Принцип действия дисс и основные соотношения для измерения путевой скорости и угла сноса. Основную цифровую обработку сигналов, выполняемую на цпос. Структура и описание плис

ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА ДИСС-7

Общие сведения

Доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса ДИСС-7 («Поиск») обеспечивает непрерывное автоматичес­кое измерение составляющих вектора путевой скорости W само­лета. Предназначен для работы только в составе навигационного комплекса и прицельно-навигационной системы (ПНС) или со специальным вычислителем В-144.

В состав ДИСС входят: передающее устройство, приемное устройство, частотомер и синхронизатор (рис. 13.3), Принцип работы состоит в следующем. Передающее устройство генерирует немодулированные СВЧ колебания, которые излучаются направленно к наземной поверх­ности (рис, 13.4, а). Передающая антенна, как и приемная, имеет остронаправленную (игольчатую) четырехлучевую диаграмму направленности. Лучи антенны 1, 2, 3 развернуты в горизонтальной плоскости на угол β от продольной оси самолета и наклонены в вертикальной плоскости на угол γ.

Рис. 13.3. Структурная схема ДИСС-7

Рис. 13.4. Положение лучей антенны ДИСС-7: а - вид в пространстве; б - вид сверху

относительно продольной оси самолета показано на рис. 13.4, б ).

Излучение (и прием) энергии по лучам 1, 2, 3, 4 происходит поочередно. Очередность излучения (и приема) задается синхро­низатором.

Отраженные от земной поверхности сигналы принимаются при­емной антенной и из-за проявления эффекта Доплера имеют сдвиг по частоте. В приемнике происходит усиление принятых сигналов и выделение доплеровской частоты F Д. Доплеровская частота поступает в частотомер. В частотомере осуществляется обнаружение доплеровской частоты и формирование импульсов напряже­ния, частота повторения которых равна доплеровской частоте по лучам 1, 2, 3.

Рис. 13.5. Вектор полной путевой скорости и его составляющие

Величины доплеровских частот F Д (рис. 13.5) по лучам 1, 2, 3 составят:

F Д1 = (W X cosβcosγ- W Z sinβcosγ-W Y sinγ)

F Д2 = (W X cosβcosγ+ W Z sinβcosγ+W Y sinγ)

F Д3 = (W X cosβcosγ- W Z sinβcosγ+W Y sinγ),

где W X , W Y , W Z - проекция полного вектора путевой скорости на оси самолетной системы координат.

Величины W X cosβcosγ, W Z sinβcosγ, W Y sinγ представляют собой проекции составляющих полной путевой скорости на направ­ления излучения (рис. 13.6).

Доплеровские частоты F Д1, F Д2 , F Д3 из частотомера поступают в вычислительное устройство для измерения путевой скорости и угла сноса самолета. В вычислительном устройстве осуществляет­ся решение системы уравнений относительно W X , W Y , W Z при этом следует иметь в виду, что доплеровские сдвиги частот F Д2 и F Д3 отрицательны, так как лучи 2 и 3 направлены назад, и в расчетах используются их модули.

Величину продольной составляющей полного вектора путевой скорости W Х найдем, вычитая из первого уравнения системы вто­рое:

W Х = .

Величину вертикальной составляющей полного вектора путе­вой скорости W Y найдем, складывая первое уравнение с третьим уравнением системы:

Величину поперечной составляющей полного вектора путевой скорости Wz найдем, вычитая из третьего уравнения системы вто­рое:

Wz=

С учетом того, что в ДИСС-7 угол β=45°, угол γ= 66°, по­лучим:

W X =0,83(F Д1 -|F Д3 |)λ 0 ;

W Y =0,28(|F Д3 |-|F Д1 |)λ 0 ;

W Z =0,83(|F Д3 |-|F Д2 |)λ 0

Полученные выражения представляют основные рабочие формулы, на основании которых в бортовой ЦВМ или в спе­циализированном вычислителе В-144 определяется вектор путе­вой скорости.

Составляющие вектора полной путевой скорости W x , W Y , W z позволяют вычислить горизонтальную составляющую путевой скорости W и угол сноса самолета а по следующим формулам:

; tgα=

Измеренные составляющие вектора полной путевой скорости W x , W Y , W z , а также W и αиспользуются для решения навига­ционных и боевых задач. Величины W и α могут быть сняты со специального индикатора или с индикатора вычислителя В-144.

