Способы измерения высоты полета

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА

Известны барометрический, радиоволновой, акустический, оп­тический и инерциальный методы измерения высоты полета.

1. Барометрический метод [4], [6]

Барометрический метод измерения высоты полета основан на зависимости атмосферного давления от высоты (давление возду­ха на любом уровне определяется весом столба воздуха, распо­ложенного выше этого уровня).

Функциональная связь между высотой Н и давлением р не является однозначной, а изменяется в зависимости от геогра­фической широты, времени года, времени суток и состояния по­годы. Однако путем статической обработки результатов много­летних метеорологических наблюдений установлена среднестати­стическая зависимость p=f(H), принятая в качестве стандартной международной атмосферы и используемая при градуировке барометрических высотомеров.

Барометрический высотомер измеряет барометрическую высо­ту полета, т. е. высоту относительно некоторого уровня, давле­ние воздуха на котором известно.

Барометрический метод и приборы, используемые при приме­нении этого метода, более подробно рассматриваются в § 11.3и 11.4.

2. Радиоволновой метод [2]

Радиоволновой метод измерения высоты полета основан на отражении радиоволн от земной поверхности.Устройства, по­строенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами.

Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рис. 11.2, а и б).

Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приве­дена на рис. 11.2, а. Антенна А₁ радиопередатчика, установлен­ного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к са­молету (рис. 11.3). Антенна А₂ радиоприемника, также находя­щегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А₁ так и отраженные от Земли радиоволны.

Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения яв­ляется частотная модуляция излучаемых колебаний.

На рис. 11.4 приведен график изменения во времени частоты f₁ излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f₂ отра­женных колебаний (пунктирная линия).

Линия частот f₂ сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f₁ на величину вследствие того, что в каждый мо­мент времени частота отраженного сигнала отличается от часто­ты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты пря­мого излучения за время прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.

где t₁ – время прохождения радиоволн прямого излучения от антенны передатчика до приемной антенны,

t₂ – время прохождения радиоволн от передатчика до Земли и обратно до приемной антенны.

В соответствии с рис.11.3

,

где l – расстояние между передающей и приемной антенной,

Н – истинная высота полета,

Подставляя (11.2) в (11.1), находим

Разность частот F=f₁-f₂, выделяемая в детекторе низкой частоты и измеряемая частотомером, служит мерой истинной высоты полета.

Для определения зависимости F от H запишем уравнение отрезков ломанных линий, характеризующих закон измерения частот f₁ и f₂ (см. рис. 11.4):

.

.

Поскольку Н>>l, то можно пренебречь в числителе l по сравнению с 2Н, тогда .

где — чувствительность радиовысотомера непрерывного излучения.

Чувствительность тем больше, чем больше среднее значение частоты f₀ и чем больше коэффициент а, характеризующий глубину модуляции частоты.

Величина среднего значения частоты равна f₀ =400ч-600 Мгц, а амплитуда изменения частоты равна ±0,5% от среднего зна­чения при диапазоне измеряемых высот от 0 до 1500 м.

При посадке самолета прибор переключается на малый диа­пазон (от 0 до 150 ж), при этом амплитуда модуляции частоты увеличивается в 10 раз — до ±5% от среднего значения частоты.

Основные погрешности радиовысотомера непрерывного дейст­вия следующие:

а) погрешности от помех приемопередающего радиотракта, искажающих принимаемый сигнал;

б) погрешности от нестабильности параметров f₀ и а, вызы­вающие изменение чувствительности S, а следовательно, и масштаба изме­рения.

С увеличением высоты полета мощ­ность отраженного сигнала резко

падает и он становится трудноразличимым на фоне радио­помех.

Интенсивность полезного сигнала можно увеличить за счет повышения мощности радиопередатчика, однако его потребная мощность увеличивается пропорционально 4-й степени увеличе­ния высоты. Например, для увеличения диапазона радиовысото­мера непрерывного изучения с 1500 до 15000 м, мощность радио­передатчика пришлось бы увеличить в 10 000 раз.

Измерение больших высот полета осуществляется радиовысо­томером импульсного действия, работающего как радиолокатор. Радиовысотомер (см. рис. 11.2,6) содержит приемник и передат­чик, причем излучение радиоволн производится не непрерывно, а дискретно (импульсами), в течение очень коротких интервалов времени, разделенных значительно более длительными паузами (рис. 11.5).

Соотношение между мгновенной мощностью Р_имп, излучаемой в пространстве в импульсе и средней мощностью Р_ср передатчика равно

,

где Т — период между импульсами;

— длительность импульса.

