УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СТАНЦИИ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1994 года по МПК G01S7/36 G01S3/10 

Изобретение относится к радионавигационным и может быть использовано в приемных трактах наземных станций импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС) стационарного базирования типа Лоран-С, а также в приемных трактах стационарных наземных контрольных пунктов ИФРНС.

Известно, что определение местоположения объекта с помощью сигналов радионавигационной системы сводится к нахождению разности времен между принимаемыми на объекте сигналами ведущей и ведомых станций системы, излученных этими станциями в строго определенные моменты времени и в заданной последовательности. Для ИФРНС Лоран-С эти сигналы представляют собой радиоимпульсы колоколообразной формы с несущей частотой fo = 100 кГц. Для точного временного излучения сигналов на ведомой станции принимают сигнал ведущей станции, определяют (измеряют) его временное положение, например по отношению к сигналам точного времени, а затем через определенный промежуток времени, который определяет разнесение излучение, излучают "свой" сигнал. Очевидно, что точность временного излучения сигнала ведомой станции зависит от точности измерения временного положения принимаемого сигнала ведущей станции. Временное положение принятого сигнала (радиоимпульса) ИФРНС определяется по временному положению отсчетной точки радиоимпульса (например, переходу через ноль напряжения высокочастотного заполнения в районе максимума или фронта радиоимпульса). Точность временного излучения сигнала ведомой станции по отношению к сигналу ведущей станции контролируется на наземном контрольном пункте ИФРНС путем измерения соответствующего временного интервала между принимаемыми на нем сигналами ведущей и ведомой станций.

Точные измерения временного положения принимаемого на ведомой станции сигнала ведущей станции ИФРНС, также как и точные измерения временного интервала между принимаемыми на контрольном пункте сигналами ведомой и ведущей станций, осуществляются при использовании в измерениях поверхностных (т.е. распространяющихся вдоль поверхности Земли) сигналов передающих станций ИФРНС. Объясняется это тем, что для поверхностных сигналов ИФРНС изменения формы огибающей и изменения высокочастотного заполнения, происходящие при распространении и влияющие на точность измерений, можно предсказать и ввести соответствующие поправки.

Точность указанных измерений зависит от помех, принимаемых в сумме с полезными (поверхностными) сигналами передающей станции ИФРНС.

Вследствие загруженности частотного диапазона, используемого ИФРНС, прием поверхностных (полезных) сигналов передающей станции ИФРНС сопровождается, как правило, помехами со стороны других радиотехнических систем, например систем передач изобар, систем передачи синхронизирующих сигналов, системы ДЕККА и др. По отношению к полезным импульсным сигналам станции ИФРНС сигналы посторонних служб представляют, как правило, узкополосные колебания. В ряде случае прием поверхностных сигналов передающей станции ИФРНС сопровождается помехами, совпадающими по спектру с полезными сигналами. Такими помехами для поверхностных сигналов передающей станции ИФРНС являются сигналы этой же станции, отраженные от ионосферы ("пространственные помехи"), которые могут накладываться на поверхностные (полезные) сигналы передающей станции ИФРНС и искажать их. При неблагоприятных условиях приема, когда запаздывание отраженного (мешающего) сигнала по отношению к поверхностному мало (30-400 мкс), в точке приема из-за интерференции пространственных и поверхностных радиоимпульсов создается результирующий радиоимпульс, огибающая и высокочастотное заполнение которого искажены, за исключением передней части, свободной от влияния пространственных волн. Особенностью указанных искажений является то, что они непредсказуемы, поскольку являются непредсказуемыми изменениями огибающей и высококачественного заполнения радиоимпульса ИФРНС при его прохождении по трассе "излучатель-ионосфера-приемник".

