Пристрій для визначення дальності від літака до наземного радіопередавача

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах управления воздушным движением для вывода самолета в район аэродрома посадки в сложной помеховой обстановке. Известно запросно-ответное устройство определения дальности от одного объекта (например, самолета) до другого объекта (например, наземной радиостанции) [1]. Это устройство содержит на борту самолета передатчик запросного сигнала (например, радиоимпульса) и приемник ответного сигнала с соответствующими антеннами, а также устройство измерения времени задержки ответного сигнала относительно запросного сигнала. Наземная часть устройства содержит приемник запросного сигнала и передатчик ответного сигнала (например, радиоимпульса) с соответствующими антеннами, а также формирователь ответного сигнала. Самолет излучает запросный сигнал, который принимается на наземном пункте и в ответ излучается ответный сигнал, который принимается на самолете, где измеряют также время запаздывания этих сигналов. Если время формирования ответа значительно меньше времени распространения радиоволны, то дальность определяют как произведение скорости света на половину времени запаздывания. Недостатком этого устройства является то, что на каждом пункте радиолинии необходимо иметь передатчик. Другой недостаток состоит в том, что эта система подвержена воздействию мощных узкополосных прицельных помех, кроме того отражения радиоволн от земной поверхности могут иногда приводить к сбою в работе системы из-за появления интерференционных провалов. В качестве прототипа выбрана пассивная РЛС, в которой дальность измеряется по разности хода прямого и отраженного от земли лучей [2]. Эта РЛС позволяет определять дальность от самолета до источника радиоизлучения (например, до другого самолета с работающим передатчиком или до наземного радиопередатчика), Принцип действия этой РЛС основан на том, что дальность определяют с помощью вычислительного устройства по результатам измерения времени запаздывания сигнала отраженной от земли радиоволны относительно сигнала прямой волны, угла места источника радиоизлучения и высоты полета самолета в соответствии с формулой где - скорость света. Эта бортовая РЛС содержит две приемные антенны с узкими по углу места диаграммами направленности и два приемника, один из которых принимает сигналы прямой радиоволны, а другой сигналы отраженной от земли волны. Разделение этих сигналов осуществляют с помощью узконаправленных приемных антенн. Канал прямой радиоволны состоит из широкополосного детекторного приемника и осуществляет автоматическое измерение направления на источник радиоизлучения методом конического обзора, В канале отраженной радиоволны используется супергетеродинный высокочувствительный приемник и антенна, направленная на землю, для лучшего приема слабого отраженного сигнала. Выходные напряжения каждого из приемников попадают на измеритель времени задержки. Измеренные время задержки а также значение угла места и высоты полета вводятся в вычислительное устройство, вычисляющее наклонную дальность от самолета до источника радиоизлучения по формуле (1). При этом высоту полета измеряют бортовым высотомером, который также входит в состав прототипа. Недостатком прототипа является то, что он не сможет определять дальность, когда она значительно больше высоты полета и источника радиоизлучения, так как в этом случае различить сигналы прямой и отраженной от земли радиоволн с помощью узконаправленных антенн и измерить время запаздывания этих сигналов практически не удается. Другим недостатком этого прототипа является то, что на борту самолета необходимо иметь две приемные антенны и два приемника. Третий недостаток в том, что РЛС - прототип подтверждена воздействию узкополосных прицельных радиопомех на частоте измеряемого источника радиоизлучения. В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство для определения дальности от самолета до наземного радиопередатчика в котором новое выполнение наземного радиопередатчика с передающей антенной и бортового радиоприемника с приемной антенной, позволило определить дальность, значительно большую высоты полета и источника радиоизлучения, используя одну приемную антенну и один приемник, не подверженные воздействию узкополосных прицельных радиопомех на частоте измеряемого источника радиоизлучения. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения дальности от самолета до наземного радиопередатчика, содержащем источник радиоизлучения (наземный передатчик с передающей антенной), бортовой радиоприемник с приемной антенной, измеритель времени задержки, измеряющий время запаздывания сигнала отраженной от земли радиоволны относительно сигнала прямой волны, вычислительное устройство и бортовой высотомер, предусмотрены следующие отличия: наземный радиопередатчик с передающей антенной и бортовой радиоприемник с приемной антенной выполнены для соответствующего излучения и приема несинусоидальных радиосигналов в виде очень коротких (не более 1нс) видеоимпульсов, на выходе бортового радиоприемника установлены два пороговых устройства, выходы которого связаны с измерителем времени задержки, а входы подключены параллельно с инверсией полярности к выходу приемника, вычислительное устройство выполнено для вычисления горизонтальной дальности по поверхности земли от самолета до наземного радиопередатчика путем решения на