентиры с отражательными уголками, а если расстояние от ориентира превышает 3 км, то на ориентире можно установить приемоответчик.

В современных радиолокационных станциях для точной наводки центра параболоида антенны на ориентир существуют телевизионные устройства.

Фазовые пеленгаторы.

На рис. 1 изображена схема фазовой пеленгации в одной плоскости.

Рис. 1. Принцип работы фазового пеленгатора.

Для работы фазового пеленгатора необходимо, чтобы установленный на летательном аппарате радиопередатчик непрерывно изучал радиоволны, принимаемые наземным фазовым пеленгатором на разнесенные антенны. В связи с большой удаленностью летательного аппарата от фазового пеленгатора направление прихода радиоволн можно считать параллельным. Разность фаз электромагнитных колебаний, принятых антеннами, определяет на плоскости направление на летательный аппарат, что видно из рис. 8 и формулы

,

где Ф – измеренная разность фаз; – длина радиоволн; b – длина базы; – относительная длина антенной базы (в длинах волн). Для определения направления на летательный аппарат в пространстве необходимо знать две угловые координаты – азимут и угол места . Поэтому в фазовых пеленгаторах существуют две пары антенн с перпендикулярными осями. Тогда позиционную линию на летательный аппарат можно найти как линию пересечения двух конических поверхностей, которые, с известным приближением, заменяют гиперболоиды вращения. Направляющие косинусы связаны с угловыми координатами летательного аппарата – углом места ( ) и азимутом ( ) следующими зависимостями:

,

.

Определенным недостатком фазовых систем является многозначность отсчета углов. Для того, чтобы быть чувствительной к изменению угла, фазовая аппаратура должна иметь большой размер относительной базы . С другой стороны, с ростом уменьшается значение угловой координаты, при котором разность фаз превосходит значение , что вызывает неоднозначность отсчета. Обычно ее исключают много­шкальностью, т.е. использованием нескольких баз. При этом меньшая база образует грубую ( ), но однозначную шкалу отсчета, а большая (точная) – точную, но неоднозначную шкалу отсчета. Многошкальная аппаратура дает правильный отсчет тогда, когда удвоенная максимальная погрешность измерения фазы по грубой шкале не превышает интервал точной шкалы. Величины косинусов направляющих углов и находятся по измеренной разности фаз Ф_х, Ф_z.

Базы между антеннами осей х и z выбираются равными. Тогда . Координаты траектории летательного аппарата определяются измеренными косинусами направляющих углов двух фазовых пеленгаторов и величиной базы между ними.

Измеренные данные регистрируются на магнитную ленту или вводятся в линию связи для передачи на ВЦ и их последующей обработки.

На рис. 2 изображена схема фазового пеленгатора.

Рис. 2. Схема фазового пеленгатора.

Бортовые средства.

Бортовые средства, устанавливаемые на летательном аппарате, для траекторных измерений разделяются на светотехнические и радиотехнические. Они предназначаются для взаимодействия с оптическими и радиотехническими наземными измерительными средствами соответственно. Габаритные размеры, масса и электропитание бортовых средств должны позволять монтировать их на любом самолете.

Бортовые светотехнические средства (трассеры, импульсные лампы), создавая яркий источник света (в несколько миллионов кандел), обеспечивают надежность и дальность кинотеодолитной съемки днем и возможность выполнения ее ночью.

Импульсные лампы вследствие больших габаритных размеров и массы дополнительного оборудования не нашли широкого применения.

Наиболее употребительны трассеры. Трассер представляет собой металлический цилиндр с запрессованным в него пиротехническим составом, который воспламеняется от накаливаемой электротоком проволоки и горит белым, красным или оранжевым пламенем в зависимости от применяемого пиротехнического состава. Кроме трассеров в качестве источника светового излучения при слабой освещенности можно использовать посадочные фары самолета, если полеты происходят в непосредственной близости от кинотеодолита.

Трассеры различают по массе, габаритным размерам, силе света, цвету пламени и времени горения. Трассеры красного и оранжевого цветов пламени обеспечивают большие дальности съемки в сравнении с трассерами белого огня. С подъемом на высоту сила света трассеров значительно уменьшается (примерно на два порядка).

При установке трассеров на самолет следует иметь в виду, что трассер и его крепление без обтекателя может являться источником срыва вихрей, приводящих к тряске самолета. При этом трассер следует устанавливать со стороны самолета, визируемой кинотеодолитом при выполнении заданного режима полета. Факел пламени трассера не должен касаться частей самолета из-за опасности их прогара. Если время горения одного трассера недостаточно для выполнения съемки, то необходимо устанавливать несколько трассеров с последовательным поджигом каждого из них. Время поджига трассера или включения фар должно заранее устанавливаться и указываться в задании летчику на полет.

Бортовые радиотехнические средства предназначены для взаимодействия с наземными радиолокационными станциями или фазовыми пеленгаторами с целью:

• увеличения дальности действия и надежности работы радиолокационной станции,

• обеспечения работы фазового пеленгатора,

• селекции летательных аппаратов, одновременно находящихся в воздухе, наземными радиолокационными станциями или фазовыми пеленгаторами.

Бортовой аппаратурой, взаимодействующей с наземными радиолокационными станциями, являются приемоответчики. Принцип действия приемоответчика состоит в том, что после поступления на его вход сигнала в виде импульса (запрос) от наземной радиолокационной станции в ответчике формируется сигнал (ответ), который излучается на другой частоте и принимается наземной радиолокационной станцией.

Селекция на наземных радиолокационных станциях любого из нескольких летательных аппаратов, одновременно находящихся в воздухе, обеспечивается установкой на них приемоответчиков, которые работают на нескольких частотах и различаются между собой запросным и ответным сигналами. Приемоответчики изготовляются различных габаритных размеров.

Бортовой аппаратурой, взаимодействующей с наземными станциями фазовых пеленгаторов, является передатчик, обеспечивающий непрерывное излучение сигнала требуемой частоты и мощности. Существуют многоканальные фазовые пеленгаторы, т.е. системы, измеряющие одновременно первичные параметры ( ) нескольких летательных аппаратов, одновременно находящихся в воздухе. В связи с этим передатчики фазовых пеленгаторов изготовляются с различными частотами излучения.

При установке приемоответчиков радиолокационных станций и передатчиков фазовых пеленгаторов на летательный аппарат следует обращать внимание на то, чтобы диаграмма направленности их антенно–фидерного устройства охватывала нижнюю полусферу летательного аппарата.