Процесс измерения высоты радиовысотомером импульсного действия сводится к следующему. Приемная антенна принимает два последовательных импульса — прямой и отраженный от Зем­ли. Оба импульса усиливаются и подаются на катодно-лучевую трубку, где воздействуют на электронный луч с круговой разверт­кой (рис. 11.6).

Если движение луча по окружности от нулевой отметки шка­лы будет начинаться в момент времени прихода прямого импуль­са, а во время прихода отраженного импульса электронный луч получит радиальный всплеск, то угловое положение, а этого всплеска будет пропорциональным измеряемой высоте:

,

где -чувствительность прибора;

— угловая скорость развертки электронного луча.

Чувствительность 5 и соответственно точность отсчета пока­заний можно увеличить путем увеличения скорости развертки . Однако при слишком большой скорости луч может совершить несколько оборотов до момента прихода отраженного импульса и возникнет неопределенность показаний, связанная с незнани­ем количества оборотов, сделанных лучом.

Получение однозначных показаний достигается переключени­ем диапазонов: при-малой скорости развертки производится гру­бый отсчет высоты, а при большой скорости делается точный от­счет’.

Погрешности радиовысотомеров импульсного действия скла­дываются из погрешностей от радиопомех и погрешностей от не­постоянства угловой скорости развертки.

Радиовысотомер импульсного изучения непригоден для отсче­та очень малых высот (при посадке самолета), так как он обла­дает сравнительно большой зоной нечувствительности, обуслов­ленной тем, что на малых высотах время соизмеримо с дли­тельностью импульса , из-за чего прямой и отраженный им­пульсы сливаются, и их не удается различить друг от друга.

Источник

Методы измерения высоты полета

Известны следующие методы измерения высоты полета: барометрический, радиотехнический, инерциальный, ионизационный и т.д.

Барометрический метод основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. В этом методе измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления с помощью барометра.

Радиотехнический метод определения высоты основан на измерении промежутка времени прохождения радиосигналом пути от самолета до земли и обратно до самолета. На этом же принципе измерения времени прохождения отраженным лучом основаны оптические методы измерения высоты.

Инерциальный метод измерения высоты полета основан на измерении вертикальных ускорений самолета и двойном интегрировании этих сигналов.

Ионизационный метод измерения высоты полета основан на зависимости ионосферной ионизации атмосферы от расстояния до Земли.

На высотах 20 – 80 км степень ионизации воздуха возрастает с увеличением высоты.

Наибольшее распространение получили барометрический и радиотехнический методы. Перспективными являются приборы, основанные на комплексировании барометрического, радиотехнического и инерционного методов измерения высоты.

Барометрический метод измерения высоты полета базируется на зависимости абсолютного давления р от высоты Н, т. е.p = f₁(H).

При увеличении высоты атмосферное давление уменьшается. До высоты Н=11000 м оно изменяется по следующему закону, подтверждаемому многолетними наблюдениями:

где Р_о, Т_о – средние значения давления и температуры, применяемые равными:

Р_о=760 мм. рт. ст.;

Т_о=15 о С (288 о К);

τ = 6,5 10 -3 град/м –температурный градиент;

R = 29,27 м/град –газовая постоянная.

Эта формула называется стандартной барометрической, т.к. устанавливает зависимость p = f(H)для стандартной атмосферы, характеризуемой постоянными значениямиР_о, Т_о, τи R.Если эту зависимость решить относительно Н, то получается формула, называемая гипсометрической:

Эти две зависимости справедливы до высоты 11 км. Для высот более 11 км при выводе барометрической и гипсометрической формул температура воздуха считается постоянной и равной Т = 216,66 о К (– 56,6 о С), т.е. τ = 0. Стандартные барометрическая и гипсометрическая формулы для Н > 11 км принимают вид

На высотах от11 до 33 км средняя температура остается неизменной, а на Н > 33 км, начинает резко возрастать, и указанные формулы становятся неточными.

Радиотехнический метод измерения высоты полета (называют также радиоволновым или радиолокационным) основан на отражении радиоволн от земной поверхности. Устройства, построенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами.

Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рис. 9.5,аиб).

Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приведена на рис. 9.5, а. Антенна А₁радиопередатчика, установленного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к самолету. Антенна А₂радиоприемника, также находящегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А₁,так и отраженные от Земли радиоволны.

Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения является частотная модуляция излучаемых колебаний.

На рис. 9.7 приведен график изменения во времени частоты f₁ излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f₂ отраженных колебаний (пунктирная линия).

Линия частот f₂ сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f₁ на величину τ вследствие того, что в каждый момент времени частота отраженного сигнала отличается от частоты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты прямого излучения за время т прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.

