§ 17.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА МНОГОЛУЧЕВЫМИ СИСТЕМАМИ

Измерители вектора скорости ЛA делят на самолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряются продольная и поперечная составляющие вектора скорости, т. е. путевая скорость и угол сноса, тогда как вертолетные ДИСС позволяют измерять и вертикальную составляющую скорости. Кроме того, в вертолетных измерителях заранее не известен знак путевой скорости, а ее значение может быть и равно нулю в режиме зависания. Отличаются также максимальные значения измеряемых скоростей, которые для самолетных измерителей могут достигать 4000 км/ч, а высоты полета — десятков километров, в то время как для вертолетных максимальные скорости и высоты в несколько раз меньше. Однако объем выходных данных вертолетных измерителей может быть существенно больше из-за необходимости измерения полного вектора скорости. Заметим, что вертолетные измерители применяются также для обеспечения мягкой посадки КА, а самолетные ДИСС — для управления крылатыми ракетами и экранопланами.

В состав измерителя вектора скорости, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 17.4, входят антенное устройство, формирующее три или четыре луча, приемопередатчик, устройство обработки сигналов, вычислитель составляющих скорости и устройство отображения. Обычно данные ДИСС непосредственно вводятся в систему автоматического управления ЛА.

Рис. 17.4

Рассмотрим принцип действия многолучевых ДИСС для горизонтального полета самолета, при котором вектор W всегда направлен вперед, а вертикальная составляющая скорости отсутствует. Для того чтобы понять необходимость использования трех или четырех лучей, изучим сначала двухлучевые системы. На рис. 17.5 дано расположение лучей односторонней двухлучевой системы.

При измерении путевой скорости и угла сноса антенная система поворачивается до совмещения спектров сигналов на выходе каналов приемника, соответствующих двум лучам антенны. При этом ось симетрии лучей совмещена с вектором W, а угол между этой осью и осью самолета равен углу сноса . Из рисунка видно, что точность двухлучевой системы выше, чем однолучевой, так как при повороте антенны лучи пересекают линии равных частот под углом, близким к прямому, а это обеспечивает большую чувствительность системы.

Если обозначить угол между осями диаграмм и в горизонтальной плоскости , то доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых по направлениям осей диаграмм и ,

а разностная частота

Рис. 17.5

Рис. 17.6

Если при измерении равенство частот И установлено неточно и их разность, отличаясь от нуля, составляет , то это приводит к погрешности в определении угла сноса . Так как ее значение обычно невелико, то можно принять

При относительной погрешности измерения частоты, равной 0,01, погрешность определения угла сноса (), т. е. примерно в 30 раз меньше, чем у однолучевой системы (при ). Однако погрешность в измерении путевой скорости при неточном знании угла облучения (из-за крена) остается примерно такой же, как в однолучевой системе.

Точность измерения путевой скорости значительно повышается при использовании двусторонних систем, имеющих лучи, направленные вперед и назад (рис. 17.6). В этом случае доплеровские частоты в первом и втором каналах

а их разность

Предположим, что угол облучения установлен с погрешностью . Тогда

Отклонение разностной частоты от ее максимального значения составляет . Отсюда . Следовательно,

(17.9)

Таким образом, каждый градус погрешности в установке угла облучения приводит к погрешности при измерении W порядка 0,00015, т. е. существенно меньшей, чем в односторонней двухлучевой системе. Однако погрешности оценки угла сноса остаются почти такими же, как и однолучевой системы.

Очевидно, что одновременное повышение точности измерения путевой и угла сноса достигается при использовании в системе трех или четырех лучей.

Если накрест лежащие лучи антенны () четырехлучевой системы (рис. 17.7) расположены в одной вертикальной плоскости, то, например, для пары и

(17.10)

На выходе приемника выделяется сигнал разностной частоты , который в силу условия

(17.11)

Аналогично, для второй пары антенн и

(17.12)

При совмещении оси антенной системы с вектором

Рис. 17.7

Таким образом, добившись поворотом антенной системы равенства разностных частот, можно определить угол сноса по положению оси антенной системы относительно оси самолета, а путевую скорость — по измеренной разностной частоте.

При неподвижной относительно оси самолета антенной системе значения W и находят с помощью вычислительного устройства путем решения уравнений (17.11) и (17.12) с учетом того, что

Четырехлучевая система сочетает преимущества односторонней и двусторонней двухлучевых систем, заключающиеся в уменьшении погрешностей из-за продольного и поперечного кренов, поскольку их влияние практически компенсируется при вычитании доплеровских смещений противоположно направленных лучей. Сохраняется и высокая чувствительность к изменению доплеровского смещения при отклонении оси самолета в горизонтальной плоскости, что позволяет найти угол сноса или поперечную составляющую скорости с высокой точностью. Большим достоинством системы является также снижение требований к кратковременной стабильности частоты, поскольку взаимодействующие сигналы каналов приходят примерно с равных расстояний и для пары и и их временной сдвиг , определяющий требования к стабильности частоты , мал. Практически такие же результаты могут быть получены и при использовании в системе трех лучей.

При анализе точности различных методов измерения W и доплеровский сигнал представляют в виде колебания единственной частоты, тогда как фактически принимаемый сигнал содержит целый спектр доплеровских частот, что было показано ранее. Это вносит дополнительные погрешности в работу ДИСС.