Повышение точностных характеристик скоростного канала радиовысотомерной системы конфигурированием антенной системы

Данная статья посвящена особенностям работы скоростного канала радиовысотомерной системы (РВС), и в частности, снижению погрешностей измерения продольной V x и поперечной V z составляющих вектора скорости путем изменения конфигурации антенной системы (АС).

Радиовысотомерная система предназначена для измерения высоты полета и составляющих вектора скорости полета летательного аппарата (ЛА) в связанной системе координат [1].

В состав РВС входят:

– антенная система;

– приёмопередающее устройство;

– многофункциональный блок обработки сигналов;

– блок питания.

Исходная АС РВС представляет собой антенную систему из трёх идентичных микрополос-ковых антенн с продольным и поперечным разносом между соседними антеннами (рис. 1) [2].

Рис. 1. Геометрия исходной АС

Инфокоммуникационные технологии и системы

В основу работы высотомерного канала РВС положен импульсный радиолокационный метод измерения высоты со статистической обработкой отраженных сигналов посредством микропроцессорного вычислителя.

В основу работы скоростного канала РВС положен корреляционный метод измерения [3, 4]. Составляющие вектора скорости определяются по положению максимума взаимной корреляционной функции (ВКФ) пространственно-разнесенных между собой отраженных от подстилающей поверхности сигналов, принимаемых разнесенными антеннами, расположенными на ЛА, с учетом геометрии АС РВС. Таким образом, геометрия АС является одним из многочисленных звеньев, обеспечивающих точность измерения составляющих вектора скорости полета ЛА.

Способ снижения погрешностей измерения составляющих вектора

Одним из направлений работы над улучшением тактико-технических характеристик РВС является обеспечение работоспособности скоростного канала над поверхностями с узкой диаграммой обратного рассеяния (ДОР).

Рассматриваемый в данной статье способ решения вышеназванной проблемы предлагает модернизацию РВС путем изменения конфигурации АС (увеличение поперечной базы) с целью снижения погрешности измерения скоростного канала.

В качестве антенной системы для РВС предлагается АС, представленная на рис. 2. АС содержит одну передающую антенну 6 и пять приемных антенн 1–5 [5].

Рис. 2. Геометрия модернизированной АС

Васильева А.В., Калмыков Н.Н., Мельников С.А.

Для оценки эффективности предлагаемой АС в математической среде MATLAB было проведено моделирование работы скоростного канала РВС с учетом геометрии модернизированной АС, включающее в себя:

• –    моделирование отражающей поверхности, представляющей собой классическую фацетную модель;

• –    моделирование режима излучения сигнала, отраженного от подстилающей поверхности;

• –    реализацию алгоритмов вычисления составляющих вектора скорости полета ЛА.

Моделирование проводилось при имитации полета ЛА с характеристиками, приведенными в табл. 1, для двух вариантов подстилающей поверхности:

• –    однородная поверхность типа «лес», ДОР = 30°;

• –    однородная поверхность типа «вода», ДОР = 3°, 2°, 1,5°.

Характеристики имитируемого полета ЛА

Таблица 1

Высота полета ЛА, H эт. , м	Продольная составляющая вектора скорости ЛА, V x_ эт , м/c	Поперечная составляющая вектора скорости ЛА, V z_ эт , м/c	Угол сноса, β, °
300	200	10	3
		20	6
		30	9

Примечание. Приведенные характеристики соответствуют условиям полета ЛА в натурной работе.

При полете ЛА над поверхностью с достаточно широкой ДОР для получения оценок составляющих вектора скорости предлагается использовать одну из троек модернизированной АС (см. рис. 2), образующих равнобедренный треугольник, в основании которого две рядом расположенные антенны, например, антенны 1, 3, 4 [4].

Результаты, полученные в ходе моделирования работы скоростного канала РВС с тройкой антенн 1, 3, 4 при полете ЛА над поверхностью с широкой ДОР, приведены в табл. 2.

Результаты моделирования

Таблица 2

АС СКО	Исходная АС	Модернизированная АС (тройка антенн 1, 3, 4)
СКО_ V x	0,38	0,37
СКО_ V z	0,64	0,49

По данным, приведенным в табл. 2, следует, что над поверхностью с широкой ДОР РВС с тройкой антенн 1, 3, 4 модернизированной АС работает идентично РВС с исходной антенной (см. рис. 1).

