Радарный высотомер - Википедия - Radar altimeter

«LRRA» перенаправляется сюда. О британском конституционном праве см. Закон о законодательной и нормативной реформе 2006 г..

А радиолокационный высотомер (РА), радиовысотомер (РАЛЬТ), электронный высотомер, или же отражательный высотомер меры высота выше местность в настоящее время под самолет или же космический корабль по времени, сколько времени потребуется лучу радиоволны отправиться на землю, поразмышлять и вернуться в корабль. Этот тип высотомер обеспечивает расстояние между антенной и землей непосредственно под ней, в отличие от барометрический высотомер который обеспечивает расстояние выше определенного вертикальная точка отсчета, обычно средний уровень моря.При использовании в самолетах он может быть известен как радиовысотомер малого радиуса действия (LRRA).

Определение МСЭ

Смотрите также
Основные статьи: Радио станция и Служба радиосвязи

С юридической точки зрения радиовысотомер есть - согласно статья 1.108 из Международный союз электросвязи (ITU) Регламент радиосвязи МСЭ (RR)[1] - определяется как "Радионавигационное оборудование на борту самолета или космического корабля, используемое для определения высоты самолета или космического корабля над поверхностью Земли или другой поверхностью.» Радионавигационное оборудование классифицируются по служба радиосвязи в котором он действует постоянно или временно. Использование радиоальтиметрического оборудования относится к так называемым спасательная служба, должны быть защищены Помехи, и является важной частью Навигация.

Принцип

Основная статья: частотно-модулированный радар непрерывного действия

Как следует из названия, радар (радио dобнаружение аnd рanging) является основополагающим принципом системы. Система передает радиоволны на землю и измеряет время, за которое они отражаются обратно в самолет. Высота над землей рассчитывается по времени распространения радиоволн и скорость света.[2] Радиолокационным высотомерам требовалась простая система измерения времени пролета, которую можно было бы отображать с помощью обычных инструментов, в отличие от электронно-лучевая трубка обычно используется в ранних радиолокационных системах.

Для этого передатчик отправляет частотно-модулированный сигнал, частота которого изменяется с течением времени, возрастая и уменьшаясь между двумя частотными пределами, Fмин и FМаксимум в течение заданного времени T. В первых блоках это выполнялось с помощью Танк LC с подстроечным конденсатором, приводимым в действие небольшим электродвигателем. Затем вывод смешивается с радиочастота несущий сигнал и отправил передающую антенну.[2]

Поскольку сигналу требуется некоторое время, чтобы достичь земли и вернуться, частота принятого сигнала немного задерживается по сравнению с сигналом, отправляемым в этот момент. Разницу в этих двух частотах можно извлечь в частотный смеситель, и поскольку разница в двух сигналах возникает из-за задержки, достигающей земли и обратно, результирующая выходная частота кодирует высоту. Выходные данные обычно составляют порядка сотен циклов в секунду, а не мегациклов, и могут легко отображаться на аналоговых приборах.[3] Этот метод известен как Радиолокатор непрерывного действия с частотной модуляцией.

Радарные высотомеры обычно работают в Группа E, Kа группа, или, для более сложных измерений уровня моря, Группа S. Радиолокационные высотомеры также обеспечивают надежный и точный метод измерения высоты над водой при полетах по длинным морским трассам. Они критически важны для использования при работе на нефтяных вышках и обратно.

Высота, указанная устройством, не соответствует высоте, указанной стандартным барометрическим альтиметром. Радиовысотомер измеряет абсолютная высота - высота Над уровнем земли (AGL). Абсолютную высоту иногда называют высота[нужна цитата ] потому что это высота над подстилающей поверхностью.

По состоянию на 2010 год все коммерческие радиолокационные высотомеры используют линейную частотную модуляцию - непрерывную волну (LFM-CW или FM-CW). По состоянию на 2010 год около 25 000 самолетов в США имели хотя бы один радиовысотомер.[4][5]

История

Оригинальная концепция

Основная концепция радиолокационного высотомера была разработана независимо от более широкого радиолокационного поля и берет свое начало в исследованиях междугородной телефонной связи. Bell Labs. В 1910-е гг. Белл Телефон боролся с отражением сигналов, вызванных изменениями в сопротивление в телефонных линиях, обычно там, где оборудование подключено к проводам. Это было особенно важно на ретрансляционных станциях, где плохо согласованные импедансы отражали большие объемы сигнала и затрудняли междугородную телефонную связь.[6]

Инженеры заметили, что отражения выглядят «неровными»; для любой заданной частоты сигнала проблема была бы существенной, только если бы устройства были расположены в определенных точках на линии. Это привело к идее посылки тестового сигнала в линию и последующего изменения его частоты до появления значительных эхо-сигналов, а затем определения расстояния до этого устройства, чтобы его можно было идентифицировать и зафиксировать.[6]

