ДАЛЬНОМЕРНАЯ СИСТЕМА С ИЗМЕРЕНИЕМ ФАЗЫ РАДИОСИГНАЛА Российский патент 1997 года по МПК G01S1/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании высокоточных измерительных систем в геодезии и радионавигации.

Известна дальномерная система с измерением разности фаз на частоте модуляции (авт.св. N 819767), содержащая наземную и бортовую приемопередающие станции, при этом бортовая приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, последовательно соединенные генератор опорной частоты, делитель частоты и передатчик, последовательно соединенные приемник, блок переменной задержки, блок статической обработки достоверных сигналов и индикатор, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом блока статической обработки достоверных сигналов, приемопередающая антенна соединена с выходом передатчика и входом приемника, наземная приемопередающая станция содержит передатчик, приемник и приемопередающую антенну, соединенную с выходом передатчика и входом приемника, выход которого соединен с входом передатчика.

Недостатком устройства является низкая точность измерения расстояния между наземной и бортовой станциями за счет измерения разности фаз на частоте модуляции.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Это достигается тем, что дальномерная система, содержащая наземную и бортовую приемопередающие станции, бортовая приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик, приемник, генератор опорной частоты, блок статической обработки, выход которого соединен с индикатором, наземная приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик и приемник введены в наземную приемопередающую станцию антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, синтезатор частот, фазовращатель, генератор опорной частоты и коммутатор-формирователь, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика, антенного переключателя и фазового детектора, выход которого соединен с входом решающего блока, выходы решающего блока соединены с управляющими входами синтезатора частот и фазовращателя, выход которого соединен со входами передатчика, выход генератора опорной частоты соединен с первым входом фазового детектора, с входами синтезатора частот и коммутатора-формирователя, приемопередающая антенна соединена с антенным переключателем, выход которого соединен с первым входом приемника, а вход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом фазовращателя и вторым входом приемника, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, в бортовую станцию введены антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, блок поправок, синтезатор частот и коммутатор формирователь, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика, антенного переключателя и фазового детектора, выход которого соединен с входом решающего блока, выходы решающего блока соединены с входом блока поправок, с управляющими входами коммутатора-формирователя, синтезатора частот и генератора опорной частоты, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, с входами синтезатора частот и коммутатора-формирователя, приемопередающая антенна соединена с антенным переключателем, выход которого соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом передатчика и вторым входом приемника, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, выход блока поправок соединен с входом блока статистической обработки, а блок поправок выполнен с возможностью реализации управления:

где Δr_j величина поправки на частоте f_j; С скорость распространения радиоволн; ψ_j измеренный фазовый сдвиг на частоте f_j; j количество частот j 1, 2, n.

Введение в бортовую и наземную станции перечисленных блоков с описанными связями позволяет повысить точность измерения расстояния между станциями за счет определения поправок расстояний на дополнительных частотах устройства.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3 вариант реализации решающего блока.

Устройство содержит бортовую станцию 1, состоящую из последовательно соединенных передатчика 2, антенного переключателя 3, приемника 4, фазового детектора 5, решающего блока 6, синтезатора частот 7, генератора опорной частоты 8, коммутатора-формирователя 9, антенны 10, последовательно соединенных блока поправок 11, блока статистической обработки 12 и индикатора 13, выходы синтезатора частот 7 соединены с передатчиком 2 и приемником 4, выходы решающего блока 6 соединены с коммутатором-формирователем 9, блоком поправок 11 и генератором опорной частоты 8, выход которого соединен с синтезатором частот 7, фазовым детектором 5, коммутатором-формирователем 9, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика 2, фазового детектора 5 и антенного переключателя 3, соединенного с антенной 10. Наземная станция содержит последовательно соединенные передатчик 15, антенный переключатель 16, приемник 17, фазовый детектор 18, решающий блок 19,синтезатор частот 20, фазовращатель 21, соединенный с передатчиком 15, генератор опорной частоты 22, коммутатор-формирователь 23, антенну 24, второй выход синтезатора частот 20 соединен с приемником, выход решающего блока 19 соединен с фазовращателем 21, выходы коммутатора-формирователя 23 соединены с управляющими входами передатчика 15, фазового детектора 18 и антенного переключателя 16, соединенного с антенной 24, выход генератора опорной частоты 22 соединен с синтезатором частот 20, коммутатором-формирователем 23 и фазовым детектором 18.