Для уменьшения влияния внеполосных помех на точность измерения временного положения принятого сигнала станции ИФРНС используются полосовые фильтры, ограничивающие полосу пропускания приемного устройства. Так, например, известное устройство для приема сигналов станции ИФРНС Лоран-С содержит эллиптический полосовой сильтр с нулями передачи на известных несущих частотах системы ДЕККА (73 кГц и 129 кГц) и центральной частотой, совпадающей с несущей частотой радиоимпульсного сигнала ИФРНС Лоран-С (fo = 100 кГц).

Такой полосовой фильтр обеспечивает формирование амплитудно-частотной характеристики устройства равномерной в пределах полосы пропускания с крутыми скатами вне полосы пропускания и с режекцией на известных частотах внеполосных помех (например, частотах системы ДЕККА). Известно также аналогичное устройство, предназначенное для приема сигналов МФРНС Лоран-С и подавления внеполосных помех.

Недостатком этих устройств является то, что в них не обеспечивается защита полезных сигналов от внутриполосных узкополосных помех.

Для борьбы с внутриполосными узкополосными помехами в устройствах для приема сигналов станции ИФРНС применяются режекторные фильтры, обычно устанавливаемые после входного полосового фильтра, при этом для подавления нескольких узкополосных помех, попадающих в полосу пропускания входного полосового фильтра, устанавливают последовательно несколько режекторных фильтров по числу подавляемых помех, каждый из которых подавляет свою помеху на "своей" частоте.

Рассмотренные устройства для приема сигналов станции ИФРНС, содержащие полосовые и режекторные фильтры, обеспечивают фильтрацию сигналов станции ИФРНС от неполосных и внутренних узкополосных помех. Однако в таких устройствах не обеспечивается защита от помех, спектр которых совпадает со спектром полезных сигналов, а именно отраженных от ионосферы мешающих сигналов ИФРНС (пространственных помех).

За прототип принято устройство для приема сигналов станции ИФРНС.

Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем при приеме поверхностных сигналов передающей станции ИФРНС не обеспечивается возможность подавления отраженных от ионосферы сигналов этой же передающей станции. Указанный недостаток вынуждает использовать при дальнейших измерениях временного положения принятого с помощью устройства-прототипа поверхностного (полезного) сигнала станции ИФРНС его начальный неискаженный пространственной помехой участок, где однако уровень сигнала мал, что снижает точность измерений. Это в свою очередь может служить причиной снижения точность временного излучения сигналов на ведомой станции ИФРНС, а на контрольном пункте системы - причиной снижения точности контроля излучений станций системы.

Целью изобретения является обеспечение возможности подавления отраженных от ионосферы мешающих сигналов передающей станции ИФРНС при приеме поверхностных полезных сигналов станции ИФРНС.

Это достигается тем, что в устройство для приема сигналов станции ИФРНС, содержащее последовательно соединенные приемную антенну, усилитель, полосовой фильтр и блок подавления узкополосных помех, а также выходной фильтр, введены последовательно соединенные дополнительная антенна, согласующий усилитель, дополнительный полосовой фильтр, дополнительный блок подавления узкополосных помех, аттенюатор и блок вычитания, сигнальный вход которого подключен к выходу основного блока подавления узкополосных помех, а выход подключен к входу выходного фильтра, при этом дополнительная антенна выполнена в виде горизонтального вибратора.

Отмеченная совокупность существенных признаков не обнаружена в научно-технической и патентной литературе, что позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение обладает новизной и соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - схема ориентирования диаграммы направленности дополнительной антенны по отношению к плоскости распространения поверхностных сигналов.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные основную приемную антенну 1, усилитель 2, полосовой фильтр 3 и блок 4 подавления узкополосных помех, а также выходной фильтр 5. Устройство также содержит последовательно соединенные дополнительную антенну 6, согласующий усилитель 7, дополнительный полосовой фильтр 8, дополнительный блок 9 подавления узкополосных помех, аттенюатор 10 и блок 11 вычитания, сигнальный вход которого подключен к выходу основного блока 4 подавления узкополосных помех, а выход подключен к входу выходного фильтра 5.

