СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОВМЕЩЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ОСЬЮ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ
METHOD FOR AUTOMATIC ALIGNMENT OF AIRCRAFT LENGTHWISE AXIS WITH AXIS OF LANDING STRIP

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при организации автоматического привода и посадки летательного аппарата на взлетно-посадочную полосу (ВПП).
Известны способы привода летательных аппаратов, основанные на излучении приводных маяков. Однако позиционирование летательных аппаратов при этом осуществляется амплитудными методами и на достаточно больших расстояниях. Точность позиционирования при этом оказывается невысокой.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится Способ определения угла прихода радиоволн, основанный на измерении разности фаз между сигналами в двух разнесенных точках пространства, описанный в авт. св. СССР № 1718149 и опубликованный в БИ № 9, 07.03.1992, G01R 29/08.
1
2
1
2
По этому способу определения угла прихода радиоволн первоначально в двух независимых каналах генерируют непрерывные высокочастотные колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами f и f. Эти колебания через циркуляторы подают на две независимые антенны первичного излучения и вторичного приема и первично излучают в направлении третьей антенны первичного приема и вторичного излучения, где оба эти непрерывные высокочастотные колебания первично принимают и подают на управляемый фазовращатель отражательного типа, фазовый сдвиг которого регулируют генератором низкой частоты. При этом в первично принятые высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. Трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами  и  вторично излучают в направлении разнесенных в пространстве антенн первичного излучения и вторичного приема, где оба эти вторично излученные колебания антеннами первичного излучения и вторичного приема вторично принимают и через два циркулятора подают на два смесителя в каждом канале в отдельности, при этом в смесителях принятые колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных и трансформированных по частоте высокочастотных колебаний. В том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой f, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой  а в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой f, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой  при этом выделенные низкочастотные колебания одинаковой частоты подают на фазометр, где измеряют разность фаз между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими. На основе измеренной разности фаз и известного расстояния между антеннами рассчитывают угол прихода радиоволн по формуле:
где Δφ - измеренная разность фаз; λ - длина волны излучения; d - расстояние между приемными антенными (база интерферометра).
Располагая антенны первичного излучения и вторичного приема на плоскостях крыльев летательного аппарата, а антенну первичного приема и вторичного излучения (антенну ретранслятора) на ВПП можно определять курсовой угол летательного аппарата относительно направления на антенну ретранслятора ВПП. Вводя сигнал фазометра в систему автоматического управления движением летательного аппарата и поддерживая этот сигнал системой автоматического регулирования на нулевом уровне, можно точно выдерживать курсовой угол аппарата, совпадающий с направлением на антенну ретранслятора ВПП. Пространственное разнесение между антеннами интерферометра можно устанавливать свободно в зависимости от целей и решаемых задач так как эти антенны не связаны между собой фазостабильными фидерами.
Совершенно очевидно, что определенный интерес представляет определение и поддержание требуемого курсового угла летательного аппарата относительно не точки расположения антенны ретранслятора ВПП, а относительно оси ВПП.