Следует отметить, что рабочие формулы являются приближен­ными, так как в них не учтены отклонения реальных углов лучей, реальной частоты излучаемых колебаний от номинальных значе­ний, не учтено смещение доплеровских частот, определяемое ха­рактером отражающей поверхности.

Все блоки измерителя размещены на общем основании, уста­навливаемом в нижней части фюзеляжа самолета.

В комплект блоков ДИСС-7 входят следующие блоки: питания передатчика ПК7, коммутации ПК8, приемник ПК3, электронный ПК-5 (2 шт.), питания низковольтный ПК4, пере­датчик ПК2 (2 шт.), антенное устройство ПК1.

Измеритель ДИСС-7, работающий совместно с вычислителем В-144, имеет следующие тактико-технические данные:

Диапазон измеряемых путевых скоростей -250-3200 км/ч.

Диапазон измеряемых углов сноса - ±15°

Точность измерений путевой скорости - ± (5,5+0,006W )км/ч

Точность измерения угла сноса - ±54".

Диапазон рабочих высот - до 25000 м.

Диапазон волн - сантиметровый.

Вид излучения - непрерывный.

Мощность передатчика -2Вт.
Чувствительность приемника - 106 дБ.

Число лучей антенны - 4.

Частота коммутации лучей антенны -2,5Гц.
Время непрерывной работы - 12 ч.

Назначение и классификация ДИСС.

ЛИТЕРАТУРА

Контрольные вопросы

Упражнения

Найти общее решение и решение задачи Коши уравнений в частных производных

2. , .

3. , .

4. , .

8. , .

9. , .

10. , .

1. Перечислите предположения, которые были сделаны при выводе уравнения колебания струны.

2. Перечислите силы, действующие на небольшой участок струны.

3. Выведите уравнение колебаний струны.

4. Напишите уравнения продольных и крутильных колебаний стержня.

5. Перечислите физические процессы, которые называют волновыми.

6. Что необходимо определить для однозначной характеристики волнового процесса?

7. Перечислите три вида граничных условий.

8. Что называется задачей Коши?

9. Что называется краевой задачей?

10. Что называется смешанной задачей?

11. Выведите формулу Даламбера решения задачи Коши для волнового уравнения.

12. Дайте физическую интерпретацию формулы Даламбера.

13. Как изменится решения волнового уравнения в случае полуограниченной струны. Дайте физическую интерпретацию

14. В чем заключается метод разделения переменных?

15. Сформулируйте задачу Штурма-Лиувилля.

16. Что называется собственной функцией задачи?

17. Что такое собственное значение задачи?

18. При каких значения параметра l задача Штурма-Лиувилля имеет нетривиальные решения.

19. Запишите решение задачи Штурма-Лиувилля.

20. В силу каких предположений сумма частных решений есть также решение?

21. Что позволяют определить начальные условия.

22. Приведите физическую интерпретацию полученного решения.

23. Что называется стоячей волной?

24. В чем заключается метод решения неоднородного волнового уравнения?

25. Как называются одномерные, двумерные и трехмерные волны?

26. Что называется средним арифметическим функции?

27. Получите формулу Пуассона для решения сферического волнового уравнения.

28. В чем заключается принцип Гюйгенса.

1. Вертоградов В.И. «РЭО ЛА». Часть1.М.: Воениздат, 1979, инв.68.

2. Конспект лекций и групповых занятий.

Составил майор __________________________ М.Ковалев.

1. Назначение и классификация ДИСС………………………….5

2. Принцип действия ДИСС………………………………………7

Определение путевой скорости и истинного путевого угла всегда вызывало наибольшие трудности при управлении движением ЛА. Эти два основных элемента полёта необходимы при счислении пути и для автономного определения действительного местоположения ЛА.

Задача определения путевой скорости и угла сноса может быть решена методом построения векторного треугольника. Для этого необходимо иметь данные о воздушной скорости ЛА V и о скорости ветра U, которые являются составляющими вектора скорости W. Данные о воздушной скорости можно получить при помощи системы воздушных сигналов (СВС), имеющейся на ЛА. Непрерывное же получение достаточно точных данных о скорости ветра в условиях полёта является трудноосуществимой задачей. Поэтому реализовать метод определения путевой скорости и угла сноса путем решения векторного треугольника очень сложно.

Решать поставленную задачу наиболее целесообразно методом непосредственных измерений при помощи радионавигационных устройств, работа которых основана на использовании эффекта Доплера – доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса (ДИСС).

