Кіріспе

Радарлық биіктік өлшегіш (РА), сондай-ақ радио биіктік өлшегіш (РАЛТ), электрондық биіктік өлшегіш, шағылыстыратын биіктік өлшегіш немесе жақын аралықтағы радио биіктік өлшегіш (LRRA) деп аталады. Ол радио толқындарының сәулесі жерге жетіп, кері шағылысып, қайта ұшаққа немесе ғарыш кемесіне оралуға кеткен уақытты өлшеу арқылы ұшақтың немесе ғарыш кемесінің төмендегі жерге дейінгі биіктігін анықтайды. Бұл типтегі биіктік өлшегіш антенна мен тікелей астындағы жер арасындағы қашықтықты көрсетеді, ал барометрлік биіктік өлшегіш әдетте теңіз деңгейінен биіктікті көрсетеді.

Принцип

Атауынан көрініп тұрғандай, радиолокация (радиобайқау және қашықтық өлшеу) – жүйенің негізгі қағидасы. Жүйе радио толқындарын жерге жіберіп, олардың ұшаққа қайта оралуына кеткен уақытты өлшейді. Жерден биіктік радио толқындарының жүріс уақыты мен жарық жылдамдығы арқылы есептеледі. Радарлық биіктік өлшегіштерге, ерте замандағы радарлық жүйелерде қолданылатын катодты сәулелі түтіктерге қарағанда, дәстүрлі аспаптарда көрсетілетін ұшу уақытын өлшеу үшін қарапайым жүйе қажет болды. Мұны істеу үшін, таратушы жиілігі модуляцияланған сигналды жібереді, ол белгілі бір уақыт ішінде Fmin және Fmax екі жиілік шегі арасында жиілігі өзгере отырып, жоғарылап-төмендейді. Алғашқы үлгілерде бұл кішкентай электрмотормен басқарылатын конденсаторды реттегіш LC-тізбек арқылы іске асырылды. Содан кейін шығыс радиожиіліктік тасымалдаушы сигналмен араластырылып, тарату антеннасына жіберіледі. Сигналдың жерге жетіп қайтуына уақыт кеткендіктен, алынған сигналдың жиілігі сол сәтте жіберілген сигналға қарағанда сәл кешігеді. Бұл екі жиіліктің айырмашылығы жиілік араластырғышында анықталады, ал екі сигналдың айырмашылығы жерге және кері оралудың кешігуіне байланысты болғандықтан, шығатын жиілік биіктікті кодтайды. Шығыс әдетте секундына жүздеген циклды құрайды, мегацикл емес, және оны аналогты аспаптарда оңай көрсетуге болады. Бұл техника жиілігі модуляцияланған үздіксіз толқындық радар деп аталады. Радарлық биіктік өлшегіштер әдетте E жолағында жұмыс істейді, ал теңіз деңгейін одан да дәл өлшеу үшін S жолағында жұмыс істейді. Радарлық биіктік өлшегіштер ұзақ теңіз жолдарымен ұшқанда судан биіктікті өлшеудің сенімді және дәл әдісін де ұсынады. Бұл мұнай платформаларына ұшу және олардан ұшу кезінде өте маңызды. Құрылғы көрсеткен биіктік стандартты барометрлік биіктік өлшегіштің көрсеткен биіктігімен бірдей емес. Радарлық биіктік өлшегіш абсолюттік биіктікті өлшейді: "Жер бетінен биіктік" (AGL). 2010 жылдан бастап барлық коммерциялық радарлық биіктік өлшегіштерде сызықтық жиілігі модуляцияланған үздіксіз толқын (LFMCW немесе FMCW) қолданылады және АҚШ-тағы шамамен 25 000 ұшақта кем дегенде бір радио биіктік өлшегіші бар.

