ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 1996 года по МПК G01S3/00 G01S3/46 

Устройство относится к области пассивной радиолокации, а именно, к оценке углового положения источника электромагнитного излучения в двух ортогональных плоскостях, и может быть использовано для измерения траекторий движущихся объектов в радиолокационных и радионавигационных системах.

Угловое положение источника электромагнитного излучения определяется двумя угловыми координатами α (азимут А_z) и b (угол места) или парой направляющих косинусов к осям прямоугольной системы координат, расположенной на поверхности Земли. Для совместного определения А_z и E_l фазовыми методами необходимо наличие двух пар антенн, расположенных на перпендикулярных прямых и образующих базы интерферометра (фиг. 1). Разность фаз v₁₂ и Φ₃₄ определяются следующими выражениями:
(1)
где l₁₂, l₃₄ расстояние, на которое разнесены соответственно антенны 1, 2, 3, 4;
β угол места, угол между векторами ОС' и ОС;
a азимут, угол между вектором ОС' и осью Х.

Решая эту систему уравнений, находим оценки величин a и β:
(2)
Ошибки, возникающие при оценке α и β, могут характеризоваться условными дисперсиями этих величин и определяются следующими выражениями:
;
(3)
при условии, что l₁₂=l₃₄=l
Если база между антеннами превышает λ/2, то возникает неоднозначность отсчета в секторе [-π; π] или сужается сектор однозначности. Для увеличения точности оценок углового положения необходимо увеличивать базу между антеннами. Для решения этой проблемы вводят дополнительные антенны, которые необходимы для устранения неоднозначности. Базы между дополнительными антеннами меньше, чем база между антеннами для точного определения угловых координат, причем по одной из дополнительных пар антенн должен быть получен однозначный отсчет в секторе [-π; π] по каждой координате.

Известен фазовый пеленгатор системы миниТРЭК, предназначенный для определения траектории искусственных спутников Земли. Известный фазовый пеленгатор построен по принципам, изложенным выше и содержит восемь антенн точного определения угловых координат источника сигнала и пять антенн для устранения неоднозначности по методу уточнений.

Недостатками такого пеленгатора являются следующие. Во-первых, в процессе измерений с фазометров снимается n=m+k разностей фаз, m во одному плечу, к по другому плечу, перпендикулярному первому, а в процессе оценки угловых координат α и β используются только две, измеренные между антеннами, база между которыми максимальна. Информация об угловых координатах, содержащаяся в остальных разностях фаз утрачивается. Во-вторых, на точность оценки угловых координат влияют только антенны, расстояние между которыми максимально, а не все, участвующие в измерениях. В-третьих, для улучшения точности оценок необходимо увеличивать расстояние между антеннами, но при этом уменьшается сектор однозначности для этой базы и, следовательно, уменьшается вероятность правильного устранения неоднозначности, то есть достоверность оценок.

Наиболее близким по технической сущности является известный фазовый пеленгатор, содержащий пять слабонаправленных антенных элемента, располагающихся на двух перпендикулярных плечах, образующих две пары на плоскости, где один из антенных элементов расположен в точке пересечения плеч, пять приемно-усилительных тракта и четыре фазометра, два из которых подключены между антеннами одного плеча, а два других между антеннами другого плеча, причем выходы первых двух фазометров подключены в входам первого устройства устранения неоднозначности, а выходы вторых двух фазометров к входам второго устройства устранения неоднозначности, выходы устройств устранения неоднозначности подключены к входам вычислителя координат углового положения источника сигнала.

Недостатком этого фазового пеленгатора является то, что в процессе оценки утрачивается информация об угловых координатах, содержащаяся в разности фаз между антеннами, имеющих меньшую базу, и наличие этих антенн не влияет на точность оценок, которые зависят только от антенн, имеющих большую базу.

Применение метода максимального правдоподобия позволит улучшить качественные характеристики оценок и избавиться от недостатков, изложенных выше.

Рассмотрим две произвольные точки на плоскости ХОУ (фиг. 2). Положение точек определяется их координатами, а именно: точка А с координатами (Х_A, Y_A) и (X_B, Y_B). Пусть источник сигнала расположен в точке С, удаление которой от точек А и В значительно больше отрезка АВ. Тогда разность фаз между точками А и В, создаваемая источником сигнала С равна:

где a′ угол между отрезком АВ и осью ОХ,
α азимут,
b угол места.

длина отрезка АВ.

Рассмотрим направляющие косинусы вектора ОС:


где С (Х_o, Y_o, Z_o) точка, расположенная на векторе ОС.

