RU2531065C2 - Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor - Google Patents

Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2531065C2
RU2531065C2 RU2012152598/28A RU2012152598A RU2531065C2 RU 2531065 C2 RU2531065 C2 RU 2531065C2 RU 2012152598/28 A RU2012152598/28 A RU 2012152598/28A RU 2012152598 A RU2012152598 A RU 2012152598A RU 2531065 C2 RU2531065 C2 RU 2531065C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
pitch angle
linearly polarized
horizontal plane
electromagnetic waves
Prior art date
Application number
RU2012152598/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012152598A (en
Inventor
Владимир Леонидович Гулько
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР)
Priority to RU2012152598/28A priority Critical patent/RU2531065C2/en
Publication of RU2012152598A publication Critical patent/RU2012152598A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2531065C2 publication Critical patent/RU2531065C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: physics, navigation.
SUBSTANCE: invention relates to radio navigation and can be used in aircraft instrument landing systems. The method includes emitting, from a point with known coordinates, horizontally linearly polarised electromagnetic waves; receiving the electromagnetic waves on-board an aircraft in a lateral direction with respect to the direction of flight; and determining the pitch angle from measured amplitudes of in-phase orthogonally linearly polarised components of the received signal. This enables to prevent constant accumulation of measurement errors and insensitivity to overloading arising in a non-steady flight mode.
EFFECT: high accuracy.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться в пилотажно-навигационных системах ориентации летательного аппарата (ЛА), например при заходе на посадку по приборам.The invention relates to radio navigation and can be used in flight navigation systems for aircraft orientation (LA), for example, when approaching instruments.

Известные способы и устройства измерения угла тангажа ЛА основаны на использовании инерциальных систем навигации, в частности гироскопических систем ориентации [1-3]. Таким способам измерения и устройствам, их реализующим, присущ ряд недостатков. Во-первых, с течением времени происходит постоянное накопление ошибки измерений и за один час полета она составляет величину единицы градусов [1, 2]. Во-вторых, если ЛА развивает значительные перегрузки, то происходит увеличение собственной скорости прецессии гироскопа, что в ряде случаев приводит к полной потере его работоспособности [1].Known methods and devices for measuring the pitch angle of an aircraft are based on the use of inertial navigation systems, in particular gyroscopic orientation systems [1-3]. A number of disadvantages are inherent in such measurement methods and devices implementing them. Firstly, over time, there is a constant accumulation of measurement errors and for one hour of flight it is a unit of degrees [1, 2]. Secondly, if an aircraft develops significant overloads, then the gyroscope’s own precession rate increases, which in some cases leads to a complete loss of its performance [1].

Поскольку известные способы измерения угла тангажа ЛА и устройства, их реализующие, основаны на другом физическом принципе, по сравнению с заявляемыми, то они не могут рассматриваться в качестве аналогов, так как не имеют общих признаков.Since the known methods for measuring the pitch angle of an aircraft and devices that implement them are based on a different physical principle compared to the claimed ones, they cannot be considered as analogues, since they do not have common features.

Сущность заявляемого способа измерения угла тангажа ξ ЛА заключается в следующем.The essence of the proposed method for measuring the pitch angle ξ of the aircraft is as follows.

Из точки (О) с известными координатами в направлении ЛА излучают горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны (см. фиг.1). Выберем систему координат таким образом, что направление излучения электромагнитных волн совпадает с осью OZ. Ось OY перпендикулярна горизонтальной плоскости OZX, а ось ОХ находится в этой плоскости. Совместно они образуют исходную неподвижную декартовую прямоугольную систему координат YOX. Вектор напряженности электрического поля E ˙

Figure 00000001
излучаемых электромагнитных волн совпадает с горизонтальной плоскостью OZX и с положительным направлением оси ОХ, лежащей в этой плоскости.From the point (O) with known coordinates in the direction of the aircraft, horizontally linearly polarized electromagnetic waves are emitted (see figure 1). We choose a coordinate system in such a way that the direction of radiation of electromagnetic waves coincides with the axis OZ. The OY axis is perpendicular to the horizontal OZX plane, and the OX axis is in this plane. Together, they form the original fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX. Electric field vector E ˙
Figure 00000001
radiated electromagnetic waves coincides with the horizontal plane OZX and with the positive direction of the axis OX lying in this plane.

На борту ЛА, находящегося в точке О' (см. фиг.1), связанная с корпусом подвижная декартовая система прямоугольных координат Y'O'X' организована таким образом, что в исходном состоянии, когда угол тангажа ξ ЛА равен нулю, вертикальная O'Y' и продольная O'X' оси ЛА совпадают соответственно с осями OY и ОХ неподвижной декартовой прямоугольной системы координат YOX источника излучения электромагнитных волн. Таким образом, когда угол тангажа ξ ЛА равен нулю, вертикальная O'Y' ось ЛА совпадает с перпендикуляром к горизонтальной плоскости (или плоскости горизонта), т.е. с осью OY, а продольная ось O'X' ЛА находится в этой плоскости и совпадает с положительным направлением оси ОХ и направлением движения ЛА.On board the aircraft located at the point O '(see Fig. 1), the movable Cartesian system of rectangular coordinates Y'O'X' associated with the hull is organized in such a way that in the initial state, when the pitch angle ξ of the aircraft is zero, the vertical O The 'Y' and the longitudinal O'X 'axes of the aircraft coincide respectively with the OY and OX axes of the fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX of the electromagnetic radiation source. Thus, when the pitch angle ξ of the aircraft is zero, the vertical O'Y 'axis of the aircraft coincides with the perpendicular to the horizontal plane (or horizon plane), i.e. with the axis OY, and the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is in this plane and coincides with the positive direction of the axis OX and the direction of movement of the aircraft.

