RU2258943C1 - Импульсный радиовысотомер - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения высоты полета летательного аппарата. 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. 2 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения высоты полета летательного аппарата (ЛА).

Известен [1] радиовысотомер (РВ), содержащий (фиг.1) последовательно соединенные передатчик, аттенюатор, передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, приемник, измеритель задержки, запускаемый импульсом одновременно с запуском передатчика или чуть раньше, и блок автоматической регулировки усиления, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу приемника и второму выходу измерителя задержки, последовательно соединенные датчик помех, вход которого подключен к выходу приемника, блок управления, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, первый выход - ко второму входу аттенюатора, второй выход - к входу регулирования приемника, а второй выход передатчика подключен к третьему входу измерителя задержки.

Недостатком такого РВ с импульсной модуляцией зондирующего сигнала (ИРВ) является недостаточная точность измерения высоты полета ЛА, вызываемая установкой приемной и передающей антенн на значительное расстояние R и нестабильностью времени задержки t₀ в цепях приемопередатчика. Установка приемной и передающей антенн на значительное расстояние R необходима для обеспечения малого уровня зондирующего сигнала Р_з на входе приемника с тем, чтобы мощность Р_c отраженного сигнала значительно превосходила мощность наведенного зондирующего сигнала.

Выполнение этого требования вызвано тем, что измерение малых высот данным ИРВ, как и другими ИРВ, осуществляется за счет амплитудной селекции, когда мощность Р_с отраженного от земной поверхности сигнала существенно превосходит мощность Р_з зондирующего сигнала, поступающего на вход приемника за счет связи между приемной и передающей антеннами.

Обычно считается достаточным выполнение условия

Исходя из этого условия можно определить минимальное расстояние R между приемной и предающей антеннами.

Если в ИРВ используются одинаковые приемная и передающая антенны, то мощность зондирующего сигнала на входе приемника в соответствии с основным уравнением радиолокации может быть определена как

где Р_изл - излучаемая мощность;

G, n - коэффициент усиления и уровень боковых лепестков антенны соответственно;

λ - длина волны;

R - расстояние между центрами передающей и приемной антенн.

В свою очередь мощность Р_с отраженного земной поверхностью сигнала при полете на малых высотах определяется как

где Н - высота полета;

σ_о - удельная эффективная площадь рассеяния земной поверхности;

S_об - площадь земной поверхности, облучаемая антенной.

В выражении (3) первый множитель представляет собой плотность потока, создаваемого ИРВ у поверхности Земли, произведение первого на второй - плотность потока переизлученного земной поверхностью сигнала у поверхности антенны, третий - эффективную площадь приемной антенны ИРВ.

При полете на малых высотах

где r=Htg(Θ/2);

Θ - ширина диаграммы направленности антенны (ДНА).

С учетом (4) выражение (3) может быть приведено к виду

Подставляя выражения (2) и (5) в (1), получим

откуда

Если, например, Р_c/Р_з=10, Н=5 м, n=10^-2, σ_o=0,1, Θ=40°, то

При столь значительном расстоянии между антеннами ИРВ измеряет наклонную дальность

где H - высота полета ЛА.

Следовательно, возникает методическая ошибка измерения высоты

ΔН_м=L-H.

Ошибка ΔН_м может достигать 0,68 м, что превышает минимально допустимую ошибку измерения высоты РВ, предназначенным для посадки ЛА.

Другой причиной ошибки измерения высоты полета является нестабильность времени задержки t₀ в цепях приемопередатчика и измерительного устройства ИРВ.

Как показывает опыт испытаний ИРВ, нестабильность времени задержки t₀ в цепях приемопередатчика может достигать ±0,1 мкс, что соответствует приборной погрешности измерения высоты ΔН_n=±15 м.

Таким образом, суммарная ошибка измерения высоты может достигать ±15,7 м, что в ряде случаев недопустимо.

Для уменьшения ошибки, вызываемой нестабильности времени t₀, применяют перед стартом ЛА, в том числе и в прототипе, режим встроенного контроля РВ, при котором увеличивается коэффициент усиления приемника и происходит захват зондирующего сигнала, возникающего на выходе приемной антенны за счет недостаточной развязки между приемной и передающей антеннами. При этом измеряется высота

где с - скорость света.

Информация о высоте Н_о выдается потребителю, запоминается в его аппаратуре и в дальнейшем вычитается из результатов измерения высоты Н_и, а истинная высота H_ист=Н_и-Н₀,

Недостатком этого способа уменьшения ошибки измерения высоты является возможное изменение задержки t₀ в процессе полета ЛА, которое может достигать 0,03-0,06 мкс, приводящее к ошибке измерения высоты, лежащей в пределах 4,5-9 м, что также в ряде случаев недопустимо.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения малых высот импульсным радиовысотомером.

