ПРИНЦИП РАБОТЫ РВ МАЛЫХ ВЫСОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

РВ малых высот с частотной модуляцией (РВ МВ с ЧМ) предназначены для определения истинной высоты полета ЛА в диапазонах от 0 до 1500м в зависимости от типа РВ. Кроме того, они обеспечивают звуковую и световую сигнализацию заданных и «опасных» высот полета. Применяются как самостоятельно, так и в составе бортовых навигационных комплексов для решения навигационных задач.

В состав РВ с ЧМ входят следующие основные, принципиально необходимые узлы: генератор СВЧ, частотный модулятор, передающая (А1) и приемная (А2) антенны, балансный смеситель (БС), усилитель разностной частоты (УРЧ), устройство формирования импульсов (УФИ), счетчик импульсов (СИ), усилитель постоянного тока (УПТ), указатель высоты (УВ). Генератор СВЧ генерирует непрерывные колебания в дециметровом диапазоне радиоволн. Эти колебания модулируются по частоте при помощи частотного модулятора по определенному периодическому закону. Модулирующая функция представляет вид симметричной или несимметричной пилы. ЧМ колебания генератора СВЧ излучаются передающей антенной. Сигнал, отраженный от поверхности земли, принимается приемной антенной и далее поступает на один из входов балансного смесителя с запаздыванием . На другой вход балансного смесителя подается ослабленный ВЧ сигнал с генератора СВЧ. В результате взаимодействия гетеродинного и принятого сигналов на нагрузке балансного смесителя выделяется напряжение разностной частоты (частоты биений ). При пилообразном законе модуляции частота биений в пределах временных интервалов, где она остается неизменной, может быть определена из подобия треугольников ABC и AB₁C₁ (рис.2).

Используемые обозначения:

– средняя частота колебаний ГСВЧ;

B₁C₁= – девиация частоты передатчика;

АС= – время задержки отраженного сигнала;

ВС= – частота биений сигналов.

(1)

С учетом времени задержки принятого сигнала , из пропорции получим:

(2)

где с – скорость распространения радиоволн,

Н – измеряемая высота.

Из выражения (2) видно, что частота биений ( ) и измеряемая высота (Н) связаны между собой линейной зависимостью с коэффициентом пропорциональности , характеризующим чувствительность РВ по измеряемому параметру (высоте). От стабильности этого коэффициента значительно зависит точность измерения высоты. Поэтому в РВ применяются специальные меры по сохранению постоянства этого коэффициента во время работы РВ. Выражение (2) не учитывает уменьшение частоты биений при равенстве частот излучаемого и принятого сигналов (см. рис. 2,б). Фактически частотомер фиксирует среднюю частоту биений за период модуляции.

На практике необходимо выполнять условие .

Далее, напряжение частоты биений с выхода балансного смесителя поступает на усилитель разностной частоты со специально подобранной амплитудно-частотной характеристикой, а затем на устройство формирования импульсов. В УРЧ и УФИ сигнал частоты биений усиливаются, дифференцируется и ограничивается. С выхода УФИ снимаются калиброванные импульсы постоянной амплитуды и длительности, которые подаются на счетчик импульсов. Частота повторения импульсов прямо пропорциональна частоте биений сигнала на входе УФИ.

В счетчике последовательность импульсов преобразуется в постоянное напряжение, которое пропорционально частоте биений, а, следовательно, и измеряемой высоте. Это напряжение после усиления поступает на индикатор, шкала которого проградуирована в единицах высоты. В виде постоянного напряжения, величина которого пропорциональна измеряемой высоте, сигнал подается в навигационный комплекс или в пилотажно-навигационный комплекс (ПНК).

Далее рассмотрим ошибки измерения высоты и способы их уменьшения. Ошибки измерения высоты в РВ с ЧМ можно разделить на случайные и систематические.

Случайные ошибки вызываются множеством дестабилизирующих факторов, основными из которых являются нестабильности несущей частоты, частоты модуляции, девиации частоты, которые определяются стабильностью питающих напряжений, климатическими и другими условиями, в которых работает РВ.

Систематические погрешности РВ с ЧМ определяются динамическими и методическими ошибками. Динамическая погрешность обусловлена инерционностью счетчика и указателя высоты. Для уменьшения этой ошибки необходимо использовать индикаторы с возможно меньшей инерционностью, а для повышения точности измерений высоты необходимо уменьшить методическую ошибку. Найдем методическую ошибку измерения высоты, используя выражение (2).

(3)

где: – число биений за период модуляции.

Частота биений измеряется счетным каскадом, который определяет только целое число периодов частоты биений ( ). Изменению показаний счетчика на одно биение ( ) соответствует изменение высоты на величину

, (4)

Наряду с повышением эффективным способом снижения методической погрешности является применение двойной частотной модуляции. Идея этого способа заключается в следующем. При полете самолета над не ровной земной поверхностью измеряемые радиовысотомером высота все время меняется, хотя и колеблется около какого-то среднего значения Н_ср. когда эти колебания происходят достаточно быстро, числи импульсов биений в разных периодах модуляции получается различным и постоянная ошибка не обнаруживается. При плавных изменениях высоты также плавно изменяются и показания высотомера, происходит усреднение и постоянные ошибки. Однако при эксплуатации РВ на самолете или вертолете могут быть случае, когда естественного устранения постоянной ошибки не произойдет: например, при полете на малой высоте над спокойной водной поверхностью или взлетно-посадочной полосой. Поэтому в современных РВ МВ применяют искусственное устранение постоянной ошибки. С этой целью в РВ все время имитируется достаточно быстрое колебание измеряемой высоты около среднего значения, равного истинной измеряемой высоте. Для реализации рассмотренной идеи модуляция частоты передатчика РВ осуществляется колебаниями двух частот F_М1 и F_М2, при чем F_М1>F_М2. Подсчет числа импульсов напряжения биений производится в течение времени равного периоду меньшей частоты F_М2 (рис. 3).

В этом случае имитация быстрого изменения высоты достигается с помощью высоты F_М1, которые в несколько раз (примерно в 4 раза) больше частоты F_М2, но в то же время, достаточно велика, чтобы на колебания измеряемой высоты, происходящие с этой частотой не реагировали выходные устройства РВ. Расчеты показывают, что методическая ошибка для РВ с двойной частотной модуляцией равна

(5)

где , то есть уменьшается в n раз по сравнению со случаем использования одной частоты модуляции. Такой принцип используется в радиовысотомере типа РВ – 5.