На борту ЛА приемная антенна, ось симметрии диаграммы направленности которой перпендикулярна направлению движения ЛА, осуществляет боковой прием горизонтально линейно поляризованных электромагнитных волн в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные вектора (орты) e x '

Figure 00000002
и e y '
Figure 00000003
которого составляют угол θ=-45° с продольной O'X' и вертикальной O'Y' осями ЛА соответственно и в случае, когда угол тангажа ξ ЛА равен нулю, составляют также угол θ=-45° с горизонтальной ОХ и вертикальной OY осями неподвижной декартовой прямоугольной системы координат YOX соответственно. При этом угол θ отсчитывается по ходу движения часовой стрелки относительно оси OZ.On board the aircraft, the receiving antenna, the axis of symmetry of the radiation pattern of which is perpendicular to the direction of flight of the aircraft, performs lateral reception of horizontally linearly polarized electromagnetic waves in its own linear orthogonal polarization basis, unit vectors (unit vectors) e x ''
Figure 00000002
and e y ''
Figure 00000003
which make an angle θ = -45 ° with the longitudinal O'X 'and vertical O'Y' aircraft axes, respectively, and in the case when the pitch angle ξ of the aircraft is zero, they also make an angle θ = -45 ° with horizontal OX and vertical OY axes fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX, respectively. In this case, the angle θ is counted in the direction of the clockwise movement relative to the axis OZ.

Выбранная ориентация приемного линейного ортогонального поляризационного базиса [ e x ' , e y ' ]

Figure 00000004
относительно продольной O'X' и вертикальной O'Y' осей ЛА позволяет на борту ЛА разделить принятые горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля E ˙
Figure 00000005
которых находится в горизонтальной плоскости, на две синфазные ортогонально линейно поляризованные составляющие вектора E ˙ x
Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
, представить вектор E ˙
Figure 00000008
как линейную суперпозицию в виде:The selected orientation of the receiving linear orthogonal polarization basis [ e x '' , e y '' ]
Figure 00000004
relative to the longitudinal O'X 'and vertical O'Y' axes of the aircraft, on board the aircraft it is possible to separate the received horizontally linearly polarized electromagnetic waves, the electric field vector E ˙
Figure 00000005
which are in the horizontal plane, into two in-phase orthogonally linearly polarized vector components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
present vector E ˙
Figure 00000008
as a linear superposition in the form:

E ˙ = E ˙ x e x ' + E ˙ y e y ' , ( 1 )

Figure 00000009
E ˙ = E ˙ x e x '' + E ˙ y e y '' , ( one )
Figure 00000009

где векторы e x ' = [ 1 0 ]

Figure 00000010
и e y ' = [ 0 1 ]
Figure 00000011
являются линейными ортогональными поляризациями и имеют значение базисных векторов (ортов) и называются базисными линейными состояниями поляризации. Эти векторы характеризуются единичной амплитудой и нулевой начальной фазой, и они ориентированы под углом θ=-45° относительно продольной O'X' и вертикальной O'Y' осей ЛА соответственно. Очевидно, что при выбранной ориентации приемного поляризационного базиса амплитуды Ax и Ay составляющих E ˙ x
Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
будут определяться углом ориентации продольной оси O'X' ЛА относительно оси ОХ, лежащей в горизонтальной плоскости, или, иначе говоря, углом тангажа ξ ЛА. Так, например, если продольная ось O'X' ЛА находится в горизонтальной плоскости (см. фиг.1) и совпадает с осью ОХ неподвижной декартовой прямоугольной системы координат YOX, т.е. угол тангажа ξ=0°, то амплитуды Ax и Ay ортогонально линейно поляризованных синфазных составляющих E ˙ x
Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
равны между собой и Ax=Ay. В общем случае, когда продольная ось O'X' ЛА находится ниже или выше горизонтальной плоскости, т.е. угол тангажа ξ≠0°, равенство амплитуд Ax и Ay не сохраняется и Ax≠Ay. Таким образом, амплитуды Ax и Ay синфазных линейно ортогонально поляризованных составляющих E ˙ x
Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
вектора напряженности электрического поля E ˙
Figure 00000008
на борту ЛА определяются углом тангажа ξ ЛА.where the vectors e x '' = [ one 0 ]
Figure 00000010
and e y '' = [ 0 one ]
Figure 00000011
are linear orthogonal polarizations and have the value of basis vectors (unit vectors) and are called basic linear states of polarization. These vectors are characterized by a unit amplitude and a zero initial phase, and they are oriented at an angle θ = -45 ° relative to the longitudinal O'X 'and vertical O'Y' axes of the aircraft, respectively. Obviously, for the selected orientation of the receiving polarization basis, the amplitudes A x and A y of the components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
will be determined by the angle of orientation of the longitudinal axis O'X 'of the aircraft relative to the axis OX lying in the horizontal plane, or, in other words, the pitch angle ξ of the aircraft. So, for example, if the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is in the horizontal plane (see Fig. 1) and coincides with the axis OX of the fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX, i.e. pitch angle ξ = 0 °, then the amplitudes A x and A y of the orthogonally linearly polarized in-phase components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
are equal to each other and A x = A y . In the general case, when the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is below or above the horizontal plane, i.e. pitch angle ξ ≠ 0 °, the equality of the amplitudes A x and A y is not preserved and A x ≠ A y . Thus, the amplitudes A x and A y of the in -phase linearly orthogonally polarized components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
electric field vector E ˙
Figure 00000008
on board the aircraft are determined by the pitch angle ξ of the aircraft.

