Как работает радиоизмеритель скорости

В настоящее время широко распространены автономные средства навигации ЛА. К их числу принадлежат и доплеровские измерители вектора скорости объекта. Наиболее распространенные из них – доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса самолета (ДИСС).

Под путевой скоростью ЛА обычно понимают горизонтальную проекцию его скорости относительно земной поверхности. Путевая скорость W связана с воздушной скоростью V и скоростью ветра U навигационным треугольником, в котором угол  между векторами воздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причиной является ветер. Доплеровский измеритель позволяет непосредственно определить путевую скорость по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью, основываясь на эффекте Доплера, заключающемся в изменении частоты отраженного от объекта сигнала в зависимости от скорости движения этого объекта.

При горизонтальном полете летательного аппарата для обеспечения достаточно большой проекции вектора скорости W на направление облучения и для сохранения значительного отражения от поверхности в направлении ДИСС применяют наклонное облучение поверхности.

Если отражающие свойства поверхности в облучаемой площади примерно одинаковы, то форма огибающей спектра частот отраженного сигнала определяется формой ДНА измерителя в вертикальной плоскости. Максимальную мощность при этом имеет сигнал на средней частоте спектра, соответствующий направлению оси ДНА.

Для измерения путевой скорости ЛА необходимо найти среднюю частоту доплеровского спектра W горизонтален и составляет с осью ДНА угол  в горизонтальной и  в вертикальной плоскостях, то:

Если направление облучения совпадает с вектором W в горизонтальной плоскости, то угол  и приращение достигает максимума:

Если известны  и W можно определить непосредственным измерением  с помощью частотомера.

Однолучевые радиоизмерители скорости, однако, не находят применения из-за очень низкой точности измерения. Неточность эта вызвана, в первую очередь, неточностью совмещения оси ДНА с вектором W из-за погрешности измерения. Второй важной причиной погрешностей измерения скорости однолучевым прибором является крен ЛА. Эта погрешность достигает 0.05% отклонения показаний прибора от истинной скорости на каждый градус крена летательного аппарата.

Погрешность крена можно компенсировать за счет стабилизации антенны ЛА в горизонтальной плоскости или введения поправок на крен при обработке данных в вычислительном устройстве. Однако это, естественно, приводит к усложнению и утяжелению вычислителя, не устраняя при этом органических недостатков однолучевого метода измерений, к которым также относятся высокие требования к стабильности частоты измеряемых колебаний.

Наиболее разумным способом увеличения точности измерения скорости является применение многолучевых измерителей, излучающих в двух, трех или четырех направлениях.

Многолучевые измерители вектора скорости, основанные на эффекте Доплера, делятся на самолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряется продольная и поперечная составляющие вектора скорости, тогда как в вертолетных системах измеряется еще и вертикальная составляющая скорости. Кроме того, у самолетных ДИСС заранее неизвестен знак вектора скорости, который может быть и нулевым в режиме зависания. Отличаются максимальные значения измеряемых скоростей, высотный потолок измерения – у самолетных систем они в десятки раз выше. Однако объем выходных данных вертолетных измерителей больше из-за необходимости измерения полного вектора скорости. Вертолетные ДИСС применяются также для осуществления мягкой посадки космических аппаратов, а самолетные – для управления крылатыми ракетами и экранопланами.

Рассмотрим принцип действия многолучевых ДИСС для горизонтального полета, при котором вектор W всегда направлен вперед, а вертикальная составляющая скорости отсутствует. Чтобы понять необходимость использования трех или четырех лучей, изучим сначала двулучевые системы.

При измерении путевой скорости и угла сноса антенная система поворачивается до совмещения спектров сигналов на выходе каналов приемника, соответствующих двум лучам антенны. При этом ось симметрии лучей совмещена с вектором W, а угол между этой осью и осью самолета равен углу сноса

Если при измерении равенство частот  и  установлено неточно то это приводит к погрешности в определении угла сноса, однако почти в 30 раз меньшей, чем у однолучевой системы. Однако погрешность из-за крена остается примерно такой же, как у однолучевой системы, то есть неоправданно высокой.

Точность измерения путевой скорости значительно повышается при использовании двусторонних систем, имеющих лучи, направленные вперед и назад. Такое конструктивное решение позволяет снизить погрешности измерения путевой скорости еще в 3-5 раз. Однако погрешность измерения угла сноса остается почти такой же, как и у однолучевой системы.

Очевидно, что одновременное повышение точности измерения и угла сноса, и путевой скорости дает лишь применение в системе трех или четырех лучей.

Добившись поворотом антенной системы равенства разностных частот, можно определить угол сноса по положению антенной системы относительно оси самолета, а путевую скорость – по измеренной разностной частоте.

При неподвижной относительно оси самолета антенной системе значения W и  находят путем решения несложных уравнений с помощью вычислительного устройства.

Четырехлучевая система сочетает в себе достоинства продольной и поперечной двулучевых систем, заключающиеся в значительном уменьшении погрешностей из-за продольного и поперечного кренов аппарата, поскольку их влияние практически компенсируется при вычитании доплеровских смещений противоположно направленных лучей. Сохраняется высокая чувствительность к изменению доплеровского смещения при отклонении оси самолета в горизонтальной плоскости, что позволяет найти угол сноса или поперечную составляющую скорости с высокой точностью. Большим достоинством системы также является снижение требований к кратковременной стабильности частоты, поскольку взаимодействующие сигналы каналов приходят примерно с равных расстояний и их временной сдвиг мал. Практически такие же результаты могут быть получены и при использовании в системе трех лучей.

Техническое построение же ДИСС в значительной степени зависит от выбранного режима излучения. В настоящее время применяются системы непрерывного излучения без модуляции или с частотной модуляцией, а также системы с импульсным излучением малой и большой скважности.

Основным достоинством системы непрерывного излучения без модуляции является сосредоточенность спектра отраженного сигнала в пределах одной полосы частот, что обеспечивает наиболее полное использование энергии сигнала, а также сравнительно простое устройство передатчика, приемника и индикатора. Недостаток этой системы – очень высокий уровень модулированного по фазе и амплитуде шума, что ведет к снижению чувствительности приемника.

Для уменьшения влияния шумов используют системы с частотной или импульсной модуляцией. Большее распространение получила частотная модуляция.

Для использования импульсного излучения применяют две разнесенные антенны на одном ЛА. Такой метод утяжеляет и усложняет систему.

Использование ДИСС, особенно в сочетании с такими навигационными приборами, как инерциальная система навигации, датчик воздушной скорости, курсовертикаль, угломерно-дальномерная система ближней навигации, радиосистема дальней навигации, бортовая РЛС, позволяет значительно увеличить надежность и точность управления полетом, поэтому радиоизмеритель скорости стал неотъемлемым элементом пилотажно-навигационных комплексов.