СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА Российский патент 1994 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многочастотных системах радионавигации, радиолокации и телеметрии для измерения интервалов времени между импульсами при наличии отраженного от ионосферы сигнала.

Известен способ измерения временной задержки принимаемых радиоимпульсов относительно местного опорного сигнала или временного интервала между принимаемыми радиоимпульсами от двух источников излучения, включающий измерение фазы ВЧ заполнения радиоимпульсов и разрешение многозначности фазового отсчета (РМФ). Поскольку на поверхностные радиоимпульсы, используемые для измерений, накладываются отраженные от ионосферы радиосигналы, измерения фазы производят в пределах непораженных фронтов радиоимпульсов. После измерения фазы производят синхронное выделение огибающей и формирование из нее сигнала с характерной точкой, где он меняет знак и за которой осуществляют слежение. Характерную точку формируют также на непораженном участке фронта поверхностного сигнала.

Таким образом, измерение фазы и временного положения огибающей (для РМФ) производят на фронте радиоимпульсов, то есть используют незначительную часть энергии, сосредоточенной в непораженной части фронта поверхностного радиосигнала. Это приводит к низкой помехоустойчивости, то есть к большой погрешности измерений.

Описан способ измерения, в котором фазу измеряют также в пределах фронта радиоимпульсов, однако временную задержку огибающих поверхностного и отраженного сигналов измеряют оптимальным образом с использованием всей энергии обоих сигналов. Этот способ по техническому решению и достигаемому положительному эффекту наиболее близок к заявляемому способу и принят в качестве прототипа.

В способе измерения при реализации алгоритма необходимо иметь точную форму огибающей A(t) радиоимпульсов. Такая возможность обеспечивается в многочастотных радиосистемах, в которых частотные компоненты (составляющие спектра) периодической последовательности радиоимпульсов излучают одновременно или последовательно во времени, а в измерителе из них формируют (синтезируют) радиосигнал с заданной огибающей согласно теории рядов Фурье.

Предположим, что многочастотная система излучает периодическую последовательность пачек по 2m+1 прямоугольных радиоимпульсов (частотных посылок) с одинаковыми амплитудами и различными частотами заполнения f_i= f_o + iF, где f_о - средняя (несущая) частота спектра; F - интервал между смежными частотными компонентами; -m ≅ i≅ m. Применительно к такой системе сущность прототипа заключается в следующем.

Берут отсчеты синусной y_iк и косинусной x_iк составляющих каждого i-го радиоимпульса в к-м цикле Т_ц излучения радиосигнала. Отсчеты производят, например, посредством преобразования частот f_i к одной и той же промежуточной частоте f_п, на которой производят квадратурное детектирование (выделение синусной и косинусной составляющих радиосигнала). Затем в пределах каждого видеосигнала берут отсчеты соответствующих составляющих.

Формируют синусный (ССН) и косинусный (КСН) сигналы накоплений путем сложения одноименных отсчетов в пределах n циклов излучения по правилу:
Y_i= Y_ik, X_i= X_ik. (1)
Формируют i-е частотные синусные (СС) и косинусные (КС) составляющие синтезированного радиоимпульса (СРИ) посредством вычитания из сигнала произведения КСН на нормирующий коэффициент a_i и sinω_it сигнала произведения ССН на a_i и cos ω_i t и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на a_i и cos ω_i t и ССН на a_i и sin ω_i t по правилу:
(2) где a_i = a_-i - нормирующие коэффициенты, которые приводят i-е компоненты одинаковой величины к i-м спектральным составляющим СРИ: ω_i= ω_o+iΩ, ω_o= 2πf_o, - f_o - частота заполнения (средняя частота) синтезируемого радиоимпульса; Ω= 2πF .

