25.4, ВОЗДУШНАЯ НАВИГАЦИЯ

25.4.1. Средства допплеровской навигации

Навигация самолета на трассе между аэропортами или в районах, где управление с наземных станций является неэкономичным или непрактичным, должна основываться либо на комбинированных, либо на автономных системах. К последним относятся ряд радиолокационных систем [15, 46, 74, 348], использующих допплеровскую технику. Обратимся к рис. 25.15, а и рассмотрим сначала луч, направленный вперед. Простое обобщение уравнения (25.8) показывает [19], что разница между частотами принятого и переданного сигналов будет равна

Частоту, определяемую выражением (25.12), можно выделить в виде частоты биений при смешивании принятого сигнала с ослабленным излучаемым сигналом. Из рис. 25.15, б видно, что вследствие конечной ширины луча сигнал, приходящий от каждой рассеивающей точки, будет существовать ограниченное время. Результирующий сигнал на выходе приемника представляет собой векторную сумму большого числа сигналов от отдельных рассеивающих точек. Таким образом допплеровский сдвиг частоты не зависит от свойств земной поверхности и высоты самолета.

На рис. 25.15, в изображено семейство гипербол, соответствующих линиям постоянного допплеровского смещения частоты. Если

два антенных луча расположены симметрично относительно направления движения, то отражения от областей А будут иметь одинаковую допплеровскую частоту в обоих лучах. При смещении антенны, например, влево лучи будут отражаться поверхностью земли в областях результате допплеровский сдвиг в правом луче будет больше, нежели в левом.

Рис. 25.15. Самолетная допплеровская навигационная система: а — вид в вертикальной плоскости; б - допплеровский сигнал от дискретной отражающей точки; в - использование для определения угла сноса двух лучей. (См. [74].)

Эту разность частот можно использовать [193] в следящей системе, которая будет ориентировать антенну вдоль направления движения, и таким образом можно определить угол сноса самолета [317]. Полная система навигационных данных определяется комбинированием угла сноса и курса, отсчитываемого по самолетному компасу. Полученные данные вместе с данными наземной скорости вводятся в вычислительное устройство, которое определяет составляющие движения вдоль осей север — юг и восток — запад. Использование антенных лучей направленных [282] вперед и назад, как показано на рис. 25.15, а, позволяет удвоить частоту биений и, вместе с тем, делает систему нечувствительной к

килевой качке; так, при наклоне на 4° ошибка не превышает 0,3%. Другим преимуществом многолучевых систем является то, что они позволяют измерять вертикальные составляющие скорости. Такими свойствами также обладают радиолокационные системы с тремя антенными лучами [121].

Обычные допплеровские системы работают в режиме напрерывного излучения, так как в этом случае вся принимаемая мощность сосредоточена в одной спектральной полосе. Такие системы имеют широкое применение, однако у них есть существенный недостаток: в приемник просачивается часть излучаемой мощности, имеющей фазовую и (или) амплитудную модуляцию, которая смешивается с когерентным напряжением и отраженными сигналами, создавая шумовые помехи [52]; это явление можно устранить введением частотной модуляции [348] или импульсного режима работы, что позволяет исключить сигналы, отраженные от близких препятствий. В последнем случае частота повторения должна по крайней мере вдвое превышать наивысшую допплеровскую частоту, чтобы ни она сама, ни ее комбинации с допплеровским сигналом не давали ложных откликов. Для осуществления когерентности в передатчике применяется импульсный усилитель, возбуждаемый генератором, работающим в непрерывном режиме. Наличие антенных лучей, направленных вперед и назад, позволяет использовать когерентную обработку. Одновременный прием двух последовательностей сигналов при всех условиях можно обеспечить с помощью линейной антенной решетки, сконструированной таким образом, чтобы все точки, освещаемые лучом, давали одинаковую допплеровскую частоту. Во избежание пропадания откликов на некоторых высотах можно применить модуляцию частоты повторения с какой-либо звуковой частотой.

Для допплеровских радиолокаторов отведены полосы частот в диапазонах 8,8 и причем практически большая часть установок [16, 22, 86, 226, 330] работает в первом диапазоне. Для обеспечения достаточного уровня сигнала, отраженного от спокойной водной поверхности, стандартное значение угла наклона луча антенны выбрано равным для борьбы с кратковременными исчезновениями отраженных сигналов во время полета над гладкой поверхностью моря или суши применяются запоминающие устройства. В типичном оборудовании с непрерывным излучением [73] при мощности передатчика коэффициенте шума приемника около 13 дб и усилении антенны около 300 получается отношение допплеровского сигнала к шуму около 9 на высоте над морем при волнении в 1 балл по Бофорту. В более ранней импульсной системе [17] при мощности передатчика около длительности импульса 0,4 мксек и частоте повторения на высоте получается допплеровский сигнал с отношением сигнал/шум 33 56 над сушей и 1,4 дб над морем при волнении в 2 балла по Бофорту. В более современных установках [146, 224] для получения высокой эффективности используются длинные импульсы

при коэффициентах заполнения около 0,5; типичный передатчик имеет мощность при длительностях импульса 4 мксек.

Обычные коммерческие установки весят от 30 до занимают объем около могут работать на высоте до при скоростях относительно земли до и скоростях ветра до Точность измерения составляет 0,2% для скорости относительно земли, 0,2° для угла сноса, 0,2° для направления ветра, для скорости ветра и около 1% для местоположения. Волнение на море н приливы вносят в показания установок всех типов ошибки порядка 0,5%. Анализ характеристик [122] показывает, что допплеровские радиолокационные установки обеспечивают получение точных навигационных данных в различных рабочих условиях [119, 181, 249, 442, 507].