Исследование амплитудных методов радиопеленгации», «Исследование принципов построения амплитудных радиомаячных угломерных систем», «Исследование принципа работы импульсного дальномера»

ВВЕДЕНИЕ

В данное пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Бортовые радиоэлектронные системы» включены описания 5 лабораторных работ: «Исследование амплитудных методов радиопеленгации», «Исследование принципов построения амплитудных радиомаячных угломерных систем», «Исследование принципа работы импульсного дальномера», «Принципы радиолокации и отображающие свойства радиолокационных объектов (целей)», «Селекция движущихся целей».

Закреплению материала способствует проведение натурных экспериментов на лабораторных стендах.

Все лабораторные работы проводятся по единому плану:

выполнение домашнего задания и подготовка отчета;
получение допуска к выполнению лабораторной работы;
выполнение экспериментальной части лабораторной работы;
оформление отчета;
защита работы.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

титульный лист;
название и цель работы;
краткие теоретические сведения, основные понятия и их взаимосвязь;
результат выполнения домашнего задания и экспериментальной части работы (схемы, таблицы и графики с необходимыми пояснениями);
выводы по работе.

ЛИТЕРАТУРА

Беляевский Л.С., Новиков B.C., Олянюк П.В. Основы радионавигации. — М.: Транспорт, 1992.
Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. — М.: Радио и связь, 1983.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
«Исследование амплитудных методов радиопеленгации»
Цель работы

Изучение амплитудных методов радиопеленгации.
Исследование принципа действия амплитудного радиопеленгатора, реализующего метод сравнения.

Подготовка к работе

1. Домашнее задание

Изучить материал по амплитудным угломерным системам, использующим методы минимума, максимума и сравнения амплитуд [1, с.131-141].

2. Краткие теоретические сведения

Основная задача навигации — вывод подвижного объекта в заданную область пространства в заданный момент времени по оптимальной траектории. Эта задача решается путем измерения навигационных параметров (НП) ВС (величин, характеризующих текущие координаты, направление и скорость движения ВС) и сравнения результатов измерения со значениями НП, заданными планом полета, с последующей коррекцией траектории ВС.

Измерение НП с помощью радиосигналов является не прямым, а косвенным, т.е. информация о НП извлекается из параметров радиосигнала.

Информативный параметр (ИП) — это параметр радиосигнала, несущий информацию об определенном НП.

Примеры НП: широта, долгота, азимут, угол места, дальность, курс, пеленг, путевая скорость.

Пример ИП: амплитуда, частота, фаза, временная задержка сигнала.

По типам определяемого НП и измеряемого ИП осуществляется классификация методов радионавигации.

В амплитудных радиопеленгаторах для получения зависимости амплитуды сигнала от угла U_m = f(θ) обязательным условием является применение направленных антенн. Зависимость напряжения на выходе антенной системы от направления прихода волны — это характеристика направленности антенны, а ее графическое изображение называется диаграммой направленности (ДН).

Зависимость U_m = f(θ) может быть получена двумя способами: либо использованием направленных передающих антенн и ненаправленного приема, либо применением направленных приемных антенн и ненаправленного излучения.

Радионавигационные устройства, работающие по первому способу, образуют класс радиомаяков, по второму — класс радиопеленгаторов. Радиопеленгатор — это приемное устройство, позволяющее определить направление прихода радиоволн, излучаемых объектом.

Амплитудный метод радиопеленгации может быть реализован в 3 вариантах:

пеленгация по максимуму принимаемого сигнала;
пеленгация по минимуму принимаемого сигнала;
пеленгация по методу сравнения двух сигналов, принимаемых антеннами с пересекающимися ДН.

При методе максимума используется узкая ДН (рис 1.1) с явно выраженным максимумом; антенна вращается в небольших пределах вблизи направления на источник излучения, отсчет пеленга берется в момент максимальной амплитуды сигнала на входе приемного устройства. Точность пеленгации определяется остронаправленностью ДН.
Рис. 1.2

Рис. 1.1

Преимущество метода максимума состоит в простой технической реализации и большом отношении сигнал/шум в момент измерения, которое позволяет получить высокую точность.