Решающий блок 6, 19 (фиг. 3) содержит микропроцессорный модуль 25, шина адреса которого соединена с адресными входами постоянного запоминающего элемента 26, оперативного запоминающего элемента 27 и входами дешифраторов 28, 29, выходы которого соединены с управляющими входами запоминающих элементов 26 и 27, управляющие выходы микропроцессорного модуля 25 "Чтение", "Запись" соединены со входами управления постоянного 26 и оперативного 27 запоминающих элементов соответственно, информационные входы-выходы микропроцессорного модуля 25 соединены с выходами постоянного запоминающего элемента 26, с информационными входами-выходами оперативного запоминающего элемента 27, с входами регистров 30-35, выходы дешифратора 28 соединены через элементы 36-41 с входами управления регистров 30-35.

Работает устройство следующим образом.

Генераторы опорной частоты 8 и 22 вырабатывают непрерывные гармонические сигналы частотой f, которые поступают на коммутаторы-формирователи 9 и 23 и синтезаторы частот 7 и 20. Синтезаторы частот 7 и 20 вырабатывают для излучения опорный сигнал частотой f₀ и несколько дополнительных сигналов с частотами f₁, f₂, f_i, кроме того в синтезаторах частот 7 и 20 формируются сигналы гетеродина для приемников 4 и 17 с частотой f_0Г, f_1Г, f_2Г, f_iГ, при этом управление частотой излучаемых (принимаемых) сигналов осуществляется решающим блоком 6 (19), причем f₀ f_0Г f_ПР, f₁ - f_1Г f_ПР, f₂ f_2Г f_ПР, f_i - f_iГ f_ПР, где f_ПР промежуточная частота, выделяемая блоками 4 и 17, на которой осуществляется измерение фазы принятых сигналов. Коммутаторы-формирователи 9 и 23 вырабатывают сигналы управления для блоков 2 (фиг. 2а), 3 (фиг. 2б), 5 (фиг. 2в) и 18 (фиг. 2г) соответственно.

В передатчике 2 осуществляется усиление сигналов от синтезатора частот 7 до необходимой величины и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя 9. Радиоимпульсный сигнал от передатчика 2, пройдя через антенный переключатель 3, излучается в пространство приемопередающей антенной 10 (фиг. 2д). Сигнал, излучаемый в пространство бортовой станции 1 в течение времени Т_и, пройдя через среду распространения, принимается приемопередающей антенной 24 наземной станции 14 и через антенный переключатель 16 поступает на вход приемника 17. На второй вход приемника 17 подаются сигналы от синтезатора частот 20 с частотами (f_0Г, f_1Г, f_2Г, f_iГ). В приемнике 17 осуществляется преобразование принимаемого сигнала на частоту f_ПР (причем f₀ f_0Г f_ПР, f₁ f_1Г f_ПР и т.д.), затем сигналы фильтруются, усиливаются и поступают на фазовый детектор 18.

В фазовом детекторе 18 под действием управляющих сигналов (фиг. 2г) осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги опорных сигналов частоты f₀ и фазовые сдвиги Φ₁, Φ₂...Φ_i... дополнительных сигналов частотами f₁, f₂, f_i. Информация с фазового детектора 18 поступает в решающий блок 19,в котором вычисляются фазовые соотношения

Полученные значения фазы ΔΦ₁, ΔΦ₂...ΔΦ_i запоминаются в решающем блоке 19. В течение интервала Т_p излучаются в пространство сигналы от наземной станции 14, при этом управление частотой и фазой излучаемых сигналов осуществляется решающим блоком 19 через блоки 20 и 21 соответственно. В момент времени t, когда наземной станцией 14 излучаются в пространство основные сигналы частотой f₀ фазовращатель 21 решающим блоком 19 установлен в исходном (нулевое) состоянии, тогда излучаемые опорные сигналы частотой f₀ имеют фазу сигнала f генератора опорного сигнала 22. В течение интервала 2t, когда наземной станцией 14 излучаются в пространство дополнительные сигналы частотами f₁, f₂, f_i, сигналами управления от решающего блока 19 устанавливаются в фазовращатель 21 фазовые сдвиги ΔΦ₁, ΔΦ₂...ΔΦ_i. соответственно.

