автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование рентгеновских высотомеров

од

На правах рукописи

' ? г. е. I- с ^ ^

СПАССКИЙ БОРИС АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ВЫСОТОМЕРОВ

05.11.16. "Информационно-измерительные системы (промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

- г -

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете на кафедре "Робототехника и техническая кибернетика" .

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Юревич Е.И.

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Шкодырев В.П.

к. ф-м. н., в. н. с. Серебряков А. С.

Ведущая организация: НПП "Буревестник"

Защита состоится 1998 ГОда в _часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.11 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, С-Петербург, Политехническая ул. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

М 04

Автореферат разослан и ' 1998 г.

Ученый секретарь совета

д. т. н. Малыхина Г. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальна задача повышения безопасности полетов и выживаемости летательных аппаратов (ЛА) в экстремальных условиях. Создание ЛА и воздушных судов нового поколения, таких как крылатая ракета и экраноплан, позволило осуществить горизонтальный полет в области малых и сверхмалых высот со значительными скоростями. В этих условиях особую важность приобретает задача точного измерения высоты полета с помощью бортовых высотомеров.

Нередко возникает необходимость посадки летательного или космического аппарата (КА) на неподготовленные площадки или на аэродромы в условиях сбойной ситуации в наземном обеспечении. При этом вся информация о положении аппарата и его полетных параметрах обеспечивается исключительно бортовыми информационно-измерительными системами, в том числе, высотомерами малых высот. Актуальна задача повышения точности измерения высоты для посадки вертолетов на морские нефтяные платформы, посадки самолетов на аэродромы с ограниченными размерами, посадки самолетов и вертолетов на палубу. Решение задач маловысотной навигации в экстремальных условиях, когда существующие средства оказываются недоступными или малоэффективными, предполагает использование более эффективных нетрадиционных методов. В связи с этим была поставлена задача создания принципиально нового высотомера малых высот, сочетающего преимущества известных высотомеров и лишенного их недостатков.

Цель работы:

- создание помехоустойчивого необнаружимого рентгеновского высотомера нового типа, обеспечивающего измерение высоты (Н) от 0,5 до 30 м с погрешностью (26) не более 5 см + 0, 01 Н в любых погодных условиях над подстилающими поверхностями любого типа, в том числе, в условиях радиоактивного заражения.

Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка принципов построения нового типа рентгеновских высотомеров;

2. Разработка модифицированного время-импульсного метода определения высоты;

3. Разработка инженерной методики проектирования этого типа высотомеров.

4. Теоретическое и экспериментальное исследования характера временного распределения поля обратнорассеянного импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) и методов получения информации о высоте ЛА над подстилающей поверхностью (ПП) из временных аппаратных спектров этого излучения.

5. Теоретическая оценка потенциальных возможностей этого типа высотомеров в части точностей и диапазона измерения высоты.

6. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование образцов высотомера, включая исследование совместимости высотомера со штатными системами и оборудованием ЛА в условиях реального полета.

Методы исследования. Сложность физических процессов, лежащих в основе исследуемой технической системы, обусловили необходимость органического сочетания как теоретических, так и экспериментальных методов исследования, включая математическое моделирование и основанное на нем аналитическое исследование, вычислительные эксперименты, физическое моделирование и натурные эксперименты на реальных ЛА.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Создан новый способ непрерывного измерения высоты летательного аппарата, основанный на обработке временных спектров рассеянного импульсного рентгеновского излучения, для чего предложен комбинированный метод интенсиметрического и временного измерения высоты, основанный на интегрировании сигнала в неподвижных стробах с последующей обработкой информации.

2. Предложен и реализован принцип динамического отслеживания центра пика отраженного сигнала, обеспечивающий повышение точности и надежности.

Основные положения, выносимые на защитуг представлены в разделе "Научные результаты и их новизна!'

Достоверность полученных результатов подтверждена вычислительными и натурными экспериментальными исследованиями; апробацией работы на Международных и Всероссийских конференциях, а также получением патента РФ на способ измерения малых высот и устройство для его осуществления и ряда других патентов и авторских свидетельств по теме диссертационной работы.

Практическая ценность результатов работы:

1. В результате работы создан новый класс бортовых высотомеров,

позволяющих решить задачу измерения высоты ЛА над ПП в любых погодных, и в том числе экстремальных, условиях.

2. Предложенный принцип ксмплексирования глобальных навигационных спутниковых систем (ГНС) с рентгеновскими высотомерами малых высот, обеспечивая точную привязку по высоте, существенно облегчает аттестацию ГНС по, категориям ИКАО и повышает ее эффективность.