Принципиальным недостатком является невозможность определения стороны уклонения антенны от объекта.

При методе минимума используется антенная система с двумя развернутыми в пространстве ДН (рис. 1.2), которые перемещаются одновременно, вращаясь в небольших пределах вблизи направления на источник излучения. Угловое положение объекта фиксируются в момент, когда амплитуды сигналов, принятых по каждой ДН, близки к 0, при этом незначительный поворот антенной системы приводит к увеличению амплитуды сигнала.

Точность пеленгации методом минимума тем выше, чем больше остронаправленность ДН.

Определение стороны уклонения антенны от объекта возможно, т.к. при переходе через 0 полярность сигнала меняется на противоположную.

Принципиальным недостатком метода минимума является отсутствие сигнала на входе приемника в момент пеленгования (неизвестно, взят ли точный пеленг или сигнал просто отсутствует).

Рис. 1.3

При методе сравнения ДН антенной системы разведены в пространстве не полностью, а пересекаются по уровню половинной мощности (рис. 1.3). При таком расположении ДН образуется направление, на котором сигналы, принимаемые от объекта, одинаковы в обоих ДН, это направление называется равно сигнальным (РСН).

При смещении объекта от РСН баланс сигналов нарушается, и по их соотношению можно определить величину и знак смещения. Соотношение сигналов может быть определено аддитивным и мультипликационным способами. Аддитивный радиопеленгатор формирует разность амплитуд сигналов, полученных по двум ДН. Мультипликативный пеленгатор определяет их отношение; для такой обработки удобноиспользовать диаграммы вида F₁(θ) = sin θ и F₂(θ) = cos θ (рис 1.4).
Сравнение принятых сигналов путем образования их отношения:
где Uo — амплитуда сигнала в максимуме ДН;

F_n(θ) — пеленгационная характеристика — зависимость нормированного выходного напряжения радиопеленгатора от угла θ.

После приемных устройств сигналы с антенны поступают на отклоняющие пластины электронно-лучевого индикатора. На его экране угол отклонения луча θ от вертикального направления равен искомому пеленгу:

Эпюры напряжений, поясняющие механизм отклонения луча, представлены на рис. 1.5.

Рис..1.5 1.5.

θ^* = θ только при полной идентичности обоих каналов, включая антенны, входные цепи, усилители и отклоняющие системы. В этом случае градировочная кривая, т.е. зависимость оценки θ^* от углового положения объекта, имеет вид, приведенный на рис. 1.6.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

Методы построения радиопеленгационных систем, реализующих принципы максимума, минимума и сравнения. Достоинства и недостатки этих систем.

Что такое пеленгационная характеристика?

Структурная схема радиопеленгационной системы, реализующей мультипликативный метод сравнения.

Поясните взаимное положение ДНА. Какие типы антенн могут быть использованы?
Математическое описание алгоритма сравнения сигналов.
Что такое градуировочная характеристика?

Лабораторный эксперимент

1. Лабораторная установка

Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.7. Антенная система имитируется двумя взаимно перпендикулярными катушками. Напряжение на этих статарных катушках наводится от воздействия переменного магнитного поля, источником которого является роторная катушка, запитываемая сигналом со звукового генератора. Данное устройство является гониометром, задающим направление прихода радиоволны (угол шкалы).

Приемники в лабораторной установке представлены низкочастотными эквивалентами. Фазовые сдвиги по каналам X, Y, Z регулируются фазовращателями.

Усиление устанавливается регулировками индикатора и потенциометром «Амплитуда Z» для опорного напряжения.

Рис.1.7

При исследовании помехоустойчивости пеленгатора в качестве регулярной помехи используется синусоидальная помеха с частотой, близкой к частоте сигнала. Возможно подключение шумовой помехи. В лабораторной установке используются приборы:

звуковые генераторы (в качестве источников сигнала и регулируемой помехи);
осциллограф (в качестве индикатора);

- генератор шума (в качестве источника случайной помехи).

