Самолётный радиовысотомер больших высот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Пояснительная записка

к курсовой работе по Радиотехническим системам

на тему: «Самолётный радиовысотомер больших высот»

Факультет: РЭФ

Студент: Беляцкий Ю.П.

Новосибирск 2002

1. Техническое задание

Самолётный радиовысотомер больших высот.

Минимальная высота полёта Hmin=150м

Максимальная высота полёта Hmax=15км

Среднеквадратичная ошибка измерения высоты Н =50м

2. Анализ технического задания

При решении задач навигации пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов наряду с радионавигационными системами, базирующиеся на наземные станции, все больше находят применения автономные средства радионавигации, для которых характерно размещение всей используемой радиоаппаратуры на борту летящего объекта и независимость их работы от каких-либо наземных устройств.

В автономных радиолокационных станциях необходимая навигационная информация получается в результате обработки отражённых от земной поверхности сигналов бортового передатчика.

Измерение текущих значений истиной высоты полёта самолёта, вертолёта или ракеты относительно поверхности земли имеет важное значение при решении задач навигации, бомбометания, аэрофотосъёмка, слепой посадки и многих других. В настоящее время наиболее точным и надёжным прибором для измерения истиной высоты полёта является бортовой радиовысотомер. Радиовысотомеры больших высот могут работать как при импульсном, так и при непрерывном излучении радиоволн.

3. Выбор оптимальной рабочей длины волны РТС

Выбор оптимальной рабочей длины волны () сделаем, учитывая потери в дожде и кислороде, а именно из графиков [2.стр 154].

=3….6см.- выбираем 3 см, исходя из графиков на этой длине волны радиолокационная система получается наименее энергоёмкая, т.к. на этой волне потере в дожде и кислороде равны и составляют 0,0075 дБ/км.

Рис. 1

4. Выбор и обоснование методов измерения высоты

Измерение высоты и вертикальной скорости объектов необходимо для решения таких задач, как пилотирование самолётов, дистанционная съёмка рельефа местности, определение текущей высоты.

Основными тактическими характеристиками радиовысотомеров (РВ) являются пределы и точность измерения высоты и вертикальной скорости. Одним из основных требований к РВ является сохранение заданной точности при различных эволюциях летательного аппарата. Возникающие при этом погрешности измерения можно устранить гиростабилизацией антенной системы РВ. Такой способ дорог и используется редко. Построение и характеристики РВ определяются видом излучаемых (зондирующих) сигналов.

Непрерывное излучение с ЧМ используют в РВ малых и средних высот. Импульсное излучение с малой и большой скважностью применяют в основном в РВ больших высот.

Специфика отражения радиосигналов в СВЧ-диапазоне от протяжённой поверхности со случайным рельефом заключается в том, что радиосигнал на входе радиоприёмника является результатом сложения большого числа элементарных сигналов. Эти сигналы создаются при отражении от множества «блестящих точек», расположенных случайно в пределах площади, облучаемой антенной. В пределах этой площади существует участок, дающий наибольший вклад в результирующий сигнал. Такой участок называют эффективным центром отражения. В РВ важно добиться равномерного отражения от все облучаемой площади, так как иначе затрудняется усреднение результатов измерений.

Наиболее эффективный путь повышения точности и надёжности измерения высоты заключается в комплексировании РВ с барометрическим высотомером и измерителем вертикальной составляющей ускорения.

Частотный метод позволяет при малой пиковой мощности излучаемого сигнала получить высокую точность и разрешающую способность по дальности. В радиовысотомерах закон модуляции частоты может отличаться от линейного, что упрощает создание аппаратуры.

В радиовысотомере непрерывного излучения для измерения расстояния до земной поверхности используется метод частотной модуляции.

Блок-схема радиовысотомера непрерывного излучения приведена на Рисунке 2.



Рисунок 2- Блок-схема радиовысотомера непрерывного излучения.

Излучаемый вниз передающей антенной (Апер) сигнал ЧМ передатчика ЧМП отражается от земной поверхности и воздействует на приёмную антенну (Апр) вместе с прямым сигналом, наведённым непосредственно от антенны Апер.

