ВЫСОТОМЕР ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2005 года по МПК G01S13/91 G01S17/08 

Предложение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения высоты полета летательного аппарата (ЛА).

Устройства для автоматического измерения высоты полета ЛА известны. Наиболее часто для измерения высоты полета используют радиолокаторы, работающие в СВЧ диапазоне [1]. Точность работы радиовысотомеров составляет единицы процентов и уменьшается с уменьшением высоты, особенно большие погрешности в работе радиолокационных высотомеров наблюдаются при сверхмалых высотах полета (десятки метров), имеющих место при посадке, взлете, выполнении монтажных работ на вертолете, управлении полетом беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Известен также некогерентный рентгеновский измеритель малых высот [2], принцип действия которого основан на выделении максимума обратно рассеянных квантов, регистрируемых детектором. Устройство содержит передатчик, состоящий из источника питания, модулятора и рентгеновской трубки, блок детектирования, соединенный с усилителем, а также ключи, формирователи стробов, линию задержки, интеграторы, дискриминаторы, схемы сравнения, генератор пилообразного напряжения, и регулируемую линию задержки.

Недостатки известного способа и устройства [2] состоят, во-первых, в значительной вероятности пропуска поверхности отражения, во-вторых, в высокой вероятности срыва сопровождения поверхности отображения, в-третьих, невысокая точность измерения высоты, в-четвертых, необходимость принятия защитных мер для предохранения людей, размещенных на летательном аппарате и, возможно, на поверхности отражения (земной поверхности) от вредного рентгеновского излучения; наконец, относительно большое энергопотребление, составляющее десятки ватт, что не применимо для БПЛА.

Первые три недостатка в известной степени устранены в способе измерения малых высот и устройстве для его осуществления [3]. Устройство, описанное в [3], является наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Устройство содержит рентгеновский передатчик, блок детектирования отраженного от поверхности рентгеновского излучения, формирователь строба, строб-импульс, с выхода которого через управляемую линию задержки поступают на трехотводную линию задержки. Эта линия формирует гребенку из трех примыкающих друг к другу стробов одинаковой длительности. Эти стробы поступают на первые входы соответствующих схем совпадения, на вторые входы которых поступают импульсы с блока детекторов. Счетчики, подключенные к выходам схем совпадений, подсчитывают количество зарегистрированных в каждом стробе импульсов, вычислитель mах управляет временем задержки сигнала в управляемой линии задержки, чтобы максимальное число совпадений фиксировалось в среднем стробе, то есть в среднем счетчике. Вычислитель синхронизирует работу устройства в целом и по времени задержки сигнала определяет требуемую высоту. В устройстве [3] по сравнению с устройством [2] исключены динамические ошибки измерения высоты, уменьшена вероятность пропуска поверхности отражения и уменьшена вероятность срыва сопровождения поверхности отражения. Однако остальные недостатки, присущие устройству [2], остались присущими устройству [3]. Поэтому основными недостатками устройства [3] являются: во-первых, невысокая точность измерения высоты, что связано с шириной диаграммы направленности излучения рентгеновского передатчика 80°. при возможном уменьшении диаграммы направленности рентгеновского передатчика устройство будет измерять фактически наклонную дальность из-за наличия, например, угла атаки летательного аппарата, что также ухудшает точность измерения; во-вторых, в воздействии рентгеновского излучения со средней энергией 60 кэВ в телесном угле 80° на все живые организмы, что требует принятия специальных защитных мер как для людей, размещаемых на летательном аппарате, так и людей, возможно, находящихся на отражающей поверхности; наконец, относительно большом энергопотреблении.

Цель настоящего предложения состоит в устранении указанных недостатков.

