РАДИОВЫСОТОМЕРНАЯ СИСТЕМА С АДАПТАЦИЕЙ К ГЛАДКОЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
RADAR ALTIMETER SYSTEM ADAPTED TO SMOOTH WATER SURFACE

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых навигационных системах.
Известно устройство [1], реализующее способ измерения скорости летательного аппарата относительно подстилающей поверхности, заключающийся в определении корреляционной временной задержки по равенству коэффициента автокорреляции в одном из приемных каналов, коэффициенту взаимной корреляции сигналов двух приемников, вычислении коэффициента автокорреляции во втором приемном канале и нахождении временного положения максимума функции взаимной корреляции сигналов этих приемников. При этом для вычисления скорости используют среднее значение коэффициентов автокорреляции.
Основным недостатком данного устройства является использование двух приемных антенн, что не позволяет производить измерения с заданной точностью при эволюциях объекта над широким диапазоном типов поверхностей (море, лес и т.п.). Вариант расположения приемных антенн, предлагаемый в [1], не позволяет производить измерения при малых углах сноса (при отсутствии сноса), т.к. в этом случае максимум коэффициента взаимной корреляции определяется разносом антенн по поперечной оси летательного аппарата. При малых углах сноса коэффициент взаимной корреляции мал, что ведет к повышенным погрешностям измерения составляющих вектора путевой скорости. Повысить коэффициент взаимной корреляции возможно путем сближения приемных антенн, однако минимальное расстояние между антеннами ограничено их геометрическими размерами.
Известен корреляционный измеритель скорости полета и угла сноса [2], который содержит четыре антенны, два приемника, два дискретизатора по времени, линию задержки, коммутатор, два перемножителя, направленный ответвитель, генератор тактовых импульсов, два фильтра нижних частот, передатчик, двигатель, индикатор пути, блок вычитания, блок слежения, три двухсторонних ограничителя, индикаторы скорости ветра и угла сноса, два блока совпадения и делитель.
Основным недостатком данного устройства является использование для оценки положения максимумов взаимно-корреляционных функций (ВКФ) пространственно разнесенных сигналов метода вилки при определении транспортного запаздывания, который не позволяет обеспечить высокую точность измерений составляющих вектора путевой скорости.
Наиболее близким по технической сущности является корреляционный измеритель высоты и составляющих вектора путевой скорости [3], содержащий синхронизатор, вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, фазовращатель, импульсный модулятор, управляемый аттенюатор, видеоусилитель, БОЗУ, блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, антенную систему, циркулятор, малошумящий УВЧ, фазовый детектор, направленный ответвитель, антенный переключатель, блок управления антенным переключателем, дискретно управляемый СВЧ генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, вход которого соединен с выходом антенного переключателя, первый вход которого соединен с выходом циркулятора, второй вход/выход которого подключен ко второму входу антенной системы, а первый вход циркулятора соединен с выходом управляемого аттенюатора, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора и первым входом блока управления антенным переключателем, третий вход которого соединены с пятым выходом синхронизатора, первый, второй, третий выходы блока управления антенным переключателем соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым входами антенного переключателя, пятый, шестой входы которого соединены с первым и третьим входами антенной системы соответственно, первый выход направленного ответвителя соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым входом блока управления антенным переключателем и выходом синхронизатора, выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, второй вход управляемого аттенюатора соединен с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами БОЗУ, всеми первыми входами/выходами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, БОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, а первый вход АЦП - с выходом видеоусилителя, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с выходом блока регулировки усиления.
Недостатком прототипа рассматриваемого устройства является неустойчивое измерение и аномально высокая погрешность составляющих вектора путевой скорости над гладкой водной поверхностью (волнение от 0 до 1 балла), так как гладкая водная поверхность имеет узкую диаграмму обратного рассеяния (ДОР) порядка 1-2 градусов. Узкая ДОР приводит к значительному обужению спектра доплеровских флюктуаций амплитуды отраженных сигналов и, как следствие, к декорреляции пространственно разнесенных отраженных сигналов, появлению аномально больших погрешностей измеряемых скоростей. Кроме того, узкая ДОР приводит одновременно к появлению мощного обратного излучения по вертикали к водной поверхности - зеркальной составляющей отраженного сигнала, которая вводит в ограничение видеоусилитель, вызывая неустойчивость измерения скоростей.