В результате взаимодействия этих сигналов в смесителе (См) на выходе его формируется спектр дальномерных частот, который после усиления и ограничения в блоке усилителя-ограничителя (УО) поступает на счётчик частоты (СЧ). Счётчик снабжён цифровым индикатором (Инд).

5. Выбор типа АФУ и расчёт основных параметров

Наиболее узкий спектр дальномерных частот при нормальном облучении земной поверхности, обеспечивающем также минимальные доплеровские смещения спектра и наиболее выгодные энергетические соотношения. В связи с этим в ЧМ РВ используются однолучевые антенные системы с вертикальным направлением оси диаграммы направленности. Использование столь широких диаграмм направленности позволяет простыми средствами обеспечить работу РВ при кренах самолёта, не прибегая к стабилизации антенной системы: жёстко закреплённая антенна с раствором диаграммы направленности порядка =60⁰-70⁰ обеспечивает правильные показания РВ при кренах до 60⁰.

Применим антенную решётку из спиральных антенн. Для лучшей развязки передающая и приёмная антенна монтируем в крыльях самолёта на расстоянии нескольких метров друг от друга (Рис. 2).

Расчёт производится из литературы [Л1,стр.254-258].

Длина витка спирали принимается равной длине волны: L==3см

Коэффициент направленного действия равен:

D₀=K_ус где =1

Тогда D₀=200

Длина антенны определяется из выражения:

Шаг спирали находится из условия:

S=0.22=0.83=2,4см

Число витков спирали находится из выражения:

Находим радиус спирали:

Диаметр диска экрана принимается равным:

(0,091.1) =13=3см

Входное сопротивление спирали почти чисто активное и определяется из приближённого выражения [Л1,стр248,(9.15)]:

Расчёт спиральной антенны закончен.

Находим ширину диаграммы направленности на уровне половиной мощности [Л1,стр255,(9.23)]:

Ширина диаграммы направленности вполне устраивает для высотомера.

6. Выбор метода генерации зондирующего сигнала и метода обработки отражённых сигналов

При частотном методе измерения высоты излучается непрерывный сигнал, частота которого f_и изменяется по пилообразному закону. Частота принимаемого сигнала f_пр изменяется по тому же закону, но с запаздыванием =2R/c, разность частот принимаемого и излучаемого сигнала (частота биений) определяется равенством:

Частотомер фиксирует частоту биений за период модуляции.

Из последнего выражения следует, что при измеренной частоте биения высота до земли определяется как:

37.5км

При девиации частоты W=210⁶ Гц

При частоте биений F_б=10кГц

При T_М=100мс

Что удовлетворяет техническому заданию.

Структурная схема частотного дальномера приведена на рисунке 3.

Рисунок 3- Структурная схема дальномера.

Биения формируются в приемнике, на который подаются принимаемый и излучаемый сигнал. После усиления биения поступают на частотомер и затем на индикатор высоты.

Минимальная частота спектра биения, которая может быть зафиксирована спектроанализатором, равна частоте модуляции.

Следовательно минимальная высота, определяемая частотным дальномером равна:



Что удовлетворяет техническому заданию.

В нашей системе измерения высоты в качестве частотомера используют счётчик импульсов, который фиксирует число биений за период модуляции:

Дискретность отсчёта D соответствующая изменению числа биений n на единицу, может быть найдена из соотношения:

.

Разность между фиксируемой анализатором частотой и частотой биений вызывает ошибку измерения дальности. Эта ошибка обусловлена принципом действия частотного дальномера, т.е. является методической. И определяется как:

Что удовлетворяет техническому заданию.

7. Энергетический расчёт РЛС

Рассчитаем коэффициент шума:

N_ш= N_{ш_увч}+ (N_{ш_пч}-1)/K_УВЧ

Учитываются первые два каскада т.к. вносимый коэффициент шума остальных каскадов незначителен.

Из графиков [7 стр. 145] определим значения шумовых температур для наиболее распространенных устройств СВЧ при f₀=1 ГГц.

