РАДИОВЫСОТОМЕР МАЛЫХ ВЫСОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к радиолокации и может быть применена в качестве радиовысотомера (РВ) для летательных объектов.
Совокупность признаков, описанная формулой полезной модели, в известных и доступных литературных и электронных источниках не выявлена.
К бортовым РВ малых высот предъявляется требование высокой достоверности выходной информации. Для обеспечения этого требования РВ снабжаются встроенными средствами контроля (ВСК), которые контролируют функционирование РВ в целом или контролируют состояние его составных частей с последующим объединением информации в один (общий) признак исправного состояния РВ.
Целью заявляемой полезной модели РВ является повышение достоверности исправной работы одного из основных функциональных блоков РВ с частотной модуляцией - измерителя длительности измерительного временного интервала, (являющегося частью периода модуляции).
Поставленная цель достигается тем, что дополнительно к основному измерителю периода модуляции (длительности измерительного интервала) вводится второй, упрощенный и независимый измеритель, состав которого отличен от функционального состава основного измерителя; в результате постоянного сравнения данных измерений основного и вновь введенного измерителей вырабатывается признак достоверности измерений основного измерителя.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг 1, на которой представлена (сплошными линиями) функциональная схема известного прототипа РВ [1] с частотной модуляцией, а также вновь вводимые элементы предлагаемой полезной модели и новые связи между элементами предлагаемой полезной модели (пунктирные линии).
Кроме того, на фиг 1 обозначено цифрами:
1 - земная поверхность, отражающая радиосигнал,
2 - фюзеляж летательного объекта (например, вертолета),
3 - антенны РВ,
4 - генератор сверхвысоких частот (СВЧ) с частотной модуляцией (ЧМ),
5 - модулятор частоты генератора СВЧ,
6 - приемник,
7 - усилитель-ограничитель,
8 - частотный (периодный) дискриминатор,
9 - устройство поиска-слежения,
10 - схема согласования,
11 - интегратор,
12 - нелинейный усилитель (экспоненциальное звено),
13 - обнаружитель,
14 - электронный ключ,
15 - измеритель временного периода (измерительного интервала - части периода модуляции за исключением обратного хода модуляции),
16 - многовходовый элемент (например, схема ИЛИ или ИЛИ-НЕ), объединяющий признаки отказов функциональных элементов РВ, в том числе прототипа [1].
17 - устройство согласования уровней напряжений,
18 - измеритель числа импульсов в течении измерительного временного интервала периода модуляции,
19 - двухпороговая схема сравнения данных.
Известный прототип РВ [1], работает при непрерывном излучении частотно-модулированных радиоволн, в котором часть излучаемого сигнала смешивается (перемножается) с отраженным сигналом, при этом средняя частота преобразованного сигнала поддерживается постоянной и равной переходной частоте частотного (периодного) дискриминатора автоматической подстройкой скорости изменения частоты СВЧ генератора, что, при постоянстве полосы частотной модуляции, приводит к изменению периода частотной модуляции; при этом период модуляции является мерой высоты:
где: Тм=l/Fм-период частотной модуляции,
Ти = измерительный интервал, примерно равный периоду модуляции,
Fм - частота модуляции,
к=2 - для несимметричной линейной модуляции, к=4 - для симметричной модуляции,
ΔF - полоса частотной модуляции,
с - скорость распространения радиоволн,
д0
f - переходная частота частотного (периодного) дискриминатора,
д0
д0
t=1/f - период преобразованного сигнала, соответствующий переходной частоте
дискриминатора,
Н - высота полета объекта.
Работа известного радиовысотомера поясняется фиг 1, где известные связи между функциональными элементами прототипа показаны сплошными линиями.
Генератор 4 СВЧ с модуляцией частоты по линейному, предпочтительно, несимметричному возрастающему закону, производимому модулятором 5, выполненному любым известным образом, излучает зондирующий сигнал по направлению к земной поверхности 1 через излучающую антенну 3, установленную в нижней части фюзеляжа 2, например, вертолета.
Сигнал, отраженный от земной поверхности 1, через приемную антенну 3, аналогичной излучающей антенне 3, поступает на вход приемника 6, выполненного любым известным образом, на второй вход которого поступает гетеродинный сигнал со второго выхода генератора 4. Гетеродинный сигнал является точной копией зондирующего сигнала, но меньшей мощности.
д0
С выхода приемника 6 низкочастотный преобразованный сигнал, являющийся результатом перемножения (смешения) гетеродинного и отраженного сигналов, поступает на усилитель-ограничитель 7, выходной сигнал которого поступает на вход частотного (периодного) дискриминатора 8, переходная частота f до которого заранее выбрана постоянной и стабильной, его выход соединен с устройством 9 поиска-слежения, включающего в себя, например, последовательно включенные через схему 10 согласования интегратор 11 и нелинейный усилитель 12. Выход нелинейного усилителя 12 непосредственно соединен со входом модулятора 5, второй выход которого соединен с измерителем 15 периода (или измерительного интервала, равного периоду модуляции за вычетом длительности обратного хода закона модуляции), с выхода которого снимается информация о высоте полета объекта.
Выход приемника 6 дополнительно соединен со входом обнаружителя 13, выход которого соединен со входом управления ключа 14 и состояние этого ключа определяет режим работы устройства 9 поиска-слежения.