Формируют СС и КС СРИ сложением соответствующих i-х частотных составляющих
R_s(t)= R_si(t), (3)
^Rci^(t). (4)
Формируют огибающую синтезированного радиосигнала с помощью его составляющих
V(t)= . (5) Синтезированный сигнал состоит из поверхностного и отраженного от ионосферы радиоимпульсов, огибающие которых V(t) и V_o(t) показаны на фиг. 1. Цикл повторения радиоимпульсов Т_р = 1/F.

Определяют момент t_m, где огибающая суммы поверхностного и отраженного радиоимпульсов V_Σ (t_m) принимает максимальное значение.

Определяют момент времени t_фг, где огибающая суммарного радиосигнала достигает уровня CV_Σ (t_m). Величину С выбирают таким образом, чтобы точка t_фг попадала на участок фронта поверхностного радиоимпульса, не пораженного отраженным сигналом.

Определяют с помощью слежения за фазой ВЧ заполнения синтезированного радиоимпульса положение ближайшей к t_фг, точки t_фпересечения нулевого уровня сверху вниз поверхностным радиоимпульсом R_п(t). При этом в качестве сигнала рассогласования используют синусную составляющую (ЗП), а за начальное значение сигнала рассогласования принимают величину R_s(t_фг).

Образуют i-е низкочастотные СС и КС огибающей СРИ путем вычитания из сигнала произведения КСН на a_i и sini Ω t сигнала произведения ССН на a_i и cosiΩ t и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на a_i и cosiΩ t и ССН на a_i и sini Ω t:
(6)
Формируют вспомогательные НЧ сигналы Y, Y¹, E и E¹ посредством суммирования сигналов произведений нормирующих коэффициентов ai соответственно на i-е низкочастотные КС СРИ, на номер составляющей i и СС СРИ, на a_i cosi Ωτ и ia_isini Ωτ согласно выражениям:
(7) В (7) параметр t имеет смысл задержек t_п или t_о огибающих поверхностного и отраженного СРИ соответственно, τ - их разности, причем t и τ изменяются в пределах цикла Тр повторения СРИ. Так как при измерениях задержки и неизвестны, то заменяют их статистическими оценками и .

Формируют сигналы рассогласования по оценкам и задержек t_п и t_о соответственно: + [E(O)Y()-E(-)Y()] Y′(), , S()= [E²(O)-E²(t∧o

-)] Y′(t∧o)+[E(O)Y()-E(-)] E′(-). (8)
Измеряют оценки и задержек огибающих поверхностного и отраженного сигналов посредством двухканального слежения с помощью сигналов рассогласования (8). При этом в качестве начальных принимают значения = t_m-τ , t_о = t_т, где τ - прогнозируемая задержка отраженного сигнала относительно поверхностного.

Прогнозируемая задержка определяется следующим образом. Географические координаты излучателя ϕ₁, λ₁ и приемника ϕ₂λ₂по крайней мере приближенно известны. С помощью обратной геодезической задачи определяют расстояние σ в КМ между приемником и излучателем, затем по формуле геометрической оптики - прогнозируемую задержку.

Корректируют результат измерения по фазе t_ф по правилу: если ->T_o/2, ; если - T_o/2, то t_ф: = t_ф, где τ_п - интервал между максимумом огибающей и выбранной для слежения точкой (фиг. 1).

Недостаток прототипа заключается в том, что измерение задержки осуществляют слежением за фазой ВЧ заполнения на фронте, а не на максимуме радиоимпульса, так как последний поражен отраженным сигналом. При этом используют небольшую часть энергии сигнала, что ведет к снижению помехоустойчивости и, как следствие, к увеличению погрешности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что формируют сигнал оценок задержек огибающих, поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов относительно начала цикла местного опорного сигнала, находят его максимум, определяют по максимуму оценки задержек огибающих, формируют сигналы оценок амплитуд поверхностного и отраженного радиоимпульсов в моменты полученных задержек, с помощью сигналов оценок амплитуд и сигналов накоплений отсчетов образуют две пары компенсированных синусных и косинусных составляющих радиосигнала, в одной из пар которых скомпенсирован отраженный, а в другой - поверхностный радиоимпульс. С помощью этих составляющих определяют поправки к оценкам задержек огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов соответственно. Получают точные задержки поверхностного и отраженного радиоимпульсов посредством сложения соответствующих задержек огибающих и поправок.