Таким образом, в течение интервала Т_p наземная станция 14 излучает дополнительные сигналы, фаза которых равна фазе принятых сигналов в течение интервала Т_и от бортовой станции 1, а также опорные сигналы, фаза которых равна фазе генератора опорного сигнала 22. В передатчике 15 осуществляется усиление сигналов от фазовращателя 21 и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя 23 (фиг. 2). Радиоимпульсный сигнал от передатчика 15, пройдя через антенный переключатель 16, излучается в пространство приемопередающей антенной 24 (фиг. 2е).

Сигнал, излучаемый в пространство наземной станцией 14 в течение времени Т_p, пройдя через среду распространения, принимается приемопередающей антенной 10 бортовой станции 1 и через антенный переключатель 3 поступает на вход приемника 4, на второй вход которого подаются сигналы от синтезатора частот 7 с частотами (f_0Г, f_1Г, f_2Г, f_iГ). В приемнике 4 осуществляется преобразование принимаемого сигнала на частоту f_ПР (причем f₀ f_0Г f_ПР, f₁ f_1Г f_ПР и т.д.), затем сигналы фильтруются, усиливаются и поступают на фазовый детектор 5. В фазовом детекторе 5 под воздействием управляющих сигналов (фиг. 2б) осуществляется измерение фазовых сдвигов, принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги опорных сигналов частоты f₀ и фазовые сдвиги ψ₁, ψ₂...ψ_i, дополнительных сигналов частотами f₁, f₂, f_i. Информация с фазового детектора 5 поступает в решающий блок 6, в котором вычисляются фазовые соотношения:

Полученные значения фазовых сдвигов Δψ₁, Δψ₂,...Δψ_i. запоминаются в решающем блоке 6, затем используются в решающем блоке 6 для устранения многозначности фазовых отсчетов. На практике частоты f₀, f₁, f₂, f_i выбираются таким образом, чтобы выполнялись соотношения f₀ f₁ F₁, f₀ f₂ F₂, f₀ f_i F_i, F₁/F₂ m₁, F₂/F₃ m₂, F_(i-1)/F_i m_i.

Здесь F₁ частота точной ступени (рабочая частота устройства); F₂, F₃, F_i частоты грубых ступеней; m₁, m₂, m_i коэффициенты сопряжения частот.

Таким образом, величина фазового сдвига Δψ₁ с учетом коррекции при устранении многозначности соответствует сигналу частотой F₁, прошедшего дважды через среду распространения, равна времени запаздывания радиоволн в точке приема по отношению к моменту их излучения и может использоваться для точного определения расстояния (r) между антенной 10 бортовой станции 1 и антенной 24 наземной станции 14 при известной скорости распространения радиоволн и измеренной величине Δψ₁ по формуле:

Кроме описанных операций из решающего блока 6 осуществляется передача информации об измеренных фазовых сдвигах ψ₁, ψ₂...ψ_i... на дополнительных частотах f₁, f₂, f_i в блок поправок 11. При этом в блоке поправок 11 определяются прецизионные поправки к расстоянию для каждой из дополнительных частот устройства по формулам:

По формулам (6) вычисляются поправки к расстоянию r в течение каждого цикла измерения устройства Т_ц, значения которых передаются из блока поправок 11 в блок статистической обработки 12.