Установим связь между амплитудами Ax и Ay, а также фазами φx и φy синфазно линейно ортогонально поляризованных составляющих E ˙ x

Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
углом тангажа ξ ЛА.We establish the relationship between the amplitudes A x and A y , as well as the phases φ x and φ y in-phase linearly orthogonally polarized components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
pitch angle ξ of the aircraft.

Для установления этой связи воспользуемся известным [4, 5] формализмом векторов и матриц Джонса. Тогда составляющие сигналов E ˙ x

Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
в собственном приемном линейном поляризационном базисе [ e x ' , e y ' ]
Figure 00000012
, ориентированном под углом θ=-45° относительно вертикальной O'Y' и продольной O'X' осей ЛА на входе приемника, определяются, опуская временную зависимость сигналов, с помощью преобразований вида:To establish this connection, we use the well-known [4, 5] formalism of vectors and Jones matrices. Then the components of the signals E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
in own receiving linear polarization basis [ e x '' , e y '' ]
Figure 00000012
oriented at an angle θ = -45 ° relative to the vertical O'Y 'and longitudinal O'X' axes of the aircraft at the receiver input, are determined by omitting the time dependence of the signals using transformations of the form:

E ˙ x = [ 1 0 0 0 ] [ cos θ sin θ sin θ cos θ ] [ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ] [ 1 0 ] , ( 2 )

Figure 00000013
E ˙ x = [ one 0 0 0 ] [ cos θ sin θ - sin θ cos θ ] [ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ] [ one 0 ] , ( 2 )
Figure 00000013

E ˙ y = [ 0 0 0 1 ] [ cos θ sin θ sin θ cos θ ] [ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ] [ 1 0 ] , ( 3 )

Figure 00000014
E ˙ y = [ 0 0 0 one ] [ cos θ sin θ - sin θ cos θ ] [ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ] [ one 0 ] , ( 3 )
Figure 00000014

где E ˙ = [ 1 0 ]

Figure 00000015
- вектор Джонса излучаемых горизонтально линейно поляризованных электромагнитных волн, записанный в исходном декартовом линейном поляризационном базисе [ e x ' , e y ' ]
Figure 00000012
, единичные вектора (орты) которых совпадают с горизонтальной ОХ и вертикальной OY осями неподвижной декартовой прямоугольной системы координат YOX соответственно,Where E ˙ = [ one 0 ]
Figure 00000015
- Jones vector of emitted horizontally linearly polarized electromagnetic waves, recorded in the original Cartesian linear polarization basis [ e x '' , e y '' ]
Figure 00000012
whose unit vectors (unit vectors) coincide with the horizontal OX and vertical OY axes of the fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX, respectively,

[ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ]

Figure 00000016
- оператор поворота на угол тангажа
Figure 00000017
ξ, [ cos ξ ± sin ξ sin ξ cos ξ ]
Figure 00000016
- pitch angle operator
Figure 00000017
ξ,

-ξ - тангаж отрицателен, когда продольная ось O'X' ЛА находится ниже горизонтальной плоскости,-ξ - the pitch is negative when the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is below the horizontal plane,

+ξ - тангаж положителен, когда продольная ось O'X' ЛА находится выше горизонтальной плоскости,+ ξ - the pitch is positive when the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is above the horizontal plane,

[ cos θ sin θ sin θ cos θ ]

Figure 00000018
- оператор поворота по часовой стрелке на угол -θ (θ - ориентации собственного приемного линейного ортогонального поляризационного базиса [ e x ' , e y ' ]
Figure 00000012
относительно продольной O'X' и вертикальной O'Y' осей ЛА подвижной декартовой прямоугольной системы координат ЛА Y'O'X' соответственно), [ cos θ sin θ sin θ cos θ ]
Figure 00000018
- operator of turning clockwise by an angle -θ (θ is the orientation of the intrinsic receiver linear orthogonal polarization basis [ e x '' , e y '' ]
Figure 00000012
relative to the longitudinal O'X 'and vertical O'Y' axes of the aircraft of the moving Cartesian rectangular coordinate system of the aircraft Y'O'X ', respectively),

[ 1 0 0 0 ]

Figure 00000019
- оператор Джонса первого плеча линейного поляризационного разделителя, собственный орт которого совпадает с вектором E ˙ x
Figure 00000006
, [ one 0 0 0 ]
Figure 00000019
is the Jones operator of the first arm of the linear polarization separator, whose eigenmax coincides with the vector E ˙ x
Figure 00000006
,

[ 0 0 0 1 ]

Figure 00000020
- оператор Джонса второго плеча линейного поляризационного разделителя, собственный орт которого совпадает с вектором E ˙ y
Figure 00000007
. [ 0 0 0 one ]
Figure 00000020
is the Jones operator of the second arm of the linear polarization separator, whose eigenmax coincides with the vector E ˙ y
Figure 00000007
.

