Радиолокационный высотомер ( RA ), также называемый радиовысотомером ( RALT ), электронным высотомером , отражательным высотомером или радиовысотомером малого радиуса действия ( LRRA ), измеряет высоту над местностью , находящейся в данный момент под самолетом или космическим аппаратом , измеряя время, необходимое лучу радиоволн для достижения земли, отражения и возвращения к аппарату. Этот тип высотомера обеспечивает расстояние между антенной и землей непосредственно под ней, в отличие от барометрического высотомера , который обеспечивает расстояние над определенной вертикальной точкой отсчета , обычно средним уровнем моря .
Как следует из названия, радар ( радиолокация и определение дальности ) является основополагающим принципом системы. Система передает радиоволны вниз на землю и измеряет время, необходимое им для отражения обратно на самолет. Высота над землей рассчитывается на основе времени прохождения радиоволн и скорости света . [ 1 ] Радарные высотомеры требовали простой системы для измерения времени пролета, которое можно было бы отобразить с помощью обычных приборов, в отличие от электронно-лучевой трубки, обычно используемой в ранних радиолокационных системах.
Для этого передатчик посылает частотно-модулированный сигнал, частота которого меняется с течением времени, повышаясь и понижаясь между двумя частотными пределами, F min и F max в течение заданного времени, T. В первых устройствах это достигалось с помощью LC-контура с настроечным конденсатором, приводимым в действие небольшим электродвигателем. Затем выходной сигнал смешивается с несущим радиочастотным сигналом и отправляется на передающую антенну. [1]
Поскольку сигналу требуется некоторое время, чтобы достичь земли и вернуться, частота принятого сигнала немного задерживается относительно сигнала, отправляемого в этот момент. Разницу в этих двух частотах можно извлечь в смесителе частот , и поскольку разница в двух сигналах обусловлена задержкой достижения земли и обратно, результирующая выходная частота кодирует высоту. Выход обычно составляет порядка сотен циклов в секунду, а не мегациклов, и может легко отображаться на аналоговых приборах. [2] Этот метод известен как радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией .
Радиолокационные высотомеры обычно работают в диапазоне E , диапазоне K или, для более продвинутых измерений уровня моря, в диапазоне S. Радиолокационные высотомеры также обеспечивают надежный и точный метод измерения высоты над водой при полетах по длинным морским траекториям. Они имеют решающее значение для использования при работе на нефтяных вышках и с них. [ требуется пояснение ] [ требуется цитата ]
Высота, указанная устройством, не является указанной высотой стандартного барометрического высотомера. Радиолокационный высотомер измеряет абсолютную высоту : высоту « над уровнем земли » (AGL).
По состоянию на 2010 год [обновлять]все коммерческие радиолокационные высотомеры используют линейную частотно-модулированную непрерывную волну (LFMCW или FMCW), и около 25 000 самолетов в США имеют по крайней мере один радиовысотомер. [3] [4]
_(14569817878)_(cropped).jpg/1280px-Bell_telephone_magazine_(1922)_(14569817878)_(cropped).jpg)
Основная концепция радиолокационного высотомера была разработана независимо от более широкого поля радиолокации и берет свое начало в исследовании дальней телефонии в Bell Labs . В 1910-х годах Bell Telephone боролась с отражением сигналов, вызванным изменениями импеданса в телефонных линиях, обычно там, где оборудование подключалось к проводам. Это было особенно важно на ретрансляционных станциях, где плохо согласованные импедансы отражали большие объемы сигнала и затрудняли дальнюю телефонию. [5]
Инженеры заметили, что отражения, по-видимому, имели «горбистый» рисунок; для любой заданной частоты сигнала проблема была бы значительной только в том случае, если бы устройства были расположены в определенных точках линии. Это привело к идее отправки тестового сигнала в линию, а затем изменения его частоты до тех пор, пока не будут видны значительные эхо-сигналы. Это позволило бы определить приблизительное расстояние до устройства, что позволило бы идентифицировать его и устранить. [5]