Поставленная цель достигается тем, что в известный радиовысотомер, содержащий последовательно соединенные передатчик и аттенюатор, последовательно соединенные приемник, измеритель задержки, второй вход которого соединен с вторым выходом передатчика, и блок автоматической регулировки усиления, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу приемника и второму входу измерителя задержки, последовательно соединенные датчик помех и блок управления, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а первый и второй выходы блока управления подключены соответственно ко вторым входам аттенюатора и приемника, а вход датчика помех подключен к выходу приемника, введены передающая антенна с устройством отбора мощности, приемная антенна с устройством ввода мощности, последовательно соединенные синхронизатор и сверхвысокочастотный выключатель, вход передающей антенны подключен к выходу аттенюатора, а выход устройства отбора мощности - ко второму входу сверхвысокочастотного выключателя, выход которого соединен с входом устройства ввода мощности приемной антенны, выход которой подключен к первому входу приемника, первый и второй входы синхронизатора подключены соответственно к третьему и четвертому выходам измерителя задержки, второй выход - к третьему выходу измерителя задержки, третий выход - ко входу передатчика, четвертый выход - к четвертому входу измерителя задержки, пятый вход которого подключен к первому выхода синхронизатора, а синхронизатор содержит первый элемент ИЛИ, последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты, формирователь импульса запуска и первую линию задержки с отводами, последовательно соединенные таймер и формирователь команды "Контроль", первый вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу таймера, второй вход - к четвертому выходу измерителя задержки, выход - ко вторым входам делителя частоты и формирователя импульса запуска, в измеритель задержки, содержащий последовательно соединенные временной дискриминатор, первый вход которого подключен к выходу приемника, фильтр нижних частот и временной модулятор, выход которого подключен ко второму входу временного дискриминатора, последовательно соединенные триггер, первый вход которого подключен ко второму выходу передатчика, а второй - к выходу временного модулятора, и измеритель временных интервалов введены формирователь сигнала "Захват", последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, первое вычитающее устройство и постоянное запоминающее устройство, в которое в процессе изготовления радиовысотомера вводят расчетные значения методической ошибки измерения высоты, зависящей от расстояния R между приемной и передающей антеннами и высоты полета летательного аппарата, последовательно соединенные вторая линия задержки с отводом, второе вычитающее устройство и переключатель параметров модуляции, вход формирователя сигнала "Захват" подключен к выходу временного дискриминатора, второй вход измерителя временных интервалов подключен к выходу формирователя сигнала "Захват", третий вход - к выходу временного модулятора, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора, первый выход измерителя временных интервалов подключен к входу второй линии задержки с отводом и первому входу оперативного запоминающего устройства, второй выход - ко второму входу оперативного запоминающего устройства и ко второму входу первого вычитающего устройства, третий вход которого подключен к первому выходу второй линии задержки с отводом, а выход - дополнительно ко второму входу второго вычитающего устройства, третий вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, а выход переключателя параметров модуляции и третий выход измерителя временных интервалов соединены соответственно с первым и вторым входом синхронизатора, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства.

Выходом радиовысотомера является выход второго вычитающего устройства измерителя задержки.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что для уменьшения приборной погрешности измерения высоты в постоянное запоминающее устройство записываются рассчитанные методические ошибки измерения высоты для различных высот и расстояний R между приемной и передающей антеннами, в процессе полета ИРВ периодически переводится вновь введенным синхронизатором в режим измерения времени t₀ задержки сигнала в цепях приемопередатчика, измеренное время t₀ преобразуется в код, который запоминается в оперативном запоминающем устройстве и вычитается в первом вычитающем устройстве (ВУ) из кода времени t_и, полученного в режиме измерения высоты, вычисленная разность Δt=t_и-t₀ используется для извлечения из постоянного запоминающего устройства информации о величине методической ошибки ΔН_м, на которую корректируется Δt во втором вычитающем устройстве, выход которого является выходом РВ.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие в нем новых блоков: синхронизатора, СВЧ-выключателя, передающей антенны с дополнительным выходом, приемной антенны с дополнительным входом, оперативного и постоянного запоминающих устройств, вычитающих устройств, линии задержки, элементов И и ИЛИ, таймера.

Вновь вводимые блоки описаны в известной литературе: СВЧ-переключатель в [3], с.50-72, элементы И и ИЛИ, постоянные и оперативные запоминающие и вычитающие устройства в [4], с.102, 107-121, 331-350, 392, линии задержки в [7], синхронизатор может быть выполнен по функциональной схеме, приведенной на фиг.3, содержащей общеизвестные элементы, а возможный вариант антенны с дополнительными СВЧ входами (выходами) приведен на фиг.9.

Однако их включение в соответствии с вышеуказанными связями из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».

При введении новых блоков в указанных связях с остальными блоками РВ проявляет новые свойства, позволяющие повысить точность измерения высоты ЛА, что не следует из уровня техники и соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - функциональная схема прототипа;

фиг.2 - функциональная схема предлагаемого ИРВ;

фиг.3 - функциональная схема синхронизатора 1;

фиг.4 - функциональная схема измерителя задержки 10;

фиг.5 - функциональная схема измерителя временных интервалов 25;

фиг.6 - временные диаграммы сигналов в режиме "Контроль";

фиг.7 - временные диаграммы сигналов в режиме измерения высоты;

фиг.8 - временные диаграммы, поясняющие работу измерителя временных интервалов 24;

фиг.9 - возможная конструкция передающей (приемной) антенны.