ДИСС на ЛА может быть выполнен в виде самостоятельного радионавигационного устройства. В этом случае данные, получаемые от ДИСС, могут использоваться для решения различных задач, связанных с боевым применением ЛА (напр. задач бомбометания, пуска ракет и др.).

Однако чаще всего ДИСС используется в качестве автономной навигационной системы (АНС), упрощенная структурная схема которой приведена на слайде №2. В состав АНС также входят навигационный вычислитель (НВ), курсовая система (как источник информации об истинном курсе ЛА), датчик воздушной скорости (ДВС), РСБН.

На основе данных получаемых от ДИСС, РСБН, КС и ДВС навигационный вычислитель решает следующие задачи:

· определяет курс следования на выбранный пункт маршрута;

· определяет текущие координаты самолета;

· вычисляет оставшееся расстояние и время полета до выбранного пункта маршрута;

· определяет курсовую поправку для вывода ЛА на линию заданного пути.

Выходным устройством АНС является индикатор. Кроме того, данные от вычислителя подаются на автопилот (АП) для автоматического управления ЛА.

ДИСС можно использовать не только для обеспечения полета самолета по маршруту, но и режимов висения и посадки вертолетов. При решении этих задач ДИСС измеряет три составляющие полной скорости ЛА (скорости относительно земной поверхности), в том числе и вертикальную составляющую (слайд №1).

Поскольку доплеровские измерители являются автоматическими устройствами, т.е. работают без связи с наземными устройствами, их дальность действия оказывается неограниченной. В этом заключается важнейшее преимущество ДИСС.

ДИСС могут устанавливаться на ЛА различного назначения, летающие как с очень малой путевой скоростью, так и с очень большой. Принципиальных ограничений по скорости для ДИСС не существует.

ДИСС классифицируют по количеству лучей, формируемых антенной системой, и по характеру излучаемого сигнала.

По количеству лучей : одно-, двух-, трех- и четырех лучевые ДИСС (слайд №3).

По характеру излучаемого сигнала все ДИСС делятся на 2 группы:

1. измерители с импульсным излучением (достоинства: относительная простота и независимость результатов измерений от стабильности частоты передатчика; недостатки: дополнительная погрешность при полете над пересеченной местностью, невозможно измерить вертикальную составляющую полной скорости, которая необходима в вертолетах и космических кораблях).

2. измерители с непрерывным излучением (преимущество: более высокая чувствительность, чем у импульсных ДИСС; недостаток: трудности при обеспечении развертки приемника и передатчика, что приводит к необходимости использования двух антенн.

ДИСС с непрерывным излучением либо немодулированные, либо частотномодулированные колебания.

Для измерения навигационных параметров в ДИСС используется эффект Доплера. Этот эффект проявляется в изменении частоты принимаемых, отраженных от земной поверхности колебаний, относительно частоты излучаемых колебаний ДИСС, размещенной на самолете. Разница этих частот называется доплеровской частотой или доплеровским сдвигом частоты

F Д =f ПР -f ИЗЛ =2V P /l. (1)

где f ПР и f ИЗЛ частоты излучаемых и принимаемых сигналов;

l=l ИЗЛ – длина волны;

V P -радиальная скорость, т.е. скорость ЛА в направлении излучения.

Для пояснения принципа действия доплеровского измерителя путевой скорости и угла сноса (ДИСС) рассмотрим простейший ДИСС. Функциональная схема однолучевого измерителя, работающий в режиме непрерывного излучения, изображена на слайде № .

Передатчик измерителя генерирует синусоидальные сигналы высокой частоты ¦ 0 , которые через направленный разделитель поступают в антенну и излучаются ею по направлению к земле. Отраженные от шероховатостей земной поверхности радиоволны, имеющие доплеровский сдвиг по частоте, воспринимаются антенной и через направленный разделитель поступают на смеситель приёмника. На смеситель приемника кроме отражённых радиосигналов ¦ 0 +F Д поступают также просочившиеся через разделитель ослабленные прямые радиосигналы передатчика частоты ¦ 0 . В результате взаимодействия этих сигналов на выходе смесителя образуется напряжение разностной, т. е. доплеровской, частоты F Д. Это напряжение усиливается и подается на измерительную схему (частотомер) , которая выдает постоянное напряжение U д, пропорциональное по величине доплеровской частоте F Д. Это напряжение подается на индикаторный стрелочный прибор, шкала которого градуирована в единицах скорости V п.

Покажем, как с помощью однолучевого доплеровского измерителя можно определить путевую скорость и угол сноса ЛА.