Поскольку предлагаемая АС содержит дополнительные приемные антенны, появляется возможность уменьшить погрешность измерения составляющих вектора скорости. Действительно, выбрав для сравнения корреляционных характеристик сигналов две тройки антенн 1, 3, 4 и 2, 4, 5, можно получить две независимые оценки составляющих вектора скорости. И в соответствии с теорией случайных погрешностей [6] две независимые оценки составляющих вектора скорости позволят уменьшить погрешности измерения параметров в 2 раз.

Результаты проверки возможности уменьшения погрешности измерения составляющих вектора скорости РВС путем получения двух независимых оценок составляющих вектора скорости приведены на рис. 3 и в табл. 3.

Инфокоммуникационные технологии и системы

Таблица 3

Результаты моделирования

АС СКО	Тройка антенн 1, 3, 4	Две тройки антенн 1, 3, 4 и 2, 4, 5	СКО Отношение       134 СКО 134 + 245
СКО_ V x	0,325	0,326	0,997
СКО_ V z	0,733	0,432	1,697

По данным, приведенным на рис. 3 и в табл. 3, следует, что над поверхностью с широкой ДОР путем получения двух независимых оценок составляющих вектора скорости для двух троек антенн 1, 3, 4 и 2, 4, 5:

• –    погрешность измерения продольной составляющей вектора скорости V_x остаётся неизменной;

• –    погрешность измерения поперечной составляющей вектора скорости V z уменьшается более чем в 2 .

Таким образом, в силу симметричного расположения названных выше троек антенн возможные медленно меняющиеся погрешности боковой составляющей скорости, вызванные взаимным влиянием антенн (отклонение оси диаграммы направленности антенны, увеличение расстояния между фазовыми центрами), противоположны по знаку и компенсируются при усреднении полученных двух оценок.

Максимальные погрешности измерения поперечной составляющей вектора скорости возникают при полете над поверхностями с узкой ДОР, поскольку ВКФ сигналов при этом расширяются, а дискриминационная характеристика становится очень чувствительной (рис. 4).

Рис. 4. Дискриминационная характеристика

Васильева А.В., Калмыков Н.Н., Мельников С.А.

При использовании модернизированной АС появляется возможность снижения погрешности поперечной составляющей вектора скорости V z над такими поверхностями путем увеличения поперечного разноса антенн, сигналы которых сравниваются. Таким образом, выбрав пары антенн 1, 5 и 2, 3, построив их ВКФ, получим увеличение поперечного параметра Z 0 АС в три раза, соответственно во столько же раз должна уменьшиться погрешность определения параметра V_z [7].

Результаты моделирования работы скоростного канала РВС с расширенной поперечной базой АС (пары антенн 1, 5 и 2, 3) над поверхностью с узкой ДОР приведены на рис. 5 и в табл. 4.

Рис. 5. Поперечная составляющая вектора скорости (ДОР = 1,5°)

Результаты моделирования

Таблица 4

АС СКО	Исходная АС	Модернизированная АС (пары антенн 1, 5 и 2, 3)	Ширина ДОР
СКО_ V z	7,06	2,18	1,5°
	4,29	1,49	2°
	2,75	1,43	3°

По данным, приведенным на рис. 5 и в табл. 4, следует, что при узкой ДОР погрешности измерения поперечной составляющей вектора скорости РВС с модернизированной АС снижаются почти в 3 раза по сравнению с РВС с исходной АС.

Заключение

Таким образом, по результатам моделирования были подтверждены теоретические постулаты по модернизированной антенной системе [7]:

• –    над поверхностью с широкой ДОР эффективно использовать АС с обычной поперечной базой (тройка антенн 1, 3 и 4). При этом усреднение двух независимых оценок составляющих вектора скорости для двух троек антенн 1, 3, 4 и 2, 4, 5 дает дополнительный выигрыш по погрешностям измерения параметра V_z более чем в 2 .

• –    над поверхностью с узкой ДОР целесообразно применять АС с расширенной поперечной базой (пары антенн 1, 5 и 2, 3). Следует отметить, что данный способ снижения погрешности поперечной составляющей скорости V_z будет эффективен только над гладкими поверхностями (ДОР порядка 1,5–3°) при расширении ВКФ.

В настоящее время рассмотренная в данной статье АС закладывается в разрабатываемые предприятием изделия. В частности, данная АС входит в состав РВС перспективного авиационного комплекса дальней авиации.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 8.2538.2017/4.6).

Инфокоммуникационные технологии и системы