Целью изобретения является повышение устойчивости и точности измерения составляющих вектора путевой скорости летательного аппарата над гладкой водной поверхностью.
Указанная цель достигается тем, что в устройство [3], содержащее синхронизатор, вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, фазовращатель, импульсный модулятор, управляемый аттенюатор, БОЗУ, блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, антенную систему, циркулятор, малошумящий УВЧ, фазовый детектор, направленный ответвитель, антенный переключатель, блок управления антенным переключателем, дискретно управляемый СВЧ генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, вход которого соединен с выходом антенного переключателя, первый вход которого соединен с выходом циркулятора, второй вход/выход которого подключен ко второму входу антенной системы, а первый вход циркулятора соединен с выходом управляемого аттенюатора, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора и первым входом блока управления антенным переключателем, третий вход которого соединены с пятым выходом синхронизатора, первый, второй, третий выходы блока управления антенным переключателем соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым входами антенного переключателя, пятый, шестой входы которого соединены с первым и третьим входами антенной системы соответственно, первый выход направленного ответвителя соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым входом блока управления антенным переключателем и выходом синхронизатора, выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, второй вход управляемого аттенюатора соединен с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами БОЗУ, всеми первыми входами/выходами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, БОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, введен быстродействующий широкополосный видеоусилитель (БШВ), при этом первый вход его соединен с выходом фазового детектора, второй - с выходом блока регулировки усиления, третий - с четырнадцатым выходом вычислительного устройства, а выход - с первым входом АЦП.
Заявляемая радиовысотомерная система (РВС) излучает в направлении подстилающей поверхности и принимает короткие пакеты радиоимпульсов, преобразующиеся в приемнике в биполярные видеоимпульсы, огибающая которых флюктуирует по амплитуде с частотой, определяемой доплеровским сдвигом частоты сигналов, отраженных от подстилающей поверхности.
Составляющие вектора путевой скорости определяются по максимуму взаимно-корреляционных функции пространственно разнесенных между собой отраженных от подстилающей поверхности сигналов, принимаемыми разнесенными антеннами, расположенными на ЛА, с учетом геометрии антенной системы [5].
Логика работы РВС с применением БШВ (с управляемой полосой пропускания и широким динамическим диапазоном регулирования уровня сигнала), способного выдерживать большие перегрузки сигнала и быстро выходить из ограничения без искажения сигнала позволяет осуществлять временное разделение дисперсионной составляющей сигнала, принятой с наклонной дальности и обладающей широким спектром доплеровских частот, и малоинформативной зеркальной составляющей, принятой по вертикале к водной поверхности (фиг. 1а).
В точке А расположена антенная система, излучающая и принимающая зондирующие импульсы. Подрадарная точка О соответствует кратчайшему расстоянию от антенной системы до подстилающей поверхности и, таким образом, АО - геометрическая высота полета Н. Задержка сигнала, отраженного от точки В, по отношению к сигналу, принятому от подрадарной точки, зависит от угла наклона θ и определяется выражением
где Н - геометрическая высота полета;
с - скорость электромагнитных волн;
θ - угол наклона, определяемый временной задержкой сечения на срезе сигнала относительно максимума;
Δt - задержка сигнала с наклонной дальности.
Огибающая отраженного сигнала от гладкой водной поверхности, обладающей узкой ДОР, изображена на фиг. 1б.
Форма огибающей отраженного сигнала в значительной степени определяется составляющей, принятой от подрадарной точки. Вместе с тем, сигнал содержит и дисперсионную составляющую, принятую с наклонной дальности, но ее средняя мощность значительно меньше, чем у зеркальной составляющей.
Для обеспечения измерения составляющих вектора скорости над водной поверхностью с узкой ДОР временное положение сигнального сечения скоростного канала следует выбирать таким образом, чтобы прием отраженных импульсов происходил с наклонных дальностей. Исходя из этих соображений, положение сигнального сечения от начала фронта принятого сигнала определяется выражением
c
и
Δt=τ+Δt,
и
где τ - длительность зондирующего импульса;
Δt - задержка сигнала с наклонной дальности.
