Методы построения доплеровских измерителей путевой скорости и угла сноса

Радиотехнический метод измерения путевой скорости и угла сноса основан на эффекте Доплера, сущность которого заключается в изменении частоты принимаемых колебаний при относительном движении приёмни­ка и передатчика колебаний (эффект смещения частоты для звука был открыт в 1842 г. австрийским физиком Х. Доплером). Изменение частоты тем больше, чем больше скорость движения приёмника относительно пе­редатчика. Такой же эффект имеет место, если передатчик и приёмник не­подвижны относительно друг друга и находятся на движущемся объекте, а колебания принимаются после отражения от неподвижного объекта. Пусть на летательном аппарате находится радиолокационная станция (РЛС), передатчик которой вырабатывает смодулированные колебания

.

(69)

Предположим, что излучаемые колебания отражаются от точечного объекта на поверхности Земли, тогда принимаемые колебания будут

,

(70)

где – расстояние от самолёта до точки отражения

.

(71)

Частота принимаемых колебаний определяется из выражения (70) дифференцированием фазы

.

(72)

Подставляя (71) в (72), получим

,

(73)

где – радиальная скорость, т. е. скорость изменения расстояния в направлении распространения радиоволн.

Из уравнения (73) видно, что отражённые колебания отличаются по частоте от излучаемых колебаний на величину 0д

,

(74)

называемую доплеровским смещением частоты (доплеровской частотой).

При приближении РЛС к точечному объекту на поверхности Земли , при удалении , при неизменном расстоянии .

Доплеровскую частоту можно выразить как

.

(75)

Выражение (75) показывает связь между доплеровской частотой и радиальной скоростью, последнюю можно связать с вектором путевой скорости и углом сноса самолёта УС.

На рис. 29 приведена схема, поясняющая измерение путевой скоро­сти и угла сноса в предположении, что полёт совершается в горизонтальной плоскости и скольжение отсутствует, где

· проекция на вертикальную плоскость;

· проекция на плоскость горизонта;

· вектор истинной воздушной скорости;

· вектор скорости ветра.

а)

б)

Рисунок 29 Схема расположения радиолуча и векторов скоростей

– расстояние от ЛА до точки отражения; – угол антенны в вертикальной плоскости; – угол антенны в горизонтальной плоскости относительно горизонтальной оси ЛА

Пусть на борту самолёта имеется антенна с игольчатой диаграммой направленности, т. е. электромагнитная энергия отражается от точки М на земной поверхности. Антенна повернута в горизонтальной плоскости на угол 0 относительно продольной оси самолёта и на угол и в вертикальной плоскости. Углы 0 и называют установочными.

Вектор Уд представляет собой проекцию вектора путевой скорости \У на направление ОМ (направление оси диаграммы антенны), тогда

.

(76)

Подставляя (76) в (75), получим основное уравнение ДИСС:

,

(77)

где – масштабный коэффициент.

Доплеровская частота содержит информацию как о путевой скорости, так и об угле сноса. В уравнении (77) две неизвестные величины ( и ), поэтому необходимы дополнительные устройства, позволяющие решить это уравнение. Зависимость доплеровской частоты от угла поворота антенны в горизонтальной плоскости относительно продольной оси самолёта приведена на рис. 30.

Из графика следует, что возможны три метода измерения угла сноса при постоянной путевой скорости: максимума , минимума и сравнения доплеровских частот, принимаемых по двум антеннам.

При методе максимума антенна, снабжённая поворотным устройством, устанавливается так, чтобы измеритель частоты, включённый на выходе приёмника, давал максимальные показания. При этом угол поворота антенны равен углу сноса УС.

Достоинством метода является простота реализации и возможность измерения путевой скорости в том положении антенны, в каком найден угол сноса. Точность определения путевой скорости здесь наивысшая.

Рисунок 30 Зависимость доплеровского сдвига частот от угла поворота антенны относительно продольной оси летательного аппарата

К недостаткам относится необходимость поворотной антенны и низ­кая точность определения угла сноса из-за небольшой крутизной кривой в области максимума.

При реализации метода минимума необходима поворотная антенна, которую устанавливают под углом к продольной оси летательного аппарата. При этом показания измерителя частоты равны нулю. Метод минимума требует того же оборудования, что и метод максимума.

Его достоинством является высокая точность определения угла сноса из-за большой крутизны кривой в области минимума. Для определения путевой скорости необходимо возвращение антенны в положение .

Метод сравнения не требует подвижных антенн и позволяет автоматически и одновременно измерять путевую скорость и угол сноса с при­емлемой точностью. Для его реализации необходимы две антенны и два приёмника. Можно использовать один приёмник, который поочерёдно подключается то к одной, то к другой антенне.

Метод сравнения, несмотря на более сложную реализацию, наиболее совершенен. Его широко используют при построении ДИСС. В двухантенном варианте (рис. 31) диаграммы направленности антенн разворачивают вправо и влево относительно продольной оси самолёта на одинако­вые углы .

Рисунок 31 К построению ДИСС методом сравнения

Доплеровские частоты для колебаний, принятых первой и второй ан­теннами, соответственно равны:

;

(78)

.

(79)

Уравнения (78, 79) получены независимыми путями и могут быть использованы для вычисления как , так и . Приведённая выше теория ДИСС справедлива только при горизонтальном полёте. Если имеется крен или тангаж, то точность ДИСС уменьшается.

Менее чувствителен к изменению углов наклона летательного аппара­та ДИСС с тремя или четырьмя антеннами, диаграммы направленности которых расположены относительного летательного аппарата в виде буквы «У» или «X».

Примером отечественного измерителя путевой скорости и угла сноса является система НАС-1, доплеровский канал которой имеет следующие технические характеристики: диапазон измеряемых путевых скоростей 300^800 км/ч; диапазон измеряемых углов сноса ± 20°; среднеквадратич­ные погрешности по путевой скорости ± 0,5% от текущего значения, по углу сноса ± 20'; высотность от 500 до 15000 м; мощность передатчика не менее 5,5 Вт; антенна неподвижная, четырёхлучевая; частота коммутации лучей порядка 5 Гц.

Специальность:		· Системы аэронавигационного обслуживания
Дисциплина:		Системы навигации объектов АРКТ
Курс, семестр, уч. год:		5, весенний (10), 2013/2014
Кафедра:		301 – СУЛА.
Руководитель обучения:		Профессор, к.т.н. Суббота Анатолий Максимович

Лекция № 14 – 16