Ллойд Эспеншид работал в Bell Labs, когда задумал использовать это же явление для измерения расстояний в проводе. Одной из его первых разработок в этой области был патент 1919 года (выданный в 1924 году) [6] на идею отправки сигнала на железнодорожные пути и измерения расстояния до разрывов. Их можно было использовать для обнаружения сломанных путей или, если расстояние менялось быстрее скорости поезда, других поездов на той же линии. [5]
В этот же период в физике разгорелся жаркий спор о природе распространения радиоволн. Успешные трансатлантические передачи Гульельмо Маркони казались невозможными. Исследования радиосигналов показали, что они передаются по прямой линии, по крайней мере на большие расстояния, поэтому трансляция из Корнуолла должна была исчезнуть в космосе, а не быть принятой в Ньюфаундленде . В 1902 году Оливер Хевисайд в Великобритании и Артур Кеннелли в США независимо друг от друга предположили существование ионизированного слоя в верхних слоях атмосферы, который отражал сигнал обратно на землю, чтобы его можно было принять. Это стало известно как слой Хевисайда . [7]
Хотя идея была привлекательной, прямых доказательств не было. В 1924 году Эдвард Эпплтон и Майлз Барнетт смогли продемонстрировать существование такого слоя в серии экспериментов, проведенных совместно с BBC . После того, как запланированные передачи на день закончились, передатчик BBC в Борнмуте послал сигнал, частота которого медленно увеличивалась. Его уловил приемник Эпплтона в Оксфорде , где появилось два сигнала. Один был прямым сигналом со станции, земной волной, а другой был получен позже во времени, после того как он прошел до слоя Хевисайда и обратно, небесной волной. [7]
Точное измерение расстояния, пройденного небесной волной, доказывающее, что она действительно находится в небе, было необходимо для демонстрации. Это было целью изменения частоты. Поскольку наземный сигнал прошел более короткое расстояние, он был более свежим и, таким образом, ближе к частоте, посылаемой в тот момент. Небесная волна, которая должна была пройти большее расстояние, была задержана и, таким образом, имела частоту, которая была некоторое время назад. Смешивая два в смесителе частот, создается третий сигнал, который имеет свою собственную уникальную частоту, которая кодирует разницу в двух входах. Поскольку в этом случае разница обусловлена более длинным путем, результирующая частота напрямую показывает длину пути. Хотя технически это было более сложно, в конечном счете это была та же самая базовая техника, которую использовал Белл для измерения расстояния до отражателей в проводе. [7]
В 1929 году Уильям Литтелл Эверитт , профессор Университета штата Огайо , начал рассматривать использование базовой техники Эпплтона в качестве основы для системы высотомера. Он поручил эту работу двум старшим коллегам, Расселу Конвеллу Ньюхаусу и М. В. Хавелу. Их экспериментальная система была больше похожа на более раннюю работу в Bell, используя изменения частоты для измерения расстояния до конца проводов. Они использовали ее в качестве основы для совместной выпускной диссертации в 1929 году. [8]
Эверитт раскрыл концепцию Патентному ведомству США , но не подал патент в то время. Затем он обратился в Фонд Дэниела Гуггенхайма по содействию аэронавтике за финансированием разработки. Джимми Дулиттл , секретарь Фонда, обратился к Ванневару Бушу из Bell Labs, чтобы вынести решение. Буш был настроен скептически в то время, что система может быть разработана, но тем не менее предложил Фонду профинансировать разработку рабочей модели. Это позволило Ньюхаусу построить экспериментальную машину, которая легла в основу его магистерской диссертации 1930 года, в партнерстве с Дж. Д. Корли. [8] [9]
Устройство было доставлено в Райт-Филд , где его испытал Альберт Фрэнсис Хегенбергер , известный эксперт в области навигации самолетов. Хегенбергер обнаружил, что система работает так, как и было заявлено, но заявил, что для практического использования она должна работать на более высоких частотах. [8] [a]
Эспеншид также рассматривал возможность использования идеи Эпплтона для измерения высоты. В 1926 году он предложил идею как способ измерения высоты, так и перспективную систему для избегания рельефа местности и обнаружения столкновений. Однако в то время частота доступных радиосистем даже в том, что было известно как короткие волны , была рассчитана в пятьдесят раз ниже, чем та, которая была необходима для практической системы. [5] [9]