3. Создана научно-техническая база для расширения областей применения рентгеновских высотомеров путем создания на их основе бесконтактных уровнемеров агрессивных жидкостей для нужд, нефте-хи-мической промышленности и других подобных приборов общепромышленного применения.

Реализация результатов работы. Все полученные результаты использованы в ГНЦ ЦНИИ РТК при проведении НИОКР, входящих в тематический план института. Разработана конструкторская документация, изготовлены и испытаны опытные образцы высотомеров: измерителя текущего значения высоты и отметчика заданной высоты. Опытные образцы высотомера отметчика поставлены АО "ОКБ Сухого" для проведения лет-но-конструкторских испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 6 научных конференциях, в том числе двух международных, и экспериментально подтверждены протоколами межведомственных летных испытаний в Летно-Исследовательском Центре ВНИИРА. Соискателем запатентованы способ измерения малых высот и устройство для его осуществления [31. Кроме этого, в соавторстве получен патент [7], включающий способ системной стабилизации приемо-передащего тракта и устройство для его осуществления, относящиеся к теме диссертации.

Публикации. По теме диссертации написано 9 работ, из них 6 печатных.

Личный вклад автора. Все научные результаты получены автором самостоятельно. Работы по конструированию и созданию образцов высотомеров, их экспериментальные исследования велись в рамках тематического плана ЦНИИ РТК при непосредственном участии и под руководством автора 12, 3, 4, 5]. ^

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 64 наименования. Диссертация содержит 131 страницу текста, 26 рисунков, 15 таблиц и 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и ставится задача создания нового высотомера малых высот [1, 6, 8].

Глава 1. Рентгеновские высотомеры малых высот [3, 7, 8]

В 1-ой главе рассмотрены существующие методы и средства решения проблемы, охарактеризовано состояние дел в области маловысотной высотометрии в свете перспектив развития бортовых информационно-измерительных систем. Показаны достоинства рентгеновского излучения перед излучением радио-, оптического и гамма диапазонов при решении задач ближней локации. Приведена классификация рентгеновских высотомеров и существующие методы определения высоты, дан их сравнительный анализ. Приведено математическое описание временных характеристик поля обратнорассеянного импульсного рентгеновского излучения и показаны перспективы развития рентгеновской высотометрии. Сформулированы основные цели работы.

Разработка и создание бортовых высотомеров малых высот сталкиваются с трудностями, обусловленными специфическими особенностями работы в ближней зоне: дефицит времени обработки информации, широкий диапазон изменения рабочих сигналов, массогабаритные и энергетические ограничения, неопределенность и изменчивость типа и состояния ПП и т. д.

В настоящее время получили развитие следующие способы измерения высоты :

- радиотехнический, лазерный и акустический, основанные на измерении времени прохождения сигнала до отражающей поверхности и обратно;

- радиоизотопный, измеряющий интенсивность обратнорассеянного гамма-излучения;

- инерциальный, где акселерометр, установленный на гиростаби-лизированной платформе стандартной инерциальной системы, измеряет вертикальное ускорение с последующим двойным интегрированием.

В ряде случаев для компенсации ошибок, присущих отдельным способам, применяется комплексирование перечисленных выше способов измерения высоты. Кроме того, все перечисленные высотомеры можно сгруппировать с учетом метода измерения и принципа получения окончательного результата для определения высоты разделив на системы,

1 - 1

непосредственно измеряющие высоту полета ЛА, и средства (датчики), дающие исходные данные для последующего вычисления высоты.

При такси классификации к первси группе будут относиться все радиовысотомеры, барометрические и гамма-высотомеры, а ко второй -инерциапьные системы.

В ближней зоне при функционировании в нормальных условиях из всех высотомеров, построенных на перечисленных физических'принципах, наиболее высокой точностью обладают лазерные высотомеры. Однако их применение в ряде случаев оказывается невозможным из-за большой вероятности появления ложного сигнала, связанного с отражением от облака, пыли или аэрозоли в приземном слое.

Радиовысотомеры обладают в диапазоне малых высот точностью, достаточной для решения многих задач маловысотной навигации, и весьма широко распространены, однако они обладают существенной погрешностью измерения при работе над ПП с изменяющимся составам (вода, различные почвы и др.), высокой чувствительностью к помехам различного происхождения. Кроме того, в ряде случаев неприемлемо, что их зондирующее излучение легко обнаружима.

