مقياس الارتفاع الراداري

طُوِّر المفهوم الأساسي لمقياس الارتفاع الراداري بشكل مستقل عن مجال الرادار الأوسع، ويعود أصله إلى دراسة أجريت على الاتصالات الهاتفية بعيدة المدى في مختبرات بيل . خلال العقد الثاني من القرن العشرين، كانت شركة بيل للهواتف تعاني من مشكلة انعكاس الإشارات الناتجة عن تغيرات المعاوقة في خطوط الهاتف، وخاصةً عند نقاط توصيل الأجهزة بالأسلاك. وكانت هذه المشكلة بالغة الأهمية في محطات إعادة الإرسال، حيث كانت المعاوقات غير المتطابقة تعكس كميات كبيرة من الإشارة، مما يُصعِّب الاتصالات الهاتفية بعيدة المدى. ^{[ 5 ]}

لاحظ المهندسون أن الانعكاسات بدت وكأنها تتخذ نمطًا "متعرجًا"؛ فبالنسبة لأي تردد إشارة معين، لن تكون المشكلة ذات أهمية إلا إذا كانت الأجهزة موجودة في نقاط محددة على الخط. وقد أدى ذلك إلى فكرة إرسال إشارة اختبارية إلى الخط ثم تغيير ترددها حتى يتم رصد أصداء واضحة. وهذا من شأنه أن يكشف المسافة التقريبية إلى الجهاز، مما يسمح بتحديد موقعه وإصلاحه حتى في الخطوط التي تحتوي على العديد من محطات التقوية. ^{[ 5 ]}

كان لويد إسبنشيد يعمل في مختبرات بيل عندما خطرت له فكرة استخدام هذه الظاهرة نفسها لقياس المسافات في الأسلاك. وكان من أوائل إنجازاته في هذا المجال براءة اختراع حصل عليها عام 1919 (مُنحت عام 1924) ^{[ 6 ]} حول فكرة إرسال إشارة إلى مسارات السكك الحديدية وقياس المسافة إلى الانقطاعات. ويمكن استخدام هذه الإشارات للكشف عن المسارات المكسورة، أو في حال تغير المسافة بسرعة أكبر من سرعة القطار، يمكن استخدامها للتحذير من وجود قطارات أخرى على الخط نفسه. ^{[ 5 ]}

خلال الفترة نفسها، دار جدل واسع في الفيزياء حول طبيعة انتشار الموجات الراديوية. بدا نجاح غولييلمو ماركوني في إرسال موجات عبر المحيط الأطلسي مستحيلاً. أظهرت دراسات الإشارات الراديوية أنها تنتقل في خطوط مستقيمة، على الأقل لمسافات طويلة، لذا كان من المفترض أن يختفي البث من كورنوال في الفضاء بدلاً من استقباله في نيوفاوندلاند . في عام ١٩٠٢، افترض كل من أوليفر هيفسايد في المملكة المتحدة وآرثر كينلي في الولايات المتحدة، بشكل مستقل، وجود طبقة متأينة في الغلاف الجوي العلوي تعكس الإشارة عائدة إلى الأرض ليتم استقبالها. عُرفت هذه الطبقة فيما بعد باسم طبقة هيفسايد . ^{[ ٧ ]}

رغم جاذبية الفكرة، إلا أنها كانت تفتقر إلى أدلة مباشرة. في عام ١٩٢٤، تمكن إدوارد أبلتون ومايلز بارنيت من إثبات وجود هذه الطبقة في سلسلة من التجارب التي أجرياها بالتعاون مع هيئة الإذاعة البريطانية (BBC) . بعد انتهاء البث المُجدول لذلك اليوم، أرسل جهاز إرسال تابع لهيئة الإذاعة البريطانية في بورنموث إشارةً ازداد ترددها تدريجيًا. التقط جهاز استقبال أبلتون في أكسفورد هذه الإشارة، حيث ظهرت إشارتان. الأولى هي الإشارة المباشرة من المحطة، وهي الموجة الأرضية، بينما استُقبلت الثانية لاحقًا بعد انتقالها إلى طبقة هيفسايد وعودتها، وهي الموجة السماوية. ^{[ ٧ ]}

كان قياس المسافة التي قطعتها الموجة السماوية بدقة، لإثبات وجودها في السماء، ضروريًا لإجراء التجربة. وكان هذا هو الغرض من تغيير التردد. ولأن الإشارة الأرضية قطعت مسافة أقصر، كانت أحدث وبالتالي أقرب إلى التردد المُرسَل في تلك اللحظة. أما الموجة السماوية، التي قطعت مسافة أطول، فقد تأخرت، وبالتالي كان ترددها كما كان قبل فترة. وبمزج الإشارتين في خلاط تردد، يتم إنتاج إشارة ثالثة بترددها الفريد الذي يُشفّر الفرق بين الإشارتين المدخلتين. ولأن الفرق في هذه الحالة ناتج عن المسار الأطول، فإن التردد الناتج يكشف مباشرةً عن طول المسار. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة أكثر تعقيدًا من الناحية التقنية، إلا أنها في النهاية نفس التقنية الأساسية التي استخدمها بيل لقياس المسافة إلى العواكس في السلك. ^{[ 7 ]}

