СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА КРЕНА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO MEASURE ROLL ANGLE OF MOBILE OBJECT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться, например, в пилотажно-навигационных системах ориентации летательного аппарата (ЛА) при его заходе на посадку по приборам.
Известные способы и устройства измерения угла крена подвижного объекта основаны на использовании инерциальных систем навигации, в частности гироскопических систем ориентации [1-4]. Применительно к ЛА, таким инерциальным системам навигации присущ ряд недостатков. Во-первых, с течением времени происходит постоянное накапливание ошибки измерений и за один час полета она составляет величину единицы градусов [2, 3]. Во-вторых, если ЛА развивает значительные перегрузки, то происходит увеличение собственной скорости прецессии гироскопа, что в ряде случаев может привести к полной потере его работоспособности [2].
Поскольку известные инерциальные средства измерения угла крена подвижного объекта основаны на другом физическом принципе, по сравнению с заявляемым, то они не могут рассматриваться в качестве аналогов, так как не имеют общих признаков.
Известны способ измерения пеленга подвижного объекта и устройство для его реализации (патент СССР №1251003, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 29.01.85) [5].
Способ измерения пеленга подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами, расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На подвижном объекте принимают ортогонально поляризованные электромагнитные волны и измеряют разность фаз Δφ между ними. После чего определяют пеленг β подвижного объекта относительно нормали к середине линии, соединяющей точки излучений электромагнитных волн, по формуле:
где λ - длина волны излучаемых ортгонально поляризованных электромагнитных волн.
Недостатком этого способа является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в измерении только одного навигационного элемента - пеленга подвижного объекта и не измеряет его угол крена.
Устройство для измерения пеленга подвижного объекта содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными поляризациями, расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга и расположенным на подвижном объекте приемную всеполяризованную антенну, линейный поляризационный разделитель, амплитудно-фазовый дискриминатор и вычислитель. При этом вход линейного поляризационного разделителя подключен к выходу приемной всеполяризованной антенны, два его выхода подключены к двум входам амплитудно-фазового дискриминатора, а его выход подключен к входу вычислителя. Причем линейный поляризационный разделитель ориентирован так, что его орты собственной системы координат совпадают с осями плеч прямоугольных волноводов и составляют угол 45° с плоскостью измерений. Работа устройства заключается в том, что передатчик через подключенные к нему двумя передающими антеннами излучает ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны. На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна принимается всеполяризованной антенной и поступает на линейный поляризационный разделитель, где происходит разделение поступающей, на вход суммарной электромагнитной волны на две линейные ортогональные по поляризации электромагнитные волны. В амплитудно-фазовом дискриминаторе происходит измерение амплитуд ортогонально линейно поляризованных сигналов, формируется их отношение и измеряется разность фаз Δφ, в соответствии с (1) рассчитывает пеленг подвижного объекта.
Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что измеряется только пеленг подвижного объекта и не возможно измерить его угол крена.
Известна навигационная система для измерения пеленга подвижного объекта (А.с. №1355955, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 9.12.85) [6], в которой устраняется влияние угла крена подвижного объекта на точность измерения его пеленга. Эта навигационная система содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными поляризациями, расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга. Причем излучаемые ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны имеют равные амплитуды, фазы и длины волн. На подвижном объекте навигационная система содержит приемную всеполяризованную антенну, секцию круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной, вход которой подключен к выходу приемной всеполярпзованной антенны, линейный поляризационный разделитель, вход которого подключен к выходу секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной, амплитудный дискриминатор, два входа которого подключены к двум выходам линейного поляризационного разделителя и вычислитель, вход которого подключен к выходу амплитудного дискриминатора. Причем четвертьволновая фазовая пластина ориентирована под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя.
Особенность работы этой навигационной системы заключается в том, что сочетание секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной с линейным поляризационным разделителем позволяет организовать на подвижном объекте прием ортогонально линейно поляризованных электромагнитных волн в круговом поляризационном базисе. Поэтому отношение амплитуд ортогонально поляризованных сигналов, формируемое на выходе амплитудного дискриминатора, определяется только разностью фаз Δφ между излучаемыми электромагнитными волнами и не зависит от угла крена подвижного объекта.
