RU2557999C1 - Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters - Google Patents

Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters Download PDF

Info

Publication number
RU2557999C1
RU2557999C1 RU2014116977/28A RU2014116977A RU2557999C1 RU 2557999 C1 RU2557999 C1 RU 2557999C1 RU 2014116977/28 A RU2014116977/28 A RU 2014116977/28A RU 2014116977 A RU2014116977 A RU 2014116977A RU 2557999 C1 RU2557999 C1 RU 2557999C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wave
sea
plane
aircraft
height
Prior art date
Application number
RU2014116977/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Петрович Ванаев
Владимир Васильевич Чернявец
Виктор Сергеевич Аносов
Николай Николаевич Жильцов
Антон Владимирович Чернявец
Нина Владимировна Червякова
Сергей Петрович Мелюшенок
Original Assignee
Анатолий Петрович Ванаев
Владимир Васильевич Чернявец
Виктор Сергеевич Аносов
Николай Николаевич Жильцов
Антон Владимирович Чернявец
Нина Владимировна Червякова
Сергей Петрович Мелюшенок
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 Анатолий Петрович Ванаев, Владимир Васильевич Чернявец, Виктор Сергеевич Аносов, Николай Николаевич Жильцов, Антон Владимирович Чернявец, Нина Владимировна Червякова, Сергей Петрович Мелюшенок filed Critical Анатолий Петрович Ванаев
Priority to RU2014116977/28A priority Critical patent/RU2557999C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2557999C1 publication Critical patent/RU2557999C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to noncontact oceanographic measurements and can be used for determination of statistical characteristics of sea disturbance from the board of the moving airborne vehicle. A measuring method of very low flight altitude of a plane, mainly a hydroplane, above water surface and sea disturbance parameters, which is based on recording of physical parameters depending on an electromagnetic field created by an antenna installed on the plane, as per which the following is estimated: plane flight altitude, sea wave height, sea wave length in the flight direction and the place that is flown over by the plane, in which the antenna for creation of an electromagnetic field is made in the form of five independent antennas installed on the plane body in the plane centre of gravity, in the front and rear parts of the plane, and in end parts of plane wings.
EFFECT: improvement of reliability and informativity of measurement of sea wave height from the board of the airborne vehicle to provide landing on sea surface.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано для создания систем автоматизированного управления параметрами полета, зависящими от его текущей высоты и параметров морского волнения, в частности для автоматизации посадки (приводнения) гидросамолета на гладкую и на взволнованную поверхность.The invention relates to the field of aviation instrumentation and can be used to create systems for automated control of flight parameters, depending on its current altitude and sea waves, in particular for automation of landing (splashdown) of a seaplane on a smooth and excited surface.

Существуют различные способы определения высоты полета самолета (гидросамолета), например, барометрический, и способы определения высоты полета с помощью изотопных и лазерных высотомеров. Известен барометрический способ определения высоты полета самолета путем учета статического давления вблизи самолета и параметров состояния атмосферы у земли (давление и плотность воздуха) (Летные испытания самолетов М.Г. Котик и др., Машиностроение, 1968 г. [1]). Недостатком данного способа является то, что при полете с дозвуковой скоростью перед фюзеляжем, крылом и другими частями самолета (гидросамолета) образуется зона повышенного давления. Эта зона настолько велика, что вынести на штанге ПВД (приемник воздушного давления) за ее пределы практически не удается. Поэтому в статическую камеру ПВД подается местное статическое давление, большее по величине, чем атмосферное статическое давление воздуха. При полете самолета на высотах, меньших размаха крыла, значительные погрешности в определении барометрической высоты вносит аэродинамическое влияние экрана (водной или земной поверхности) на поле скоростей и давлений вблизи самолета. Для точного измерения малых высот полета используют изотопные высотомеры. Для этого вдоль ВПП (взлетно-посадочной полосы) располагают датчики, содержащие радиоактивный элемент, а на самолете устанавливают оборудование, позволяющее определять точную высоту нахождения летательного аппарата над ВПП но интенсивности излучения. Однако с помощью таких высотомеров не решают задачу определения высоты полета гидросамолета при посадке на неподготовленную водную акваторию. Наиболее близким к заявляемому является известный и широко применяемый радиолокационный способ измерения высоты полета, основанный на регистрации полей излучения (полей дальней зоны), создаваемых и принимаемых антенной, установленной на самолете (гидросамолете). К классу устройств, использующих данный принцип, относятся радиовысотомеры (Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов. И.Е. Бондарчук, Транспорт, 1978 г. стр. 112-152 [2]). Особенность этого способа заключается в том, что возникает рост погрешности измерений с уменьшением высоты полета. Уменьшение погрешности достигается путем значительного усложнения аппаратуры.There are various methods for determining the flight altitude of an airplane (seaplane), for example, barometric, and methods for determining the altitude using isotopic and laser altimeters. The known barometric method for determining the flight altitude of an aircraft by taking into account the static pressure near the aircraft and the parameters of the state of the atmosphere near the ground (air pressure and density) (Flight tests of aircraft MG Kotik et al., Mechanical Engineering, 1968 [1]). The disadvantage of this method is that when flying at subsonic speed in front of the fuselage, wing and other parts of the aircraft (seaplane), an increased pressure zone is formed. This zone is so large that it is practically impossible to remove the LDPE (air pressure receiver) beyond it. Therefore, local static pressure is supplied to the LDPE static chamber, which is greater in magnitude than the atmospheric static air pressure. When the aircraft is flying at altitudes lower than the wing span, significant errors in determining the barometric altitude are introduced by the aerodynamic effect of the screen (water or earth surface) on the velocity and pressure field near the aircraft. For accurate measurement of small flight heights, isotopic altimeters are used. To do this, sensors containing a radioactive element are placed along the runway (runway), and equipment is installed on the plane that allows you to determine the exact height of the aircraft above the runway but the radiation intensity. However, with the help of such altimeters they do not solve the problem of determining the flight altitude of a seaplane when landing in an unprepared water area. Closest to the claimed one is the well-known and widely used radar method of measuring flight altitude, based on the registration of radiation fields (far field fields) generated and received by an antenna mounted on an airplane (seaplane). The class of devices using this principle includes radio altimeters (Flight operation of radio navigation equipment of aircraft. IE Bondarchuk, Transport, 1978, pp. 112-152 [2]). A feature of this method is that there is an increase in measurement error with a decrease in flight height. Error reduction is achieved by significantly complicating the equipment.

Аналогами способа измерения параметров морского волнения могут служить контактные методы измерения (авторское свидетельство SU №1584513 [3]). Однако измерение в этом случае может быть произведено при нахождении гидросамолета на плаву, т.е. уже после посадки на воду.Contact method of measurement (copyright certificate SU No. 1584513 [3]) can serve as analogues of the method of measuring the parameters of sea waves. However, the measurement in this case can be made when the seaplane is afloat, i.e. after landing on water.

Известно также устройство для измерения параметров морских волн посредством радиолокационного метода зондирования морской поверхности (см. "Радиолокация морской поверхности", А.А. Гарнакерьян, А.С. Сосунов, Изд. Ростовского университета, 1978 г. [4], авторское свидетельство SU №805745 [5]). Однако это устройство позволяет получить характеристики волнения при полете самолета на большой высоте.A device is also known for measuring the parameters of sea waves by means of the radar method of sensing the sea surface (see "Radar location of the sea surface", A. A. Garnakeryan, A. S. Sosunov, University of Rostov, 1978 [4], copyright certificate SU No. 805745 [5]). However, this device allows you to get the characteristics of the excitement when flying at high altitude.