Функциональная схема устройства приведена на фиг.2, на которой обозначены:

1 - синхронизатор (Синх);

2 - передатчик (Прд);

3 - аттенюатор (А);

4 - антенна передающая (Апрд);

5 - антенна приемная (Апрм);

6 - сверхвысокочастотный выключатель (СВЧВ);

7 - приемник (Прм);

8 - блок управления (БУ);

9 - датчик помех (ДП);

10 - измеритель задержки (ИЗ);

11 - блок автоматической регулировки усиления (БАРУ).

Связи между блоками соответствуют приведенным на фиг.2.

Синхронизатор 1 (фиг.3) содержит:

12 - кварцевый генератор (КГ);

13 - делитель частоты (ДЧ);

14 - формирователь импульса запуска (ФИЗ);

15 - первая линия задержки с отводом (1-я ЛЗ);

16 - первый элемент ИЛИ (1-й ИЛИ);

17 - таймер;

18 - формирователь команды "Контроль" (ФКК).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.3.

Функциональная схема измерителя задержки 10 приведена на фиг.3, на которой обозначены:

19 - временной дискриминатор (ВД);

20 - фильтр низкой частоты (ФНЧ);

21 - временной модулятор (ВМ);

22 - триггер (Т);

23 - формирователь сигнала "Захват" (ФСЗ);

24 - измеритель временных интервалов (ИВИ);

25 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

26 - первое вычитающее устройство (1-е ВУ);

27 - второе вычитающее устройство (2-е ВУ);

28 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

29 - переключатель параметров модуляции (ППМ);

30 - вторая линия задержки (2-я ЛЗ).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.4.

Функциональная схема измерителя временных интервалов 24 приведена на фиг.5, на которой обозначены:

31 - первый элемент И (1-й И);

32 - генератор счетных импульсов (ГСИ);

33 - счетчик импульсов высоты (СИВ);

34 - второй элемент ИЛИ (2-й ИЛИ);

35 - второй элемент И (2-й И);

36 - счетчик числа усреднения (СЧУ);

37 - генератор задержанного импульса (ГЗИ);

38 - третья линия задержки (3-я ЛЗ).

На фиг.6 и фиг.7 представлены временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы ИРВ в режимах "Контроль" и "Измерение высоты" соответственно, на которых обозначены:

а - импульсы на выходе ДЧ 13;

б - импульсы на выходе ФИЗ 14;

в - импульсы на первом выходе 1-й ЛЗ 15;

г - импульсы на втором выходе 1-й ЛЗ 15;

д - СВЧ импульсы на первом выходе Прд 2;

е - импульсы на втором выходе Прд 2;

ж - СВЧ импульсы на входе приемника 7;

и - импульсы на выходе приемника 7;

к - поисковые импульсы на выходе ВМ 21;

л - импульсы на выходе триггера 22;

м - импульсы на первом выходе ИВИ 24.

На фиг.8 представлены временные диаграммы напряжения, поясняющие работу ИВИ 21, на которых обозначены:

а - сигнал "Захват";

б - импульсы на выходе Т 22;

в - поисковые импульсы на выходе второго И 35;

г - импульсы на выходе первого И 31;

д - импульсы на выходе первого триггера СЧУ 36;

е - импульсы на выходе второго триггера СЧУ 36;

ж - импульсы на выходе n-го триггера СЧУ 36;

и - импульсы ГЗИ 35;

к - импульсы на первом выходе 3-й ЛЗ 36;

л - импульсы на втором выходе 3-й ЛЗ 36.

На фиг.9 представлена возможная конструкция передающей (приемной) антенны, где обозначены:

1 - корпус;

2 - основной вибратор;

3 - вспомогательный вибратор;

4 - высокочастотный разъем основного вибратора;

5 - высокочастотный разъем вспомогательного вибратора;

6 - радиопрозрачная крышка (обтекатель антенны).

Синхронизатор 1 предназначен для создания импульсов запуска передатчика, измерителя задержки и сигналов перевода ИРВ в режимы контроля и работы и может быть выполнен по функциональной схеме, приведенной на фиг.3.

Передатчик 2 предназначен для создания импульсов СВЧ колебаний, длительность которых определяется длительностью импульса, сформированного ФИЗ 14 синхронизатора 1.

Аттенюатор 3 предназначен для ослабления СВЧ колебаний, поступающих на его вход, под воздействием напряжения, снимаемого с выхода 1 БУ 8, и может быть выполнен на pin-диодах типа 2А543-2А.

Антенна передающая 4 предназначена для излучения СВЧ колебаний, создаваемых передатчиком 2, и отбора части их мощности для обеспечения режима «Контроль». Антенна должна иметь малый уровень боковых лепестков и может быть выполнена, например, в виде антенны обратной волны, в состав которой введен вспомогательный вибратор для отбора мощности (фиг.9).