Радиоизотопный метод имеет ряд преимуществ перед названными методами: гамма-лучевые высотомеры всепогодны, практически неподав-ляемы и необнаруаимы, они не выдают ложного сигнала при появлении в зоне обзора мутных сред. При этом они обладают в ближней зоне точностью, превышающей точность радиовысотомера. Гамма-лучевые высотомеры нашли применение при решении ряда задач маловысотной навигации, в том числе для управления мягкой посадкой спускаемых КА. Недостатки гамма-лучевых высотомеров, которые существенно ограничивают их применение, связаны в первую очередь с наличием изотопного источника зондирующего излучения.

Высотомеры, использующие в качестве зондирующего излучения рентгеновское излучение, имеют те же преимущества перед высотомерами, работающими на иных физических принципах, что и гамма-лучевые высотомеры, однако эти высотомеры обладают целым рядом дополнительных преимуществ. Во-первых, в них отсутствует постоянное излучение. Во-вторых, в рентгеновских высотомерах возможны различные режимы работы генератора рентгеновского излучения (импульсный и непрерывный), что позволяет реализовать временные методы измерения, и может быть реализовано управление интенсивностью излучения (квантовым'выходом) . В-третьих, вследствие указанных особенностей рентгеновских

высотомеров, диапазон измеряемых ими высот в 2 - 3 раза превышает диапазон гамма-высотомеров. Таким образом, развитие импульсных рентгеновских высотомеров является весьма перспективным с точки зрения решения задач маловысотной навигации летательных аппаратов всех типов.

Импульсный режим зондирования позволяет реализовать время-пролетный метод измерения высоты,заключающийся в измерении времени запаздывания I момента регистрации рентгеновских квантов, рассеянных ПП, относительно момента их испускания рентгеновским передатчиком и вычислении высоты Н по формуле Н = сй/2, где с - скорость света. Важнейшим преимуществом время-пролетного метода измерения высоты перед интенсиметрическим является независимость точности измерения высоты от свойств подстилающей поверхности, нестабильности чувствительности приемника (эффективности регистрации) и нестабильности квантового выхода РП. Точность измерения зависит от временного разрешения приемо-передащего тракта и длительности зондирующего импульса изи), ошибка измерения может быть снижена за счет накопления принимаемых импульсов и усреднения информации, однако остается ошибка, обусловленная отражением от воздуха. При измерении малых высот одним из основных источников помех являются импульсы рассеяния от воздушной среды.

Для создания рентгеновского высотомера необходимо исследование макросистемы, включающей источник импульсного рентгеновского излучения, среду распространения, рассеивающую ПП и приемник обратно-рассеянного излучения.

Для реализации временных методов измерения необходимо применение сцинтилляционных детекторов с наносекундными временами высвечивания и высокой эффективностью регистрации (например, утяжеленные пластмассовые сцинтилляторы или сцинтилляторы на основе фторида бария) [8] и рентгеновских передатчиков с наносекундными длительностями зондирующих импульсов, с высокой интенсивностью и частотой повторения [3].

На основе анализа существующих работ, посвященных исследованию характеристик поля рассеянного ИРИ., сделаны следующие основные выводы:

1. В изученных работах основное внимание уделялось количественным оценкам энергии поля рентгеновского излучения, обратно рассеянного от воздуха и границы раздела двух сред; анализу влияния

различных факторов на интенсивность рентгеновского сигнала, обратно рассеянного полубесконечными отражателями; исследованию временных характеристик рентгеновского импульса, рассеянного воздушной средой и подстилающей поверхностью, что во многом послужило теоретической основой для создания импульсных рентгеновских высотомеров. Проведена оценка такой важной характеристики рентгеновских высотомеров, как верхняя граница измеряемых высот. Для амплитудных высотомеров она не превышает 15 метров, а для время-импульсных составляет величину порядка 30 метров в воздухе и до 100 - 150 метров в вакууме.

2. В большинстве изученных работ при исследовании характеристик рассеянного ИРИ делается ряд допущений: не обсуждаются-реальные энергетические спектры РП, а рассматриваются условные монохроматические источники, рассматриваются характеристики поля мгновенного точечного источника, заданного дельта-функцией, или импульса в виде распределения Гаусса, используется приближение совмещенных источника и детектора излучения и приближение однократного рассеяния, излучение в пределах диаграммы направленности РП предполагается изотропным, база приемник - передатчик параллельной ровной поверхности отражателя и много меньшей измеряемой высоты. Указанные допущения зачастую приводят к существенным отличиям результатов расчетов и эксперимента.