Цель достигается тем, что устройство состоит из двух оптико-электронных измерителей наклонной дальности с применением фокусирующих оптических объективов, позволяющих уменьшить ширину диафрагмы направленности до десятков угловых минут, снизив тем самым энергетические затраты и повысив точность измерения высоты. Кроме того, оптическое излучение безвредно для человека. В задней фокальной плоскости первого объектива в каждом измерителе наклонной дальности размещен светоизлучатель, подключенный к блоку питания. В задней фокальной плоскости второго объектива размещен светочувствительный линейный прибор с зарядовой связью, состоящий из N светочувствительных ячеек. Управляет работой светочувствительного линейного прибора с зарядовой связью генератор сдвиговых импульсов. Счетчик импульсов фиксирует номер считывающего светочувствительного элемента ЛПЗС. Информационный выход ЛПЗС через пороговый усилитель подключен к управляющему входу ключа. В том случае, когда с ЛПЗС считывается видеосигнал изображения подстилающей поверхности, освещенной светоизлучателем, на выходе порогового усилителя формируется импульс, который открывает ключ, и показание счетчика импульсов переписывается в регистр памяти. Блок вычисления дальности по номеру светочувствительной ячейки ЛПЗС и известному базовому расстоянию рассчитывает наклонную дальность до освещенной излучателем точки подстилающей поверхности. Эта наклонная дальность зависит как от высоты полета летательного аппарата, так и от угла атаки ЛА (Фиг.1). Для определения высоты полета в устройстве применено два измерителя наклонной дальности, разнесенных на базовое расстояние L (Фиг.1). Полученные результаты с выхода каждого блока измерения наклонной дальности одновременно поступают на соответствующие информационные входы блока вычитания, где осуществляется расчет разности между измеренными расстояниями. С выхода блока вычитания результат поступает на вход блока вычисления угла тангажа. При этом информация с расстояния между блоками измерения наклонной дальности записывается заранее в блок памяти. Эти данные подаются на вход блока вычисления sinβ. С выхода блока вычисления sinβ и входа блока памяти информация поступает на соответствующие входы блока умножения, где происходит расчет разности высот нахождения относительно Земли блоков измерения наклонной дальности. Сигнал с входа блока вычитания и сигнал с выхода блока измерения наклонной дальности поступает на соответствующие входы блока деления. В блоке сложения к результату, полученному с входа блока деления, прибавляется единица. На входы блока умножения поступают результаты соответственно с блока умножения и блока сложения. В блоке умножения рассчитывается конечная высота, значение которой подается на регистратор в требуемой форме.

Структурная схема устройства представлена на Фиг.2. Устройство содержит два идентичных блока измерения наклонной дальности 1 и 2, которые разнесены один относительно другого на расстояние L (Фиг.1). Каждый из блоков измерения наклонной дальности содержит объективы 3 и 4, расположенные в одной плоскости и разнесенные на базовое расстояние l (Фиг.2), светоизлучатель 5, блок питания 6, линейный прибор с зарядовой связью 7, пороговый усилитель 8, ключ 9, регистр памяти 10, счетчик импульсов 11, вычислитель наклонной дальности 12. Оптические оси объективов 3 и 4 ориентированы в сторону поверхности Земли. В задней фокальной плоскости объектива 3 помещен светоизлучатель 5, который подключен к выходу блока питания 6. В задней фокальной плоскости объектива 4 помещен линейный прибор с зарядовой связью 7. Линейный прибор с зарядовой связью 7 состоит из N-числа светочувствительных ячеек, ориентированных вдоль линии, на которой размещен светоизлучатель 5. Выход линейного прибора с зарядовой связью 7 через пороговый усилитель 8 подключен к управляющему входу ключа 9. Ключ 9 своим информационным выходом подключен к входу регистра памяти 10, а информационным входом к выходу счетчика импульсов 11. Регистр памяти 10 своим выходом подключен к блоку вычисления дальности 12. Счетчик импульсов 11 своим входом соединен с выходом генератора сдвиговых импульсов 13, а своим выходом старшего разряда подключен к управляющему входу регистра памяти 10. Количество двоичных разрядов n счетчика импульсов 11 выбрано таким, что выполняется равенство N=2ⁿ. Выходом блока измерения наклонной дальности 1 или 2 является выход соответствующего блока вычисления дальности 12, а входом служит вход счетчика импульсов 11. Выход каждого блока измерения наклонной дальности 1 и 2 подключен к соответствующему входу блока вычитания 14. Вход каждого блока измерения наклонной дальности 1 и 2 соединен с выходом генератора сдвиговых импульсов 13. Блок вычитания 14 своим выходом подключен к первому входу блока вычисления угла тангажа 15. Блок вычисления угла тангажа 15 своим выходом подключен к входу блока вычисления sinβ 17. Блок памяти 16 своим выходом подключей ко второму входу блока вычисления угла тангажа 15 и ко второму входу первого блока умножения 18. Блок вычисления sinβ 17 своим выходом подключен к первому входу первого блока умножения 18. Блок деления 19 своим выходом подключен к входу блока сложения 20, первым информационным входом подключен к выходу блока вычитания 14, а вторым информационным входом подключен к выходу блока измерения наклонной дальности 2. Блок сложения 20 своим выходом подключен к входу второго блока умножения 21. Второй блок умножения 21 выходом подключен к входу регистратора 22, первым информационным входом - к выходу блока сложения 20, а вторым информационным входом к выходу первого блока умножения 18. Управляющий выход синхрогенератора 23 подключен к входу генератора сдвиговых импульсов 13, блока вычитания 14, блока вычисления угла тангажа 15, блока вычисления sinβ 17, первого блока умножения 18, блока деления 19, блока сложения 20, второго блока умножения 21.