Конструктивно дополнительная антенна 6 выполнена в виде приподнятого над поверхностью Земли горизонтального вибратора (т.е. вибратора, расположенного параллельно земной поверхности), ось которого совпадает с направлением на передающую станцию радионавигационной системы. Нуль диаграммы направленности дополнительной антенны 6 располагается в горизонтальной плоскости, т.е. в плоскости распространения поверхностных сигналов.

Антенна 1 представляет собой штырь, расположенный перпендикулярно земной поверхности (вертикальный штырь). Габариты антенн 1, 6 соизмеримы. Например, при высоте антенны 1, равной 4 м (что имеет место на практике при приеме сигналов ИФРНС типа Лоран-С), габариты антенны 6 составляют порядка 8 м (два плеча по 4 м каждое), при этом антенна 6 приподнята над поверхностью Земли на высоту (0,7-1,5) м.

Полосовые фильтры 3, 8 могут быть выполнены по известной схеме эллиптического полосового фильтра шестого порядка на операционных усилителях.

Блок 4 подавления узкополосных помех может быть выполнен на основе самонастраивающихся режекторных фильтров, а также на основе автокомпенсаторов.

Дополнительный блок 9 подавления узкополосных помех может быть выполнен на основе самонастраивающихся режекторных фильтров.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Приемная антенна 1 (вертикальный штырь) принимает сигналы, имеющие вертикальную составляющую напряженности электрического поля, а именно полезные (поверхностные) радиоимпульсные сигналы, излученные передающей станцией импульсно-фазовой радионавигационной системы стационарного базирования (радиоимпульсы ИФРНС типа Лоран-С с несущей частотой fo = 100 кГц, имеющие вертикальную составляющую поля ЕВС = ЕSС, узкополосные помехи, создаваемые посторонними радиотехническими средствами, а также отраженные от ионосферы мешающие сигналы этой же передающей станции системы (вертикальная составляющая ЕВ напряженности поля ЕS которых (см.фиг.2) принимаются штырем в качестве пространственной помехи). С выхода приемной антенны 1 полезные (поверхностные) сигналы станции радионавигационной системы в сумме с узкополосными помехами и отраженными от ионосферы мешающими сигналами, спектр которых совпадает со спектром поверхностных сигналов, поступают через усилитель 2 на вход полосового фильтра 3. Усилитель 2 обеспечивает требуемую чувствительность устройства, а полосовой фильтр 3 обеспечивает частотную селекцию сигналов ИФРНС от внеполосных помех. Фильтр 3 имеет амплитудно-частотную характеристику, согласованную по полосе пропускания со спектром сигнала ИФРНС. С выхода полосового фильтра 3 полезные сигналы в сумме с узкополосными помехами, попадающими в полосу пропускания фильтра 3 и отраженными от ионосферы, мешающими радиоимпульсами поступают на вход блока 4 подавления узкополосных помех. Блок 4 осуществляет подавление узкополосных помех, попадающих в полосу пропускания фильтра 3, с помощью, например, самонастраивающихся режекторых фильтров (12, 13) или автокомпенсаторов (14, 15), настроенных на частоты подавляемых помех. С выхода блока 4 принятые полезные сигналы (поверхностные) и отраженные от ионосферы мешающие сигналы поступают на сигнальный вход блока 11 вычитания, где отраженные от ионосферы мешающие сигналы компенсируются. Компенсация осуществляется с помощью компенсирующих колебаний, поступающих на компенсационный вход блока 11 с выхода аттенюатора 10.