Недостатком этой навигационной системы является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что измеряется только пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу измерения угла крена подвижного объекта и устройству для его реализации является радионавигационная система для определения направления, реализующая поляризационно-модуляционный способ измерения (А.с. №1438449, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 25.03.87) [7].
Суть поляризационно-модуляционного способа измерения пеленга подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами, расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На борту подвижного объекта принимают суммарную электромагнитную волну всеполяризованной приемной антенной и осуществляют вращение ее плоскости поляризации с частотой Ω. После чего, в линейном ортогональном поляризационном базисе, выделяют из принятой суммарной электромагнитной волны линейно поляризованную компоненту. В результате вращения плоскости поляризации, принятый сигнал на выходе приемника становится модулированным по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. Затем из принятого сигнала выделяют спектральную составляющую на частоте 2Ω, измеряют ее амплитуду и по измеренной амплитуде определяют разность фаз Δφ между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, после чего рассчитывают пеленг подвижного объекта β по формуле (1).
Недостатком данного способа является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что измеряется только один навигационный элемент - пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.
Радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными собственными линейными поляризациями и расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга и расположенные на подвижном объекте приемную всеполяризованную антенну, вращатель плоскости поляризации, задающий генератор, поляризатор, логарифмический приемник, полосовой фильтр, амплитудный детектор и индикатор, при этом выход приемной всеполяризованной антенны подключен к сигнальному входу вращателя плоскости поляризации, а его управляющий вход подключен к выходу задающего генератора, выход вращателя плоскости поляризации подключен к входу поляризатора со стороны круглого волновода, а его выход со стороны прямоугольного волновода подключен к последовательно соединенным логарифмическому приемнику, полосовому фильтру, амплитудному детектору и индикатору.
Работа радионавигационной системы заключается в следующем.
Передатчик, через подключенные к нему двумя передающими антеннами с ортгональными собственными линейными поляризациями, излучает ортогонально, линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна принимается всеполяризованной приемной антенной и поступает на вход вращателя плоскости поляризации. Частота вращения плоскости поляризации равна Ω и задается частотой задающего генератора. С выхода вращателя плоскости поляризации суммарная электромагнитная волна поступает на вход-поляризатора, представляющего собой переход с волновода круглого сечения на прямоугольный, где происходит выделение ее линейно поляризованной компоненты. За счет вращения плоскости поляризации на выходе логарифмического приемника формируется сигнал, модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. При этом глубина подуляции определяется разностью фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, излучаемыми передающими антеннами. Полосовой фильтр выделяет из принятого сигнала спектральную составляющую на частоте 2Ω, после чего в амплитудном детекторе осуществляется ее детектирование. С выхода амплитудного детектора сигнал поступает на индикатор, шкала которого прокалибрована в градусах пеленга подвижного объекта.
К недостаткам данной радионавигационной системы относятся ограниченные функциональные возможности, проявляющиеся в том, что измеряется только один навигационный элемент - пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.
2Ω
Способ измерения угла крена подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн, на борту подвижного объекта принимают суммарную электромагнитную волну всеполяризованной приемной антенной и осуществляют вращение плоскости поляризации суммарной электромагнитной волны с частотой Ω, выделяют в линейном ортогональном поляризационном базисе из принятой суммарной электромагнитной волны линейно поляризованную компоненту, после чего из принятого сигнала выделяют спектральную составляющую на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω, отличается от прототипа тем, что из принятой суммарной электромагнитной волны выделяют горизонтально линейно поляризованную компоненту и измеряют фазу φ спектральной составляющей на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации принятой суммарной электромагнитной волны, при этом точки излучения расположены в горизонтальной плоскости, излучаемые электромагнитные волны имеют горизонтальную и вертикальную ориентации плоскости поляризации, совпадающие с горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к этой плоскости соответственно, а единичные орты линейного ортогонального поляризационного базиса, в котором принимаются электромагнитные волны, совпадают с поперечной и вертикальной осями подвижного объекта и совместно с его продольной осью образуют в пространстве, связанную с корпусом подвижного объекта, нормальную систему прямоугольных координат и определяют угол крена γ подвижного объекта между его поперечной осью и горизонтальной плоскостью.
