УДК 621.376.32

К вопросу о применении радиовысотомера на воздушных судах

Боровикова Дарья Валерьевна – студентка Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Дроц Таисия Сергеевна – студентка Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Сагитов Дамир Ильдарович – кандидат технических наук, доцент кафедры Систем автоматизированного управления Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: В статье рассматриваются основные назначения радиовысотомера (РВ), технические возможности радиовысотомера, используемого воздушными судами при заходе на посадку, показан принцип работы РВ, указаны особенности работы РВ.

Ключевые слова: радиовысотомер, высота, радиоволны, модуляция, частота, сигнал.

Введение

По результатам статистического анализа следует, что существенная доля авиационных происшествий случается во время взлета и посадки воздушного судна. Главной причиной таких случаев является близость земли и ограниченное время для принятия мер по предотвращению возможных инцидентов. При подходе к торцу ВПП (взлётно-посадочная полоса) летный экипаж нуждается в точных показаниях высоты. Поэтому на малых расстояниях требуется более точный контроль положения летательного аппарата (ЛА) относительно траектории посадки, в частности, вертикальной составляющей.

Основная часть

В гражданской авиации (ГА) для измерения больших высот применяются барометрические высотомеры, которые работают на основе статического давления, то есть атмосферного давления, которое действует на летательный аппарат. Но для измерения малых высот чаще всего используются радиовысотомеры (РВ). В последние годы на большинстве современных воздушных судах устанавливаются специальные бортовые приборы спутниковой навигации. Эти приборы обеспечивают измерение высоты полета воздушного судна, однако они имеют определённую погрешность. Поэтому для более точного измерения высоты воздушного судна во время посадки применяется специальный прибор, называемый радиовысотомер.

Рисунок 1. Радиовысотомер (РВ).

Основные назначения РВ

Измерение высоты полета ЛА над подстилающей поверхностью имеет важное значение в обеспечении безопасности всех полетов. Радиовысотомер предназначен для решения широкого круга тактических задач, перечислим некоторые из них:

• управление самолетов и вертолетов на всех этапах полета от взлета до посадки;
• дистанционные измерения рельефа поверхности Земли;
• автоматическое управление во время вывода летательного аппарата на баллистические траектории;
• датчики высоты различных применений.

Радиовысотомеры – это разновидность радиолокационных станций (РЛС), которые используют подстилающую поверхность в качестве своей цели. Современные стратегии усовершенствования радиовысотомеров нацелены на повышение точности определения высоты во всех рабочих условиях, а также на обеспечение более стабильных и точных измерений высоты при движении воздушного судна и его маневрах в пространстве (крен, тангаж, рысканье). Современные технологии позволяют производить как аппаратную модернизацию, так и внедрение и улучшение программных алгоритмов обработки сигналов.

По типу излучения радиосигнала, который применяется в том или ином радиовысотомере, и методу его обработки все бортовые радиовысотомеры делятся на две группы:

• с частотной модуляцией: имеют диапазон измерений до нескольких сотен метров (обычно до 1500 м) и широко применяются при полетах на малых высотах и при посадке;
• с импульсной модуляцией: область использования: для измерения больших высот. Чаще всего применяются в военной авиации, в космонавтике и в других специальных целях.

В данной статье рассмотрим принцип работы радиовысотомера с частотной модуляцией: Принцип работы частотного радиовысотомера основан на определении разности частот прямого (излучаемого) и отраженного частотно-модулированных сигналов.

Передатчик частотного РВ вырабатывает сверхвысокочастотные непрерывные частотно-модулированные, например, по треугольному закону, колебания частотой cо средним значением несущей частоты , девиацией , периодом модуляции .

Передатчик ПРД состоит из генераторов высокой ГВЧ и низкой ГНЧ частот. ГНЧ формирует модулирующее напряжение = 1/ , которое управляет частотой ГВЧ.

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема РВ.

 Перед отправкой сигнала на землю, передающая антенна модулирует его частоту на частоту f_1. Этот сигнал достигает поверхности земли и отражается обратно. В это время, в приемнике принимаются два сигнала. Первый - отраженный от земли с частотой f_2, а второй - зондирующий сигнал, специально ослабленный и имеющий частоту f_1. Зондирующий сигнал служит для измерения высоты полета и пропорционально изменяет свою частоту на величину F_р, которая равна разности между f_1 и f_2. Для более точного измерения высоты полета, необходимо учесть время распространения сигнала. За время t=2H/c, где H - высота полета, а c - скорость распространения радиоволн (3·10^8 м/с), происходит изменение частоты зондирующего сигнала. Это изменение пропорционально высоте полета H. Следовательно, чем выше находится объект, тем больше изменение частоты. Использование частотно-модулированного сигнала и отраженного сигнала позволяет определить высоту полета объекта. Итак, путем измерения изменения частоты зондирующего сигнала и зная скорость распространения радиоволн, можно вычислить высоту полета. Эта технология находит применение в различных областях, включая радиолокацию, аэронавигацию и изучение атмосферы. Она позволяет точно определить высоту объектов над землей без необходимости использования других сложных методов измерений.

