Радиовысотомер ( RA ), также называемый радиовысотомером ( 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 .
Как следует из названия, радар ( радиообнаружение и определение дальности ) 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 . [1] Для радиовысотомеров требовалась простая система измерения времени полета, которую можно было бы отобразить 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. [1]
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. [2] Этот метод известен как радар непрерывного действия с частотной модуляцией .
Радарные высотомеры обычно работают в диапазонах E , K a 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. [ нужны разъяснения ] [ нужна ссылка ]
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 [обновлять]все коммерческие радиовысотомеры используют непрерывные волны с линейной частотной модуляцией (LFMCW или FMCW), и около 25 000 самолетов в США имеют хотя бы один радиовысотомер. [3] [4]
_(14569817878)_(cropped).jpg/1280px-Bell_telephone_magazine_(1922)_(14569817878)_(cropped).jpg)
Основная концепция радиовысотомера была разработана независимо от более широкой области радиолокации и берет свое начало в исследовании междугородной телефонии в Bell Labs . В 1910-х годах компания Bell Telephone боролась с отражением сигналов, вызванных 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 междугородную телефонную связь. [5]
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. [5]
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 был патент 1919 г. (выдан в 1924 г.) [6] на идею 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. [5]
В тот же период в физике разгорелись большие споры о природе распространения радиоизлучения. Успешные трансатлантические передачи Гульельмо Маркони 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 . [7]
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. [7]
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, ее частота осталась такой же, 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 длинной трассой, результирующая частота непосредственно показывает длину трассы. Хотя это технически более сложно, в конечном итоге это был тот же базовый метод, который Белл использовал для измерения расстояния до отражателей в проводе. [7]
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. [8] [9]
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. [8] [а]
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. [5] [9]
В конце концов Эспеншид подал патент на эту идею в 1930 году. [9] 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. [8]
Патент Эспеншида не был выдан до 1936 года [10] , и его публикация вызвала большой интерес. Примерно в то же время Bell Labs работала над новыми конструкциями ламп, способными выдавать от 5 до 10 Вт на частоте до 500 МГц, что идеально подходило для этой роли. [9] 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. [11]
О системе было публично объявлено 8 и 9 октября 1938 года. [12] Во время Второй мировой войны массовым производством занялась компания RCA , которая выпускала 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. [11]
Статья с описанием системы была опубликована совместно Эспеншидом и Ньюхаусом в следующем году. В документе исследуются источники ошибок и делается вывод, что встроенный сценарий наихудшего случая составлял порядка 9% [13] , но он может достигать 10% при полете над пересеченной местностью, например, над застроенными районами городов. . [13]
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. [12]
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. [13] [б]
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 НРК 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. [14]
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. [11]
.jpg/1280px-AERO_Friedrichshafen_2018,_Friedrichshafen_(1X7A4785).jpg)
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 [обновлять]все авиалайнеры оснащены как минимум двумя, а возможно и более радиовысотомерами, поскольку они необходимы для возможности автоматической посадки. (По состоянию на 2012 год [обновлять]определение высоты с помощью других методов, таких как GPS , не разрешено правилами.) Старые авиалайнеры 1960-х годов (например, British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) и меньшие авиалайнеры с классом кресел менее 50 (например, ими оснащены серии ATR 42 и BAe Jetstream ).
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. [15]
В начале 2022 года потенциальные помехи от вышек сотовой связи 5G привели к задержкам и отмене рейсов в США.
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.
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 ( [16] Радионавигационное оборудование классифицируется по службам радиосвязи , в которых оно работает постоянно или временно. Использование радиовысотомера относится к категории служб обеспечения безопасности жизни , должно быть защищено от помех и является обязательным . часть навигации .