Управление полосой пропускания БШВ осуществляется вычислительным устройством по значению кода на входе блока регулировки ослабления. Чем выше уровень сигнала, тем больше значение кода. При увеличении кода и достижении им заданного порога вычислительное устройство переключает полосу пропускания на широкую, что соответствует гладкой водной поверхности. В остальных случаях БШВ работает с узкой полосой, как прототип.
Регулировка уровня сигнала скоростного канала производится не по максимуму огибающей, а по значению средней мощности на сигнальном сечении, при этом сигнал на максимуме уходит в ограничение. Необходимым требованием для измерения составляющих скорости является быстрый выход БШВ из ограничения без искажения сигнала.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и связей с другими блоками прототипа.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение новых блоков и связей в заявляемую радиовысотомерную систему с адаптацией к гладкой водной поверхности в указанной совокупности признаков не обнаружено и приводит к повышению устойчивости и точности измерения составляющих вектора путевой скорости летательного аппарата над гладкой водной поверхностью, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 2 представлена блок-схема РВС с адаптацией к гладкой водной поверхности. На фиг. 3 представлена блок-схема антенного переключателя. На фиг. 4 представлена блок-схема управления антенным переключателем. На фиг. 5 представлена блок-схема синхронизатора. На фиг. 6 представлен алгоритм работы подпрограммы установки режима приемопередающего модуля при излучении радиоимпульсов и накоплении радиоимпульсов, отраженных от подстилающей поверхности. На фиг. 7 представлены временные диаграммы работы блока управления антенным переключателем. На фиг. 8 представлена антенная система РВС. На фиг. 9 представлено восстановление отраженного сигнала методом нониуса. На фиг. 10 представлен алгоритм программной регулировки усиления приемного тракта и мощности излучения. На фиг. 11 представлен алгоритм работы подпрограммы вычисления продольной и боковой составляющих Vx и Vz.
На фиг. 12 представлена блок-схема БШВ с широким динамическим диапазоном регулировки сигнала, быстрым временем восстановления и управляемой полосой пропускания. На фиг. 13, в качестве примера, представлена принципиальная электрическая схема усилителя-ограничителя, входящего в БШВ.
РВС содержит дискретно управляемый СВЧ генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, антенный переключатель 6, блок управления антенным переключателем 7, циркулятор 8, малошумящий УВЧ 9, фазовый детектор 10, БШВ 11, АЦП 12, БОЗУ 13, синхронизатор 14, вычислительное устройство 15, контроллер 16 обмена, блок 17 регулировки усиления, блок 18 регулировки ослабления, источник 19 тока, управляемый напряжением, антенную систему 70.
При этом выход дискретно управляемого СВЧ генератора 1 соединен со входом направленного ответвителя 2, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 10, первый вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя 9, вход которого соединен с выходом антенного переключателя 6, первый вход которого соединен с выходом циркулятора 8, второй вход/выход которого подключен ко второму входу антенной системы 70, а первый вход циркулятора 8 соединен с выходом управляемого аттенюатора 5, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя 74, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 14 и первым входом блока управления антенным переключателем 7, третий вход которого соединен с пятым выходом синхронизатора 14, первый, второй, третий выходы блока управления антенным переключателем 7 соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым входами антенного переключателя 6, пятый, шестой входы которого соединены с первым и третьим входами антенной системы 70 соответственно, первый выход направленного ответвителя 2 соединен с первым входом импульсного модулятора 3, второй вход которого соединен со вторым входом блока управления антенным переключателем 7 и выходом синхронизатора 14, выход импульсного модулятора 3 соединен со вторым входом фазовращателя 4, второй вход управляемого аттенюатора 5 соединен с выходом источника тока 19, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления 18, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления 17, всеми шестыми входами БОЗУ 13, всеми первыми входами/выходами контроллера обмена 16, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами РВС, а также всеми двенадцатыми входами вычислительного устройства 15, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления 18, блока регулировки усиления 17, контроллера обмена 16, БОЗУ 13, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ 13, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора 14, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора 1, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора 14, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ 13, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 14 и вторым входом АЦП 12, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ 13, а первый вход АЦП 12 - с выходом БШВ 11, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора 10, второй вход - с выходом блока регулировки усиления 17, третий вход - с четырнадцатым выходом вычислительного устройства 15.
