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 § 11.3 и 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.

следовательно,

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):

.

Разность частот

.

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.

Акустический метод

Акустический метод измерения высоты полета аналогичен радиоволновому, но отличается лишь тем, что вместо электро­магнитных колебаний генерируются на самолете и отражаются от Земли звуковые колебания. Основанный на этом принципе действия акустический высотомер состоит из источника звука А₁ и приемника звука А₂, расположенных на самолете на расстоянии l друг от друга аналогично приемной и передающей антенне ра­диовысотомера (см. рис. 11.3).

Время прохождения звукового сигнала от самолета до Земли и обратно после его отражения зависит от скорости движения

самолета (рис. 11.7):

,

где — ско­рость распространения звука в воздухе в м/сек;

к — постоянная адиабаты, равная для воздуха 1,4;

R — газовая постоянная (R =29,27 м/град);

Т — абсолютная температура воздуха в °К;

V — скорость полета в м\сек.

Прямой сигнал может быть передан от источника звука к приемнику звука не по воздуху, а по проводам (непосредственно от электрического генератора звуковых колебаний). В этом слу­чае время прохождения прямого сигнала сек.

Интервал времени между приемом прямого и отраженного сигналов

.

Учитывая, что время t₁ пренебрежимо мало по сравнению с t₂, получим

сек.

Измеряя интервал времени , можно определить высоту по­лета, для чего принимаемые звуковые сигналы нужно преобразо­вать в электрические.

Способы измерения т могут быть такими же, как и в радио­высотомерах, к ним относят: способ частотной модуляции излу­чаемых звуковых колебаний с выделением разности частот пря­мых и отраженных сигналов или же способ, основанный на им­пульсном излучении звука с определением расстояния между прямым и отраженным импульсом на катодно-лучевой трубке.

Акустическому высотомеру присущи следующие методические погрешности, которые отсутствуют у радиовысотомеров:

а) температурная погрешность, обусловленная тем, что ско­рость распространения звука в воздухе пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры; эта погрешность из­меняет чувствительность прибора (масштаб измерения); темпе­ратурная погрешность может быть уменьшена путем измерения температуры окружающего воздуха и введением в прибор схемы температурной компенсации;

б) скоростная погрешность, обусловленная тем, что время про­хождения звукового сигнала от самолета до Земли и обратно за­висит от скорости движения летательного аппарата (11.4). При скорости полета, превышающей скорость звука, отраженный сиг­нал вообще никогда не вернется на самолет, из-за чего акусти­ческий метод измерения высоты неприменим при полете со сверх­звуковой скоростью;

в) погрешность от помех, создаваемых шумом авиадвигателя; относительная величина этой погрешности возрастает с увеличе­нием высоты, поскольку при этом уменьшается мощность отра­женного сигнала.

4. Оптический метод [9]

Оптический метод измерения высоты полета аналогичен ра­диоволновому и основан на отражении от Земли светового луча. Передатчиком служит оптический квантовый генератор (лазер), приемником — фотоэлемент. Соотношение, определяющее вре­менной интервал между приемом прямого и отраженного сиг­налов, полученное для радиовысотомеров, остается в силе и для лазерного высотомера.

Другой вариант оптического метода основан на измерении вертикальных углов земных ориентиров (вертикальный угол — это угол между направлением на земной ориентир и вертикалью). Если с помощью оптического визира измерить вертикальный угол некоторого ориентира, лежащего на линии полета на зара­нее известном расстоянии s, то высота полета может быть вычислена по формуле . Этот метод применим в основном для контроля других типов высотомеров во время полета.

5. Инерциальный метод [13]

Инерциальный метод измерения высоты полета основан на двойном интегрировании вертикального ускорения летательного аппарата. Высотомер, построенный по этому принципу, состоит из акселерометра (датчика линейных ускорений) и интегриру­ющего устройства. Ось чувствительности акселерометра ориен­тирована по направлению земной вертикали с помощью гиростабилизированной платформы. Сигнал акселерометра пропорцио­нален алгебраической сумме вертикального ускорения и уско­рения силы тяжести g:

.

Для исключения погрешности, вызванной интегрированием ускорения силы тяжести, на вход интегрирующего устройства необходимо подавать разность

где u₂ = Kg — постоянный сигнал, компенсирующий влияние силы

тяжести.

При этом сигнал на выходе интегрирующего устройства (после двойного интегрирования) будет

,

где Н₀ — высота, соответствующая началу интегрирования.

Если интегрирование начинается в момент взлета (Н₀ = 0), то сигнал инерциального высотомера будет пропорционален от­носительной высоте полета (относительно места взлета).

Погрешности инерциальцого высотомера складываются из по­грешностей акселерометра (в том числе погрешностей из-за не­точной ориентации оси его чувствительности по вертикали), погрешностей от неточной компенсации силы тяжести и погреш­ностей интегрирующего устройства. Основным недостатком мето­да является нарастание погрешности с течением времени (посто­янная погрешность на входе интегратора дважды интегрируется и погрешность на выходе интегратора возрастает пропорциональ­но квадрату времени). Поэтому для реализации инерциального метода необходимы прецизионные устройства.

В результате сопоставления рассмотренных методов можно установить, что истинную высоту полета измеряют радиовысото­меры, акустические и оптические высотомеры, т. е. высотомеры, основанные на свойствах земной поверхности отражать волновые колебания; инерциальный высотомер измеряет относительную вы­соту Н_отн, а барометрический высотомер — барометрическую вы­соту Н_бар.

Акустический и оптический методы практически не использу­ются на летательных аппаратах: акустический метод принципи­ально неприменим на сверхзвуковых скоростях полета, а на до­звуковых он не нашел применения из-за больших погрешностей, однако не исключена возможность его использования для по­строения посадочного прибора; оптический метод пока еще не получил практического применения, но не исключено его исполь­зование по мере развития конструкций оптических квантовых ге­нераторов.

Основное применение на летательных аппаратах нашли баро­метрический, радиотехнический и в меньшей степени инерциаль­ный методы измерения высоты полета. Область применения инер­циального метода ограничена летательными аппаратами кратко­временного действия из-за нарастания с течением времени по­грешностей измерения высоты.

Ниже излагаются теория и особенности конструкции баромет­рических высотомеров.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: