“БОРТОВІ РАДІОНАВІГАЦІЙНІ СИСТЕМИ АВІАЦІЙНИХ КОМПЛЕКСІВ”

1. Принцип дії за структурною схемою основних типів вимірювачів допплерівської частоти. Обробка інформації двшз в пнк.

1. Основные типы многолучевых доплеровских измерителей

Доплеровские измерители по характеру излучения делятся на ДИСС с непрерывным излучением и с импульсным излучением. В свою очередь, доплеровские измерители с непрерывным излуче­нием подразделяются на ДИСС, использующие непрерывные не­модулированные колебания, и ДИСС, в которых применяются не­прерывные частотно-модулированные колебания.

По способу выделения доплеровской частоты из отраженно­го сигнала ДИСС делятся на когерентные и некогерентные. При когерентном приеме сигналов частота (фаза) отраженного сигна­ла сравнивается с частотой (фазой) опорного сигнала передат­чика.

При некогерентном приеме сигналов выделение доплеровской частоты основано на сравнении частот (фаз) колебаний двух одновременно приходящих отраженных сигналов, например, по переднему и заднему лучам.

Доплеровские измерители с импульсным режимом работы де­лятся на импульсные когерентные измерители (измерители с внутренней когерентностью) и импульсные некогерентные из­мерители (автокогерентные или измерители с внешней когерент­ностью).

1.1. Доплеровские измерители с непрерывным излучением немодулированных колебаний

В доплеровских измерителях с непрерывным излучением не­ модулированных колебаний используются для излучения и при­ема сигналов отдельные неподвижные относительно корпуса са­молета антенны. Наличие отдельных антенн необходимо для то­го, чтобы на работу приемника не влиял проникающий сигнал передатчика, поскольку излучение и прием происходят одновременно. В ДИСС с непрерывным излучением используются коге­рентные способы выделения доплеровских частот. Непрерывный режим излучения применяется как в самолетных, так и в верто­летных ДИОС.

На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема само­летного ДИСС с так называемой «нулевой» промежуточной час­тотой для одного луча.

Рис. 1

От генератора непрерывных немодулированных колебаний, например клистрона, колебания с частотой f₀ излучаются через передающую антенну по направлению к поверхности земли. От­раженные от земной поверхности сигналы со средними частота­ми f₀±F_д принимаются приемной антенной. Сигналы, принятые по каждому из лучей приемной антенны, поступают на баланс­ные смесители, входящие в состав приемника, куда также пода­ется сигнал передатчика на частоте f_0. Помимо полезного сигнала передатчика на входе приемника одновременно присутствует паразитный сигнал передатчика на частоте f₀. Наличие паразит­ного сигнала определяется неполной развязкой между передаю­щей и приемной антеннами.

Сигналы на выходе каждого из смесителей состоят из преоб­разованного полезного сигнала с доплеровской частотой F_д и из сигнала нулевых биений гетеродинного и просочившегося сигна­лов. При таком преобразовании теряется знак доплеровской ча­стоты, что для самолетных ДИСС несущественно, поскольку этот знак определен положением луча в пространстве. Следует отметить, что паразитный сигнал может модулироваться по амплиту­де за счет вибраций, шумов передатчика и т. д., что затрудняет процесс измерения средней доплеровской частоты, так как спектр частот паразитной амплитудной модуляции накладывается на полезный спектр доплеровских частот.

Сигналы доплеровских частот усиливаются и частично фильт­руются в усилителе низкой частоты (УНЧ). Ширина полосы УНЧ выбирается исходя из диапазона возможных скоростей ЛА, а сле­довательно, и возможных доплеровских частот.

С выхода УНЧ доплеровский сигнал подается на измеритель средней доплеровской частоты. Результаты измерений в цифро­вой или аналоговой формах поступают в вычислительное устрой­ство, которое по формулам (5.48)-(5.50) определяет путевую скорость и угол сноса. Результаты вычисления путевой скоро­сти и угла сноса поступают в ЭВМ для вычисления текущих ко­ординат местоположения ЛА и на индикатор.

Помимо рассмотренной схемы ДИСС широкое применение находят схемы ДИСС с двойным преобразованием частоты в приемнике (рис. 2). В этой схеме преобразование отраженных сигналов в приемнике производится дважды: вначале на проме­жуточную частоту f₀, а затем на доплеровскую частоту F_д. Это иллюстрируется спектрами сигналов, приведенными на рис. 3.