Антенна приемная 5 служит для приема отраженных земной поверхностью сигналов передатчика и обеспечения поступления сигналов с выхода СВЧВ 6 на вход Прм 7 и может быть выполнена аналогично передающей антенне.

СВЧ выключатель 6 предназначен для обеспечения режимов работы ИРВ и обеспечивает изменение затухания в значительных пределах в зависимости от сигнала, поступающего на его первый вход; может быть выполнен на pin-диодах типа 2А543-А2.

Приемник 7 предназначен для усиления и преобразования в видеоимпульсы СВЧ импульсов, поступающих на его вход, и может быть выполнен аналогично приемнику прототипа.

Блок управления 8 служит для подачи напряжения с выхода БАРУ 11 на управляющий вход 2 приемника 7 или на управляющий вход 2 аттенюатора 3 и может быть выполнен аналогично блоку управления прототипа.

Датчик помех 9 предназначен для формирования сигнала, переключающего выход БУ 8 ко вторым входам приемника 7 или аттенюатора 3, и может быть выполнен по схеме, примененной в прототипе.

Измеритель задержки 10 предназначен для выделения отраженного от земной поверхности сигнала на фоне помех, преобразования времени между излученным и принятым импульсами в код, компенсации методической ошибки измерения высоты, формирования команды на переключение параметров модуляции зондирующего сигнала и выдачи информации о высоте и может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.4.

Блок автоматической регулировки усиления 11 предназначен для формирования напряжения, обеспечивающего изменения затухания аттенюатора 3 или коэффициента усиления приемника 7 для поддержания постоянной амплитуды импульса «и», и может быть выполнен по схеме, примененной в прототипе.

Устройство работает следующим образом.

Устройство имеет два режима работы: первый режим («Контроль») измерения времени t₀ внутренней задержки в цепях приемопередатчика и второй режим («Измерение»), когда измеряется высота.

При включении ИРВ устанавливается в первый режим программируемым таймером 17 (фиг.3), формирующим сигнал лог. 1, поступающий на второй вход первого ОЗУ 25, переводя его в режим чтения, на ФКК 18 и через элемент ИЛИ 16 - на вторые входы ДЧ 13 и ФИЗ 14.

Сигнал с выхода ФКК 18 поступает на первый вход 2-го ИЛИ 34 блока ИВИ 24 и на 1-й вход СВЧВ 6, уменьшая его затухание. Кварцевый генератор 12 синхронизатора 1, аналогичный описанному в [4], с.298, генерирует синусоидальное напряжение, поступающее на первый вход ДЧ 13, формирующего импульсы «а» (фиг.6), средний период повторения Т_П которых зависит от сигнала, поступающего на его второй вход: при поступлении на него сигнала лог.1 Т_П1<Т_П2, где Т_П1 и Т_П2 - средние периоды повторения при сигнале лог.1 или лог.0 на втором входе ДЧ 13. Например, Т_П1=10 мкс при поступлении сигнала лог.1.

Период Т_П2 выбирается из условия

Т_П2>2Н_М/с+Т_В+Т_ВОБ,

где Н_м - максимально измеряемая высота;

Т_в - время восстановления следящей системы ИЗ 10;

Т_ВОБ - вобуляция периода повторения.

Если, например, Н_м=10000 м, Т_в=20 мкс, а Т_ВОБ=14 мкс, то

T_П2=2·10⁴/(3·10⁸)+20+14=100 мкс.

Импульсы «а» с выхода ДЧ 13 запускают ФИЗ 14, формирующий импульсы «б», длительность t_И которых зависит от управляющего сигнала, поступающего на его второй вход: при поступлении сигнала лог.1 формируется импульс длительностью t_И1<t_И2, где t_И2 - длительность импульса при поступлении управляющего сигнала лог.0.

Например, так же как и в [2], t_И1=0,1 мкс, а t_И2=0,5 мкс. Поскольку в первом режиме на вторые входы ДЧ 13 и ФИЗ 14 подается сигнал лог.1, ФИЗ 14 формирует импульсы малой длительности, следующие с малым периодом повторения Т_П1.

Импульсы «б» с выхода ФИЗ 14 поступают на вход первой двухотводной ЛЗ 15. Импульсы «в», снимаемые с вывода 1 первой ЛЗ 15, поступают на запуск ВМ 21 блока ИЗ 10, а импульсы «г», снимаемые с ее второго вывода, - на запуск Прд 2, формирующего импульсы «д» СВЧ колебаний, длительность которых определяется длительностью импульса «б» ФИЗ 14.

Сформированные импульсы «д» через аттенюатор 3 подводятся к высокочастотному разъему основного вибратора АПрд 4 и излучаются.

Снимаемые с выхода высокочастотного разъема вспомогательного вибратора Апрд 4 СВЧ импульсы через СВЧВ 6 поступают на дополнительный вход АПрм 5, и за счет связи с основным вибратором антенны - на вход 1 приемника 7, аналогичного используемому в прототипе.

