Способы определения высоты полета

Методы измерения высоты полета

Основными методами измерения высоты полета являются: барометрический и радиотехнический.

Барометрический метод. Этот метод основан на измерении атмосферного давления, закономерно изменяющегося с высотой. С увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Измерив на некоторой высоте давление воздуха, можно определить высоту точки измерения. Атмосферное давление на высоте полета измеряют при помощи анероида, шкала которого проградуирована в единицах высоты. Такой прибор называется барометрическим высотомером. При тарировке шкалы прибора используют следующие условия стандартной атмосферы: p₀ = 760 мм рт. ст. (1013,25 мбар), t₀ = +15°С (Т₀ = 288К), вертикальный температурный градиент t_гр = 0.0065°/м (6.5°/км), ρ₀ = 0.125 кгс·с 2 /м 4 .

Барометрические высотомеры просты по устройству и удобны в использовании, но их недостаток состоит в том, что показания не всегда точны, т.к. зависят от давления и температуры воздуха у земли. Это требует учета их погрешностей. Барометрические высотомеры применяются для выдерживания заданной высоты полета.

Радиотехнический метод. Этот метод основан на использовании закономерностей распространения радиоволн. Радиоволны распространяются с постоянной скоростью и отражаются от различных поверхностей. Используя эти свойства радиоволн, можно определить истинную высоту полета. В радиовысотомерах малых высот (РВ-УМ, РВ-5) используется частотный метод измерения высоты, а в радиовысотомерах больших высот (РВ-18) – импульсный. Радиовысотомеры используются для измерения и контроля истинной высоты полета.

Поверхности отсчета высот

В мировой практике для определения высоты полета с помощью барометрического высотомера используется уровень отсчета MSL (Mean Sea Level) – средний уровень моря, который определяет форму геоида [2].

Рис. 6.1. Поверхности отсчета высот

Высота точки над поверхностью геоида, отсчитанная по направлению отвесной линии, называется ортометрической высотой Н, а по направлению нормали до поверхности земного эллипсоида вращения – геодезической высотой h (рис. 6.1). Так как поверхность эллипсоида и поверхность геоида могут не совпадать, то между h и Н возможна разница в высотах (рис. 6.1), которая называется волной геоида N [2].

В связи с тем, что из-за разности температуры и солености воды в различных частях Мирового океана поверхность геоида не совпадает со средним уровнем Мирового океана, то в некоторых государствах устанавливаются свои пункты начала отсчета высот. Например, в отечественной геодезии и картографии принята Балтийская система высот (система высот 1942 г.), в которой отсчет ведется от нуль-пункта кронштадского футштока, т.е. отсчет высот ведется от некоторой условной поверхности, называемой квазигеоидом. В аэронавигации высота точки над поверхностью квазигеоида, отсчитанная по направлению нормали к поверхности земного эллипсоида, называется абсолютной (нормальной) высотой Нn (см. рис. 6.1). Абсолютную высоту можно рассматривать и как ортометрическую, поскольку разница между ними пренебрежительно мала.

На топографических картах и в документах аэронавигационной информации указаны значения абсолютных (нормальных) высот. Таким образом, в картографии используются абсолютные высоты (нормальные), измеряемые от среднего уровня моря, определенного в соответствующих нуль-пунктах.

В аэронавигации широкое распространение получило измерение высоты точки (воздушного судна) относительно некоторой изобарической поверхности. Например, такой поверхностью может являться изобарическая поверхность, соответствующая давлению 760 мм рт. ст. (1013. 25 мбар), либо давлению на уровне порога взлетно-посадочной полосы (ВПП), либо минимальному приведенному к уровню моря атмосферному давлению по маршруту полета.

Классификация высот полета

Расстояние по вертикали от определенного уровня отсчета до ВС, называется высотой полета. В практике аэронавигации, в зависимости от уровня отсчета, различают следующие высоты: истинную, абсолютную и относительную (рис. 6.2) [8].

Истинная высота (Н_и) – высота, определяемая от точки на земной (водной) поверхности, расположенной непосредственно под ВС, до ВС.

Абсолютная высота (Н_абс) – высота, определяемая относительно уровня моря, выбранного за начало отсчета.

Относительная высота (Н_о) – высота, определяемая от выбранного уровня изобарической поверхности атмосферного давления, установленного на шкале барометрического высотомера. Относительная высота подразделяется на несколько видов:

1. Относительная высота, измеряемая от уровня атмосферного давления на аэродроме (Н_{о аэр}). Она используется в районе аэродрома.

2. Относительная высота, измеряемая от уровня минимального атмосферного давления, приведенного к уровню моря (Н_{о прив}). Она используется при полетах по маршруту ниже нижнего эшелона.

3. Относительная высота, измеряемая от уровня стандартного атмосферного давления (Н_{о 760}). Она используется при полетах по воздушным трассам и в зонах ожидания.

Рис. 6.2. Классификация высот полета от уровня начала отсчета высот

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