Проделав в (2) и (3) необходимые матричные вычисления, получим аналитические выражения для ортогонально линейно поляризованных составляющих E ˙ x

Figure 00000006
и E ˙ y
Figure 00000007
на входе приемника вида:Having done the necessary matrix calculations in (2) and (3), we obtain analytical expressions for the orthogonally linearly polarized components E ˙ x
Figure 00000006
and E ˙ y
Figure 00000007
at the input of the receiver of the form:

E x = cos ( θ ± ξ ) , E y = sin ( θ ± ξ ) , ( 4 )

Figure 00000021
E x = cos ( θ ± ξ ) , E y = - sin ( θ ± ξ ) , ( four )
Figure 00000021

соответственно их фазы:accordingly their phases:

ϕ x = ϕ y = 0 . ( 5 )

Figure 00000022
ϕ x = ϕ y = 0 . ( 5 )
Figure 00000022

Найдем отношение амплитуд Ax и Ay ортогонально линейно поляризованных составляющих E x

Figure 00000023
и E y
Figure 00000024
на выходе приемника, имеющего, например, линейную амплитудную характеристику:Find the ratio of the amplitudes A x and A y of the orthogonally linearly polarized components E x
Figure 00000023
and E y
Figure 00000024
at the output of a receiver having, for example, a linear amplitude response:

A y A x = | sin ( θ ± ξ ) cos ( θ ± ξ ) | = | t g ( θ ± ξ ) | . ( 6 )

Figure 00000025
A y A x = | | | sin ( θ ± ξ ) cos ( θ ± ξ ) | | | = | | | t g ( θ ± ξ ) | | | . ( 6 )
Figure 00000025

Подставляя в (6) θ=45°, а также учитывая определение угла тангажа [6], получим выражение для измерения угла тангажа ξ ЛА в виде:Substituting θ = 45 ° in (6), and also taking into account the definition of the pitch angle [6], we obtain the expression for measuring the pitch angle ξ of the aircraft in the form:

ξ = ( 45 a r c t g A y A x ) , ( 7 )

Figure 00000026
ξ = ( 45 - a r c t g A y A x ) , ( 7 )
Figure 00000026

-γ - соответствует отрицательному углу тангажа, когда продольная ось ЛА находится ниже горизонтальной плоскости,-γ - corresponds to a negative pitch angle when the longitudinal axis of the aircraft is below the horizontal plane,

+γ - соответствует положительному углу тангажа, когда продольная ось ЛА находится выше горизонтальной плоскости,+ γ - corresponds to a positive pitch angle when the longitudinal axis of the aircraft is above the horizontal plane,

Ax - амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля E x

Figure 00000027
,A x is the amplitude of the linearly polarized component of the electric field vector E x
Figure 00000027
,

Ay - амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля E y

Figure 00000028
.A y is the amplitude of the linearly polarized component of the electric field vector E y
Figure 00000028
.

Из анализа (7) видим, что если отношение A y A x = 1

Figure 00000029
, т.е. продольная ось O'X' ЛА находится в горизонтальной плоскости и совпадает с положительным направлением оси ОХ неподвижной декартовой прямоугольной системы координат YOX, то угол тангажа ξ=0°. Когда отношение амплитуд A y A x < 1
Figure 00000030
, т.е. продольная ось O'X' ЛА находится выше горизонтальной плоскости, то угол тангажа ξ положителен и ξ>0°, а если A y A x > 1
Figure 00000031
, т.е. продольная ось O'X' ЛА находится ниже горизонтальной плоскости, то угол тангажа ξ отрицателен и ξ<0° (см. фиг.1).From the analysis of (7) we see that if the ratio A y A x = one
Figure 00000029
, i.e. the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is in the horizontal plane and coincides with the positive direction of the axis OX of the fixed Cartesian rectangular coordinate system YOX, then the pitch angle ξ = 0 °. When the ratio of amplitudes A y A x < one
Figure 00000030
, i.e. the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is above the horizontal plane, then the pitch angle ξ is positive and ξ> 0 °, and if A y A x > one
Figure 00000031
, i.e. the longitudinal axis O'X 'of the aircraft is below the horizontal plane, then the pitch angle ξ is negative and ξ <0 ° (see figure 1).

В случае, если приемные каналы сигналов E ˙ x

Figure 00000032
и E ˙ x
Figure 00000033
имеют логарифмическую амплитудную характеристику и используется линейное детектирование сигналов E ˙ x
Figure 00000034
и E ˙ y
Figure 00000035
, то отношение амплитуд A y A x
Figure 00000036
двух сигналов E ˙ x
Figure 00000034
и E ˙ y
Figure 00000035
получается вычитанием значений логарифмов амплитуд этих сигналов, что, как известно [7], эквивалентно образованию логарифма отношения вида:In case the receiving channels of signals E ˙ x
Figure 00000032
and E ˙ x
Figure 00000033
have a logarithmic amplitude response and linear signal detection is used E ˙ x
Figure 00000034
and E ˙ y
Figure 00000035
, then the ratio of amplitudes A y A x
Figure 00000036
two signals E ˙ x
Figure 00000034
and E ˙ y
Figure 00000035
obtained by subtracting the values of the logarithms of the amplitudes of these signals, which, as is known [7], is equivalent to the formation of a logarithm of a relationship of the form:

lg A y lg A x = lg A y A x . ( 8 )

Figure 00000037
lg A y - lg A x = lg A y A x . ( 8 )
Figure 00000037

Использование заявляемой совокупности признаков для измерения угла тангажа ЛА в известных решениях автором не обнаружено.The use of the claimed combination of features for measuring the pitch angle of an aircraft in known solutions by the author was not found.