Известно также устройство для измерения параметров морского волнения (патент RU №1788484 А1, 15.12.1989 [6]), содержащее последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, приемник, первый детектор огибающей, первый фильтр нижних частот, второй делитель напряжений, второй квадратор, третий умножитель и второй индикатор, второй вход антенного переключателя через передатчик соединен с выходом синхронизатора, выход первого фильтра нижних частот через блок автоматической регулировки усиления соединен с вторым входом приемника, второй вход второго делителя напряжений через пятый фильтр нижних частот соединен с выходом второго детектора огибающей, выход первого детектора огибающей через центрирующий блок, компаратор нулевого уровня, преобразователь период напряжение и второй фильтр нижних частот соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя скорости полета, а выход - с входом первого индикатора, выход центрирующего блока через первый квадратор, третий фильтр нижних частот, функциональный преобразователь и сумматор соединен с вторым входом третьего умножителя, второй вход сумматора через первый делитель напряжения, четвертый фильтр нижних частот и второй умножитель соединен с выходом центрирующего блока, выход первого квадратора соединен с вторым входом второго умножителя, а выход третьего фильтра нижних частот - с вторым входом первого делителя напряжений, отличающееся тем, что с целью повышения точности и упрощения конструкции оно снабжено последовательно соединенными радиовысотомером, генератором селективных импульсов и селектором, выход синхронизатора соединен с вторым входом генератора селективных импульсов, а выход приемника - с вторым входом селектора, выход которого соединен с входом второго детектора огибающей. Это устройство также позволяет получить характеристики волнения при полете самолета на большой высоте В известном способе измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, и параметров морского волнения для устранения такого недостатка предлагается использовать поля ближней зоны, создаваемые антенной. Эти поля имеют квазистатический характер, значит, для описания свойств антенны, обусловленных ими, допустимо использовать язык и понятия теории электрических цепей. Поля ближней зоны возрастают гораздо быстрее полей дальней зоны при уменьшении расстояния до своего источника (до антенны). Это и дает основание полагать, что погрешность измерений будет уменьшаться при снижении высоты полета. При удалении же от своего источника поля ближней зоны убывают гораздо быстрее полей дальней зоны, поэтому способ измерения высоты полета и параметров морского волнения, основанный на регистрации полей ближней зоны, может использоваться, в отличие от радиолокационных измерителей, только на очень малых высотах полета: меньше размаха крыла гидросамолета (патент RU №2183010, 27.05.2002 [7]).It is also known a device for measuring the parameters of sea waves (patent RU No. 1788484 A1, 12/15/1989 [6]), containing a series-connected antenna, antenna switch, receiver, first envelope detector, first low-pass filter, second voltage divider, second quadrator, third a multiplier and a second indicator, the second input of the antenna switch through the transmitter is connected to the output of the synchronizer, the output of the first low-pass filter through the automatic gain control unit is connected to the second input of the receiver, the second input the second voltage divider through the fifth low-pass filter is connected to the output of the second envelope detector, the output of the first envelope detector through a centering unit, a zero level comparator, a voltage period converter and a second low-pass filter is connected to the first input of the first multiplier, the second input of which is connected to the output of the speed meter flight, and the output is with the input of the first indicator, the output of the centering unit through the first quadrator, the third low-pass filter, a functional converter and an adder nen with the second input of the third multiplier, the second adder input through the first voltage divider, the fourth low-pass filter and the second multiplier connected to the output of the centering unit, the output of the first quadrator connected to the second input of the second multiplier, and the output of the third low-pass filter to the second input of the first divider voltage, characterized in that in order to improve accuracy and simplify the design, it is equipped with a series-connected radio altimeter, a selective pulse generator and a selector, synchronous output mash is connected to the second input of the selective pulse generator and the receiver output - to a second selector input, whose output is connected to the input of second envelope detector. This device also allows you to obtain the characteristics of the waves during flight at high altitude. In the known method for measuring the ultra-low altitude of the aircraft, mainly a seaplane, and sea waves parameters, it is proposed to use near-field fields created by the antenna to eliminate such a disadvantage. These fields are quasistatic in nature, which means that it is permissible to use the language and concepts of the theory of electrical circuits to describe the properties of the antenna due to them. The fields of the near zone increase much faster than the fields of the far zone with a decrease in the distance to their source (to the antenna). This gives reason to believe that the measurement error will decrease with decreasing flight altitude. When moving away from its source, the near field fields decrease much faster than the far field fields, therefore, a method of measuring the altitude and sea waves parameters, based on recording the near field fields, can be used, unlike radar meters, only at very low altitudes: less wing span of a seaplane (patent RU No. 2183010, 05.27.2002 [7]).

При этом для повышения безопасности посадки самолета, преимущественно гидросамолета, за счет автоматического выдерживания заданной для данного типа летательного аппарата вертикальной скорости, в известном способе измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, и параметров морского волнения, основанного на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля, создаваемого установленной на самолете антенной, создается последовательный LC-контур с образованным в поле ближней зоны антенны конденсатором, одной из обкладок которого является антенна, а другой - корпус самолета, включают данный LC-контур в одно из плеч мостовой схемы, подается на вход мостовой схемы стабилизированное по амплитуде и частоте гармоническое напряжение и судят о высоте полета самолета над водным зеркалом по амплитуде снимаемого с мостовой схемы гармонического сигнала, а при взволнованной водной поверхности снимаемый с мостовой схемы сигнал детектируют, выделяют из продетектированного сигнала и измеряют постоянную и переменную составляющие, при этом о высоте полета самолета судят по постоянной составляющей, о высоте морской волны - по амплитуде низкочастотной переменной составляющей, а о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, - по частному от деления горизонтальной скорости самолета на частоту низкочастотной переменной составляющей. При этом индуктивность последовательного LC-контура выбирают из условия попадания резонансной частоты LC-контура при высоте полета самолета выше 50-100 м в диапазон 1,5-6 МГц. Величина емкости С зависит от высоты полета. При очень большой высоте полета она равна C0, где C0 - емкость LC-контура на большой высоте, при этом резонансная частота LC0-контура равна f0. С понижением высоты полета величина емкости С возрастает и становится равной: С=С0+ΔС, где ΔС - добавочная емкость - возрастает с уменьшением высоты и стремится к нулю при неограниченном возрастании высоты полета. Таким образом, δf - уход резонансной частоты LC-контура при снижении высоты полета самолета (гидросамолета) резко возрастает при снижении высоты полета. Однако в очень большом диапазоне изменения емкости ΔCδf - уход резонансной частоты - практически пропорционален амплитуде гармонического сигнала Uc(t), где Uc(t) - сигнал, снимаемый со средних точек мостовой схемы, на вход которой подается гармоническое напряжение U(t) стабилизированной частоты f0 и амплитуды Um. При этом сопротивление r в нижней части мостовой схемы содержит последовательный резонансный L(C0+ΔC) - контур, а L и (С0+ΔС) - идеальные (т.е. без потерь) индуктивность и емкость, а сопротивление r в верхней части плеча мостовой схемы, содержащей резонансный последовательный L(C0+ΔC)-контур, есть эквивалентное активное сопротивление реальной катушки индуктивности, вычисляемое через ее индуктивность L и добротность. Если полет происходит над взволнованной морской поверхностью, сигнал Uc(t) необходимо дополнительно подвергнуть детектированию с последующим выделением постоянной и переменной (низкочастотной) составляющих, т.к. при строго горизонтальном полете величина добавочной емкости ΔС периодически меняется, достигая максимального значения над гребнем морской волны и минимального - над впадиной, и сигнал Uc(t) можно считать амплитудно-модулированным радиотехническим сигналом.At the same time, to increase the safety of landing an airplane, mainly a seaplane, by automatically maintaining the vertical speed set for a given type of aircraft, in a known method for measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, and sea waves based on recording physical quantities that depend on electromagnetic of the field created by the antenna mounted on the aircraft, a sequential LC circuit is created with the antenna formed in the near field of the antenna to nensator, one of the plates of which is the antenna, and the other is the aircraft body, include this LC circuit in one of the arms of the bridge circuit, a harmonic voltage stabilized in amplitude and frequency is applied to the input of the bridge circuit, and the amplitude of the aircraft’s flight above the water mirror is judged by amplitude the harmonic signal removed from the bridge circuit, and when the water surface is excited, the signal removed from the bridge circuit is detected, extracted from the detected signal, and the constant and variable components are measured, while m the altitude of the aircraft is judged by the constant component, the height of the sea wave - by the amplitude of the low-frequency variable component, and the length of the sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies - by the quotient of dividing the horizontal speed of the aircraft by the frequency of the low-frequency variable component. In this case, the inductance of the serial LC circuit is selected from the condition that the resonant frequency of the LC circuit falls when the aircraft’s flight altitude is above 50-100 m in the range of 1.5-6 MHz. The value of capacity C depends on the flight altitude. At a very high flight altitude, it is equal to C 0 , where C 0 is the capacitance of the LC circuit at high altitude, while the resonant frequency of the LC 0 circuit is f 0 . With decreasing flight altitude, the value of capacity C increases and becomes equal to: C = C 0 + ΔС, where ΔС - additional capacity - increases with decreasing altitude and tends to zero with an unlimited increase in flight altitude. Thus, δf — the departure of the resonant frequency of the LC circuit with a decrease in the flight altitude of an airplane (seaplane) sharply increases with a decrease in flight altitude. However, in a very wide range of capacitance variations, ΔCδf - the resonance frequency drift - is almost proportional to the harmonic signal amplitude U c (t), where U c (t) is the signal taken from the midpoints of the bridge circuit, to the input of which the harmonic voltage U (t) stabilized frequency f 0 and amplitude U m . In this case, the resistance r in the lower part of the bridge circuit contains a series resonant L (C 0 + ΔC) circuit, and L and (C 0 + Δ C) are ideal (i.e., lossless) inductance and capacitance, and the resistance r in the upper part of the shoulder of the bridge circuit containing the resonant serial L (C 0 + ΔC) -contour, is the equivalent active resistance of a real inductor, calculated through its inductance L and quality factor. If the flight takes place over an agitated sea surface, the signal U c (t) must be additionally detected with the subsequent separation of the constant and variable (low-frequency) components, since during a strictly horizontal flight, the value of the additional capacitance ΔС periodically changes, reaching a maximum value above the crest of the sea wave and a minimum value above the depression, and the signal U c (t) can be considered an amplitude-modulated radio signal.