1
2
1
2
1
В основу изобретения поставлена задача автоматического совмещения продольной оси летательного аппарата с осью ВПП. Она решается благодаря тому, что первоначально в двух независимых каналах генерируют непрерывные высокочастотные колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами f и f, причем эти колебания через цир-куляторы подают на две независимые антенны первичного излучения и вторичного приема, которые располагают на плоскостях крыльев летательного аппарата и первично излучают в направлении ВПП, при этом в плоскости ВПП на ее оси на некотором расстоянии друг от друга располагают несколько, как минимум две, антенн первичного приема и вторичного излучения для каждого ретранслятора в отдельности (антенны ретрансляторов), при этом непрерывные высокочастотные колебания с частотами f и f антеннами каждого ретранслятора первично принимают и подают на управляемые фазовращатели отражательного типа для каждого ретранслятора в отдельности, фазовый сдвиг которых регулируют генераторами низкой частоты с частотами F1, F2, F3 и т.д. для каждого ретранслятора в отдельности, при этом в первично принятые высокочастотные колебания в каждом ретрансляторе вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг, при этом трансформированные по частоте непрерывные высокочастотные колебания антеннами ретрансляторов вторично излучают в направлении разнесенных в пространстве антенн первичного излучения и вторичного приема, которые располагают на плоскостях крыльев летательного аппарата, причем первым ретранслятором вторично излучают колебания с частотами  и  вторым ретранслятором вторично излучают колебания с частотами  и  третьим ретранслятором вторично излучают колебания с частотами  и т.д., при этом вторично излученные ретрансляторами колебания антеннами первичного излучения и вторичного приема летательного аппарата вторично принимают и через два циркулятора подают на два смесителя в каждом канале в отдельности, при этом в смесителях принятые колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных и трансформированных по частоте высокочастотных колебаний, при этом в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой f, выделяют комбинационные низкочастотные составляющие с частотами  и т.д., a в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой f2, выделяют комбинационные низкочастотные составляющие с частотами  и т.д., при этом выделенные низкочастотные колебания с одинаковыми частотами попарно подают на фазометры, число которых выбирают равным числу выделенных низкочастотных колебаний, при этом на выходе этих фазометров выделяют сигналы, пропорциональные разности фаз между этими парами комбинационных низкочастотных составляющих, которые подают в систему автоматического управления движением летательного аппарата, при этом, управляя положением летательного аппарата, поддерживают сигналы на выходе всех фазометров на нулевом уровне, обеспечивая тем самым автоматическое совмещение продольной оси летательного аппарата с осью ВПП.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности автоматического совмещения продольной оси летательного аппарата с осью ВПП.
1
2
1
2
1
2
3
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в выделении только одной низкочастотной комбинационной составляющей в обоих каналах интерферометра, возникающей при приеме сигналов только от одного ретранслятора, возможно измерение разности фаз между этими комбинационными низкочастотными составляющими в обоих каналах интерферометра и соответственно определение только угла прихода радиоволн относительно точки расположенной оси летательного аппарата с осью ВПП, в первично принятые антеннами каждого ретранслятора, которые располагают на оси ВПП на некотором расстоянии друг от друга, непрерывные высокочастотные колебания с частотами f и f, от двух независимых высокочастотных генераторов, излученные через две независимые, разнесенные в пространстве антенны первичного излучения, которые располагают на плоскостях крыльев летательного аппарата, вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг в каждом ретрансляторе со своей скоростью, вводя тем самым в исходные непрерывные высокочастотные колебания разный доплеровский сдвиг частоты  и  и  и  и т.д. каждым ретранслятором в отдельности, которые затем переизлучают в направлении антенн первичного излучения летательного аппарата. Антеннами летательного аппарата, трансформированные по частоте, непрерывные высокочастотные колебания вторично принимают, смешивают с исходными высокочастотными колебаниями и выделяют в обоих каналах комбинационные низкочастотные составляющие с одинаковыми парами частот Доплера, причем в том канале, где генерируют колебания с частотой f, выделяют составляющие  и т.д., a в том канале, где генерируют колебания с частотой f выделяют составляющие  и т.д. После этого выделенные низкочастотные составляющие с частотами F, F, F и т.д. попарно подают на входы фазометров, на выходе которых выделяют сигналы, пропорциональные разности фаз низкочастотных комбинационных составляющих. Выделенные сигналы фазометров подают в систему автоматического управления положением летательного аппарата, при этом, управляя положением летательного аппарата, поддерживают сигналы на выходе всех фазометров на нулевом уровне, обеспечивая тем самым автоматическое совмещение продольной оси летательного аппарата с осью ВПП.
Указанный способ автоматического совмещения продольной оси летательного аппарата с осью ВПП можно реализовать с помощью устройства приведенного на рисунке.