Формирование компенсирующих колебаний в устройстве осуществляется следующим образом. С помощью антенны 6 (горизонтального вибратора, ось которого совпадает с направлением на передающую станцию системы, а нуль диаграммы направленности располагается (см.фиг.2) в горизонтальной плоскости, т.е. в плоскости распространения поверхностных сигналов ИФРНС) принимается и преобразуется в напряжение переменного тока ортогональная (горизонтальная) составляющая ЕГ напряженности электрического поля ЕS, создаваемого отраженным от ионосферы радиоимпульсным сигналом ИФРНС (вертикальная составляющая ЕВ которого принимается штыревой антенной 1 в качестве пространственной помехи). С помощью антенны 6 принимаются и преобразуются в напряжения переменного тока также соответствующие составляющие узкополосных помех, создаваемых посторонними радиотехническими средствами. Поверхностные полезные сигналы передающей станции ИФРНС, имеющие только вертикальную составляющую напряженности поля ЕВС = ЕSX и принимаемые штыревой антенной 1, антенной 6 не принимаются. Таким образом 6 не принимает полезные сигналы передающей станции радионавигационной системы, а принимает только помехи.

Принимаемые антенной 6 помехи поступают на вход согласующего усилителя 7. Усилитель 7 обеспечивает требуемую чувствительность устройства по приему ортогональной составляющей ЕГ отраженного от ионосферы радиоимпульсного сигнала ИФРНС в дополнительном (компенсационном) канале. С выхода усилителя 7 усиленная составляющая ЕГ отраженного от ионосферы сигнала поступает на вход полосового фильтра 8. Полосовой фильтр 8 выполнен идентично фильтру 3 и имеет такую же амплитудно-частотную характеристику, что обеспечивает ту же форму радиоимпульсного сигнала ИФРНС на его выходе, что и на выходе фильтра 2. С выхода полосового фильтра 8 принятые антенной 6 отраженные от ионосферы мешающие радиоимпульсные сигналы ИФРНС и узкополосные помехи, попадающие в полосу пропускания фильтра 8, поступают на вход блока 9 подавления узкополосных помех. Блок 9 осуществляет подавление узкополосных помех с помощью, например, самонастраивающихся режекторых фильтров (12, 13), настроенных на частоты подавляемых помех. С выхода блока 9 отфильтрованная от узкополосных помех составляющая ЕГ отраженного от ионосферы сигнала поступает на вход аттенюатора 10, на выходе которого формируется компенсирующее колебание. Аттенюатор 10 предназначен для выравнивания амплитуды составляющей ЕГ отраженного от ионосферы сигнала ИФРНС, поступающей на компенсационный вход блока 11 вычитания, с амплитудой составляющей ЕВ отраженного от ионосферы сигнала ИФРНС, поступающей на сигнальный вход блока 11 вычитания совместно с полезным (поверхностным) сигналом. В результате вычитания компенсирующего колебания, поступающего с выхода аттенюатора 10 на компенсационный вход блока 11 вычитания, из суммарного колебания, поступающего с выхода блока 4 на сигнальный вод блока 11 вычитания, осуществляется подавление отраженных от ионосферы мешающих сигналов, излучаемых передающей станцией ИФРНС, принимаемых приемной антенной 1 вместе с полезным (поверхностным) сигналом. С выхода блока 11 вычитания принятые устройством полезные (поверхностные) сигналы передающей станции ИФРНС, отфильтрованные от отраженных от ионосферы радиоимпульсов (пространственных помех), поступают через выходной фильтр 5, осуществляющий дополнительную фильтрацию, на выход устройства для дальнейшей обработки и измерения временного положения сигналов.

Контроль за принимаемыми поверхностными сигналами, контроль за компенсацией отраженного от ионосферы сигнала может осуществляться визуально, например, с помощью индикатора на электронно-лучевой трубке, подключаемого к выходу устройства (на фиг.1 не показан), для этих целей может быть использован и электронно-лучевой осциллограф, например С1-49.