При его детектировании амплитуда постоянной составляющей будет пропорциональна средней высоте полета над взволнованной морской поверхностью, амплитуда переменной (низкочастотной) составляющей - высоте морской волны с коэффициентом пропорциональности, зависящим от средней высоты полета, а частота низкочастотной переменной составляющей (т.е. частота огибающей сигнала) позволит найти длину морской волны в направлении полета путем деления известной горизонтальной скорости самолета на значение этой частоты. Таким образом, в силу того, что на очень малых высотах полета горизонтальная скорость самолета гораздо больше его вертикальной скорости, можно непрерывно следить за высотой полета и параметрами морского волнения в месте, над которым самолет в данный момент находится. Однако данный способ на очень малых высотах полета: меньше размаха крыла гидросамолета, работоспособен только при идеальных гидрометеорологических условиях. Кроме того, известный способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения, не обеспечивает определение угла встречи с волной, что является определяющим для обеспечения безопасной посадки на взволнованную водную поверхность.When it is detected, the amplitude of the constant component will be proportional to the average flight height above the excited sea surface, the amplitude of the variable (low-frequency) component will be the height of the sea wave with a proportionality coefficient depending on the average flight height, and the frequency of the low-frequency variable component (i.e., the envelope frequency of the signal) allows you to find the wavelength in the direction of flight by dividing the known horizontal speed of the aircraft by the value of this frequency. Thus, due to the fact that at very low altitudes, the horizontal speed of the aircraft is much greater than its vertical speed, you can continuously monitor the altitude and parameters of sea waves in the place over which the aircraft is currently located. However, this method at very low altitudes: less than the wing span of a seaplane, is operational only under ideal hydrometeorological conditions. In addition, the known method of measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the water surface and sea waves parameters does not provide a determination of the angle of the wave, which is crucial to ensure a safe landing on an excited water surface.

Задачей предлагаемого способа измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения параметров морского волнения.The objective of the proposed method for measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the water surface and the parameters of sea waves is to expand the functionality and increase the reliability of determining the parameters of sea waves.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения, основанный на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля, создаваемого установленной на самолете антенной, по которым судят о высоте полета самолета, о высоте морской волны, о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, антенна для создания электромагнитного поля выполнена в виде пяти независимых антенн, установленных на корпусе самолета соответственно в центре тяжести самолета, в носовой и хвостовой частях самолета, и в оконечных частях крыльев самолета, о высоте морской волны судят по разности между максимальными и минимальными значениями амплитуд электромагнитного сигнала (средняя высота волны от подошвы до вершины), о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, судят в зависимости от соотношения высоты волны к крутизне волны, которую определяют в соответствии с зависимостью ξ = 2 π h в g T 2

Figure 00000001
(где hв - высота волны, Т - период волны), период волнения определяют в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения.The problem is solved due to the fact that in the method of measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the surface of the sea and the parameters of sea waves, based on the registration of physical quantities that depend on the electromagnetic field generated by the antenna installed on the airplane, which is used to judge the flight altitude aircraft, about the height of the sea wave, about the length of the sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies, the antenna for creating an electromagnetic field is made in the form of five dependent antennas mounted on the aircraft body, respectively, in the center of gravity of the aircraft, in the nose and tail parts of the aircraft, and in the terminal parts of the wings of the aircraft, the height of the sea wave is judged by the difference between the maximum and minimum values of the amplitudes of the electromagnetic signal (average wave height from the sole to the top ), the length of the sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies is judged depending on the ratio of the wave height to the steepness of the wave, which is determined in accordance with the dependence ξ = 2 π h at g T 2
Figure 00000001
(where h in - wave height, T - wave period), the wave period is determined depending on the ratio of the wave amplitude and acceleration amplitude.

Заявляемый способ позволяет измерять параметры морских волн непосредственно перед посадкой гидросамолета на воду. Кроме того, этот способ позволит объединить в одном устройстве как высотомер сверхмалых высот, так и измеритель параметров морского волнения и измеритель скорости. Кроме того, в отличие от прототипа [7] обеспечивается определение фазовой скорости морской волны, что позволяет определить направление волн, что позволяет выбрать более благоприятные курсовые углы для посадки гидросамолета.The inventive method allows to measure the parameters of sea waves immediately before landing the seaplane on water. In addition, this method will allow you to combine in one device as an altimeter of very low altitudes, and a meter of sea waves and a speed meter. In addition, unlike the prototype [7], the phase velocity of the sea wave is determined, which allows us to determine the direction of the waves, which allows us to choose more favorable heading angles for landing the seaplane.

Известные бесконтактные методы определения волнения являются по своей сути интегральными и требуют для измерения широкого спектра сигналов, отраженных от значительной площади или набора данных о профилях волнения вдоль нескольких направлений (Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. Устыленко Н.С., Лесная Л.Л. Использование микропроцессорных модулей в задачах оценки состояния морской поверхности // Обработка сигналов в локационных системах неоднородных сред. Свердловск: Изд. УПИ, 1987, вып. 1), что исключает возможность оперативного получения информации. Оперативно параметры волнения можно определить с борта летательного аппарата, используя выходные данные минимум двух однолучевых радиодоплеровских измерителей скорости и двух измерителей профиля волны.The well-known non-contact methods for determining waves are integral in nature and require measuring a wide range of signals reflected from a large area or a set of data on wave profiles along several directions (Zagorodnikov A.A. Radar survey of sea waves from aircraft. L .: Gidrometeoizdat, 1978. Ustylenko NS, Lesnaya LL Use of microprocessor modules in problems of assessing the state of the sea surface // Signal Processing in Location Systems of Inhomogeneous Media. SK: Ed. UPI, 1987, issue 1), which excludes the possibility of prompt information. The wave parameters can be determined on-line from the aircraft using the output data of at least two single-beam radio-Doppler speed meters and two wave profile meters.

Способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения поясняется чертежами (фиг. 1÷3).The method of measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the water surface and sea waves parameters is illustrated by the drawings (Fig. 1 ÷ 3).

