Радиовысотомер

Радиовысотомер относится к бортовым устройствам определения истинной высоты полета летательного аппарата (самолета, вертолета, спутника и т.д.) над поверхностью Земли радиотехническими методами. Техническое решение предназначено для повышения точности определения высоты самолетов и иных летательных аппаратов, в частности для маневрирования, взлета и посадки в условиях ограниченной видимости.
Известно, что для определения высоты самолетов используются барометры и радиовысотомеры. Барометры имеют ограниченное применение при посадке самолетов из-за низкой точности определения высоты (порядка ±10 метров), тогда как радиовысотомеры позволяют определять высоту самолета над землей с точностью не хуже одного метра.
Так в патенте на радиовысотомер [RU Патент на изобретение №2258943. Опубликовано: 20.08.2005. Бюл. №23] техническим результатом является повышение точности измерения малых и сверхмалых высот. Импульсный радиовысотомер содержит передатчик, аттенюатор, приемник, измеритель задержки, блок автоматической регулировки усиления, датчик помех и блок управления, при этом введены передающая антенна с устройством отбора мощности, приемная антенна с устройством ввода мощности, синхронизатор, сверхвысокочастотный выключатель.
Недостатком указанного радиовысотомера является понижение точности определения расстояния до земли при отклонении полета самолета от горизонтального. В этом случае радиовысотомер определяет большее расстояние из-за увеличения путей передающего СВЧ радиоимпульса и приемного СВЧ радиоимпульса. При этом производится коррекция определения высоты путем дополнительных вычислений, связывающих точность определения высоты с измеренным в это время наклоном самолета, что может приводить к дополнительной ошибке при определении высоты.
В патенте [RU Патент на изобретение №2262717. Опубликовано: 20.10.2005. Бюл. №29] приведен способ измерения радиовысотомером (РВ) малых и сверхмалых высот полета летательного аппарата (ЛА). Сущность: способа заключается в том, что вводят литеры РВ, определяемые расстоянием между установленными на ЛА антеннами РВ, вычисляют методические ошибки ΔНм измерения высоты полета ЛА, вызванные работой РВ на две антенны, вводят их при изготовлении РВ в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), измеряют принятыми методами высоту полета Hni, вводят ее в ПЗУ, извлекают из него значение методической ошибки ΔНмi, на измеренной высоте Hni вычитают ее из высоты Hni и полученное значение Н=Hni-ΔНмi выдают потребителю информации о высоте. Достигаемый технический результат: повышается точность измерения малых и предельно малых высот полета ЛА.
H
0
В патенте [RU Патент на изобретение №2273862. Опубликовано: 10.04.2006. Бюл. №10] указано, что техническим результатом является повышение точности измерения высоты полета летательного аппарата, быстродействия и помехоустойчивости радиовысотомера. Для этого вводятся блоки, позволяющие осуществлять измерение высоты в два этапа: измеряют время То рециркуляции N периодов повторения по внутреннему каналу, затем измеряют время Тн рециркуляции по каналу измерения высоты и определяют высоту H=c(T–T)/2 при этом период повторения рециркуляционных импульсов изменяется по случайному закону.
В патенте [RU Патент на изобретение №2282211. Опубликовано: 20.08.2006. Бюл. №23] в устройство, содержащее генератор синхронизирующих импульсов, передатчик, антенный блок, приемник, селектированный автоматический регулятор усиления, систему автосопровождения отраженных импульсов, состоящую из временного модулятора, временного дискриминатора и интегратора, схему захвата и процессорный блок, формирующий выходную информацию в заданной форме, введены: управляемый отражатель опорного сигнала, устройство задержки запуска передатчика, нормализатор частоты повторения зондирующих импульсов, логические схемы «И» и «ИЛИ», замыкающие контур рециркуляции селекторных импульсов временного модулятора в режиме сопровождения отраженных импульсов, логический вентиль, пропускающий селекторные импульсы на входы временного дискриминатора и селектированного автоматического регулятора усиления только в периоды рециркуляции, в которые производится запуск.