Рис. 2

На вход смесителя приемника приходит отраженный сигнал с частотой f₀±F_д (для переднего луча, см. рис. 3, а) и сигнал местного гетеродина на частоте f_г = f₀ – f_п где f_п — промежу­точная частота. Для обеспечения постоянства значения промежу­точной частоты часто применяется система автоматической под­стройки частоты (АПЧ), которая включает смеситель АПЧ, УПЧ₂ частотный дискриминатор с усилителем постоянного тока (УПТ) и местный гетеродин.

Рис. 3

С выхода смесителя сигнал на частоте f_п + F_д (см. рис. 2 и 3, б) поступает через УПЧ₁ на синхронный детектор, куда с УПЧ₂ подается сигнал промежуточной частоты f_п. Выходной сигнал синхронного детектора через полосовой фильтр и УНЧ по­ступает на измеритель средней доплеровской частоты F_{д 0} (см.рис. 3, в). Отметим, что вместо синхронного детектора может использоваться и обычный детектор огибающей, но при этом уменьшается отношение сигнал / шум на выходе детектора.

Преимуществом схемы приемника с двойным преобразовани­ем частоты по сравнению со схемой с нулевой промежуточной частотой является более высокая чувствительность. Это объясня­ется тем, что кристаллические смесители имеют большой уро­вень шумов в области низких доплеровских частот. В ДИСС с нулевой промежуточной частотой шумы непосредственно сказы­ваются на результатах измерения F_{д 0}. В ДИСС с двойным пре­образованием частоты эти шумы отфильтровываются с помощью УПЧ₁.

Схемы с двойным преобразованием частоты применяются в доплеровских измерителях типов ТРАССА, ДИСС-Зс и др.

Отметим основные преимущества ДИСС с непрерывным из­лучением немодулированных колебаний:

1. Сравнительно легко реализуется когерентный прием, осу­ществление которого в импульсных ДИСС встречает технические трудности. Известно, что когерентный режим работы обеспечи­вает значительное повышение чувствительности по сравнению с некогерентным.

2. Коэффициент использования энергии отраженного сигна­ла равен 100%, так как энергия отраженного сигнала сконцент­рирована в относительно узком диапазоне частот.

3. Отсутствуют «слепые» высоты, в пределах которых невоз­можно измерение путевой скорости и угла сноса.

4. Мощность отраженного сигнала уменьшается обратно про­порционально квадрату высоты полета, что является наиболее выгодной высотной зависимостью, которую можно реализовать.

5. Упрощается передатчик, так как не требуется модулятор, что уменьшает массу и габариты устройства, и, кроме того, как правило, не требуются высоковольтные источники питания.

К недостаткам ДИСС с непрерывным излучением немодули­рованных колебаний относятся:

1. Наличие двух антенн.

2. Трудность изоляции приемника от просочившегося сигнала передатчика, модулированного низкочастотными шумами, что ограничивает сверху высотность ДИСС, так как энергия проса­чивающегося (паразитного) сигнала от высоты не зависит, а энергия полезного сигнала с увеличением высоты уменьшается. В современных ДИСС степень развязки приемника и передатчика составляет 75—80 дБ. Увеличение степени развязки обес­печивается за счет введения частотной модуляции излучаемого сигнала.

3. Высокие требования к стабильности частоты передатчика.

Для пояснения последнего недостатка рассмотрим влияние быстрых изменений частоты передатчика.

Пусть за время распространения радиоволн до поверхности земли и обратно τ₃ = 2Н / с частота колебании передатчика, которая используется в качестве сигналов гетеродина, изменилась на ве­личину δ f₀, относительно ее начального значения f₀. В этом слу­чае на выходе смесителя (например, схемы с нулевой промежу­точной частотой) будет сигнал с частотой

(f₀ + F_д) - (f₀ ± δ f₀) = F_д ± δ f₀,

т. е. частота выделенного сигнала отличается от истинной F_д, на величину ± δf₀. Для случая, когда уход частоты передатчика за время распространения радиоволны τ₃ происходит с постоянной скоростью (d f₀ / dt = const), можно определить требования к стабильности частоты в следующем виде:

d f₀ τ₃ / dt ≤ (δ f₀) _доп,

где (δ f₀) _доп — допустимая величина ошибки измерения средней доплеровской частоты. Отсюда следует, что требования к ста­бильности частоты передатчика достаточно высокие и они тем выше, чем ниже F_до, так как (δ f₀) << F_до.

Основное отличие вертолетных ДИСС, как отмечалось выше, вызвано необходимостью определения знака доплеровской час­тоты. Эта задача в приемниках вертолетных ДИСС решается применением квадратурных смесителей. Кроме того, в вертолет­ных ДИСС необходимо измерение всех трех составляющих век­тора скорости, начиная от нулевых значений в режиме висения.