ИМПУЛЬСНЫЙ РАДИОВЫСОТОМЕР
PULSE RADAR ALTIMETER

Предлагаемое изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения высоты полета летательного аппарата при малых и сверхмалых высотах его полета.
Известен импульсный радиовысотомер, содержащий СВЧ радиопередатчик с направленной в сторону земной или водной поверхности антенной, приемник отраженного от этой поверхности СВЧ сигнала, предварительно излученного в ее направлении передатчиком, и аппаратуру для измерения промежутка времени между излучением сигнала и приемом отраженного [см., например, обзор в Интернете методов измерения высоты полета ].
Все перечисленные элементы этого аналога входят и в состав заявляемого устройства.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность измерения высоты в случаях низких и сверхнизких высот полета. Она обусловлена отсутствием учета задержки отраженного сигнала в цепях приемника и соразмерностью разноса между передающей и приемной антеннами радиовысотомера с измеряемой высотой.
Дело в том, что задержка отраженного сигнала в цепях приемника может составлять величину порядка 0,1 мкс, а расстояние R между приемной и передающей антеннами - величину порядка 2 м. Задержка в цепях приемника приводит к увеличению результата измерения высоты относительно фактической примерно на 15 м. Наличие расстояния R между приемной и передающей антеннами приводит к тому, что измеряется не высота Н (перпендикуляр к отражающей поверхности), а наклонная дальность, то есть гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами Н и 0,5R, что дает методическую погрешность измерения . В условиях низких и сверхнизких высот H указанные погрешности недопустимо велики.
Известен также импульсный радиовысотомер по авторскому свидетельству СССР №1672834, G01S 13/94, 1989, содержащий передатчик, управляемый аттенюатор, передающую и приемную антенны, направленные в сторону земной или водной поверхности, измеритель задержки, блок управления, датчик помех и блок автоматической регулировки усиления.
Все перечисленные элементы этого аналога, кроме блока управления, датчика помех и блока автоматической регулировки усиления, входят и в состав заявляемого устройства.
0
В этом радиовысотомере для уменьшения погрешности измерения высоты, вызванной задержкой сигнала в цепях приемника, применяют режим встроенного контроля перед стартом летательного аппарата. В этом режиме искусственно увеличивают коэффициент усиления приемника, что приводит к захвату зондирующего сигнала на выходе приемной антенны за счет ограниченности развязки между приемной и передающей антеннами. При этом измеряется высота Н, определяемая соотношением;
,
0
где t - задержка захваченного зондирующего сигнала в цепях приемника задержки;
8
С=3·10 м/с - скорость света.
0
и
ист
и
0
Информация о высоте H запоминается. Затем в рабочем режиме измеряется высота Н по отраженному сигналу, а истинная высота Н определяется путем вычитания из измеренной величины высоты Н значения высоты H, измеренного в режиме контроля
ист
м
0
Н=Н-H.
0
0
Следует отметить, что в этом случае компенсируется не вся задержка t. Дело в том, что в процессе полета летательного аппарата возможно дополнительное изменение величины задержки t в ту или иную сторону, которое может составлять от 0,03 мкс до 0,06 мкс и привести к ошибке измерения высоты порядка (4,5÷9) м. Что касается методической погрешности ΔН за счет разноса R приемной и передающей антенн, то она в этом аналоге полностью сохраняется.
Таким образом, в радиовысотомере по авторскому свидетельству СССР №1672834, как и в первом аналоге, погрешность определения высоты достаточно велика, что не позволяет достичь в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является импульсный радиовысотомер, защищенный патентом РФ №2258943, G01S 13/94, 2004 г., содержащий последовательно включенные передатчик, управляемый аттенюатор и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну и приемник, измеритель задержки, первый вход которого соединен со вторым выходом передатчика, а второй - с выходом приемника, блок автоматической регулировки усиления, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым выходом измерителя задержки, выходом приемника и вторым выходом измерителя задержки, последовательно соединенные датчик помех, вход которого соединен с выходом приемника, и блок управления, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, первый выход - с управляющим входом управляемого аттенюатора, а второй выход - со вторым входом приемника, СВЧ выключатель, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства отбора мощности передающей антенны, а выход - со входом устройства ввода мощности приемной антенны, и синхронизатор, первый и второй входы которого соединены соответственно с третьим и четвертым выходами измерителя задержки, а второй, третий и четвертый выходы - соответственно с третьим выходом измерителя задержки, управляющим входом передатчика и четвертым входом измерителя задержки.