На фиг.2 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ измерения угла тангажа ЛА. Устройство содержит передатчик 1 и передающую антенну 2, расположенные в точке с известными координатами. На борту ЛА устройство содержит приемную антенну 3, линейный поляризационный разделитель 4, амплитудный угловой дискриминатор 5 и вычислитель 6.Figure 2 presents the structural electrical diagram of a device that implements the proposed method for measuring the pitch angle of an aircraft. The device comprises a transmitter 1 and a transmitting antenna 2 located at a point with known coordinates. On board the aircraft, the device comprises a receiving antenna 3, a linear polarizing separator 4, an amplitude angular discriminator 5, and a computer 6.

На фиг.3 представлена структурная электрическая схема амплитудного углового дискриминатора 5, приемные каналы которого используют усилители промежуточной частоты (УПЧ) с линейной амплитудной характеристикой, и включает в себя: первый смеситель 7, первый линейный УПЧ 8, первый амплитудный детектор 9, гетеродин 10, схему деления 11, второй смеситель 12, второй линейный УПЧ 13, второй амплитудный детектор 14.Figure 3 presents the structural electric circuit of the amplitude angular discriminator 5, the receiving channels of which use intermediate frequency amplifiers (IFA) with a linear amplitude characteristic, and includes: a first mixer 7, a first linear IFA 8, a first amplitude detector 9, a local oscillator 10, division circuit 11, a second mixer 12, a second linear amplifier 13, a second amplitude detector 14.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Передатчик 1 через передающую антенну 2, имеющую горизонтальную собственную поляризацию, излучает в направлении ЛА горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля Е которых совпадает с горизонтальной плоскостью.The transmitter 1 through a transmitting antenna 2 having a horizontal intrinsic polarization emits horizontally linearly polarized electromagnetic waves in the direction of the aircraft, the electric field vector E of which coincides with the horizontal plane.

На борту ЛА приемная антенна 3, ось симметрии диаграммы направленности которой перпендикулярна направлению движения ЛА, осуществляет боковой прием электромагнитных волн. После чего выходной сигнал приемной антенны 3 поступает на линейный поляризационный разделитель 4, собственные орты которого составляют угол θ=-45° с вертикальной O'Y' и продольной O'X' осями ЛА соответственно. В линейном поляризационном разделителе 4 происходит разложение (разделение) принятых электромагнитных волн с вектором напряженности электрического поля E ˙

Figure 00000038
на две синфазные ортогонально линейно поляризованные составляющие E ˙ y
Figure 00000039
и E ˙ x
Figure 00000040
, ориентации векторов которых составляют угол θ=-45° с вертикальной O'Y' и продольной O'X' осями ЛА соответственно. После чего ортогонально линейно поляризованные сигналы E ˙ y
Figure 00000007
и E ˙ x
Figure 00000006
поступают на соответствующие им входы амплитудного углового дискриминатора 5, т.е. поступают на соответствующие им первые входы смесителей 7 и 12 (см. фиг.3), а на их вторые входы поступает сигнал с выхода гетеродина 10. Затем сигналы промежуточной частоты с выходов смесителей 7 и 12 поступают соответственно на входы усилителей промежуточной частоты 8 и 13, имеющих одинаковые линейные амплитудные характеристики. Выходные сигналы линейных УПЧ 8 и 13 поступают на соответствующие им входы амплитудных детекторов 9 и 14, выходные сигналы которых однозначно связаны с амплитудами Ay и Ax ортогонально линейно поляризованных составляющих E y
Figure 00000041
и E x
Figure 00000042
соответственно. Затем выходные сигналы амплитудных детекторов 9 и 14 поступают на соответствующие входы схемы деления 11, на выходе которой формируется отношение амплитуд Ay/Ax ортогонально линейно поляризованных составляющих E ˙ y
Figure 00000043
и E ˙ x
Figure 00000044
. После чего по измеренному на выходе амплитудного углового дискриминатора 5 отношению амплитуд Ay/Ax двух сигналов вычислитель 6 в соответствии с соотношением (7) определяет угол тангажа ξ ЛА.On board the aircraft, the receiving antenna 3, the axis of symmetry of the radiation pattern of which is perpendicular to the direction of movement of the aircraft, performs lateral reception of electromagnetic waves. After that, the output signal of the receiving antenna 3 is fed to a linear polarizing separator 4, the eigenfunctions of which make an angle θ = -45 ° with the vertical O'Y 'and longitudinal O'X' aircraft axes, respectively. In the linear polarizing separator 4 there is a decomposition (separation) of the received electromagnetic waves with the electric field vector E ˙
Figure 00000038
into two in-phase orthogonally linearly polarized components E ˙ y
Figure 00000039
and E ˙ x
Figure 00000040
whose vector orientations are at an angle θ = -45 ° with the vertical O'Y 'and longitudinal O'X' aircraft axes, respectively. Then orthogonally linearly polarized signals E ˙ y
Figure 00000007
and E ˙ x
Figure 00000006
arrive at the corresponding inputs of the amplitude angular discriminator 5, i.e. arrive at the corresponding first inputs of the mixers 7 and 12 (see Fig. 3), and a signal from the output of the local oscillator 10 is received at their second inputs. Then, the intermediate frequency signals from the outputs of the mixers 7 and 12 are respectively fed to the inputs of the amplifiers of intermediate frequency 8 and 13 having the same linear amplitude characteristics. The outputs of linear IF amplifier 8, and 13 provided to corresponding inputs of amplitude detectors 9 and 14, the outputs of which are uniquely associated with amplitudes A y and A x orthogonally linearly polarized components E y
Figure 00000041
and E x
Figure 00000042
respectively. Then the output signals of the amplitude detectors 9 and 14 are fed to the corresponding inputs of the division circuit 11, the output of which is formed by the ratio of the amplitudes A y / A x of the orthogonally linearly polarized components E ˙ y
Figure 00000043
and E ˙ x
Figure 00000044
. Then, according to the ratio of the amplitudes A y / A x of the two signals measured at the output of the amplitude angular discriminator 5, the calculator 6 in accordance with relation (7) determines the pitch angle ξ of the aircraft.