Работает устройство следующим образом. Световой поток от светоизлучателя 5 каждого блока измерения наклонной дальности 1 или 2 фокусируется соответствующим объективом 3 в виде узкого пучка на поверхности Земли. Отраженный от поверхности Земли световой поток объективом 4 проецируется на линейный прибор с зарядовой связью 7, где преобразуется в пропорциональные напряжения. Размер светочувствительной поверхности линейного прибора с зарядовой связью выбирается соизмеримым с размером светового пятна от светоизлучателя 5. Под воздействием светового потока в каждой ячейке линейного прибора с зарядовой связью образуются зарядовые пакеты. Считывание зарядовых пакетов производится путем передачи на линейный прибор с зарядовой связью 7 сдвиговых импульсов с генератора сдвиговых импульсов 13. С момента начала считывания информации с линейного прибора с зарядовой связью 7 счетчик импульсов 11 начинает отсчет числа импульсов, сформированных генератором сдвиговых импульсов 13. Световой поток, отраженный от поверхности Земли, содержит составляющие от естественного фона и освещенности от светоизлучателя 5. Яркость светового пятна от светоизлучателя 5 выбирается значительно больше естественной фона за счет запаса мощности блока питания 6. Этим обуславливается форма зафиксированного на линейном приборе с зарядовой связью сигнала. Максимум полученного сигнала соответствует световому потоку от светоизлучателя 5. С линейного прибора с зарядовой связью 7 информация поступает на пороговый усилитель 8. Величина порога выбирается такой, чтобы отделить сигнал светоизлучателя 5 от общего видеосигнала изображения подстилающей поверхности. При превышении интенсивностью сигнала заданного порогового значения пороговый усилитель 8 подает управляющий сигнал на ключ 9, вследствие чего ключ 9 замыкается. Информация о текущем количестве импульсов с информационного выхода счетчика импульсов 11 через ключ 9 поступает на информационный вход регистра памяти 10. При этом количество импульсов, зарегистрированное счетчиком импульсов 11, соответствует номеру светочувствительной ячейки i линейного прибора с зарядовой связью 7, в которой зарегистрирована интенсивность излучения, превышающая естественную освещенность подстилающей поверхности. Ключ 9 размыкается в момент начала считывания информации с очередной светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью 7, то есть после прихода в счетчик импульсов 11 очередного входного импульса. При увеличении или уменьшении высоты соответственно изменяется угол между оптической осью объектива 3 и лучом визирования объектива 4. Соответственно меняется и номер ячейки i () линейного прибора с зарядовой связью 7, на которую объективом 4 фокусируется световой поток от светоизлучателя 5. В регистре памяти 10 информация хранится до подачи управляющего сигнала с выхода старшего разряда счетчика импульсов 11. Максимальное значение N счетчика импульсов 11 равно количеству ячеек в линейном приборе с зарядовой связью 7. При завершении считывания информации с линейного прибора с зарядовой связью 7 старший разряд счетчика импульсов 11 заполняется, и с выхода старшего разряда подается управляющий сигнал на управляющий вход регистра памяти 10 и информация с регистра памяти 10 подается на информационный вход блока вычисления дальности 12, где осуществляется расчет дальности. Расчет дальности производится по известному базовому расстоянию между оптическими осями объективов 3 и 4, фокусному расстоянию объектива 4 и номеру ячейки i, в которой был зафиксирован максимум. Полученные результаты с выхода каждого блока измерения наклонной дальности 1 и 2 одновременно поступают на соответствующие информационные входы блока вычитания 14, где осуществляется расчет разности между измеренными расстояниями (А-В=С). С выхода блока вычитания 14 результат поступает на вход блока вычисления угла тангажа 15. При этом информация с расстояния между блоками измерения наклонной дальности 1 и 2 записывается заранее в блок памяти 16. Эти данные подаются на вход блока вычисления sinβ 17. С выхода блока вычисления sinβ 17 и входа блока памяти 16 информация поступает на соответствующие входы первого блока умножения 18, где происходит расчет разности высот(X=L·sinβ) нахождения относительно Земли блоков измерения наклонной дальности 1 и 2. Сигнал с входа блока вычитания 14 и сигнал с выхода блока измерения наклонной дальности 2 поступает на соответствующие входы блока деления 19 (В/(А-В)). В блоке сложения 20 к результату, полученному с входа блока деления 19, прибавляется единица. На входы блока второго умножения 21 поступают результаты соответственно с первого блока умножения 18 и блока сложения 20. Во втором блоке умножения 21 рассчитывается конечная высота значение которой подается на регистратор 22. Синхронную работу блоков измерения наклонной дальности 1 и 2, блока вычитания 14, блока вычисления угла тангажа 15, блока вычисления sinβ 17, первого блока умножения 18, блока деления 19, блока сложения 20, второго блока умножения 21 обеспечивает синхрогенератор 23.