Фиг. 1. Проекция первого и второго радиолучей на горизонтальную плоскость. 1 - фронт волны, 2 - диаметральная плоскость гидросамолета, V - скорость полета, vф - фазовая скорость морской волны, τ - временной интервал прохождения морской волной радиолучей, определяемый по ее вершине, α - угол между генеральными направлениями распространения волн и диаметральной плоскостью гидросамолета (отсчитываемый от направления продольной оси гидросамолета против часовой стрелки считается положительным, а по часовой стрелке - отрицательным, L - база (расстояние между точками пересечения радиолучей и морской поверхности).FIG. 1. The projection of the first and second radio beams on a horizontal plane. 1 - front of the wave, 2 - diametrical plane of the seaplane, V - flight speed, v f - phase velocity of the sea wave, τ - time interval of passage of the sea wave by the radio beam, determined by its apex, α - angle between the general directions of wave propagation and the diametrical plane of the seaplane (counted from the direction of the longitudinal axis of the seaplane counterclockwise is considered positive, and clockwise - negative, L is the base (the distance between the intersection points of the radio beam and the sea surface).

Фиг. 2. Определение горизонтальной составляющей орбитальной скорости. Vzo - вертикальная составляющая орбитального движения, γo - угол отклонения радиолуча от вертикали, Vго - горизонтальная составляющая орбитальной скорости в месте пересечения радиолуча с морской поверхностью, Ho - высота установки антенны, Ro - расстояние по радиолучу, Го и Г - углы между плоскостью OZoRo направления движения гидросамолета и осью X соответственно.FIG. 2. Determination of the horizontal component of the orbital velocity. V zo is the vertical component of the orbital movement, γ o is the angle of deviation of the radio beam from the vertical, V th is the horizontal component of the orbital velocity at the intersection of the radio beam with the sea surface, H o is the antenna mounting height, R o is the distance along the radio beam, G o and G - the angles between the plane OZ o R o the direction of movement of the seaplane and the X axis, respectively.

Фиг. 3. Блок-схема устройства для реализации способа. Антенна 3, приемопередатчик 4, блок измерения высоты 5, измеритель частоты Доплера 6, блок измерения скорости движения 7, вычислитель 8 для определения высоты волн и фазовой скорости волн, блок 9 для определения направления прихода волн, блок 10 для определения флюктуационной составляющей скорости, блок 11 для определения угла встречи с волной, блок 12 для измерения вертикальных перемещений летательного аппарата, блок 13 для оценки ошибок измерения.FIG. 3. A block diagram of a device for implementing the method. Antenna 3, transceiver 4, height measuring unit 5, Doppler frequency meter 6, motion speed measuring unit 7, calculator 8 for determining wave heights and phase wave velocity, block 9 for determining the direction of wave arrival, block 10 for determining the fluctuation component of velocity, block 11 for determining the angle of encounter with the wave, block 12 for measuring the vertical movements of the aircraft, block 13 for evaluating measurement errors.

Для двухлучевого измерителя необходимые формульные зависимости могут быть получены из фиг. 1:For a two-beam meter, the necessary formula dependencies can be obtained from FIG. one:

Figure 00000002
Figure 00000002

где V - скорость полета, vф - фазовая скорость морской волны, τ - временной интервал прохождения морской волной радиолучей, определяемый по ее вершине, α - угол между генеральными направлениями распространения волн и диаметральной плоскостью гидросамолета (отсчитываемый от направления продольной оси гидросамолета против часовой стрелки считается положительным, а по часовой стрелке - отрицательным, L - база (расстояние между точками пересечения радиолучей и морской поверхности).where V is the flight speed, v f is the phase velocity of the sea wave, τ is the time interval of the sea wave passing by the radio beam, determined by its top, α is the angle between the general directions of wave propagation and the diametrical plane of the seaplane (counted counterclockwise from the longitudinal axis of the seaplane is considered positive, and clockwise - negative, L is the base (the distance between the points of intersection of the radio beam and the sea surface).

В формуле (1) перед vф/cosα ставится знак «+», если волны движутся навстречу летательному аппарату, а если направление волн совпадает с направлением движения летательного аппарата, то ставится знак «-».In the formula (1), the sign “+” is placed in front of v f / cosα, if the waves move towards the aircraft, and if the direction of the waves coincides with the direction of movement of the aircraft, then the sign “-” is placed.

Формула (1) может быть упрощена приведением ее к виду

Figure 00000003
.Formula (1) can be simplified by bringing it to the form
Figure 00000003
.

Зная профили взволнованной морской поверхности в точках пересечения с ней радиолучей и определив по ним временной интервал т прохождения морской волной последовательно точек пересечения двух радиолучей с морской поверхностью, можно в соответствии с формулой (2) вычислить угол встречи с волной.Knowing the profiles of the excited sea surface at the points of intersection of the radio beam with it and determining the time interval t of the sea wave passing successively the points of intersection of two radio beams with the sea surface, we can calculate the angle of encounter with the wave in accordance with formula (2).

Для определения направления движения волны (навстречу или по ходу движения) можно использовать эффект модуляции частоты Доплера в каждом луче измерителя орбитальной скорости волн. Частоту Доплера (фиг. 2) можно записать:To determine the direction of the wave (towards or in the direction of travel), you can use the effect of modulating the Doppler frequency in each beam of the orbital velocity meter. The Doppler frequency (Fig. 2) can be written:

Figure 00000004
Figure 00000004

где k - волновое число, Vzo - вертикальная составляющая орбитального движения, γo - угол отклонения радиолуча от вертикали, Vго - горизонтальная составляющая орбитальной скорости в месте пересечения радиолуча с морской поверхностью, Ho - высота установки антенны, Ro - расстояние по радиолучу, Го и Г - углы между плоскостью OZoRo направления движения гидросамолета и осью X соответственно.where k is the wave number, V zo is the vertical component of the orbital motion, γ o is the angle of deviation of the radio beam from the vertical, V th is the horizontal component of the orbital velocity at the intersection of the radio beam with the sea surface, H o is the antenna installation height, R o is the distance along the radio beam, G o and G - the angles between the plane OZ o R o the direction of movement of the seaplane and the X axis, respectively.

А также имеем (фиг. 2):

Figure 00000005
и
Figure 00000006
And also we have (Fig. 2):
Figure 00000005
and
Figure 00000006

где Го и Г - углы между плоскостью OZoRo направления движения гидросамолета и осью X соответственно.where Г о and Г are the angles between the plane OZ o R o the direction of movement of the seaplane and the X axis, respectively.

Далее аппроксимируя в масштабе пятна радиоизлучения на поверхности волнение двумерной синусоидальной волной имеем, что составляющие орбитальной скорости такой волны и рельеф ее поверхности h(x,y,t) могут быть представлены следующими формулами:

Figure 00000007
Further, approximating, on a scale of the radio emission spot on the surface, a two-dimensional sine wave wave, we have that the components of the orbital velocity of such a wave and the relief of its surface h (x, y, t) can be represented by the following formulas:
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где hв - высота волны, φ(x,y,t) - ее фаза.where h в - wave height, φ (x, y, t) - its phase.

Подставив формулы (6) и (7) в формулу (3) c учетом соотношения (4) получим:Substituting formulas (6) and (7) into formula (3) taking into account relation (4) we obtain:

Figure 00000010
Figure 00000010

где ωмод(x,y,t) - функция модуляции.where ω mode (x, y, t) is the modulation function.

Figure 00000011
Figure 00000011

Из формул (9) и (10) видно, что фаза функции модуляции ωмод (x,y,t) частоты Доплера отличается от фазы рельефа h(x,y,t) на -{90 град + arctg[cos (Го-α)tgγo]}, зависящую при заданных углах γo и Го только от направления распространения волны α.From formulas (9) and (10) it can be seen that the phase of the modulation function ω modes (x, y, t) of the Doppler frequency differs from the relief phase h (x, y, t) by - {90 deg + arctg [cos (Г о -α) tgγ o ]}, depending on the given angles γ o and Г о, only on the direction of wave propagation α.