В патенте [RU Патент на изобретение №2313107. Опубликовано: 20.12.2007. Бюл. №35] частотный радиовысотомер содержит генератор шумового сигнала, RC-фильтр, модулятор, частотно-модулированный генератор, передающую антенну, приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты, ограничитель, счетный каскад, обеспечивающий выходное напряжение, пропорциональное средней частоте пересечений разностным напряжением нулевого уровня, усилитель постоянного тока и индикатор высоты, соединенные определенным образом.
В патенте [RU Патент на изобретение №2519911. Опубликовано: 20.06.2014. Бюл. №17] рециркуляционный радиовысотомер содержит генератор старт-импульсов, генератор тактовых импульсов, два элемента И, два элемента ИЛИ, три линии задержки, передатчик, направленный ответвитель, развязывающий блок, антенный блок, амплитудный детектор, СВЧ-выключатель, триггер, приемник, следящий блок и блок расчета высоты, определенным образом соединенные между собой.
В патенте [RU Патент на изобретение №2519914 Опубликовано: 20.06.2014. Бюл. №17] импульсный радиовысотомер содержит передатчик, приемник, измеритель задержки, управляемый аттенюатор, передающую антенну, приемную антенну и блок управления, контроля и вычисления результатов измерений, определенным образом соединенные между собой.
В патенте [RU Патент на изобретение №2519952. Опубликовано: 20.06.2014. Бюл. №17] радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом содержит приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов и блок контроля, управления и расчета высоты.
В патенте [RU Патент на изобретение №2550082. Опубликовано: 10.05.2015. Бюл. №13] излучение сигнала в сторону поверхности Земли, прием отраженных сигналов на N периодах повторения, фильтрации принятого сигнала в фильтре, согласованном с модуляцией зондирующего сигнала, нахождения на N периодах повторения огибающей мощности отраженного сигнала с шагом выборки, соответствующим разрешению зондирующего сигнала, расчета предварительных оценок высоты, дисперсии сигнала с шумом и дисперсии шума, формирования гипотез о высоте ЛА, расчета для каждой гипотезы матрицы-гипотезы взаимных дисперсий, определителя матрицы-гипотезы взаимных дисперсий и обратной матрицы-гипотезы взаимных дисперсий, расчета функционала соответствия принятого сигнала гипотезе, нахождения гипотезы, соответствующей максимуму функционала соответствия, соответственно задержки отраженного сигнала и высоты.
Все указанные технические решения не устраняют в должной мере указанный недостаток радиовысотомера [RU Патент на изобретение №2258943 Опубликовано: 20.08.2005. Бюл. №23]
В патенте на полезную модель [RU Патент на полезную модель №171364. Опубликовано: 29.05.2017. Бюл. №16] приведено устройство, суть которого заключается в том, что создана измерительная система электромагнитного анализа верхней части геологического разреза в процессе движения наземного по земле транспортного средства. Измерительная система оборудована корпусом, расположенным внутри радиопрозрачного шарообразного зонда. Внутри корпуса расположены три ортогональные магнитные ферритовые антенны и блок антенных усилителей. Антенные усилители блока соединены с расположенным на транспортном средстве радиоприемником. Корпус связан со штангой посредством гироскопа, служащего для стабилизации положения антенного блока независимо от изменения положения конца штанги.
Указанный патент на полезную модель может быть принят в качестве прототипа устройства, которое далее приведено в настоящей заявке на полезную модель. А именно в предлагаемой полезной модели гироскопическая стабилизация радиолокационной антенны может исключить ошибку при определении высоты летательного аппарата после взлета или при посадке.
Однако патент, принятый в качестве прототипа, не может быть использован в высотомере, установленном на летательном аппарате (самолете) по следующим причинам:
- закрепление гироскопа и антенны на штанге, один конец которой может отклоняться на некоторый угол относительно точки закрепления, непригодно для предлагаемого радиовысотомера по той причине, что при полете самолета с ускорением при взлете или при посадке возникнет прецессия гироскопа, которая приведет к отклонению антенны от заданного направления;
- закрепление антенны вместе с гироскопом на штанге при размещении указанных деталей с использованием радиопрозрачной сферы вне корпуса самолета резко увеличивает общий объем устройства, что создаст дополнительное сопротивление при полете самолета.