Все перечисленные признаки радиовысотомера-прототипа, содержащего последовательно соединенные передатчик, управляемый аттенюатор и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, приемник, и измеритель задержки, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым выходом передатчика и первым выходом приемника, кроме блока автоматической регулировки усиления, блока управления, датчика помех, СВЧ выключателя, синхронизатора и их связей являются и признаками заявляемого радиовысотомера.
0
В этом радиовысотомере режим контроля реализуется непосредственно в полете летательного аппарата с достаточно высоким темпом, поэтому накапливаемая нестабильность задержки t сигнала в приемнике пренебрежимо мала.
Что касается методической погрешности ΔН за счет разноса R приемной и передающей антенн, то она заранее рассчитывается для всего диапазона низких высот и хранится в памяти измерителя задержки. Промежуток времени между излучением передатчиком зондирующего сигнала и поступлением в приемник отраженного сигнала измеряется обычным методом, а записанная в память погрешность учитывается при окончательном определении высоты.
Причинами, препятствующими достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются сложность реализации радиовысотомера, относительно узкий диапазон измеряемых частот и недостаточная помехоустойчивость.
Сложность прототипа обусловлена тем, что в его аппаратурный состав помимо присущих любому радиовысотомеру передатчика, приемника и измерителя задержки входят устройство отбора мощности передающей антенны, устройство ввода мощности приемной антенны, СВЧ переключатель, синхронизатор, датчик помех, блок управления и блок автоматической регулировки усиления. Большое количество элементов в аппаратурном составе радиовысотомера существенно снижает его надежность.
Для эффективной регулировки усиления блок автоматической регулировки усиления (АРУ) должен реализовать два вида регулировки (поддержания постоянства амплитуды импульсов) сигнала на выходе приемника: мгновенную (МАРУ) и временную (ВАРУ). Последняя подразумевает адаптацию коэффициента усиления приемника или затухания, вносимого управляемым аттенюатором, к измеряемой высоте полета летательного аппарата, которой соответствует промежуток времени, отсчитываемого с момента излучения зондирующего импульса. Для обеспечения эффективной работы в широком диапазоне измеряемых высот закон ВАРУ должен изменяться при переходе от одного участка этого диапазона к другому, то есть в блоке АРУ по сути должно быть реализовано несколько законов ВАРУ. Это значительно усложнило бы блок АРУ. Фактически в блоке АРУ прототипа ВАРУ не реализована, реализована только МАРУ. Это существенно сужает диапазон высот, измеряемых прототипом.
Следует отметить, что для обеспечения широкого диапазона измеряемых высот представляется целесообразным с изменением высоты полета летательного аппарата изменять и параметры модуляции зондирующего сигнала (длительность и период следования излучаемых радиоимпульсов). Кроме того, для обеспечения помехозащищенности в радиовысотомерах зачастую применяют "вобуляцию" периода следования излучаемых радиоимпульсов, представляющую собой дополнительное изменение периода следования от импульса к импульсу по случайному закону в пределах ±(1(10÷20)% от среднего периода следования. Это затрудняет разведку параметров модуляции зондирующего сигнала и исключает создание активных имитационных помех радиовысотомеру. Эти меры значительно усложнили бы синхронизатор и измеритель задержки. Фактически в прототипе реализовано однократное изменение параметров модуляции зондирующего сигнала с изменением высоты, а вобуляция периода следования излучаемых радиоимпульсов отсутствует. Это существенно снижает помехозащищенность прототипа.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение радиовысотомера, повышение его надежности и помехозащищенности и расширение диапазона измеряемых высот.
Для достижения указанного технического результата в известный импульсный радиовысотомер, содержащий последовательно соединенные передатчик, управляемый аттенюатор и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну и приемник, и измеритель задержки, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым выходом передатчика и первым выходом приемника, введен блок управления, контроля и вычисления результатов измерений, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым выходом приемника и выходом измерителя задержки, первый, второй и третий выходы - с управляющими входами управляемого аттенюатора, приемника и передатчика соответственно, а четвертый выход является выходом радиовысотомера.
Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых совокупность вновь введенного блока и его связей с остальными элементами заявляемого радиовысотомера были бы описаны. Поэтому предлагаемый радиовысотомер следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 приведена структурная схема заявляемого радиовысотомера.
Радиовысотомер включает в себя передатчик 1, приемник 2, измеритель 3 задержки, управляемый аттенюатор 4, передающую антенну 5, приемную антенну 6 и блок 7 управления, контроля и вычисления результатов измерений.