3. В то же время, учитывая специфические требования, предъявляемые к высотомерам малых высот нового поколения, для их создания необходимы более тщательные исследования, связанные с изучением характеристик поля рассеянного ИРИ в зависимости от параметров окружающей среды и характеристик приемо-передающего тракта в условиях, максимально приближенных к условиям реального полета, с учетом влияния всех возможных дестабилизирующих факторов.

4. Для создания конкурентоспособного импульсного рентгеновского высотомера необходимо более тщательное исследование поля рассеянного ИРИ, разработка новых эффективных методов извлечения информации из отраженного сигнала и создание близких к оптимальным алгоритмов функционирования и вычисления высоты, чему и посвящена данная диссертационная работа.

Глава 2. Теоретическое исследование время-импульсных рентгеновских высотомеров

Во второй главе описывается математическая модель время-

импульсного рентгеновского высотомера, исследуются параметры, определяющие форму временного распределения поля обратнорассеянного ИРИ. Рассматриваются методы получения информации из аппаратных данных и оценки погрешностей измерений. Обсуждаются различные методы временного стробирования, их достоинства и недостатки. Описывается способ вычисления высоты с помощью градуировочных характеристик. Предлагается новый комбинированный метод обработки информации, основанный на виртуальном временном стробировании отраженного сигнала и дискретном сопровождении его центра. Рассматриваются потенциальные возможности высотомера как измерительной системы; приводятся алгоритмы обработки первичной информации и расчет точностных характеристик [2, 3, 4].

Временной спектр рассеянного рентгеновского излучения представляется многомерной условной функцией распределения времени задержки регистрации рассеянного рентгеновского кванта относительно начала зондирующего импульса, характеризуемой набором параметров {0!... > = 0. Следовательно, временной спектр, снятый в неизменных условиях, характеризуемых параметрами 0, в течение продолжительного интервала наблюдения можно считать функцией правдоподобия выборки для фиксированных значений 0. Экспериментально полученный аппаратный временной спектр представляет собой свертку временного распределения поля рассеянного ИРИ с аппаратными функциями приемо-передающего тракта (ППТ) и схемы измерения. Измерив длительность зондирующего импульса, время разрешения ППТ и измерительной схемы, можно провести восстановление временного распределения поля обратно рассеянного ИРИ из аппаратного временного спектра. Однако при разработке импульсных рентгеновских высотомеров существенное значение имеют и собственно аппаратные спектры, поскольку в них отражено влияние ППТ на характер временного распределения. На основе восстановленного временного спектра можно осуществлять моделирование реальных аппаратных спектров для различных РП и приемных устройств. В общем случае временной спектр рассеянного вблизи границы раздела двух сред ИРИ представляет собой суперпозицию двух пиков, обусловленных рассеянием воздухом и ПП. На рис. 1а, б, в приведены семейства аппаратных временных спектров экспериментально полученных в различных условиях на испытательных стендах, вакуумной камере и огневом стенде. Вид спектра зависит от геометрии эксперимента, характеристик ППТ, среды распространения и ПП. Временной спектр является носителем

- и -

Рис. 1 а.

пылеёое о5/>аао

информации о высоте и ориентации ЛА над ПП.

Существуют методы извлечения этой информации из рассеянного ПП сигнала путем его временного стробирования. С точки зрения информационных потерь временные методы оценки параметров занимают промежуточное положение между оптимальным алгоритмом оценки и интенсимет-рическимим методами: если длина стробов стремится к нулю (при неизменной суммарной длине), информация, содержащаяся в стробированном сигнале, стремится к полной (т.е. известны моменты регистрации каждого рассеянного кванта), а использование одного длинного строба (охватывающего весь период наблюдения) соответствует интенсиметри-ческим методам оценки. Стробы могут иметь фиксированную задержку относительно зондирующего импульса (неподвижные стробы) или могут принудительно смещаться, осуществляя слежение за центром, фронтом или максимумом пика отраженного сигнала. В следящих системах значение высоты функционально связано с положением (временем задержки) стробов на временной шкапе. При интегрировании сигнала в неподвижных стробах для фиксации момента достижения ЛА заданной высоты можно осуществлять сравнение полученных сигналов с заданными пороговыми значениями или проверять соотношение сигналов, накопленных в стробах, и по ним принимать решение о достижении заданной высоты. Для осуществления непрерывного измерения текущего значения высоты применяется метод, основанный на интегрировании сигнала в неподвижных стробах и использовании градуировочных характеристик. Градуиро-вочная характеристика представляет собой некоторую функцию С(Н), аргументом которой является истинное значение высоты Н над ПП. Значение функции (5(Но) в точке получается на основе интегрирования временного распределения, полученного на высоте Н0, в фиксированной паре соседних стробов с последующей обработкой полученных данных. На основе экспериментально полученных градуировочных характеристик решается обратная задача извлечения информации о высоте Н по числу импульсов, зарегистрированных в паре соседних стробов. Оценка параметра Н может быть, например, определена как решение относительно Н следующего уравнения:

