РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ВЫСОТ
RADAR METER OF LOW HEIGHTS

Предлагаемый радиолокационный измеритель малых высот относится к ближней радиолокации и может использоваться, главным образом, в автономных бортовых радиосистемах управления посадкой летательного аппарата предоставляя пилоту или бортовому управляющему комплексу информацию о значении текущей высоты вблизи распределенной поверхности, вплоть до полной посадки летательного аппарата. Подобные радиолокационные измерители малых высот могут быть использованы так же для решения многих других задач, связанных с измерениями высоты полета летательного аппарата до различных ориентиров, находящихся на малых расстояниях. В качестве ориентиров могут выступать, кроме земной поверхности, так же отдельные наземные объекты с известными координатами. Подобные радиолокационные измерители малых высот могут быть использованы и во многих других случаях [1, 2, 3].
Во всех известных дальномерных устройствах ближней радиолокации для измерения дальности используются, как правило, импульсные или частотные методы, которые обладают недостатками, одним из которых является невозможность однозначного измерения малых высот вблизи протяженной поверхности, какой является, например, земная или морская [1, 2].
При измерении высоты положения летательного аппарата известными радиодальномерными устройствами отраженный от протяженной поверхности сигнал формируется отдельными участками поверхности, т.н. "блестящими точками", которыми (из-за их сложных фазовых соотношений) формируется сигнал, ограничивающий измеряемую высоту [2, 3]. В этих случаях значение минимальной измеряемой высоты соизмеримо с разрешающей способностью сигнала по дальности. Такая высота (дальность) известна в радиолокации под названием "мертвая зона" [1, 3]. По этой причине во многих пилотируемых летательных аппаратах используются одновременно две системы радиовысотометрии: радиовысотомер "больших высот", производящий измерения высот, например, с 1500 метров от поверхности и выше, и радиовысотомер "малых высот", производящий измерения высот, например, ниже 1500 метров, но при этом наличие "мертвой зоны" приводит к ограничению нижней границы измеряемых высот до десятков-сотен метров [2, 3, 4].
Кроме того, импульсные и частотные радиовысотомеры из-за периодичности процесса модуляции обладают неоднозначностью отсчета высоты.
Таким образом, основным недостатком существующих радиолокационных измерителей высоты является ограничение измеряемой минимальной высоты, под которой мы понимаем высоту, соизмеримую с разрешающей способностью радиолокационного сигнала по дальности (высоте).
К радиовысотомерам, которые обладают свойством однозначного отсчета высоты, относятся радиолокаторы со сложной (шумовой) модуляцией непрерывного зондирующего сигнала, в которых обработка отраженного сигнала производится в приемнике корреляционным способом, а расстояние до измеряемой дальности задается задержкой сигнала в его гетеродинном тракте [5, 6].
Из известных радиодальномеров для измерения малых высот наиболее близким по технической сущности является радиоустройство, описанное в патенте РФ "Радиодальномер" №2325670. Патентообладатель ФГУП "НИИ "Экран" / Заявка 2006143897, зарегистр. 27.05.2008 г. (прототип) [7].
Это радиоустройство содержит передатчик, излучающий сложный (шумовой) сигнал типа «белый шум», приемопередающую антенну, циркулятор, смеситель, узкополосный фильтр, исполнительную схему.
Главным недостатком такого устройства является то, что им решается проблема измерения дальности до поверхности, имеющей только сосредоточенный характер отражения сигнала.
Предлагаемое изобретение радиолокационного измерителя малых высот лишено перечисленных недостатков и его применение может обеспечить измерения малых высот, соизмеримых с разрешающей способностью радиолокационного сигнала по дальности, вплоть до полной посадки летательного аппарата на поверхность.
n.мод.ш
n
В предлагаемом устройстве используется сложный (шумовой) зондирующий сигнал, которым формируется блок-сфера с однозначной характеристикой вида δ-функции [5], имеющая, в зависимости от n-й ширины спектра модулируемого шумового сигнала Δf, переменную величину разрешения по дальности ΔR=Var, определяемую по формуле
где С - скорость распространения радиоволны;
n - порядковый номер изменения ширины спектра модулируемого шумового сигнала n=1, 2, 3…
n.мод.ш.min
max
max
n.мод.ш.max
min
min
При минимальной ширине спектра зондирующего сигнала Δf разрешающая способность сигнала по дальности будет самой низкой, в результате чего геометрический размер дальности блок-сферы будет максимальным ΔR, при котором обнаружение радиолокационным измерителем посадочной поверхности производится на максимальной высоте H и, поборот, при максимальной ширине спектра зондирующего сигнала Δf распределенная поверхность может быть обнаружена на минимальной высоте, равной высокой разрешающей способности сигнала по дальности, при которой геометрический размер дальности (высоты) блок-сферы будет минимальным H=ΔR.