При определении параметров волнения важным свойством функции модуляции ωмод(x,y,t) является то, что составляющая ее фазы arctg[cos(Го-α)tgγo] меняет знак в зависимости от прихода волны по отношению к проекции радиолуча на горизонтальную плоскость. Так для -90 град < (Го-α)<90 град она положительна, а дляIn determining the wave parameters, an important property of the modulation function ω modes (x, y, t) is that its phase component arctg [cos (Г о -α) tgγ o ] changes sign depending on the wave arrival with respect to the projection of the radio beam onto the horizontal plane. So for -90 degrees <(Г о -α) <90 degrees, it is positive, and for

90 град<(Го-α)<180 град - она отрицательна.90 degrees <(Г о -α) <180 degrees - it is negative.

Из теории морских гравитационных волн известно, что между значением фазовой скорости волны и ее длиной λв существует зависимость vф=√gλв/2π (где g - ускорение свободного падения). Причем значение λв связано с высотой волны hв соотношением, зависящим от вида аппроксимации. Согласно Регистру λв=2,44(hв+1)2.From the theory of sea gravitational waves it is known that between the value of the phase velocity of the wave and its length λ in there is a relationship v f = √ gλ in / 2π (where g is the acceleration of gravity). Moreover, the value of λ in is associated with the height of the wave h in a ratio depending on the type of approximation. According to the Register, λ in = 2.44 (h in +1) 2 .

В свою очередь высота волн может быть определена из флюктуационной составляющей показаний измерителей высоты, которая вследствие нормальности возвышений морской поверхности также является нормальной. В этом случае высота волн 3% обеспеченности hв3%=5,3σв, где σв - среднеквадратическое отклонение измеренных возвышений морской поверхности.In turn, the height of the waves can be determined from the fluctuation component of the readings of height meters, which, due to the normality of elevations of the sea surface, is also normal. In this case, the wave height is 3% of the coverage h в3% = 5.3σ в , where σ в is the standard deviation of the measured elevations of the sea surface.

Антенна 3 представляет собой волноводно-щелевую антенну с рабочим раскрывом 325×310 мм, образованным 29-ю излучающими алюминиевыми волноводами с наклонными щелями на узкой стенке. Запитка излучающих волноводов осуществляется двумя поперечными волноводами со щелями и обеспечивает получение с одного раскрыва двух лучей излучения с шириной диаграммы направленности 4°, 5. Антенна также включает волноводный тракт с циркулятором, элементы нагрузки.Antenna 3 is a slotted waveguide antenna with a working aperture of 325 × 310 mm, formed by the 29th radiating aluminum waveguides with inclined slots on a narrow wall. The emitting waveguides are powered by two transverse waveguides with slots and provides two radiation beams from a single aperture with a beam width of 4 °, 5. The antenna also includes a waveguide path with a circulator, and load elements.

Приемопередатчик 4 состоит из генератора сверхвысокой частоты, фильтра-резонатора, диодного смесителя, усилителя, блока автоматической подстройки зоны генератора, модулятора, синхронного детектора.The transceiver 4 consists of an ultra-high frequency generator, a filter resonator, a diode mixer, an amplifier, a block for automatically adjusting the generator zone, a modulator, and a synchronous detector.

Блок измерения высоты 5 состоит из схемы установки начальной высоты, интегратора и преобразователя "напряжение-код".The height measurement unit 5 consists of a circuit for setting the initial height, an integrator and a voltage-code converter.

Измеритель частоты Доплера 6 состоит из блока фильтров доплеровских частот, блока формирователей, схемы спорных частот, схемы коммутации, электронного сумматора доплеровских частот, блока выходных делителей.The Doppler frequency meter 6 consists of a block of Doppler frequency filters, a block of formers, a controversial frequency circuit, a switching circuit, an electronic adder of Doppler frequencies, a block of output dividers.

Блок измерения скорости движения 7 состоит из инвертора, дифференцирующей цепи, формирователя, двух триггеров, сумматора, усилителя.The unit for measuring the speed of movement 7 consists of an inverter, a differentiating circuit, a shaper, two triggers, an adder, an amplifier.

Вычислитель высоты волн и фазовой скорости волн 8 состоит из схемы выделения флюктуационной составляющей, схемы выпрямления, усилителя-ограничителя, интегратора, преобразователя "напряжение-код", предназначенных для обработки сигналов при определении высоты волн, а для определения фазовой скорости волн схема состоит из интегратора, включающего схему И, интегратор, пороговое устройство, схемы выделения знаков, включающего сумматор, пороговое устройство и преобразователя углов, включающего схему занесения знака в код и схему вычисления знака.The calculator of the height of the waves and phase velocity of the waves 8 consists of a circuit for isolating the fluctuation component, a rectification circuit, an amplifier-limiter, an integrator, a voltage-code converter designed to process signals when determining the height of the waves, and to determine the phase velocity of the waves, the circuit consists of an integrator including circuit AND, integrator, threshold device, character extraction schemes, including adder, threshold device and angle converter, including a scheme for entering a character in a code and a calculation scheme naka.

Блок 9 для определения направления прихода волн состоит из схемы И, сумматора, преобразователя аналог-цифра, делителя, умножителя, функционального вычислителя.Block 9 for determining the direction of arrival of the waves consists of an AND circuit, an adder, an analog-to-digital converter, a divider, a multiplier, and a functional calculator.

Блок 10 для определения флюктуационной составляющей скорости состоит из преобразователя частота-напряжение, схемы выделения флюктуационной составляющей, усилителя-ограничителя.Block 10 for determining the fluctuation component of speed consists of a frequency-voltage converter, a circuit for isolating the fluctuation component, an amplifier-limiter.

Блок 11 для определения угла встречи с волной состоит из инвертора знака, схемы коммутации, сумматора, вычитающего устройства.Block 11 for determining the angle of encounter with the wave consists of a sign inverter, switching circuit, adder, subtracting device.

Блок 12 для измерения вертикальных перемещений летательного аппарата состоит из ньютометра и аналого-цифрового преобразователя (В.Д. Андреев. Теория инерциальной навигации. М., Наука, 1966, 580 с. - с. 16-21).Block 12 for measuring the vertical movements of an aircraft consists of a newmeter and an analog-to-digital converter (V.D. Andreev. Inertial Navigation Theory. M., Nauka, 1966, 580 pp., Pp. 16-21).

Блок 13 для оценки ошибок измерения состоит из коммутатора, электронного сумматора, микропроцессора, преобразователя "частота-код", преобразователя "напряжение-код", схемы сравнения, выходного блока.Block 13 for estimating measurement errors consists of a switch, an electronic adder, a microprocessor, a frequency-to-code converter, a voltage-to-code converter, a comparison circuit, and an output unit.

Устройство работает следующим образом. Генератор сверхвысокочастотных колебаний через циркулятор в антенне 3 в режиме вентиля нагружен на фильтр-резонатор, который служит для автоматической подстройки зоны генератора и температурной стабилизации.The device operates as follows. The microwave oscillator through the circulator in the antenna 3 in the valve mode is loaded on the filter resonator, which serves to automatically adjust the generator zone and temperature stabilization.

Частотная модуляция генератора осуществляется блоком АПЗГ. Излученный антенной 3 сигнал отражается от подстилающей морской поверхности и после приема этой же антенной через циркулятор направляется на диодный смеситель, в качестве которого используется детекторная секция на базе диода Шотки с малыми шумами.The frequency modulation of the generator is carried out by the block APZG. The signal emitted by antenna 3 is reflected from the underlying sea surface and, after reception by the same antenna, is sent through a circulator to a diode mixer, which uses a detector section based on a Schottky diode with low noise.