N N

( I / ( Е 5^) = Б(Н), (1)

к-1 к-1

где Бк - число квантов, зарегистрированных в К-ом стробе за такт

накопления, Кк, дк, - постоянные коэффициенты, к = 1 ... N. Оценки такого типа являются частным случаем М-оценок Хьюбера. В простейшем двухстробовом случае при =Йг=1 и ^=-1

Б(Н) - (Бг-^) / С^+Бг), (2)

однако и это выражение инвариантно относительно нестабильности квантового выхода РП и эффективности регистрации БД. Таким образом, возможна аппаратная реализация высотомера без стабилизации РП и БД.

Для создания нового типа рентгеновского высотомера необходимо было разработать эффективный метод извлечения полезной информации из отраженного сигнала. Этот метод должен одновременно удовлетворять следующим требованиям: с одной стороны, устойчивости и надежности работы высотомера при высокой точности измерения в условиях дефицита времени обработки, а с другой стороны, простоте аппаратной реализации прибора. Поскольку полезная информация содержится только в небольшой части отраженного сигнала, смещающейся по временной шкале в соответствии с высотой ЛА до ПП, было нецелесообразно полностью отказываться от идеи следящей системы, однако в этом случае необходимо было реализовать ее в таком виде, чтобы избавиться от основных ее недостатков: вероятности пропуска (незахвата) подстилающей поверхности и срыва ее сопровождения. Основная идея нового метода заключается в разбиении временной шкалы, охватывающей весь диапазон измерения, на некоторое количество виртуальных стробов одинаковой длительности, прилегающих друг к другу таким образом, чтобы конец предыдущего являлся началом следующего. При этом реально аппаратным способом формируются только гребенка из трех последовательных стробов, с помощью которых осуществляется выделение трех участков временного спектра отраженного сигнала (рис. 2а). Сформированная гребенка может занимать ряд дискретных положений на временной оси, совпадающих с положением любых трех последовательных виртуальных стробов, с помощью которых происходит дискретное слежение за отраженным сигналом. По мере движения сигнала по временной оси гребенка принудительно смещается по шкале виртуальных стробов с шагом, равным длительности строба, так, чтобы центр отраженного сигнала преимущественно находился в ее центральном стробе. Формирование тройки стробов позволяет при необходимости вести измерение одновременно по двум парам неподвижных стробов и, следовательно,

разнести по времени момент перехода с одной дискриминационной характеристики на другую и момент перехода следящей системы из одного статического положения на жале виртуальных стробов в другое (рис. 26, 2в). Эта система не подвержена срывам сопровождения ПП и устойчива при горизонтальном полете или при зависании ЛА на высоте в районе точки перехода, несмотря на возможные статистические флуктуации сигнала.

Потенциальные точности высотомера определяются статистическими характеристиками сигнала. В рентгеновском высотомере РП излучает модулированный по времени поток рентгеновских квантов. В пределах зондирующего импульса моменты вылета квантов с анода рентгеновской трубки являются случайными и образуют нестационарный пуассоновский поток событий.

Вход высотомера как измерительной системы представляет собой поток импульсов, являющийся нестационарным пуассоновским потоком с интенсивностью, которая может быть представлена в виде [41:

Х(Ь,0) = + ЦШ, (3)

где 0) - интенсивность потока, описывающего отраженный от ПП полезный эхо-сигнал, Я^Ц) - интенсивность потока, описывающего фон (сигнал, рассеянный воздушной средой, космический фон, радиационный фон от ПП, собственные шумы детектора), 0 - вектор измеряемых навигационных координат.

