СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ТАНГАЖА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING PITCH ANGLE OF AIRCRAFT AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться в пилотажно-навигационных системах ориентации летательного аппарата (ЛА) при заходе на посадку по приборам.
Известные способы и устройства измерения угла тангажа ЛА основаны на использовании инерциальных систем навигации, в частности, гироскопических систем ориентации [1-4]. Таким способам измерения и устройствам, их реализующим, присущ ряд недостатков. Во-первых, с течением времени происходит постоянное накапливание ошибки измерений и за один час полета она составляет величину единицы градусов [2-3]. Во-вторых, если ЛА развивает значительные перегрузки, то происходит увеличение собственной скорости прецессии гироскопа, что в ряде случаев может привести к полной потере его работоспособности [2].
Поскольку известные способы угла тангажа ЛА и устройства, их реализующие, основаны на другом физическом принципе по сравнению с заявляемым, то они не могут рассматриваться в качестве аналогов, так как не имеют общих признаков.
Сущность заявляемого способа измерения угла тангажа ЛА заключается в следующем.
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover>
Из точки с известными координатами излучают горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля
которых совпадает с горизонтальной плоскостью и совместно с нормалью к этой плоскости образуют неподвижную декартовую прямоугольную систему координат.
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
На борту ЛА, приемная антенна, ось симметрии диаграммы направленности которой перпендикулярна направлению движения ЛА, осуществляет боковой прием электромагнитных волн в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают с вертикальной и продольной осями ЛА соответственно и таким образом образуют связанную с корпусом ЛА подвижную декартовую прямоугольную систему координат. Очевидно, что когда угол тангажа ЛА равен нулю, т.е. продольная ось ЛА находится в горизонтальной плоскости (или в плоскости горизонта), а вертикальная ось перпендикулярна этой плоскости [4], то подвижная и неподвижная декартовые прямоугольные системы координат совпадают по направлению. В случае же, когда продольная ось ЛА находится выше или ниже горизонтальной плоскости (плоскости горизонта), т.е. угол тангажа отличен от нуля, то указанные системы координат не совпадают по направлению. Последнее одновременно приводит к повороту вектора напряженности электрического поля
принимаемых на борту ЛА электромагнитных волн относительно горизонтальной плоскости, т.е., иначе говоря, одновременно изменяется угол ориентации плоскости поляризации принимаемых на борту ЛА электромагнитных волн относительно продольной оси ЛА, что служит физическим основанием для измерения угла тангажа ЛА. Вращение с частотой Ω собственной линейной поляризации приемной антенны приводит к амплитудной модуляции принятых сигналов с частотой 2Ω. Выделение из принятого сигнала спектральной составляющей на частоте 2Ω и измерение ее фазы позволит измерить угол тангажа ЛА.
Установим связь между амплитудой и фазой спектральной составляющей на частоте 2Ω и углом тангажа ЛА.
Для установления этой связи воспользуемся известным [5-8] формализмом векторов и матриц Джонса.
Тогда сигнал на входе приемника в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают соответственно с вертикальной и продольной осями ЛА, можно получить с помощью преобразований вида:
<mrow><msub><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>∓</mo><mi>sin</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mo>±</mo><mi>sin</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где
- вектор Джонса излучаемой горизонтально линейно поляризованной волны, записанный в декартовом линейном поляризационном базисе,
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>∓</mo><mi>sin</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mo>±</mo><mi>sin</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>ξ</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∓</mo><mi>ξ</mi></mrow>
- оператор поворота на угол тангажа
,
-ξ - отрицательный угол тангажа, когда продольная ось ЛА находится ниже горизонтальной плоскости (плоскости горизонта),
+ξ - положительный угол тангажа ЛА, когда продольная ось ЛА находится выше горизонтальной плоскости (плоскости горизонта),
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
- оператор вращателя плоскости поляризации на угол α = Ωt
(Ω - частота вращения),
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
- оператор поляризатора (переход с круглого волновода на прямоугольный, с горизонтальной собственной поляризацией, совпадающей с продольной осью ЛА),
с - постоянная величина, учитывающая потенциал передатчика, расстояние от передатчика до ЛА, чувствительность приемника.
Проделав в (1) необходимые матричные преобразования, получим:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Ω</mi><mi>t</mi><mo>∓</mo><mi>ξ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Амплитуда сигнала на выходе приемника, имеющего логарифмическую амплитудную характеристику и линейный детектор, будет равна:
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>lg</mi><mtext> </mtext><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>lg</mi><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mi>t</mi><mo>∓</mo><mn>2</mn><mi>ξ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
2Ω
Из анализа (3) видим, что в спектре огибающей выходного сигнала логарифмического приемника присутствует только спектральная составляющая на частоте 2Ω и ее фаза φ определяется только углом тангажа ξ ЛА независимо от мощности передатчика, расстояние от передатчика до ЛА и чувствительности приемника. Амплитуда этой спектральной составляющей может быть найдена как
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>π</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
или с учетом (3) и известного соотношения
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi><mtext> </mtext><mi>d</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
а также с учетом того, что уровень сигнала при использовании логарифмического приемника обычно измеряют в децибелах, получим, что амплитуда спектральной составляющей максимальна и равна
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>40</mn><mi>lg</mi><mtext> </mtext><mi>e</mi><mo>=</mo><mn>17.37</mn><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>Б</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
2Ω
а ее фаза φ с учетом (3) связана с углом тангажа ξ ЛА соотношением:
<mrow><mi>ξ</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mo>.</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mo>∓</mo><mfrac><mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>Ω</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Использование заявляемой совокупности признаков для измерения угла тангажа ЛА в известных решениях не обнаружено.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ измерения угла тангажа ЛА.