Устройство автоматического совмещения продольной оси летательного аппарата с осью ВПП содержит генераторы высокочастотных колебаний 1 и 2, Y-циркуляторы 3 и 4, антенны первичного излучения и вторичного приема 5 и 6, смесители 7 и 8, узкополосные фильтры 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 и т.д., фазометры 15, 16, 17 и т.д., антенны первичного приема и вторичного излучения 18, 19, 20 и т.д., управляемые фазовращатели отражательного типа 21, 22, 23 и т.д., низкочастотные генераторы 24, 25, 26 и т.д., систему автоматического управления положением летательного аппарата 27.
Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с первым выводом Y-циркулятора 3, второй вывод которого соединен с антенной первичного излучения и вторичного приема 5, а третий вывод Y-циркулятора 3 соединен с входом смесителя 7, выход которого соединен с входами узкополосных фильтров 9, 11, 13 и т.д., выходы которых соединены с первыми входами фазометров 15, 16, 17 и т.д., причем выход генератора высокочастотных колебаний 2 соединен с первым выводом Y-циркулятора 4, второй вывод которого соединен с антенной первичного излучения и вторичного приема 6, а третий вывод Y-циркулятора 4 соединен с входом смесителя 8, выход которого соединен с входами узкополосных фильтров 10, 12, 14 и т.д., выходы которых соединены со вторыми входами фазометров 15, 16, 17 и т.д., причем выходы фазометров 15, 16, 17 и т.д. соединены с входами системы автоматического управления положением летательного аппарата 27, при этом антенна первичного приема и вторичного излучения 18 соединена с сигнальным выводом управляемого фазовращателя отражательного типа 21, вход управления которого соединен с выходом низкочастотного генератора 24, при этом антенна первичного приема и вторичного излучения 19 соединена с сигнальным выводом управляемого фазовращателя отражательного типа 22, вход управления которого соединен с выходом низкочастотного генератора 25, а антенна первичного приема и вторичного излучения 20 соединена с сигнальным выводом управляемого фазовращателя отражательного типа 23, вход управления которого соединен с выходом низкочастотного генератора 26.
01
1
1
Работает устройство, реализующее способ автоматического совмещения продольной оси летательного аппарата с осью ВПП следующим образом. Высокочастотные колебания с начальной амплитудой U, частотой f и начальной фазой φ
02
2
2
с выхода генератора высокочастотных колебаний 1 через циркулятор 3 поступают в антенну первичного излучения и вторичного приема 5. При этом в направлении антенн первичного приема 18, 19, 20 и т.д., которые располагают на оси ВПП, излучают электромагнитную волну. Параллельно высокочастотные колебания с начальной амплитудой U, частотой f и начальной фазой φ
с выхода генератора высокочастотных колебаний 2 через циркулятор 4 поступает в антенну первичного излучения и вторичного приема 6. При этом также в направлении антенн первичного приема 18, 19, 20 и т.д. излучают электромагнитную волну.
j
2
Антеннами первичного приема 18, 19, 20 и т.д. обе высокочастотные электромагнитные волны улавливают и далее высокочастотные колебания с частотами f и f подают на сигнальные входы управляемых фазовращателей отражательного типа 21, 22, 23 и т.д. Управляемые фазовращатели 21, 22, 23 и т.д., реализуют монотонное изменение фазы высокочастотных колебаний. При этом, если за периоды Τ, Т2, Т3 и т.д. низкочастотных управляющих сигналов, поступающих с выходов генераторов низкой частоты 24, 25, 26 и т.д., реализуется в управляемых фазовращателях 21, 22, 23 и т.д., сдвиг фаз обоих высокочастотных колебаний от 0 до 2π, то можно говорить о смещении спектра обоих высокочастотных колебаний на так называемые частоты Доплера
Трансформированные по частоте высокочастотные колебания, поступающие на антенны вторичного излучения 18, 19, 20 и т.д. имеют вид
1
2
где k, k -волновые числа
1
2
3
4
5
6
01
02
03
х, х, х, х, х, х и т.д. - расстояния между антеннами 5-18, 6-18, 5-19, 6-19, 5-20, 6-20 и т.д. соответственно; φ, φ, φ и т.д. - начальные фазы колебаний на выходах низкочастотных генераторов 24, 25, 26 и т.д  -амплитуды высокочастотных колебаний с учетом затухания на трассе распространения радиоволн, усиления антенн и коэффициентов передачи всех звеньев устройства. Для простоты представления формул коэффициенты передачи всех звеньев выбраны одинаковыми.
