Радарный высотомер

«LRRA» перенаправляется сюда. Информацию о британском конституционном праве см. в Законе о законодательной и нормативной реформе 2006 года .

Дипольная антенна радиовысотомера 1947 года.

Радиовысотомер радиовысотомером ( RA ), также называемый RALT ( , ), электронным высотомером , высотомером отражения или радиовысотомером малой дальности ( LRRA ), измеряет высоту над местностью находящейся в настоящее время под самолетом или космическим кораблем, рассчитывая, сколько времени это займет. луч радиоволн достигнет земли, отразится и вернется на корабль. Этот тип высотомера определяет расстояние между антенной и землей непосредственно под ней, в отличие от барометрического высотомера , который определяет расстояние выше определенной вертикальной точки отсчета , обычно среднего уровня моря .

Принцип

Дополнительная информация: Радар непрерывного действия с частотной модуляцией.

из названия, радар ( радиообнаружение дальности определение ) и Как следует . является основой системы Система передает радиоволны на землю и измеряет время, необходимое им для отражения обратно к самолету. Высота над землей рассчитывается на основе времени распространения радиоволн и скорости света . Радарным высотомерам требовалась простая система измерения времени полета, которую можно было бы отображать с помощью обычных инструментов, в отличие от электронно-лучевой трубки, обычно использовавшейся в ранних радиолокационных системах.

Для этого передатчик посылает частотно-модулированный сигнал, частота которого меняется с течением времени, увеличиваясь и уменьшаясь между двумя пределами частоты, F _min и F _max, в течение заданного времени T. В первых устройствах это достигалось с помощью LC. бак с настроечным конденсатором, приводимый в движение небольшим электродвигателем. Затем выходной сигнал смешивается с несущим радиочастотным сигналом и отправляется на передающую антенну.

Поскольку сигналу требуется некоторое время, чтобы достичь земли и вернуться, частота принимаемого сигнала немного задерживается относительно сигнала, отправляемого в этот момент. Разницу этих двух частот можно извлечь с помощью смесителя частот , а поскольку разница в двух сигналах обусловлена ​​задержкой достижения земли и обратно, результирующая выходная частота кодирует высоту. Выходной сигнал обычно составляет порядка сотен циклов в секунду, а не мегациклов, и его можно легко отобразить на аналоговых приборах. Этот метод известен как радар непрерывного действия с частотной модуляцией .

Радиовысотомеры обычно работают в E , K _a диапазонах или, для более сложных измерений уровня моря, в S-диапазоне . Радарные высотомеры также обеспечивают надежный и точный метод измерения высоты над водой при полетах по длинным морским маршрутам. Они имеют решающее значение для использования при работе на нефтяных вышках и обратно.

Высота, указанная устройством, не является высотой, указанной стандартным барометрическим высотомером. Радарный высотомер измеряет абсолютную высоту : высоту « над уровнем земли » (AGL).

По состоянию на 2010 год Все коммерческие радиовысотомеры используют непрерывные волны с линейной частотной модуляцией (LFMCW или FMCW), и около 25 000 самолетов в США имеют по крайней мере один радиовысотомер.

История

Ранняя схема концепции радиовысотомера, показанная в журнале Bell Telephone 1922 года.

Оригинальная концепция

Основная концепция радиовысотомера была разработана независимо от более широкой области радиолокации и берет свое начало в исследовании междугородной телефонной связи в Bell Labs . В 1910-х годах компания Bell Telephone боролась с отражением сигналов, вызванных изменениями импеданса в телефонных линиях, обычно там, где к проводам подключалось оборудование. Это было особенно важно на ретрансляционных станциях, где плохо согласованные импедансы отражали большие объемы сигнала и затрудняли междугородную телефонную связь.

Инженеры заметили, что отражения имеют «горбатый» рисунок; для любой заданной частоты сигнала проблема будет существенной только в том случае, если устройства будут расположены в определенных точках линии. Это привело к идее послать тестовый сигнал в линию, а затем изменить его частоту до тех пор, пока не будут видны значительные эхо-сигналы. Это позволит определить приблизительное расстояние до устройства, что позволит его идентифицировать и зафиксировать.

