Назначение ДИСС

Методические указания по подготовке к работе

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить зачёт по коллоквиуму. При подготовке к коллоквиуму необходимо изучить принципы построения ДИСС, ознакомиться с составом аппаратуры лабораторной установки и задачами экспериментальных исследований.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает действующий комплект аппаратуры ДИСС, имитатор сигналов и помех (два генератора стандартных сигналов в диапазоне допплеровских частот и генератор шума), измеритель частоты и осциллограф.

Назначение ДИСС

Для решения различных задач навигации летательных аппаратов (ЛА) необходимо знать величину и направление вектора скорости относительно поверхности Земли (или иной планеты). Зная скорость и направление движения, можно управлять полётом ЛА. Кроме того, путём интегрирования составляющих вектора скорости в заданной системе координат можно определить текущие координаты ЛА.

Для определения вектора скорости ЛА широко применяется радиоаппаратура, использующая эффект Допплера. Наиболее часто допплеровские устройства применяются в автономных самолётных системах навигации, обеспечивающих полёт самолёта по заданному маршруту. Обычно такой полёт происходит на постоянной высоте, при этом вертикальная составляющая скорости равна нулю. В этом случае необходимо определять только две составляющие вектора скорости в горизонтальной плоскости или величину горизонтальной скорости и угол сноса. Отсюда и название – допплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС).

В настоящее время ДИСС применяются для решения широкого круга задач. Условно их делят на два типа – самолётные и вертолётные. Вертолётные ДИСС, в отличие от самолётных, определяют полный вектор скорости ЛА, т.е. дополнительно к горизонтальным определяют ещё и вертикальную составляющую вектора скорости.

Указанное деление ДИСС является условным. К примеру, ДИСС самолётного типа используются на экранопланах и судах на воздушной подушке, а «вертолётные» – в системах мягкой посадки космических аппаратов на Луну и Марс. В дальнейшем будем рассматривать самолётные ДИСС.

Введём некоторые понятия, связанные с решением задач навигации при движении самолёта по маршруту (рис. 1).

Линия пути – это проекция траектории ЛА на земную поверхность;

W_п - вектор путевой скорости (горизонтальная составляющая полного вектора скорости ЛА относительно земной поверхности). Путевой скоростью можно назвать также скорость перемещения проекции центра тяжести ЛА вдоль линии пути;

V_г - горизонтальная составляющая вектора воздушной скорости ЛА (относительно масс воздуха);

U_г - горизонтальная составляющая вектора скорости ветра;

a_с - угол сноса – угол в горизонтальной плоскости между проекцией продольной оси самолёта и вектором путевой скорости;

K - курс самолёта – угол в горизонтальной плоскости между северным направлением меридиана и проекцией продольной оси самолёта;

a_п - путевой угол – измеряется в горизонтальной плоскости между направлением на север и направлением вектора путевой скорости;

a_ск – угол аэродинамического скольжения – между горизонтальной проекцией продольной оси самолета и вектором V _г;

a_ВТ – угол сноса ветром – между векторами V _г и W_п.

Положительные направления перечисленных углов – по часовой стрелке.

При полёте самолёта направление движения обычно не совпадает с направлением продольной оси, т.е. путевой угол не равен курсу, и самолёт перемещается в заданном направлении «боком» (рис. 1). Происходит это вследствие двух причин – сноса самолёта ветром и аэродинамического скольжения (проскальзывания самолёта в боковом направлении при крене и в других случаях). В соответствии с этим угол сноса равен

a_с = a_ск + a_ВТ

Ддя тяжёлых скоростных самолётов при полёте по маршруту a_ск @ 0 и может не учитываться, тогда a_с @ a_ВТ. Вектор путевой скорости определяется суммой векторов воздушной скорости и скорости ветра

W_п = V _г + U _г

Три этих вектора образуют так называемый треугольник скоростей. Самолётный ДИСС определяет угол сноса a_с и путевую скорость W_п. Для определения путевого угла необходимо знать также курс K самолёта, поскольку

a_п = K +a_с

При помощи магнитного компаса измеряют магнитный курс К_м. Для перехода к истинному курсу K необходимо внести поправку на магнитное склонение в данной местности

К = К_м + D_м .

К_м измеряется по часовой стрелке между северным направлением магнитного меридиана и горизонтальной проекцией продольной оси самолета; D_м – угол между истинным и магнитным меридианами.