Бастапқы тұжырымдама

Радарлық биіктік өлшегіштің негізгі тұжырымдамасы радар саласының дамуынан тәуелсіз әзірленді және Bell Labs зертханасында ұзақ қашықтыққа телефон байланысын зерттеу барысында пайда болды. 1910 жылдары Bell Telephone компаниясы телефон желілеріндегі кедергінің өзгеруінен туындаған сигналдың кері шағылысуымен күресіп жатты, әсіресе жабдықтар сымдарға қосылған жерлерде. Бұл мәселе қайталау станцияларында ерекше маңызды болды, себебі нашар сәйкес келетін кедергілер сигналдың көп бөлігін кері қайтаратын, соның салдарынан ұзақ қашықтыққа телефон байланысын жүргізу қиынға түсетін. Инженерлер шағылыстардың ерекше, «дөңгелек» сияқты үлгіге ие екенін байқады; сигналдың белгілі бір жиілігінде, құрылғылар желінің нақты бір нүктелерінде орналасқан жағдайда ғана мәселе туындады. Осыған байланысты, желіге сынақ сигналын жіберіп, эхо сигналдары айқын байқала бастағанша оның жиілігін өзгерту идеясы туды. Бұл құрылғыға дейінгі шамамен қашықтықты анықтауға, оны табуға және түзетуге мүмкіндік берді. Ллойд Эспеншид Bell Labs зертханасында жұмыс істеген кезде осы құбылысты сымдағы қашықтықты өлшеу үшін қолдану мүмкіндігін ойлады. Осы саладағы алғашқы жетістіктерінің бірі – 1919 жылғы (1924 жылы патенттелген) теміржолға сигнал жіберіп, үздіксіздікке дейінгі қашықтықты өлшеу туралы патент болды. Бұл құрылғылар бұзылған рельстерді анықтауға немесе егер қашықтық пойыздың жылдамдығынан тез өзгеретін болса, сол желідегі басқа пойыздарды ескертуге пайдаланылуы мүмкін.

Апплтонның ионосфераны өлшеулері

Осы кезеңде физикада радио таралудың табиғаты туралы қызу пікірталас болды. Гульельмо Марконидың Атлант мұхиты арқылы сәтті жіберген хабарлары мүмкін емес сияқты көрінді. Радиосигналдарды зерттеулер көрсеткендей, олар тікелей сызықтармен, әсіресе ұзақ қашықтықтарда тарайды. Сондықтан, Корнуоллдан жіберілген сигнал Ньюфаундлендте қабылданудың орнына ғарышқа ұшып кетуі керек еді. 1902 жылы Ұлыбританиядағы Оливер Хевисайд пен АҚШ-тағы Артур Кеннелли тәуелсіз түрде жоғарғы атмосферада иондалған қабаттың бар екенін болжады. Бұл қабат сигналды жерге қайтарып, оны қабылдауға мүмкіндік береді деп есептелді. Бұл қабат Хевисайд қабаты деп аталды. Бұл идея тартымды болғанымен, тікелей дәлелдер жетіспеді. 1924 жылы Эдвард Апплтон мен Майлз Барнетт BBC-мен бірлесіп жүргізген тәжірибелер сериясында мұндай қабаттың бар екенін көрсетті. Күнделікті хабар тарату аяқталғаннан кейін, Борнмут қаласындағы BBC хабар тарату станциясы жиілігі бірте-бірте артатын сигналды жіберді. Бұл сигналды Оксфордтағы Апплтонның қабылдағышы қабылдады, онда екі сигнал пайда болды. Бірі – станциядан тікелей келген сигнал, жер толқыны, ал екіншісі – Хевисайд қабатына жетіп, кері қайтқаннан кейін қабылданған аспан толқыны. Аспан толқынының қанша қашықтықты жүргенін дәл өлшеу және оның шынымен аспанда екенін дәлелдеу маңызды болды. Осы мақсатта жиілік өзгертілді. Жерден келген сигнал қысқа қашықтықты жүргендіктен, ол соңғы жіберілген жиілікке жақын және жаңа болды. Аспан толқыны ұзақ қашықтықты жүруі керек болғандықтан, ол кешіктірілді және біраз уақыт бұрынғы жиілікті көрсетті. Екі сигналды жиілік араластырғышта қосу арқылы үшінші сигнал пайда болады, ол екі кіріс арасындағы айырмашылықты кодтайтын өзінің ерекше жиілігіне ие. Осы жағдайда айырмашылық жолдың ұзындығына байланысты болғандықтан, алынған жиілік тура жол ұзындығын көрсетеді. Бұл техникалық тұрғыдан қиын болғанымен, негізінен Беллдің сымдағы шағылыстырғыштарға дейінгі қашықтықты өлшеу үшін қолданған әдісімен бірдей болды.