1
1
2
2
1
2
3
Антеннами вторичного излучения 18, 19, 20 и т.д. (они же антенны первичного приема) эти трансформированные высокочастотные колебания излучают в направлении антенн вторичного приема 5 и 6 (они же антенны первичного излучения). При этом принятые трансформированные высокочастотные колебания через третьи выводы Y-циркуляторов 3 и 4 поступают в смесители 7 и 8, где получают комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. При этом в том канале, где были генерированы высокочастотные колебания с частотой f, получают комбинационные низкочастотные составляющие разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний с частотами  и т.д. и исходных колебаний с частотой f, которые соответственно равны  и т.д., a в том канале, где генерируют колебания с частотой f, получают комбинационные низкочастотные составляющие разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний с частотами  и т.д. и исходных колебаний с частотой f, которые соответственно равны  и т.д. Узкополосные фильтры 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 и т.д. выделяют попарно колебания с одинаковыми частотами F, F, F и т.д.
1
2
3
Таким образом, на выходах узкополосных фильтров 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 и т.д. будем иметь пары низкочастотных колебаний с одинаковыми частотами F, F, F и т.д. и полными фазами, определяемыми следующими соотношениями
где  и т.д. - волновые числа
1
2
Как видно из приведенных формул, в выражениях для полной фазы выделенных комбинационных низкочастотных составляющих отсутствуют значения начальной фазы высокочастотных колебаний, поскольку они вычитаются. Частоты исходных высокочастотных колебаний f и f выбирают мало отличающимися друг от друга. По этой причине
1
2
3
1
2
1
2
3
Кроме этого, частоты Доплера F, F, F и т.д. выбирают много меньше частоты исходных высокочастотных колебаний f и f. По этой причине  и т.д. В этом случае для разности фаз комбинационных низкочастотных колебаний с одинаковыми частотами F, F, F и т.д. на выходах узкополосных фильтров 9 и 10, 11 и12, 13 и 14 и т.д. можно записать
где к  и т.д.
Таким образом, на выходах фазометров 15, 16, 17 и т.д. будем иметь сигналы, пропорциональные разности расстояний и обратно пропорциональные длине волны в среде распространения радиоволн между антеннами первичного излучения (вторичного приема) 5 и 6 и первичного приема (вторичного излучения) 18, 19, 20 и т.д. Эти разности расстояний между антеннами определяют взаимное положение антенн летательного аппарата и антенн ретрансляторов ВПП. При этом если продольная ось летательного аппарата совпадает с осью ВПП разности расстояний  и т.д. равны нулю попарно, соответственно равны нулю сигналы на выходах всех фазометров 15, 16, 17 и т.д. Задача системы автоматического управления положением летательного аппарата 27 сводится к тому, чтобы, анализируя сигналы на выходах фазометров 15, 16, 17 и т.д., управлять положением летательного аппарата таким образом, чтобы поддерживать сигналы на выходе фазометров 15,16,17 и т.д. на нулевом уровне.
Таким образом, получают автоматическое совмещение продольной оси летательного аппарата с осью ВПП.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности автоматизировать процесс привода летательного аппарата при заходе на посадку.
Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью автоматизировать не только процесс привода летательного аппарата при заходе на посадку, но и автоматизировать весь процесс посадки. При этом антенны ретрансляторов ВПП можно сделать не выступающими, например щелевыми, и расположить как по всей длине ВПП, так и за ее пределами, вдоль ее оси. Самому процессу посадки летательного аппарата на ВПП антенны в этом случае мешать не будут, однако при этом появляется возможность контролировать положение летательного аппарата при его движении вдоль всей ВПП вплоть до его полной остановки.