Суть изобретения в том, что сначала определяют задержки огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов, затем поправки к этим задержкам, причем при определении поправки к задержке огибающей поверхностного радиоимпульса в синтезированном радиосигнале компенсируют отраженный радиоимпульс, при определении поправки к задержке огибающей отраженного радиоимпульса компенсируют поверхностный радиоимпульс.

Новые признаки с указанной целью в известных источниках не обнаружены, что свидетельствует о существенности отличий предложенного технического решения.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы огибающих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов; на фиг. 2 - структурная схема устройства - пример реализации заявляемого способа; на фиг. 3-6 - граф-схема алгоритма работы вычислителя устройства.

Сущность способа состоит в следующем.

Пусть многочастотная система излучает периодическую последовательность (с периодом Т_ц) пачек по 2m+1 прямоугольных радиоимпульсов (частотных посылок( с одинаковыми амплитудами и различными частотами заполнения f_i = f_o + iF, где _fo - средняя частота спектра; F - интервал между смежными частотными компонентами; -m ≅ i ≅ m. Если частотные посылки каждой пачки совместимость во времени, пронормировать и сложить, то получим периодическую (с периодом Т_р= 1/F) последовательность синтезированных радиоимпульсов (СРИ). Поскольку в измерителе принимают поверхностные сигналы, распределяющиеся вдоль трассы от излучателя, и отраженные от ионосферы сигналы, на поверхностные радиоимпульсы, синтезированные указанным выше способом, накладываются отраженные радиомпульсы, существенно затрудняющие измерение времени задержки поверхностного радиоимпульса относительно начала цикла Т_р местного опорного сигнала.

В способе реализуют следующие операции.

Берут отсчеты косинусной x_iк и синусной y_iк составляющих каждого i= го принимаемого прямоугольного радиоимпульса в к-м цикле Т_ц излучения радиосигнала. Измерения производят, например, посредством преобразования f_i к одной и той же промежуточной частоте _fп, на которой осуществляют квадратурное детектирование (выделение видеосигналов синусной и косинусной составляющих радиосигнала), затем в пределах каждого i-го видеосигнала берут отсчеты соответствующих составляющих.

Формируют синусный (ССН) и косинусный (КСН) сигналы накоплений путем сложения одноименных отсчетов в пределах n циклов излучения Т_ц по правилу:
Y_i= Y_ik, X_i= X_ik (1)
Формируют i-е частотные синусные (СС) и косинусные (КС) составляющие СРИ посредством вычитания из сигнала произведения КСН на нормирующий коэффициент a_i и sin ω_it сигнала произведения ССН на a_i и cos ω_it и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на a_i и cos ω_it и ССН на a_i и sin ω_it по правилу:
(2) где a_i = a_-i - нормирующие коэффициенты, которые приводят i-е компоненты одинаковой величины к i-м спектральным составляющим СРИ; ω_i= ω_o+iΩ, ω_o= 2πf_o, f_o - частота заполнения (средняя частота) СРИ, Ω= 2πF.

Формируют вспомогательные ВЧ сигналы Y(t) и E( τ ) путем суммирования сигналов произведений нормирующих коэффициентов a_iсоответственно на i-е частотные КС СРИ и a_i cos ω_i τ согласно выражениям:
. (3) В (3) t имеет смысл задержек t_o или t_п огибающих отраженного и поверхностного СРИ относительно начала цикла Т_р местного опорного сигнала, τ - их разности. При этом t и τ = t_o - t_п, изменяются в пределах цикла Т_р повторения СРИ. Так как t_п и t_o при измерениях неизвестны, то их заменяют статистическими оценками и .