Ллойд Эспеншид работал в Bell Labs, когда ему пришла в голову идея использовать это же явление как способ измерения расстояний в проводах в более общем виде. Одной из первых его разработок в этой области был патент 1919 г. (выдан в 1924 г.).[7] об идее отправки сигнала в железнодорожные пути и измерение расстояния до несплошностей. Их можно было использовать для поиска сломанных путей или, если расстояние изменялось быстрее, чем скорость поезда, других поездов на той же линии.[6]

Измерения ионосферы Appleton

В тот же период в физике велись большие дискуссии о природе распространения радиоволн. Гульельмо Маркони успешные трансатлантические трансляции оказались невозможными; исследования радиосигналов показали, что они передаются по прямым линиям, по крайней мере, на большие расстояния, поэтому передача из Корнуолл должен был исчезнуть в космосе вместо того, чтобы быть принятым в Ньюфаундленд. В 1902 г. Оливер Хевисайд в Великобритании и Артур Кеннелли в США независимо постулировали существование ионизированного слоя в верхних слоях атмосферы, который отражал сигнал обратно на землю, чтобы его можно было принять. Это стало известно как Слой Хевисайда.[8]

Хотя идея была привлекательной, прямых доказательств не хватало. В 1924 г. Эдвард Эпплтон и Майлз Барнетт смогли продемонстрировать существование такого слоя в серии экспериментов, проведенных в сотрудничестве с BBC. После того, как запланированные передачи закончились в течение дня, передатчик BBC в Борнмут послал сигнал, частота которого медленно увеличивалась. Это было снято приемником Эпплтона в Оксфорд, где появились два сигнала. Один был прямым сигналом со станции, земной волной, а другой был получен позже, после того, как он переместился в слой Хевисайда и обратно, небесная волна.[8]

Хитрость заключалась в том, как точно измерить расстояние, пройденное небесной волной, чтобы продемонстрировать, что она действительно находится в небе. Это было целью изменения частоты. Поскольку наземный сигнал прошел меньшее расстояние, он был более свежим и, следовательно, ближе к частоте, передаваемой в тот момент. Небесная волна, которой приходилось преодолевать большее расстояние, была задержана и, таким образом, имела ту же частоту, что и некоторое время назад. Смешивая два в частотный смеситель создается третий сигнал, имеющий свою уникальную частоту, кодирующую разницу между двумя входами. Поскольку в этом случае разница связана с более длинным путем, результирующая частота напрямую показывает длину пути. Хотя технически это сложнее, в конечном итоге это был тот же самый базовый метод, который использовал Bell для измерения расстояния до отражателей в проводе.[8]

Эверит и Ньюхаус

В 1929 г. Уильям Лит скажи Эверетту, профессор Государственный университет Огайо, начал рассматривать использование базовой техники Appleton в качестве основы для системы высотомера. Он поручил работу двум старшим, Рассел Конвелл Ньюхаус и М. В. Гавел. Их экспериментальная система была больше похожа на более раннюю работу в Bell, в которой использовались изменения частоты для измерения расстояния до конца проводов. Эти двое использовали его как основу для совместной кандидатской диссертации в 1929 году.[9]

Эверетт раскрыл концепцию Патентное ведомство США, но в то время не подавала патент. Затем он подошел к Фонд Даниэля Гуггенхайма по развитию аэронавтики Фонд Гуггенхайма для финансирования развития. Джимми Дулитл Джеймс Дулитл, секретарь фонда, подошла Уксусный куст Bell Labs, чтобы вынести свое суждение. Буш скептически относился к возможности разработки системы в то время, но, тем не менее, предлагал Фонду профинансировать разработку работающей модели. Это позволило Ньюхаусу в партнерстве с Дж. Д. Корли построить экспериментальную машину, которая легла в основу его магистерской диссертации 1930 года.[9][10]

Устройство было доставлено в Райт Филд где это было протестировано Альберт Фрэнсис Хелгенбергер, известный специалист в области авианавигации. Хегенбергер обнаружил, что система работает так, как рекламируется, но заявил, что она должна работать на более высоких частотах, чтобы быть практичной.[9][а]

Эспеншид и Ньюхаус

Эспеншид также рассматривал возможность использования идеи Эпплтона для измерения высоты. В 1926 году он предложил идею как способа измерения высоты, так и перспективной системы предотвращения столкновений на местности и обнаружения столкновений. Однако в то время частота доступных радиосистем даже в том, что было известно как коротковолновый было подсчитано, что оно в пятьдесят раз меньше, чем необходимо для практической системы.[6][10]