Рис. 4

Неохлажденный параметрические усилитель Т_ш=130К, зададим K_УВЧ200

N_{ш_увч}=1+T_ш/T₀=1,43

Балансный смеситель Т_ш=1300К, Т₀=300К

N_{ш_пч}=1+T_ш/T₀=5,3

N_ш= N_{ш_увч}+ (N_{ш_пч}-1)/K_УВЧ=1,45

Мощность шума: К=1,3810^-23Дж/К, Т₀=300К, fпр=2W отклонение вправо и влево от центральной частоты

Р_ш=КN_шТ₀fпр= Вт

Определим необходимую мощность излучения.

Поток мощности у земной поверхности отражается от поверхности площадью:[8.стр11]

S_отр=H²tg²_0.5/2= м².

Эффективная поверхность рассеивания:

Коэффициент обратного отражения для необрабатываемой почвы,

для волны длиной 3 см равен:[6,стр162-168] ₀= -20дБ=0,32раз

_ц=₀S_отр= м²

Коэффициент обратного отражения для слабого волнение моря, для волны длиной 3см равен:[6,стр162-168] ₀=-34дБ=0,5раз

_ц=₀S_отр= м²

Определим отношение сигнал/шум:

_f=4W_н/CT_M= Гц

Tэ= мс

Тогда отношение сигнал/шум равен:

Находим мощность сигнала приёмника:

Р_с=q²P_ш= Вт

Определяем необходимую мощность передатчика:

В атмосфере будут потери, определяемые потерями при дожде интенсивностью 1мм/ч [2.стр154,рис.5.6,5.7].

_дождь = 0.06 дБ/км (средний дождь).

Учитывая эти данные, получим: потери будут воздействовать только на высоте до 10км

Путь, пройденный равен 20 км и поэтому полное затухание равно:

_max=0.0620=1.2 (по мощности).

Поэтому при дожде интенсивностью 1мм/час мощность передатчика необходимо увеличить в 1,2 раз т.е будет составлять:

Р_пер=871,2=104,4 Вт

8. Расчёт динамического диапазона

Динамический диапазон сигналов зависит от ЭПР поверхностей и высоты.

Пользуясь данными на возможные ЭПР поверхностей :[6,стр1620-168].

Для необрабатываемой почвы, для волны длиной 3см _цмin =571м²

Для слабого волнение моря, для волны длиной 3см _цmax =893м²

D_c=10lg

Это довольно большой динамический диапазон, поэтому ставим на вход логарифмический усилитель.

Проработка цифрового индикатора высоты.

Разность частот принимаемого и излучаемого сигнала (частота биений) связана с высотой равенством:

отношение

При девиации частоты W=210⁶ Гц

При частоте биений F_б=10кГц

При T_М=100мс

Значит время измерения t_изм=0.267 при таком времени измерения F_R будет соответствовать истиной высоте.

9. Анализ результатов

При проектировании РТС параметры выбирались таким образом, чтобы максимально удовлетворить как требованиям технического задания, так и реальным условиям эксплуатации.

Это отразилось на определении длины волны, излучаемой мощности, параметрах антенны, передатчика и приемника.

Разработанный радиовысотомер непрерывного излучения для измерения расстояния до земной поверхности используется метод частотной модуляции, имеет следующие параметры:

Максимальная высота полёта Hmax=37.5км;

Минимальная высота полёта Hmin=37.5м;

Среднеквадратичная ошибка измерения высоты _н=18.75м.

Параметры удовлетворяют техническому заданию.

антенна сигнал индикатор излучение

Список использованной литературы

1. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Москва., «Советское радио», 1972г.

2. Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации. М., `` Советское радио '' 1977 г.

3. Коростелев А.А. и др.; Под ред. Дулевича В.Е. Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. М., `` Советское радио '' 1978 г.

4. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М., `` Советское радио '' 1970 г.

5. Гришин Ю.П., Ипатов В.П. И др., Под ред. Казаринова Ю.М. Радиотехнические системы. М., `` Высш. шк., '' 1990 г.

6. Финкельштейн М. И.Основы радиолокации. М., `` Советское радио '' 1973г.

7. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколкина, М: ``Советское радио'', 79 г. - Т.3.

8. Методические указания. Радиотехнические системы. НГТУ, 83г.

Размещено на Allbest.ru

...