Сравнительный анализ математических моделей следящих радиовысотомеров

Введение. Следящие радиовысотомеры (РВ) малых высот широко используются в гражданской авиации. В этих РВ применяются непрерывные периодические частотно-модулированные сигналы, а измерение высоты основано на обработке сигнала биений. Для этого в РВ организуется замкнутый контур автоматического регулирования, задачей которого является поддержание частоты сигнала биений на фиксированном уровне за счет изменения параметров излучаемого сигнала – девиации частоты или периода частотной модуляции. Существует иной способ построения контура слежения за изменениями высоты, работа которого основана на использовании измерительной петли фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), которая подстраивает опорный сигнал – копию излучаемого сигнала – для получения максимума взаимной корреляции сигнала биений и опорного сигнала. Является актуальным сравнение качества функционирования РВ с ФАПЧ с известными в настоящее время следящими РВ при использовании различных типов частотной модуляции излучаемого сигнала.

Цель работы. Анализ влияния вида частотной модуляции излучаемого РВ сигнала на точность оценки высоты в РВ с измерительным контуром ФАПЧ, а также сравнительный анализ данного РВ с известными следящими РВ.

Материалы и методы. Предложена математическая модель следящих РВ и проведено математическое моделирование их работы для случая измерения высоты над гладкой плоской поверхностью.

Результаты. Сравнительный анализ следящих РВ показал устойчивую работу измерительного контура ФАПЧ при работе с сигналами, использующими разные виды частотной модуляции (несимметричной и симметричной ЛЧМ, гармонической ЧМ). Оценки высоты в РВ с измерительным контуром ФАПЧ являются несмещенными, а их СКО при отношении сигнал/шум большем 10 дБ и при принятых в работе сценарных параметрах не превышает 3 см. Сравнение следящего РВ с измерительным контуром ФАПЧ со следящими РВ других типов показало, что СКО ошибки у данного типа РВ на порядок меньше.

Заключение. Следящий высотомер, использующий измерительный контур ФАПЧ, может быть использован для измерения высоты полета воздушных судов. Качество получаемых оценок высоты у данного типа РВ лучше, чем у других известных следящих РВ. Дальнейшие исследования будут связаны с изучением точности оценивания высоты у следящих измерителей при работе по шероховатой поверхности и проведению натурных испытаний.

1. Справочник по радиолокации: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. М. И. Сколника; пер. с англ. под общ. ред. В. С. Вербы. М.: Техносфера, 2014. 680 с.

2. Radar handbook / ed. by M. I. Skolnik. 2nd ed. NY: McGraw-Hill, 1990. 1200 p.

3. Skolnik M. I. Introduction to radar systems. 2nd ed. NY: McGraw-Hill, 1980. 581 p.

4. Сосновский А. А., Хаймович И. А. Радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов: справ. М.: Транспорт, 1987. 255 с.

5. Авиационная радионавигация: справ. / А. А. Сосновский, А. И. Хаймович, Э. А. Лутин, И. Б. Максимов; под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.

6. Островитянов Р. В., Басалов Ф. А. Теория радиолокации протяженных целей. М.: Радио и связь, 1992. 232 с.

7. Vidmar M. Design Improves 4.3 GHz Radio Altimeter Accuracy // Microwaves & RF. 2005. Vol. 44, № 6. P. 57–70.

8. Improved Frequency Estimation Technique for FMCW Radar Altimeters / S. Reshma, P. R. Midhunkrishna, S. Joy, S. Sreelal, M. Vanidevi // Intern. Conf. on Recent Trends on Electronics, Information, Communication & Technology (RTEICT). Bangalore, India, 27–28 Aug. 2021. IEEE, 2021. P. 185–189. doi: 10.1109/RTEICT52294.2021.9573544

9. Жуковский А. П., Оноприенко Е. И., Чижов В. И. Теоретические основы радиовысотометрии/ под ред. А. П. Жуковского. М.: Сов. радио, 1979. 320 с.

10. Тарасенков А. А. ЧМ-радиодальномер с дискретным следящим контуром // Датчики и системы. 2019. № 2. С. 40–44.

11. Пат. RU 207967 U1 G01S 13/34 (2021.08) H04L 25/03 (2021.08). Радиовысотомер с непрерывным излучением и фазовой автоподстройкой опорного сигнала / А. А. Монаков, А. А. Тарасенков. Опубл. 29.11.2021. Бюл. № 34.

12. Roland E. Best Phase-Locked Loops. Design, Simulation and Applications. 4th ed. Ohio: Blacklick McGrawHill, 1999.

13. Shinnaka S. A New Frequency-Adaptive PhaseEstimation Method Based on a New PLL Structure for Single-Phase Signals // Power Conversion Conf., Nagoya, Japan, 2–5 Apr. 2007. IEEE, 2007. P. 191–198. doi: 10.1109/PCCON.2007.372967

14. Xu W., Huang C., Jiang H. Analyses and Enhancement of Linear Kalman-Filter-Based PhaseLocked Loop // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70. P. 1–10, art. № 6504510. doi: 10.1109/TIM.2021.3112776

15. Monakov A., Nesterov M. Statistical Properties of FMCW Radar Altimeter Signals Scattered from a Rough Cylindrical Surface // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2017. Vol. 53, № 1. P. 323–333. doi: 10.1109/TAES.2017.2650498

16. Chauhan A., Rout P., Singh K. M. Vibration Parameters Estimation using mHDFT Filter in PLL Technique // Intern. Conf. on Computational Performance Evaluation (ComPE), Shillong, India, 18 Sept. 2020. IEEE, 2020. P. 649–653. doi: 10.1109/ComPE49325.2020.9200039

17. Sithamparanathan K. Digital-PLL Assisted Frequency Estimation with Improved Error Variance // IEEE Global Telecommunications Conf., New Orleans, USA, 8 Dec. 2008. IEEE, 2008. P. 1–5, doi: 10.1109/GLOCOM.2008.ECP.676

18. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов / пер. с англ. С. Ф. Боева. 3-е изд., испр. М.: Техносфера, 2012. 1049 с.