Спосіб визначення дальності від літака до наземної передавальної радіостанції

Способ определения дальности от самолета до наземной передающей радиостанции, заключающийся в том, что излучают радиосигналы в виде радиоимпульсов с наземного радиопередатчика и принимают эти - с * (Ти - To) ' 0, где h a - высота подъема над землей передающей антенны; аэ - эквивалентный радиус Земли; То - длительность импульса передатчика; с - скорость света. Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах управления воздушным движением для вывода самолета в район аэродрома посадки.' Известен способ определения дальности от пассивной двухпозиционной радиотехнической системы с пассивной ретрансляцией до активного подвижного объекта (например, корабля или самолета) [1] І ) х ї 1 +(1 + d2 (h + ha)2 (h Ээ ел о 15197 Этот способ заключается в излучении подвижным объектом регулярных радиосигналов (например, радиоимпульсов), приеме приемным пунктом системы радиосигналов, пришедших прямой волной и волной, отражен- 5 ной от пассивного ретранслятора, и совместной обработке принятых сигналов на центральном пункте обработки информации, территориально совмещенном с приемным пунктом. Эта совместная обработка заключается, 10 например, в измерении времени запаздывания принятых радиоимпульсов относительно друг друга и измерении направления прихода прямой волны от подвижного объекта (например, с помощью узконаправленной 15 приемной антенны). Результатов этих измерений и заранее известной информации о геометрическом расположении на местности приемного пункта и удаленного от него пассивного ретранслятора достаточно для 20 определения дальности от приемного пункта и пассивного ретранслятора до активного подвижного объекта. Недостатком этого способа является то, что для выполнения операции приема сигналов необходимо использовать 25 двухпозиционную систему, разнесенную на местности на значительное расстояние, а также необходимость выполнять технически сложную операцию измерения направления на подвижный объект. 30 Другой недостаток этого способа состоит в необходимости излучения радиосигналов с борта подвижного объекта, что нарушает режим радиомолчания объекта и может привести к его обнаружению и уничтожению 35 противником. Третий недостаток состоит в том, что результаты измерения дальностей (или координат объекта) не будут известны экипажу на борту объекта. 40 Известен также способ измерения дальностей от подвижного объекта (самолета или корабля} до двух приемо-передающих пунктов, разнесенных на местности [1]. Этот запросно-ответный способ может 45 быть использован для определения местоположения подвижного объекта на плоскости с помощью наземной двухпозиционной далъномерной радиотехнической системы. Этот способ заключается в том, что из- 50 лучает запросные радиосигналы с борта подвижного объекта, в двух наземных разнесенных пунктах эти сигналы принимают и автоматически излучают ответные радиосигналы, которые принимают и обрабатывают 55 аппаратурой подвижного объекта. В результате этой обработки определяют дальности от подвижного объекта до наземных пунктов двухпозиционной радиотехнической системы, В такой системе пункт обработки информации находится на борту подвижного объекта и результат определения дальностей будет известен экипажу, что позволяет, например, вывести самолет на аэродром посадки. Недостатком этого способа является то, что на борту объекта необходимо выполнять операцию излучения запросного радиосигнала и иметь соответствующую передающую аппаратуру, что нарушает режим радиомолчания объекта. Другой недостаток способа состоит в том, что на наземных пунктах необходимо выполнять операцию приема запросных сигналов и иметь для этого соответствующую приемную аппаратуру. При этом местные радиопомехи в районе наземных пунктов могут нарушить работу системы. В качестве прототипа выбран известный дальномерный запросно-ответный способ измерения расстояния между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками [2], Способ-прототип заключается в том, что излучают запросный радиосигнал (например, радиоимпульс) с борта подвижного объекта (например, самолета), принимают этот запросный сигнал на наземном приемо-передающем пункте, где формируют и излучают ответный радиосигнал, который далее принимают на борту объекта и там же измеряют время запаздывания запросного и ответного сигналов (радиоимпульсов), а дальность от объекта до наземного пункта определяют как произведение скорости света на половину времени запаздывания. При этом полагается, что время формирования ответного сигнала в наземном ответчике значительно меньше времени запаздывания, Недостатком способа-прототипа является то, что на борту объекта необходимо выполнять операцию излучения запросного сигнала и иметь соответствующую передающую аппаратуру, что нарушает режим радиомолчания объекта. Другой недостаток способа-прототипа состоит в том, что на наземном пункте необходимо выполнять операцию приема запросного сигнала и иметь для этого соответствующую приемную аппаратуру. При этом местные радиопомехи в районе наземного пункта могут нарушить процесс определения дальности, В основу изобретения поставлена задача создания способа определения дальности от самолета до наземной передающей радиостанции, в котором исключают операции излучения запросного сигнала с борта подвижного объекта, а также операцию приема запросного сигнала на наземном пункте и за счет этого повышают надежность способа (исключение нарушения режима ради 15197 омолчания объекта, устранение местных ращей антенной или же высотомер какого-лидиопомех а районе наземного пункта). бо иного типа, не излучающего радиоволны) Поставленная задача решается тем, что и спецвычислитель 7, определяющий горив способе определения дальности от самозонтальную дальность d по поверхности лета до наземной передающей радиостан- 5 земли от самолета до наземного радиопереции, заключающимся в том, что исключают датчика по измеренной длительности имрадиосигналы в виде радиоимпульсов с напульса т ц и высоте полета самопета п, а земного радиопередатчика и принимают эти также заранее известным параметрам радирадиосигналы бортовым радиоприемником осистемы (высоте h a подъема над землей самолета, согласно изобретению, на борту 10 передающей антенны, длительности имсамолета измеряют длительность принятых пульса То передатчика, скорости света С и радиоимпульсов tu и высоту h полета самоэквивалентному радиусу Земли аэ) путем релета над землей с помощью бортового высошения трансцендентного уравнения (1) нэ томера, а горизонтальную дальность с! от интервале дальностей прямой видимости. самолета до наземной передающей радио15 Принцип действия предложенного спостанции определяют по результатам этик соба определения дальности d поясняется измерений путем решения следующего следующим. Радиоволны от передатчика до трансцендентного уравнения: самолета распространяются двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от 20 земли (на чертеже длины лучей этих радио1+(1+f) волн обозначены как п и rz соответственно). (h + ha)2 Эти радиоволны складываются в приемной антенне самолета. Разность хода лучей п - х\ обычно значительно меньше длины луча п . + ha I 1 (1) (h+ha)2' 25 При сложении прямой и отраженной радиоволн в приемной антенне самолета импульсы этих волн накладываются друг на друга. В результате этого наложения длительность результирующего импульса r u принимаемо- С {Tu - To) « 0. 30 го сигнала будет немного больше длительности импульса передатчика г о , так как время где h a - высота подъема над землей передараспространения отраженной от земли волющей антенны, ны немного больше, чем у прямой волны. аэ - эквивалентный радиус Земли, Оценки показывают, что изменение длиТо -длительность импульса передатчика, 35 тельности импульса Тц - То зависит от дальс - скорость света ности а, высоты антенны п а и высоты полета h При этом из способа-прототипа исклюи обычно составляет величину порядка 1 не чают операции излучения запросного сигнапри больших дальностях и малых высотах пола с борта самолета и приема этого сигнала лета и увеличивается до 100 не при малых на наземном пункте. 