ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МОДУЛЯЦИОННАЯ РАДИОМАЯЧНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА КРЕНА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
POLARIZATION-MODULATING RADIO WASHING SYSTEM FOR MEASURING AIRCRAFT ROLL ANGLE

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться в пилотажно-навигационных системах ориентации летательного аппарата (ЛА) при заходе на посадку по приборам.
Известны устройства измерения угла крена ЛА основанные на использовании инерциальных систем навигации, в частности, гироскопических систем ориентации [1, 2]. Таким устройствам присущ ряд недостатков. Во-первых, с течением времени происходит постоянное накапливание ошибки измерений и за один час полета она составляет величину единицы градусов [2]. Во-вторых, если ЛА развивает значительные перегрузки, то происходит увеличение собственной скорости процессии гироскопа, что в ряде случаев может привести к полной потере его работоспособности [2].
Поскольку известные устройства измерения угла крена ЛА основаны на другом физическом принципе, по сравнению с заявляемой, то они не могут рассматриваться в качестве аналогов, так как не имеют общих признаков.
Известен способ измерения угла крена ЛА и устройство для его реализации (Патент № 2475863 МПК G08G 5/02) [3].
Способ измерения угла крена ЛА заключается в том, что из точки с известными координатами излучают горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля которых совпадает с горизонтальной плоскостью. Принимают электромагнитные волны на борту ЛА в линейном поляризационном базисе орты которого составляют величину -  с поперечной  и вертикальной осями ЛА. Измеряют амплитуды  и синфазных ортогонально линейно поляризованных составляющих  и  вектора напряженности электрического поля . Рассчитывают угол крена  между поперечной осью ЛА и горизонтальной плоскостью по формуле:
,    (1)
где  - положительный угол крена ЛА, когда правое крыло (поперечная полуось ЛА) находится ниже горизонтальной плоскости [3];
- отрицательный угол крена ЛА, когда правое крыло (поперечная полуось ЛА) находится выше горизонтальной плоскости;
- амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля ;
- амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля .
Устройство измерения крена ЛА [3] содержит радиомаяк включающий в себя передатчик, выход которого подключен к передающей антенны, расположенной в точке с известными координатами и расположенные на борту ЛА приемная антенна, линейный поляризационный разделитель, амплитудный угловой дискриминатор и вычислитель. При этом выход приемной антенны подключен к входу линейного поляризационного разделителя, два выхода которого подключены к соответствующим двум входам  амплитудного дискриминатора, выход которого подключен к входу вычислителя. Вычислитель по формуле (1) рассчитывает угол крена  ЛА. Причем вектор напряженности электрического поля излучаемых горизонтально поляризованных электромагнитных волн совпадает с горизонтальной плоскостью, а линейный поляризационный разделитель ориентирован так, что его собственные орты, на которые он разделяет принятую электромагнитную волну, составляет угол - с вертикальной и поперечной осями ЛА соответственно.
Недостаток устройства измерения угла крена ЛА заключается в том, что для его практической реализации необходимо использовать СВЧ двухканальное бортовое приемное оборудование, что увеличивает его габариты и вес. Кроме того, требуется соблюдать идентичность амплитудно-частотных характеристик приемных каналов, чтобы исключить погрешности определения угла крена ЛА.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемой поляризационно-модуляционной радиомаячной системе измерения угла крена ЛА является устройство измерения угла крена ЛА, реализующее поляризационно-модуляционный способ измерения (Патент № 2475862 РФ М.кл.4 G08G 5/02. Заявлена 04 августа 2011 г.) [4].
Суть поляризационно-модуляционного способа измерения угла крена ЛА заключается в том, что из точки с известными координатами излучают горизонтально поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля  которых совпадает с горизонтальной плоскостью. На борту ЛА принимают электромагнитные волны приемной антенной в линейном поляризационном базисе орты которого совпадают с вертикальной и поперечной осями ЛА соответственно, а собственная поляризация приемной антенны линейная и вращается с частотой . Выделяют из принятой горизонтально поляризованной электромагнитной волны линейно поляризованную составляющую совпадающую с правой поперечной полуосью ЛА. В результате вращения плоскости поляризации с частотой , принятый сигнал на выходе логарифмического приемника с линейным детектором становится модулированным по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации  и имеет вид
,    (2)
где  - постоянная величина, учитывающая потенциал передатчика, расстояние от передатчика до ЛА, чувствительность приемника.
