Как работает радиоизмеритель скорости

Как работает радиоизмеритель скорости

Современным самолетам ориентироваться в пространстве помогает ДИСС – доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса. Первое такое устройство в нашей стране было разработано еще в 1950 году в ЦКБ-17, нынешнем концерне «Вега» холдинга «Росэлектроника». Здесь же создавались первые ДИСС для вертолетов и … луноходов.

Из самого названия прибора видно, что его работа основана на эффекте Доплера – физическом явлении, которое мы все когда-либо наблюдали. Кстати, на практике этот интересный эффект позволяет определить не только скорость самолета, вертолета или космического аппарата, но и то, что недоступно для прямого измерения – скорость планет и галактик или крови, бегущей по сосудам.

О том, что такое эффект Доплера и как устроен измеритель скорости на его основе – в нашем материале.

Эффект Доплера: умное эхо

Doppler-Portrait-Daguerreotyoie.jpgВ 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер открыл физический эффект, который впоследствии был назван его именем. Несмотря на огромную значимость данного открытия, суть его очень проста, и любой из нас не раз сталкивался с эффектом Доплера. Например, когда мимо проносится машина скорой помощи с включенной сиреной, можно легко заметить, что изменения высоты звука пропорциональны скорости автомобиля. Когда машина приближается, высота звука выше, а при удалении автомобиля сигнал все менее громкий. Это изменение высоты звука при приближении или удалении его источника и есть эффект Доплера.

Почему это происходит? Как известно из основ физики, основными характеристиками волны являются частота и длина. Частотой считается количество пиков волн, произошедшее в точке наблюдения за секунду. Длина волны – это расстояние между ее «гребнями». Если источник звука движется нам навстречу, то гребень каждой следующей звуковой волны приходит чуть быстрее, так как был испущен уже ближе к нам. Волны воспринимаются ухом как более частые, и звук кажется громче. При удалении источника звука каждая следующая волна доходит до нас чуть позднее предыдущей, а мы слышим более низкий звук.

То же самое происходит, если движется не источник звука, а мы сами. Для наблюдения эффекта Доплера не важно, движется источник или приемник звука, главное – их движение относительно друг друга. И не важно, звуковая это волна или нет: эффект наблюдается для волн любой частоты, в том числе световых и даже радиоактивного излучения.

Итак, эффект Доплера – изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемой наблюдателем (приемником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приемника).

В 1842 году австриец Кристиан Доплер сумел установить и обосновать эту зависимость. Но научная общественность не сразу восприняла его идею, и публикация Доплера была раскритикована. Главным основанием для критики являлось то, что статья не имела экспериментальных подтверждений.

Исключительно теоретическим эффект Доплера оставался до 1845 года, пока описанное австрийским физиком явление не получило первую экспериментальную проверку. Тогда голландский метеоролог Бейс-Баллот подтвердил эффект Доплера для звука самым, наверное, наглядным способом. На железной дороге между Утрехтом и Амстердамом локомотив на рекордной для того времени скорости 64 км/ч тянул открытый вагон с группой трубачей. Были официально зафиксированы изменения тона во время движения вагона при приближении и удалении.

На службе науки: от далекой планеты до клетки крови

Чуть позже теория Доплера была распространена и на свет, и на электромагнитное излучение в целом. Универсальность эффекта позволила найти ему применение в самых различных сферах. К примеру, он оказался совершенно незаменимым инструментом в космических исследованиях. Было установлено, что эффект Доплера влияет на картину спектра звезд, по которому можно определить, удаляется звезда или, наоборот, приближается. Так эффект Доплера помог понять, что Вселенная расширяется – звезды разбегаются друг от друга.

С помощью эффекта Доплера были определены экзопланеты, которые невозможно увидеть ни одним современным телескопом. Измеряя спектры излучения некоторых звезд, астрономы сделали вывод, что причиной различных колебаний звезды может стать планета, вращающаяся вокруг нее. При помощи метода Доплера удалось открыть уже порядка 500 далеких планет.

