БОРТОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ И ЕЕ КОНСТРУКТИВ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для обзора земной поверхности в нижней части передней полусферы, измерения высоты полета легких маневренных самолетов и вертолетов, имеющих минимум приборного оборудования. Также может быть использовано для предупреждения столкновений с другими летательными аппаратами, высоковольтными линиями электропередач, вышками, трубами и т.д.
Легкомоторная авиация (ЛА) - это вид авиации малого тоннажа (1-3 т) и пассажировместимости (4-12) человек, включая пилота. Этот вид авиации очень широко распространен в США, Канаде, Австралии и других странах, так, например, в США общее число легкомоторных самолетов достигает нескольких сот тысяч. В настоящее время легкомоторная авиация получает широкое распространение и в России, если ранее широко выпускался только один вид легкомоторного самолета (широкоизвестный Ан-2), то в настоящее время, почти все самолетостроительные фирмы выпускают легкомоторные самолеты, например Бе-103, Че-25 и др. Особенностью таких самолетов (включая зарубежные) является минимум приборного пилотажного оборудования: в основном это указатель скорости, приемник воздушного давления с датчиком угла атаки и скольжения, и высотомер, даже авиагоризонт ставится далеко не на всех типах, а радиолокатор не ставится нигде, по вполне понятным причинам, хотя необходимость и желательность его применения очевидна. С развитием микросхемотехники и микроволновой техники эта задача становится реальностью.
Следует также отметить, что в ЛА обычно применяются барометрические указатели высоты полета, что вполне достаточно при полетах на равнинной местности, но не в холмистой, тем более в горной, особенно в условиях плохой видимости. Желательно иметь радиовысотомер, но это, конечно, увеличение веса: вместе с индикатором, антеннами (передающей и приемной) даже при современном
уровне микроэлектроники это ≈4 кГ, что далеко не всегда приемлемо. Поэтому при наличии на борту радиолокатора напрашивается использовать синхронизирующую вычислительную и индикаторную часть обзорного радиолокатора для измерения и индикации высоты полета, антенная система радиовысотомера, конечно, будет отдельная. Это значительно уменьшит габаритно-массовые характеристики (ГМХ) радиовысотомера. Кроме, того, себестоимость также значительно снизится.
Известен самолетный радиолокатор обзора передней полусферы и земной поверхности, который устанавливаются почти на всех средне и дальнемагистральных самолетах гражданской авиации СССР, России и СНГ, см. «Развитие авиационной науки и техники в СССР», Наука, М, 1980 г., стр.386, 391. Этот радиолокатор, а точнее радиолокационный визир (РЛВ) «Гроза» служит для определения местоположения самолета относительно контрастных в радиолокационном отношении ориентиров и выявления безопасных проходов в грозовых фронтах.
При удачной конструкции и приемлемых тактико-технических характеристик этот РЛВ обладает также большими ГМХ и потребляемой мощностью, т.е. о применении его на самолетах легкомоторной авиации говорить не приходится.
Известны спутниковые системы навигации, т.е. определение местонахождения самолета в данный конкретный момент, показывающие географическую широту и долготу, также воздушную обстановку в радиусе 10-15 км от данного самолета, см. «Портативные приемники» в Интернете Garvin.ru, авиационные приемники, GPS 12 Pilot+.
При крайне малых ГМХ эта система обладает следующими недостатками:
- довольно дорогая, порядка нескольких тысяч долларов;
- не показывает (не сигнализирует) об опасном сближении с другим самолетом.
В настоящее время в тяжелой и средней (по тоннажу) авиации широко используется международная «Система предупреждения столкновений TCAS», которой пользуется почти вся мировая авиация, для предупреждения столкновений
в воздухе и с земной поверхностью. Эта система также дорога, имеет довольно большие ГМХ (масса с антеннами >2 кГ), требует наличие двух выступающих антенн, не показывает радиолокационный рельеф земной поверхности, например земля/вода, не показывает наличие грозовых фронтов, требует оборудования всех самолетов активными ответчиками, см. www.avion.ru.
Известен радар (радиолокатор) CRS для вертолета боевой поддержки Longbow (Хью Кобра) США, который обладает следующими техническими характеристиками:
- дальность действия 8 км;
- ультракороткий диапазон;
- обнаружение и сопровождение воздушных целей в передней полусфере;
- радиолокационная обстановка земной поверхности (земля/вода);
- выдача информации на индикатор.