Предположим, что ЛА совершает горизонтальный полет (V ПZ =0) с воздушной скоростью V, путевой скоростью V П (напомним, что при V ПZ =0 вектор путевой скорости горизонтальной плоскости V ПГ равен вектору полной скорости V П) и имеет угол сноса a (слайд №). Пусть в начальном положении луч антенны развернут относительно вектора воздушной скорости так, что проекция оси луча на горизонтальную плоскость составляет с вектором V угол b и, кроме того, луч наклонен по направлению к земной поверхности на угол g. Угол наклона луча g отсчитывается от горизонтали в вертикальной плоскости Р , проходящей через ось луча. Тогда составляющую вектора путевой скорости в направлении излучения (т.е. радиальную составляющую) V r найдем следующим образом:

Следовательно, в соответствии с формулой для доплеровского сдвига частоты (1) запишем

Измерительная схема (частотомер) выдает напряжение U Д, пропорциональное F Д:

Где k - коэффициент пропорциональности.

Поворачивая антенну в горизонтальной плоскости и наблюдая за показаниями индикаторного прибора, можно найти такое положение антенны, при котором напряжение U Д, а следовательно, и доплеровский сдвиг частоты становится максимальным. Это будет наблюдаться при b=a. Тогда для F Д MAX получим

Зная угол g, по значению F Д MAX можно определить путевую скорость V П, а по углу разворота антенны b относительно продольной оси аппарата, при котором доплеровская частота достигает максимума, можно судить о величине угла сноса a.

Однолучевые доплеровские измерители при колебаниях самолета имеют сравнительно большие ошибки в результатах измерения угла сноса и путевой скорости.

Для повышения точности измерений путевой скорости и угла сноса самолета применяются многолучевые ДИСС. Так, в получившем широкое распространение ДИСС-7 используется 4 луча, проекции которых на горизонтальную плоскость показаны на рисунке, приведенном на слайде №5.

С учетом того, что в ДИСС-7 углы, характеризующие положение лучей неизменны и известны, получаем, что составляющие путевой скорости ЛА могут быть рассчитаны по выражениям, приведенным на слайде №6.

Рассчитав составляющие полной скорости, можно определить путевую скорость и угол сноса

Эти формулы представляют собой основные рабочие алгоритмы, на основе которых в бортовой ЭВМ или в навигационном вычислителе определяются значения путевой скорости и угла сноса. Однако эти значения дают приближенные значения, т.к. необходимо учитывать:

Влияние отклонения реальных углов визирования антенных лучей от номинальных значений;

Отклонение реальной частоты излучения от номиналов;

Смещение доплеровских частот, обусловленное характером отражающей поверхности.

Значение отклонений углов визирования лучей и частоты излучения от номиналов указывается в сводном паспорте на вычислитель.

Главным источником погрешности в ДИСС является смещение доплеровской частоты, обусловленное характером отражающей поверхности (ХОП) . Причиной ошибок смещения частоты Доплера является зависимость удельной эффективной отражающей площади от угла падения луча визирования на отражающей поверхность (см. Слайд №7).

Происходит деформация доплеровского спектра и смещение его максимума в сторону низких частот в результате изменения коэффициента отражения в пределах ширины антенного луча, т.к. низкие частоты соответствуют точкам, облучаемым под большим углом падения, чем точки, соответствующие высоким частотам.

На слайде №8 показан характер изменения коэффициента отражения в зависимости от углов падения лучей для различного ХОП.

Наиболее сильно коэффициент отражения меняется в зависимости от угла падения для морских поверхностей.

В результате смещения максимума мощности в спектре отраженного сигнала смещается и средняя доплеровская частота. Величина смещения средней доплеровской частоты за счет изменения ХОП различна и может достигать 0,03Fд, что приводит к возникновению значительной погрешности в измерении путевой скорости ЛА, если не принять никаких мер.

Величину смещения средней доплеровской частоты Δ хоп, можно определить по значению Δσ=σ(γ 2) – σ(γ 1) (см. слайд №8). На основании этой зависимости в ДИСС осуществляется вычисление калибровочной поправки Δ хоп на ХОП.

В ДИСС-7 по соотношению мощностей принятых четвертого и первого луча ДИСС вычисляется Δ хоп и в виде напряжения U хоп =kΔ хоп подается в бортовую ЭВМ или в навигационный вычислитель. Где k – постоянный масштабный коэффициент. В ДИСС-7 величина U хоп изменяется в пределах от 0 до 8,8 В.

