Малогабаритный бортовой радиовысотомер

Область техники
Полезная модель относится к области радиолокаторов и может быть использована в качестве радиовысотомера для летательных объектов.
Уровень техники
Основная проблема, на решение которой направлена заявленная полезная модель, - отсутствие недорогих высокоточных малогабаритных высотомеров, интегрированных с системами автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), предназначенных для применения в БЛА гражданского назначения малого и среднего класса. В настоящее время в Российской Федерации отсутствует массовое изготовление большинства комплектующих для беспилотных летательных аппаратов, включая радиовысотомеры. Имеющиеся на рынке образцы радиовысотомеров не могут быть массово использованы в БЛА гражданского назначения, поскольку они предназначены, в основном, для использования в пилотируемой авиации и несовместимыми по характеристикам с БЛА малого и среднего класса, либо представлены зарубежными аналогами с высокой стоимостью или худшими характеристиками.
По сравнению с барометрическим методом определения высоты полета, радиовысотомер обеспечивает измерение не средней высоты, а реальной текущей высоты с учетом неровностей местности. Использование спутниковых систем навигации для определения высоты полета также имеет ряд существенных недостатков по сравнению с радиовысотометрией - спутниковая навигация дает среднее значение высоты над геоидом, а неровности местности учитывает по данным электронной карты, что приводит к большим погрешностям в измерении. Кроме того, разрешающая способность (0,3 м) и частота выборок (1 Гц при использовании протокола NMEA) не позволяют использовать значения показателя текущей высоты полета по данным спутниковых навигационных систем в контуре системы автоматического управления (САУ) БЛА.
Из уровня техники известен радиовысотомер малых высот с частотной модуляцией (см. [1] патент РФ на полезную модель №186371, МПК G01S 13/94, опубл. 17.01.2019), содержащий последовательно соединенные устройство поиска-слежения, модулятор, второй выход которого соединен со входом первого измерителя периода модуляции, генератор СВЧ, излучающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, приемник, выполненный любым подходящим и известным способом, частотный (периодный) дискриминатор, имеющий постоянную переходную частоту fд0, выход которого соединен с интегратором устройства поиска-слежения через схему согласования, соединенную с ключом управления устройства поиска-слежения, а также обнаружитель, вход которого соединен с выходом приемника, а его выход - с управляющим входом упомянутого ключа управления устройства поиска-слежения, при этом второй вход приемника соединен со вторым выходом генератора СВЧ, а также многовходовый элемент, входы которого соединены с контрольными выходами всех контролируемых функциональных элементов РВ, например, модулятора, обнаружителя и др. При этом в устройство введены последовательно соединенные устройство согласования уровней напряжений, измеритель числа импульсов преобразованного сигнала за измерительный интервал периода модуляции, двухпороговая схема сравнения данных, при этом вход элемента согласования соединен с выходом усилителя-ограничителя, вход разрешения счета измерителя числа импульсов соединен с выходом модулятора, соединенного одновременно со входом первого измерителя периода модуляции, выход первого измерителя соединен со вторым входом двухпороговой схемы сравнения данных, выход которой соединен с одним из входов многовходового элемента, объединяющего признаки отказов функциональных элементов радиовысотомера.
Недостатком данного аналога является высокие массогабаритные характеристики и погрешность измерений, при этом указанный радиовысотомер предназначен для пилотируемой авиации, не подходит для применения в БЛА.
Из уровня техники известно радиовысотомеры компании УПКБ «Деталь». Однако их основными недостатками являются большая масса, габариты и предназначены они для пилотируемых полетов.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является радиолокационный радиовысотомер компании Ainstein (см. [3] Ainstein US-D1 UAV Standard Radar Altimeter https://sensing.ai/collections/ainstein-radar-products/products/us-d1radar-altimeter) - это датчик миллиметрового радиолокатора, обеспечивающий автономный взлет и автономную посадку для дронов, а также отслеживание местности. Недостатком прототипа является низкий диапазон измеряемых высот (до 50 метров).