Формируют сигнал оценок задержек с помощью вспомогательных сигналов (3) при соответствующих значениях аргументов t и τ:
I(, )= { E(O)[Y²()+Y²()] -2E(-)Y()Y()} /[E²(O)-E²(-t_o)]
(4)
Определяют значения оценок задержек = и = при которых сигнал оценок задержек (4) принимает максимальное значение.

Формируют сигналы оценок амплитуд с помощью вспомогательных сигналов (3) при значениях задержек t = или и τ = 0 или - по правилу:
(5)
Синтезируют копии (модели) СС и КС поверхностного и отраженного СРИ путем умножения соответствующих сигналов оценок амплитуд (5) на СС и КС нормированных СРИ, задержанных соответственно на и :
(6)
(7)
Формируют СС и КС составляющих СРИ посредством сложения соответствующих i-х частотных составляющих (2):
R_s(t)= R_si(t), R_с(t)= R_ci(t). (8)
Формируют СС и КС скомпенсированных СРИ по отраженному сигналу в момент времени (в максимуме огибающей поверхностного СРИ) посредством вычитания в указанный момент времени из соответствующих составляющих СРИ (8) копий составляющих отраженного сигнала (7), то есть
(9) и аналогично, скомпенсированных СРИ по поверхностному сигналу в момент времени (максимум огибающей отраженного радиоимпульса):
(10)
Определяют поправки к оценкам задержек огибающих поверхностного и отраженного СРИ, например, по правилу:
(11)
Получают точные значения задержек поверхностного и отраженного сигнала путем корректировки задержек огибающих и поправками (11)
t*п

= +Δt_п, t*o= +Δt_o. (12)
В качестве примера на фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ. Схема включает антенну 1, которая через полосовой фильтр 2, смеситель 3 и полосовой фильтр 4 подключена к сигнальным входам фазовых детекторов (ФД) 5 и 6, выходы которых соединены с сигнальными входами АЦП 7, генератор 8 опорного сигнала, выход которого через формирователь 9 импульсов местного опорного сигнала, смеситель 10 и полосовой фильтр 11 подключен к управляющему входу ФД 5, соединенного через фазовращатель 12 с управляющим входом ФД 6, через формирователь 13 гетеродинных частот соединен с гетеродинными входами смесителей 3 и 10, а через формирователь 14 стробов подключен к первым управляющим входам АЦП 7 и вычислителя 15, первый командный выход которого через статический регистр 16 соединен с управляющим входом формирователя 13, второй командный выход соединен с индикатором 17 информации, а третий командный выход и второй управляющий вход соединен с АЦП 7.

Устройство работает следующим образом.

На вход фильтра 2 поступают последовательно во времени все 2m+1 частоты f_i. Следовательно, полоса фильтра должна составлять величину Δ F₂ = (2m+ 1)F. После преобразования частот f_i смесителем 3 в промежуточную f_п и фильтрации в полосовом фильтре 4 сигнал поступает на сигнальные входы ФД 5 и 6.

Опорные сигналы ФД 5 и 6 образуют посредством формирования в формирователе 9 из опорной частоты f_о генератора 8 периодической последовательности коротких импульсов с частотой следования F, которые представляют местный опорный сигнал. Он содержит все гармонические составляющие с частотами f_i. Нужные составляющие f_i (соответствующие принимаемым частотным посылкам) выбирают гетеродинированием местного опорного сигнала путем установки вычислителем 15 кода частоты f_i в регистре 16 формирователя 13 гетеродинных частот. Использование одной и той же гетеродинной частоты для преобразования сигнала и выбора соответствующей частоты опорного сигнала ФД позволяет исключить паразитные фазовые сдвиги компонент в формирователе 13 гетеродинных частот и преобразователе 3.

На выходах ФД 5 И 6 имеют место косинусные x_i(t) и синусные y_i(t) составляющие i-х частотных посылок в форме видеоимпульсов.