2. Порядок проведения исследования

2.1. Построение градуировочной кривой

На канал X подать сигнал амплитудой 70В

На управляющий электрод Z опорное напряжение не подается электрод (должен быть выключен; цвет черный).
В гнезде Г4 (канал Х) наблюдать за прохождением сигнала через первый канал при различных углах θ.

Отключить Г4 (канал Х и подать сигнал амплитуды 70В на канал Y (гнездо Г5). Наблюдать прохождение сигнала через второй канал. Изменяя θ в пределах 360°, снять зависимость амплитуды сигнала на выходе второго канала от угла θ.

Подключить вход X к гнезду вход Y — к
Установить θ = 0.

Зафиксировать размер вертикальной линии на экране осциллографа.

Установить θ = 90. Зафиксировать размер горизонтальной линии. Регулировками усиления каналов X и Y осциллографа добиться равенства вертикальной и горизонтальной линий.

Установить θ = 45. Регулируя фазовые сдвиги в каналах X и Y, добиться изображения в виде линии.

Подать сигнал 70В на оба канала :

При нажатии на Г3 изменяется цвет с черного на красный, изображение луча на экране осциллографа меняется (при угле 45⁰):

Изменяя θ, снять градуировочную характеристику θ^* = θ^*(θ), т.е. зависимость показаний индикатора от направления прихода радиоволны. Отсчеты произвести для значений θ от 0° до 360° через 30°

Построить градуировочную кривую θ^* = θ^*(θ) и сравнить её с идеальной градуировочной кривой (табл.1.1).

Таблица 1.1

θ,град	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360
θ^*,град

Исследование влияния разбаланса каналов.

1.Снять с управляющего электрода Z запирающее напряжение.

Нарушив равенство размеров вертикальной и горизонтальной линий на индикаторе при θ =0⁰ и θ=90⁰ , регулировкой усиления осциллографа установить неидентичность коэффициентов усиления каналов ΔК% = 30%.

2. Изменяя θ , снять зависимость θ(θ^*) и найти величину ошибки

Δθ = θ – θ^* (табл. 1.2).

Таблица 1.2

θ,град	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360
θ^*,град
Δθ,град

3. Построить экспериментальную и расчетную (по формуле (1) ) зависимость ошибки от угла.

4. Установить относительный фазовый сдвиг Δφ, регулируя фазовращателями запаздывания в каналах X и Y, зарисовать осциллограммы.

2.2. Исследование помехоустойчивости

Панель введения помех

Подключить к гнезду «Помеха канала Х» синусоидальную помеху. Установить амплитуду 30В и частоту помехи порядка 30 кГц.

Добившись регулировкой амплитуды изображения на экране в виде фигуры с четким контуром, изменяя ее, наблюдать и зарисовать изменения изображения на экране.

Отключить помеху от гнезда «Помеха канала Х» и подключить ее к гнезду «Помеха канала Y». Наблюдать действие помехи по каналу Y. Установить амплитуду помехи такой величины, чтобы она практически не оказывала влияния на точность пеленгования.

Зная амплитуду сигнала Х (70В) и помехи (30В) в этом канале, определить предельное соотношение сигнал/помеха, при котором измерение пеленга производится без ошибок. Уменьшая соотношение сигнал/помеха в 2 и 3 раза, зарисовать изображение линии пеленга для трех значений θ.

Пункт выполняется по указанию преподавателя

Подключая к гнездам вместо синусоидальной помехи, исследовать действие помехи с различными значениями интенсивности. Зарисовать осциллограммы (пример показан на рис.1.8).

Рис 1.8

Контрольные вопросы

Оцените степень близости экспериментальной градуировочной характеристики к идеальной.

Какими причинами обусловлена неидеальность градуировочной характеристики?
Каково влияние синусоидальной помехи на точность пеленгации?

Каково влияние интенсивности шумовой помехи и ширины ее спектра на точность пеленгации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
«Исследование принципов построения амплитудных радиомаячных

угломерных систем»
Цель работы

Изучение принципов построения амплитудных радиомаячных угломерных систем.
Исследование методов измерения угловых координат, используемых в радиомаячных системах посадки равносигнального типа.