В блоке статистической обработки 12 осуществляется суммирование поправок Δr₁, Δr₂...Δr_i в течение заданного временного интервала, например, Т_ц по формуле:
Δr₁+Δr₂+...+Δr_i= Δr_Σ. (7)
Из блока 12 выдается на индикатор 13 значение поправки к расстоянию
Dr_изм= Δr_Σ/i. (8)
Таким образом, результирующее расстояние между антенной 10 и антенной 24 определяется выражением
r_изм= r+Δr_изм. (9)
Структурная схема варианта решающего блока 6(19) приведена на фиг. 3. Дешифратор 29 обеспечивает выбор постоянного 26 или оперативного 27 запоминающих элементов, в которых хранятся программы, константы или текущая информация соответственно. Микропроцессорный модуль 25 выполняет обработку и обмен информацией и связан с блоками 26-29 шиной адреса (ША) и с блоками 26, 27, 30-35 информационной шиной данных (ШД), может иметь управляющие выходы с сигналами "Чтение" и "Запись" для управления постоянным 26 и оперативным 27 запоминающими элементами соответственно "вывод" например, для вывода информации по шине (ШД) в блоки 7-9, 11, 20, 21, вход "запрос прерывания" - для ввода информации в решающий блок 6 (19) по сигналам от фазового детектора 5 (18), сигналы обращения (вывода) со стороны решающего блока 6 (19) к внешним блокам формируются путем дешифрирования кода адреса соответствующего регистра в дешифраторе 28 и коньюнкции его выходных сигналов с сигналом "вывод" в элементах И 36-41. По выходным сигналам элементов И 36-41 производится запись информации из микропроцессорного модуля 25 и регистры 30-35.

Таким образом, благодаря новым элементам и связям достигается повышение точности измерения расстояний предлагаемым устройством, за счет учета фазовых сдвигов, измеренных на дополнительных частотах устройства f₁, f₂, f_i и определения поправок расстояний с высокой точностью.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании высокоточных измерительных систем в геодезии и радионавигации. Дальномерная система с измерением фазы радиосигнала состоит из наземной и бортовой приемопередающих станций, каждая из которых содержит генератор опорной частоты, синтезатор частот, передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, фазовый детектор, решающий блок и коммутатор-формирователь, при этом наземная станция содержит последовательно соединенные блок поправок, блок статистической обработки и индикатор, блок поправок выполнен с возможностью реализации уравнения: , где Δr_j - величина поправки на частоте f_j, С - скорость распространения радиоволн, ψ_j - измеренный фазовый сдвиг на частоте f_j, j - количество частот, j = 1, 2, ..., n, таким образом за счет определения поправок на дополнительных частотах достигается повышение точности измерения расстояния. 3 ил.

Дальномерная система с измерением фазы радиосигнала, содержащая наземную и бортовую приемопередающие станции, при этом бортовая приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик, приемник, генератор опорной частоты, блок статистической обработки, выход которого соединен с индикатором, наземная приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик и приемник, отличающаяся тем, что в наземную станцию введены антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, синтезатор частот, фазовращатель, генератор опорной частоты и коммутатор-формирователь, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика, антенного переключателя и фазового детектора, выход которого соединен с входом решающего блока, выходы решающего блока соединены с управляющими входами синтезатора частот и фазовращателя, выход которого соединен с входом передатчика, выход генератора опорной частоты соединен с первым входом фазового детектора, с входами синтезатора частот и коммутатора-формирователя, приемопередающая антенна соединена с антенным переключателем, выход которого соединен с первым входом приемника, а вход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом фазовращателя и вторым входом приемника, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, в бортовую станцию введены антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, блок поправок, синтезатор частот и коммутатор-формирователь, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика, антенного переключателя и фазового детектора, выход которого соединен с входом решающего блока, выходы решающего блока соединены с входом блока поправок, с управляющими входами коммутатора-формирователя, синтезатора частот и генератора опорной частоты, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, входами синтезатора частот и коммутатора-формирователя, приемопередающая антенна соединена с антенным переключателем, выход которого соединен с первым входом приемника, а вход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входами передатчика и вторым входом приемника, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, выход блока поправок соединен с входом блока статистической обработки, а блок поправок выполнен с возможностью реализации уравнения

где Δγ_j величина поправки на частоте f_j;
C скорость распространения радиоволн;
ψ_j измеренный фазовый сдвиг на частоте f_j;
j количество частот, j 1, 2, n.