Ллойд Эспеншид работал в Bell Labs, когда задумал использовать это же явление для измерения расстояний в проводе. Одной из первых его разработок в этой области стал патент 1919 г. (выдан в 1924 г.). об идее подачи сигнала на железнодорожные пути и измерения расстояния до разрывов. Их можно было использовать для обнаружения поврежденных путей или, если расстояние менялось быстрее, чем скорость поезда, других поездов на той же линии.

Измерения ионосферы Эпплтона

В тот же период в физике разгорелись большие споры о природе распространения радиоизлучения. Гульельмо Маркони Успешные трансатлантические передачи оказались невозможными. Исследования радиосигналов показали, что они перемещаются по прямым линиям, по крайней мере, на большие расстояния, поэтому передача из Корнуолла должна была исчезнуть в космосе, а не быть принятой на Ньюфаундленде . В 1902 году Оливер Хевисайд в Великобритании и Артур Кеннелли в США независимо друг от друга 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 .

Хотя идея была привлекательной, прямых доказательств отсутствовало. В 1924 году Эдвард Эпплтон и Майлз Барнетт смогли продемонстрировать существование такого слоя в серии экспериментов, проведенных в сотрудничестве с BBC . После того, как запланированные на день передачи закончились, передатчик BBC в Борнмуте отправил сигнал, частота которого медленно увеличивалась. Его уловил приемник Эпплтона в Оксфорде , где появились два сигнала. Один из них был прямым сигналом со станции, земной волной, а другой был получен позже во времени, после того как он прошел к слою Хевисайда и обратно, небесной волне.

Для демонстрации было необходимо точно измерить расстояние, пройденное небесной волной, и доказать, что она действительно находилась в небе. В этом и заключалась цель изменения частоты. Поскольку наземный сигнал прошел меньшее расстояние, он был более свежим и, следовательно, ближе к частоте, передаваемой в тот момент. Небесная волна, которой пришлось пройти большее расстояние, задержалась и, таким образом, имела такую ​​же частоту, как и некоторое время назад. Смешивая их в смесителе частот, создается третий сигнал, имеющий свою собственную уникальную частоту, которая кодирует разницу на двух входах. Поскольку в этом случае разница обусловлена ​​более длинным путем, результирующая частота непосредственно показывает длину пути. Хотя технически это более сложный метод, в конечном итоге это был тот же базовый метод, который Белл использовал для измерения расстояния до отражателей в проводе.

Эверитт и Ньюхаус

В 1929 году Уильям Литтелл Эверитт , профессор Университета штата Огайо , начал рассматривать возможность использования базовой техники Эпплтона в качестве основы для системы высотомера. Он поручил эту работу двум старшим специалистам, Расселу Конвеллу Ньюхаусу и М.В. Гавелу. Их экспериментальная система имела больше общего с более ранней работой Bell, в которой изменения частоты использовались для измерения расстояния до конца проводов. Они использовали его в качестве основы для совместной дипломной работы в 1929 году.

Эверитт раскрыл концепцию Патентному ведомству США , но на тот момент не подал заявку на патент. Затем он обратился в Фонд Дэниела Гуггенхайма по развитию аэронавтики с просьбой о финансировании развития. Джимми Дулиттл , секретарь Фонда, обратился к Ванневару Бушу из Bell Labs, чтобы вынести суждение. Буш скептически отнесся к возможности разработки такой системы в то время, но тем не менее предложил Фонду профинансировать разработку работающей модели. Это позволило Ньюхаусу в сотрудничестве с Дж. Д. Корли построить экспериментальную машину, которая легла в основу его магистерской диссертации 1930 года.

Устройство было доставлено в Райт-Филд , где его испытал Альберт Фрэнсис Хегенбергер , известный эксперт в области авиационной навигации. Хегенбергер обнаружил, что система работает так, как рекламируется, но заявил, что для практической реализации ей придется работать на более высоких частотах.

Эспеншид и Ньюхаус

Эспеншид также рассматривал возможность использования идеи Эпплтона для измерения высоты. В 1926 году он предложил эту идею как способа измерения высоты, а также как дальновидную систему для предотвращения пересечения местности и обнаружения столкновений. Однако в то время частота доступных радиосистем, даже так называемых коротковолновых, была рассчитана в пятьдесят раз ниже, чем та, которая была бы необходима для практической системы.