Таким образом, главной особенностью работы предлагаемого устройства является то, что измерение высоты полета летательного аппарата радиолокационным измерителем однозначно связано с разрешающей способностью по дальности зондирующего сложного радиолокационного сигнала.
Техническим результатом предлагаемого радиолокационного измерителя малых высот является возможность измерений предельно малых высот на заключительном этапе посадки летательного аппарата на протяженную поверхность, чем предоставляется пилоту или бортовому управляющему комплексу информация о значении текущей высоты, практически вплоть до полной посадки летательного аппарата.
Предлагаемый радиолокационный измеритель малых высот может обеспечивать посадку как непилотируемого, так и пилотируемого летательного аппарата на поверхность путем увеличения разрешающей способности зондирующего радиосигнала по дальности, тем самым снижать высоту "мертвой зоны".
Технический результат устройства достигается тем, что в устройство, содержащее слабонаправленную приемопередающую антенну, циркулятор, генератор высокой частоты, модулятор, смеситель, узкополосный фильтр и индикатор высоты, введены частотный детектор, генератор тактовых импульсов, накопитель импульсов и логическое устройство И таким образом, что первый выход генератора высоких частот соединен с входом циркулятора, первый выход которого соединен со слабонаправленной приемнопередающей антенной, второй выход генератора высокой частоты соединен с первым гетеродинным входом смесителя, второй вход которого соединен со вторым выходом циркулятора, выход смесителя соединен со входом узкополосного фильтра, выход которого соединен с входом частотного детектора, выход которого соединен с первым входом логического устройства И и вторым (разрешающим) входом генератора тактовых импульсов, выход логического устройства И соединен с третьим входом индикатора высоты, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, первый выход которого соединен со входом накопителя импульсов, выход которого соединен со вторым входом логического устройства И и входом модулятора, выход которого соединен со вторым входом генератора высокой частоты, а первые входы генератора высокой частоты, генератора тактовых импульсов и индикатора высоты соединены с клеммой, на которую подается команда "Пуск".
Предлагаемая структурная электрическая схема радиолокационного высотомера малых высот приведена на фиг.2, на которой обозначено:
1 - генератор высокой частоты
2 - управляемый модулятор
3 - циркулятор
4 - слабонаправленная антенна
5 - смеситель
6 - узкополосный фильтр
7 - частотный детектор
8 - генератор тактовых импульсов
9 - накопитель импульсов
10 - логическое устройство И
11 - индикатор высоты.
Устройство радиолокационного измерителя малых высот содержит генератор высокой частоты 1, управляемый модулятор 2, циркулятор 3, слабонаправленную антенну 4, смеситель 5, узкополосный фильтр 6, частотный детектор 7, генератор тактовых импульсов 8, накопитель импульсов 9, логическое устройство И 10, индикатор высоты 11 таким образом, что первый выход генератора высоких частот 1 соединен с входом циркулятора 3, первый выход которого соединен со слабонаправленной приемопередающей антенной 4, второй выход генератора высокой частоты 1 соединен с первым гетеродинным входом смесителя 5, второй вход которого соединен со вторым выходом циркулятора 3, выход смесителя соединен со входом узкополосного фильтра 6, выход которого соединен со входом частотного детектора 7, выход которого соединен с первым входом логического устройства И 10 и вторым входом генератора тактовых импульсов 8, выход логического устройства И 10 соединен с третьим входом индикатора высоты 11, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов 8, первый выход которого соединен с входом накопителя импульсов 9, выход которого соединен со вторым входом логического устройства И 10 и входом модулятора 2, выход которого соединен со вторым входом генератора высокой частоты 1, а первые входы генератора высокой частоты 1, генератора тактовых импульсов 8 и индикатора высоты 11 соединены с клеммой, на которую подается команда "Пуск".
Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.
1
1
1
В начальный (исходный) момент времени, например (t), посадки летательного аппарата на протяженную поверхность, когда он находится на некоторой высоте H(t) (фиг.1), по команде включения, на клемму «Пуск» (фиг.2) подается одиночный нулевой импульс, запускающий работу генератора высокой частоты, генератора тактовых импульсов, и приводит индикатор высоты в исходное нулевое положение.
1
1
1
1
1
1
Генератор высокой частоты начинает генерировать модулированный модулятором узкополосный сложный (шумовой) сигнал, который излучается в пространство в сторону протяженной поверхности через циркулятор и слабонаправленную антенну, формируя тем самым, первую блок-сферу с начальной разрешающей способностью по дальности (по высоте), равной ΔR (фиг.1). В этот начальный момент времени (t) высота положения летательного аппарата над протяженной поверхностью превосходит заранее установленное значение величины первой блок-сферы ΔR, так что H(t)>ΔR (фиг.1), поэтому на данной высоте протяженная поверхность не облучается зондирующим сигналом, в результате чего от нее нет отраженного сигнала не только на входе антенны, но и во всем приемном тракте устройства. В это время показание индикатора высоты установлено командой "Пуск" в исходное (нулевое) состояние.
2
2
1
1
В дальнейшем, например, в момент времени (t), при снижении высоты положения летательного аппарата над распределенной поверхностью, когда значение высоты его положения достигает величины дальности первого элемента разрешения H(t)=ΔR, тогда от протяженной поверхности, облученной сигналом первой блок-сферы ΔR, отраженный от нее сигнал поступит на антенну, с выхода которой сигнал через второй выход циркулятора поступает на сигнальный вход смесителя, на первый (гетеродинный) вход которого сигнал постоянно поступает со второго выхода генератора высокой частоты.
С выхода смесителя составляющая рабочего сигнала доплеровской частоты, через узкополосный фильтр и частотный детектор поступает как на первый вход логического устройства И, так и на второй вход генератора тактовых импульсов, генерирующий тактовые импульсы с частотой следования, прямопропорциональной частоте доплеровского сигнала. Сигналы с первого выхода генератора тактовых импульсов поступают на вход накопителя импульсов, а со второго выхода генератора тактовых импульсов они поступают на второй вход индикатора высоты.
После поступления в накопитель заданного числа импульсов на его выходе появляется сигнал первого уровня, поступающий на вход модулятора и которым в модуляторе расширяется спектр выходного сигнала. С выхода накопителя сигнал импульсов поступает так же на второй вход логического устройства И, в результате чего на оба входа логического устройства И поступают два сигнала, в результате чего на его выходе появляется сигнал, поступающий на третий (сигнальный) вход индикатора высоты.
2
1
Постоянное поступление импульсных сигналов от генератора тактовых импульсов на накопитель импульсов приводит к росту на его выходе уровня сигнала, поступающего затем на вход модулятора, на выходе которого спектр сигнала расширяется, приводя к уменьшению размеров блок-сферы за счет повышения разрешающей способности сигнала по дальности (высоте) ΔR. Индикатором высоты с момента времени (t) постоянно регистрируется число импульсов, последовательно поступающих с частотой Доплера со второго выхода генератора тактовых импульсов на второй вход индикатора высоты. Так как высота первой блок-сферы ΔR заранее известна и определена выбранным узкополосным спектром зондирующего сигнала, поэтому первое (исходное) численное показание индикатора высоты устанавливается этой величиной. При дальнейшем снижении высоты полета летательного аппарата работа индикатора высоты сводится к синхронному (с доплеровской частотой) вычитанию поступивших на его второй вход импульсов, одновременно с которыми поступают импульсы на вход накопителя импульсов, на выходе которого пропорционально числу поступивших импульсов увеличивается уровень выходного сигнала, поступающего затем на вход модулятора. В результате этого происходит дальнейшее повышение разрешающей способности сигнала по дальности (высоте), т.е. уменьшение размеров по высоте текущей блок-сферы.