В случае, если УПЧ 8 и 13 имеют логарифмическую амплитудную характеристику, то схема деления 11 (фиг.3) заменяется схемой вычитания и в этом случае на выходе амплитудного углового дискриминатора 5 (фиг.2) формируется разность логарифмов амплитуд Ay и Ax двух ортогонально линейно поляризованных составляющих E ˙ y

Figure 00000007
и E ˙ x
Figure 00000040
, что эквивалентно образованию логарифма отношения амплитуд Ay/Ax этих сигналов (8).In the event that the amplifiers 8 and 13 have a logarithmic amplitude characteristic, then the division circuit 11 (Fig. 3) is replaced by a subtraction circuit, and in this case, the difference between the logarithms of the amplitudes A y and A x of two amplitudes is generated at the output of the amplitude angular discriminator 5 (Fig. 2) orthogonally linearly polarized components E ˙ y
Figure 00000007
and E ˙ x
Figure 00000040
, which is equivalent to the formation of the logarithm of the ratio of the amplitudes A y / A x of these signals (8).

В 3-см диапазоне длин волн заявляемое устройство измерения угла тангажа ЛА может быть выполнено следующим образом.In the 3 cm wavelength range of the claimed device for measuring the pitch angle of an aircraft can be performed as follows.

В качестве передатчика 1 может использоваться, например, стандартный генератор высокочастотных колебаний типа ГЧ-83.As the transmitter 1 can be used, for example, a standard generator of high-frequency oscillations of the type ГЧ-83.

В качестве передающей антенны 2 может быть использована слабонаправленная в горизонтальной плоскости рупорная антенна с горизонтальной собственной линейной поляризацией [8].As the transmitting antenna 2, a horn antenna with a horizontal intrinsic linear polarization [8] can be used that is slightly directional in the horizontal plane.

Приемная антенна 3 может быть выполнена в виде слабонаправленного круглого рупора [9].The receiving antenna 3 can be made in the form of a weakly directed round speaker [9].

Линейный поляризационный разделитель 4 может быть выполнен в виде волновода круглого сечения с переходом на два ортогонально расположенных волновода прямоугольного сечения [10].Linear polarizing separator 4 can be made in the form of a waveguide of circular cross section with the transition to two orthogonally located waveguides of rectangular cross section [10].

Амплитудный угловой дискриминатор 5, выполненный в соответствие с функциональной схемой, приведенной на фиг.3, полностью совпадает с аналогичным амплитудным угловым дискриминатором известной амплитудно-амплитудной моноимпульсной системы [11].The amplitude angular discriminator 5, made in accordance with the functional diagram shown in figure 3, completely coincides with the same amplitude angular discriminator of the known amplitude-amplitude monopulse system [11].

Вычислитель 6 может быть выполнен на базе бортового компьютера ЛА.The computer 6 can be performed on the basis of the on-board computer of the aircraft.

По сравнению с широко используемыми на практике методами и техникой измерения угла тангажа ЛА, основанными на применении инерциальных средств навигации, заявляемые способ и устройство определения угла тангажа ЛА позволяют исключить постоянное накапливание с течением времени ошибки измерения, присущее всем инерциальным средствам навигации, а также ошибки измерения не чувствительны к перегрузкам, которые возникают в случае нестационарного режима полета ЛА.Compared with widely used in practice methods and techniques for measuring the pitch angle of an aircraft, based on the use of inertial navigation aids, the inventive method and device for determining the pitch angle of an aircraft allow eliminating the permanent accumulation of measurement errors inherent in all inertial navigation tools over time, as well as measurement errors not sensitive to overloads that occur in the case of unsteady flight mode of the aircraft.

Источники информацииInformation sources

1. Александров А.С., Арно Г.Р. и др. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. - Санкт-Петербург, 1994. - 119 с.1. Alexandrov A.S., Arno G.R. and others. The current state and development trends of foreign means and navigation systems of moving objects of military and civil purposes. - St. Petersburg, 1994 .-- 119 p.

2. Пельпор Д.С., Ягодкин В.В. Гироскопические системы. - М., Высшая школа, 1977. - 216 с.2. Pelpor D.S., Yagodkin V.V. Gyroscopic systems. - M., Higher School, 1977 .-- 216 p.

3. Агаджапов П.А., Воробьев В.Г. и др. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1980. - 357 с.3. Agadzhapov P.A., Vorobev V.G. et al. Automation of aircraft navigation and air traffic control. - M.: Transport, 1980 .-- 357 p.

4. О'Нейл Э. Введение в статистическую оптику. Пер. с англ. Под ред. Паршина П.Ф. - М.: Мир, 1966. - 354 с.4. O'Neill E. Introduction to statistical optics. Per. from English Ed. Parshina P.F. - M.: Mir, 1966 .-- 354 p.

5. Азам Р., Башара П. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М.: Мир, 1981. - 588 с.5. Azam R., Bashar P. Ellipsometry and polarized light. - M .: Mir, 1981. - 588 p.

6. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.6. Yarlykov M.S. Statistical theory of radio navigation. - M .: Radio and communications, 1985 .-- 344 p.

7. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. и др. Теоретические основы радиолокации. - М.: «Советское радио», 1970. - 560 с.7. Shirman Y.D., Golikov V.N. and other Theoretical foundations of radar. - M .: "Soviet Radio", 1970. - 560 p.

8. Дрябкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. - М.: «Советское радио», 1974. - 535 с.8. Dryabkin A.L. and other Antenna-feeder devices. - M .: "Soviet Radio", 1974. - 535 p.

9. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: «Энергия», 1966.9. Zhuk M.S., Molochkov Yu.B. Design of antenna-feeder devices. - M .: "Energy", 1966.

10. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: «Советское радио», 1966. - 440 с.10. Kanareikin D.B., Pavlov N.F., Potekhin V.A. Polarization of radar signals. - M .: "Soviet Radio", 1966. - 440 p.

11. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: «Советское радио», 1970. - 383 с.11. Leonov A.I., Fomichev K.I. Monopulse radar. - M .: "Soviet Radio", 1970. - 383 p.

Claims (2)

1. Способ измерения угла тангажа летательного аппарата при его движении в известном направлении, отличающийся тем, что из точки с известными координатами излучают горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, вектор напряженности электрического поля
Figure 00000001
которых совпадает с горизонтальной плоскостью, на борту летательного аппарата приемная антенна, ось симметрии которой перпендикулярна направлению движения летательного аппарата, принимает электромагнитные волны в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого составляют угол -45° с продольной и вертикальной осями летательного аппарата, разделяют принятые горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны на две синфазно ортогонально линейно поляризованные составляющие
Figure 00000006
и
Figure 00000007
вектора напряженности электрического поля
Figure 00000001
, измеряют их амплитуды Ax и Ay соответственно, рассчитывают угол тангажа ξ между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью по формуле:
Figure 00000045
,
где -ξ - отрицательный угол тангажа летательного аппарата, когда его продольная ось находится ниже горизонтальной плоскости,
+ξ - положительный угол тангажа летательного аппарата, когда его продольная ось находится выше горизонтальной плоскости,
Ax - амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля
Figure 00000027
,
Ay - амплитуда линейно поляризованной составляющей вектора напряженности электрического поля
Figure 00000028
.
1. A method of measuring the pitch angle of an aircraft when it moves in a known direction, characterized in that horizontally linearly polarized electromagnetic waves, an electric field vector, are emitted from a point with known coordinates
Figure 00000001
which coincides with the horizontal plane, on board the aircraft, the receiving antenna, the axis of symmetry of which is perpendicular to the direction of movement of the aircraft, receives electromagnetic waves in its own linear orthogonal polarization basis, the unit vectors of which make an angle of -45 ° with the longitudinal and vertical axes of the aircraft, share the accepted horizontally linearly polarized electromagnetic waves into two in-phase orthogonally linearly polarized components
Figure 00000006
and
Figure 00000007
electric field vector
Figure 00000001
, measure their amplitudes A x and A y, respectively, calculate the pitch angle ξ between the longitudinal axis of the aircraft and the horizontal plane according to the formula:
Figure 00000045
,
where -ξ is the negative pitch angle of the aircraft when its longitudinal axis is below the horizontal plane,
+ ξ is the positive pitch angle of the aircraft when its longitudinal axis is above the horizontal plane,
A x is the amplitude of the linearly polarized component of the electric field vector
Figure 00000027
,
A y is the amplitude of the linearly polarized component of the electric field vector
Figure 00000028
.
2. Устройство для измерения угла тангажа летательного аппарата, отличающееся тем, что в точке с известными координатами располагается передатчик, выход которого подключен к входу передающей антенны, на борту летательного аппарата расположена приемная антенна, выход которой подключен к входу линейного поляризационного разделителя, два выхода которого подключены к соответствующим двум входам амплитудного углового дискриминатора, выход которого подключен к входу вычислителя, где по измеренному отношению амплитуд Ay/Ax синфазных ортогонально линейно поляризованных составляющих
Figure 00000027
и
Figure 00000028
вектора напряженности электрического поля
Figure 00000046
принятых горизонтально линейно поляризованных электромагнитных волн, рассчитывается угол тангажа ξ летательного аппарата, причем если отношение Ay/Ax=1, то продольная ось летательного аппарата находится в горизонтальной плоскости и угол тангажа ξ=0°, если Ay/Ax<1, то продольная ось летательного аппарата находится выше горизонтальной плоскости и это соответствует положительному углу тангажа летательного аппарата и ξ>0°, если отношение амплитуд Ay/Ax>1, то продольная ось летательного аппарата находится ниже горизонтальной плоскости и это соответствует отрицательному углу тангажа летательного аппарата и ξ<0°, причем вектор напряженности электрического поля
Figure 00000047
излучаемых горизонтально линейно поляризованных электромагнитных волн совпадает с горизонтальной плоскостью, при этом собственная поляризация передающей антенны горизонтальная, ось симметрии приемной антенны перпендикулярна направлению движения летательного аппарата, а линейный поляризационный разделитель ориентирован так, что его собственные орты, на которые он разделяет принятые электромагнитные волны, составляют угол -45° с вертикальной и продольной осями летательного аппарата соответственно.
2. A device for measuring the pitch angle of an aircraft, characterized in that a transmitter is located at a point with known coordinates, the output of which is connected to the input of the transmitting antenna, a receiving antenna is located on board the aircraft, the output of which is connected to the input of a linear polarizing separator, two outputs of which are connected to respective inputs of two angular amplitude discriminator, whose output is connected to the input of the calculator, wherein the measured relative amplitude a y / a x inphase ortogon linearly polarized components
Figure 00000027
and
Figure 00000028
electric field vector
Figure 00000046
received horizontally linearly polarized electromagnetic waves, the pitch angle ξ of the aircraft is calculated, and if the ratio A y / A x = 1, then the longitudinal axis of the aircraft is in the horizontal plane and the pitch angle ξ = 0 ° if A y / A x <1 , the longitudinal axis of the aircraft is above a horizontal plane and this corresponds to a positive pitch angle of the aircraft and ξ> 0 °, if the ratio of the amplitudes of the A y / A x> 1, the longitudinal axis of the aircraft is below the horizontal plane and that The appropriate negative pitch angle of the aircraft and ξ <0 °, where the electric field vector
Figure 00000047
radiated horizontally linearly polarized electromagnetic waves coincides with the horizontal plane, while the proper polarization of the transmitting antenna is horizontal, the axis of symmetry of the receiving antenna is perpendicular to the direction of movement of the aircraft, and the linear polarizing separator is oriented so that its own unit vectors into which it divides the received electromagnetic waves are an angle of -45 ° with the vertical and longitudinal axes of the aircraft, respectively.
RU2012152598/28A 2012-12-06 2012-12-06 Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor RU2531065C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152598/28A RU2531065C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152598/28A RU2531065C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012152598A RU2012152598A (en) 2014-06-20
RU2531065C2 true RU2531065C2 (en) 2014-10-20