В состав антенного переключателя 6 (фиг. 3) входят первый СВЧ ключ 73, второй СВЧ ключ 74, третий СВЧ ключ 75. При этом первый вход первого СВЧ ключа 73 является первым входом антенного переключателя 6, второй вход первого СВЧ ключа 73 является третьим входом антенного переключателя 6, выход которого соединен с выходами первого СВЧ ключа 73, второго и третьего СВЧ ключей 74 и 75, первые входы которых являются соответственно пятым и шестым входами антенного переключателя 6, а вторые входы - вторым и четвертым входами антенного переключателя 6.
В состав блока 7 (фиг. 4) управления антенным переключателем входят блок 76 «НЕ», первый блок 77 «И-НЕ», второй блок 78 «И-НЕ», третий блок 79 «И-НЕ», четвертый блок 80 «И-НЕ», пятый блок 81 «И-НЕ», регистр сдвига 82. При этом вход блока 76 «И-НЕ», являющийся первым входом блока 7 управления антенным переключателем, соединен со вторым входом второго блока 78 «И-НЕ», первый вход которого, являющийся вторым входом блока 7 управления антенным переключателем, соединен с первым входом первого блока 77 «И-НЕ», выход которого соединен соответственно с первыми входами третьего 79, четвертого 80, пятого 81 блоков «И-НЕ», выходы которых являются соответственно первым, вторым, третьим выходами блока 7 управления антенным переключателем, все третьи входы которых соединены между собой и выходом второго блока 78 «И-НЕ», а вторые входы - соответственно с первым, вторым, третьим выходами регистра 82 сдвига, первый вход которого соединен с выходом блока «НЕ» и вторым входом первого блока 77 «И-НЕ», а второй вход регистра 82 сдвига является пятым выходом синхронизатора 14 (фиг. 5), сигнал 83 соединен со вторым входом триггера 28 флага излучения.
БШВ 11 (фиг. 12) с широким динамическим диапазоном регулировки сигнала, быстрым временем восстановления и управляемой полосой пропускания может быть реализован на усилителях-ограничителях. Количество усилителей-ограничителей выбирается из необходимого усиления сигнала. В качестве примера (фиг. 13) представлена принципиальная электрическая схема усилителя-ограничителя, входящего в БШВ 11. Усилитель-ограничитель состоит из классического транзисторного дифференциального усилителя (VT2, VT3) [7], нагруженного на известный быстродействующий широкополосный операционный усилитель 1432УВ11У [8].
Радиовысотомерная система с адаптацией к гладкой водной поверхности работает следующим образом.
После подачи питания на РВС вычислительное устройство 15 проводит сигналом 40 начальную установку триггера 28 флага излучения синхронизатора 14, сигналом 83 начальную установку регистра 82 сдвига блока 7 управления ΑΠ, сигналами 65 и 64 записывает нулевое значение усиления и ослабления в блоки 17 и 18 регулирования усиления и ослабления (Nyc=0, Nосл=0), записывает сигналами 52 и 53 по шинеданных 55 в счетчик 44 адреса ОЗУ БОЗУ 13 нулевое значение кода (устанавливается тем самым низкий логический уровень сигнала 39 - окончание режима излучения и накопления), проводит опрос контроллера 16 обмена с внешними системами, который переводит РВС в режим измерения задержки отраженного от подстилающей поверхности сигнала, устанавливает сигналами 63 и 67 несущую частоту СВЧ - генератора 1 на середину рабочего диапазона.
После этого вычислительное устройство 15 запускает подпрограмму установки параметров приемопередающего модуля (ППМ) и старта излучения и накопления. Алгоритм работы подпрограммы приведен на фиг. 6. Подпрограмма устанавливает несущую частоту Fнес на дискретно управляемом СВЧ - генераторе 1, записывает в блоки 17 и 18 регулировки усиления и ослабления значения усиления и ослабления, записывает нулевое значение кода в счетчик 44 адреса ОЗУ БОЗУ, запускает таймер на время tуст.ппм - время установки параметров в ППМ (дискретно управляемый СВЧ - генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, малошумящий УВЧ 9, фазовый детектор 10, БШВ 11), после чего проводится запуск режима излучения и накопления, анализ флага излучения 42.