Рассмотрим сомножитель cos(α-α′) в (4):
cos(α-α′)=cosαcosα′+sinαsinα′;


Подставив это в (4), получим:

при этом учтено, что

Определим, чему равны cosα, cosβ, sinα, исходя из фиг. 2.

Подставив это в уравнение (6) с учетом уравнений (5), получим:

Далее заменив

получим более компактный вид формулы:
F_AB=2π[n_xv+n_yu] (7)
Пусть антенная система состоит из N антенн. При наличии погрешностей в виде фазовых ошибок, распределенных нормально с нулевыми средними значениями и известной корреляционной матрицей получим условную плотность распределения вероятностей фазовых ошибок, при фиксированных V и U:

где вектор полных разностей фаз в единицах 2π,
K коэффициент пропорциональности,
n_x, n_y векторы масштабных коэффициентов,
B-1Φ

матрица, обратная корреляционной матрице фазовых ошибок.

Определим оценки направляющих косинусов U и V по максимуму их условной плотности распределения:

и получим:

где Н квадратная матрица размером (N-1)(N-1):

векторы весовых коэффициентов.

Так как получены максимально правдоподобные оценки, то они имеют нулевые смещения и минимальные значения условных дисперсий.

Условные оценки дисперсий получаются из формул для U^* и V^* по правилам теории вероятностей.

где М оператор усреднения.

Если учесть, что М .

где В ковариационная матрица фазовых ошибок, то получим:
(8)
В случае, если B=σ2Φ

•B_Φ, то

Для получения оценок необходимо иметь полный вектор фазовых измерений который представляет собой где вектор фазовых измерений, - вектор целых значений разностей фаз, утраченных при измерении (вектор неоднозначности).

Для отыскании вектора необходимо найти, при каком значении вектора из совокупности возможных значений достигается максимумов функции правдоподобия или нижняя граница следующей формы:

где R квадратная матрица размерности (N-1)(N-1), имеющая следующий вид:

Вид формы (10) получается при отыскании максимального значения функции правдоподобия и отбрасывания членов, не зависящих от .

Таким образом, устранение неоднозначности фазовых измерений заключается в подборе такого вектора , который давал бы нижнюю границу формы .

На фиг. 1 изображена геометрическая интерпретация фазового пеленгатора с двумя перпендикулярными плечами; на фиг. 2 пояснение к алгоритму работы фазового пеленгатора с плоской антенной решеткой; на фиг. 3 функциональная схема фазового пеленгатора; на фиг. 4 функциональная схема устройства устранения неоднозначности; на фиг. 5 функциональная схема весового сумматора.

Фазовый пеленгатор содержит N антенных элементов 1, приемников 2, (N-1) фазометров 3, устройство устранения неоднозначности 4, два весовых сумматора 5.

Устройство устранения неоднозначности 4 (фиг.4) содержит m(N-1) первых весовых сумматоров 6, m запоминающих устройств 7, m вторых весовых сумматоров 8, третьих сумматоров 9, устройство выбора вектора неоднозначности 10, сумматор 11.

Весовой сумматор 5 (фиг. 5) является входовым весовым сумматором, который включает m умножителей 12, запоминающее устройство 13, m-входовый сумматор 14.

Фазовый пеленгатор работает следующим образом.

N приемников 2 подключены к (N-1) фазометрам 3, причем первый и второй входы каждого i-го фазометра 3 подключены к выходам соответственно первого и (i+1) приемников 2, а входы приемников 2 подключены к соответствующим антенным элементам 1. Антенные элементы 1, приемники 2 и фазометры 3 подключаются в соответствии с принципом линейной независимости, например, одна из антенн является опорной, фазометры подключены между (N-1) остальных антенн и опорной. Выходы фазометров 3 подключены к (N-1) входу устройства устранения неоднозначности 4, к выходам которого подключены два весовых сумматора 5 с весовыми коэффициентами, определяемыми выражениями:

где B-1Φ

матрица, обратная корреляционной матрице фазовых ошибок,
векторы масштабных коэффициентов, зависящие от расположения антенных элементов в плоскости,
квадратичная матрица.

Выходы фазометров 3 соединены с входами первых весовых сумматоров 6, выходы которых соединены с входами вторых весовых сумматоров 8, входы третьих сумматоров 9 подключены к выходам вторых весовых сумматоров 8 и запоминающих устройств 7, а выходы сумматоров 9 подключены к входам устройства выбора вектора неоднозначности 10. Входы сумматора 11 соединены с (N-1) выходами устройства выбора вектора неоднозначности 10 и (N-1) выходами фазометров 3.