Если высотомер работает в воздушной (пыле-газовой) среде, то происходит рассеяние квантов зондирующего импульса в воздухе и Ц Ш является периодической функцией с периодом, равным периоду следования зондирующих импульсов. Конкретный вид Ш в этом случае определяется длительностью зондирующего импульса, энергией рентгеновских квантов, параметрами среды рассеяния, диаграммами приема и передачи, базой РП-БД, временем разрешения приемо-передаю-щего тракта (ППТ). Амплитуда и форма АдЦ, Н, а, р) при прочих равных параметрах системы и окружающей среды зависит от расположения объекта относительно ПП т.е. от Н,а и р. Функция и, Н, а, в) отлична от нуля на сравнительно небольшом отрезке временной шкалы, определяемом длительностью задержки отраженного от ПП сигнала относительно начала зондирующего импульса и собственной длительностью отраженного сигнала. Если можно пренебречь изменением за период

наблюдения параметров Н, ü и р, тогда функции A^it, Н, а,&) и l(t, Н, а, р) можно также считать периодическими с периодами, равными периоду зондирования [2, 3].

Для рентгеновских высотомеров оптимальный алгоритм оценивания параметров должен учитывать все моменты регистрации отраженных квантов,. что на сегодняшний день практически нереализуемо. Действительно, функция правдоподобия для входного потока без учета мертвого времени имеет вид [4]:

х

е(Ц, .... tn, 1}) = exp (-Sx(t,i»dt) П хСЦ.й), (4)

О 0 < t i < т

где tt, .... tn - моменты регистрации рентгеновских квантов на промежутке времени СО, xl. В реальных системах число п может достигать десятков и сотен тысяч. В связи с этим вместо полных реализаций входного потока для оценивания параметров (например, высоты над ПП и вертикальной скорости) приходится использовать значения некоторых статистик.

Информационный анализ сигналов системы до и после предобработки позволяет оценить потерю информации на этом этапе и рассчитать потенциальную точность оценок параметров при используемом методе предобработки. Полная информация за время % (информационная матрица Фишера) относительно вектора параметров ö-, содержащаяся во входном потоке одного детектора, для временного метода определяется формулой:

N

I(ö) = L Е -к-1

1 ( ЙА,, w ЬАк

(5)

к '

ttö

где \ = У Ш,й) сИ, Ь = -С/Т - число посылок зондирующих импульсов

за время наблюдения х; Т - период ЗИ, N - число стробов, - границы к-го строба.

Потенциальная точность оценок (нижняя граница для среднеквад-ратических отклонений) определяется в соответствии с неравенством

Крамера-Рао: __

бп (1^) = /Г1 ц (») . (6)

При равномерном движении объекта с фиксированными а, ß зависи-

мость H(t) определяется выражением:

HCt) = Н0 + vt. (7!

В этом случае задача оценки высоты H(t) в момент времени t по сигналу, зарегистрированному приемником за интервал времени х = [t0, t0 + t], или [О, 1Л] сводится к задаче оценки двух параметров Hq и v. Информационная матрица Фишера для вектора параметров 0- = (H0,v) интенсивности пуассоновского потока (v - вертикальная составляющая скорости) имеет вид:

т 1 / &Ut,H(t)h2/ 1 t

I СО) - L S - I-1

0 X(t,H(t)) ^ bH 1 4 t'

dt.

(8)

Тогда в соответствии с неравенством Крамера-Рао:

б„ (Нд) = |/Г 11! (i>) ,

(9)

б„ (V) = |/1_1г2(й) . (10)

Нижняя граница дисперсии оценки Н определяется в свою очередь через информационную матрицу Фишера следующим соотношением:

б2(н) > бп2сн) = сгЧаПи + ь2[г1Ш122 + яиг1 Ш112- ш>

Здесь бпг(Н) представляет собой потенциальную точность т. е. минимальную дисперсию оценки, которая может быть получена при заданной зависимости х(Н(Ш и заданных стробах.

Функция х{1), как правило, не может быть представлена аналитически. Аппроксимация функции в каждом конкретном случае весьма громоздка, а результаты вычислений редко дают хорошее согласие с экспериментом, поскольку очень сложно задать все многообразие параметров приемо-передающего тракта высотомера, среды распространения и отражающей поверхности. Наиболее разумным выходом из этой ситуации представляется использование интегральных экспериментов, позволяющих получить функцию хЦ) для фиксированных значений параметров, и с ее помощью провести оценку предельных точностных характеристик данного варианта построения высотомера.

Проведенные расчеты точностных характеристик высотомеров подтвердили возможность создания релейного высотомера - отметчика высоты с точностью измерения не хуже 3 % в диапазоне высот от 1 до 4 м при вероятности ложной тревоги (вероятности срабатывания за пределом 20% установленной высоты) не более 10"9 за 7-минутный сеанс работы.