Установим связь спектральных характеристик принятого сигнала с углом крена подвижного объекта γ, используя известный формализм векторов и матриц Джонса [8].
Тогда суммарная электромагнитная волна, принимаемая на подвижном объекте всеполяризованной приемной антенной, может быть представлена в векторной форме с учетом (1) в виде:
где  - вектор Джонса горизонтально линейно поляризованной излучаемой электромагнитной волны, представленный в линейном ортогональном поляризационном базисе,
- вектор Джонса вертикально линейно поляризованной излучаемой электромагнитной волны, представленный в линейном ортогональном поляризационном базисе,
- фазовый сдвиг между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами в направлении β,
- вектор Джонса суммарной электромагнитной волны, представленный в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают с горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к этой плоскости соответственно.
Принятый сигнал на входе приемника может быть представлен в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают соответственно с поперечной и вертикальной осями подвижного объекта, с учетом (2), в виде:
где
- матрица Джонса оператора поворота по часовой стрелке относительно горизонтали на угол крена +γ,
- матрица Джонса оператора поворота по часовой стрелке относительно горизонтали на угол крена -γ,
- матрица Джонса вращателя плоскости поляризации на угол α=Ωt(Ω - частота вращения),
- оператор поляризатора (переход с круглого волновода на прямоугольный), с горизонтальной собственной поляризацией.
Проделав в (3) необходимые матричные преобразования, получим:
Амплитуда сигнала на выходе приемника, имеющего логарифмическую амплитудную характеристику и линейный детектор с учетом равенства α=Ωt, будет равна:
2Ω
Из анализа (5) видим, что в спектре огибающей выходного сигнала логарифмического приемника присутствует только спектральная составляющая на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω. Причем амплитуда этой составляющей определяется разностью фаз Δφ между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, что полностью согласуется с прототипом [7]. В то же время фаза этой спектральной составляющей φ частоте 2Ω определяется только углом крена подвижного объекта γ и в соответствии с (5), связаны между собой соотношением:
2Ω
где φ - фаза спектральной составляющей на частоте 2Ω (в радианах),
+γ - соответствует положительному углу крена, когда поперечная ось подвижного объекта (или его правое крыло в случае ЛА) находится ниже горизонтальной плоскости,
-γ - соответствует отрицательному углу крена, когда поперечная ось подвижного объекта (или его правое крыло в случае ЛА) находится выше горизонтальной плоскости.
Использование заявляемой совокупности признаков для измерения угла крена подвижного объекта в известных решениях автором не обнаружено.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ измерения угла крена подвижного объекта.
Устройство содержит передатчик 1, передающие антенны 2 и 3, расположенные в точках с известными координатами и разнесенные в горизонтальной плоскости на расстоянии d друг от друга, на борту подвижного объекта устройство содержит приемную всеполяризованную антенну 4, вращатель плоскости поляризации 5, поляризатор 6, задающий генератор 7, логарифмический приемник 8, формирователь опорного сигнала 9, полосовой фильтр 10, фазовый детектор 11 и индикатор 12.
Устройство работает следующим образом.
Передатчик 1, через подключенные к нему двумя передающими антеннами 2 и 3 с ортогональными собственными линейными поляризациями излучает в направлении подвижного объекта, ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны соответственно с горизонтальной и вертикальной ориентацией плоскости поляризации с равными амплитудами, фазами и длинами волн.
На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна, вектор Джонса которой в направлении β имеет вид (2), принимается всеполяризованной приемной антенной 4. С выхода всеполяризованной приемной антенны 4 сигнал поступает на вход вращателя плоскости поляризации 5. Частота вращения плоскости поляризации равна Ω и задается частотой задающего генератора 7. С выхода вращателя плоскости поляризации 5 сигнал поступает на вход поляризатора 6 со стороны круглого волновода, где происходит выделение горизонтально линейно поляризованной компоненты сигнала. Выходной сигнал поляризатора 6 со стороны прямоугольного волновода, представленный в виде (4), поступает на вход логарифмического приемника 8.