При этом затухание N₃ сигнала, снимаемого с выхода основного вибратора приемной антенны 5, относительно излученного определяется как

N_З=N₁+N_CBЧB+N₂,

где N₁, N₂ - выраженные в децибеллах (дБ) ослабления сигнала устройств отбора мощности передающей и ввода мощности приемной антенн соответственно;

N_СВЧВ - затухание СВЧВ 6.

Затухание N_З выбирается таким, чтобы оно было существенно меньше затухания N_A между приемной и передающей антеннами. Если, например, N_A=90 дБ, то N_З выбирается равным 70...75 дБ подбором N₁ и N₂. При таком уровне затухания происходит захват зондирующего сигнала, поступающего через СВЧВ 6 на вход приемника 7. СВЧ импульсы «ж» усиливаются и преобразуются им в видеоимпульсы «и», которые поступают на 1-й вход ВД 19 блока ИЗ 10 (фиг.4). ВМ 21, запускаемый импульсом «в», формирует поисковый импульс «к», поступающий на вторые входы ВД 19, Т 22 и третий вход ИВИ 24. Время задержки импульса «к» относительно импульса «в» увеличивается до тех пор, пока он не совпадет по времени с передним фронтом импульса «и», после чего на выходе ВД 19 возникает напряжение, переводящее следящую систему, образованную, как и в прототипе, ВД 19, ФНЧ 20 и ВМ 21, в режим слежения за передним фронтом импульса «и». Одновременно под действием этого напряжения срабатывает ФСЗ 23, выдающий сигнал «Захват», свидетельствующий о работоспособности РВ. Этот сигнал поступает на вход 2 ИВИ 24, обеспечивая преобразование в код времени между импульсами "е" и "к", отражается в его выходном коде и учитывается потребителем информации о высоте.

ИВИ 24 начинает выдавать информацию о высоте, которая формируется следующим образом. При генерации СВЧ импульса «д» (фиг.6), Прд 2 на втором выходе формирует импульс «е», поступающий на S вход Т 22, переводя его в состояние лог.1. Поисковый импульс «к» ВМ 21 поступает на R вход Т 22 и переводит его в состояние 0. Таким образом, время t₀, в течение которого Т 22 находится в состоянии лог. 1, т.е. длительность импульса «л»

t₀=t₁+t₂+t_ПР-t_ПИ,

где t₁ и t₂ - время распространения импульса «д» в высокочастотных кабелях, соединяющих СВЧВ 6 с АПрд 4 и АПрм 5 соответственно;

t_ПР - время задержки сигнала в приемнике 7;

t_ПИ - длительность поискового импульса.

Это время преобразуется ИВИ 24 в двоичный код следующим образом.

При переводе ИРВ в первый режим работы таймер 17 формирует сигнал, поступающий в ФКК 18, формирующий уровень лог.1, поступающий в ИВИ 24 (фиг.5) и приводящий через второй элемент ИЛИ 34 триггеры СИВ 33 и СЧУ 36 в состояние лог.0. При этом на втором выходе СЧУ 36 устанавливается уровень лог.1 (фиг.8"ж"), при котором первый И 31 открыт по четвертому входу. При поступлении сигнала «Захват» в виде лог.1 отрываются по вторым входам первый И 31 и второй И 35. Поэтому импульсы ГСИ 32 начинают поступать на вход СИВ 33 при поступлении импульсов «б» с выхода триггера Т 22 (фиг.8 «б»), а поисковые импульсы - на вход СЧУ 36 (фиг.8"в").

При поступлении N_У поисковых импульсов "в" на 2-м выходе СЧУ 36 возникает уровень лог.0, закрывающий 1-й И 31 по четвертому входу, на первом выходе СЧУ 36 возникает перепад напряжений, запускающий ГЗИ 37, формирующий импульс "и", поступающий на 3-ю ЛЗ 38; снимаемый с ее первого выхода импульс "к" поступает на первый вход ОЗУ 25 и записывает в него код с выхода СИВ 33. Таким образом, в ОЗУ 25 записан код времени t₀.

Снимаемый со второго выхода третьей ЛЗ 38 импульс "л" поступает на вход таймера 17, на выходе которого формируется сигнал лог.0, переводящий ИРВ в режим измерения высоты.

Длительность импульса «л» (фиг.6) преобразуется БАРУ 11, способом, аналогичным примененному в прототипе, в напряжение постоянного тока, которое через БУ 8 поступает на второй аттенюатор 3, изменяет его затухание для обеспечения постоянной амплитуды импульса «и», снимаемого с выхода приемника 7, при отсутствии помех, определяемом датчиком помех 9, или на второй вход приемника 7, уменьшая его коэффициент усиления, как с целью исключения захвата прямого (зондирующего) импульса, возникающего на входе приемной антенны за счет конечной развязки между Апрд 4 и Апрм 5, так и для поддержания постоянной амплитуды импульса «и» (фиг.6 и).