Выделяют из принятого сигнала (2) спектральную составляющую на частоте . Измеряют ее фазу  относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации приемной антенны и определяют угол крена  ЛА между поперечной осью ЛА и горизонтальной плоскостью с учетом (2) по формуле
,      (3)
где  - фаза спектральной составляющей на частоте  (в радианах);
- положительный угол крена, когда правое крыло ЛА или его правая поперечная полуось находится ниже горизонтальной плоскости;
- отрицательный угол крена, когда правое крыло ЛА или его правая поперечная полуось находится выше горизонтальной плоскости.
Устройство измерения угла крена ЛА содержит передатчик с подключенной к нему передающей антенной с горизонтальной собственной поляризацией, расположенной в точке с известными координатами, и расположенные на борту ЛА приемную антенну, вращатель плоскости поляризации, выполненный в виде фарадеевского вращателя плоскости поляризации на основе круглого волновода, в центральной части которого помещен ферритовый стержень, расположенный по оси продольного магнитного поля катушки с током, намотанной с внешней стороны круглого волновода, задающий генератор, формирователь опорного сигнала, линейный поляризатор, выполненный в виде перехода волновода с круглого сечения на прямоугольный волновод, логарифмический приемник, полосовой фильтр настроенный на частоту , фазовый детектор и индикатор. При этом выход приемной антенны подключен к сигнальному входу вращателя плоскости поляризации, а его управляющий вход подключен к выходу задающего генератора. Выход вращателя плоскости поляризации подключен к входу со стороны круглого волновода поляризатора, а его выход со стороны прямоугольного волновода подключен к последовательно соединенным логарифмическому приемнику и полосовому фильтру, выход которого подключен к первому входу фазового детектора. Выход задающего генератора подключен к входу формирователя опорного сигнала, а его выход подключен ко второму входу фазового детектора. Выход фазового детектора подключен к входу индикатора. Причем центральная частота полосового фильтра и частота опорного сигнала равны удвоенной частоте вращения плоскости поляризации, а собственные поляризации передающей антенны и линейного поляризатора - линейные горизонтальные.
Работа устройства измерения угла крена ЛА заключается в следующем.
Передатчик, через подключенную к нему передающую антенну, излучает горизонтально поляризованные электромагнитные волны. На борту ЛА горизонтально поляризованные электромагнитные волны принимаются приемной антенной и поступают на сигнальный вход фарадеевского вращателя плоскости поляризации, а на его управляющий вход с выхода задающего генератора подается гармоническое изменение тока подмагничивания с частотой . Вследствие эффекта Фарадея на выходе круглого волновода приводит к вращению плоскости поляризации волны с частотой , распространяющейся по круглому волноводу [4]. С выхода вращателя плоскости поляризации сигнал поступает на вход линейного поляризатора, представляющего собой переход с круглого волновода на прямоугольный, где происходит выделение линейно поляризованной составляющей сигнала совпадающей с правой поперечной полуосью ЛА. В результате вращения плоскости поляризации на выходе логарифмического приемника с линейным детектором формируется сигнал, модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации , имеющий вид (2). Полосовой фильтр выделяет спектральную составляющую на частоте  и этот сигнал поступает на первый вход фазового детектора. С выхода задающего генератора гармонический сигнал с частотой  поступает на вход формирователя опорного сигнала, где формируется гармонический сигнал с удвоенной частотой , который поступает на второй вход фазового детектора. В фазовом детекторе измеряется фаза  спектральной составляющей на частоте , по которой определяется угол крена ЛА. С выхода фазового детектора сигнал поступает на индикатор, шкала которого прокалибрована в градусах угла крена ЛА.