На плоскую антенную решетку падает плоский волновой фронт, и, так как антенные элементы 1 разнесены на плоскости, то сигналы, поступающие на входы приемников 2, имеют разные фазы. В приемниках 2 эти сигналы усиливается и подаются на входы фазометров 3, которые измеряют разность фаз между сигналами, но при этом, так как область измерения фазометров лежит в пределах [-π; π], теряется целое число периодов разностей при измерении. Измеренная разность фаз подвергается дополнительной обработке в соответствии с алгоритмом (10). Информация о разности фаз поступает на вход устройства устранения неоднозначности 4. Коды, содержащие информацию о разности фаз Φ₁, ..., Φ_N-1 от фазометров 3 поступают на входы первых весовых сумматоров 6, где формируется первое слагаемое в выражении (10), где вектор весов . На вторых весовых сумматорах 8 формируется сумма
.

Затем с выхода вторых весовых сумматоров 8 поступают на третьи сумматоры 9, где к ним добавляется кодовое расстояние каждого вектора неоднозначности, которое считывается с запоминающего устройства 7: .

Устройство выбора вектора неоднозначности 10 определяет вектор , которому соответствует минимальное значение . Полученные коды d_j образуют форму, соответствующую выражению (10). Все m значений фазы поступают на устройство выбора вектора неоднозначности 10, или схемы сравнения, где необходимый вектор выбирается из общей совокупности из векторов по минимуму формы . Полученный вектор неоднозначности складывается с измеренным вектором разностей фаз и таким образом получается полная разность принятых сигналов. Оценки V^* и U^* направляющих косинусов получаются на весовых сумматорах 5.

При работе весового сумматора 5 на входы умножителей 12 поступают коды чисел Ф₁, Ф₂.Ф полных разностей фаз с устройства устранения неоднозначности 4, которые необходимо просуммировать с весовыми коэффициентами Q₁, Q₂,Q_m. Коды весовых коэффициентов поступают на входы умножителей 12 с запоминающего устройства 13. С выхода умножителей 12 результаты произведений поступают на вход сумматора 14, выход которого является выходом весового сумматора 5. Весовые сумматоры устройства устранения неоднозначности могут быть реализованы по этому же принципу.

Устройство выбора вектора неоднозначности может быть реализовано различными способами, один из них на запоминающих элементах. Так как известны все возможные коды разностей фаз, то можно получить все возможные коды формы , которые являются минимальными для данного вектора. Таким образом, в запоминающем устройстве записываются коды векторов, а коды значений формы являются адресами кодов векторов. Другой заключается в том, что процесс поиска минимального значения формы сводится к показанному сравнению значений формы с помощью схем сравнения, образующих пирамидальную структуру. В сумматоре 11 формируется вектор полных разностей фаз добавлением целой части p разности и ее дробной части.

Фазовый пеленгатор может быть реализован как в аналоговом, так и в цифровом виде.

Относится к пассивной радиолокации, а именно к оценке углового положения источника электромагнитного излучения в двух ортогональных плоскостях.

Фазовый пеленгатор состоит из N расположенных в одной плоскости антенных элементов, N приемников, входы которых соединены с соответствующими антенными элементами, N-1 фазометров, первый и второй входы каждого из которых подключены к выходам приемников соответственно i и i+1, , блока устранения неоднозначности, входы которого соединены с выходами соответствующих фазометров, двух весовых сумматоров, подключенных к выходам блока устранения неоднозначности, весовые коэффициенты которых определяются выражениями :

где B-1Φ

- матрица, обратная корреляционной матрице фазовых ошибок,
- векторы масштабных коэффициентов, зависящие от расположения антенных элементов в плоскости,
- квадратичная матрица. 5 ил.

Фазовый пеленгатор, включающий N расположенных в одной плоскости антенных элементов, N приемников, входы которых соединены с соответствующими антенными элементами, N-1 фазометров, первый и второй входы каждого i-го фазометра подключены к выходам соответственно первого и (i+1)-го приемников, блок устранения неоднозначности, входы которого соединены с выходами соответствующих фазометров, отличающийся тем, что к выходам блока устранения неоднозначности подключены два весовых сумматора с весовыми коэффициентами, определяемыми выражениями

где B-1Φ

матрица, обратная корреляционной матрице фазовых ошибок;
векторы масштабных коэффициентов, зависящие от расположения антенных элементов в плоскости;
квадратичная матрица.