В предложенном устройстве настройка аттенюатора 10 осуществляется вручную. При этом работоспособность устройства, т.е. возможность вручную подстраивать амплитуду компенсирующего колебания под амплитуду отраженного от ионосферы мешающего сигнала ИФРНС, принимаемого в сумме с поверхностным (полезным) сигналом ИФРНС, подтверждается, например, тем, что параметры отраженных от ионосферы сигналов ИФРНС Лоран-С (частота 100 кГц) можно считать стабильными на интервалах, достаточных для их уверенного визуального наблюдения, контроля и регулирования оператором, перестраивающим аттенюатор 10. Допустимы возможность визуального наблюдения, обуславливающая контроль и регулирование амплитуд принимаемых отраженных от ионосферы сигналов ИФРНС Лоран-С, известны устройства, с помощью которых производятся наблюдения и контроль, а по полученным результатам видна устойчивость отраженных от ионосферы сигналов ИФРНС Лоран-С во времени.

Предложенное техническое решение обладает преимуществом перед прототипом. Так, в устройстве-прототипе не обеспечивает возможность подавления отраженных от ионосферы сигналов передающей станции ИФРНС при приеме поверхностных (полезных) сигналов этой же станции. В результате при неблагоприятных условиях приема, когда запаздывание отраженных от ионосферы радиоимпульсов мало, составляет (30-40) мкс, значительная часть поверхностных (полезных) сигналов поражается пространственными радиоимпульсами. Это приводит к искажениям огибающей и высокочастотного заполнения принимаемого полезного сигнала, Например, при задержке отраженного радиоимпульса 30 мкс, соотношением вх = 10 амплитуд отраженного от ионосферы и поверхностного радиоимпульсов, искажение временного положения огибающей в районе четвертого периода высокочастотного заполнения (при t = 35 мкс) составляет Т 3,0 мкс, а смещение фазы м 6,0о. В районе пятого периода (при t = 45 мкс) смещение Т уже увеличивается в десять раз и составляет Т 30 мкс.

Наличие указанных искажений обуславливает необходимость использования для дальнейших измерений временного положения принятого с помощью устройства-прототипа поверхностного (полезного) сигнала станции ИФРНС его начальный, неискаженный пространственной помехой, участок, где однако уровень сигнала мал, что снижает точность измерений.

Предложенное устройство свободно от этого недостатка. В предложенном устройстве обеспечивается возможность подавления отраженных от ионосферы мешающих сигналов передающей станции ИФРНС при приеме поверхностных полезных сигналов станции ИФРНС. В результате появляется возможность при измерениях временного положения принятых сигналов станции ИФРНС использовать участок сигнала с наибольшими амплитудами. Это в свою очередь позволяет увеличить точность измерений в условиях воздействия отраженных сигналов, как минимум в 2-3 раза, по сравнению с применением для целей приема поверхностных сигналов ИФРНС в этих условиях устройства-прототипа.

Отмеченное положительное свойство предложенного устройства позволяет при его применении в приемном тракте наземной ведомой станции ИФРНС повысить точность излучения "своих" сигналов за счет повышения точности определения временного положения сигналов ведущей станции, т.е. улучшить основную характеристику ИФРНС.

Использование: в радионавигации и при определении местоположения подвижных объектов. Сущность изобретения: устройство содержит 2 антенны (1,6), 1 усилитель (2), 2 полосовых фильтра (3,8), 2 блока подавления узкополосных помех (4,9), 1 согласующий усилитель (7), 1 выходной фильтр (5), 1 аттенюатор (10), 1 блок вычитания (11). 1-2-3-4-11-5, 6-7-8-9-10-11. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СТАНЦИИ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, содержащее последовательно соединенные приемную антенну, усилитель, полосовой фильтр и блок подавления узкополосных помех, а также выходной фильтр, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности по отношению к отраженным от ионосферы сигналов передающей станции импульсно-фазовой радионавигационной системы при приеме поверхностных сигналов, введены последовательно соединенные дополнительная антенна, согласующий усилитель, дополнительный полосовой фильтр, дополнительный блок подавления узкополосных помех, аттенюатор и блок вычитания, сигнальный вход которого подключен к выходу основного блока подавления узкополосных помех, а выход подключен к входу выходного фильтра, при этом дополнительная антенна выполнена в виде горизонтального вибратора.