Введение
Радарный высотомер (RA), также называемый радиовысотомером (RALT), электронным высотомером, отражательным высотомером или радиовысотомером малой дальности (LRRA), измеряет высоту воздушного судна или космического аппарата над рельефом местности, определяя время, необходимое радиоволновому лучу для достижения земли, отражения от неё и возвращения на борт. Этот тип высотомера показывает расстояние между антенной и поверхностью земли непосредственно под аппаратом, в отличие от барометрического высотомера, который показывает расстояние над установленным вертикальным уровнем отсчета, обычно над средним уровнем моря.
A radar altimeter (RA), also called a radio altimeter (RALT), electronic altimeter, reflection altimeter, or low range radio altimeter (LRRA), measures altitude above the terrain presently beneath an aircraft or spacecraft by timing how long it takes a beam of radio waves to travel to ground, reflect, and return to the craft. This type of altimeter provides the distance between the antenna and the ground directly below it, in contrast to a barometric altimeter which provides the distance above a defined vertical datum, usually mean sea level.
Принцип
Как следует из названия, радиолокация (радиообнаружение и определение расстояния) является основополагающим принципом работы системы. Система передает радиоволны на землю и измеряет время, необходимое для их отражения обратно к самолету. Высота над землей рассчитывается на основе времени распространения радиоволн и скорости света. Радиолокационным высотомерам требовалась простая система измерения времени прохождения сигнала, результаты которой можно было отображать на обычных приборах, а не на электронно-лучевой трубке, обычно используемой в ранних радиолокационных системах. Для этого передатчик излучает частотно-модулированный сигнал, частота которого изменяется во времени, плавно увеличиваясь и уменьшаясь между двумя частотными пределами Fmin и Fmax в течение заданного времени T. В первых моделях это достигалось с помощью LC-контура с настраиваемым конденсатором, приводимым в движение небольшим электродвигателем. Выходной сигнал затем смешивается с несущей радиочастотой и передается через передающую антенну. Поскольку сигналу требуется некоторое время для достижения земли и возвращения, частота принятого сигнала незначительно запаздывает относительно сигнала, излучаемого в данный момент. Разница между этими двумя частотами извлекается в частотном смесителе, и поскольку эта разница обусловлена задержкой, вызванной распространением сигнала до земли и обратно, результирующая выходная частота кодирует высоту. Обычно выходной сигнал составляет порядка сотен циклов в секунду, а не мегагерц, и его можно легко отображать на аналоговых приборах. Эта техника известна как радиолокация с непрерывной частотной модуляцией. Радиолокационные высотомеры обычно работают в диапазоне E, или, для более точного измерения уровня моря, в диапазоне S. Радиолокационные высотомеры также обеспечивают надежный и точный метод измерения высоты над водой при полетах над морем. Они критически важны при работе с нефтяными платформами. Высота, определяемая прибором, не является показанием стандартного барометрического высотомера. Радарный высотомер измеряет абсолютную высоту: высоту "над уровнем земли" (AGL). По состоянию на 2010 год все коммерческие радиолокационные высотомеры используют линейную частотно-модулированную непрерывную волну (LFMCW или FMCW), и около 25 000 самолетов в США оснащены как минимум одним радиовысотомером.