На фиг. 7 показаны временные диаграммы работы блока 7 управления антенным переключателем в режиме излучения и накопления. Антенный переключатель 6 подключает на прием попеременно первую, вторую, третью антенны (фиг. 8). Каждая антенна включается на прием радиоимпульсов в течение времени, равного длительности двух периодов излучения (периоды с фазами 0 и π/2). Через время, равное длительности шести периодов излучения зондирующих импульсов, повторяется цикл приема (на три приемные антенны) радиоимпульсов, отраженных от подстилающей поверхности.
Через циркулятор 8, приемопередающую антенну (вход/выход 2) антенной системы 70 обеспечивается излучение радиоимпульсов по направлению к подстилающей поверхности.
Принятые от подстилающей поверхности антенной системой 70 радиоимпульсы 95 (через второй СВЧ ключ 74), радиоимпульсы 94 (через третий СВЧ ключ 75), радиоимпульсы 96 через циркулятор 8, первый СВЧ ключ 73 поочередно поступают на вход малошумящего УВЧ 9 (сигнал 93). По окончании работы подпрограммы вычислительное устройство 15 считывает данные БОЗУ 13, после чего проводит обработку данных, сканируя по диапазону задержек, определяя временную задержку цифровых сигналов от подстилающей поверхности.
Излучение и тактирование АЦП 12 и запись в БОЗУ 13 начинаются в момент времени t0 (фиг. 9) [3]. Радиоимпульсы излучаются по тактам с номерами 0, km+1, 2km+3, …, nk(m+1), … (фиг. 9a, 9б), где m - параметр нониуса, k - расширитель временного диапазона для сигнала и n - номер излучения, Тизл - период тактовых импульсов.
Преобразование принятого сигнала (фиг. 9в) в АЦП 12 и запись в БОЗУ 13 проводится по каждому такту с периодом Тозу (фиг. 9г, 9д). Если выполняется условие совпадения фронтов тактовых импульсов излучения и тактирования АЦП 12 и БОЗУ 13:
Условие (1) можно записать в виде:
где Fизл=1/Тизл - частота тактовых импульсов излучения;
Foзу=1./Тозу - частота тактовых импульсов АЦП 12 и БОЗУ 13.
Если второе и последующие излучения выдавать в моменты n*(km+1)*Тизл, то следующий такт АЦП 12 и БОЗУ 13 придет в момент n*(k(m-1)+1)*Тозу с задержкой dtn, то из уравнения:
n*(km+1)*Тизл+dtn=n*(k(m-1)+1)*Тозу
можно показать, что n-тое излучение начинается раньше n*(k(m-1)+1) тактового импульса АЦП 12 и БОЗУ 13 на величину:
dtn=n*Тозу/m.
Отсюда получаем, что для восстановления принятого сигнала с шагом Тозу/m необходимо Nизл=m, а объем БОЗУ 13 Loзу определяется из уравнения:
m*(km+1)*Тизл=Loзу*Тозу,
тогда объем БОЗУ 13, необходимой для восстановления принятого сигнала, равен Loзу=(km+1)(m-1).
Выше проведенные рассуждения позволяют получить, что для восстановления значения принятого сигнала на задержке i*dt в цифровом виде можно вывести выражение:
Ui=ОЗУ{(i mod M)*m+[i/M]},
где скобки {…} означают содержимое ячейки ОЗУ с данным номером;
выражение (i mod M) - остаток от деления i на М;
скобка […] - целая часть числа;
M=k(m-1)+1.
На фиг. 9е показан пример восстановленного сигнала для k=1, m=8.
При отражении от подстилающей поверхности изменение ослабления отраженных сигналов на входе малошумящего УВЧ 9 может составлять порядка 30 дБ, что приводит к флюктуациям амплитуды и изменению крутизны фронта отраженного сигнала и, как следствие, к дополнительной погрешности измерения задержки отраженного сигнала и высоты полета летательного аппарата.