Недостатки: большие ГМХ: длина 175 см, диаметр 17,8 см, масса 49 кГ. Находится на внешней подвеске на пилоне, отсюда излишнее лобовое сопротивление, а также функциональная избыточность для ЛА.
Известен «Моноимпульсный когерентный радиолокатор», см. патент РФ №2234714, в котором при минимальных ГМХ получены высокие технические характеристики, но нет радиовысотомера, также при полете на высотах более 1000 м обзор земной поверхности затруднен в силу узкой диаграммы направленности фазированной антенной решетки, т.е. недостаточно функционален - ПРОТОТИП.
Технической задачей является повышение безопасности полета легкомоторного самолета за счет:
- выдачи визуальной информации (отображение ее на экране индикатора) пилоту о воздушной и наземной радиолокационной обстановке в передней полусфере;
- выдача тревожной звуковой (речевой) и световой информации об опасном сближении с другим самолетом или высоким наземным препятствием (типа вышки, трубы, линии ЛЭП и др.);
- выдача на экране индикатора визуальной информации о высоте полета над рельефом местности, что особенно важно в горных условиях.
Для решения поставленной задачи предлагается бортовая радиолокационная станция и ее конструктив, содержащая три фазированные антенные решетки и общую задающе-приемную часть, отличающаяся тем, что каждая фазированная антенная решетка содержит четыре дипольных излучателя и сумматор, а задающе-приемная часть является общей для трех фазированных антенных решеток и содержит коммутатор, передатчик, приемник, циркулятор, синхронизатор и ЖКИ со следующими соединениями: дипольные излучатели каждой ФАР соединены с сумматорами, которые первым, вторым и третьим входами/выходами соединены с коммутатором, синхронизатор соединен с управляющими входами передатчика, приемника и ЖКИ, а четвертым входом/выходом - с коммутатором; выход передатчика соединен с входом циркулятора, выход которого соединен с входом приемника, а выход последнего - с входом ЖКИ, вход/выход циркулятора соединен с коммутатором; первая фазированная антенная решетка расположена перпендикулярно продольной оси самолета, вторая - под углом 45° вниз, третья - параллельно горизонтальной плоскости самолета; индикатор выполнен на ЖКИ и имеет с левого края вертикальную ленточную шкалу, на которой высвечивается текущая высота полета, сегментную шкалу, по центру которой высвечивается воздушная радиолокационная обстановка передней полусферы, причем сближение с самолетом или препятствием высвечивается яркостной отметкой с указанием дальности и скоростью сближения или удаления, а с правого края индицируется радиолокационная обстановка земной поверхности, например, вода/земля; каждая фазированная антенная решетка состоит из четырех дипольных излучателя, расположенных ромбом, а точка возбуждения этих диполей соединены с выходом сумматора таким образом, что образуют линейку вертикальной поляризации; дипольные излучатели каждой фазированной антенной решетки расположены на общем основании размером 25×25×7 мм, вес каждой антенной решетки не превышает 1 кГ, общее основание выполнено из диэлектрического материала.
На фиг.1 показана структурная схема станции, на фиг.2 - индикатор на жидко-кристаллическом дисплее (ЖКИ) с отметками воздушных целей, высоте полета непосредственно самолета и радиолокационного рельефа местности, на фиг.3 - показано расположение дипольных излучателей в каждой ФАР, на фиг.4 - расположение фазированных антенных решеток (ФАР) на самолете (примерное), на которых изображено: 1, 2 и 3 - ФАР1, ФАР2 и ФАР3 с дипольными излучателями (Д1 - Д4) и сумматорами (Σ), 4 - коммутатор, 5 - передатчик, 6 - циркулятор, 7 - приемник, 8 - синхронизатор, 9 - ЖКИ, 10 - задающе-приемная часть, 11 - радиопрозрачный нос (обтекатель) самолета, 12, 13 и 14 - диаграммы направленности ФАР1, ФАР2 и ФАР3 соответственно.
Структурная схема имеет следующие соединения. Дипольные излучатели Д1 - Д4 каждой ФАР (1-3) соединены со своими сумматорами, которые первым, вторым и третьим входами/выходами соединены с коммутатором 4, синхронизатор 8 соединен с управляющими входами передатчика 5, приемника 7 и ЖКИ 9, а четвертым входом/выходом - с коммутатором 4; выход передатчика 5 соединен с входом циркулятора 6, выход которого соединен с входом приемника 7, а выход последнего - с входом ЖКИ 9, вход/выход циркулятора соединен с коммутатором 4.