40 дальностях и больших высотах. Если испольТехническая сущность и принцип дейстзовать передатчик с короткими стабильными вия предложенного способа поясняется радиоимпульсами, имеющими крутой фронт, чертежом, где представлена упрощенная и широкополосный приемник, то указанные структурная схема радиосистемы, реализуюизменения длительности импульса могут щей этот способ, условно показаны сферическая п о в е р х н о с т ь Земли, наземный 45 быть измерены с помощью известной современной измерительной аппаратуры (3). передающий пункт, борт самолета, форма изИзменение длительности импульса г и лучаемых и принимаемых радиоимпульсов, а То определено разностью хода лучей п - п также лучи прямых и отраженных от земли отраженной от земли и прямой радиоволн радиоволн между наземным радиопередат50 (см. чертеж) и связано с этой разностью хода чиком и самолетом. В состав радиосистемы» известным соотношением реализующей предложенный способ, входят следующие элементы: наземный импульсс(Ги- Го)-Г2-Г1, (2) ный радиопередатчик 1 с передающей антенгде с - скорость света. ной 2; бортовой радиоприемник самолета 3 с Соотношение (2) будем использовать даприемной антенной 4; устройство измерения 55 лее для определения горизонтальной дальдлительности принятых приемником радионости а по поверхности сферической земли импульсов 5; бортовой высотомер самолета от самолета до наземного передатчика 6 (например, импульсный радиолокационОбозначим горизонтальную дальность по ный высотомер со своей приемо-передаю o+?: 8 15197 поверхности земли от передатчика до точки О отражения луча через аь и рассмотрим треугольники ДЦПС. ДЦПО. Л ЦОС, показанные на чзртеже. Углы при вершине Ц, совпадающей с центром земного шара, будут /.ПЦС Ь/яь: Z-ПЦО Z-СЦО (d - до)вв, do/сь; (3) где о^ - эквивалентный радиус Земли, равный 8470 км в нормальных условиях атмосферы. Применяя к этим треугольникам известную теорему косинусов, затем математические выражения для дальности Г2, П прямого и отраженного лучей радиоволн, получим + ha)2 + (a s + h) 2 - 2 (а э + ha) (a, + h) C S O +(a 8 2 a, (a, аэ где d - горизонтальная дальность от самолета до передатчика; ha. h - высота подъема над землей передающей антенны и самолета соответственно. Из закона зеркального отражения радиоволн от поверхности известно, что углы Таї+(а8 9 - 2 a» (a e ЦОП и ЦОС рэвны друг другу. Используя это и применяя известную теорему синусов к треугольникам ДПЦОиЛСЦО, а также подставляя выражения (4), (5) в соотношение (2), получим следующую систему двух трансцендентных уравнений с двумя неизвестными дальностями d и do* h)sln d аэ Та! +(а (4) ОЭ -2аэ(а9 аэ 0; (6) Tai + (аэ + bf - 2 аэ (аэ + h) C S O ^ + Та? -f (а a» 9 + bf - 2 а 9 (а9 + h) C S O l(?» + ha)2 +(a 9 +bf - 2 (aa + h a )(a, +h)COS~ - c ( r q - r o ) - 0 : Зэ В общем случае решение этой системы не выражается в аналитическом виде и требуется решать систему численно с помощью спецвычислителя. Однако в двух частных случаях система имеет приближенное аналитическое решение. 2 2 [4h h a - С (Гц -toff -А С (Гц 2с(г и -г 0 ) Taf (h - Па)2 В другом частном случае на сравнительно больших дальностях, когда выполняется a a (h+ h a ) r Y ы 8h + а э (h + ha) Так, на сравнительно малых дальностях, когда можно пренебречь сферичностью земли и выполняется условие d « V 2 Зэ (h a + h) , (8) система (6), (7) имеет следующее приближенное аналитическое решение условие d » h, ha. (10) приближенное аналитическое решение системы (6), (7) будет С 2 (Гц - Г о ) 2 - С (Г и - Г о ) ] Выражения (9), (11) существенно упрощают программу работы спецвычислителя 7 и сокращают время расчета горизонтальной дальности d от самолета до наземного передатчика. В общем случае численное решение системы двух трансцендентных уравнений (6), (9} (11) (7) довольно громоздко и требует значительных затрат машинного времени, так как имеются две неизвестных дальности d и do. Поэтому целесообразно упростить системы уравнений (6), (7) и приближенно свести ее к одному трансцендентному уравнению с одной неизвестной