Первоначальная концепция
Основная концепция радиолокационного высотомера была разработана независимо от более широкой области радиолокации и берет начало в исследовании дальней телефонной связи в лабораториях Белла. В 1910-х годах компания Bell Telephone сталкивалась с проблемой отражения сигналов, вызванного изменением импеданса в телефонных линиях, обычно в местах подключения оборудования к проводам. Это было особенно заметно на ретрансляционных станциях, где несогласованные импедансы отражали значительную часть сигнала, что затрудняло дальнейшую телефонную связь. Инженеры заметили, что отражения имели характерную "неровную" форму: для каждой частоты сигнала проблема возникала только при расположении устройств в определенных точках линии. Это привело к идее отправки тестового сигнала в линию и последующего изменения его частоты до появления заметных эхосигналов. Это позволяло определить приблизительное расстояние до устройства, что давало возможность его идентифицировать и устранить неисправность. Ллойд Эспеншид работал в лабораториях Белла, когда ему пришла в голову идея использовать то же явление для измерения расстояний по проводам. Одним из его первых разработок в этой области стал патент 1919 года (оформленный в 1924 году) на идею отправки сигнала по железнодорожным путям и измерения расстояния до разрывов. Это можно было использовать для обнаружения поврежденных участков пути, или, если расстояние изменялось быстрее скорости поезда, для предупреждения других поездов на том же участке.
Измерения ионосферы Апплетона
В этот же период в физике велись оживлённые дебаты о природе распространения радиоволн. Успешные трансатлантические передачи Гульельмо Маркони казались невозможными. Исследования радиосигналов показали, что они распространяются по прямой, по крайней мере на больших расстояниях, поэтому передача из Корнуолла должна была рассеяться 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 отражает сигнал обратно к земле, позволяя его принимать. Этот слой стал известен как слой Хевисайда. Хотя идея была привлекательной, прямых доказательств не хватало. В 1924 году Эдвард Апплтон и Майлз Барнетт смогли продемонстрировать существование этого слоя в серии экспериментов, проведённых в сотрудничестве с BBC. После окончания запланированных передач на день, передатчик BBC в Борнмуте отправлял сигнал, частота которого медленно возрастала. Этот сигнал принимался приемником Апплтона в Оксфорде, где появлялись два сигнала. Один – прямой сигнал от станции, наземная волна, а другой – с задержкой, после отражения от слоя Хевисайда и возвращения, небесная волна. Для подтверждения существования слоя было необходимо точно измерить расстояние, пройденное небесной волной, и доказать, что она действительно отражается от верхних слоёв атмосферы. Этой цели и служило изменение частоты. Поскольку наземный сигнал проходил меньшее расстояние, он был более актуальным и, следовательно, ближе к частоте, передаваемой в данный момент. Небесная волна, пройдя большее расстояние, испытывала задержку и, соответственно, имела частоту, соответствующую более раннему моменту времени. Смешивая эти два сигнала в частотном смесителе, получался третий сигнал с уникальной частотой, кодирующей разницу между двумя входными сигналами. Поскольку в данном случае разница обусловлена разницей в длине пути, результирующая частота напрямую указывала на длину этого пути. Хотя технически это было более сложно, в основе метода лежала та же техника, которую Белл использовал для измерения расстояния до отражателей на проводе.
Эверитт и Ньюхаус
В 1929 году Уильям Литтл Эверитт, профессор Университета штата Огайо, начал рассматривать возможность использования базовой методики Апплтона в качестве основы для системы высотомера. Он поручил эту работу двум студентам старших курсов, Расселу Конвеллу Ньюхаузу и М. В. Гавелу. Их экспериментальная система больше напоминала более ранние разработки в Bell, использующие изменения частоты для измерения расстояния до конца проводов. Они взяли это за основу для совместной выпускной квалификационной работы в 1929 году. Эверитт представил концепцию в Патентное ведомство США, но в то время патент не подал. Затем он обратился в Фонд Даниэля Гуггенхайма по развитию аэронавтики за финансированием разработки. Джимми Дулиттл, секретарь Фонда, обратился к Ванневару Бушу из Bell Labs за экспертной оценкой. Буш скептически относился к возможности разработки системы на тот момент, но, тем не менее, предложил Фонду профинансировать создание рабочего прототипа. Это позволило Ньюхаузу построить экспериментальный аппарат, который стал основой его магистерской диссертации 1930 года, выполненной совместно с Дж. Д. Корли. Устройство было доставлено на авиабазу Райт-Филд, где его испытал Альберт Фрэнсис Хегенбергер, известный специалист в области авиационной навигации. Хегенбергер установил, что система работает в соответствии с заявленными характеристиками, но отметил, что для практического применения ей необходимо работать на более высоких частотах.