Эверитт пен Ньюхаус

1929 жылы Огайо штаты университетінің профессоры Уильям Литтл Эверитт Эпплтонның негізгі әдісін биіктік өлшегіш жүйесінің негізі ретінде пайдалануды қарастырды. Ол бұл жұмысты екі аға студентке, Расселл Конвелл Ньюхауз бен М. В. Гавелге тапсырды. Олардың тәжірибелік жүйесі бұрынғы Беллдегі жұмыстарға көбірек ұқсас болды, сымдардың соңына дейінгі қашықтықты өлшеу үшін жиіліктің өзгеруін пайдаланды. Екеуі оны 1929 жылы бірлескен дипломдық жұмысының негізі ретінде қолданды. Эверитт бұл идеяны АҚШ патент бюросына ұсынды, бірақ сол кезде патентке тіркемеді. Содан кейін ол Даниел Гуггенхаймнің Аэронавтиканы дамыту қорына даму үшін қаржы сұрады. Қордың хатшысы Джимми Дулиттл, Ванневар Бушқа, Bell Labs қызметкеріне, пікір білдіру үшін жүгінді. Буш жүйені сол кезде дамыту мүмкін емес деп күмәнданды, бірақ бәрібір қорға жұмыс істейтін модельді дамытуға қаржы бөлуді ұсынды. Бұл Ньюхаузға Ж.Д. Корлимен бірлесіп 1930 жылы магистрлік диссертациясының негізін құраған тәжірибелік машина жасауға мүмкіндік берді. Құрылғы Райт-Филдке апарылып, ұшақтарды бағыттау саласындағы белгілі сарапшы Альберт Фрэнсис Хегенбергер оны сынақтан өткізді. Хегенбергер жүйенің жарнамаланғандай жұмыс істейтінін анықтады, бірақ оның практикалық болуы үшін жоғары жиілікте жұмыс істеуі керектігін айтты.

Эспеншид пен Ньюхаус

Эспеншид Апплтонның биіктікті өлшеу идеясын қолдануды да қарастырды. 1926 жылы ол бұл идеяны биіктікті өлшеу әдісі ретінде, сондай-ақ жер бедерін болдырмау және соқтығысуды анықтауға бағытталған болашақ жүйе ретінде ұсынды. Алайда, сол кездегі радио жүйелерінің жиілігі, тіпті қысқа толқынды радиода да, қолданысқа жарамды жүйеге қажетті деңгейден елу есе төмен болды. 1930 жылы Эспеншид бұл идеяға патент алды. Осы кезде Ньюхаус Огайо штатынан кетіп, Bell Labs-те жұмыс істеді. Мұнда ол радио навигациясы тақырыбына қызығушылық танытқан Питер Сандреттомен танысты. Сандретто 1932 жылы Bell Labs-тен кетіп, United Air Lines (UAL) компаниясының байланыс жөніндегі бастығы болды, онда ол коммерциялық радио жүйелерін дамытуға жетекшілік етті. Эспеншидтің патенты 1936 жылға дейін мақұлданбады, бірақ оның жариялануы үлкен қызығушылық тудырды. Осы шақта Bell Labs жаңа электрондық лампалардың дизайнымен айналысып, олар 500 МГц дейін 5 пен 10 Ватт аралығында қуат бере алатын, бұл рөлге өте қолайлы болды. Бұл Сандреттоның идея бойынша Bell Labs-ке жүгінуіне әкелді, және 1937 жылы Bell Labs пен UAL арасында практикалық үлгіні құру үшін серіктестік құрылды. Ньюхаус басқарған команда 1938 жылдың басында жұмыс істейтін модельді сынақтан өткізді, ал Western Electric (Bell-дің өндіріс бөлімшесі) өндіріс моделіне дайындық жүргізіп жатты. Ньюхаус осы жұмыстың нәтижесінде техниканы жақсартуға қатысты бірнеше патент алды.