Подготовка к работе

1. Домашнее задание

Изучить материалы по следующим вопросам:

измерение угловых координат с помощью амплитудных радиомаячных систем [1, с. 51-152];
принципы построения радиосигнальных радиомаяков [1, с. 152-156].

2. Краткие теоретические сведения

Радиомаяк — это передающее устройство, формирующее электромагнитное поле, параметры которого зависят от угловых координат точки приема.

Радиомаячная система посадки (РМСП) — это единый комплекс наземных и бортовых технических радиоустройств, предназначенный для осуществления захода на посадку и посадки ВС.

РМСП обеспечивает экипаж снижающегося ВС непрерывной информацией о значении и знаке отклонения ВС от номинальной траектории снижения и дискретной информацией о расстоянии до начала ВПП. Для этого служат курсовой, глиссадный и маркерные маяки.

При посадке линия курса, т.е. проекция траектории ВС на поверхность земли должна в идеале совпадать с осью ВПП. Плоскость курса проходит через ось ВПП перпендикулярно земной поверхности.

Плоскость глиссады составляет с горизонтальной плоскостью угол планирования, или угол глиссады. Глиссада — линия планирования, она определяется пересечением плоскостей курса и глиссады.

Обе плоскости задаются соответственно курсовыми и глиссадными маяками. Их расположение регламентировано ИКАО (рис. 2.1).

Курсовой радиомаяк (КРМ) находится на продолжении ВПП на расстоянии (400-1000) м, глиссадный маяк (ГРМ) — сбоку от ВПП на расстоянии (120-180) м от оси ВПП и (200-450) м от начала ВПП. Маркерные маяки расположены перед торцом ВПП со стороны захода на посадку.

Самое широкое применение в РМСП находят амплитудные методы — как в отечественных (СП), так и в международных (ILS).

Основной метод задания направления в радиомаячных системах посадки - метод сравнения амплитуд. Он может быть реализован в равносигнальном варианте.

Антенны равносигнальных радиомаяков с пересекающимися ДН (рис.2.2) излучают AM колебания с чистотой модуляции Ω₁ = 90 Гц в одном лепестке и Ω₂= 150 Гц в другом. Равносигнальная зона совпадает с вертикальной плоскостью, содержащей ось ВПП. Поле с частотой модуляции Ω₁ преобладает справа от оси ВПП по направлению захода ВС на посадку, а с частотой Ω₂ — слева от нее.

Напряженность полей первой и второй ДН:

где E_m₁, E_m₂ — амплитуды напряженности полей в максимумах ДН; F₁(θ), F₂(θ) — нормированные ДН;

m₁, m₂ — коэффициенты модуляции с частотами Ω₁ и Ω₂;

φ — фазовый сдвиг каналов. При полной идентичности каналов радиомаяка E_m₁ = E_m₂ = E_m, m₁= m₂ и φ = 0 и результирующее (суммарное) поле имеет вид:

Коэффициенты при sin(Ω₁t) и sin(Ω₂t) определяют зависимость амплитуд колебаний частот модуляции от угла θ и называются коэффициентами глубины пространственной модуляции М₁ и М₂. Если амплитуды сигналов с частотами Ω₁ и Ω₂ сравнить, т.е. сравнит М₁ и М₂, то можно определить, в какую сторону и на сколько ВС отклонилось от заданной траектории.

Бортовой приемник формирует сигналы, пропорциональные М₁ и М₂, а затем определяет их разности. Отклонение стрелки бортового индикатора пропорционально разности глубин модуляции (РГМ) Δ.

В идеальном случае РГМ равно:

Каналы курса и глиссады устроены по одному и тому же принципу и состоят из наземного радиомаяка (рис. 2.3 а) и бортового приемного устройства (рис.2.3 б).
Положению ВС на номинальной траектории соответствует значение Δ = 0.

Зависимость Δ (θ) приведена на рис. 2.2 б (выше).

следующая страница>