Можно показать, что время Т_К работы РВ в первом режиме мало. Очевидно, что Т_К=Т_поиска+Т_обн+Т_изм,

где Т_поиска, Т_обн, Т_изм - время поиска, обнаружения, измерения соответственно.

В свою очередь Т_поиска=n_и T_п1,

где n_и - число излученных импульсов в процессе поиска сигнала с выхода приемника;

T_п1 - период повторения.

Если, например, считать, что средний период повторения импульсов T_п1=10 мкс, длительность импульса «д» t_и=0,1 мкс, возможное изменение времени задержки сигнала в цепях приемопередатчика Δt₀=0,2 мкс, а изменение времени задержки поискового импульса составляет Δt_П=0,01 мкс за период повторения, то необходимое число излучаемых импульсов

n_И=Δt₀/Δt_П=2·10^-6/10^-8=20.

Тогда время поиска

Т_поиска=n_И·T_П1=20·10·10^-6=0,2 мс.

В свою очередь Т_обн=⁼L·T_П1,

где L - число импульсов, которое необходимо излучить для обнаружения сигнала с вероятностью Д при ложной тревоге F и заданном отношениям сигнал/помеха ρ.

Согласно [6], с.244, рис.3.6, если ρ=15 дБ, Д=0,999 и F=10^-10, то L=4.

Тогда Т_обн=4·10^-5 с=0,04 мс.

Для повышения точности измерения необходимо производить усреднение N_у единичных измерений в ИВИ 24. Необходимое число усреднений N_у определяется исходя из погрешности дискретизации

где с - скорость света;

f - тактовая частота ГСИ 32 блока ИВИ 24.

Откуда N_y=(c/2f)²·(1/6σ² _д).

Современные счетчики могут считать частоты f=10⁹ Гц [5].

Если принять σ_Д=0,03 м, то N_y=16, а время измерения

Т_изм=Т_П·N_y=10·10^-6·16=0,16 мс.

Таким образом, время Т_К, необходимое для получения информации о t₀ в режиме контроля,

Т_к=Т_поиск+Т_обн+Т_изм=0,2+0,04+0,16=0,4 мс.

Столь малое время Т_к позволяет измерять время t₀ не только при предполетных (предстартовых) проверках, но и в полете ЛА, что осуществляется по программе, заложенной в таймер.

В режиме измерения высоты с 1-го выхода С1 снимается уровень лог.1, ОЗУ 25 переводится в режим чтения, увеличивается затухание СВЧВ 6 до такой величины, чтобы уровень зондирующего сигнала на его выходе был ниже минимально принимаемой мощности приемником 7.

Излучаемые Апрд 4 импульсы «д» (фиг.7) отражаются поверхностью Земли, принимаются Апрм 5, усиливаются, преобразовываются приемником 7 и поступают на 1-й вход ИЗ 10. Так же как и в режиме измерения внутренней задержки, ВМ 21 формирует поисковый импульс «к», задержка которого относительно импульса «в» изменяется до тех пор, пока не произойдет совпадение импульса «к» с передним фронтом импульса «и». Выход приемника 7 соединен с входами ДП 9 и БАРУ 11.

При отсутствии помех БАРУ 11, как и в прототипе, формирует напряжение, поступающее через БУ 8 на вход 2 аттенюатора 3, и изменяет его затухание для поддержания постоянной амплитуды импульса «и» на выходе приемника 7.

При воздействии помех на выходе датчика помех 9 возникает уровень лог. 1, по которому напряжение с выхода БАРУ 8 поступает на второй вход приемника 7 и изменяет его коэффициент усиления для поддержания постоянной амплитуды импульса «и» на его выходе.

В этом режиме ИЗ 10 измеряет время

t_И=t₀+t_h,

где t_h=2H/c;

Н - высота полета ЛА.

Измерение времени t_И происходит следующим образом. После захвата отраженного сигнала ФСЗ 23 выдает команду «Захват» в виде лог.1, которая, как и в режиме измерения времени t₀, поступает на вторые входы 1-го И 31 и 2-го И 35, и поисковые импульсы начинают поступать на СЧУ 36, при заполнении которого на его выходе возникает перепад напряжения, запускающий ГЗИ 37, формирующий импульс «и» (фиг.8 и), поступающий на 3-ю ЛЗ 38. Снимаемый с ее выхода импульс «л» через второй вход второго ИЛИ 34 поступает на вторые входы СИВ 33 и СЧУ 36, приводя их триггеры в нулевое состояние. При этом на втором выходе СЧУ 36 формируется уровень лог.1, при котором 1-й И 31 открыт по 4-му входу, что обеспечивает прохождение, как и в режиме измерения времени t₀, N_y пачек импульсов «г» ГСИ 32 на вход СИВ 33 (фиг.8).

Код с выхода ИВИ 24 (фиг.5), содержащий информацию о времени t_И, поступает на 2-й вход первого ВУ 26, на первый вход которого подается код времени t₀ с выхода ОЗУ 25, а на третий вход - импульс «к» с первого выхода 2-ой ЛЗ 30, при поступлении которого 1-е ВУ 26, выполненное, например, на микросхемах типа 564 ИМ-1, вычитает код t₀ из кода времени t_И.