في عام 1929، بدأ ويليام ليتل إيفريت ، الأستاذ بجامعة ولاية أوهايو ، بدراسة استخدام تقنية أبلتون الأساسية كأساس لنظام قياس الارتفاع. وأسند العمل إلى طالبين في السنة النهائية، هما راسل كونيل نيوهوس وإم دبليو هافيل. كان نظامهما التجريبي أقرب إلى العمل السابق في شركة بيل، حيث استخدما تغيرات التردد لقياس المسافة إلى نهاية الأسلاك. وقد استخدمه الطالبان كأساس لأطروحة تخرج مشتركة في عام 1929. ^{[ 8 ]}

كشف إيفريت عن الفكرة لمكتب براءات الاختراع الأمريكي ، لكنه لم يتقدم بطلب للحصول على براءة اختراع في ذلك الوقت. ثم توجه إلى صندوق دانيال غوغنهايم لترويج علوم الطيران للحصول على تمويل لتطويرها. تواصل جيمي دوليتل ، سكرتير المؤسسة، مع فانيفار بوش من مختبرات بيل لإبداء رأيه. كان بوش متشككًا في إمكانية تطوير النظام آنذاك، لكنه مع ذلك اقترح على المؤسسة تمويل تطوير نموذج عملي. سمح هذا لنيوهاوس ببناء آلة تجريبية شكلت أساس أطروحته للماجستير عام 1930، بالتعاون مع جيه دي كورلي. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

نُقل الجهاز إلى قاعدة رايت الجوية حيث اختبره ألبرت فرانسيس هيجنبرجر ، الخبير البارز في مجال الملاحة الجوية. ووجد هيجنبرجر أن النظام يعمل كما هو مُعلن عنه، لكنه ذكر أنه سيحتاج إلى العمل بترددات أعلى ليكون عمليًا. ^{[ 8 ] [ أ ]}

كان إسبنشيد يفكر أيضًا في استخدام فكرة أبلتون لقياس الارتفاع. في عام 1926، اقترح الفكرة كوسيلة لقياس الارتفاع، بالإضافة إلى كونها نظامًا استشرافيًا لتجنب التضاريس وكشف الاصطدامات. مع ذلك، في ذلك الوقت، حُسب أن تردد أنظمة الراديو المتاحة، حتى في نطاق الموجات القصيرة، أقل بخمسين مرة من التردد المطلوب لنظام عملي. ^{[ 5 ] [ 9 ]}

في نهاية المطاف، سجّل إسبنشيد براءة اختراع للفكرة عام 1930. ^{[ 9 ]} في ذلك الوقت، كان نيوهوس قد ترك جامعة ولاية أوهايو وانتقل للعمل في مختبرات بيل. وهناك التقى بيتر ساندريتو ، الذي كان مهتمًا أيضًا بمواضيع الملاحة اللاسلكية. غادر ساندريتو شركة بيل عام 1932 ليصبح مديرًا للاتصالات في شركة الخطوط الجوية المتحدة (UAL)، حيث قاد تطوير أنظمة الراديو التجارية. ^{[ 8 ]}

لم يُمنح إسبنشيد براءة اختراعه حتى عام 1936، ^{[ 10 ]} وقد أثار نشرها اهتمامًا واسعًا. في نفس الفترة تقريبًا، كانت مختبرات بيل تعمل على تصميمات جديدة للأنابيب قادرة على توليد طاقة تتراوح بين 5 و10 واط بتردد يصل إلى 500  ميجاهرتز، وهو ما يُعد مثاليًا لهذا الغرض. ^{[ 9 ]} دفع هذا ساندريتو إلى التواصل مع بيل بشأن الفكرة، وفي عام 1937، شُكّلت شراكة بين مختبرات بيل وشركة UAL لبناء نسخة عملية. بقيادة نيوهوس، كان لدى فريق نموذج عملي قيد الاختبار في أوائل عام 1938، وكانت شركة ويسترن إلكتريك (قسم التصنيع في بيل) تستعد بالفعل لإنتاج نموذج تجاري. كما سجّل نيوهوس عدة براءات اختراع لتحسينات في التقنية استنادًا إلى هذا العمل. ^{[ 11 ]}

