3.2. Доплеровские измерители скорости и угла сноса вс

ДИСС - универсальные и высокоэффективные автономные навигационные приборы. Они отличаются высокой точностью при сравнительно малых массе, габаритных размерах и энергопотреблении. ДИСС входят в состав современных бортовых навигационных комплексов в качестве их элемента, являясь датчиком информации о скорости, удачно дополняющего информацию, получаемую от других радио- и геотехнических средств.

С помощью ДИСС можно также получать информацию о таком опасном метеорологическом явлении, как сдвиг ветра. Сдвигом ветра называется явление быстрого пространственного изменения направления и скорости ветра.Очевидно, что сдвиг ветра представляет опасность, особенно при пилотировании ВС на небольших высотах, и, в частности, при посадке.

О существовании сдвига, ветра можно судить, сопоставляя данные о скорости и направлении ветра у земной поверхности, получаемые на аэродроме, с данными, получаемыми на борту ВС. Если эти данные сильно различаются, то велика вероятность наличия сдвига ветра.Информация о скорости и направлении ветра в точке расположения ВС может быть получена по данным о путевой скорости, поступающим от ДИСС и воздушной скорости от бортового измерителя аэродинамического типа. Информация о скорости ветра у землисообщается экипажу диспетчером.

Эффект Доплера и его использование для радионавигационных измерений.

При измерении путевой скорости и угла сноса используется эффект Доплера. Эффект Доплера состоит в том, что частота принимаемых колебаний оказывается отличной от частоты излучаемых колебаний, если расстояние между излучателем и приемником изменяется, т. е.если излучатель и приемник движутся друг относительно друга.

При изменении расстояния между приемником и пере­датчиком частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний на величину, пропорциональную радиальной составляющей скорости их взаимного перемещения. Если в точке С(рис.41) установлен передатчик, излучающий гармонические колебания с частотой ω вида е = Ε cosωt, то принимаемые колебания в точке С.

е_пр=E_пр ·cosω (t-t_з ) =E_пр·cos(ωt- 2ω·r/c) ;t_з=r/c.

Предположим, что расстояние rс течением времени изменяется, т.е.r=r(t). Определим частоту сигналов в точке приема. Так как частота равна производной от фазы по времени, то

Рис.41. Схема регистрации эффекта Доплера

ω_пр = ∂φ_пр /∂t = -∂( ωt - 2ω · r/c)/∂t = ω - 2ω/c · ∂r/∂t,

где - ∂r/∂t - скорость изменения расстояния r, равная радиальной составляющей скорости взаимного перемещения точек С и З.

Из формулы следует, что при изменении расстояния между наблюдателем и отражающим предметом частота принимаемых сигналов оказывается не равной частоте излучаемых сигналов. Угловые (их частоназывают круговыми) частоты колебаний ω_пр и ω различаются на величину Ω._д

ω_пр - ω = Ω_д = -(2ω/c) · ∂r/∂t = -2π f ·(∂r/∂t) / λ.

Частоты принимаемых и излучаемых колебаний отличаются на величину

F _д = Ω _д /2π = - (2·∂r/∂t) ∕λ,

которая называется доплеровским смещением частоты. Оно пропорционально радиальной составляющей скорости взаимного перемещенияобъектов и обратно пропорционально длине волны. Из описания процесса возникновения доплеровского смещения частоты видно, что оно является следствием изменения фазы сигнала, которое происходит при взаимном перемещении точек излучения и отражения (переизлучения) сигнала. В общем случае, когда вектор отно­сительной скорости отражателя равенWи составляет с направлениемраспространения угол β, радиальная составляющая скорости

∂r/∂t = W cos β.

Принцип измерения путевой скорости и угла сноса.

Идею измерения путевой скорости и угла сноса можно представить себе следующим образом. Предположим, что с борта ВС с помощью остронаправленнойантенны ведется облучение некоторого элемента земной поверхности. Проекция оси ДН на горизонтальную плоскость составляет с продольной осью ВС угол β, а вектор путевой скорости W из-за сноса смещен относительно продольной оси на угол α (угол сноса). Ось ДН в вертикальной плоскости смещена относительно горизонтальной плоскости на угол γ .