min
n.мод.ш.max
min
min
min
Предельно высокое разрешение сигнала ΔR обеспечивается максимально широкой полосой модулированного сложного (шумового) сигнала Δf, которой определяется предельно малая высота положения летательного аппарата над распределенной поверхностью H, так как в этом случае H=ΔR, чем и обеспечивается возможность измерения малых высот.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
1
Итак, в начальный (исходный) момент времени (t) посадки летательного аппарата на протяженную поверхность, когда он находится на некоторой высоте H(t) (фиг.1), по команде включения, на клемму «Пуск» (фиг.2) подается одиночный нулевой импульс, запускающий работу генератора высокой частоты 1, генератора тактовых импульсов 8 и приводит индикатор высоты 11 в исходное нулевое положение. Генератор высокой частоты 1 начинает генерировать модулированный модулятором 2 узкополосный сложный (шумовой) сигнал, который излучается через циркулятор 3 и слабонаправленную антенну 4, формируя первую блок-сферу с начальной разрешающей способностью по дальности (высоте), равной ΔR (фиг.1). С этого момента времени (t) высота положения летательного аппарата над протяженной поверхностью уменьшается, но она еще превосходит заранее установленное значение дальности первой блок-сферы, образованной разрешающей способностью сигнала по дальности Н(t)>ΔR (фиг.1), и поэтому на данной высоте протяженная поверхность не облучается зондирующим сигналом, в результате чего от нее не будет отраженного сигнала не только на входе антенны 4, но и во всем приемном тракте устройства. В это же время, показание индикатора высоты 11 установлено командой "Пуск" в исходное (нулевое) состояние. При дальнейшем снижении высоты положения летательного аппарата над распределенной поверхностью, например, в момент времени (t), когда значение высоты его положения становится равной величине разрешения по дальности первого элемента блок-сферы H(t)=ΔR, тогда протяженная поверхность облучается сигналом первой блок-сферы, а отраженный от нее сигнал поступает на слабонаправленную антенну 4, с выхода которой сигнал через циркулятор 3 поступает на второй (сигнальный) вход смесителя 5, на первый (гетеродинный) вход которого сигнал поступает постоянно со второго выхода генератора высокой частоты 1.
2
1
n
min
n.мод.ш.max
min
min
min
С выхода смесителя 5 составляющая рабочего сигнала доплеровской частоты, через узкополосный фильтр 6 и частотный детектор 7 поступает как на первый разрешающий вход логического устройства И 10, так и на второй вход генератора тактовых импульсов 8, генерирующий тактовые импульсы с периодом доплеровской частоты и поступающие с его первого выхода на накопитель импульсов 9, а со второго выхода поступающие на второй вход индикатора высоты 11. После первого поступления в накопитель 9 определенного числа импульсных сигналов (например, 5-8 импульсов [1]) на его выходе появляется сигнал порогового уровня (достаточного для управления модулятором), поступающий затем на вход модулятора 2, тем самым расширяя спектр его выходного сигнала. Сигнал с выхода накопителя импульсов 9 поступает так же на второй вход логического устройства И 10, в результате чего на оба входа логического устройства И 10 поступают два сигнала, которыми обеспечивается появление на его выходе сигнала, поступающего на третий (сигнальный) вход индикатора высоты 11. Постоянное поступление импульсных сигналов от генератора тактовых импульсов 8 на накопитель импульсов 9 приводит к постоянному росту на его выходе уровня сигнала, поступающего затем на вход модулятора 2, на выходе которого спектр сигнала снова расширяется, приводя к уменьшению размеров блок-сферы за счет повышения разрешающей способности сигнала по дальности (высоте) (см. формулу 1). С момента времени (t) индикатором высоты 11 постоянно регистрируется число импульсов, последовательно поступающих со второго выхода генератора тактовых импульсов 8 на второй вход индикатора высоты. Так как высота первой блок-сферы ΔR заранее известна и определяется установленным узкополосным спектром зондирующего сигнала, поэтому первое (исходное) численное показание индикатора высоты устанавливается этой величиной. При дальнейшем снижении высоты летательного аппарата работа индикатора высоты 11 сводится к синхронному, с доплеровской частотой вычитанию поступивших на его второй вход импульсов со второго выхода генератора тактовых импульсов 8 совместно с этими поступившими импульсами на вход накопителя импульсов 9, на выходе которого пропорционально увеличивается уровень сигнала, поступающий затем на вход модулятора 2. В результате этого происходит дальнейшее повышение разрешающей способности сигнала по дальности (высоте) с уменьшением размеров по высоте текущей блок-сферы. Предельно высокое разрешение сигнала ΔR=ΔR (фиг.1) обеспечивается максимально широкой полосой модулированного сложного (шумового) сигнала Δf, которой определяется предельно малая высота измерения положения летательного аппарата над распределенной поверхностью H, так как в этом случае H=ΔR, чем обеспечивается возможность измерения малых высот вплоть до полной посадки летательного аппарата на протяженную поверхность.