2Ω
В результате вращения плоскости поляризации на выходе логарифмического приемника 8 формируется сигнал, представленный в виде (5), модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. При этом глубина модуляции определяется разностью фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, излучаемыми передающими антеннами 2 и 3. Полосовой фильтр 10 выделят спектральную составляющую на частоте 2Ω, после чего выделенный сигнал поступает на один из входов фазового детектора 11. В то же время с выхода задающего генератора 7 сигнал с частотой Ω поступает на вход формирователя опорного сигнала 9, где формируется опорный сигнал с удвоенной частотой 2Ω, который поступает на другой вход фазового детектора 11. В фазовом детекторе 11 измеряется фаза φ спектральной составляющей на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации принятой суммарной электромагнитной волны, представленной в виде (2). С выхода фазового детектора 11 сигнал поступает на индикатор 12, шкала которого может быть прокалибрована, с учетом (6), в градусах угла крена подвижного объекта γ.
В 3-см диапазоне длин волн заявляемое устройство измерения угла крена подвижного объекта может быть выполнено следующим образом.
В качестве передатчика может использоваться, например, стандартный генератор высокочастотных сигналов типа Г4-83, к выходу которого подключен делитель мощности, выполненный в виде двойного волноводного Т-образного разветвителя (см. [9], с.401). Причем первый выход разветвителя подключен к передающей антенне 2, а его второй выход подключен через отрезок скрученного на 90° прямоугольного волновода к передающей антенне 3.
В качестве передающих антенн 2 и 3 может быть использована рупорная антенна ([10], с.248) и с учетом особенностей их подключения к передатчику будут излучать электромагнитные волны с вертикальной и горизонтальной ориентацией плоскости поляризации соответственно.
Приемная всеполяризованная антенна 4 может быть выполнена в виде круглого рупора (см. [11], с.510).
Вращатель плоскости поляризации 5 может быть выполнен в виде фарадеевского вращателя плоскости поляризации (см. [12], с.344).
Поляризатор 6 может быть выполнен в виде перехода с волновода круглого сечения на прямоугольный (см. [12], с.438).
Задающий генератор 7 может быть выполнен в виде стандартного генератора низкочастотных сигналов типа Г3-102.
Логарифмический приемник 8 совпадает с аналогичным приемником известной амплитудно-амплитудной моноимпульсной системы (см. [13], с.20).
Формирователь опорного сигнала 9, полосовой фильтр 10, фазовый детектор 11 могут быть выполнены на основе использования известных технических решений [14].
Индикатор 12 может быть выполнен, например, в виде вольтметра постоянного тока типа В2-11, шкала которого прокалибрована в градусах угла крена подвижного объекта.
Заявляемые способ и устройство измерения угла крена подвижного объекта позволяют расширить функциональные возможности радионавигационной системы определения пеленга подвижного объекта за счет измерения дополнительного навигационного элемента - угла крена подвижного объекта. Кроме того, по сравнению с широко используемыми средствами измерения угла крена подвижного объекта, основанными на применении гироскопических систем ориентации, заявляемые способ и устройство измерения угла крена подвижного объекта позволяют избежать постоянного накапливания с течением времени ошибки измерения.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:
1. А.С.Александров, Г.Р.Арно и др. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. - Санкт-Петербург, 1994. - 119 с.
2. Д.С.Пельпор, В.В.Ягодкин. Гироскопические системы. - М., Высшая школа, 1977. - 216 с.
3. Агаджапов П.А., Воробьев В.Г. и др. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1980. - 357 с.
4. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.
5. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л. Способ измерения пеленга подвижного объекта и устройство доля его осуществления. - Патент СССР №1251003, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 29.01.85.
6. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л. Навигационная система для определения пеленга. - А.с. СССР №1355955, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 9.12.85.
7. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л., Петров А.Ф. Радионавигационная система для определения направления. - А.с. СССР №1438449, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 25.03.87.
8. Аззам Р., Башара П. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М.: Мир, 1981. - 588 с.
9. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых сканирующих широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.
10. Дрябкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. - М.: «Советское радио», 1974.
11. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: «Энергия», 1966.
12. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: «Советское радио», 1966.
13. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Советское радио, 1970.
14. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. - М.: советское радио, 1977.