Назначение

Доплеровский измеритель представляет собой автоном­ную радиолокационную аппаратуру, предназначенную для автоматического непрерывного измерения и индикации трех составляющих вектора путевой скорости значения пу­тевой скорости, угла сноса и выдачи этой информации в другие бортовые системы вертолета.

Состав и размещение

На вертолете установлены:

Высокочастотный блок (блок ВЧ) в шіжмеіі части хвостовой балки между ши. 17 и 19;

Вычислитель составляющих скорости (блок ВЕС), низковольтный источник питания (блок НП-2), коробка соединительная (прибор КС) на левом борту в районе шп. 4а и 4;

Бортовой пульт контроля (прибор ВПК) на цент­ральном пульте;

Индикатор малых скоростей и висения (блоков), ин­дикатор угла сноса и путевой скорости (индикаторы УС и ПС, рис. 26.5), табло ДИСС НЕ РАБОТАЕТ на прибор­ной доске;

Выключатель ДИСС на приборном щитке радиообо­рудования;

Предохранитель ПМ-10 в цепи питания аппаратуры напряжением +27 В в РУ-6;

Предохранитель ПМ-5 в цепи питания аппаратуры напряжением 115 В 400 Гц, три предохранителя ПМ-2 в цепи питания аппаратуры напряжением ~36 В в РУ-11;

Предохранитель ПМ-5 в цепи включения аппаратуры +27 В в ЦРУ.

Основные данные

1. В аппаратуре предусмотрены следующие режимы работы:

«Навигация», включается автоматически по достижении объектом путевой скорости 50 км/ч. В этом режиме инди­кация путевой скорости осуществляется на индикаторе УС-ПС;

«Висение», включается автоматически при уменьшении

путевой скорости объекта ниже 50 км/ч. При этом индика­ция продольной, поперечной и вертикальной составляющих полной скорости осуществляется на индикаторе малых ско­ростей и висения;

«Память», включается автоматически при отказе раз­личных элементов и узлов аппаратуры и при уменьшении отраженных сигналов при полете над штилевыми участка­ми водной поверхности, бетонными площадками и взлетно- посадочными полосами значительной протяженности. При этом на индикаторе УС и ПС загорается табло П, а на при­борной доске - табло ДИСС НЕ РАБОТАЕТ, запрещаю­щие использовать показания индикатора малых скоростей и висения и индикатора УС и ПС.

2. Вид излучения - непрерывный.

3. Частота излучения - /о±7,5 МГц.

4. Мощность передатчика - 250 МВт.

5. Рабочий диапазон высот: м

в режиме «Навигация» - от 10 до 3000 м; в режиме «Висение» над сушей - от 4 до 3000 м; в режиме «Висение» над морем-от 4 до 300 м.

6. Диапазон измерения путевой скорости-от 0 до 400 км/ч.

7. Диапазон измерения угла сноса ±30°.

8. Диапазон измерения н индикации вектора путевой скорости в режиме «1 Іашн ацня»:

продольной - от 50 до 400 км/ч; поперечной - ±Ю0 км/ч; вертикальной - ±10 м/с.

9. Диапазон измерении и индикации вектори путевой скорости в режиме «Висение»:

продольной - от -25 до 50 км/ч; поперечной - ±25 км/ч; вертикальной - ±10 м/с.

10. Время готовности к работе-не более 3 мни

11. Время непрерывной работы - нс более 6 ч.

12. Потребляемый ток: по цепи +27 В-7 А;

по цепи ~115 В 400 Гц - 7 А; по цепи ~36 В 400 Гц- 1 А.

13. Масса - не более 50 кг.

Связь с бортовым оборудованием

Питание ДИСС-32 от бортовых источников +27 II, »■’115 В 400 Гц и ~36 В 400 Гц осуществляется при цклю чении ДИСС.

Ті Зак. 3154дсп

Встроенный подсвет индикатора малых скоростей и ви — сения и индикатора угла сноса и путевой скорости вклю­чения включается с помощью выключателя, расположен­ного на приборной доске летчика или штурм ана-операто — ра. Углы крена и тангажа подаются от гировертикали МГВ-1СУ.

В НКВ-252 ДИСС-32 выдает сигналы продольной и по­перечной составляющих путевой скорости, а также сигнал ИСПРАВНОСТЬ в виде напряжений постоянного тока.