интервале дальности прямой видимости следующего трансцендентного уравнения 1нс) видеоимпульсов. Способы и устройства для генерирования излучения таких радиосигналов известны и описаны в литературе [3]. Время запаздывания (или задержки) сигнала отраженной от земли волны относительно сигнала прямой волны определено разностью длин лучей эти х волн в соответствии с известным соотношением где где - высота подъема над землей передающей антенны; - измеренная бортовым высотомером высота полета самолета; - время задержки сигнала отраженной от земли радиоволны относительно сигнала прямой волны; - эквивалентный радиус Земли; - скорость света. При этом детекторный радиоприемник СО сканируемой приемной антенной, устройством управления этой антенной и измерителем угла места источника радиоизлучения из свойства прототипа исключены. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом (фиг.), где представлена упрощенная структурная схема этого устройства, условно показаны сферическая поверхность Земли, наземный передатчик и передающей антенной, борт самолета, форма излучаемых и принимаемых импульсных сигналов, а также лучи прямых и отраженных от земли радиоволн между передающей антенной и самолетом. В состав предложенного устройства входят следующие элементы; наземный радиопередатчик 1 несинусоидального импульсного сигнала с передающей антенной 2; бортовой радиоприемник 3 с приемной антенной 4; два одинаковых пороговых устройства 5 и 6, разделяющих импульсные сигналы прямой и отраженной от земли радиоволн и подключенных параллельно к выходу радиоприемника 3 с противоположной полярностью входов эти х устройств; измеритель времени задержки 7, измеряющий время запаздывания импульсного сигнала отраженной от земли радиоволны относительно импульсного сигнала прямой волны; бортовой высотомер 8 (например, импульсный радиолокационный высотомер со своей приемно-передающей антенной или же высотомер какого-либо иного типа, не излучающего радиоволны) и вычислительное устройство 9, вычисляющее горизонтальную дальность по поверхности земли от самолета до наземного радиопередатчика по измеренным значениям времени задержки и высоты полета самолета а также заранее известным параметрам (высота подъема над землей передающей антенны, эквивалентному радиусу Земли и скорости света ) путем решения трансцендентного уравнения (2). Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Наземный передатчик 1 с передающей антенной 2 бортовой радиоприемник 3 с приемной антенной 4 выполнены для излучения и приема несинусоидальных радиоимпульсов в виде очень коротких (не более - скорость света; - длины лучей прямой и отраженной от земли радиоволн соответственно. Время запаздывания зачастую превышает 1нс (особенно при больших значениях высот самолета и передающей антенны) и будет больше длительности импульсного сигнала передатчика. Поэтому импульсы сигнала прямой и отраженной от земли радиоволн будут приняты бортовым приемником 3 с приемной антенной 4 в разное время и не будут накладываться друг на друга. Из принципа изменения полярности [3] известно, что импульсы сигнала отраженной от земли радиоволны будут иметь полярность, противоположную полярности импульсов прямой радиоволны. Это экспериментально доказанное устройство несинусоидальных сигналов позволяет разделить импульсы прямой и отраженной радиоволн на выходе радиоприемников 3 с помощью широкополосных пороговых устройств 5, 6, входы которых подключены к выходу бортового радиоприемника 3 в противоположной полярности. Для этого не требуется использовать приемную антенну с узкой диаграммой направленности. Поэтому антенны 2, 4 предложенного устройства могут иметь широкие по углу места диаграммы направленности, что существенно упрощает конструкцию этих антенн. Измерение времени запаздывания разделенных коротких импульсов, прямого и отраженного сигналов с помощью измерителя времени задержки 7 технических затруднений не вызывает. Время запаздывания содержит информацию о горизонтальной дальности по поверхности земли от самолета до наземного радиопередатчика. Для нахождения связи времени запаздывания с дальностью будем использовать далее соотношение (3), Обозначим горизонтальную дальность по поверхности земли от передатчика до точки отражения луча через и рассмотрим треугольники показанные на фиг.1. Углы при вершине совпадающие с центром земного шара, будут где - эквивалентный радиус Земли, равный 8470км в нормальных условиях атмосферы. Применяя к этим треугольникам известную теорему косинусов, запишем математические выражения для дальностей прямого и отраженного лучей радиоволн, получим где - горизонтальная дальность от самолета до передатчика; - высота подъема над землей передающей антенны и самолета соответственно. Из закона зеркального отражения радиоволн от поверхности известно, что углы и равны друг другу. Используя это и применяя известную теорему синусов к треугольникам и а также подставляя выражения (5), (6) в соотношение (3), получим следующую систему двух трансцендентных уравнений с двумя неизвестными сальностями и В общем случае решение этой системы не выражается а аналитическом виде и требуется решать систему численно с помощью вычислительного устройства. В общем случае числовое решение системы уравнений (7), (8) довольно громоздко и требует значительных затрат машинного времени, так как имеются две неизвестные дальности и Поэтому целесообразно упростить систему уравнений (7), (8) и приближенно свести ее к одному трансцендентному уравнению с одной неизвестной дальностью Такая возможность имеется, если использовать следующее приближенное соотношение Это соотношение точно выполняется, когда точка отражения луча от земли находится среди трассы или вблизи конечных точек трассы, а на других участках оно является приближенным. Проведенные авторами оценки показали, что использование соотношения (9) не приводит к заметным погрешностям определения дальности Выражая из (9) через подставляя результат в уравнение (8), учитывая, что и используя известную математическую формулу для косинуса малого аргумента, получим приближенное трансцендентное уравнение (2), которое рекомендуется использовать для определения дальности путем численного решения этого уравнения с помощью вычислительного устройства 9 на интервале дальности прямой видимости. Таким образом, отмеченные выше отличительные признаки предложенного устройства являются существенными и принципиально необходимы для работы этого устройства. Отмеченные выше элементы структурной схемы предложенного устройства на фиг.1 выполнены следующим образом. Наземный передатчик 1 с передающей антенной 2 и бортовой радиоприемник 3 с приемной антенной 4 выполнены для излучения и приема несинусоидальных радиосигналов в виде очень коротких (не более 1нс) видеоимпульсов. Технология, способы и устройства для построения таких радиоэлектронных систем известны и описаны в литературе [3]. Период следования импульсов передатчика должен быть значительно больше максимально возможного значения времени запаздывания Для увеличения дальности действия предложенного устройства целесообразно, по возможности, увеличить высоту подъема над землей передающей антенны 2. Антенны 2 и 4 могут иметь широкие по углу места диаграммы направленности, что существенно упрощает конструкцию этих антенн. При этом целесообразно использовать горизонтально поляризованные радиоволны, так как они лучше отражаются от земли, чем вертикально поляризованные. Пример конструктивного выполнения излучающего элемента антенны представлен, например, в литературе [З]. Пороговые устройства 5, 6 имеют общественную конструкцию. Они пропускают сигнал на выход, когда уровень сигнала превысит заданный порог, который целесообразно восстановить на уровне шумов приемника. Эти устройства целесообразно выполнить в микроэлектронном исполнении на твердотельной базе и для увеличения широкополосности уменьшить, по возможности,паразитные емкости и индуктивности устройства. Возможно также выполнение этих устройств на базе тонкопленочного джозефсоновского тоннельного перехода [3]. Измеритель времени задержки 7 и бортовой высотомер 8 не отличаются от соответствующи х устройств прототипа. Вычислительное устройство 9 представляет собой микро-ЭВМ, работающую на программе решения трансцендентного уравнения (2). Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 1 с передающей антенной 2 формирует и излучает сверхширокополосный сигнал в виде периодической последовательности очень коротких (не более 1нс) видеоимпульсов. Излучение радиоволны горизонтальной полярности приходит в антенне самолета 4 двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земли. При этом время запаздывания сигнала отраженной от земли радиоволны относительно сигнала прямой волны будет больше длительности импульса, поэтому импульсы этих волн будут принимать в разное время и не будут накладываться друг на друга. В соответствии с принципами измерения полярности импульсы прямой и отраженной волн будут иметь противоположную полярность. Бортовой приемник 3 усиливает принятые антенной 4 импульсные сигналы. Пороговые устройства 5, 6 пропускают сигнал на выход, когда уровень сигнала превысит величину порога. Так как входы этих устройств подключены к приемнику в противоположной полярности, то на выходе одного из этих устройств будут выделены импульсы прямой волны, а на выходе другого - отраженной волны. То есть пороговые устройства 5, 6 разделяют импульсы прямой и отраженной от земли радиоволн. Измеритель времени задержки 7 измеряет время запаздывания импульса отраженной волны относительно импульса прямой волны. Бортовой высотомер 8 измеряет высоту полета Вычислительное устройство 9 вычисляет дальность d от самолета до наземного передатчика 1 по результатам измерений и и заранее известным параметрам путем решения трансцендентного уравнения (2). Важным свойством радиотехнической системы с несинусоидальными сверхширокополосными сигналами является то, что она почти не подвержена воздействию мощных узкополосных помех. Поэтому предложенное устройство сможет работать в сложной помеховой обстановке при наличии таких радиопомех. Предложенное устройство может работать как на малых так и на больших дальностях, когда время запаздывания будет больше длительности импульса. На борту самолета находится только один приемник и бортовой высотомер. Если использовать высотомер, не излучающий радиоволны, то предложенное устройство сможет работать в режиме радиомолчания борта. Предложенное устройство можно использовать в резервной радиотехнической системе управления воздушным движением для вывода самолета в район аэродрома посадки в дополнение к известной запросно-ответной системе на случай, когда последняя будет подавлена прицельными радиопомехами. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано и устраняет отмеченные недостатки прототипа.