дальностью d. Такая воэ 15197 можность имеется, если использовать следующее приближенное соотношение 10 грешностью иммерения длительности импульса. Для увеличения дальности следует увеличить высоту подъема передающей анd —d тенны и полосу пропускания приемника и (12) уменьшать длительность импульса передатчика, а также повышать точность устройства измерения длительности импульса. Это соотношение точно выполняется, когНаличие нижней границы рабочего инда точка О отражения луча гг от земли нахотервала дальностей объясняется тем, что дится посреди трассы или вблизи конечных точек трассы, а на других участках оно явля- 10 при коротких импульсах передатчика и большой высоте подъема передающей анется приближенным. Проведенные авторатенны время запаздывания отраженного ми оценки показали, что использование от земли сигнала относительно импульса соотношения (12) не приводит к заметным прямой волны может превысить длительпогрешностям определения дальности d. Выражая из (12) do через d, подставляя 15 ность импульса передатчика. При этом импульсы будут приниматься раздельно и результат в уравнение (7), учитывая, что измерение их длительности становится бесаэ » h, ha, и используя известную матемаполезным. тическую формулу для косинуса малого аргумента, получим приближенное трансПредложенный способ, по мнению автоцендентное уравнение (1), которое реко- 20 ров, может быть использован 8 резервной мен дуете я использовать для определения радиотехнической системе управления воздальности d в общем случае путем численнодушным движением для вывода самолета в го решения этого уравнения с помощью район аэродрома посадки в дополнение к спецвычислителя 7 на интервале дальности известной основной запросно-ответной сиспрямой видимости, 25 теме на случай, когда последняя неисправна или подавлена местными радиопомехами. Таким образом, отмеченные выше отлиПредложенный способ позволяет выводить чительные признаки являются существенсамолет на посадку в режиме радиомолчаными и принципиально необходимы для ния борта, чего не может обеспечить протореализации предложенного способа опретип. деления дальности d. 30 Предложенный способ в несколько иной В качестве примера реализации предломодификации может быть использован для женного способа и доказательства возможизмерения дальности самолета от наземноности реализации предложенного способа и го приемного пункта на основе приема на доказательства возможности \ еапизации ниже приводятся оценочные характеристи- 35 этом пункте радиосигналов работающего бортового импульсного радиолокационного ки радиотехнической системы, используювысотомера самолета (например, самолета щей этот способ: противника), если известна высота попета длина волны 30 см; этого самолета. В этом случае наземный педлительность импульса передатчика ть * = «0,1 мке; 40 редатчик и бортовая аппаратура самолета (кроме радиолокационного высотомера) не длительность фронта импульса 1 не; требуются. На наземном приемном пункте погрешность измерения длительности устанавливают приемник, настроенный на импульса не более 3 не; рабочую частоту бортового радиолокационвысота подъема антенны передатчика ного высотомера, устройство измерения над землей h 8 ™ 30 м; 45 длительности и спец вычислить, а дальность полоса пропускания приемника 10 МГц; определяюттэкжеп/тем решения трансценрабочий интервал измерения дальнодентного уравнения (1). стей d - 2h+40h. Указанные технические параметры Таким образом, предложенный способ вполне достижимы для известных соеремен- 50 позволяет определять дальность от самоленых средств радиоэлектроники. та до наземного передающего (или) приемМаксимальная дальность работы систеного пункта. мы ограничена минимально достижимой по 15197 Ьорт самолета Борговой радиоприемник 3 Устройство измерения длительности импульса 5 *0 Спецвычисли і ель Ь Бортовой высотомер 6 Наземный импульсный радиоперед атчик 1 Упорядник ' Замовлення 4171 L Техред М.Моргеитал Коректор М. Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл.( 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101