В конце концов Эспеншид подал патент на эту идею в 1930 году. [9] К этому времени Ньюхаус покинул Университет штата Огайо и занял должность в Bell Labs. Здесь он встретил Питера Сандретто, который также интересовался темами радионавигации. Сандретто покинул Bell в 1932 году, чтобы стать суперинтендантом по коммуникациям в United Air Lines (UAL), где он руководил разработкой коммерческих радиосистем. [8]
Патент Эспеншида был выдан только в 1936 году [10], и его публикация вызвала большой интерес. Примерно в то же время Bell Labs работала над новыми конструкциями ламп, которые были способны выдавать от 5 до 10 Вт на частоте до 500 МГц, что идеально подходило для этой роли. [9] Это побудило Сандретто связаться с Беллом по поводу этой идеи, и в 1937 году было сформировано партнерство между Bell Labs и UAL для создания практической версии. Под руководством Ньюхауса команда имела рабочую модель на испытаниях в начале 1938 года, а Western Electric (производственное подразделение Bell) уже готовилось к производству модели. Ньюхаус также подал несколько патентов на усовершенствования в технике, основанные на этой работе. [11]
Система была публично анонсирована 8 и 9 октября 1938 года . [12] Во время Второй мировой войны массовое производство было начато RCA , которая выпускала их под названиями ABY-1 и RC-24. В послевоенное время многие компании занялись производством, и это стало стандартным инструментом на многих самолетах, поскольку слепая посадка стала обычным явлением. [11]
Статья, описывающая систему, была опубликована совместно Эспеншидом и Ньюхаусом в следующем году. В статье исследуются источники ошибок и делается вывод, что наихудший встроенный сценарий был порядка 9%, [13], но он может достигать 10% при полете над неровной местностью, например, над застроенными районами городов. [13]
Во время ранних полетов системы было замечено, что картина возвратов, видимых на осциллографе, различалась для разных типов местности под самолетом. Это открыло возможность для всевозможных других применений той же технологии, включая сканирование земли и навигацию. Однако эти концепции не были исследованы Беллом в то время. [12]
С конца 1800-х годов было известно, что металл и вода являются прекрасными отражателями радиосигналов, и с тех пор было предпринято много попыток построить детекторы кораблей, поездов и айсбергов. Большинство из них имели существенные практические ограничения из-за использования низкочастотных сигналов, которые требовали больших антенн для обеспечения разумной производительности. Устройство Bell, работающее на базовой частоте 450 МГц, было одной из самых высокочастотных систем своей эпохи, что делало его гораздо более полезным. [13] [b]
В Канаде Национальный исследовательский совет (NRC) начал работу над бортовой радиолокационной системой, используя высотомер Bell в качестве своей основы. Это стало большим сюрпризом для британских исследователей, когда они посетили страну в октябре 1940 года в рамках миссии Tizard , поскольку британцы в то время считали, что они были единственными, кто работал над этой концепцией. Видя, что идея уже не была секретом, миссия представила NRC свои качественные производственные разработки. Проект на основе Bell был заброшен в пользу строительства полностью разработанной британской конструкции ASV Mark II , которая работала на гораздо более высоких уровнях мощности. [14]
Во Франции исследователи французского отделения IT&T проводили аналогичные эксперименты с радаром, когда немецкое вторжение приблизилось к лабораториям в Париже. Лаборатории были намеренно разрушены, чтобы предотвратить попадание исследований в руки немцев. Немецкие команды обнаружили антенны в развалинах и потребовали объяснений. Директор по исследованиям IT&T отвел подозрения, показав им блок высотомера на обложке журнала и сделав им выговор за то, что они не в курсе последних навигационных технологий. [11]
.jpg/1280px-AERO_Friedrichshafen_2018,_Friedrichshafen_(1X7A4785).jpg)
Радиолокационные высотомеры часто используются коммерческими самолетами для захода на посадку и посадки, особенно в условиях плохой видимости (см. правила полетов по приборам ) и автоматических посадок , позволяя автопилоту знать, когда начинать маневр выравнивания . Радиолокационные высотомеры передают данные автомату тяги , который является частью бортового компьютера .