После преобразования с частью излучаемого сигнала, величина которого регулируется специальным винтом, принятый сигнал (первая гармоника) фильтруется и усиливается в усилителе приемопередатчика 4, частота настройки которого равна частоте модуляции, полоса - удвоенной полосе спектра при максимальной скорости судна. Сигнал с выхода усилителя приемопередатчика поступает на синхронный детектор. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Доплера.After conversion with a part of the emitted signal, the value of which is regulated by a special screw, the received signal (first harmonic) is filtered and amplified in the amplifier of the transceiver 4, the tuning frequency of which is equal to the modulation frequency, the band is the doubled band of the spectrum at the maximum speed of the vessel. The signal from the output of the amplifier of the transceiver enters the synchronous detector. After synchronous detection with a modulating signal, an alternating voltage is emitted by the Doppler frequency.

В приемопередатчике 4 используется режим частотной манипуляции, описанный в кн. Варкапатян А.Г., Коршунов Г.И., Наделяев М.А. и др. Автоматизация контроля параметров водной среды. - Л.: Судостроение, 1988, 232 с.The transceiver 4 uses the frequency manipulation mode described in the book. Varkatapyan A.G., Korshunov G.I., Nadelyaev M.A. and others. Automation of control of parameters of the aquatic environment. - L .: Shipbuilding, 1988, 232 p.

С приемопередатчика 4 сигналы подаются на блок измерения высоты 5 и измеритель частоты Доплера 6, в блоке 6 обеспечивается выполнение следующих функций:From the transceiver 4, the signals are fed to the height measuring unit 5 and the Doppler frequency meter 6, in block 6 the following functions are provided:

- фильтрация доплеровских сигналов;- filtering Doppler signals;

- усиления доплеровских сигналов;- amplification of Doppler signals;

- преобразование формы доплеровских сигналов из синусоидальной формы в прямоугольную.- transformation of the shape of the Doppler signals from a sinusoidal shape to a rectangular one.

Фильтры низких частот представляют собой аналоговые активные фильтры, пропускающие железные сигналы в диапазоне частот от 0 до 6500 Гц. Основные помехи находятся на частоте 20 кГц, на которой работает преобразователь напряжения питания, 75 и 100 кГц - на частотах модуляции СВЧ-сигнала.Low-pass filters are analog active filters that pass iron signals in the frequency range from 0 to 6500 Hz. The main interference is at a frequency of 20 kHz, at which the supply voltage converter operates, 75 and 100 kHz - at frequencies of modulation of the microwave signal.

Формирователи формы сигнала преобразуют доплеровские сигналы синусоидальной формы, изменяющиеся по амплитуде и частоте, и сигналы прямоугольной формы с постоянной амплитудой и постоянной длительностью импульсов, равной минимальному периоду полезного сигнала. Во время длительного импульса формирователь не чувствителен ко входным сигналам. Таким образом, происходит дополнительная фильтрация полезного сигнала от помех, обусловленных вибрацией корпуса приемопередатчика. Данные помехи критичны при маленьких амплитудах доплеровского сигнала, при слабом отраженном сигнале СВЧ-энергии, т.е. при малом отношении сигнал/шум. Так как во время опорного периода доплеровские сигналы проходят два перехода через нулевое состояние, то частота прямоугольных импульсов на выходе формирователя в два раза выше входного доплеровского сигнала.Shapes of the waveform convert Doppler signals of a sinusoidal shape, varying in amplitude and frequency, and signals of a rectangular shape with a constant amplitude and a constant pulse duration equal to the minimum period of the useful signal. During a long pulse, the shaper is not sensitive to input signals. Thus, additional filtering of the useful signal from interference caused by vibration of the transceiver housing occurs. These interferences are critical for small amplitudes of the Doppler signal, for a weak reflected microwave energy signal, i.e. with a small signal to noise ratio. Since during the reference period the Doppler signals pass two transitions through the zero state, the frequency of the rectangular pulses at the output of the driver is twice as high as the input Doppler signal.

Схема опорных частот содержит кварцевый генератор на 200 кГц, распределитель опорных импульсных сигналов, делитель частоты. На делителе частоты формируется опорный временной интервал 0,25 с. Распределитель опорных импульсных сигналов содержит устройства синхронизации в количестве, соответствующем количеству формируемых антенной лучей. Каждое устройство синхронизации, представляющее из себя логическое триггерное кольцо, предназначенное для синхронизации опорной частотой импульсных последовательностей доплеровского сигнала. Для каждого устройства синхронизации применяется опорная частота, полученная на распределителе опорных сигналов, импульсы которого разнесены во времени. Таким образом, происходит разнесение во времени доплеровских импульсных сигналов от каждого луча.The reference frequency circuit contains a 200 kHz crystal oscillator, a reference pulse signal distributor, and a frequency divider. A reference time interval of 0.25 s is formed on the frequency divider. The reference pulse signal distributor comprises synchronization devices in an amount corresponding to the number of rays generated by the antenna. Each synchronization device, which is a logical trigger ring, designed to synchronize the reference frequency of the pulse sequences of the Doppler signal. For each synchronization device, the reference frequency obtained at the reference signal distributor is applied, the pulses of which are spaced in time. Thus, the time diversity of the Doppler pulse signals from each beam occurs.

Сигналы с измерителя частоты Доплера 6 поступают на блок измерения скорости движения 7, где формируются импульсные последовательности с частотами, пропорциональными продольной и поперечной составляющим скорости движения. В качестве входной информации используется также доплеровский сигнал, поступающий из приемопередатчика 4 для определения знака движения. Так как для каждого луча после демодуляции получены два одинаковых доплеровских сигнала со сдвигом фаз между ними, то взяв в качестве опорного сигнала один из них, определяем знак фазы другого сигнала, который характеризует знак направления движения судна.The signals from the Doppler frequency meter 6 are fed to the speed measuring unit 7, where pulse sequences are formed with frequencies proportional to the longitudinal and transverse components of the speed of movement. The Doppler signal coming from the transceiver 4 to determine the sign of motion is also used as input information. Since two identical Doppler signals with a phase shift between them are received for each beam after demodulation, taking one of them as a reference signal, we determine the phase sign of the other signal, which characterizes the sign of the direction of movement of the vessel.

На измеритель частоты Доплера 6 с приемопередатчика 4 подается сигнал разностной частоты Fp(t)=f1(t)-f2(t) (мгновенная частота преобразованного сигнала), которая несет информацию о сдвиге τ законов изменения частоты изучаемого f1 и принимаемого f2 сигналовThe differential frequency signal F p (t) = f 1 (t) -f 2 (t) (instantaneous frequency of the converted signal) is transmitted to the Doppler frequency meter 6 from the transceiver 4, which carries information on the shift τ of the laws of change in the frequency of the studied f 1 and received f 2 signals

Figure 00000012
,
Figure 00000012
,

где Δf - девиация частоты;where Δf is the frequency deviation;

ТΔf - период модуляции.T Δf is the modulation period.

В измеритель частоты Доплера 6 при измерении высоты движения от антенны до подстилающей поверхности используется пропорциональная связь ее с разностной частотой Н=ΔtFp,When measuring the height of movement from the antenna to the underlying surface, the Doppler frequency meter 6 uses its proportional relationship with the difference frequency H = ΔtF p ,

где

Figure 00000013
- коэффициент пропорциональности.Where
Figure 00000013
- coefficient of proportionality.

Определение величины Fp в блоке измерения высоты 5 сводится к счету числа импульсов, (например, положительных полуволн сигнала разностной частоты) за период модуляции. При излучении попеременно с частотой манипуляцией двух сигналов f1,2(t)=Em1,2cos(ω1,21,2),The determination of the value of F p in the height measuring unit 5 is reduced to counting the number of pulses (for example, positive half-waves of the difference frequency signal) for the modulation period. When the radiation is alternately with the frequency by the manipulation of two signals f 1,2 (t) = E m1,2 cos (ω 1,2 + φ 1,2 ),

где Em1,2, ω1,21,2 - амплитуда, частота и фаза соответственно, принятые сигналы имеют вид:where E m1,2 , ω 1,2 + φ 1,2 - amplitude, frequency and phase, respectively, the received signals have the form:

Figure 00000014
.
Figure 00000014
.

где Ω1,2(t) - доплеровские частоты;where Ω 1,2 (t) are the Doppler frequencies;

K1,2 - волновые числа;K 1,2 - wave numbers;

R - наклонная дальность.R is the slant range.