Включается подпрограмма регулирования чувствительности и мощности (фиг. 10). Для поддержания стабильной крутизны фронта восстановленного сигнала на задержке i*dt вычислительное устройство 15 запускает после окончания каждого цикла излучения и накопления подпрограмму автоматической регулировки усиления БШВ 11 и мощности излученных радиоимпульсов посредством блока 17 регулировки усиления, блока 18 регулировки усиления и источника 19 тока УН соответственно.
Проводится оценка уровня восстановленного отраженного сигнала. Если уровень сигнала превышает пороговый, то производится уменьшение излучаемой мощности и усиления БШВ 11, если не превышает порога, то увеличение.
После стабилизации крутизны фронта отраженного сигнала (примерно 5-6 излученных пакетов радиоимпульсов) вычислительное устройство 15 выдает результат измеренной высоты полета в контроллер обмена 16 и переводит РВС в режим измерения продольной и поперечной составляющих вектора путевой скорости.
Вычислитель 15 осуществляет управление полосой пропускания БШВ 11 по значению кода на входе блока регулировки ослабления. Чем выше уровень сигнала, тем больше значение кода. При достижении им заданного порога, вычислительное устройство переключает полосу пропускания на широкую, что соответствует гладкой водной поверхности. В остальных случаях БШВ 11 работает с узкой полосой, как прототип.
Далее вновь включается подпрограмма регулирования чувствительности и мощности (фиг. 10). Регулировка уровня сигнала скоростного канала производится аналогично каналу высоты, только не по максимуму огибающей, а по значению средней мощности на сигнальном сечении.
Затем включается алгоритм работы подпрограммы вычисления продольной и боковой составляющих Vx и Vz (фиг. 11).
Одним из факторов, влияющих на точность измерения составляющих вектора скорости, является положение сигнального строба (сечения) на отраженном от подстилающей поверхности сигнале.
В режиме узкой полосы БШВ 11 сечение на огибающей отраженного от подстилающей поверхности сигнала устанавливается в области его максимума (аналогично прототипу), в режиме широкой полосы - на его срезе, как показано выше. Затем, на этом сечении производится выборка значений сигнального среза, запоминание их в БОЗУ 13.
Поскольку, ослабления сигналов в СВЧ трактах каждой из приемных антенн могут несколько отличаться, то для обеспечения точности измерения составляющих вектора путевой скорости, перед построением ВКФ в вычислительном устройстве 15 производится нормирование мощности сигналов по каждой из трех антенн:
k
где , ,  - значения исходных ненормированных сигналов, принятых на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в моменты времени t; если отсчитывать время от начала пакета, то
0
1
N-1
t=0, t=Δt, …, t=(N-1)·Δt,
где Δt = временной шаг оцифровки сигнала;
N - количество отсчетов времени;
k
, ,  - нормированные сигналы, принятые на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в те же моменты времени t;
0
N-1
, ,  - средние значения исходных сигналов на промежутке времени от t до t;
0
U - константа, задающая средний уровень нормированных сигналов.
Вычисляются мгновенные значения взаимно корреляционных функций между сигналами, принятых 1-й и 2-й и 2-й и 3-й антеннами.
где В - количество отсчетов времени в базовом интервале, использующемся при построении ВКФ;
K - количество отсчетов построения ВКФ (подразумевается, что выполняется условие B+K≤N, где N - количество отсчетов времени оцифрованного сигнала);
Z - номер отсчета ВКФ, соответствующий 0-й задержке между сигналами (подразумевается, что выполняются условия Z<K и Z+K≤N);
k
- взаимная корреляционная функция между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1 и соответствует значениям ВКФ при задержках между сигналами τ:
0
1
Z
Z+1
K-1
τ=-Z·Δt, τ=(-Z+1)·Δt, …, τ=0, τ=Δt, …, t=(K-Z-1)·Δt,
где Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала;
- взаимная корреляционная функция между сигналами, принятыми 2-й и 3-й антеннами, k принимает значения от 0 до K-1;
j
, ,  - нормированные сигналы, принятые на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в моменты времени t.
Мгновенные ВКФ помещаются в магазин, позволяющий хранить ВКФ, построенные по М последним пакетам излучения и усредняются обыкновенным суммированием
k
где  - значения ВКФ из магазина, вычисленной по пакету с номером i, между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1 и соответствует значениям ВКФ при задержках между сигналами τ;
- значения усредненной по М последним пакетам ВКФ между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1;
- значения ВКФ из магазина, вычисленной по пакету с номером i, между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1;
- значения усредненной по М последним пакетам ВКФ между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1.