В конце концов Эспеншид подал патент на эту идею в 1930 году.[10] К этому времени Ньюхаус покинул штат Огайо и устроился на работу в Bell Labs. Здесь он встретил Питер Сандретто, которого тоже интересовали темы радионавигации. Сандретто покинул Bell в 1932 году, чтобы стать суперинтендантом по связям с общественностью. United Air Lines (UAL), где руководил разработкой коммерческих радиосистем.[9]

Патент Эспеншида не был выдан до 1936 года.[11] и его публикация вызвала большой интерес. Примерно в то же время Bell Labs работала над новыми конструкциями ламп, которые могли выдавать от 5 до 10 Вт на частоте до 500 МГц, что идеально подходило для этой роли.[10] Это побудило Сандретто связаться с Bell по поводу этой идеи, и в 1937 году между Bell Labs и UAL было сформировано партнерство с целью создания практической версии. Команда под руководством Ньюхауса провела испытания рабочей модели в начале 1938 года. Western Electric (Производственное подразделение Bell) уже готовилось к выпуску серийной модели. Ньюхаус также зарегистрировал несколько патентов на усовершенствования техники, основанные на этой работе.[12]

Коммерческое введение

О системе было публично объявлено 8 и 9 октября 1938 года.[13] В течение Вторая Мировая Война, массовое производство освоили RCA, которые выпускали их под названиями ABY-1 и RC-24. В послевоенную эпоху многие компании начали производство, и оно стало стандартным прибором на многих самолетах, поскольку слепая посадка стало обычным явлением.[12]

В следующем году Эспеншид и Ньюхаус совместно опубликовали документ с описанием системы. В статье исследуются источники ошибок и делается вывод о том, что наихудший встроенный сценарий был порядка 9%,[14] но это может достигать 10% при полете над пересеченной местностью, такой как застроенные районы городов.[14]

Во время первых запусков системы было замечено, что характер возврата, как видно на осциллограф отличался для разных типов местности под самолетом. Это открыло возможность всевозможных других применений той же технологии, включая наземное сканирование и навигацию. Однако в то время Белл не мог исследовать эти концепции.[13]

Использовать как радар общего назначения

С конца 1800-х годов было известно, что металл и вода отлично отражают радиосигналы, и с тех пор было предпринято несколько попыток построить детекторы кораблей, поездов и айсбергов. Большинство из них имело существенные практические ограничения, особенно использование низкочастотных сигналов, которые требовали больших антенн для обеспечения приемлемой производительности. Устройство Bell, работающее на базовой частоте 450 МГц, было одной из самых высокочастотных систем своего времени.[14][b]

В Канаде Национальный исследовательский совет начал работу над бортовой радиолокационной системой, взяв за основу высотомер. Это стало большим сюрпризом для британских исследователей, когда они посетили в октябре 1940 г. Миссия Тизарда, поскольку британцы в то время считали, что они единственные, кто работал над концепцией. Однако в конечном итоге от канадского дизайна отказались в пользу создания полностью разработанного британского ASV Mark II конструкция, работающая на гораздо более высоких уровнях мощности.[15]

Во Франции исследователи из IT&T Французская дивизия России проводила аналогичные эксперименты, когда немецкое вторжение приблизилось к лабораториям в Париже. Лаборатории были намеренно разрушены, чтобы исследования не попали в руки немцев, но немецкие команды нашли антенны в развалинах и потребовали объяснений. Директор по исследованиям IT&T отразил подозрения, показав им устройство на обложке журнала и предупредив, что они не знакомы с последними технологиями навигации.[12]

Приложения для гражданской авиации

Радарные высотомеры часто используются коммерческий самолет для захода на посадку и посадки, особенно в условиях плохой видимости (см. правила полетов по приборам ) и автоматические посадки, позволяя автопилоту знать, когда начинать факельный маневр. Радиолокационные высотомеры передают данные на автомат тяги который является частью Бортовой компьютер.

Радарные высотомеры обычно дают показания только на расстоянии до 2500 футов (760 м). над уровнем земли (AGL). Часто метеорологический радар может быть направлен вниз, чтобы давать показания с большего расстояния, до 60000 футов (18000 м). над уровнем земли (AGL). По состоянию на 2012 год, все авиалайнеры оснащены как минимум двумя, а возможно, и более радиолокационными высотомерами, поскольку они необходимы для возможности автопосадки. (По состоянию на 2012 г., определение высоты другими методами, такими как GPS не разрешено правилами.) Старые авиалайнеры 1960-х годов (такие как Британская авиастроительная корпорация BAC 1-11 ) и меньшие авиалайнеры в классе пассажиров до 50 (например, ATR 42 и BAe Jetstream серии) оснащены ими.