Разность фаз удобнее измерять у напряжений, имеющих низкую частоту, например Доплера. Такие сигналы образуются путем смещения принятого сигнала с частью излучаемого:The phase difference is more convenient to measure for voltages having a low frequency, such as Doppler. Such signals are formed by shifting the received signal with part of the emitted:

f1,2(t)=Emcм·2cos(Ω1,2(t)±2K1,2R).f 1,2 (t) = E mcm · 2cos (Ω 1,2 (t) ± 2K 1,2 R).

При этом разность фаз при K1<K2 равняетсяIn this case, the phase difference for K 1 <K 2 is

Figure 00000015
Figure 00000015

Постоянная составляющая (Δφ) пропорциональна средней дальности до поверхности, а переменная - ее профиль, причем размах переменной составляющей | Δ ϕ |

Figure 00000016
пропорционален высоте волны, т.е. для выделения высоты волны необходимо измерить разность фаз с выделением из результата флюктуационной составляющей, что производится в вычислителе высоты волн и фазовой скорости волн 8, а также производится измерение х. В блоке 10 для определения флюктуационной составляющей скорости производится преобразование напряжения доплеровской частоты в последовательность импульсов с частотой следования, равной частоте Доплера, и согласование этой последовательности, но с переменной постоянной времени, что необходимо для более эффективного согласованния флюктуации частоты Доплера, вызванных случайным характером принятого сигнала, и выделения флюктуации, вызванных волнением.The constant component (Δφ) is proportional to the average distance to the surface, and the variable is its profile, and the magnitude of the variable component | Δ ϕ |
Figure 00000016
proportional to the height of the wave, i.e. to select the wave height, it is necessary to measure the phase difference with the separation of the fluctuation component from the result, which is performed in the calculator of the wave height and phase wave velocity of 8, and x is also measured. In block 10, to determine the fluctuation component of the velocity, the voltage of the Doppler frequency is converted into a pulse train with a repetition rate equal to the Doppler frequency, and this sequence is matched, but with a variable time constant, which is necessary for more efficient matching of the fluctuation of the Doppler frequency caused by the random nature of the received signal , and the allocation of fluctuations caused by agitation.

Сигналы скорости и высоты подаются в блок 9 для определения направления прихода волн, где происходит определение угла прихода волны для каждой пары лучей с алгоритмами (1÷10).The speed and altitude signals are fed to block 9 to determine the direction of arrival of the waves, where the angle of arrival of the wave is determined for each pair of beams with algorithms (1 ÷ 10).

Сигналы с вычислителя 8 для определения высоты волн и фазовой скорости волн и блока 9 для определения направления прихода волн поступают на блок 11 для определения угла встречи с волной, где полученные углы приводятся к диаметральной плоскости судна.The signals from the computer 8 to determine the height of the waves and the phase velocity of the waves and block 9 to determine the direction of arrival of the waves are sent to block 11 to determine the angle of the wave, where the angles are reduced to the diametrical plane of the vessel.

Блок 12 для измерения вертикальных перемещений летательного аппарата обеспечивает измерение собственных вертикальных перемещений объекта, сигналы о которых в цифровом виде подаются на блок 13 для оценки ошибок измерения.Block 12 for measuring the vertical movements of the aircraft provides a measurement of their own vertical movements of the object, the signals of which are digitally supplied to block 13 to evaluate measurement errors.

Так как каналы измерения не являются узкополостными и содержат спектральные составляющие, искаженные шумами измерения, то для очищения этих сигналов от помех введен блок 13 для оценки ошибок измерения, в котором обеспечивается решение передаточных функций вида:Since the measurement channels are not narrow-band and contain spectral components distorted by the measurement noise, in order to clear these signals from interference, a block 13 has been introduced for estimating measurement errors, which provides a solution to the transfer functions of the form:

Figure 00000017
;
Figure 00000017
;

Figure 00000018
;
Figure 00000018
;

Figure 00000019
.
Figure 00000019
.

Антенна 3 для создания электромагнитного поля выполнена в виде пяти независимых антенн, установленных на корпусе самолета соответственно в центре тяжести самолета, в носовой и хвостовой частях самолета и в оконечных частях крыльев самолета.Antenna 3 for creating an electromagnetic field is made in the form of five independent antennas mounted on the aircraft body, respectively, in the center of gravity of the aircraft, in the nose and tail parts of the aircraft and in the terminal parts of the wings of the aircraft.

О высоте морской волны судят по разности между максимальными и минимальными значениями амплитуд электромагнитного сигнала (средняя высота волны от подошвы до вершины), о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, судят в зависимости от соотношения высоты волны к крутизне волны, которую определяют в соответствии с зависимостьюThe height of the sea wave is judged by the difference between the maximum and minimum values of the amplitudes of the electromagnetic signal (the average wave height from the sole to the top), the length of the sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies is judged depending on the ratio of wave height to steepness wave, which is determined in accordance with the dependence

ξ = 2 π h в g T 2

Figure 00000020
(где hв - высота волны, Т - период волны), период волнения определяют в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения. ξ = 2 π h at g T 2
Figure 00000020
(where h in - wave height, T - wave period), the wave period is determined depending on the ratio of the wave amplitude and acceleration amplitude.

Предлагаемый способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения, основанный на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля в отличие от аналогов и прототипов обеспечивает полный набор спектральных составляющих измеряемых параметров в наиболее очищенном от помех виде, что обеспечивает высокую точность и безинерционность измерений. Выполненная оценка точности измерения посредством предлагаемого устройства показала, что при h3%=4 м (неполное шестибальное волнение), φ=45°, Δf=0,01 Гц и характерной скорости летательных аппаратов в районе посадки, например, при V=150 м/с, среднеквадратичное значение ошибки измерения составит:The proposed method for measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the water surface and sea waves parameters, based on the registration of physical quantities that depend on the electromagnetic field, unlike analogs and prototypes, provides a complete set of spectral components of the measured parameters in the form most cleared of interference, which provides high accuracy and inertialess measurements. An assessment of the accuracy of measurement by the proposed device showed that at h 3% = 4 m (incomplete six-wave excitement), φ = 45 °, Δf = 0.01 Hz and the characteristic speed of aircraft in the landing area, for example, at V = 150 m / s, the rms value of the measurement error will be:

Figure 00000021
Figure 00000021

что значительно выше, чем у аналогов и прототипа: 0,031<0,2 м при волнении моря около 6 баллов по шкале Гугмо.which is significantly higher than that of analogues and prototype: 0.031 <0.2 m with a sea wave of about 6 points on the Gugmo scale.

Морское волнение является наиболее существенным возмущающим фактором для абсолютного большинства судов и неводоизмещающих морских аппаратов (на подводных крыльях или воздушной подушке, экранопланов; гидросамолетов и морских вертолетов при взлете и посадке) как объектов управления. Его влияние приводит к возникновению нежелательных колебательных движений, ухудшающих функциональную эффективность, безопасность и комфортность использования таких аппаратов по сравнению со случаем штилевого моря. Использование предлагаемого способа позволит осуществлять адаптацию контура управления и характеристикам морского волнения.Sea waves are the most significant disturbing factor for the vast majority of ships and non-displacement marine vehicles (hydrofoils or air cushions, ekranoplanes; seaplanes and sea helicopters during takeoff and landing) as control objects. Its influence leads to the appearance of undesirable oscillatory movements, worsening the functional efficiency, safety and comfort of using such devices in comparison with the case of a calm sea. Using the proposed method will allow the adaptation of the control loop and the characteristics of sea waves.

Источники информацииInformation sources

1. Летные испытания самолетов. М.Г. Котик и др., Машиностроение, 1968 г.1. Flight tests of aircraft. M.G. Kotik et al., Mechanical Engineering, 1968

2. Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов. И.Е. Бондарчук, Транспорт, 1978 г., стр. 112-152.2. Flight operation of radio navigation equipment of aircraft. I.E. Bondarchuk, Transport, 1978, pp. 112-152.