Преобразуют сигналы x_i(t) и y_i(t) в каждом к-м цикле излучения в цифровые сигналы x_iк, y_iк с помощью АЦП 7, запускаемого периодической последовательностью пачек стробов с_iк, которые генерируют формирователь 14. Отсчеты x_iк и y_iк передают в вычислитель 15 для дальнейших преобразований согласно граф-схеме алгоритма работы вычислителя 15, представленной на фиг. 3.

Первым таким преобразованием является формирование сигналов накоплений (1) (операторы P_j) 1,2,4,6, логические условия (A_j) 3 и 5 на фиг. 3).

Из сигналов накоплений (1) формируют i-е частотные КС СРИ R_ci(k) = R_ci(kT_o/4) согласно второму равенству (2), затем вспомогательные сигналы Y(k) = Y(kT_o/4) в интервале Т_р = 1/F (P_j, 7, 8, 10, 12 и A_j 9, 11). В Р_i8
Y_i(k)= a_lR_Cl(lT_o/4). В A_j 11 М = Т_р/(Т_о/4), то есть число четвертей периодов ВЧ заполнения СРИ, укладывающихся в цикле Тр.

Для сокращения времени вычислений, объемов ОЗУ и ПЗУ вычислителя оценки задержек огибающих и определяют в 2 этапа. На 1-м этапе для каждого К = 1 - (М-1) определяют квадраты огибающей вспомогательного сигнала
A²(k)= Y²(kT_o/4)+Y²[(k+1)T_o/4] . .

Находят такое K = N, при котором A²(N) принимает наибольшее значение из всех A(k). Таким образом определяют положение максимума суммарного поверхностного и отраженного сигналов или одного из них(P_j13-15, 17, A_j 16,18). На этом заканчивается 1-й этап.

Для каждого значения = lT_o/4 и = λ T_o/4, где N - q≅l ≅ N + P и N - Q ≅λ≅ N + J, выбирая из массива ОЗУ значения Y(), Y( ) и вычисляя E( , ), формируют сигналы оценок I = ( t_oλ, t_пl). Величины q, P, Q и J выбирают из таблицы, которая хранится в ПЗУ вычислителя 15, в зависимости от прогнозируемой задержки отраженного синтезируемого радиоимпульса относительно поверхностного. Например, для минимальной прогнозируемой с погрешностью Δτ= ±1,5 Т_о задержки τ = = t_o-t_п = 2T_о и длительности СРИ на уровне 0,1 от максимального значения τ₀₁ = 9Т_о значения q = Q = P = J = ( τ+/Δτ/τ_o,1/2 ) /(T_o/4) = 32.

Сравнивают между собой сигналы I( , ) и фиксируют задержки = _оm, = , при которых I(, ) принимает максимальное значение (P_j 19. 20, 22, 24, 26, A_j 21, 23, 25).

Формируют сигналы оценок амплитуд (5) (P_j 27) копии СС и КС поверхностного (6) для момента времени t = t_оm и отраженного (7) для t = СРИ, СС и КС СРИ для моментов времени t = и t = (Pj 28), СС и СК скомпенсированных СРИ (9) и (10), определяют поправки Δ t_п и Δ t_ок задержкам огибающих (11) и точные задержки СРИ t_п^* и t_о^* (12) (P_j29). На граф-схеме приведен обобщенный оператор 28, который состоит из отдельных ветвей (по числу элементов оператора) типа P_j 2 - A_j 3 - P_j 4 - P_j 2.

Для реализации программы вычислительных операций требуется ОЗУ емкостью 1К 16 - разрядных слов, ПЗУ - 4К 16 разрядных слов. Вычислитель реализован на микропроцессорном наборе серии 1810. Другие блоки строятся на основе типовых функциональных узлов.