Сущность полезной модели
Технической задачей, стоящей перед полезной моделью, является радиолокационное измерение высоты полета над подстилающей поверхностью беспилотного летательного аппарата методом непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), с возможностью измерения скорости, накопления и осреднения разностного сигнала, что дает высокую разрешающую способность, компактные массогабаритные характеристики. Дополнительно полезная модель должно быть простым в использовании и интеграции, а также в обслуживании, за счет отсутствия оптических элементов конструкции.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение массогабаритных характеристик при сохранении высокой эффективности измерений.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счет малогабаритного бортового радиовысотомера содержащего корпус, внутри которого расположены компоненты для определения высоты летательного аппарата, при этом корпус состоит из основания и крышки, по периметру которых выполнена канавка, в которой установлен уплотнитель, компоненты для определения высоты представляют собой плату приемопередатчика и антенн, а также плату низкочастотной части, причем обе платы соединены проволочными перемычками через металлизированные отверстия вплотную друг к другу, а зазор между платами залит клеем на цианоакрилатной основе.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что корпус выполнен из пластика Рr14008.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что плата приемопередатчика и антенн изготовлена из двухслойного фольгированного материала RO4350B толщиной 0,254 мм с фольгой толщиной 0,035 мм.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что на лицевой стороне платы приемопередатчика и антенн смонтирован сам приемопередатчик и две антенные решетки из 32-х излучателей, освобожденные от маски.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что плата низкочастотной части изготовлена из двухслойного фольгированного материала FR4 толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 0,018 мм.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что на тыльной части платы низкочастотной части смонтированы все компоненты схемы (модулятор, двухканальный усилитель-ограничитель разностной частоты, умножитель частоты, микроконтроллер, стабилизаторы напряжения питания, приемопередатчик интерфейса CAN), а входы питания и входы выходы интерфейсов подключены к кабелю, выполненного из 4 витых пар многожильных проводов с разъемом для подключения к летательному аппарату.
Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что по периметру корпуса выполнены фланцы для установки на летательный аппарат при помощи винтов.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 - фотография общего вида малогабаритного бортового радиовысотомера.
На Фиг. 2 - фотография платы приемопередатчика и антенн, установленная в корпусе.
На Фиг. 3 - внешний вид фазированной антенной решетки из 32-х излучателей.
Осуществление полезной модели
Малогабаритный бортовой радиовысотомер (фиг. 1) содержит корпус, внутри которого расположены компоненты для определения высоты летательного аппарата. Корпус состоит из основания и крышки, выполненных из пластика Рr14008, обладающего оптимальной диэлектрической проницаемостью. Детали изготавливается методом литья в силиконовые формы. По периметру основания и крышки предусмотрена канавка для уплотнителя, обеспечивающего герметичность. По периметру корпуса выполнены крепления для установки на летательный аппарат при помощи винтов.
Компоненты для определения высоты представляют собой плату приемопередатчика и антенн, а также плату низкочастотной части. Обе платы соединены проволочными перемычками через металлизированные отверстия вплотную друг к другу. Зазор между платами залит мгновенным клеем на цианоакрилатной основе для обеспечения отсутствия влияния механических напряжений и деформаций на характеристики антенн.
Плата приемопередатчика и антенн изготовлена из двухслойного фольгированного материала RO4350B толщиной 0,254 мм с фольгой толщиной 0,035 мм. На лицевой стороне платы приемопередатчика и антенн смонтирован сам приемопередатчик и две антенные решетки из 32-х излучателей (фиг. 2 и 3), освобожденные от маски.
Плата низкочастотной части изготовлена из двухслойного фольгированного материала FR4 толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 0,018 мм. Тыльной части платы низкочастотной части смонтированы все компоненты схемы (модулятор, двухканальный усилитель-ограничитель разностной частоты, умножитель частоты, микроконтроллер, стабилизаторы напряжения питания, приемопередатчик интерфейса CAN), а входы питания и входы - выходы интерфейсов подключены к кабелю, выполненному из 4 витых пар многожильных проводов с разъемом для подключения к летательному аппарату.
Все детали заявленной полезной модели прочно соединены между собой на заводе изготовителе и образуют единое изделие, направленное на снижение массогабаритных характеристик при сохранении высокой эффективности измерений. Компоновка заявленного малогабаритного бортового радиовысотомер позволяет изготавливать устройство с размерами 120×70×12,1, что позволяет использовать его в беспилотных летательных аппаратах малого и среднего класса.
Устройство работает следующим образом.
Малогабаритный бортовой радиовысотомер закрепляется винтами на корпусе летательного аппарата при помощи фланцев на корпусе. Генерируемый модулятором модулирующий сигнал пилообразной формы модулирует несущую частоту приемопередатчика, выходной сигнал которого излучается передающей антенной решеткой. Отраженный от земли сигнал приходит на приемную антенную решетку, усиливается малошумящим усилителем и детектируется двумя балансными смесителями из состава приемопередатчика. Сигналы разностной частоты прямого и квадратурного каналов поступают с выходов указанных смесителей на плату низкочастотной части, где происходит их дальнейшее усиление, ограничение, удаление шумов. Счет (измерение) учетверенной умножителем разностной частоты осуществляется микроконтроллером. Кроме того, микроконтроллер осуществляет автоподстройку средней несущей частоты, предварительную обработку результата измерения, формирование и выдачу результатов измерения через интерфейсы на систему высшего уровня (автопилот летательного аппарата), подключенную через кабель. Результаты измерений представляют собой реальные значения высоты с минимальной погрешностью для точного позиционирования летательного аппарата над поверхностью земли.