Эспеншид и Ньюхаус
Эспеншид также рассматривал возможность использования идеи Апплетона для измерения высоты. В 1926 году он предложил эту идею как для измерения высоты, так и как перспективную систему для предотвращения столкновений с землей и обнаружения препятствий. Однако в то время частота доступных радиосистем, даже в так называемом коротковолновом диапазоне, была в пятьдесят раз ниже необходимой для создания практической системы. В конечном итоге, Эспеншид запатентовал эту идею в 1930 году. К этому времени Ньюхаус покинул штат Огайо и занял должность в Bell Labs, где познакомился с Питером Сандретто, также интересовавшимся вопросами радионавигации. Сандретто покинул Bell в 1932 году, чтобы стать руководителем службы связи в United Air Lines (UAL), где возглавил разработку коммерческих радиосистем. Патент Эспеншида был выдан только в 1936 году, и его публикация вызвала значительный интерес. В то же время, в Bell Labs велись работы над новыми конструкциями электронных ламп, способными выдавать мощность от 5 до 10 Вт на частоте до 500 МГц, что было идеально для этой цели. Это побудило Сандретто обратиться в Bell по поводу этой идеи, и в 1937 году было заключено соглашение о партнерстве между Bell Labs и UAL для создания практического образца. Под руководством Ньюхауса команда создала рабочую модель, которая проходила испытания в начале 1938 года, а Western Electric (производственное подразделение Bell) уже готовилась к серийному производству. Ньюхаус также подал несколько заявок на патенты, касающиеся усовершенствований техники, основанных на этой работе.
Торговое внедрение
Система была публично представлена 8 и 9 октября 1938 года. Во время Второй мировой войны массовое производство было налажено компанией RCA, которая выпускала её под названиями ABY 1 и RC 24. В послевоенное время многие компании приступили к производству, и система стала стандартным прибором на многих самолетах, поскольку посадка вслепую становилась распространенной практикой. В следующем году Эспеншид и Ньюхаус совместно опубликовали статью, описывающую систему. В статье рассматриваются источники ошибок и делается вывод, что в наихудшем предусмотренном сценарии погрешность составляла около 9%, однако при полете над пересеченной местностью, такой как густонаселенные городские районы, она могла достигать 10%. В ходе первых испытательных полетов было замечено, что картина отраженного сигнала на экране осциллографа различалась в зависимости от типа местности под самолетом. Это открыло возможности для различных других применений той же технологии, включая наземное сканирование и навигацию. Однако в то время компания Bell не имела возможности исследовать эти концепции.
Использование в качестве радаров общего назначения
С конца 1800-х годов было известно, что металл и вода отлично отражают радиосигналы, и с тех пор предпринималось множество попыток создать детекторы кораблей, поездов и айсбергов. Большинство из этих попыток сталкивались со значительными практическими ограничениями, особенно из-за использования низкочастотных сигналов, для эффективной работы с которыми требовались большие антенны. Устройство Bell, работающее на основной частоте 450 МГц, было одной из самых высокочастотных систем того времени. В Канаде Национальный исследовательский совет начал разработку радиолокационной системы воздушного базирования, в основу которой был положен высотомер. Это стало неожиданностью для британских исследователей, посетивших Канаду в октябре 1940 года в рамках миссии Тизарда, поскольку британцы полагали, что только они работают над подобной концепцией. Однако канадская разработка была в конечном итоге отменена в пользу строительства полностью разработанной британской системы ASV Mark II, работавшей на гораздо большей мощности. 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 не допустить попадания исследований в руки немцев, но немецкие группы обнаружили антенны в руинах и потребовали объяснений. Директор отдела исследований IT&T отвлек подозрения, показав им высотомер на обложке журнала и упрекнув их в незнании новейших навигационных технологий.