Источники информации

1. В.Е.Колчинский и др. Доплеровские устройства и системы навигации, М.: Сов. радио., 1975, с.45.

2. Ф.Л.Герчиков. Управляемое рентгеновское излучение в приборостроении. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.57.

3. Б.А.Спасский. Способ измерения малых высот и устройство для его осуществления. Патент RU 2032919 S1, G 01 S 17/66, 13/64. Опубликован 10.04.1995.

Использование: Измерение высоты полета летательного аппарата на низких высотах (десятки метров) при взлете, посадке, выполнении монтажных работ на вертолете, управлении полетом беспилотного летательного аппарата. Достигаемый технический результат изобретения состоит в повышении точности измерения малых высот полета летательного аппарата. Сущность изобретения: устройство содержит два идентичных блока измерения наклонной дальности. Каждый из блоков измерения наклонной дальности содержит по два объектива, расположенных в одной плоскости и разнесенных на базовое расстояние l, светоизлучатель, блок питания, линейный прибор с зарядовой связью, пороговый усилитель, ключ, регистр памяти, счетчик импульсов, вычислитель наклонной дальности. Кроме того, устройство содержит блоки вычисления высоты полета и блоки, управляющие синхронной работой всех элементов устройства: блок вычитания, блок вычисления угла тангажа, блок вычисления sinβ, два блока умножения, блок сложения, регистратор, блок памяти, в котором содержится информация о расстоянии между блоками измерения наклонной дальности, генератор сдвиговых импульсов и синхрогенератор. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высотомер летательного аппарата, содержащий блок вычисления высоты, регистратор, отличающийся тем, что дополнительно введены второй блок вычисления высоты, блок памяти, синхрогенератор, генератор сдвиговых импульсов, последовательно соединенные блок вычитания, блок вычисления угла тангажа, блок вычисления sinβ и первый блок умножения, а также последовательно соединенные блок деления, блок сложения и второй блок умножения, причем каждый блок вычисления высоты выполнен в виде блока измерения наклонной дальности, выход каждого из которых подключен к соответствующему входу блока вычитания, выходом соединенного с первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу одного из блоков измерения наклонной дальности, при этом выход синхрогенератора соединен соответственно с управляющим входом первого блока умножения, с управляющим входом блока сложения, управляющим входом блока деления, управляющим входом второго блока умножения, управляющим входом блока вычисления sinβ, управляющим входом блока вычисления угла тангажа, управляющим входом блока вычитания и управляющим входом генератора сдвиговых импульсов, выходом подключенного к входу каждого из блоков измерения наклонной дальности, причем блоки измерения наклонной дальности разнесены один относительно другого на базовое расстояние L, выход блока памяти подключен ко второму информационному входу блока вычисления угла тангажа и второму информационному входу первого блока умножения, выходом соединенного со вторым информационным входом второго блока умножения, выходом подключенного к входу регистратора.2. Высотомер летательного аппарата по п.1, отличающийся тем, что блок измерения наклонной дальности выполнен в виде первого и второго объективов, оптические оси которых разнесены на базовое расстояние l и ориентированы в направлении земной поверхности, последовательно соединенных порогового усилителя, ключа и блока вычисления дальности, а также счетчика импульсов, блока питания, светоизлучателя и светочувствительного линейного прибора с зарядовой связью, причем в задней фокальной плоскости первого объектива размещен светоизлучатель, а в задней фокальной плоскости второго объектива размещен светочувствительный линейный прибор с зарядовой связью, выходом соединенный с входом порогового усилителя, а управляющим входом подключенный к входу счетчика импульсов, выход которого подключен к управляющему входу ключа, а выход старшего разряда соединен с управляющим входом регистра памяти, при этом выход блока питания подключен к входу светоизлучателя, при этом выходом блока измерения наклонной дальности служит блок вычисления дальности, а входом блока измерения наклонной дальности служит вход счетчика импульсов.