ДИСС и курсовая система, определяющая курс, являются основными датчиками для автономного навигационного устройства самолёта (АНУ). АНУ представляет собой счётно-решающую аппаратуру, которая определяет пройденное расстояние и текущие координаты самолёта. Во время полёта ЛА из-за воздействия дестабилизирующих факторов (например, изменения силы ветра), а также вследствие пилотирования, значения K, a_с и W_п непрерывно изменяются во времени. В АНУ определяются две составляющие вектора путевой скорости в прямоугольной системе координат, у которой ось У направлена на север, а ось Х – на восток

Текущие координаты находят путём интегрирования составляющих вектора скорости

,

где X₀, Y₀ координаты в момент t₀, например, в точке старта.

Пройденное расстояние определяют в результате интегрирования путевой скорости

,

До разработки ДИСС приборов для измерения угла сноса не существовало: он измерялся штурманом косвенным путём с большими погрешностями. В последнее время разработаны также корреляционные измерители путевой скорости и угла сноса, которые успешно конкурируют с ДИСС.

2.2. Частота Допплера при горизонтальном полёте

Будем рассматривать горизонтальный полёт и для простоты считать луч антенны бесконечно узким, направленным в точку А земной поверхности (рис. 2). Найдём зависимость частоты от направления луча. Для этого введём прямоугольную систему координат, связанную с самолётом (ось У совпадает с продольной осью самолёта, ось X направлена вверх, плоскость Х0У совпадает с горизонтальной плоскостью при полёте).

Обозначим a - угол поворота антенны (луча) в плоскости Х0У, отсчитываемый от оси У; b - угол наклона луча относительно плоскости Х0У; g - угол между вектором W_п и направлением луча 0А (в наклонной плоскости).

При отражении сигнала от точки А частота Допплера на входе приёмника ДИСС определяется, как известно, радиальной скоростью самолёта относительно А (скоростью изменения расстояния между самолётом и точкой А)

где W_R – значение радиальной скорости; l - длина волны ДИСС.

Частота Допплера положительна, если самолёт приближается к точке А, и отрицательна, если удаляется.

Радиальную скорость можно найти, если спроектировать век­тор полной скорости самолёта относительно Земли W на направ­ление луча 0А (в плоскости 0АС). Учитывая, что при горизонталь­ном полёте W = W_п, получим W_R = W_пcos g. Можно также спроектировать W_п на 0А в два этапа; вначале в плоскости Х0У на направление 0В (угол a-a_с), а затем – в плоскости 0АВ (угол b)

(1)

Тогда получим

(2)

На рис. 3 и 4 приведены диаграммы ô F_Дô при изменении углов a и b в полярной системе координат. ô F_Дô максимальна, когда луч совпадает с W_П, и F_Д = 0 при повороте луча на 90^о по отношению к W_П.

Наглядное представление о допплеровской частоте при различных положениях луча можно получить, построив для фиксированного момента времени линии равных допплеровских частот на земной поверхности.

Из формулы (2) следует, что F_Д = const при g = const. Поэтому, полагая g постоянным, будем мысленно вращать луч вокруг вектора W_П. При таком вращении луч образует поверхность конуса, ось которого совпадает с W_П (рис. 5). На земной поверхности он прочертит некоторую кривую равных допплеровских частот. Эта кривая будет являться гиперболой, поскольку она образуется как линия пересечения конуса и плоскости (горизонтальной), параллельной оси конуса. Полученную гиперболу называют изодопплеровской, так как она проходит через точки земной поверхности, которым соответствует постоянная частота Допплера при отражении сигналов. При новом g луч прочертит еще одну гиперболу, которой будет соответствовать новое значение F_Д, и т.д.

На рис. 6 изображена сетка изодопплеровских гипербол. По этой сетке можно непосредственно определить F_Д при получении отражённых сигналов от любой точки на земной поверхности. Про­екция вектора W_П на земную поверхность является осью симмет­рии всех гипербол и определяет положение сетки гипербол. Прямая F_Д = 0 является вырожденной гиперболой и соответствует g = 90°. Гиперболы, расположенные симметрично относительно этой прямой, имеют допплеровские частоты, равные по величине, но противоположные по знаку.

В заключение заметим, что при негоризонтальном полёте, когда W ¹ W_П, конус, осью которого всегда является W, займёт иное положение в пространстве. В этом случае изодопплеровскими линиями будут другие кривые второго порядка в зависимости от направления W – окружности, эллипсы или параболы.