Количество усреднений М устанавливается адаптивно к уровню ВКФ.
Для точного определения положения максимумов ВКФ производится аппроксимация ВКФ параболой методом наименьших квадратов с использованием треугольной весовой функции.
Уравнение параболы можно записать в виде
Параметры a, b и с определяются из системы уравнений
где а, b, с - искомые коэффициенты аппроксимирующей функции;
2М+1 - количество точек, по которым производится аппроксимация;
N - номер дискрета, на который приходится максимум ВКФ;
N+j
N+j
F - значения усредненной ВКФ при задержках между сигналами τ;
- треугольная весовая функция.
Использование треугольной весовой функции при аппроксимации обусловлено стремлением снизить влияние искажения формы боковых склонов на точность определения положения максимума ВКФ.
По известным параметрам параболы определяется положение ее вершины и, следовательно, максимума ВКФ (в относительных единицах)
где Nt - положение максимума ВКФ (в относительных единицах);
а, b - найденные коэффициенты аппроксимирующей функции.
Переход к транспортным задержкам в единицах времени осуществляется по формуле
где  - транспортная задержка между сигналами;
Nt - положение максимума ВКФ (в относительных единицах);
Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала.
Поскольку запись сигналов, принимаемых 1-й, 2-й и 3-й, антеннами производится не в одни и те же моменты времени, то при определении транспортных задержек между сигналами возникает методическая ошибка. С учетом структуры пакета излучения она составляет 1/3 дискрета ВКФ. Поэтому перед вычислением составляющих вектора скорости производится поправка
где  - найденная транспортная задержка между сигналами;
τ - транспортная задержка после коррекции;
Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала.
Для уменьшения случайной составляющей погрешности перед вычислением проекций вектора скорости производится усреднение транспортных задержек между сигналами
где τ - мгновенная транспортная задержка в текущем пакете;
- усредненная транспортная задержка, полученная в предыдущем пакете
- усредненная транспортная задержка в текущем пакете;
b - количество усреднений транспортных задержек.
Взаимное расположение излучающей и приемных антенн дает формулы для вычисления составляющих вектора скорости [4, 5]
x
z
где V, V - составляющие вектора скорости в проекции на оси связанной системы координат;
1
τ - транспортная задержка между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенны;
2
τ - транспортная задержка между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенны;
0
0
Х и Y - параметры антенной системы (фиг. 8).
После измерения высоты полета и составляющих Vx и Vz цикл измерения вышеуказанных параметров повторяется периодически.
Использование изобретения позволяет повысить устойчивость и точность измерения составляющих вектора путевой скорости летательного аппарата над гладкой водной поверхностью.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1596934, кл. G01S 13/58. Опубл. 28.04.1988 г.
2. Лобач В.Т., Уваров C.H., Боков Г.И. Корреляционный измеритель скорости полета и угла сноса. Авторское свидетельство СССР №1503527, кл. G01S 13/60. Опубл. 28.07.1987 г.
3. Патент РФ №2498344 от 11.01.2012 г., кл. G01S 13/60 «Корреляционный измеритель высоты и составляющих вектора путевой скорости». Авт. Калмыков Н.Н., Вербицкий В.И., Соловьев В.В., Мельников С.А., Дядьков Н.А.
4. Авторское свидетельство СССР №01689897 от 08.07.1991 г., кл. G01S 13/48 «Приемная антенная система корреляционного измерителя скорости и угла сноса летательного аппарата». Авт. Банников В.М., Дядьков Н.А. Опубл. 07.11.1991 г.
5. Боркус М.К., Черный А.Е. Корреляционные измерители путевой скорости и угла сноса летательных аппаратов. М. Сов. радио - 1973 г.
6. СВЧ ключи. Режим доступа: http://www.eltech.spb.ru/pdf/270.pdf.
7. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, часть 1, стр. 108
8. Операционный усилитель 1432УД11У. Режим доступа:
http://www.may.ru/otcomp/micro/oy/km 1432ud