Точность непрерывного измерения текущего значения высоты может составлять величину не хуже 3 % в диапазоне измерения высот от 0, 5 до 25 м.

Глава 3. Экспериментальное исследование рентгеновского время-импульсного высотомера

Третья глава посвящена интегральным экспериментам для исследования поля рассеянного ИРИ и экспериментальным исследованиям импульсных рентгеновских высотомеров на специализированных стендах и на борту самолета - летающей лаборатории. Рассматриваются методы проведения таких экспериментов, описывается экспериментальная установка для получения временных спектров, описываются стендовые и летные испытания высотомеров

Для проведения исследований поля обратнорассеянного ИРИ, испытаний • рентгеновских высотомеров и экспериментальной отработки их узлов и алгоритмов на стенде ЦНИИ РТК был создан автоматизированный комплекс и разработано специальное программное обеспечение.

Программа экспериментальных исследований релейного рентгеновского высотомера включала в себя исследование влияния на точность регистрации момента достижения заданной высоты основных параметров приемо-лередащего тракта высотомера и окружающей среды: продолжительности времени накопления информации, значений углов наклона высотомера относительно ПП, температуры окружающей среды. Исследовалось воздействие на надежность функционирования релейного высотомера следующих дестабилизирующих факторов: плотных клубов дыма с ярко выраженной границей, мутных сред в виде мощных атмосферных осадков и повышенного радиоактивного фона. Экспериментальные данные по зависимости точности измерения от времени накопления (статистики) находятся в хорошем согласии с результатами расчетов. При штатных параметрах алгоритма ложных срабатываний не зафиксировано. Ошибка фиксации заданной высоты с учетом углов наклона до 15 градусов и при воздействии дестабилизирующих факторов не превышает 2% на высо-

тах порядка 4 м и (5 см + 0,01 Н) на меньших высотах.

В процессе реализации программы экспериментальных исследований время-импульсного рентгеновского высотомера - измерителя текущего значения высоты были получены следующие результаты:

1. Абсолютная ошибка измерения в статическом режиме на высотах Н от 60 см до 20 м не превышала 5 см + 0,01 Н; среднеквадратическое отклонение составило не более 0,5 % текущего значения высоты, смещение оценки высоты (Нсредн - Нист) составляло величину от 4 мм на высоте 0,6 м до 10 см на высоте 20 м.

2. Ошибка измерения высоты в зависимости от угла наклона в диапазоне до 15 градусов не превышает 10-20 см во всей области измерения высоты.

3. Отсутствует смещение оценки высоты при измерении над различными типами ПП.

4. Погрешности измерения высоты при подъеме и спуске со скоростью 0,5 м/с практически совпали с погрешностями измерения в статическом режиме. Динамическая ошибка может быть учтена и скомпенсирована.

5. Испытания на воздействие мутных сред проводились в статике и в динамике в условиях сильного задымления от сигнальных фальшфейеров, над зажженным горючим, при наличии сильных атмосферных осадков. Во всех случаях сбоев в работе высотомера не наблюдалось, разница в показаниях высотомера оставалась на уровне ошибки эксперимента (не более 1 - 3 см).

6. Подтверждена инвариантность показаний высотомера к уровню радиационного фона при мощности дозы на расстоянии 1 м от источников от 200 до 500 мР/час.

Летные испытания высотомера на борту самолета подтвердили высокую надежность и электромагнитную совместимость высотомера со лтатным оборудованием самолета. Не было зафиксировано ложных захватов ПП в различных режимах пилотирования: в горизонтальном полете на большой высоте, при входе и выходе из плотного облачного слоя, при резком наборе высоты и спуске. При достижении верхней границы диапазона измерения осуществлялся надежный захват и сопровождение ПП независимо от величины вертикальной скорости: плавный вход в диапазон измерения или режим типа "нырок" с последующим резким набором высоты. Не было зафиксировано срывов сопровождения и резких бросков измеренной высоты в условиях горизонтального полета над

подстилающими поверхностями различного состава: грунт, бетон ВПП. Не наблюдалось расхождений в показаниях рентгеновского высотомера и других бортовых высотомеров в пределах ошибки их измерения. Значения высоты, измеренные на стоянке до и после полета совпали с точностью до 2 см и отличались не более чем на 4 см от "истинной" высоты, измеренной с помощью рулетки.

Глава 4. Перспективы развития и комплексирования время-импульсных рентгеновских высотомеров

В четвертой главе изложены обобщающие рекомендации по развитию и применению импульсных рентгеновских высотомеров.