Техническим результатом является создание гироскопической стабилизации антенны, а также улучшение массо-габаритных характеристик.
Технический результат обеспечивается решением задачи упрощения операций определения высоты самолета и достижения автоматического правильного определения указанной величины без каких-либо дополнительных расчетов за счет создания устройства, которое обеспечит гироскопическую стабилизацию антенны и позволит уменьшить общий объем устройства и устранит известные недостатки предшествующего технического уровня.
Решение указанной задачи следующее: в радиовысотомере, содержащим блок СВЧ радиопередатчика, блок СВЧ радиоприемника и связанный с ним блок индикации высоты самолета над землей, а также - антенну для передачи и приема радиосигналов и гироскоп, стабилизирующий заданное положение антенны, антенна с гироскопом выполнена с возможностью вращения относительно оси, закрепленной в стойках, установленных на нижней поверхности корпуса самолета, причем ось повернута поперек (примерно на 90 градусов) относительно продольного направления корпуса самолета.
При этом блоки СВЧ радиопередатчика и СВЧ радиоприемника, а также блок индикации высоты и блок, обеспечивающий вращение гироскопа, находятся внутри герметичного корпуса самолета и связаны с антенной и мотором, вращающим гироскоп, посредством вакуумноплотных соединений, то есть передающий кабель, обеспечивающей подачу радиосигналов от находящегося в корпусе самолета блока СВЧ радиопередатчика к антенне, передачу радиосигналов от антенны к находящемся в корпусе самолета блоку СВЧ радиоприемника, а также - передачу питания мотора гироскопа от находящегося в корпусе самолета блока питания мотора гироскопа проходит через вакуумноплотный разъем.
Кроме того, антенна с гироскопом защищена от внешней среды корпусом, часть которого выполнена из радиопрозрачного материала.
Конструкция полезной модели радиовысотомера представлена на фиг. 1, где:
1 - часть корпуса самолета;
2 - стойки;
3 - ось;
4 - антенна СВЧ;
5 - гироскоп с электромотором;
6 - радиопрозрачный экран;
7 - блок СВЧ радиопередатчика;
8 - блок СВЧ радиопередатчика;
9 - блок индикации высоты;
10 - передающий кабель;
11 - штанга с грузом;
12 - блок питания электромотора гироскопа.
К корпусу самолета (1) крепятся стойки (2) радиовысотомера с осью (3), ориентированной поперек продольного направления корпуса самолета (направления полета), далее расположены: антенна (4), служащая для передачи и приема СВЧ сигналов, гироскоп с электромотором (5), обеспечивающим вращение гироскопа, блок СВЧ радиопередатчика (7), блок СВЧ радиоприемника (8), блок индикации высоты (9). Для обеспечения функционирования заявляемого устройства корпус предполагает исполнение с наличием радиопрозрачного экрана (6). Соединение для подачи сигналов от СВЧ передатчика к антенне, для приема сигналов от антенны к блоку СВЧ радиоприемника, а также - для подачи питания электромотора гироскопа от блока питания мотора, вращающего гироскоп предусмотрено через передающий кабель (10), проходящий через вакуумноплотный разъем. Питание обеспечивает блок питания электромотора гироскопа (12). Соединение антенны осуществлено через штангу с грузом (11), закрепленную на оси (3).
Масса элементов радиовысотомера выбрана таким образом, что при отсутствии вращения гироскопа плоскость антенны с грузом (11) ориентирована параллельно земной поверхности.
Радиовысотомер работает следующим образом. До взлета самолета антенна ориентирована таким образом, что луч антенны направлен по кратчайшему расстоянию к земной поверхности (взлетной полосе аэродрома). Затем запускается вращение гироскопа, поддерживающее заданное направление антенны при взлете и посадке самолета. Современные средства позволяют определять высоту при помощи высоторадиометра примерно до 1500 м. При подлете к посадочной полосе вращающийся гироскоп поддерживает направление луча радиосигнала по кратчайшему направлению по отношение к земной поверхности вплоть до посадки самолета.