Устройство содержит передатчик 1 и передающую антенну 2, расположенные в точке с известными координатами. На борту ЛА устройство содержит приемную антенну 3, вращатель плоскости поляризации 4, поляризатор 5, задающий генератор 6, логарифмический приемник 7, формирователь опорного сигнала 8, полосовой фильтр 9, фазовый детектор 10 и индикатор 11.
Устройство работает следующим образом.
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover>
Передатчик 1 через передающую антенну 2, расположенные в точке с известными координатами, излучает в направлении ЛА горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля
которых совпадает с горизонтальной плоскостью (плоскостью горизонта).
На борту ЛА, приемная антенна 3, ось симметрии диаграммы направленности которой перпендикулярна направлению движения ЛА, осуществляет боковой, по отношению к направлению движения ЛА, прием электромагнитных волн. С выхода приемной антенны 3 сигнал поступает на вход вращателя плоскости поляризации 4. Частота вращения плоскости поляризации равна Ω и задается частотой задающего генератора 6. С выхода вращателя плоскости поляризации 4 сигнал поступает на вход поляризатора 5, где происходит выделение горизонтально линейно поляризованной составляющей сигнала.
2Ω
В результате вращения плоскости поляризации с частотой Ω на выходе логарифмического приемника 7 формируется сигнал, модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. Полосовой фильтр 9 выделяет спектральную составляющую на частоте 2Ω и этот сигнал поступает на первый вход фазового детектора 10. С выхода задающего генератора 6 сигнал с частотой Ώ поступает на вход формирователя опорного сигнала 8, где формируется сигнал с удвоенной частотой 2Ω, который затем поступает на второй вход фазового детектора 10. В фазовом детекторе 10 измеряется фаза φ спектральной составляющей на частоте 2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации приемной антенны, по которой определяется угол тангажа ξ ЛА. С выхода фазового детектора 10 сигнал поступает на индикатор 11, шкала которого прокалибрована в градусах угла тангажа ξ ЛА.
В 3-см диапазоне длин волн заявляемое устройство измерения угла тангажа ЛА может быть выполнено следующим образом.
В качестве передатчика 1 может использоваться, например, генератор высокочастотных колебаний типа ГЧ-83.
В качестве передающей антенны 2 может быть использована рупорная слабонаправленная в горизонтальной плоскости антенна [9], которая имеет собственную горизонтальную поляризацию.
Приемная антенна 3 может быть выполнена в виде круглого рупора [10], диаграмма направленности которого симметрична в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Вращатель плоскости поляризации 4 может быть выполнен в виде фарадеевского вращателя плоскости поляризации [8], выполненного на основе круглого волновода.
Поляризатор 5 может быть выполнен в виде перехода с волновода круглого сечения на прямоугольный [8].
Задающий генератор 6 может быть выполнен в виде генератора синусоидальных колебаний.
Приемник 7 может быть выполнен по известной схеме с логарифмической амплитудной характеристикой УПЧ [8].
Формирователь опорного сигнала 8 может быть выполнен по известной схеме [7, 8].
Полосовой фильтр 9 может быть выполнен по известной схеме [7].
Фазовый детектор 10 может быть выполнен по известной схеме [8].
Индикатор 11 может быть выполнен в виде стрелочного прибора, шкала которого прокалибрована в градусах угла тангажа ЛА.
По сравнению с широко используемыми средствами измерения угла тангажа ЛА, основанными на применении гироскопических систем ориентации, заявляемые радиотехнические способ и устройство измерения угла тангажа ЛА позволяют избежать постоянного накапливания с течением времени ошибки измерения.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Александров А.С., Арно Г.Р. и др. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. - Санкт-Петербург, 1994. - 119 с.
2. Пельпор Д.С., Ягодкин В.В. Гироскопические системы. - М.: Высшая школа, 1977. - 216 с.
3. Агаджапов П.А., Воробьев В.Г. и др. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1980. - 357 с.
4. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.
5. Корнблит С. СВЧ оптика. Пер. с англ. Под ред. Фролова О.П. - М.: Связь, 1980. - 360 с.
6. Азам Р., Башара П. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М: Мир, 1981. - 588 с.
7. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин Н.Ф. Морская поляриметрия. - Л.: Судостроение, 1963. - 328 с.
8. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: «Советское радио», 1966. - 440 с.
9. Дрябкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. - М.: «Советское радио», 1974. - 535 с.
10. Жук М.С, Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: «Энергия», 1966.