Обоснована перспективность комплексирования различных методов обработки полученной информации с целью расширения функциональных возможностей измерительной системы и минимизации ошибки измерения, а также комплексирования рентгеновского высотомера с радиовысотомером и со спутниковой системой посадки.

Эффективность комплексирования с радиовысотомером может быть связана, в частности, с условиями функционирования ЛА (условия скрытности или наличие активных электромагнитных помех, когда требуется включение дублирующей системы измерения). Она может быть полезной и для повышения достоверности и точности измерения высоты, а также соображениями по минимизации массо-габаритных характеристик комплекса навигационной аппаратуры. Комплексирование глобальных навигационных спутниковых систем с рентгеновскими высотомерами малых высот представляет интерес с точки зрения аттестации ГНС по категориям ИКАО и повышении их эффективности путем получения точной привязки по высоте.

В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан новый тип всепогодного помехоустойчивого необнаружи-мого рентгеновского высотомера, обеспечивающего измерение высоты (Н) в диапазоне от 0,5 до 30 м с погрешностью (26) не более 5 см + 0, 01Н над ПП любого типа, в том числе, в условиях радиоактивного заражения, что подтверждено экспериментальными исследованиями и

летными испытаниями.

2. Разработана инженерная методика проектирования этих высотомеров.

3. Предложен принципиально новый способ измерения текущего значения высоты, основанный на временном стробировании переменного участка спектра обратнорассеянного импульсного рентгеновского излучения с использованием элементов интенсиметрических оценок сигнала и дискретном сопровождении центра отраженного сигнала на шкале виртуальных временных стробов.

4. Созданные высотомеры имеют весьма значительные перспективы общепромышленного применения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Благоразумов Л.Л, Благоразумова Г.В., Болдырев В. В., Спасский Б. А., Чуйкин С. Л. Времяиыпульсные рентгеновские высотомеры малых высот.// В сб.: " Робототехника и техническая кибернетика". >Пб.: СПбГТУ, 1993.

2. Спасский Б. А., Благоразумов Л. Л., Благоразумова Г. В., Болдырев В. В., Смирнова Н.В., Чуйкин С. А. "Разработка принципов пост-эоения и создания малогабаритного высотомера, работающего в рентгеновском диапазоне, для самолетов и вертолетов гражданской авиации".// Отчет о НИР СПб ГТУ по программе "Конверсия научно-технического потенциала ВУЗов", СПб ГТУ, Санкт-Петербург, 1994.

3. Патент РФ N 2032919 Способ измерения малых высот и устройство для его осуществления. Спасский Б. А, // Бюллетень "Открытия. Изобретения" N10 10.04.1995 г.

4. Спасский Б.А., Благоразумова Г.В., Болдырев В.В., Чуйкин J./4. и др. Разработка рентгеновского время-импульсного высотомера лалых высот.// Отчет о НИР - этап 1, инв. N 563, ЦНИИ РТК, Занкт-Петербург, 1995.

5. Спасский Б.А., Ступин К.Н., Чуйкин С.А. и др. Разработка рентгеновского время-импульсного высотомера малых высот. // Отчет о Ш> - этап 2, инв. N 607, ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург, 1996.

6. Kotenev V. D., Smimova N.V., Spassky В. А., ChuykinS.A. (-гау meters of loi» altitudes for safety ensuring of aircraft lan-lings on unprepared fields.// Instrumentation in Ecology and Human

Safety '96. Saint-Petersburg 1996.

7. Патент РФ К 2072530 Способ определения больших высот и устройство для измерения больших высот. Спасский Б.А., Благоразумов J1.J1., Благоразумова Г. В., Болдырев В. В., Чуйкин С.4. //Бюллетень "Открытия. Изобретения" 27.01.1997 г.

8. Спасский Б.А., Юревич Е.И. Рентгеновская высотометрия. // В сб." Робототехника и техническая кибернетика", поев, 30-летию ЦНИИ РТК. С-Пб.: СПбГТУ, 1998. (нах. впеч.)

9. Спасский Б.А. Рентгеновский высотомер малых высот.// В сб. тезисов международной научно-технической конференции МНТК-98, поев. 90-летию Н.L Пилюгина, (нах. в печ.)

Лицензия ЛР N»020593 от 7.08.97.

Подписано к Печ. л. 1,5. Тираж-ДО,

Заказ № ZS3-

Отпечатано в Издательстве СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул, д. 29