Эффект Доплера помогает делать открытия не только астрономам, но и медикам. Это физическое явление легло в основу множества приборов ультразвуковой диагностики. Методика, использующая УЗИ с эффектом Доплера, называется доплерографией. Ее сутью является то, что движущиеся объекты отражают ультразвуковые волны с измененной частотой. К примеру, можно узнать, с какой скоростью кровь бежит по жилам пациента.

shutterstock_433667785_1.jpg

Но, пожалуй, самое широкое распространение эффект Доплера получил в радиолокации. Доплеровский радар посылает короткий, высокой интенсивности, пакет высокочастотных радиоволн. После этого радар слушает эхо и измеряет время его возврата, а также его доплеровский сдвиг. Такие радары позволяют определять скорости автомобилей и летательных аппаратов, судов, течений водных потоков.

Как работает радиоизмеритель скорости

К приборам, которые функционируют на основе эффекта Доплера, относятся и доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДИСС). Такое устройство является ключевым элементом автономных навигационных систем, которые дают возможность самолету, вертолету, ракете ориентироваться в пространстве без использования ГЛОНАСС/GPS. Летающий аппарат с такой системой на борту практически невозможно сбить с курса.

Напомним, что путевой скоростью самолета называют горизонтальную проекцию скорости летательного аппарата относительно земной поверхности. Для измерения этой скорости ДИСС имеет антенную систему, формирующую несколько лучей. Принимаемый по каждому из этих лучей сигнал имеет доплеровскую частоту пропорциональную проекции вектора скорости самолета на этот луч. Для измерения вектора скорости достаточно трех лучей, не лежащих в одной плоскости.

Таким образом, путевая скорость определяется по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью, основываясь на эффекте Доплера – изменение частоты отраженного от объекта сигнала в зависимости от скорости движения этого объекта. Путевая скорость связана с воздушной скоростью и скоростью ветра навигационным треугольником, в котором угол между векторами воздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причиной является ветер.

photo_2019-10-14_12-58-31.jpg

ДИСС делятся на самолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряется продольная и поперечная составляющие вектора скорости, тогда как в вертолетных системах измеряется еще и вертикальная составляющая скорости. Вертолетные ДИСС применяются также для осуществления мягкой посадки космических аппаратов, а самолетные – для управления крылатыми ракетами.

ДИСС от лидера военной электроники

Как подчеркивают в «Росэлектронике», объем российского рынка ДИСС – это несколько миллиардов рублей в год, значительную его долю занимают зарубежные производители. Сегодня новые разработки холдинга помогают исправить эту ситуацию. Надо отметить, что первые ДИСС в нашей стране были разработаны в ЦКБ-17, сейчас это структура холдинга «Росэлектроника» – концерн «Вега».

Первый отечественный ДИСС «Трасса» выпускался серийно более 20 лет в различных модификациях. Он применялся на самолетах Ту-104, Ту-114, Ту-134, Ил-18 и Ан-12. Дальнейшим развитием явились ДИСС «Стрела», «Мачта», установленные, в частности, на борту легендарного Ту-154, и ДИСС «Снос» – для самолетов Ил-86, Як-42, Ан-72. В этот же период времени были разработаны ДИСС серии «Винт» для вертолетов.

Здесь же был создан доплеровский посадочный радиолокатор «Планета». Именно это оборудование обеспечивало мягкую посадку на поверхность Луны советских автоматических станций «Луна». Эти станции осуществили высадку луноходов с научной аппаратурой, которые впервые провели забор образцов лунного грунта.

Новое поколение ДИСС производства «Росэлектроники» находит применение в современной авиатехнике, космических аппаратах, крылатых и баллистических ракетах. Недавно холдинг был награжден премией «Авиастроитель года» в номинации «За успехи в развитии диверсификации производства в условиях импортозамещения» за разработку вертолетного доплеровского измерителя скорости и сноса, совмещенного с высотомером (ДИСС-ВГ). Прибор также был представлен на выставке HeliRussia-2019 .

Новинка ДИСС-ВГ способен не только самостоятельно рассчитывать угол сноса и скорость, но и дополнительно выполняет функции высотомера. Такое сочетание позволило уменьшить количество бортового оборудования и оптимизировать внутреннее пространство вертолета. Аппаратура входит в состав автономной системы навигации, которая позволяет вертолету не сбиться с курса даже в условиях радиоэлектронных помех или при отсутствии спутниковой связи, а также полностью исключает человеческий фактор и вероятность некоторых ошибок пилотирования.