Рис. 9.5. Блок-схема радиовысотомеров:

а) – непрерывного действия;б) – импульсного действия

где t₁– время прохождения радиоволн прямого излучения от антенны передатчика до приемной антенны; t₂– время прохождения радиоволн от передатчика до Земли и обратно до приемной антенны.

В соответствии с рис. 9.6

где l – расстояние между передающей и приемной антенной;

Н– истинная высота полета;

с = 3·10 8 м/сек– скорость распространения радиоволн.

Разность частот F =f₁– f₂, выделяемая в детекторе низкой частоты и измеряемая частотомером, служит мерой истинной высоты полета.

Рис. 9.7. График изменения частоты колебаний в радиовысотомере непрерывного излучения а – зависимость частот f1и f2 от времени; б – зависимость разности частот от времени

Рис. 9.6. Схема прохождения прямых

И отраженных радиоволн

Для определения зависимости Fот Нзапишем уравнение отрезков ломаных линий, характеризующих закон измерения частот f₁и f₂ (см. рис.9.7)

Поскольку Н >> l, то можно пренебречь в числителе l ,по сравнению с 2Н, и тогда

Чувствительность тем больше, чем больше среднее значение частоты f_о и чем больше коэффициент а,характеризующий глубину модуляции частоты.

Величина среднего значения частоты равна f_о = 400 ÷ 600 МГц, а амплитуда изменения частоты равна ±0,5% от среднего значения при диапазоне измеряемых высот от 0 до 1500 м.

При посадке самолета прибор переключается на малый диапазон (от 0 до 150 м), при этом амплитуда модуляции частоты увеличивается в 10 раз – до ±5% от среднего значения частоты.

К основным погрешностям радиовысотомера непрерывного действия относятся:

а) погрешности от помех приемопередающего радиотракта, искажающие принимаемый сигнал;

б) погрешности от нестабильности параметровf ₀ и а, вызывающие изменение чувствительности S, а следовательно, и масштаб измерения.

С увеличением высоты полета мощность отраженного сигнала резко падает, и он становится трудноразличимым на фоне радиопомех

Интенсивность полезного сигнала можно увеличить за счет повышения мощности радиопередатчика, однако его потребная мощность увеличивается пропорционально 4-й степени увеличения высоты. Например, для увеличения диапазона радиовысотомера непрерывного изучения с 1500 до 15000 м,мощность радиопередатчика пришлось бы увеличить в 10000 раз.

Измерение больших высот полета осуществляется радиовысотомером импульсного действия, работающего как радиолокатор. Радиовысотомер (см. рис. 9.5,б) содержит приемник и передатчик, причем излучение радиоволн производится не непрерывно, а дискретно (импульсами), в течение очень коротких интервалов времени, разделенных значительно более длительными паузами.

Соотношение между мгновенной мощностью Р_ИМП, излучаемой в пространстве в импульсе и средней мощностью Р_СР передатчика равно

где Т– период между импульсами;

τ_О – длительность импульса.

Если, например, Т=1 м/сек,аτ_О = 1 мксек,тоТ/ τ_О = 1000 и, следовательно, мгновенная мощность в импульсе будет в 1000 раз превышать среднюю мощность радиопередатчика.

Процесс измерения высоты радиовысотомером импульсного действия сводится к следующему. Приемная антенна принимает два последовательных импульса – прямой и отраженный от Земли. Оба импульса усиливаются и подаются на катодно-лучевую трубку, где воздействуют на электронный луч с круговой разверткой.

Если движение луча по окружности от нулевой отметки шкалы будет начинаться в момент времени прихода прямого импульса, а во время прихода отраженного импульса электронный луч получит радиальный всплеск, то угловое положение α этого всплеска будет пропорциональным измеряемой высоте:

где S = – чувствительность прибора;

Ω – угловая скорость развертки электронного луча.

Чувствительность S и соответственно точность отсчета показаний можно увеличить путем увеличения скорости развертки Ω. Однако при слишком большой скорости луч может совершить несколько оборотов до момента прихода отраженного импульса и возникнет неопределенность показаний, связанная с незнанием количества оборотов, сделанных лучом.

Получение однозначных показаний достигается переключением диапазонов: при малой скорости развертки производится грубый отсчет высоты, а при большой скорости делается точный отсчет.

Погрешности радиовысотомеров импульсного действия складываются из погрешностей от радиопомех и погрешностей от непостоянства угловой скорости развертки.

Радиовысотомер импульсного изучения непригоден для отсчета очень малых высот (при посадке самолета), так как он обладает сравнительно большой зоной нечувствительности, обусловленной тем, что на малых высотах время τ соизмеримо с длительностью импульса τ_О, из-за чего прямой и отраженный импульсы сливаются и их не удается различить друг от друга.

Источник