Саудаға енгізу

Жүйе 1938 жылдың 8 және 9 қазанында жарияланды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде RCA осы жүйені жаппай өндіруге кірісіп, оны ABY 1 және RC 24 деген аттармен шығарды. Соғыстан кейінгі кезеңде көптеген компаниялар өндіріспен айналысты және соқыр қону кең таралғандықтан, бұл жүйе көптеген ұшақтарда стандартты құралға айналды. Келесі жылы Эспеншид пен Ньюхаус бірлесіп жүйе туралы мақала жариялады. Мақалада қателіктердің себептері зерттеліп, ең нашар жағдайдағы қателік 9% шамасында екені, бірақ қалалардың құрылыс аймақтары сияқты бедерлі жер үстінен ұшқанда 10%-ға дейін жете алатыны көрсетілді. Жүйенің алғашқы сынақ ұшулары кезінде осциллоскоп экранында көрінетін сигналдардың әр түрлі жерлерге қарай өзгешелігі байқалды. Бұл осы технологияны жерді сканерлеу және навигация сияқты басқа да мақсаттарда пайдалану мүмкіндігін ашты. Алайда, Белл сол кезде осы идеяларды зерттей алмады.

Жалпы мақсаттағы радар ретінде пайдалану

XIX ғасырдың соңында металл мен су радиосигналдарды жақсы шағылыстыратыны белгілі болды, содан бері кеме, пойыз және мұзтауларды анықтауға бірнеше әрекеттер жасалды. Олардың көпшілігі, әсіресе төмен жиілікті сигналдарды пайдалану, тиімді жұмыс істеу үшін үлкен антенналарды қажет ететін маңызды практикалық шектеулерге ие болды. Белл құрылғысы 450 МГц негізгі жиілікте жұмыс істеді, ол сол дәуірдегі ең жоғары жиілікті жүйелердің бірі болатын. Канаданың Ұлттық зерттеу кеңесі биіктікөлшегіштің негізінде әуе радары жүйесін жасауды бастады. 1940 жылдың қазан айында Тизард миссиясы аясында келген британдық зерттеушілер бұл туралы естігенде қатты таңқалды, өйткені британдықтар олардың ғана осы идеямен жұмыс істеп жатқанына сенген. Алайда, канадалық жоба ақырында толық дамыған британдық ASV Mark II жобасының пайдасына тоқтатылды, ол әлдеқайда жоғары қуатпен жұмыс істеді. Францияда IT&T компаниясының француз бөлімшесіндегі зерттеушілер радар бойынша ұқсас тәжірибелер жүргізіп жатқанда, неміс әскері Париж қаласындағы зертханаларға жақындады. Зерттеу нәтижелері немістердің қолына тимеуі үшін зертханалар қасақана қиратылды, бірақ неміс тобы қираған орындарда антенналарды тауып, түсіндіру талап етті. IT&T ғылыми-зерттеу директоры оларға журналдағы биіктікөлшегіш құрылғысын көрсетіп, соңғы навигациялық технологиялармен таныс емес екендерін айтты.