Радарные высотомеры являются неотъемлемой частью системы предупреждения о приближении к земле (GPWS), предупреждая пилота, если самолет летит слишком низко или слишком быстро снижается. Однако радиолокационные высотомеры не могут видеть местность непосредственно перед самолетом, а только то, что находится под ним; такая функциональность требует либо знания местоположения и местности в этом месте, либо наличия переднего радара местности. Антенны радиовысотомеров имеют довольно большой главный лепесток около 80 °, так что при углах крена примерно до 40 ° радар определяет расстояние от самолета до земли (особенно до ближайшего большого отражающего объекта). Это связано с тем, что диапазон вычисляется на основе первого возвращенного сигнала за каждый период выборки. Он не определяет наклонную дальность до более чем 40 ° крена или тангажа. Это не проблема для приземления, так как тангаж и крен обычно не превышают 20 °.

Приложения военной авиации

Радиолокационные высотомеры также используются в военный самолет лететь довольно низко над сушей и морем, чтобы избежать радар обнаружение и наведение зенитные орудия или же ракеты земля-воздух. Связанное использование технологии радарного высотомера радар слежения за ландшафтом, который позволяет истребители-бомбардировщики летать на очень малых высотах.

В F-111s из Королевские ВВС Австралии и ВВС США имеют перспективную радиолокационную систему отслеживания местности (TFR), подключенную через цифровой компьютер к их автопилотам. Под носовым обтекателем находятся две отдельные антенны TFR, каждая из которых передает индивидуальную информацию в двухканальную систему TFR. На случай отказа этой системы у F-111 есть резервная радиолокационная система высотомера, также подключенная к автопилот. Затем, если F-111 когда-либо опустится ниже заданного минимума высота (например, 15 метров) по любой причине, его автопилоту приказывают поднять F-111 в режим 2G (крутой подъем носом вверх). взбираться ), чтобы не врезаться в землю или воду. Даже в бою опасность столкновения намного больше, чем опасность быть обнаруженным противником. Подобные системы используются F / A-18 Супер Хорнет самолет, эксплуатируемый Австралией и США.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Антенны для радиосигналов должны соответствовать частоте несущего сигнала. Для сигналов с более высокой частотой используются антенны меньшего размера, что дает ряд очень практических преимуществ для использования в самолетах.
  2. ^ Только немецкие подразделения работали в аналогичном диапазоне, другие британские и американские радары того времени работали на частоте около 200 МГц или ниже.

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Регламент радиосвязи МСЭ, Раздел IV. Радиостанции и системы - статья 1.108, определение: радиовысотомер
  2. ^ а б Espenschied & Newhouse, 1939 г., pp. 225-227.
  3. ^ Espenschied & Newhouse, 1939 г., п. 227.
  4. ^ "КОММЕНТАРИИ AVIATION SPECTRUM RESOURCES, INC.".п. 3, стр. 8.
  5. ^ Коди Миллер.«Радиовысотомер для посадки БПЛА или малых летательных аппаратов».2010.
  6. ^ а б c d Колокол 1948, п. 18.
  7. ^ US Истекло 1517549, Ллойд Эспеншид, "Система железнодорожных сигналов", выпущенный 1924-12-02. 
  8. ^ а б c Колин 1967, п. 737.
  9. ^ а б c d Колин 1967, п. 741.
  10. ^ а б c d Espenschied & Newhouse, 1939 г., п. 224.
  11. ^ US Истекло 2045071, Ллойд Эспеншид, "Высотомер для самолетов", выпущенный 1936-06-23. 
  12. ^ а б c Колин 1967, п. 742.
  13. ^ а б Колокол 1948, п. 19.
  14. ^ а б c Espenschied & Newhouse, 1939 г., п. 232.
  15. ^ Миддлтон, В. Э. Ноулз (1981). Развитие радара в Канаде: Радиоотдел Национального исследовательского совета. Издательство Университета Уилфрида Лорье. п.96. ISBN  9780889201064.

Библиография

  • Эспеншид, Ллойд; Ньюхаус, Рассел (январь 1939 г.). «Индикатор просвета местности». Технический журнал Bell System. 18 (1): 222–234. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1939.tb00813.x.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • "Исторические новинки: радио альтиметр" (PDF). Bell Labs: 18–19. Январь 1948 г.
  • Колин, Роберт (июль 1967). «Пионерская премия 1967 года: Ллойд Эспеншид и Рассел К. Ньюхаус». IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам. AES-3 (4): 736–742. Дои:10.1109 / TAES.1967.5408855.CS1 maint: ref = harv (связь)