Принцип действия ДИСС и основные соотношения для измерения путевой скорости и угла сноса

2.1.1. Принцип действия однолучевой ДИСС

Доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС) летательных аппаратов является автономным доплеровским устройством навигации и управления, призванным обе­спечить прибытие пилотируемого или беспилотного объекта носителя ДИСС к пункту с известными координатами.

В данном пособии изложены принцип действия и структура работы доплеровского измерителя скорости и угла сноса на базе типовой радиосистемы ДИСС-7.

Задача навигации обычно решается в горизонтальной плоскос­ти. Поэтому основной интерес представляет горизонтальная проек­ция скорости самолета, носящая название путевой скорости .

Путевая скорость складывается из двух составляющих:

воздушной скорости , т.е. скорости движения ЛА относительно воздушной среды, и скорости ветра , т.е. скорости движения воздушной среды относительно земли. На­правление вектора воздушной скорости практически совпадает с направлением оси ЛА. Векторы об­разуют так называемый навигационный треугольник (рис. 2.1).

Угол β между направлениями векторов называ­ется углом упреждения или углом сноса.

Наиболее надежным и точным средством измерения β и W является бортовой радиолокатор, работа которого основа­на на использовании эффекта Доплера при отражении излученных бортовым передатчиком радиоволн от земной поверхности. Простейшей схемой измерения при этом является однолучевой доплеровский радиолокатор с наклонным облучением зем­ной поверхности под некоторым углом В (см. рис.2.2).

Положим, что самолет летит строго горизонтально, а ДНА может поворачиваться в горизонтальной плоскости в пределах угла ± ψ.

Так как ДНА имеет конечный раствор, то на поверхности земли облучается площадка значительных размеров, содержащая множество взаимно независимых элементарных отражателей. Поэтому отраженный сигнал по своим свойствам близок к "белому шуму". Он имеет сплошной спектр, огибающая кото­рого соответствует форме ДНА. Зна­чение средней частоты доплеровского спектра для некоторого угла ψ при β =0 определяется величиной проекции вектора путевой скорости на ось ДНА

, (2.1)

где - вектор путевой скорости; λ₀ - длина волны передатчика; B - угол визирования; ψ - угол между горизонтальной проекцией направления излучения и продольной осью самолета.

Значение углов B и ψ ясны из рис. 2.2. Из формулы (2.1) видно, что при B = 90° . Следовательно, облучение земной поверхности всегда должно быть наклонным. Обычно В = 60°...70°.

Если направление полета не совпадает с осью самолета, т.е. существует угол сноса " β ", то выражение (2.1) будет иметь вид

. (2.2)

 

 

Рис. 2.1. Навигационный треугольник

 

 

Ось самолета

W

β

 

Направление излучения

 

B

Ψ

 

 

Рис. 2.2. Однолучевой доплеровский измеритель W и β

 

Однолучевой измеритель работает следующим образом. ДНА поворачивается в горизонтальной плоскости до получения максимального значения , что соответствует β+Ψ =0. При этом положении антенны по значению можно определить и, измеряя угол между фокусной осью антенны и продольной осью самолета, можно определить угол сноса β. Однако, такая сис­тема обладает рядом существенных недостатков. Главные из них следующие.

Как видно из рис. 2.3, наиболее резкая зависимость от угла (β+Ψ) наблюдается при значениях β+Ψ близких к 90°. В области β+Ψ =0 почти не изменяется. Поэтому однолучевые измерители не дают необходимой точности.

Рис. 2.3. Полярная диаграмма зависимости F _дот (β+ψ)

 

При изменении угла (β+Ψ) в обе стороны от нулевого значения изменения доплеровской частоты имеют одинаковые значения. Это обстоятельство делает невозможным построение схемы автоматического измерения скорости и угла сноса.

В однолучевом доплеровском измерителе предъявляются жесткие требования к стабильности частоты передатчика f_прд зa время запаздывания отраженного сигнала t _з (кратковременная стабильность):

 

, (2.3)

 

где (df_прд/dt)_max / f_прд - относительная скорость ухода частоты передатчика; Δ _w = Δ W/W - относительная погрешность определения скорости; t_з –время распространения радиоволн до земной поверхности и обратно.

В однолучевых (двухлучевых) системах сильно зависит от углов крена и тангажа. Так, уже при угле тангажа =1° и угле В =70° относительная ошибка измерения Δ _W будет дости­гать 5%.

В силу перечисленных недостатков однолучевых систем послед­ние не нашли применения.

 

2.1.2. Принцип действия многолучевой ДИСС

Так как вектор скорости летательного аппарата опре­деляется в общем случае проекциями на три некомпланарных (т.е. лежащих не в одной плоскости) направления, то для определения всех трех составляющих необходимо излучать и принимать сигна­лы минимум по трем лучам антенны. Наибольшее применение нашли трех-четырехлучевые системы с , – расположением лучей (см. рис. 2.4). Эти системы свободны от основных недостатков однолучевых систем.

Рассмотрим подробнее принцип действия трехлучевой системы. Значение доплеровского сдвига частоты определяется равенством (см. рис. 2.4)

, (2.4)

 

где W_S - проекция полной скорости летательного аппарата на направление излучения; λ₀ – длина волны излучаемого передатчиком сигнала. Задача измерения полной скорости сводится к вычислению трех ее составляющих W_x, W_y, W_z, полученных по трем лучам антенной системы РЛС 1, 2, 3 (см. рис. 2.4).

В системе координат x, y, z направление излучения S определяется углами γ₀ и δ₀ (рис. 2.4), где γ₀ –угол между направлением продольной оси самолета 0x и направлением излучения S, δ₀ – угол между обратным направлением вертикальной оси самолета 0y и проекцией S_yz направления излучения S на плоскость y0z. Вектор полной скорости можно разложить в самолетной системе координат на три составляющие: W_x, W_y, W_z. Проектируя эти составляющие полной скорости на направление излучения S и суммируя их, получаем

 

(2.5)

 

Подставляя (2.5) в (2.4), получим

(2.6)

Уравнение (2.6) содержит три независимых неизвестных (W_x, W_y, W_z) и значение полной скорости может быть полностью определено по трем независимым уравнениям типа (2.6), полученным по трем некомпланарным лучам антенной системы.

Расположение лучей антенной системы (типа ), как показано на рис. 2.4. Учитывая, что углы визирования лучей антенны равны соответственно δ₀ и γ₀ (здесь угол δ₀ считается положитель­ным). Подставив значение этих углов для каждого из лучей в уравнение (2.6) и заменив δ на δ₀ при условии γ = γ₀, по­лучим систему уравнений для абсолютных значений доплеровских частот по каждому из лучей антенны:

 

Рис. 2.4. Расположение лучей в и системах

 

; (2.7)

; (2.8)

. (2.9)

Используя выражения (2.7), (2.8), (2.9) определяем частоты f_x, f_y, f_z, соответствующие продольной составляющей W_x, верти­кальной составляющей W_y и поперечной составляющей W_z полной скорости ЛА:

; (2.10)

; (2.11)

; (2.12)

откуда получаем соотношения для компонент скорости:

; (2.13)

; (2.14)

; (2.15)

Из геометрии задачи следует, что горизонтальная составляю­щая и угол сноса связаны уравнениями

; (2.16)

; (2.17)

Итак, на первом этапе необходимо измерить величины доплеровских частот и решить уравнения (2.13)-(2.15).