В гражданской авиации
Радарные высотомеры часто используются коммерческими самолетами для захода на посадку и посадки, особенно в условиях низкой видимости (см. Правила полета по приборам) и при автоматической посадке, позволяя автопилоту определить момент начала маневра проседание. Радарные высотомеры передают данные в автотягу, являющуюся частью бортового компьютера. Обычно радиолокационные высотомеры выдают показания только до 2500 футов (762 м) над уровнем земли (AGL). Часто метеорологический радар может быть направлен вниз для получения показаний с большей дальности, до 60 000 футов (18288 м) над уровнем земли (AGL). По состоянию на 2012 год все авиалайнеры оснащены как минимум двумя, а возможно и большим количеством радиолокационных высотомеров, поскольку они необходимы для обеспечения возможности автоматической посадки. (По состоянию на 2012 год определение высоты другими методами, такими как GPS, не допускается правилами.) Более старые авиалайнеры 1960-х годов (например, British Aircraft Corporation BAC 1-11) и небольшие авиалайнеры вместимостью менее 50 пассажиров (например, ATR 42 и BAe Jetstream) оснащены ими. Радарные высотомеры являются важной частью систем предупреждения о приближении к земле (GPWS), предупреждая пилота, если самолет летит слишком низко или слишком быстро снижается. Однако радиолокационные высотомеры не могут видеть рельеф непосредственно перед самолетом, только рельеф под ним; для такой функциональности требуется знание местоположения и рельефа в этой точке или радиолокатор рельефа переднего обзора. Антенны радиолокационных высотомеров имеют достаточно широкую главную лепестку около 80°, поэтому 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 принятого сигнала за период выборки. Он не определяет наклонную дальность при крене или тангаже более 40°. Это не является проблемой при посадке, 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. В начале 2022 года потенциальные помехи от вышек сотовой связи 5G привели к задержке некоторых рейсов и отмене нескольких рейсов в Соединенных Штатах.
В военной авиации
Радарные высотомеры также используются в военных самолетах для полётов на очень малой высоте над землей и морем, чтобы избежать радиолокационного обнаружения и захвата огнем зенитных орудий или ракет класса "земля-воздух". Связанной областью применения технологии радиолокационных высотомеров является радиолокационное слежение за рельефом местности, позволяющее истребителям-бомбардировщикам летать на предельно малых высотах. Самолеты F-111 Королевских военно-воздушных сил Австралии и Вооруженных сил США оснащены системой радиолокационного слежения за рельефом местности (TFR) с обзором вперед, подключенной через цифровой компьютер к их автопилотам. Под носовым обтекателем радиолокатора расположены две отдельные антенны TFR, каждая из которых передает индивидуальную информацию в двухканальную систему TFR. В случае отказа этой системы, F-111 имеет резервную систему радиолокационного высотомера, также подключенную к автопилоту. Если F-111 по какой-либо причине опустится ниже установленной минимальной высоты (например, 15 метров), его автопилот получит команду вывести самолет в крутой набор высоты с перегрузкой 2G, чтобы избежать столкновения с землей или водой. Даже в боевых условиях риск столкновения значительно выше, чем опасность быть обнаруженным противником. Аналогичные системы используются самолетами F/A-18 Super Hornet, находящимися на вооружении Австралии и Соединенных Штатов.
Международное регулирование
Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет радиовысотомеры как "радионавигационное оборудование, установленное на борту воздушного или космического судна, используемое для определения высоты этого судна над поверхностью Земли или иной поверхностью" в статье 1.108 Радиорегламента МСЭ (РР). Радионавигационное оборудование должно классифицироваться в зависимости от службы радиосвязи, в которой оно работает постоянно или временно. Использование радиовысотомерного оборудования относится к службам обеспечения безопасности полетов, должно быть защищено от помех и является неотъемлемой частью навигации.