Многовходовая схема 16 объединяет все возможные отказы функциональных элементов РВ, например, модулятора 5, обнаружителя 13, устройства 9 поиска-слежения и других и выдает обобщенный сигнал отказ/исправность РВ.
Радиовысотомер в полете имеет два режима работы:
- режим поиска происходит при отсутствии сигнала с выхода приемника 6; в этом режиме выходной сигнал обнаружителя 13 замыкает ключ 14 и последовательно соединенные интегратор 11, нелинейный усилитель 12 и ключ 14, являются генератором низкочастотного периодического напряжения, под воздействием которого периодически изменяется частота (период) закона модуляции частоты генератора 4 СВЧ; процесс поиска происходит до тех пор пока не возникнет сигнал на выходе приемника 6. С этого момента обнаружитель 13 размыкает ключ 14, низкочастотные автоколебания на выходе усторойства 9 поиска-слежения прекращаются и прекращается изменение частоты (периода) модуляции генератора 4 СВЧ, что означает начало режима слежения;
- режим слежения характерен тем, что частота (период) модуляции сигнала зависят от выходного напряжения устройства 9 поиска-слежения, которое, в свою очередь, зависит от выходного напряжения частотного дискриминатора 8, переходная частота 1 до которого постоянна и стабильна (см. формулу 1). В режиме слежения период закона модуляции, преобразуемый в любую удобную форму информации, является линейной функцией высоты (см формулу 1), так как под воздействием выходного сигнала дискриминатора 8 устройство 9 поиска-слежения изменяет модуляции так, чтобы частота преобразованного сигнала была близкой к переходной частоте дискриминатора 8; при исчезновении сигнала с выхода приемника 6, обнаружитель 13 вновь замкнет ключ 14 и снова начнется режим поиска, который прекратится при появлении сигнала на выходе приемника 6.
д0
д0
Из описания прототипа следует, что все перечисленные функциональные элементы, включая пространство Н распространения излучаемого, распространяющегося и отражаемого от земной поверхности сигнала, являются составными частями следящей системы, в которой параметры: ΔF, t=1/f, и уровень отраженного сигнала, контролируемого обнаружителем 13, достаточного для нормальной работы радиовысотомера, стабилизированы и их состояние выдается на многовходовый элемент 16 (например, схемы ИЛИ или ИЛИ-НЕ), объединяющий признаки отказов функциональных элементов РВ.
В известном прототипе [1] измеритель 15 измерительного периода (измерительного интервала периода модуляции) является неконтролируемым и это снижает достоверность информации радиовысотомера в целом.
С целью увеличения достоверности выходной информации радиовысотомера (увеличения глубины встроенного контроля) в известный радиовысотомер предлагается ввести последовательно соединенные устройство 17 согласования уровней напряжений, измеритель 18 числа импульсов в течении измерительного временного интервала периода модуляции, двухпороговую схему 19 сравнения данных, при этом вход устройства 17 согласования уровней напряжений соединен с выходом усилителя-ограничителя 7, счетный вход измерителя 18 числа импульсов соединен с выходом устройства 17 согласования, вход разрешения счета измерителя 18 соединен со входом измерителя 15, выход измерителя 15 и выход измерителя 18 соединенысоответственно с первым и вторым входами двухпороговой схемы 19 сравнения данных, выход которой соединен с одним из входов многовходового элемента 16 (например схемы ИЛИ или ИЛИ-НЕ), объединяющего признаки отказов функциональных элементов РВ.
Вновь введенные элементы 17 и 18 с соответствующими связями представляют собой упрощенный измеритель высоты, который производит подсчет числа периодов N преобразованного сигнала РВ за измерительный интервал периода модуляции, и в соответствии с выражением (1)
Для частного случая: к=2, ΔF=150 МГц, N=Н, что удобно для иллюстрации, так как цена одного импульса преобразованного сигнала РВ соответствует высоте один метр: для Н=5 м соответствует N=5 импульсов, для Н=1500 м соответствует N=1500 импульсов. Поскольку вновь введенный дополнительный измеритель предназначен только для контроля исправного функционирования основного измерителя, то совсем необязательно выполнять вспомогательный измеритель той же разрядности, что и основной. Вполне допустимо считать основной измеритель исправным, если его результаты измерений не отличаются от вспомогательного измерителя, например, не более, чем на ±20% (выбор этого параметра - право разработчика).
Двухпороговая схема 19 выдает результат сравнения данных основного и вновь введенного вспомогательного измерителей высоты на многовходовый элемент 16, объединяющий признаки отказов радиовысотомера.
Реализация предлагаемой полезной модели трудностей не вызывает, так как все вновь вводимые элементы стандартны и могут выполняться на любой приемлемой элементной базе. Устройство 17 согласования уровней напряжений может представлять собой предельный ограничитель, т.е. ограничитель с очень низкими порогами срабатывания, так как при измерении больших значений высот выходное напряжение усилителя-ограничителя 7 преобразованного сигнала может оказаться малого уровня.
Предлагаемая полезная модель РВ, с контролем измерителя длительности измерительного временного интервала, обеспечивает повышенную достоверность информации, выдаваемую радиовысотомером в сравнении с тем случаем, когда ее не было.
Источники информации.
П.А. Бакулев, А.А. Сосновский. Радионавигационные системы. М., Издательство «Радиотехника», 2005 г, глава 9, стр. 180-190.