В конце концов Эспеншид подал патент на эту идею в 1930 году. К этому времени Ньюхаус покинул штат Огайо и занял должность в Bell Labs. Здесь он познакомился с Питером Сандретто , который также интересовался темами радионавигации. Сандретто покинул Bell в 1932 году и стал суперинтендантом связи в United Air Lines (UAL), где он руководил разработкой коммерческих радиосистем.

Патент Эспеншида не был выдан до 1936 года. и его публикация вызвала большой интерес. Примерно в то же время Bell Labs работала над новыми конструкциями ламп, способных выдавать от 5 до 10 Вт на частоте до 500 МГц, что идеально подходило для этой роли. Это побудило Сандретто связаться с Bell по поводу этой идеи, и в 1937 году между Bell Labs и UAL было заключено партнерство для создания практической версии. В начале 1938 года группа под руководством Ньюхауса провела испытания рабочей модели, а компания Western Electric (производственное подразделение Bell) уже готовилась к выпуску серийной модели. Ньюхаус также подал несколько патентов на усовершенствования техники на основе этой работы.

Коммерческое введение

О системе было публично объявлено 8 и 9 октября 1938 года. Во время Второй мировой войны массовым производством занялась компания RCA , выпускавшая их под названиями ABY-1 и RC-24. В послевоенное время многие компании занялись производством, и он стал стандартным инструментом на многих самолетах, поскольку слепая посадка стала обычным явлением.

Статья с описанием системы была опубликована совместно Эспеншидом и Ньюхаусом в следующем году. В статье исследуются источники ошибок и делается вывод, что встроенный сценарий наихудшего случая составлял порядка 9%. но при полете над пересеченной местностью, например, над застроенными районами городов, эта цифра может достигать 10%.

Во время первых полетов системы было замечено, что характер отраженных сигналов, видимый на осциллографе, различен 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 смог изучить эти концепции.

Использование в качестве радара общего назначения

Радарные высотомеры используются в науке, и на этой диаграмме показано, как космический корабль может обнаружить гладкость поверхности Венеры .

С конца 1800-х годов было известно, что металл и вода являются отличными отражателями радиосигналов, и с тех пор было предпринято множество попыток построить детекторы для кораблей, поездов и айсбергов. Большинство из них имели существенные практические ограничения из-за использования низкочастотных сигналов, которые требовали больших антенн для обеспечения приемлемых характеристик. Устройство Bell, работавшее на базовой частоте 450 МГц, было одной из самых высокочастотных систем своего времени, что делало его гораздо более полезным.

В Канаде Национальный исследовательский совет (NRC) начал работу над бортовой радиолокационной системой, использующей в качестве основы высотомер Белла. Это стало большим сюрпризом для британских исследователей, когда они посетили остров в октябре 1940 года в составе миссии Тизард , поскольку британцы в то время считали, что они единственные, кто работал над этой концепцией. Увидев, что идея уже не является секретом, Миссия представила СРН свои разработки качества производства. От конструкции Bell отказались в пользу создания полностью разработанной британской конструкции ASV Mark II , которая работала на гораздо более высоких уровнях мощности.

Во Франции исследователи французского подразделения IT&T проводили аналогичные эксперименты с радаром, когда немецкое вторжение приблизилось к лабораториям в Париже. Лаборатории были намеренно разрушены, чтобы исследования не попали в руки немцев. Немецкие команды нашли антенны среди завалов и потребовали объяснений. Директор по исследованиям IT&T отвел подозрения, показав им высотомер на обложке журнала и упрекнув их в том, что они не в курсе новейших навигационных технологий.

Приложения

Современное радиовысотомерное оборудование в 2018 году

В гражданской авиации

Радарные высотомеры часто используются коммерческими самолетами для захода на посадку и посадки, особенно в условиях плохой видимости (см. правила полетов по приборам ), а также для автоматической посадки , что позволяет автопилоту знать, когда начинать маневр выравнивания . Радиовысотомеры передают данные на автомат тяги , который является частью бортового компьютера .