Family

ID=51213383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012152598/28A RU2531065C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2531065C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1251003A1 (en) * 1985-01-29 1986-08-15 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Method and apparatus for measuring the bearing of mobile object
RU8812U1 (en) * 1998-02-05 1998-12-16 Государственный научный центр Российской Федерации "Летно-исследовательский институт им.М.М.Громова" FLIGHT TEST COMPLEX OF AIRCRAFT AND ON-BOARD EQUIPMENT
RU24576U1 (en) * 2002-04-03 2002-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" ON-BOARD EQUIPMENT OF CONTROL SYSTEMS FOR UNMANNED AIRCRAFT
RU2207613C1 (en) * 2002-03-15 2003-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" Airborne equipment of control systems of drone
US7672758B2 (en) * 2004-09-28 2010-03-02 Eurocopter Method and a device for assisting the piloting of a rotary wing aircraft in the vicinity of a landing or takeoff point

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1251003A1 (en) * 1985-01-29 1986-08-15 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Method and apparatus for measuring the bearing of mobile object
RU8812U1 (en) * 1998-02-05 1998-12-16 Государственный научный центр Российской Федерации "Летно-исследовательский институт им.М.М.Громова" FLIGHT TEST COMPLEX OF AIRCRAFT AND ON-BOARD EQUIPMENT
RU2207613C1 (en) * 2002-03-15 2003-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" Airborne equipment of control systems of drone
RU24576U1 (en) * 2002-04-03 2002-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" ON-BOARD EQUIPMENT OF CONTROL SYSTEMS FOR UNMANNED AIRCRAFT
US7672758B2 (en) * 2004-09-28 2010-03-02 Eurocopter Method and a device for assisting the piloting of a rotary wing aircraft in the vicinity of a landing or takeoff point

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012152598A (en) 2014-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Simonov et al. Polarization direction finding method of interfering radio emission sources
RU2619915C1 (en) Method for determining the source of radio emissions coordinate from the aircraft
RU2475863C1 (en) Method of measuring banking angle of aircraft and apparatus for realising said method
RU2516697C2 (en) Method of aircraft bank measurement and device to this end
US4387376A (en) Phase linear interferometer system and method
Yurkov et al. Signal Polarization Selection for Aircraft Radar Control: Models and Methods
RU2510038C2 (en) Ranging-differential-ranging method for determining coordinates of radio-frequency radiation sources and apparatus realising said method
WO1992016856A1 (en) A synthetic aperture radar
RU2531065C2 (en) Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor
US10814998B2 (en) Non-GPS methods and devices for refueling remotely piloted aircraft
RU2475862C1 (en) Method of measuring banking angle of aircraft and apparatus for realising said method
RU2528170C1 (en) Method to measure pitch angle of aircraft and radio navigation system for its implementation
CN107515841B (en) Method for calculating electromagnetic wave arrival angle
RU2527943C1 (en) Method of processing signals during multichannel phase-based direction-finding of short-wave radio sources
RU2521435C1 (en) Polarisation-phase method of measuring angle of roll of mobile object and radio navigation system for realising said method
Shcherbyna et al. Accuracy characteristics of radio monitoring antennas
RU2521137C1 (en) Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus for realising said method
RU2567240C1 (en) Method of measuring aircraft bank angle
RU2745836C1 (en) Polarization-modulating radio washing system for measuring aircraft roll angle
RU2485538C1 (en) Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation
RU2507529C1 (en) Radio navigation system for measurement of mobile object bearing
RU2662803C1 (en) Aircraft ground speed and the crab angle measuring method
Gulko et al. Polarization Methods of Measuring the Roll Angle of an Object in Motion in Radio Beacon Navigation Systems.
RU2659821C1 (en) Aircraft ground speed and the crab angle measuring device
RU2507530C1 (en) Radio navigation system for measurement of mobile object bearing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161207