Будем предполагать, что при движении ВС отражение сигналов происходит лишь от одного элемента поверхности, расположенного в центре отражающей площадки, т. е. от элемента, на который направлена ось ДНА.

Рис. 42. Ориентация ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Рассчитаем доплеровское смещение сигналов, отражаемых этим элементом. Определим проекцию скорости относительного движения элемента на ось ДНА. Из рис.42, видно, что проекция вектора путевой скорости на ось ДНА

W₂ = W₁· cosγ = W·cosθ · cosγ

Если луч антенны ориентирован в направлении полета, то ∂г/∂t < 0.

В этом случае доплеровское смещение частоты положительно:

F_д = 2W·cosθ·cosγ / λ

Проводя измерения доплеровского смещения частоты, можно определить значение и направление путевой скорости ВС. Предположим, что есть возможность поворачивать ДНА относительно ВС вокруг вертикальной оси. При повороте можно найти такое положение ДНА, при котором доплеровское смещение частоты достигает своего максимального значения. Это произойдет тогда, когдаугол θ станет равным нулю, т. е. когда вектор путевой скорости W окажется в той же вертикальной плоскости, в которой располагается и ось ДНА. При этом угол между вертикальной плоскостью, проходящейчерез ось ДН, и вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось ВС, будет равен углу сноса а. Этот угол измеряется и отображается соответствующими указателями.

Если фиксируется максимальное значение доплеровского смещения частоты, справедливо соотношение:

F_max =2Wcosγ/λ.

Рис. 43. Упрощенная схема ДИСС

Так как угол γ и длина волны λ известны, то по измеренному максимальному значению доплеровского смещения частоты можнорассчитать путевую скорость:

W = F_{д max} λ ∕ 2cosγ

Эту операцию выполняет вычислитель, который входит в составдоплеровского устройства или в состав БНК. Из изложенного ясно, что для определения путевой скорости и угла сноса на борту ВС необходимо располагать передатчиком, приемником, направленной антенной А, частотомером Ч, вычислителем и указателями скорости и угла сноса У (рис.43).

Особенности реализации доплеровских измерителей скорости.

Из описания принципа действия простейшего доплеровского измерителя видно, что угол наклона оси ДНА к горизонту γ должен быть стабилизирован или должен точно измеряться в процессе функционирования ДИСС. Для того чтобы избежать этого и исключить влияние угла γна результаты определения модуля путевой скорости, а также для повышения точности измерения угла сноса в условиях, когда антенная система ДИСС жестко закрепляется на ВС, применяются многолучевые ДИСС. Наиболее широкое распространение получили трехлучевые ДИСС, оси ДН, которых ориентированы так, как показано на рис.44.

Рис.44. Ориентация осей лепестков ДНА в трехлучевом ДИСС

На этом рисункебуквами x,y,z обозначены оси связаннойсистемы координат, цифрами 1,2,3 - точки пересечения осей ДН с поверхностью Земли, буквами γ, Г, α - углы между осями ДН и горизонтальной поверхностью, углы между горизонтальными проекциями этих осей и осью x и угол сноса. Учитывая соотношения, приведенные на рис.44, для доплеровских сдвигов частоты по лучам 1, 2, 3 получим следующие значения:

F_д1 = (2W/λ) · cos (Г+a) cosγ; F_д2 = - (2W/λ) · cos (Г-a) cosγ;

F_д3 = - (2W/λ) · cos (Г+a) cosγ.

На самолетные ДИСС возлагается задача определения горизонтальной составляющей полной скорости и угла сноса. Решив приведенные уравнения, получим:

α = arctg [(F_д3 - F_д2) ctgГ /(F_д1 - F_д2)];

W = ( F_д1 - F_д2 )·λ secα /4 cosγ·cosГ.