Указанные узлы и блоки станции быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС: синхронизатор 8 - по схеме, см. «Полупроводниковая схемотехника» У.Титце и К.Шенк, М, Мир, 1982, стр.300-301; приемник 7 по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996 г, стр.84; коммутатор 4 - см. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.И.Воскресенского, М, Р и С, 1994, стр.329-333; циркулятор 6 по схеме, см. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.И.Воскресенского, М, Р и С, 1994, стр.329-333; передатчик 5 - см. «Микроэлектронные устройства СВЧ» под ред. Г.Н.Веселова, М, Высшая школа, 1988, стр.173, 201; микроконтроллер для управления ЖКИ 9 (на схеме условно не показан) - это, например, микропроцессор фирмы Jntel 80C 188 ЕС-16, см Каталог «Сектор электронных компонентов. Россия-99», М, ДОДЕКА, 1999,
стр.487; ЖКИ - фирмы POWERTYPPG-12864A 128×64 точки с подсветкой, см. Aktiv-Matrix-LCD's LDE052T-12 320×40 5,1 N 46029, TECHNISCHER КАТАLOG 96/97 г., фирмы Setron, стр.466 38032, Brauschweig, Cermany; фазированные антенные решетки, см. патент РФ №2234714.
1
Бортовая радиолокационная станция работает следующим образом. Синхронизатор 8 определяет все временные соотношения станции в целом и ее блоков и узлов между собой. Подается сигнал на управляющий вход передатчика 5, по которому на его выходе образуются радиоимпульсы с частотой заполнения f, которые через коммутатор 4 по сигналу с синхронизатора 8 поступают на первую фазированную антенную подрешетки, где через диполи излучаются в пространство. Первая ФАР образует тракт радиовысотомера, а вторая ФАР образует дальномерный тракт, третья ФАР образует тракт обзора земной поверхности нижней передней полусферы. После излучения радиоимпульса в каждом тракте по сигналу синхронизатора 8 коммутатор 4 переключается на прием. Отраженные радиоимпульсы от земной поверхности и от цели, например, встречного самолета последовательно принимаются ФАР1, ФАР2 и ФАР3 и через циркулятор 6 поступают на приемник 7, где усиливаются, обрабатываются и поступают на ЖКИ 9, где по известной формуле L=v·t/2 определяется расстояние до земной поверхности (высота) и до цели, также определяется радиолокационный рельеф земной поверхности, а по эффекту Доплера определяется скорость сближения (в дальномерном тракте).Эти обработки и вычисления производятся в встроенном микроконтроле (МК) ЖКИ 9 или в отдельном МК. Обработанные импульсы поступают на индикатор ЖКИ 9, где высвечивается следующая индикация: радиовысота в виде вертикального столбца с цифровой индикацией, а дальность до цели в виде яркостной отметки с указанием скорости сближения (удаления), также высвечивается радиолокационный рельеф земной поверхности в передней полусфере.
Данное построение станции и ее конструктива позволяют минимизировать электронную схему и, в небольших габаритах вычислительной части и индикатора, совместить измерение высоты, дальности и рельефа. Фазированные антенные
решетки ФАР1 - ФАР3 имеют каждая четыре дипольных излучателя, сами решетки имеют габариты 25×25×7 см, весом до 1 кг, что достаточно мало. При этом технические характеристики по результатам испытаний следующие:
(при частоте излучения 1,2-1,3 ГГц) общий вес радиолокационной станции вместе с тремя антеннами не более 4 кг, дальность действия дальномера 10-12 км, определение высоты (Н) 50-5000 м с погрешностью 0,01 H, мощность в импульсе менее 100 Вт, τ имп=100 мкс (с перестройкой по времени), частота повторения 10 кГц, общая ширина ДН 20°, ДН каждого дипольного излучателя игольчатая не менее 5° по вертикали и горизонтали, число излучателей в каждой антенне (при приведенных данных) равно 4, сложение мощностей излучателей по каждой ФАР - пространственное.
Вес современных только радиовысотомеров типа А-052, А-053 вместе с антеннами и индикатором составляет 3-4 кГ, что для ЛА великовато.
Построение же конструктива по предложенной схеме, т.е. совмещение определения высоты, дальности и рельефа с одним блоком управления, вычисления и индикации проводит к значительному снижению ГМХ при вполне удовлетворительных технических характеристиках. Данный конструктив позволяет оснастить ими большинство самолетов малой авиации, что значительно повысит безопасность полетов. Предлагаемая станция позволяет дополнительно отслеживать радиорельеф местности (суша/вода) и обнаруживать грозовые фронты, что еще более увеличивает комфортность управления.