Полученный код измеренной высоты Н поступает на второй вход аналогичного 2-го ВУ 27, на 3-й вход которого поступает код из ПЗУ 28, соответствующий методической ошибке ΔН и изменяющийся в зависимости от высоты. В качестве ПЗУ 28 может быть использована, например, микросхема 556 РТ5.

При поступлении на первый вход 2-го ВУ 27 импульса «л», снимаемого с второго выхода 2-й ЛЗ 30, 2-е ВУ 27 вычитает из кода высоты код методической ошибки, уменьшающийся с увеличением высоты полета ЛА.

Таким образом, код, снимаемый с выхода 2-го ВУ 27, определяется только высотой полета и не зависит как от времени t₀, так и от методической ошибки ΔН м, и является выходом ИРВ.

Этот код также поступает на вход ППМ 29, представляющий собой цифровой компаратор, аналогичный, например, описанному в [4], с.329, на первый вход которого подается вход высоты Н, а на второй вход - код высоты Н_п, на которой должны быть переключены параметры модуляции (t_И и Т_п). Если Н>Н_п, то на выходе ППМ 29 возникает сигнал лог.0, который через второй вход первого ИЛИ 16 поступает на вторые входы ДЧ 13 и ФИЗ 14 и изменяет соответственно период повторения Т_п и длительность импульса t_И.

Оценим погрешность измерения высоты с учетом предлагаемой схемой компенсации методической ошибки. Очевидно, что степень компенсации зависит, прежде всего, от цены младшего разряда кода высоты, который определяет как погрешность ввода данных о высоте в ПЗУ, так и ошибку дискретности записанных в ПЗУ данных о методических ошибках.

В таблице представлены результаты расчетов величины методической ошибки при R=2,7 м и цене младшего разряда кода равной 0,0156 м. В таблице обозначены:

Н - высота полета ЛА;

L - расчетная дальность, вычисленная по формуле 8;

L_рв - результат измерения дальности с учетом дискретности измерения;

Δ - величина ошибки, записанной в память ПЗУ 5;

L-Δ - результат вычитания ошибки на выходе второго ВУ 27;

ΔН - ошибка измерения высоты.

Таблица 1
Н, м	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2
L, м	1,679	1,8	1,94	2,09	2,241	2,41
LРВ, м	1,671	1,78	1,937	2,077	2,243	2,406
Δ, м	0,671	0,577	0,531	0,469	0,347	0,406
L-Δ, м	1,008	1,203	1,406	1,608	1,806	2.00
ΔН, м	0,008	0,003	0,006	0,008	0,006	0,00

Как следует из этой таблицы, методическая ошибка не превосходит 0,008 м.

ПЗУ может быть выполнено на одной микросхеме. Очевидно, что число ячеек ПЗУ

где H_к - максимальная высота, на которой должна учитываться методическая ошибка, исходя из требований по точности измерения высоты;

ΔН_мр - цена младшего разряда кода высоты.

Значение Н_к может быть определено исходя из допустимой методической ошибки ΔН_мд по формуле

Раскрывая это выражение, получим:

Откуда

Если, например, R=2,7 м, ΔН_мд=0,0312 м, то Н_к=29,15 м, а общее число ячеек к=29,15/0,0312=934, т.е. необходимо десять разрядов ПЗУ для ввода данных о высоте. Для того, чтобы на высотах, больше Н_к, из ПЗУ извлекался код 0, необходимо вводить еще два разряда кода высоты. Таким образом, ПЗУ должно быть рассчитано на прием двенадцати разрядных слов адреса.

Если считать, что методическая ошибка равна 0,68 м, цена младшего разряда ΔН_мр=0,0156 м, то максимальное число m, которое надо записать в каждом адресе ПЗУ

т.е. достаточно записывать 6-ти разрядные слова. Тогда объем V памяти ПЗУ

V=4096·64=262144 бит.

В качестве такого ПЗУ может быть использована микросхема типа 556РТ16.

Ошибка, вызываемая изменением времени t₀, как правило, носит медленно изменяющийся характер и вызывается в основном изменением внутриблочной температуры, которая приводит к изменению частот передатчика, гетеродина, полосы пропускания усилителя промежуточной частоты приемника, времени перекрытия поискового и отраженного импульсов и т.п.

Можно принять, что ошибка измерения высоты, вызываемая изменением времени t₀, изменяется пропорционально времени Т со скоростью

. Если, например, ΔH=15 м, Т=600 с, то

.

Если таймер 17 будет переводить ИРВ в режим измерения t₀ 1 раз в секунду, то ошибка за счет некомпенсированного изменения времени t₀ составит ΔН_t0=V_т·t=0,025 м.

Следовательно, суммарная погрешность измерения высоты полета ЛА может быть

ΔН_и=ΔН_м+ΔН_t0=0,008+0,025=0,033 м,

что значительно ниже, чем в прототипе.