Таким образом, измеряя доплеровские сдвиги частоты по трем лучам при известной частоте излучаемых колебаний и углах Г и γ, находят угол сноса и путевую скорость.

Вертолетные ДИСС позволяют определять все три составляющие вектора полной скорости, в том числе и вертикальную его составляющую. В принципе эта задача также решается по трем составляющим скорости, соответствующим осям ДН 1,2,3. Особенностью вертолетных ДИСС является также то, что они предназначаются для работы в условиях,когда направления скоростей могут изменяться на противоположные, т.е. с их помощью необходимо определять не только значение, но и знаки доплеровских смещений.

Точность ДИСС.

Погрешности ДИСС, как и погрешности любого измерительного устройства, можно разделить на методические и инструментальные. К числу наиболее значительных методических погрешностей относятся погрешности из-за различия отражающих свойств разных участков земной и водной поверхностей.

Для уяснения причин возникновения погрешностей этого типа необходимо, прежде всего, отметить следующее обстоятельство: если излучаемый сигнал представляет собой монохроматическое колебание, отраженный сигнал в ДИСС оказывается многочастотным. Причина этого явления заключается в том, что ДН передающих и приемных антенн ДИС имеют конечные угловые размеры и в пределах "освещаемого" участка земли оказывается не одна единственная точка, а некоторое множество точек.

Так как углы, под которыми эти точки видные борта ВС, различаются, то различаются и частоты сигналов, отражаемых этими точками. Поэтому отраженный сигнал содержит целый спектр доплеровских частот.

Если бы коэффициент отражения от земли не зависел от угла падения волн, то огибающая спектра определилась бы квадратом ДНА по мощности и максимум спектра соответствовал бы максимуму ДНА.Однако коэффициент отражения не зависит от угла падения только для ламбертовых отражателей. Для большинства реальных отражающихповерхностей наблюдается зависимость коэффициента отражения от угла падения волны. Поэтому и мощность отраженного сигнала зависитот этого угла. Например, для водной поверхности с уменьшением угла падения возрастает коэффициент отражения. Так как меньшим значениям угла падения соответствуют меньшие значения доплеровских частот, мощность отраженного сигнала в области меньших значений частот возрастет. Таким образом, максимум огибающей спектра сместится в сторону меньших значений частоты.

Наиболее заметно это смещение при переходе с суши на море. Одна­ко сдвиг максимума доплеровского спектра происходит не только при переходе с суши на море, но и при всяком изменении отражающих свойств поверхности, сопровождающемся изменением зависимости коэффициента отражения от угла падения. Смещение зависит также и от степени взволнованности водной поверхности.Погрешности описываемого типа можно уменьшить, вводя при переходе с суши на море поправку, соответствующую наиболее часто встречающейся величине волнения. Основные эксплутационно-технические характеристики ДИСС ГА представлены в таблице 5.

Таблица 5

Органы управления и приборы индикации ДИСС.

ДИСС представляютсобой, простые и удобные в эксплуатации навига­ционные устройства. Управление функционированием ДИСС полностью автоматизировано.

Рис.45. Основные органы управления и отображения данных трехканального ДИСС-016.

а — блок логики и выдачи данных (ЛВД) ; б - индикатор путевой скорости и угла сноса; в — блок счисления пути (СП) ; 1 — табло угла сноса; 2, 3 — кнопки вклю­чения и выключения контроля; 4 — переключатель "Ввод —счет"; 5 —переключа­тель "Работа — контроль"; б — табло "Память"; 7 — переключатель "Суша —море" 8 — табло отображения расстояния до очередного ППМ; 9 — ручки ввода координат ИПМ; 10 —регулятор яркости подсвета

В обязанности оператора (пилота и штурмана) входит лишь включение ДИСС и установка переключателя "Суша-море" в соответствующее положение.

В ДИСС, обеспечивающих автономное счисление пути, вводятся также координаты исходного пункта маршрута (ИПМ) или соответствующего ППМ и включается вычислитель в момент пролета этих пунктов.

Если ДИСС, входит в составе БНК, эти операции осуществляются автоматически.