Радиолокационные высотомеры обычно дают показания только до 2500 футов (760 м) над уровнем земли (AGL). Часто метеорологический радар может быть направлен вниз, чтобы дать показания с большего расстояния, до 60 000 футов (18 000 м) над уровнем земли. По состоянию на 2012 год [обновлять]все авиалайнеры оснащены как минимум двумя, а возможно и большим количеством радиолокационных высотомеров, поскольку они необходимы для возможностей автоматической посадки. (По состоянию на 2012 год [обновлять]определение высоты другими методами, такими как GPS, не допускается правилами.) Старые авиалайнеры 1960-х годов (например, British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) и меньшие авиалайнеры в классе менее 50 мест (например, серии ATR 42 и BAe Jetstream ) оснащены ими.
Радиолокационные высотомеры являются неотъемлемой частью систем предупреждения о близости земли (GPWS), предупреждая пилота, если самолет летит слишком низко или снижается слишком быстро. Однако радиолокационные высотомеры не могут видеть местность прямо перед самолетом, только ту, что под ним; такая функциональность требует либо знания положения и местности в этом положении, либо переднего обзора местности радара. Антенны радиолокационных высотомеров имеют довольно большой главный лепесток около 80°, так что при углах крена до 40° радар определяет расстояние от самолета до земли (в частности, до ближайшего крупного отражающего объекта). Это связано с тем, что дальность рассчитывается на основе первого возврата сигнала из каждого периода выборки. Он не определяет наклонную дальность до тех пор, пока не будет превышено около 40° крена или тангажа. Это не является проблемой для посадки, поскольку тангаж и крен обычно не превышают 20°.
Радиовысотомеры, используемые в гражданской авиации, работают в диапазоне IEEE C между 4,2 и 4,4 ГГц. [15]
В начале 2022 года потенциальные помехи со стороны вышек сотовой связи 5G стали причиной задержек и отмены нескольких рейсов в Соединенных Штатах.
Радиолокационные высотомеры также используются в военных самолетах для полетов на небольшой высоте над землей и морем, чтобы избежать обнаружения и нацеливания зенитных орудий или ракет класса «земля-воздух» . Связанное применение технологии радиолокационного высотомера — это радар слежения за рельефом местности , который позволяет истребителям-бомбардировщикам летать на очень малых высотах.
Самолеты F-111 Королевских ВВС Австралии и ВВС США оснащены системой передового радиолокационного слежения за рельефом местности (TFR), подключенной через цифровой компьютер к их автопилотам . Под носовым обтекателем находятся две отдельные антенны TFR, каждая из которых передает индивидуальную информацию в двухканальную систему TFR. В случае отказа этой системы у F-111 есть резервная система радиолокационного высотомера, также подключенная к автопилоту. Затем, если F-111 по какой-либо причине опустится ниже заданной минимальной высоты (например, 15 метров), его автопилот получает команду перевести F-111 в режим взлета 2G (крутой подъем с поднятым носом ), чтобы избежать столкновения с землей или водой. Даже в бою опасность столкновения намного выше, чем опасность быть обнаруженным противником. Аналогичные системы используются на самолетах F/A-18 Super Hornet, эксплуатируемых Австралией и Соединенными Штатами.
Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет радиовысотомеры как «радионавигационное оборудование на борту воздушного судна 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). [16] Радионавигационное оборудование должно классифицироваться по службе радиосвязи , в которой оно работает постоянно или временно. Использование радиовысотомера классифицируется как служба безопасности жизни , должно быть защищено от помех и является неотъемлемой частью навигации .