Передатчик 1, аттенюатор 4 и антенна 5 соединены последовательно. Первый и второй входы измерителя 3 соединены соответственно со вторым выходом передатчика 1 и первым выходом приемника 2, а выход - со вторым входом блока 7. Первый и третий выходы блока 7 соединены с управляющими входами аттенюатора 4 и передатчика 1 соответственно, а четвертый выход является выходом радиовысотомера.
Управление работой радиовысотомера осуществляется с помощью блока 7.
0
Радиовысотомер имеет два режима работы: вспомогательный режим "Контроль", предназначенный для проверки работоспособности радиовысотомера и измерения задержки t отраженного от подстилающей поверхности сигнала во внутренних цепях приемника 2, и основной режим "Измерение высоты", собственно и предназначенный для измерения высоты полета летательного аппарата.
В режиме "Контроль" блок 7 формирует на своем первом выходе управляющий сигнал, соответствующий минимуму затухания аттенюатора 4, а на втором - сигнал, соответствующий максимальной чувствительности приемника 2, то есть максимальному коэффициенту усиления его усилителя. На третьем выходе блока 7 формируется последовательность прямоугольных видеоимпульсов с фиксированными длительностью порядка 0,1 мкс, периодом следования порядка 10 мкс и амплитудой, соответствующей уровню логической единицы. Сформированные блоком 7 управляющие сигналы поступают:
- с первого выхода блока 7 на управляющий вход аттенюатора 4;
- со второго выхода блока 7 на второй вход приемника 2;
- с третьего выхода блока 7 на управляющий вход передатчика 1.
Передатчик 1 преобразует поступившие на его управляющий вход видеоимпульсы в радиоимпульсы СВЧ и усиливает их по мощности. Кроме того, поступившие на управляющий вход видеоимпульсы поступают через второй выход передатчика 1 на первый вход измерителя 3. Усиленные по мощности радиоимпульсы с первого выхода передатчика 1 в качестве зондирующего сигнала поступают на сигнальный вход аттенюатора 4.
Проходя через аттенюатор 4, имеющий в соответствии с сигналом на своем управляющем входе минимальное затухание, зондирующий сигнал поступает на вход антенны 5, дополнительно усиливается ею и излучается в направлении подстилающей поверхности. Чувствительность приемника 2 в этом режиме в соответствии с управляющим сигналом на его втором (управляющем) входе максимальна. Мощность зондирующего сигнала на выходе антенны 5 также максимальна и достаточна для преодоления развязки между выходом антенны 5 и входом антенны 6, поэтому этот сигнал попадает в антенну 6, усиливается ею и поступает на первый вход приемника 2. Поступивший на первый вход приемника 2 недостаточно подавленный аттенюатором 4 зондирующий сигнал захватывается приемником 2 на сопровождение.
0
Поступившие на первый вход приемника 2 зондирующие радиоимпульсы детектируются, то есть преобразуются в синхронные с зондирующими радиоимпульсами видеоимпульсы, которые с первого выхода приемника 2 поступают на второй вход измерителя 3. При этом временной сдвиг t видеоимпульсов на втором входе измерителя 3 и первом выходе приемника 2 относительно зондирующих импульсов на первом входе измерителя 3 равен задержке сигнала во внутренних цепях приемника 2.
Необходимая для устойчивой работы приемника 2 автоматическая регулировка его усиления для поддержания постоянства амплитуды сопровождаемого им сигнала осуществляется с помощью блока 7. В нем рассчитываются управляющие сигналы как для МАРУ, так и для ВАРУ. В качестве исходной информации для расчета управляющего сигнала на первый вход блока 7 со второго выхода приемника 2 поступает код амплитуды формируемых приемником 2 видеоимпульсов.
0
Таким образом, с помощью приемника 2 и блока 7 на первом входе измерителя 3 формируются видеоимпульсы, совпадающие по времени с излучаемыми антенной 5 зондирующими импульсами, а на его втором входе - видеоимпульсы, сдвинутые во времени относительно видеоимпульсов на первом входе на время t, равное времени прохождения зондирующего сигнала через приемник 2.
0
С помощью измерителя 3 осуществляется оценка временного сдвига tмежду импульсами на первом и втором входах измерителя 3. Эта оценка включает в себя три этапа:
- поиск принятого приемником 2 импульса;
- обнаружение (точная фиксация факта обнаружения наличия) принятых импульсов;
0
- собственно измерение временного сдвига t.