В ПК. В-252 ДИСС-32 выдает сигналы продольной, по­перечной и вертикальной составляющих путевой скорости, а также сигналы ИСПРАВНОСТЬ и ПАМЯТЬ в виде на­пряжений постоянного тока. Сигнал угла сноса выдается в виде переменного напряжения частотой 400 Гц.

В ППС «Осьминог» аппаратура выдает сигналы про­дольной и поперечной составляющих путевой скорости, а также сигнал ИСПРАВНОСТЬ в виде напряжений посто­янного тока.

В СУС аппаратура выдает сигнал путевой скорости в виде напряжения постоянного тока.

Органы управления и индикации

Включение и выключение ДИСС-32 производится вы­ключателем ДИСС на приборном щитке радиооборудова­ния.

На индикаторе угла сноса и путевой скорости установ­лены (рис. 26.5);

Переключатели С, М-С, М-Б. В положении С (суша) обеспечивается нормальная работа аппаратуры при полете над сушей, в положении М-С (море спокой­ное)- при полете над морем с волнением моря 1-3 бал­ла, а в положении М-Б (море бурное) - при полете над мо­рем с волнением более 3 баллов;

Табло П. Включение табло происходит при перехо­де аппаратуры в режим «Память».

На лицевой панели прибора БПК установлены (рис. 26.6):

Рис. 26.6. Прибор БПК. Пульт выбора ре-
жимов НКВ-252

Табло ВСС (красного цвета). Загорание табло сиг­нализирует об отказе блока ВСС;

Табло ВЧ (красного цвета). Загорание табло сигна­лизирует об отказе блока ВЧ;

Табло И (красного цвета)-не задействовано;

Табло ПОЛЕТ (зеленого цвета). Загорание табло сигнализирует об исправности ДИСС-32;

Табло ИСПРАВНОСТЬ (зеленого цвета). Загорание табло сигнализирует об исправности ДИСС-32, приеме от­раженных сигналов и готовности выдачи информации по­требителям;

Табло ПОИСК (желтого цвета). Загорание табло сигнализирует о переходе ДИСС-32 из режима «Захват» в режим «Поиск» любого из трех приемных каналов;

Клавиша КОНТР. ДИСС с встроенным подсветом, служит для перевода ДИСС-32 в режим контроля;

Четыре клавиши с встроенным подсветом, служат для включения одной из четырех контрольных задач;

ВПЕРЕД-17, ВЛЕВО-17, ВНИЗ-З;

НАЗАД-17, ВПРАВО-17, ВВЕРХ-3;

СКОРОСТЬ 127, СНОС «_0;

СКОРОСТЬ 258, СНОС *_9,5;

Клавиша ВКЛ. ПОИСКА (без подсвета), служит для перевода аппаратуры в режим «Поиск».

Сигнальное табло ДИСС НЕ РАБОТАЕТ на приборной доске сигнализирует о переходе аппаратуры в режим «Па­мять».

2.1.1. Принцип действия однолучевой ДИСС

Доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС) летательных аппаратов является автономным доплеровским устройством навигации и управления, призванным обе­спечить прибытие пилотируемого или беспилотного объекта носителя ДИСС к пункту с известными координатами.

В данном пособии изложены принцип действия и структура работы доплеровского измерителя скорости и угла сноса на базе типовой радиосистемы ДИСС-7.

Задача навигации обычно решается в горизонтальной плоскос­ти. Поэтому основной интерес представляет горизонтальная проек­ция скорости самолета, носящая название путевой скорости .

Путевая скорость складывается из двух составляющих:

воздушной скорости , т.е. скорости движения ЛА относительно воздушной среды, и скорости ветра , т.е. скорости движения воздушной среды относительно земли. На­правление вектора воздушной скорости практически совпадает с направлением оси ЛА. Векторы об­разуют так называемый навигационный треугольник (рис. 2.1).

Угол β между направлениями векторов называ­ется углом упреждения или углом сноса.

Наиболее надежным и точным средством измерения β и W является бортовой радиолокатор, работа которого основа­на на использовании эффекта Доплера при отражении излученных бортовым передатчиком радиоволн от земной поверхности. Простейшей схемой измерения при этом является однолучевой доплеровский радиолокатор с наклонным облучением зем­ной поверхности под некоторым углом В (см. рис.2.2).

Положим, что самолет летит строго горизонтально, а ДНА может поворачиваться в горизонтальной плоскости в пределах угла ± ψ .