Положительный эффект сравним для случая a_i = 1, F = 1 кГц, f_o = 80 кГц (Т_о = 12,5 мкс), m = 11. В этом случае длительность синтезированного радиоимпульса на уровне 0,1 от максимального значения τ_0,1- 9Т_о = 8˙12,5 мкс = 100 мкс. Минимальная задержка отраженного сигнала на частоте f_о составляет около 30 мкс, то есть немного более 2Т_о. Следовательно, измерение задержки известным способом - можно производить на границе между вторым и третьим периодами Т_о (от уровня 0,1). При указанных исходных данных в этой точке уровень сигнала составляет 0,5 от максимального значения.

С помощью предлагаемого способа измерения производят на максимуме радиоимпульса, то есть при одинаковых помехах, при отношении сигнал-помеха, в 2 раза большем по сравнению с прототипом. Так как погрешность измерений обратно пропорциональна отношению сигнал-помеха, точность измерения задержки заявляемым способом в 2 раза выше по сравнению с известным. Эти аналитические сравнения полностью подтверждены статистическим моделированием способов на ЭВМ.

Применение: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многочастотных системах радионавигации, радиолокации и телеметрии для измерения интервалов времени между импульсами при наличии отраженного от ионосферы сигнала. Сущность изобретения: согласно способу определяют задержки огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов, определяют поправки к этим задержкам, причем при определении поправки к задержке огибающей поверхностного радиоимпульса в синтезированном радиосигнале компенсируют отраженный радиоимпульс, при определении поправки к задержке огибающей отраженного радиоимпульса компенсируют поверхностный радиоимпульс, точные задержки поверхностного и отраженного радиоимпульсов получают посредством сложения соответствующих задержек огибающих и поправок. 6 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА, включающий формирование отсчетов косинусных и синусных составляющих в каждой частотной посылке сигнала, накопление соответствующих отсчетов за n циклов излучения, формирование сигналов частотных синусных и косинусных составляющих синтезированного радиоимпульса, синусной и косинусной составляющих синтезированного радиоимпульса, определение оценок задержек огибающих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при наличии отражений от ионосферы, между операциями формирования частотных составляющих синтезированного радиоимпульса и составляющих синтезированного радиоимпульса формируют вспомогательные высокочастотные сигналы Y (t) и E (τ) путем суммирования произведений нормирующих коэффициентов a_i соответственно на одноименные частотные косинусные составляющие синтезированного радиоимпульса и a_i cos ω_i τ определяют сигнал оценок задержек огибающих поверхностного () и отраженного () сигналов с использованием вспомогательных сигналов по правилу: I(, )= , ,
определяют значения оценок задержек и , при которых сигнал оценок максимален, формируют с помощью вспомогательных сигналов сигналы оценок амплитуд согласно равенствам = [E(O)Y()-E(-)Y()] /[E²(O)-E²(-)] , , = [E(O)Y()-E(-)Y()] /[E²(O)-E²(-)] , ,
синтезируют копии синусных составляющих и косинусных составляющих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов посредством умножения оценок амплитуд и на суммы произведений нормирующих коэффициентов a_i на синусы и косинусы аргумента ω_i(t_ом-t_пм) соответственно с положительным и отрицательным знакам, а после операции формирования синусной составляющей и косинусной составляющей синтезированного радиоимпульса синтезируют синусную составляющую и косинусную составляющую скомплектованных синтезированных радиоимпульсов по отраженному сигналу в момент времени путем вычитания из соответствующих составляющих синтетического радиоимпульса копий составляющих отраженного сигнала и аналогично по поверхностному сигналу - при вычитании в момент копий составляющих поверхностного сигнала, определяют с помощью скомпенсированных сигналов поправки к оценкам задержек огибающих через арктангенсы отношений синусных составляющих к косинусным составляющим сигналов, деленные на круговую частоту заполнения синтетического радиоимпульса, ω_o корректируют значения задержек синтетического радиоимпульса путем сложения оценок задержек синтетического радиоимпульса путем сложения оценок задержек огибающих с соответствующими поправками.