Использованием сложного (шумового сигнала) обеспечивается не только возможность формирования блок-сферы для измерения высоты положения летательного аппарата, но и, что весьма важно, обеспечивается высокая помехоустойчивость ко многим активным помехам, которые являются некоррелированными с излучаемым сигналом [5].
Использование слабонаправленной антенны позволяет, во-первых, снижать влияние изменений углов посадки летательного аппарата относительно распределенной поверхности, т.к. радиус блок-сферы в пределах этих углов изменяется незначительно, и, во-вторых, использование такой антенны упрощает ее конструкцию.
Практическая реализация всех составляющих элементов схемы не вызывает принципиальных затруднений, т.к. в ней могут быть использованы стандартные и широко используемые в радиолокационных устройствах отдельные элементы и микросхемы [8, 9]. Изготовленный и испытанный как в лабораторных, так и в натурных полигонных условиях макет предлагаемого радиолокационного измерителя малых высот применительно к самолету типа Ту-154 показал его полную работоспособность в различных условиях, в т.ч. в условиях (преднамеренных или случайных) активных помех. В испытательном макете радиолокационного измерителя малых высот в качестве генератора высоких частот (в 3-х см. диапазоне волн) использовалась стандартная отечественная СВЧ-лампа обратной волны типа "ОВС-1", со средней выходной мощностью 0,25 Вт (см. Техническое описание ЦЩ3.323.001.ТО).
n.мод.ш.min
n.мод.ш.max
max
min
Спектр зондирующего сигнала с шумовой модуляцией регулировался в пределах от Δf=0,3 МГц до Δf=500 МГц, чем обеспечивалось измерение высоты положения самолета при его посадке в пределах от H=500 м вплоть до H=0,3 м, при этом расчетная (теоретическая) ошибка измерения минимальной высоты не превышает 10 см.
Введением предлагаемых новых элементов и связей между ними принципиально по-новому решается проблема создания радиолокационного измерителя малых высот, вплоть до полной посадки летательного аппарата на поверхность. Таким образом, предлагаемый радиолокационный измеритель малых высот отличается от известного возможностью расширения диапазона измерения малых высот, в частности при посадке воздушных транспортных средств, чем существенно повышается безопасность их полета, в том числе в сложных метеоусловиях.
Литература
1. Коган И.М. Ближняя радиолокация (теоретические основы). М.: Сов. радио. 1973. 272 с.
2. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии / Под ред. А.П.Жуковского. - М.: Сов. радио, 1979. 320 с.
3. П.С.Давыдов, В.П.Жаворонков, Г.В.Кащеев, В.В.Криницын, В.С.Уваров, И.Н.Хресин. Радиолокационные системы летательных аппаратов. Под редакцией П.С.Давыдова. М.: Транспорт. 1977. 352 с.
4. Козарук В.В. Комплекс бортового оборудования самолета Ту-154 и его эксплуатация. Учебное пособие для вузов МГА. М.: Машиностроение. 1975. 339 с.
5. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. И-во Сов. радио. 1970.
6. Патент США №3614782, НКИ 343-7РГ, 102-70.2 г за 1971.
7. Патент РФ "Радиодальномер" №2325670. Патентообладатель ФГУП "НИИ "Экран" / Заявка 2006143897, зарегистр. 27.05.2008 г. (прототип) [6].
8. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 - М.: ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.
9. Шагурин И., Белецкий В. Микроконтроллеры, интегрированные процессоры и гибридные DSP компании Freescale Semiconductor (SPS-Motorola) // Электронные компоненты, №7, 2004.