Так как ДНА имеет конечный раствор, то на поверхности земли облучается площадка значительных размеров, содержащая множество взаимно независимых элементарных отражателей. Поэтому отраженный сигнал по своим свойствам близок к "белому шуму". Он имеет сплошной спектр, огибающая кото­рого соответствует форме ДНА. Зна­чение средней частоты доплеровского спектра для некоторого угла ψ при β =0 определяется величиной проекции вектора путевой скорости на ось ДНА

где - вектор путевой скорости; λ 0 - длина волны передатчика; B - угол визирования; ψ - угол между горизонтальной проекцией направления излучения и продольной осью самолета.

Значение углов B и ψ ясны из рис. 2.2. Из формулы (2.1) видно, что при B = 90° . Следовательно, облучение земной поверхности всегда должно быть наклонным. Обычно В = 60°...70°.

Если направление полета не совпадает с осью самолета, т.е. существует угол сноса "β ", то выражение (2.1) будет иметь вид

Рис. 2.1. Навигационный треугольник

B

Ψ

Рис. 2.2. Однолучевой доплеровский измеритель W и β

Однолучевой измеритель работает следующим образом. ДНА поворачивается в горизонтальной плоскости до получения максимального значения , что соответствует β+Ψ =0. При этом положении антенны по значению можно определить и, измеряя угол между фокусной осью антенны и продольной осью самолета, можно определить угол сноса β . Однако, такая сис­тема обладает рядом существенных недостатков. Главные из них следующие.

Как видно из рис. 2.3, наиболее резкая зависимость от угла (β+Ψ ) наблюдается при значениях β+Ψ близких к 90°. В области β+Ψ =0 почти не изменяется. Поэтому однолучевые измерители не дают необходимой точности.

Рис. 2.3. Полярная диаграмма зависимости F д от (β+ψ)

При изменении угла (β+Ψ ) в обе стороны от нулевого значения изменения доплеровской частоты имеют одинаковые значения. Это обстоятельство делает невозможным построение схемы автоматического измерения скорости и угла сноса.

В однолучевом доплеровском измерителе предъявляются жесткие требования к стабильности частоты передатчика f прд зa время запаздывания отраженного сигнала t з (кратковременная стабильность):

, (2.3)

где (df прд /dt) max / f прд - относительная скорость ухода частоты передатчика; Δ w = ΔW/W - относительная погрешность определения скорости; t з –время распространения радиоволн до земной поверхности и обратно.

В однолучевых (двухлучевых) системах сильно зависит от углов крена и тангажа. Так, уже при угле тангажа =1° и угле В =70° относительная ошибка измерения Δ W будет дости­гать 5%.

В силу перечисленных недостатков однолучевых систем послед­ние не нашли применения.

2.1.2. Принцип действия многолучевой ДИСС

Так как вектор скорости летательного аппарата опре­деляется в общем случае проекциями на три некомпланарных (т.е. лежащих не в одной плоскости) направления, то для определения всех трех составляющих необходимо излучать и принимать сигна­лы минимум по трем лучам антенны. Наибольшее применение нашли трех-четырехлучевые системы с , – расположением лучей (см. рис. 2.4). Эти системы свободны от основных недостатков однолучевых систем.

Рассмотрим подробнее принцип действия трехлучевой системы. Значение доплеровского сдвига частоты определяется равенством (см. рис. 2.4)

, (2.4)

где W S - проекция полной скорости летательного аппарата на направление излучения; λ 0 – длина волны излучаемого передатчиком сигнала. Задача измерения полной скорости сводится к вычислению трех ее составляющих W x , W y , W z , полученных по трем лучам антенной системы РЛС 1, 2, 3 (см. рис. 2.4).

В системе координат x , y , z направление излучения S определяется углами γ 0 и δ 0 (рис. 2.4), где γ 0 –угол между направлением продольной оси самолета 0x и направлением излучения S , δ 0 – угол между обратным направлением вертикальной оси самолета 0y и проекцией S yz направления излучения S на плоскость y0z . Вектор полной скорости можно разложить в самолетной системе координат на три составляющие: W x , W y , W z . Проектируя эти составляющие полной скорости на направление излучения S и суммируя их, получаем

Подставляя (2.5) в (2.4), получим

Уравнение (2.6) содержит три независимых неизвестных (W x , W y , W z ) и значение полной скорости может быть полностью определено по трем независимым уравнениям типа (2.6), полученным по трем некомпланарным лучам антенной системы.

АВТОНОМНЫЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ: Для измерения путевой скорости, угла сноса и составляющих вектора скорости летательных аппаратов (ЛА); Для определения координат их местоположения и автоматического управления полетом; Для измерения скорости ветра; ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011

КООРДИНАТЫ ПУНКТА НАЗНАЧЕНИЯ И НАВИГАЦИОННЫЙ ТРЕУГОЛЬНИК СКОРОСТЕЙ Движение ЛА по отношению земной поверхности происходит в результате взаимодействия силы тяги двигателей, аэродинамических сил и силы тяжести, вызывающих перемещение ЛА со скоростью по отношению к воздушной массе, и в результате действия ветра, вызывающего перемещение воздушной массы вместе с ЛА со скоростью. Результирующий вектор полной скорости определяет скорость движения ЛА по отношению к земной поверхности. ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 НПМ и КПМ Начальный и конечный пункты маршрута ЗПУ Заданный путевой угол К – курс – угол сноса – угол сноса ветром – угол аэродинамического скольжения Рис. 1

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ АВТОНОМНОЙ ДОПЛЕРОВСКОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Рис. 2 ДИСС определяет на борту ЛА направление вектора путевой скорости по отношению к продольной оси ЛА. Для определения направления полета ЛА по отношению к странам света, т.е. в системе координат, связанной с Землей, необходимо знание курса ЛА, определяющего переход по направлению от подвижной системы координат к неподвижной. Итак, для того, чтобы определить, в каком направлении и с какой скоростью летит аппарат, необходимо наличие как доплеровского устройства, измеряющего угол сноса и путевую скорость, так и курсовой системы. Интегрирование получаемых данных о перемещении ЛА с помощью так называемого навигационного вычислителя координат и учет координат начального пункта маршрута позволяет ответить на вопрос, где находится ЛА. Для того, чтобы решить задачу, в каком направлении и сколь долго лететь до пункта назначения, необходимо сопоставить информацию о действительном положении ЛА с заданными координатами пункта назначения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТРАЖЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Величина удельной эффективной площади обратного рассеяния зависит от большего числа параметров: от длины волны и поляризации излучаемых колебаний, вида отражающей поверхности ее характеристик и углов визирования. С увеличением угла визирования растет уровень отраженного сигнала, но это приводит к уменьшению чувствительности доплеровской частоты и минимальный разброс мощности отраженного сигнала. Поэтому компромисс 65 – 75 град. 1 - пашня 2 – лес 3 – поле с зеленой травой 4 – песчаная пустыня 5 – поле, покрытое снегом 6 – ледовая поверхность Рис. 5

ПОГРЕШНОСТИ ОДНОЛУЧЕВОГО ДИСС ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Угол сноса равен углу, составленному осью самолета и осью ДНА в момент совмещения с направлением вектора путевой скорости, т.е. при Однолучевая система находит практического применения из-за низкой точности измерения Допустим, если, то погрешность измерения составляет (3) (4) (5) (6) Рис. 6

ПОГРЕШНОСТИ ОДНОЛУЧЕВОГО ДИСС ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Если продифференцируем максимальную доплеровскую частоту по углу визирования, то получим Тогда Стабилизация антенны в горизонтальной плоскости или введение поправок на крен при обработке усложняет измеритель, но не устраняет недостатков однолучевого метода, к которым следует отнести высокие требования к стабильности частоты излучаемых колебаний. Решение проблемы: многолучевые ДИСС

МНОГОЛУЧЕВОЙ ДИСС ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Рис. 7 Многолучевые ДИСС По назначению и способу построения измерители вектора скорости ЛА могут быть условно разделены на два основных типа: ДИСС, измеряющие путевую скорость и угол сноса ЛА или продольную и поперечную составляющие вектора путевой скорости (самолетные ДИСС), и ДИСС, измеряющие полный вектор скорости ЛА, т.е. три его составляющие (вертолетные ДИСС)

ТРЕХ-ЧЕТЫРЕХЛУЧЕВОЙ ДИСС ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 Так как вектор скорости ЛА определяется в общем случае проекциями на три некомпланарных направления, то для определения всех трех составляющих необходимо излучать и принимать сигналы минимум по трем лучам антенны.

ЛИТЕРАТУРА 1.Колчинский В. Е., Мандуровский И. А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации ЛА. М.: Сов. Радио, 1975, 432 с. 2.Радиотехнические системы. Под ред. Ю. М. Казаринова, М.: Высшая школа, с. 3.Сборник описаний лабораторных работ по радиолокации ИРЭ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 2011 СОСТАВИЛИ А.И. БАСКАКОВ, Б. ОДСУРЭН