Недостаток устройства измерения угла крена ЛА заключается в том, что при использовании фарадеевского вращателя плоскости поляризации невозможно, как известно [5-7], обеспечить линейность его модуляционной характеристики при гармоническом изменении напряженности магнитного поля. Последнее обусловлено тем, что угол поворота плоскости поляризации выходной волны не линейно зависит от величины тока, протекающего через катушку намотанную с внешней стороны круглого волновода, т.е. не линейно зависит от величины прикладываемого внешнего магнитного поля Н, создаваемого катушкой с током. Линейность обеспечивается только для малых значений Н, когда намагниченность феррита далека от насыщения, соответствующего продольному ферромагнитному резонансу, но при этом не обеспечивается необходимый диапазон вращения плоскости поляризации сигнала [5,6]. Кроме того, ферритовый материал обладает фундаментальным свойством - петлей гистерезисного цикла феррита, которое заключается в том, что кривая первоначального намагничивания феррита по мере увеличения прикладываемого внешнего магнитного поля Н не совпадает с кривой размагничивания феррита при снижении напряженности поля, сохраняя при этом в отсутствии внешнего поля магнитный момент, характеризующийся величиной остаточной магнитной индукцией В, что так же приведет к искажению линейности модуляционной характеристики принятых сигналов [5]. Все перечисленные недостатки устройства измерения угла крена, связанные с нелинейностью модуляционной характеристики принятых сигналов, приведут несомненно к амплитудным и фазовым искажениям огибающей выходного сигнала приемника. Это в свою очередь приведет к амплитудным и фазовым искажениям информативной спектральной составляющей на частоте , содержащейся в принятом сигнале, и крен ЛА будет оцениваться по ней с ошибкой.
На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема поляризационно-модуляционной радиомаячной системы измерения угла крена ЛА, реализующая поляризационно-модуляционный способ измерения угла крена [4].
На фиг. 2 представлена зависимость амплитуды выходного сигнала логарифмического приемника от углового положения полуволновой фазовой пластины.
На фиг. 3 приведена зависимость фазы спектральной составляющей на частоте , от угла крена .
Поляризационно-модуляционная радиомаячная система измерения угла крена ЛА содержит радиомаяк, включающий в себя передатчик 1 и передающую антенну 2, расположенные в точке с известными координатами. На борту ЛА система содержит приемную антенну 3, вращатель плоскости поляризации 4, выполненный в виде вращающейся секции круглого волновода с вмонтированной внутрь полуволновой фазовой пластины, линейный поляризатор 5, задающий генератор 6, синхронный шаговый микродвигатель 7, логарифмический приемник 8, балансный детектор 9, датчик углового положения 10, полосовой фильтр 11, блок формирования опорного сигнала 12, фазовый детектор 13, индикатор угла крена ЛА 14.
Поляризационно-модуляционная радиомаячная система измерения угла крена ЛА работает следующим образом.
Передатчик 1 через передающую антенну 2 с горизонтальной собственной поляризацией, расположенные в точке с известными координатами, излучает в направлении ЛА горизонтально поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля  которых совпадает с горизонтальной плоскостью.
На борту ЛА электромагнитные волны принимаются приемной антенной 3. С выхода приемной антенны 3 сигнал поступает на сигнальный вход вращателя плоскости поляризации с частотой  4, выполненного в виде механически вращающейся с частотой  секции круглого волновода с вмонтированной внутрь полуволновой  фазовой пластиной. Поворот плоскости поляризации принятых горизонтально поляризованных электромагнитных волн, происходит, как известно [5-7], на удвоенный угол ориентации полуволновой фазовой пластины. Поэтому непрерывное механическое вращение с частотой  полуволновой фазовой пластины приводит к тому, что плоскость поляризации принятых электромагнитных волн будет непрерывно вращаться с частотой
.     (4)
Вращение секции круглого волновода обеспечивается синхронным шаговым микродвигателем 7, механически связанным с помощью шестерной зубчатой передачи 1:1 с секцией круглого волновода 4. Частота вращения секции круглого волновода  задается задающим генератором 6, который генерирует непрерывную последовательность импульсов, преобразующихся в поворот вала ротора синхронного шагового микродвигателя 7 на некоторый угол. Поскольку вал ротора синхронного шагового микродвигателя механически связан с секцией круглого волновода с вмонтированной в нее полуволновой фазовой пластиной, а последовательность импульсов, генерируемых задающим генератором 6, поступает на управляющий вход синхронного шагового микродвигателя 7 непрерывно, то происходит непрерывное и равномерное вращение полуволновой фазовой пластины с частотой . Для получения информации об угловом положении полуволновой фазовой пластины вал ротора синхронного шагового микродвигателя 7 одновременно механически связан с датчиком углового положения фазовой пластины 10, выполненным на основе сельсина, ось которого механически связана с помощью зубчатой передачи с шаговым микродвигателем 7. Выходное напряжение сельсина детектируется в балансном детекторе 9. С выхода балансного детектора 9 сигнал поступает в блок формирования опорного сигнала 12, где формируется на его выходе опорное синусоидальное напряжение с учетверенной частотой вращения полуволновой фазовой пластины .