Азаматтық авиацияда

Радарлық биіктік өлшегіштер коммерциялық ұшақтарда жиі қолданылады, әсіресе нашар көріну жағдайында (аспаптық ұшу ережелерін қараңыз) және автоматты қонулар үшін, автопилотқа флаер маневрын қашан бастау керектігін білуге мүмкіндік береді. Радарлық биіктік өлшегіштер ұшу компьютерінің бөлігі болып табылатын автодроссельге дерек береді. Радарлық биіктік өлшегіштер әдетте жер бетінен (AGL) 2500 фут (762 м) дейін оқуды ғана көрсетеді. Көбінесе ауа-райы радары төмен бағытталатындықтан, жер бетінен (AGL) 60 000 футқа (18288 м) дейін ұзақ көлемді оқу мүмкіндігі бар. 2012 жылдан бастап, барлық авиалайнерлер кемінде екі, ал мүмкін одан да көп радарлық биіктік өлшегіштермен жабдықталған, себебі олар автоматты қону мүмкіндіктері үшін өте маңызды. (2012 жылдан бастап, GPS сияқты басқа әдістер арқылы биіктікті анықтау ережелермен рұқсат етілмейді.) 1960 жылдардың ескі авиалайнерлері (мысалы, British Aircraft Corporation BAC 1 11) және 50 орыннан аз сыйымдылығы бар кішкентай авиалайнерлер (мысалы, ATR 42 және BAe Jetstream сериясы) олармен жабдықталған. Радарлық биіктік өлшегіштер – жерге жақындықты ескерту жүйелерінің (GPWS) маңызды бөлігі, ұшқышты ұшақ тым төмен ұшып бара жатса немесе тым жылдам төмен түсіп бара жатса ескертеді. Дегенмен, радарлық биіктік өлшегіштер ұшақтың алдындағы жерді тікелей көре алмайды, тек оның астындағы жерді ғана көреді; мұндай мүмкіндік үшін сол жердегі жердің орны және оның сипаттамасын білу немесе алға қаратылған жер радары қажет. Радарлық биіктік өлшегіш антенналарының шамамен 80° болатын кең негізгі сәулесі бар, сондықтан ұшақ 40° дейін бұрылғанда, радар ұшақтан жерге дейінгі арақашықтықты анықтайды (әсіресе жақын жердегі үлкен шағылыстыратын нысанға дейін). Себебі арақашықтық әрбір үлгі алу кезеңіндегі алғашқы сигнал бойынша есептеледі. Ол 40° бұрылыс немесе көлбеу бұрыштан асқанда ғана көлбеу арақашықтықты анықтай алады. Бұл қону кезінде мәселе тудырмайды, себебі көлбеу және бұрылыс әдетте 20° аспайды. Азаматтық авиацияда қолданылатын радиоалтиметрлер 4,2 және 4,4 ГГц аралығындағы IEEE C диапазонында жұмыс істейді. 2022 жылдың басында 5G ұялы байланыс мұнараларынан келетін ықтимал кедергілер АҚШ-та бірнеше рейстің кешігуіне және бірнеше рейстің тоқтауына себеп болды.

Әскери авиацияда

Радарлық биіктікөлшегіштер әскери ұшақтарда да қолданылады. Олар жер мен теңіз үстінен өте төмен ұшып, радарлық анықтаудан және әуеге қарсы қарулар немесе жер-әуе зымырандарымен нысанаға алудан қашу үшін пайдаланылады. Радарлық биіктікөлшегіш технологиясының осымен байланысты қолданылуы – жер бетін бақылайтын радар, ол соғыс ұшақтарына өте төмен биіктікте ұшуға мүмкіндік береді. Австралия Корольдік Әуе күштері мен АҚШ Әуе күштерінің F 111 ұшақтары алға қарап жұмыс істейтін, жер бетін бақылайтын радар (TFR) жүйесімен жабдықталған, ол цифрлық компьютер арқылы автоматты пилотқа қосылған. Ұшақ мұрының астында екі бөлек TFR антеннасы орналасқан, олардың әрқайсысы екі каналды TFR жүйесіне жеке ақпарат жібереді. Егер жүйеде ақаулық туындаса, F 111 автоматты пилотқа қосылған қосалқы радарлық биіктікөлшегіш жүйесіне ие. Содан кейін, егер F 111 кез келген себеппен алдын ала белгіленген ең төменгі биіктіктен (мысалы, 15 метр) төмен түсіп кетсе, оның автоматты пилоты F 111-ді 2G күшімен жоғары көтерілуге (көлбеу бұрышпен көтерілу) бұйрық береді, осылайша жерге немесе суға құлаудан сақтайды. Тіпті жағдайда да, жаудың анықтауынан гөрі соқтығысу қаупі әлдеқайда жоғары. Осыған ұқсас жүйелер Австралия мен АҚШ-тың F/A 18 Super Hornet ұшақтарында да қолданылады.

Халықаралық реттеу

Халықаралық телекоммуникация одағы (ITU) радиоалтиметрлерді "ұшақ немесе ғарыш кемесі бортындағы, Жер бетінен немесе басқа беттен ұшақ немесе ғарыш кемесінің биіктігін анықтауға арналған радионавигациялық жабдық" деп ITU радио ережелерінің (RR) 1.108-бабында анықтайды. Радионавигациялық жабдықтар олардың тұрақты немесе уақытша жұмыс істейтін радиобайланыс қызметіне сәйкес жіктеледі. Радиоалтиметрлерді пайдалану – адам өмірінің қауіпсіздігін қамтамасыз ету қызметі болып есептеледі, олардың жұмысына кедергі келтірмеу керек және навигацияның маңызды құралы болып табылады.