к
Оценим полное время Т контроля, то есть время, необходимое для выполнения перечисленных операций. Можно записать:
к
п
обн
и
Т=T+Т+Т,
п
обн
и
0
где Т, Т и Т - время поиска импульсов, время обнаружения импульсов и время измерения временного сдвига t соответственно.
0
0max
Строб поиска передвигается со скоростью порядка Δt=0,01 мкс за один период Т следования импульсов. Если принять максимальный временной сдвиг t равным t=0,2 мкс, а период Т=10 мкс, то максимальное время поиска
.
-11
обн
Для надежного обнаружения импульсного сигнала при заданных отношении "сигнал/шум" и вероятностях правильного обнаружения и ложных тревог осуществляют накопление достаточного количества L импульсов. В соответствии с книгой [Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. - М.: Сов. радио, 1960, с.244, рис.36], при типовых отношении "сигнал/шум" ρ=16 дБ, вероятности правильного обнаружения D=0,999 и вероятности ложных тревог F=10 необходимо принять L=4 импульса. Поэтому время обнаружения Т определится:
обн
Т=L·T=4·10=40 мкс.
0
0
0
Измерение временного интервала t основано на подсчете числа коротких импульсов стабильной высокой частоты, умещающихся в интервале t. Подсчет осуществляется многократно. Результаты подсчета усредняются, а в качестве результата измерения интервала t принимается результат этого усреднения.
0
Для обеспечения высокой точности измерения временного сдвига t необходимо производить усреднение достаточно большого числа N единичных измерений этого сдвига. Число N измерений связано с погрешностью дискретизации соотношением:
,
∂
где σ - среднее квадратическое отклонение результата измерения высоты;
С - скорость света;
f - тактовая частота счетных импульсов.
9
∂
Если принять f=10 Гц, σ=0,015 м, то получим:
и
Время измерения составит Т=N·T=17·10=170 мкс.
к
Полное время Т контроля составит:
к
п
обн
и
Т=Т+Т+Т=200+40+170=410 мкс=0,41 мс.
к
0
Столь малое время Т контроля позволяет измерять временной сдвиг tкак в предстартовых (предполетных) проверках радиовысотомера, так и непосредственно в процессе полета летательного аппарата.
0
Измеренное значение временного сдвига t поступает с выхода измерителя 3 на второй вход блока 7.
В режиме "Измерение высоты" блок 7 формирует на своем первом выходе управляющий сигнал, под действием которого затухание аттенюатора 4 увеличивается, а на третьем выходе - последовательность прямоугольных видеоимпульсов с амплитудой, соответствующей логической единице. Период следования импульсов на третьем выходе блока 7 и управляющем входе передатчика 1 изменяется по псевдослучайному закону в пределах ±20% относительно среднего. Длительность этих импульсов порядка 1 мкс, а скважность порядка 100, при этом они могут изменяться с изменением высоты полета летательного аппарата - носителя радиовысотомера по определенной программе.
Передатчик 1, как и в режиме "Контроль", формирует и усиливает по мощности зондирующий СВЧ сигнал, однако этот сигнал представляет собой измененные по сравнению с режимом "Контроль" радиоимпульсы (изменены длительность и период следования радиоимпульсов, причем период следования изменяется по псевдослучайному закону). Кроме того, как и в режиме "Контроль" поступающие на управляющий вход передатчика 1 видеоимпульсы транслируются через его второй выход на первый вход измерителя 3. Усиленный по мощности зондирующий сигнал с первого выхода передатчика 1 через аттенюатор 4 поступает на вход антенны 5, усиливается ею и излучается в направлении подстилающей поверхности.
При увеличении затухания аттенюатора 4 мощность зондирующего сигнала на выходе антенны 5 становится недостаточной для преодоления развязки между антеннами 5 и 6, и на вход антенны 6 попадает только отраженный от подстилающей поверхности предварительно излученный антенной 5 зондирующий сигнал. Этот сигнал поступает на первый вход приемника 2 и захватывается им на сопровождение.
Как и в режиме "Контроль" поступившие на первый вход приемника 2 зондирующие радиоимпульсы детектируются (преобразуются в синхронные с излученными антенной 5 радиоимпульсами видеоимпульсы, которые с первого выхода приемника 2 поступают на второй вход измерителя 3). Для поддержания постоянства амплитуды этих видеоимпульсов с помощью блока 7 формируются управляющие сигналы МАРУ и ВАРУ, которые в данном случае поступают как на второй (управляющий) вход приемника 2, так и на управляющий вход аттенюатора 4.