Вращение плоскости поляризации принимаемых электромагнитных волн с частотой  приводит на выходе логарифмического приемника 8, с учетом (4), к амплитудной модуляции сигнала с учетверенной частотой вращения полуволновой фазовой пластины . В полосовом фильтре 11 происходит выделение из принятого сигнала спектральной составляющей на частоте . В фазовом детекторе 13 происходит измерение ее фазы , относительно фазы опорного синусоидального напряжения с учетверенной частотой вращения полуволновой фазовой пластины, по которой оценивается угол крена ЛА, а в индикаторе 14 отображаются результаты измерения угла крена .
Установим связь амплитуды  и фазы  спектральной составляющей на частоте  с углом крена  ЛА.
Для установления этой связи воспользуемся известным [8,9] формализмом векторов и матриц Джонса.
Предположим, что расстояние от радиомаяка до ЛА велико и фазовый фронт волны вблизи ЛА можно считать плоским. Тогда, используя представление плоской однородной электромагнитной волны вектором Джонса [6], излучаемые радиомаяком горизонтально поляризованные электромагнитные волны можно представить в линейном поляризационном базисе в векторной форме (опуская временную зависимость) ввиде
.     (5)
Для описания взаимодействия горизонтально поляризованных волн (5) с высокочастотным трактом бортовой приемной антенной с вмонтированным в СВЧ тракт вращателем плоскости поляризации, выполненным в виде вращающейся секции круглого волновода с встроенной внутрь полуволновой пластиной , 4 воспользуемся оператором Джонса [5, 9]. Предположим, что ЛА имеет в общем случае крен . Тогда вектор Джонса на выходе линейного поляризатора 5, представляющего собой переход с круглого волновода на прямоугольный, с горизонтальной собственной поляризацией может быть найден как результат преобразования
,    (6)
где - вектор Джонса горизонтально поляризованной электромагнитной волны, определяемый (5);
- оператор поворота на угол крена ;  - положительный угол крена ЛА, когда правое крыло или правая поперечная полуось ниже горизонтальной плоскости;  - отрицательный угол крена ЛА, когда правая поперечная полуось ЛА выше горизонтальной плоскости;
- оператор Джонса вращающейся полуволновой фазовой пластины, записанный в линейном поляризационном базисе;  - угол ориентации полуволновой фазовой пластины [9];
- оператор Джонса линейного поляризатора 5 с горизонтальной собственной поляризацией совпадающей с правой поперечной полуосью ЛА [8,9].
- постоянная величина, учитывающая потенциал передатчика и расстояние от него до ЛА.
Выполнив в (6) необходимые преобразования, получим вектор Джонса выходной волны линейного поляризатора 5 в виде
.    (7)
С учетом (7) сигнал на входе приемника, как функция угла ориентации  полуволновой фазовой пластины, можно описать выражением
.    (8)
Амплитуда сигнала на выходе приемника 8 с логарифмической амплитудной характеристикой и линейным детектором будет равна
.   (9)
После преобразований выражение (9), с учетом того, что уровень сигнала в случае логарифмического приемника обычно измеряется в децибелах, при , получим
,   (10)
что полностью согласуется с результатами исследований, полученных авторами в [10]. Там же показано, что если записать вектор Джонса выходной волны линейного поляризатора 5 в опорной системе координат, связанной с радиомаяком, то угол ориентации плоскости поляризации выходной волны линейного поляризатора 5 будет определятся только углом крена , что составляет физическую основу его измерения.
Из (10) следует, что в спектре огибающей выходного сигнала логарифмического приемника присутствует только спектральная составляющая на учетверенной частоте вращения  фазовой пластины  и ее фаза  определяется только углом крена  и не зависит от постоянной . Энергетические параметры определяют постоянную составляющую. Причем ее амплитуда не зависит от угла крена, а ее фаза , с учетом (10), связана с углом крена  соотношением
.     (11)
Необходимо отметить, что фаза  отсчитывается относительно фазы опорного сигнала , определяемой угловым положением полуволновой  фазовой пластины.
Соотношение (10) позволяет рассчитать зависимость амплитуды выходного сигнала логарифмического приемника от углового положения полуволновой фазовой пластины для различных значений . Результаты расчета приведены на фиг. 2, где
Как видно из графиков, амплитудная модуляция сигнала на выходе логарифмического приемника 8 достигает 100%. При этом угол крена не влияет на форму этой зависимости и на глубину амплитудной модуляции, а определяет только ее сдвиг по фазе. Причем за полный оборот полуволновой  фазовой пластины амплитуда выходного сигнала промодулирована учетверенной частотой ее вращения .
