2.6. Приборы и датчики высоты полета

§ 11.1. Определения

Высотой полета называют измеренное по вертикали расстоя­ние между летательным аппаратом и некоторой поверхностью, принятой за начало отсчета.

Различают абсолютную, относительную истинную и баромет­рическую высоты (рис. 11.1):

абсолютная высота Н_абс отсчитывается от уровня моря;

относительная высота Н_отн отсчитывается от некоторого вы­бранного уровня, например от места взлета или посадки;

истинная высота Н отсчитывается от места, над которым на­ходится летательный аппарат в данный момент времени;

барометрическая высота Н_бар отсчитывается от места с за­данным атмосферным давлением.

На летательных аппаратах применяются высотомеры с визу­альной информацией и датчики высоты, выдающие информацию в виде электрического сигнала в системы автоматического управ­ления и в навигационные вычислительные устройства.

На больших летательных аппаратах применяют центральные датчики высоты, предназначенные для обслуживания нескольких бортовых систем — автопилотов, навигационных вычислителей, дистанционных указателей и др. Центральные датчики высоты часто объединяют с центральным датчиком скорости и числа М.

§ 11.2. Методы измерения высоты полета

Известны барометрический, радиоволновой, акустический, оп­тический и инерциальный методы измерения высоты полета.

1. Барометрический метод [4], [6]

Барометрический метод измерения высоты полета основан на зависимости атмосферного давления от высоты (давление возду­ха на любом уровне определяется весом столба воздуха, распо­ложенного выше этого уровня).

Функциональная связь между высотой Н и давлением р не является однозначной, а изменяется в зависимости от геогра­фической широты, времени года, времени суток и состояния по­годы. Однако путем статической обработки результатов много­летних метеорологических наблюдений установлена среднестати­стическая зависимость p=f(H), принятая в качестве стандартной международной атмосферы и используемая при градуировке барометрических высотомеров.

Барометрический высотомер измеряет барометрическую высо­ту полета, т. е. высоту относительно некоторого уровня, давле­ние воздуха на котором известно.

Барометрический метод и приборы, используемые при приме­нении этого метода, более подробно рассматриваются в § 11.3 и 11.4.

2. Радиоволновой метод [2]

Радиоволновой метод измерения высоты полета основан на отражении радиоволн от земной поверхности. Устройства, по­строенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами.

Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рис. 11.2, а и б).

Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приве­дена на рис. 11.2, а. Антенна А₁ радиопередатчика, установлен­ного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к са­молету (рис. 11.3). Антенна А₂ радиоприемника, также находя­щегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А₁ так и отраженные от Земли радиоволны.

Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения яв­ляется частотная модуляция излучаемых колебаний.

На рис. 11.4 приведен график изменения во времени частоты f₁ излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f₂ отра­женных колебаний (пунктирная линия).

Линия частот f₂ сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f₁ на величину вследствие того, что в каждый мо­мент времени частота отраженного сигнала отличается от часто­ты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты пря­мого излучения за время прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.

следовательно,

где t₁ – время прохождения радиоволн прямого излучения от антенны передатчика до приемной антенны,

t₂ – время прохождения радиоволн от передатчика до Земли и обратно до приемной антенны.

В соответствии с рис.11.3

,

где l – расстояние между передающей и приемной антенной,

Н – истинная высота полета,

Подставляя (11.2) в (11.1), находим

Разность частот F=f₁-f₂, выделяемая в детекторе низкой частоты и измеряемая частотомером, служит мерой истинной высоты полета.

Для определения зависимости F от H запишем уравнение отрезков ломанных линий, характеризующих закон измерения частот f₁ и f₂ (см. рис. 11.4):

.

Разность частот

.

Поскольку Н>>l, то можно пренебречь в числителе l по сравнению с 2Н, тогда .

где - чувствительность радиовысотомера непрерывного излучения.

Чувствительность тем больше, чем больше среднее значение частоты f₀ и чем больше коэффициент а, характеризующий глубину модуляции частоты.

Величина среднего значения частоты равна f₀ =400ч-600 Мгц, а амплитуда изменения частоты равна ±0,5% от среднего зна­чения при диапазоне измеряемых высот от 0 до 1500 м.

При посадке самолета прибор переключается на малый диа­пазон (от 0 до 150 ж), при этом амплитуда модуляции частоты увеличивается в 10 раз — до ±5% от среднего значения частоты.

Основные погрешности радиовысотомера непрерывного дейст­вия следующие:

а) погрешности от помех приемопередающего радиотракта, искажающих принимаемый сигнал;

б) погрешности от нестабильности параметров f₀ и а, вызы­вающие изменение чувствительности S, а следовательно, и масштаба изме­рения.

С увеличением высоты полета мощ­ность отраженного сигнала резко

падает и он становится трудноразличимым на фоне радио­помех.

Интенсивность полезного сигнала можно увеличить за счет повышения мощности радиопередатчика, однако его потребная мощность увеличивается пропорционально 4-й степени увеличе­ния высоты. Например, для увеличения диапазона радиовысото­мера непрерывного изучения с 1500 до 15000 м, мощность радио­передатчика пришлось бы увеличить в 10 000 раз.

Измерение больших высот полета осуществляется радиовысо­томером импульсного действия, работающего как радиолокатор. Радиовысотомер (см. рис. 11.2,6) содержит приемник и передат­чик, причем излучение радиоволн производится не непрерывно, а дискретно (импульсами), в течение очень коротких интервалов времени, разделенных значительно более длительными паузами (рис. 11.5).

Соотношение между мгновенной мощностью Р_имп, излучаемой в пространстве в импульсе и средней мощностью Р_ср передатчика равно

,

где Т — период между импульсами;

— длительность импульса.

Процесс измерения высоты радиовысотомером импульсного действия сводится к следующему. Приемная антенна принимает два последовательных импульса — прямой и отраженный от Зем­ли. Оба импульса усиливаются и подаются на катодно-лучевую трубку, где воздействуют на электронный луч с круговой разверт­кой (рис. 11.6).

Если движение луча по окружности от нулевой отметки шка­лы будет начинаться в момент времени прихода прямого импуль­са, а во время прихода отраженного импульса электронный луч получит радиальный всплеск, то угловое положение, а этого всплеска будет пропорциональным измеряемой высоте:

,

где -чувствительность прибора;

— угловая скорость развертки электронного луча.

Чувствительность 5 и соответственно точность отсчета пока­заний можно увеличить путем увеличения скорости развертки . Однако при слишком большой скорости луч может совершить несколько оборотов до момента прихода отраженного импульса и возникнет неопределенность показаний, связанная с незнани­ем количества оборотов, сделанных лучом.

Получение однозначных показаний достигается переключени­ем диапазонов: при-малой скорости развертки производится гру­бый отсчет высоты, а при большой скорости делается точный от­счет'.

Погрешности радиовысотомеров импульсного действия скла­дываются из погрешностей от радиопомех и погрешностей от не­постоянства угловой скорости развертки.

Радиовысотомер импульсного изучения непригоден для отсче­та очень малых высот (при посадке самолета), так как он обла­дает сравнительно большой зоной нечувствительности, обуслов­ленной тем, что на малых высотах время соизмеримо с дли­тельностью импульса , из-за чего прямой и отраженный им­пульсы сливаются, и их не удается различить друг от друга.