В ДИСС помимо основного рабочего режима, в котором производится счисление пути по информации от ДИСС, предусмотрен режим "Память", который включается автоматически при исчезновении данных о доплеровском смещении частоты. В этом режиме счислениепроизводится по данным воздушной скорости с учетом скорости и направления ветра, которые были зафиксированы в момент прекращения поступления доплеровской информации.

Кроме режима "Память", в ДИСС предусмотрен режим "Контроль". Для контроля работоспособностиДИСС переключатель "Р - К" устанавливается в положение "К". При этом на указателях путевой скорости появляется значение W, равное (790 ± 30) км/ч, а на указателе УС — значение ± 2°.

Органы управления и отображения данных трехканального ДИСС - 016 показаны на рис.45. Блоки ЛВД, СП и индикатор размещаются на приборной доске второго пилота. На передней панели индикатора установлены основные органы управления ДИСС: переключатели "К - Р” и "С - М", а справа от центра индикатора - табло "Память" (П), включаемое при переходе на счисление пути при отсутствии данных от ДИСС. Результаты измерения путевой скорости выдаются на цифровые указатели индикатора и блока ЛВД. Результаты определения угла сноса отображают на индикаторе,блоке ЛВД, плановом навигационном приборе (ПНП) и на индикаторе навигационной обстановки (ИНО).

Доплеровский измеритель ДИСС-015

Аппаратура ДИСС-015 в комплекте с другим оборудованием (курсовая система, гировертикаль и т.д.) обеспечивает не прерывное автоматическое измерение и индикации составляющих вектора скорости вертолета (в режиме висения), путевой скорости и угла сноса (в режиме крейсерского полета) и выдачи данных для счисления и индикации координат места вертолета в обоих режимах.

Совместно с автопилотом и радиовысотомером и другими приборами позволяет производить вывод вертолета в точку с заданными координатами, висение и посадку вертолета в отсутствии информации о направлении и силе ветра, висение и управление движением вертолета при отсутствии визуальной видимости.

В состав аппаратуры ДИСС-015 входят: высокочастотный блок, низкочастотный блок, вычислитель координат, индикатор малых скоростей и висения, индикатор путевой скорости и угла сноса индикатор координат. Все блоки аппаратуры охвачены системой встроенного контроля (ВСК).

В отличие от самолетных ДИСС - 015 имеет два индикатора значений путевой скорости (рис. 46 и 47), которые переключаются автоматически, в зависимости от скоростных параметров движения вертолета.

Рис. 46. Указатель путевой скорости и угла сноса

Указатель путевой скорости и угла сноса (рис.46) включается в работу и индицирует показании путевой скорости, если поступательная скорость в маршрутном полете становится более 50 км/ч, стрелочный его указатель, индицирует показания угла сноса. Учет характера подстилающей поверхности, над которой происходит полет производиться переключателем “С-МС-МБ”. Положение, которого соответствует: “С” – полету над сушей, “МС” и “МБ” – полету на водной поверхностью, имеющей разную степень волнения “МС” – спокойное (1…3 балла) и “МБ” – бурное (>4 баллов). На этом же индикаторе расположены переключатель “К - Р”. Он осуществляет включение ДИСС в работу - положение “Р” или подключает схему ВСК - положение “К”. Табло “П” сигнализирует переход ДИСС в режим “ПАМЯТЬ”, когда нарушается нормальный процесс измерения путевой скорости и угла сноса.

Рис. 47. Индикатор малых скоростей и висения

Он автоматически включается в работу при поступательной скорости < 50 км/ч и индицирует перемещение вертолета “вперед - назад” с скоростью: 0…50 км/ч “вперед” и 0…20 км/ч “назад” ; “влево - вправо” -0±20 км/ч ; “вверх – вниз” - 0±10м/с. При увеличении поступательной скорости (>50 км/ч) он выключается, о чем сигнализирует табло “Выкл.”