и
0
Таким образом, с помощью приемника 2 и блока 7 на первом входе измерителя 3 формируются видеоимпульсы, совпадающие по времени с излученными антенной 5 в направлении подстилающей поверхности зондирующими радиоимпульсами, а на его втором входе - видеоимпульсы, сдвинутые во времени относительно видеоимпульсов на первом входе. Однако теперь радиоимпульсы зондирующего сигнала поступают на первый вход приемника 2 по пути "антенна 5 - подстилающая поверхность - антенна 6", поэтому временной сдвиг tмежду видеоимпульсами на первом и втором входах измерителя 3 содержит не только время t прохождения зондирующего сигнала через приемник 2, а и интервал времени прохождения этого сигнала от антенны 5 до подстилающей поверхности и от подстилающей поверхности до антенны 6.
и
0
и
Оценка временного сдвига t, как и оценка временного сдвига t, осуществляется измерителем 3. Результат оценки t поступает с выхода измерителя 3 на второй вход блока 7.
Оценка высоты Н полета летательного аппарата производится в блоке 7 путем ее расчета по формуле:
где С - скорость света;
R - расстояние между центрами антенн 5 и 6.
Результат расчета поступает на четвертый выход блока 7. При необходимости в состав радиовысотомера может быть включен индикатор (дисплей), и результат вычисления высоты Н с четвертого выхода блока 7 вынесен на дисплей.
0
Режим "Контроль" достаточно осуществлять один раз в секунду, и с этим темпом обновлять (или подтверждать) измеренное значение временного сдвига t. Остальное время радиовысотомер может работать в режиме "Измерение высоты", отслеживая изменение высоты полета летательного аппарата.
Предлагаемый радиовысотомер достаточно легко реализуем.
Блок 7 может быть выполнен на основе программируемых логических интегральных схем типа FLEX фирмы "ALTERA". Он может быть реализован также на основе микроконтроллера типа SBC 8360 фирмы "AXIOM". Функции блока 7 может также выполнять бортовой компьютер летательного аппарата-носителя радиовысотомера при осуществлении программирования этого компьютера на выполнение соответствующих функций и установлении соответствующих связей с остальными элементами радиовысотомера.
В качестве остальных элементов предлагаемого радиовысотомера (передатчика 1, приемника 2, измерителя 3, аттенюатора 4, антенн 5 и 6) могут служить соответствующие элементы радиовысотомера-прототипа.
В предлагаемом радиовысотомере, как и в прототипе, имеет место режим "Контроль", позволяющий исключить погрешность измерения высоты, обусловленную задержкой отраженного от подстилающей поверхности сигнала при прохождении через приемник. Исключена также методическая погрешность измерения высоты, обусловленная пространственным разносом приемной и передающей антенн. Это позволяет сделать вывод, что точность измерения высоты в предлагаемом радиовысотомере не ниже, чем в прототипе.
Однако, в предлагаемом радиовысотомере в отличие от прототипа реализована не только МАРУ, а и ВАРУ. Кроме того, здесь предусмотрена многократная автоматическая смена параметров модуляции зондирующего сигнала с изменением высоты полета носителя радиовысотомера. Это позволяет сделать вывод, что диапазон измеряемых высот у предлагаемого радиовысотомера шире, чем у прототипа.
В предлагаемом высотомере предусмотрена "вобуляция" периода следования зондирующих радиоимпульсов. Это затрудняет разведку параметров модуляции зондирующего сигнала и исключает создание активных имитационных помех радиовысотомеру, что в конечном итоге повышает помехозащищенность предлагаемого радиовысотомера по сравнению с прототипом.
Аппаратурно предлагаемый радиовысотомер значительно проще, чем прототип. Блок 7, как отмечалось выше, в принципе в аппаратурный состав радиовысотомера вообще может не входить, а его функции при этом может выполнять бортовой компьютер носителя радиовысотомера. Кроме того, в аппаратурном составе предлагаемого радиовысотомера отсутствуют такие входящие в аппаратурный состав прототипа элементы, как СВЧ переключатель, устройство отбора мощности передающей антенны, устройство ввода мощности приемной антенны, датчик помех, блок управления, блок АРУ и синхронизатор. Большая простота (меньшее количество элементов в аппаратурном составе) предлагаемого радиовысотомера обеспечивает ему более высокую надежность.
Таким образом, предлагаемый радиовысотомер в сравнении с прототипом характеризуется большей простотой, более широким диапазоном измеряемых высот, а также более высокими надежностью и помехозащищенностью.