Применив преобразование Фурье к соотношению (10), амплитуду спектральной составляющей на частоте  можно определить как [10]
(12)
и при  она достигает своего максимального значения  дБ. В случае, если , то амплитуду  можно рассчитать по найденным значениям амплитуд косинусной  и синусной  квадратурных составляющих на частоте  выходного сигнала приемника (10), которые связаны соотношениями
,     (13)
где
,   (14)
.   (15)
Результаты расчетов (13-15) показали, что амплитуда  постоянна и равна максимальному значению 8,69 дБ и не зависит от угла крена. В тоже время фаза  спектральной составляющей на частоте  определяется только углом крена  и эта зависимость, с учетом (11), как отмечается в [10], носит линейный характер (см. фиг.3).
В 3-см диапазоне длин волн заявляемая поляризационно-модуляционная радиомаячная система измерения угла крена летательного аппарата может быть реализована следующим образом.
В качестве передатчика 1 может использоваться, например, стандартный генератор высокочастотных сигналов типа Г4-83.
В качестве передающей антенны 2 с горизонтальной собственной поляризацией может быть использована рупорная антенна [11], с. 248.
Приемная антенна 3 может быть выполнена в виде круглого рупора см. [12], с. 510.
Вращатель плоскости поляризации 4 выполнен в виде вращающейся секции круглого волновода с вмонтированной внутрь полуволновой  фазовой пластиной [5-10].
Линейный поляризатор 5 с горизонтальной собственной поляризацией выполнен в виде перехода с волновода круглого сечения на волновод с прямоугольным сечением [5-10].
Задающий генератор 6 может быть выполнен в виде стандартного генератора сигналов Г5-54.
Синхронный шаговый микродвигатель 7 используется типа ДШ – 0,025 А.
Логарифмический приемник 8, балансный детектор 9, полосовой фильтр 11, блок формирования опорного сигнала 12, фазовый детектор 13 могут быть выполнены с помощью известных технических решений широко используемых в бортовых радиолокационных системах обзора земной поверхности, применяемых на летательных аппаратах [13].
Датчик углового положения полуволновой фазовой пластины 10 может быть выполнен в виде сельсина [13], ось которого с помощью шестерной передачи связана с валом ротора синхронного шагового микродвигателя 7.
Индикатор 14 может быть выполнен в виде стрелочного прибора, шкала которого прокалибрована в градусах угла крена ЛА.
По сравнению с широко используемыми вращателями плоскости поляризации, основанными на эффекте Фарадея, заявляемая поляризационно-модуляционная радиомаячная система измерения угла крена ЛА, использующая в качестве вращателя плоскости поляризации вращающуюся полуволновую фазовую пластину, позволяет избежать ошибки измерения угла крена ЛА за счет обеспечения линейности модуляционной характеристики принятых сигналов для любых угловых положений полуволновой фазовой пластины.
Источники информации
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. Гулько В. Л. Способ измерения угла крена летательного аппарата и устройство для его реализации Патент RU № 2475863 МПК G08G 5/02, приоритет от  08.04.2011 г.
4. Гулько В. Л. Способ измерения угла крена летательного аппарата и устройство для его реализации Патент RU № 2475862 МПК G0G 5/02, приоритет от  04.08.2011 г.
5. Канарейкин Д.Б., Павлов  Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация  радиолокационных сигналов. М: «Сов. радио», 1966. - 440 с.
6. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. Л.: «Судостроение», 1963. - 328 с.
7. Богородский В.В. Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: «Гидрометеоиздат», 1981. - 279 с.
8. Аззам Р., Башара П.  Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: «Мир», 1981. - 588 с.
9. Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П. Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов. Томск: Издательство Томского университета, 2006. – 349с.
10. Гулько В. Л., Мещеряков А. А. Метод измерения крена летательного аппарата по излученным горизонтально поляризованным сигналам радиомаяка. // Изв. Вузов Приборостроение, 2017. Т 60, № 5, с.с. 412-419.
11. Драбкин А. Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М.: «Советское радио» 1974. - 536 с.
12. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М.: «Энергия», 1966. -648 с.
13. Давыдов П.С. Радиолокационные системы воздушных судов. М.: «Транспорт», 1988. – 359 с.