ДИСС имеет систему встроенного контроля, которая позволят проверить работоспособность по показаниям правильной отработки контрольных задач. Управление системой встроенного контроля осуществляется с бортового пульта контроля (БПК) рис.48 и от штатных органов управление вертолета.

Рис.48. Бортовой пульт контроля.

Порядок проверки ДИСС – 015.

Для проверки работоспособности ДИСС-015 необходимо:

- на пульт контроля (рис. 48) установить переключатель в положение “Память”;

- на указатели угла сноса и путевой скорости (рис.46) переключатели “С - М” и “К - Р” в положение “С” и “Р” соответственно;

- включить питание ДИСС от бортовой электросети;

- на пульте контроля должна загореться табло “КОТР”, “М” и “B” на индикаторе путевой скорости и угла сноса – табло “П”;

- проверить работу аппаратуры в режиме решения контрольных задач путем последовательной установки переключателя на пульте контроля в положение 1,2 и 3.

При этом показания индикатора малых скоростей и висения не должны отличаться от контрольных значений пульта контроля более чем на ±2,5 км/ч и ±0,5м/с, а индикатора путевой скорости и угла сноса должны быть 136±3,5 км/ч и 0±1˚ соответственно.

- установить контрольную задачу 3 переключатель “C - M” в положение “М”. Значение путевой скорости должно увеличиться на 3км/ч. Переключатель “С - М” оставить в положении, соответствующем условиям предполагаемого полета.

Проверить работоспособность индикатора координат (рис.49) для чего необходимо:

Рис. 49. Индикатор координат

- обнулить на нем показание счетчиков “Путь”, “Боковое уклонение”, “Угол карты” нажатием соответствующих клавиш управления;

- на пульте контроля установить контрольную задачу 3. – скорость 136 км/ч; угол сноса - 0˚.

После ее отработки (136±3,5км/ч и 0±10) нажать клавишу “ВКЛ” на индикаторе координат.

При исправной работе аппаратуры счетчик “Путь” должен отработать через 5 мин. значение 11,3 км “Вперед”.

- проверить отработку вычислителем контрольной задачи, задаваемой С индикатора путевой скорости и угла сноса (рис.46), путем установки переключателя “К - Р” в положение “К”. При правильной работе показания должны быть 306 ± 3,5 км/ч, а угол сноса 15±1˚;

- проверить переход аппаратуры в режим “Память”, поставив переключатель на пульте контроля в положение “Память”. При этом показания путевой скорости должны измениться не более чем на ±9 км/ч, а угла сноса – не более чем на ±3˚. Одновременно на индикаторе должно загореться табло “П”.

После указанных проверок переключателя “К - Р” на индикаторе путевой скорости и угла сноса и переключатель контрольных задач пульта контроля установить в положение “Работа”.

В полете при загорании индикатора “М” - отказ магнетрона или “В” - отказ вычислителя на пульте контроля пользоваться ДИСС - 015 нельзя.

ДИСС в составе комплексов пилотажно-навигационного оборудования

В составе некоторых комплексных систем пилотажно-навигационного оборудования перспективных ВС ДИСС, также является датчиком информации о значении доплеровских частот, на основании которой вычислитель НПК, производит определение путевой скорости и угла сноса ВС и последующее определение координат ВС в режиме счисления.

В этом случае ДИСС является одним из датчиков вычислительной системы самолетовождения и его управление осуществляется с пульта управления индикацией ПУИ - 85. С его помощью производиться контроль работоспособности, выбор режимов “Суша - Море”. Вычислительные по данным ДИСС значение путевой скорости и угла сноса индицируется на комплексных индикаторах навигационной обстановки (КИНО рис.50) во всех режимах, кроме режима “Земля”. Цифры счетчика путевой скорости голубого цвета. Угол сноса отсчитывается по шкале курсов (подвижной) белого цвета. Оцифровка шкалы через 30⁰, деления через 10⁰. В случае перехода ДИСС в режиме “Память” показания путевой скорости на КИНО перечеркиваются красной чертой.

Рис. 50. КИНО в режиме РН

1 - счетчик путевой скорости; 2 - шкала курса