أُعلن عن النظام رسميًا في 8 و9 أكتوبر 1938. ^{[ 12 ]} خلال الحرب العالمية الثانية ، تولت شركة RCA إنتاجه بكميات كبيرة ، حيث أنتجته تحت اسمي ABY-1 وRC-24. في فترة ما بعد الحرب، انخرطت العديد من الشركات في إنتاجه، وأصبح أداة قياسية في العديد من الطائرات مع شيوع الهبوط الآلي . ^{[ 11 ]}

نُشرت ورقة بحثية تصف النظام بشكل مشترك من قِبل إسبنشيد ونيوهاوس في العام التالي. تستكشف الورقة مصادر الخطأ وتخلص إلى أن أسوأ سيناريو مُدمج كان في حدود 9%، ^{[ 13 ]} ولكن قد تصل هذه النسبة إلى 10% عند التحليق فوق تضاريس وعرة مثل المناطق المبنية في المدن. ^{[ 13 ]}

خلال الرحلات التجريبية الأولى للنظام، لوحظ أن نمط الإشارات المرتدة على جهاز راسم الإشارة كان مختلفًا باختلاف أنواع التضاريس أسفل الطائرة. وقد فتح هذا المجال أمام استخدامات أخرى عديدة لنفس التقنية، بما في ذلك مسح الأرض والملاحة. إلا أن شركة بيل لم تتمكن من استكشاف هذه المفاهيم في ذلك الوقت. ^{[ 12 ]}

كان معروفًا منذ أواخر القرن التاسع عشر أن المعادن والماء عاكسان ممتازان لإشارات الراديو، وقد بُذلت محاولات عديدة لبناء أجهزة كشف السفن والقطارات والجبال الجليدية على مر السنين منذ ذلك الحين. إلا أن معظم هذه المحاولات واجهت قيودًا عملية كبيرة بسبب استخدام إشارات منخفضة التردد تتطلب هوائيات ضخمة لتحقيق أداء مقبول.  وكانت وحدة بيل، التي تعمل بتردد أساسي يبلغ 450 ميجاهرتز، من بين أنظمة التردد الأعلى في عصرها، مما جعلها أكثر فائدة. ^{[ 13 ] [ ب ]}

في كندا، بدأ المجلس الوطني للبحوث (NRC) العمل على نظام رادار محمول جواً باستخدام مقياس الارتفاع من طراز بيل كأساس له. شكل هذا الأمر مفاجأة كبيرة للباحثين البريطانيين عندما زاروا كندا في أكتوبر 1940 ضمن بعثة تيزارد ، إذ كان البريطانيون يعتقدون آنذاك أنهم الوحيدون الذين يعملون على هذا المفهوم. ولما تبين أن الفكرة لم تعد سراً، عرضت البعثة على المجلس الوطني للبحوث تصاميمه عالية الجودة. تم التخلي عن التصميم القائم على مقياس بيل لصالح بناء تصميم ASV Mark II البريطاني المتطور بالكامل ، والذي كان يعمل بمستويات طاقة أعلى بكثير. ^{[ 14 ]}

في فرنسا، كان باحثون في فرع شركة IT&T الفرنسي يُجرون تجارب مماثلة على الرادار عندما اقترب الغزو الألماني من مختبراتهم في باريس. دُمرت المختبرات عمدًا لمنع وقوع الأبحاث في أيدي الألمان. عثرت الفرق الألمانية على الهوائيات بين الأنقاض وطالبت بتفسير. قام مدير الأبحاث في IT&T بتشتيت الشبهات عنهم بعرض جهاز قياس الارتفاع على غلاف إحدى المجلات، ووبخهم لعدم إلمامهم بأحدث تقنيات الملاحة. ^{[ 11 ]}

تُستخدم مقاييس الارتفاع الرادارية بشكل متكرر في الطائرات التجارية للاقتراب والهبوط، لا سيما في ظروف الرؤية المنخفضة (انظر قواعد الطيران الآلي )، وللهبوط الآلي أثناء وجودها في وضع التقاط مسار الانزلاق على ارتفاع أقل من 61-91 مترًا فوق مستوى سطح الأرض ، ^{[ 15 ]} مما يسمح للطيار الآلي بمعرفة الوقت المناسب لبدء مناورة التهدئة . وتُرسل مقاييس الارتفاع الرادارية البيانات إلى نظام التحكم الآلي في قوة المحرك ، وهو جزء من حاسوب الطيران .  

لا تُعطي مقاييس الارتفاع الرادارية عادةً قراءات إلا حتى ارتفاع 760 مترًا (2500 قدم) فوق سطح الأرض. وفي كثير من الأحيان، يمكن توجيه رادار الطقس نحو الأسفل لإعطاء قراءة من مدى أطول، يصل إلى 18000 متر (60000 قدم) فوق سطح الأرض. اعتبارًا من عام 2012  جميع الطائرات التجارية مجهزة بجهازين على الأقل من أجهزة قياس الارتفاع بالرادار، وربما أكثر، لأنها ضرورية لقدرات الهبوط الآلي. ( اعتبارًا من عام 2012)(لا تسمح اللوائح بتحديد الارتفاع من خلال طرق أخرى مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS )). الطائرات القديمة من الستينيات (مثل شركة الطائرات البريطانية BAC 1-11 ) والطائرات الأصغر حجماً في فئة أقل من 50 مقعدًا (مثل ATR 42 وسلسلة BAe Jetstream ) مجهزة بها.