Рисунок 3. Временные диаграммы частот зондирующего   и отраженного   сигналов.

В блоке измерения (БИ) частота преобразуется в постоянное напряжение. Это напряжение подается на индикатор (И), шкала которого проградуирована в метрах. Блок измерения (БИ) состоит из нескольких компонентов, одним из которых является усилитель напряжения разностной частоты (УРЧ). Этот усилитель обеспечивает работу частотомера в нормальном режиме, преобразуя частоту F_р в постоянное напряжение, которое пропорционально высоте H. Благодаря усилителю напряжения, значение частоты можно преобразовать в высоту, которая уже удобна для понимания. После этого полученное напряжение подается на индикатор (И), который обычно имеет шкалу, градуированную в метрах.

В основе системы блока измерения (БИ) находится важный компонент - счетчик частоты (СЧ). В аналоговых схемах для его реализации обычно используется емкостной накопитель, который выполняет функцию интегратора. Он служит для формирования постоянного напряжения, пропорционального частоте сигнала F_р. Главное требование к этому напряжению заключается в том, чтобы оно зависело исключительно от частоты сигнала и не зависело от его амплитуды. Для обеспечения этого условия перед счетчиком частоты включается амплитудный ограничитель (AO). Он выполняет функцию формирования импульсов при пересечении сигнального напряжения нулевого уровня. После прохождения через амплитудный ограничитель, сигнал поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), который усиливает выходное напряжение счетчика. Затем это усиленное напряжение подается на индикатор (И), который отображает полученные данные. Однако, помимо описанных компонентов, в БИ могут использоваться и другие элементы. Например, для улучшения точности измерений частоты могут применяться дополнительные схемы коррекции, компенсирующие влияние различных факторов, таких как температурные изменения или шумы. Также, в современных системах беспроводной связи широко применяются цифровые методы обработки сигналов, которые позволяют существенно повысить эффективность и надежность передачи данных. Эти методы включают в себя цифровую обработку сигналов, модуляцию, демодуляцию, кодирование и декодирование данных.

Рисунок 4. Структурная схема БИ.

Особенности работы РВ

Использование радиовысотомера может быть затруднительным при полетах над горной местностью из-за резких изменений высоты над уровнем моря. В таких случаях, расстояния от самолета до земли могут превышать диапазон измерений радиовысотомера, что делает его показания неточными и непригодными для использования. Кроме того, при значительных изменениях положения самолета по тангажу (угол между продольной осью самолета и горизонтом) и крену (угол между продольной осью самолета и вертикальной осью) показания радиовысотомера также становятся ошибочными. Особенно это заметно при полетах над пересеченной местностью, где неровности и горные хребты могут вызывать значительные изменения углов полета. В таких ситуациях, надежность радиовысотомера снижается, и пользоваться им не рекомендуется. Для обеспечения безопасности полетов над горной местностью и в условиях значительных изменений положения самолета, пилоты обычно полагаются на другие приборы и системы навигации. Например, они могут использовать альтиметр, который измеряет абсолютную высоту самолета над уровнем моря, или навигационные системы, такие как GPS, для определения точного положения самолета в пространстве. Также важно отметить, что радиовысотомеры постоянно совершенствуются и разрабатываются новые технологии, позволяющие повысить их точность и надежность. Например, некоторые современные радиовысотомеры способны компенсировать ошибки, вызванные изменениями положения самолета, и предоставлять более точные показания высоты над землей. В итоге, при полетах над горной местностью или в условиях значительных изменений положения самолета, пилоты должны быть внимательны и использовать несколько различных приборов и систем навигации для обеспечения безопасности полета и точного определения высоты самолета над землей.

Рисунок 5. Ошибки в измерении высоты.

Список литературы

1. Воробьев В. Г., Глухов В. В., Кадышев И. К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы [Учеб. для вузов гражданской авиации], под ред. В. Г. Воробьева. - Москва: Транспорт, 1992. - 399 с.
2. Радиотехнические системы определения местоположения объектов: Лаб. работы. 2-е изд., испр. / Сост.: Т.И. Чернышова, В.А. Тетушкин. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. 28 с.
3. Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие. Минск: Высшая школа, 1988. 368 с.