Радиовысотомеры обычно дают показания только на высоте до 2500 футов (760 м) над уровнем земли (AGL). Часто метеорологический радар можно направить вниз, чтобы получить показания с большего расстояния, до 60 000 футов (18 000 м) над уровнем земли (AGL). По состоянию на 2012 год , all airliners are equipped with at least two and possibly more radar altimeters, as they are essential to autoland capabilities. (As of 2012, определение высоты с помощью других методов, таких как GPS, не разрешено правилами.) Старые авиалайнеры 1960-х годов (такие как British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) и меньшие авиалайнеры в классе мест менее 50 (такие как ATR 42 и серия BAe Jetstream ) ими оснащены.

Радиовысотомеры являются важной частью систем предупреждения о приближении к земле (GPWS), предупреждая пилота, если самолет летит слишком низко или снижается слишком быстро. Однако радиолокационные высотомеры не могут видеть местность непосредственно перед самолетом, а только под ним; такая функциональность требует либо знания местоположения и местности в этом месте, либо переднего радара местности. Антенны радиовысотомера имеют довольно большой главный лепесток, около 80°, так что при углах крена примерно до 40° радар определяет расстояние от самолета до земли (в частности, до ближайшего крупного отражающего объекта). Это связано с тем, что диапазон рассчитывается на основе первого возврата сигнала за каждый период выборки. Он не обнаруживает наклонную дальность до тех пор, пока угол крена или тангажа не превысит 40°. Это не является проблемой при приземлении, поскольку крен и крен обычно не превышают 20°.

Радиовысотомеры, используемые в гражданской авиации, работают в диапазоне C IEEE между 4,2 и 4,4 ГГц.

В начале 2022 года потенциальные помехи от вышек сотовой связи 5G привели к задержкам и отмене рейсов в США.

В военной авиации

Выполняется техническое обслуживание радиовысотомера Northrop Grumman EA-6B Prowler.

Радиовысотомеры также используются в военных самолетах, чтобы летать довольно низко над сушей и морем, чтобы избежать радиолокационного обнаружения и нацеливания зенитными орудиями или ракетами класса «земля-воздух» . Родственным применением технологии радиовысотомера является радар слежения за местностью , который позволяет истребителям-бомбардировщикам летать на очень малых высотах.

F -111 Королевских ВВС Австралии и ВВС США оснащены дальновидной радиолокационной системой слежения за местностью (TFR), подключенной через цифровой компьютер к автопилотам. Под носовым обтекателем расположены две отдельные антенны СКР, каждая из которых передает индивидуальную информацию в двухканальную систему СКР. На случай отказа этой системы F-111 имеет резервную радиолокационную систему высотомера, также подключенную к автопилоту . Затем, если F-111 по какой-либо причине когда-либо опустится ниже заданной минимальной высоты (например, 15 метров), его автопилот получит команду перевести F-111 во взлет 2G (крутой набор высоты с носом вверх ). во избежание столкновения с землей или водой. Даже в бою опасность столкновения намного выше, чем опасность быть обнаруженным противником. Подобные системы используются на самолетах F/A-18 Super Hornet, эксплуатируемых Австралией и США.

Международное регулирование

Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет радиовысотомеры как «радионавигационное оборудование на борту воздушного или космического корабля, используемое для определения высоты воздушного судна или космического корабля над поверхностью Земли или другой поверхностью» в статье 1.108 Регламента радиосвязи МСЭ ( РР). Радионавигационное оборудование классифицируется по службе радиосвязи , в которой оно работает постоянно или временно. Использование радиовысотомера относится к категории услуг по обеспечению безопасности жизни , должно быть защищено от помех и является важной частью навигации .

См. также

• Лазерный высотомер
• Спутниковая альтиметрия

Ссылки

Библиография

• Эспеншид, Ллойд; Ньюхаус, Рассел (январь 1939 г.). «Индикатор дорожного просвета». Технический журнал Bell System . 18 (1): 222–234. дои : 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x .
• «Исторические новинки: радиовысотомер» (PDF) . Лаборатории Белла : 18–19. Январь 1948 года.
• Колин, Роберт (июль 1967 г.). «Премия пионера 1967 года: Ллойд Эспеншид и Рассел К. Ньюхаус». Транзакции IEEE по аэрокосмическим и электронным системам . АЭС-3(4): 736–742. дои : 10.1109/TAES.1967.5408855 .