3. Авторское свидетельство SU №1584513.3. Copyright certificate SU No. 1584513.

4. Радиолокация морской поверхности", А.А. Гарнакерьян, А.С. Сосунов, Изд. Ростовского университета, 1978 г.4. Radar location of the sea surface ", A. A. Garnakeryan, A. S. Sosunov, University of Rostov, 1978.

5. Авторское свидетельство SU №805745.5. Copyright certificate SU No. 805745.

6. Патент RU №1788484 А1, 15.12.19896. Patent RU No. 1788484 A1, 12/15/1989

7. Патент RU №2183010, 27.05.2002.7. Patent RU No. 2183010, 05.27.2002.

Claims (1)

Способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения, основанный на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля, создаваемого установленной на самолете антенной, по которым судят о высоте полета самолета, о высоте морской волны, о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, отличающийся тем, что антенна для создания электромагнитного поля выполнена в виде пяти независимых антенн, установленных на корпусе самолета соответственно в центре тяжести самолета, в носовой и хвостовой частях самолета, и в оконечных частях крыльев самолета, о высоте морской волны судят по разности между максимальными и минимальными значениями амплитуд электромагнитного сигнала (средняя высота волны от подошвы до вершины), о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, судят в зависимости от соотношения высоты волны к крутизне волны, которую определяют в соответствии с зависимостью
Figure 00000022
(где hв - высота волны, Т - период волны), период волнения определяют в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения.
A method of measuring the ultra-low altitude of an airplane, mainly a seaplane, above the water surface and sea waves parameters, based on recording physical quantities that depend on the electromagnetic field generated by the antenna installed on the airplane, which are used to judge the altitude of the airplane, the height of the sea wave, and the length sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies, characterized in that the antenna for creating an electromagnetic field is made in the form of five independent antennas, setting data on the aircraft body, respectively, in the center of gravity of the aircraft, in the nose and tail parts of the aircraft, and in the terminal parts of the wings of the aircraft, the height of the sea wave is judged by the difference between the maximum and minimum values of the amplitudes of the electromagnetic signal (average wave height from the sole to the top), o the length of the sea wave in the direction of flight and in the place over which the plane flies, is judged depending on the ratio of wave height to the steepness of the wave, which is determined in accordance with the dependence
Figure 00000022
(where h in - wave height, T - wave period), the wave period is determined depending on the ratio of the wave amplitude and acceleration amplitude.
RU2014116977/28A 2014-04-25 2014-04-25 Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters RU2557999C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014116977/28A RU2557999C1 (en) 2014-04-25 2014-04-25 Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014116977/28A RU2557999C1 (en) 2014-04-25 2014-04-25 Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2557999C1 true RU2557999C1 (en) 2015-07-27

Family

ID=53762625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014116977/28A RU2557999C1 (en) 2014-04-25 2014-04-25 Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2557999C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2645815C1 (en) * 2016-12-22 2018-02-28 Общество с ограниченной ответственностью "Научно Инженерная Компания" Method for monitoring (periodical control) systematic errors of measuring the barometric height
RU2680162C1 (en) * 2018-01-17 2019-02-18 Общество с ограниченной ответственностью "Научно Инженерная Компания" Method of monitoring systematic errors of barometric height measurement in uncertainty of beginning of geometric height calculation
US11015931B2 (en) 2018-05-24 2021-05-25 Airbus Helicopters Method and a device for determining and displaying a flyaway distance for a rotorcraft while taking account of the height of waves

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU99116289A (en) * 1999-07-27 2001-05-20 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева METHOD FOR MEASURING THE ULTIMATE HEIGHT OF THE FLIGHT OF THE AIRPLANE (HYDROPLANE) AND THE BASIC PARAMETERS OF SEA EXPLOSION IN THE PLACE OVER WHICH THE PLANE FLIES (HYDROPLANE)
RU2183010C2 (en) * 1999-07-27 2002-05-27 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева Method of measurement of extra low flight altitude of aircraft, mainly seaplane above water surface and parameters of sea swell
RU2196077C2 (en) * 2001-01-17 2003-01-10 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М.Бериева Seaplane ultra-low altitude capacitance-type sensor
RU2262717C1 (en) * 2004-04-27 2005-10-20 Жуков Владимир Михайлович Method for measuring small and ultra small heights using radio height meter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU99116289A (en) * 1999-07-27 2001-05-20 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева METHOD FOR MEASURING THE ULTIMATE HEIGHT OF THE FLIGHT OF THE AIRPLANE (HYDROPLANE) AND THE BASIC PARAMETERS OF SEA EXPLOSION IN THE PLACE OVER WHICH THE PLANE FLIES (HYDROPLANE)
RU2183010C2 (en) * 1999-07-27 2002-05-27 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева Method of measurement of extra low flight altitude of aircraft, mainly seaplane above water surface and parameters of sea swell
RU2196077C2 (en) * 2001-01-17 2003-01-10 Открытое акционерное общество Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М.Бериева Seaplane ultra-low altitude capacitance-type sensor
RU2262717C1 (en) * 2004-04-27 2005-10-20 Жуков Владимир Михайлович Method for measuring small and ultra small heights using radio height meter

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2645815C1 (en) * 2016-12-22 2018-02-28 Общество с ограниченной ответственностью "Научно Инженерная Компания" Method for monitoring (periodical control) systematic errors of measuring the barometric height
RU2680162C1 (en) * 2018-01-17 2019-02-18 Общество с ограниченной ответственностью "Научно Инженерная Компания" Method of monitoring systematic errors of barometric height measurement in uncertainty of beginning of geometric height calculation
US11015931B2 (en) 2018-05-24 2021-05-25 Airbus Helicopters Method and a device for determining and displaying a flyaway distance for a rotorcraft while taking account of the height of waves
EP3572774B1 (en) * 2018-05-24 2022-12-28 Airbus Helicopters Method and device for determining and displaying a safety distance of a rotorcraft taking into account the height of the waves

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9778362B2 (en) Relative speed measuring doppler LiDAR
US10444367B2 (en) Enhanced LiDAR air data using supplementary sensor outputs
US20100328138A1 (en) Short baseline helicopter positioning radar for low visibility
US9342988B2 (en) Method and device for determining a linear terrain profile along a lateral approach trajectory of an airport
US2837738A (en) Passive range measuring device
RU2551355C1 (en) Method of coordinates determination of radio emission source
RU2557999C1 (en) Measuring method of very low flight altitude of plane, mainly hydroplane above water surface and sea disturbance parameters
RU2384861C1 (en) Disturbance parametre measurement device
RU2643168C2 (en) Method of height, aircraft actual velocity and aircraft velocity vector inclination measurement in relation to horizon, on-board radar device using method
US3113308A (en) Apparatus for measuring doppler frequency differences
Pierrottet et al. Field demonstration of a precision navigation lidar system for space vehicles
RU2562060C1 (en) Method of external radar detection of trajectory flight instabilities of aircraft using structure of its pulse response characteristic
RU2137153C1 (en) Device measuring parameters of seas
RU2602274C1 (en) Radar method and device for remote measurement of full velocity vector of meteorological object
RU2563314C1 (en) Method to measure height of sea waves from board of moving vessel
RU2386176C2 (en) Aircraft landing system
RU2504740C1 (en) Method of measurement of fluid level in container
RU2626411C1 (en) Radio-wave method of measuring ground speed and drift angle of aircraft
JP4893883B2 (en) Radio altitude speed measuring apparatus and altitude speed measuring method using radio wave
RU2018864C1 (en) Method of measuring distance in doppler speed vector meters for flying vehicles
RU2183010C2 (en) Method of measurement of extra low flight altitude of aircraft, mainly seaplane above water surface and parameters of sea swell
RU2411532C1 (en) Device for determining distance between aircraft
RU2662803C1 (en) Aircraft ground speed and the crab angle measuring method
RU2659821C1 (en) Aircraft ground speed and the crab angle measuring device
RU2449311C1 (en) Method for remote measurement of wind speed and direction