تُعدّ مقاييس الارتفاع الرادارية جزءًا أساسيًا من أنظمة الإنذار بالاقتراب من الأرض (GPWS)، حيث تُنبه الطيار إذا كانت الطائرة تحلق على ارتفاع منخفض جدًا أو تهبط بسرعة كبيرة. مع ذلك، لا تستطيع مقاييس الارتفاع الرادارية رصد التضاريس أمام الطائرة مباشرةً، بل فقط أسفلها؛ ويتطلب ذلك إما معرفة الموقع والتضاريس في ذلك الموقع، أو رادارًا للتضاريس يُرصد التضاريس من الأمام. تتميز هوائيات مقاييس الارتفاع الرادارية بفص رئيسي كبير نسبيًا يبلغ حوالي 80 درجة، بحيث يستطيع الرادار، عند زوايا ميلان تصل إلى حوالي 40 درجة، رصد المسافة من الطائرة إلى الأرض (وتحديدًا إلى أقرب جسم عاكس كبير). ويعود ذلك إلى أن حساب المسافة يعتمد على أول إشارة عائدة من كل فترة أخذ عينات. ولا يرصد الرادار المسافة المائلة إلا بعد تجاوز زاوية ميلان أو ميل حوالي 40 درجة. ولا يُشكل هذا مشكلةً أثناء الهبوط، حيث لا تتجاوز زاوية الميلان والدوران عادةً 20 درجة.

تعمل أجهزة قياس الارتفاع الراديوية المستخدمة في الطيران المدني في نطاق IEEE C بين 4.2 و 4.4 جيجاهرتز. ^{[ 16 ]}

في أوائل عام 2022، تسبب التداخل المحتمل من أبراج الهواتف المحمولة من الجيل الخامس في بعض تأخيرات الرحلات الجوية وإلغاء عدد قليل من الرحلات في الولايات المتحدة.

تُستخدم مقاييس الارتفاع الرادارية أيضًا في الطائرات العسكرية للتحليق على ارتفاعات منخفضة فوق اليابسة والبحر لتجنب رصدها بالرادار واستهدافها بواسطة المدافع المضادة للطائرات أو الصواريخ أرض-جو . ومن الاستخدامات الأخرى لتقنية مقياس الارتفاع الراداري ، الرادار المتتبع للتضاريس ، الذي يسمح للطائرات المقاتلة القاذفة بالتحليق على ارتفاعات منخفضة جدًا.

تمتلك طائرات إف-111 التابعة لسلاح الجو الملكي الأسترالي وسلاح الجو الأمريكي نظام رادار متطورًا لتتبع التضاريس، متصلًا عبر حاسوب رقمي بنظام الطيار الآلي . يوجد أسفل غطاء الرادار الأمامي هوائيان منفصلان لتتبع التضاريس، يوفر كل منهما معلومات مستقلة لنظام الرادار ثنائي القنوات. في حال تعطل هذا النظام، تمتلك طائرة إف-111 نظام رادار احتياطي لقياس الارتفاع، متصل أيضًا بنظام الطيار الآلي. عندئذٍ، إذا انخفض ارتفاع طائرة إف-111 عن الحد الأدنى المحدد مسبقًا (على سبيل المثال، 15 مترًا) لأي سبب، يُصدر نظام الطيار الآلي أمرًا برفع مقدمة الطائرة بزاوية 2G لتجنب الاصطدام بالأرض أو الماء. حتى في القتال، يكون خطر الاصطدام أكبر بكثير من خطر رصدها من قبل العدو. وتُستخدم أنظمة مماثلة في طائرات إف/إيه-18 سوبر هورنت التي تشغلها أستراليا والولايات المتحدة.

• إسبنشيد، لويد؛ نيوهوس، راسل (يناير 1939). " مؤشر خلوص التضاريس". المجلة الفنية لنظام بيل . 18 (1): 222-234 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x
• "السبق التاريخي: مقياس الارتفاع الراديوي" (ملف PDF) . مختبرات بيل : 18-19 يناير 1948.
• كولين، روبرت (يوليو 1967). "جائزة الرواد لعام 1967: لويد إسبنشيد وراسل سي. نيوهوس". معاملات IEEE في أنظمة الفضاء والطيران والإلكترونيات . AES-3 (4): 736-742 . doi : 10.1109/TAES.1967.5408855 .