Таким образом, технический эффект предлагаемого решения состоит в повышении точности измерения высоты за счет уменьшения погрешности, вызываемой изменением времени t₀ задержки сигнала в цепях приемопередатчика, и методической ошибки, вызываемой установкой приемной и передающей антенн на расстояние R, необходимое для уменьшения уровня зондирующего сигнала на выходе приемной антенны.

Пользуясь сведениями, приведенными в материалах заявки, можно разработать и изготовлять на отечественной элементной базе ИРВ для измерения сверхмалых высот с повышенной точностью.

Вновь вводимые элементы, узлы и блоки заявляемого ИРВ являются известными устройствами, широко используемыми в радиовысотомерах и радиолокационных станциях СВЧ. Блоки (передатчик, приемник, СВЧ выключатель) могут быть выполнены по гибридно-пленочной технологии, а низкочастотные и вычислительные - на базе программируемых логических интегральных схем, что не приведет к увеличению объема и массы.

Заявляемое устройство может быть использовано в системах управления летательных аппаратов различного назначения и, следовательно, удовлетворяет требованию критерия «Промышленная применимость».

Литература

1. Радиовысотомер. Авторское свидетельство СССР №1672834 по заявке 46773335/9 (052958) от 11.04.89 г.

2. Изделие А-035. Техническое описание ГУ 1.000.048 ТО. Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», 1983.

3. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, с.50-72.

4. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.102, 117-121, 292, 321-350, 392.

5. Триггер МАХ 9381. www.maxim-ic.com.

6. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. - М.: Советское радио, 1960, с.244, рис.36.

7. Линии задержки теплостойкие типа ЛЗТ. Технические условия ГИО.206.004 ТУ, 1986.

Claims (3)

1. Импульсный радиовысотомер, содержащий последовательно соединенные передатчик и аттенюатор, последовательно соединенные приемник, измеритель задержки, второй вход которого соединен с вторым выходом передатчика, и блок автоматической регулировки усиления, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу приемника и второму выходу измерителя задержки, последовательно соединенные датчик помех и блок управления, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а первый и второй выходы блока управления подключены соответственно ко вторым входам аттенюатора и приемника, а вход датчика помех подключен к выходу приемника, отличающийся тем, что введены передающая антенна с устройством отбора мощности, приемная антенна с устройством ввода мощности, последовательно соединенные синхронизатор и сверхвысокочастотный выключатель, вход передающей антенны подключен к выходу аттенюатора, а выход устройства отбора мощности - ко второму входу сверхвысокочастотного выключателя, выход которого соединен с входом устройства ввода мощности приемной антенны, выход которой подключен к первому входу приемника, первый и второй входы синхронизатора подключены соответственно к третьему и четвертому выходам измерителя задержки, второй выход - к третьему входу измерителя задержки, третий выход - к входу передатчика, четвертый выход - к четвертому входу измерителя задержки, пятый вход которого подключен к первому выходу синхронизатора.

2. Импульсный радиовысотомер по п.1, отличающийся тем, что синхронизатор содержит первый элемент ИЛИ, последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты, формирователь импульса запуска и первую линию задержки с отводами, последовательно соединенные таймер и формирователь команды "Контроль", первый вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу таймера, второй вход - к четвертому выходу измерителя задержки, а выход - ко вторым входам делителя частоты и формирователя импульса запуска.

3. Импульсный радиовысотомер по п.1, отличающийся тем, что в измеритель задержки, содержащий последовательно соединенные временной дискриминатор, первый вход которого подключен к выходу приемника, фильтр нижних частот и временной модулятор, выход которого подключен ко второму входу временного дискриминатора, последовательно соединенные триггер, первый вход которого подключен ко второму выходу передатчика, а второй вход - к выходу временного модулятора, и измеритель временных интервалов, введены формирователь сигнала "Захват", последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, первое вычитающее устройство и постоянное запоминающее устройство, в которое в процессе изготовления радиовысотомера вводят расчетные значения методической ошибки измерения высоты, зависящей от расстояния R между приемной и передающей антеннами и высоты полета летательного аппарата, последовательно соединенные вторая линия задержки с отводом, второе вычитающее устройство и переключатель параметров модуляции, вход формирователя сигнала "Захват" подключен к выходу временного дискриминатора, второй вход измерителя временных интервалов подключен к выходу формирователя сигнала "Захват", третий вход - к выходу временного модулятора, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора, а четвертый вход - к первому выходу синхронизатора, первый выход измерителя временного интервала подключен к входу второй линии задержки с отводом и первому входу оперативного запоминающего устройства, второй выход - ко второму входу оперативного запоминающего устройства и ко второму входу первого вычитающего устройства, третий вход которого подключен к первому выходу второй линии задержки с отводом, а выход - дополнительно ко второму входу второго вычитающего устройства, третий вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, выход переключателя параметров модуляции и третий выход измерителя временных интервалов соединены соответственно с первым и вторым входами синхронизатора, четвертый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства, а выходом радиовысотомера является выход второго вычитающего устройства измерителя задержки.

Images