ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01S3/10 

Изобретение относится к радиотехнике, может использоваться в радиомаячных системах навигации.

Известны двухканальные амплитудные пеленгаторы, содержащие антенну с двумя разнесенными по углу диаграммами направленности (ДН) и два логарифмических приемника, соединенные с вычитателем.

Наиболее близким к рассматриваемому пеленгатору можно считать двухканальный пеленгатор [1] содержащий антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу диаграммами направленности и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник соединен с входом вычитателя. Оценка пеленга в таком пеленгаторе при неследящем пеленговании производится по измеренному значению разностной амплитуды на выходе вычитателя и ее априори известной зависимости от пеленга пеленгационной характеристике (ПХ), обычно линейной в некотором секторе пеленгования. Крутизна пеленгационной характеристики, определяющая пеленгационную чувствительность (ПЧ) такого пеленгатора, обратно пропорциональна квадрату ширины его диаграмм направленности.

Наличие рассеивающей среды между источником радиоизлучения и пеленгатором нарушает когерентность поля в месте приема и вызывает известное расширение ДН антенн [2] Степень подобного расширения может достигать полутора двух раз, что является причиной трехкратного и более снижения пеленгационной чувствительности по сравнению с ее значением в когерентном поле. Использование в этих условиях для определения пеленга значения пеленгационной чувствительности, справедливого для когерентного поля, приводит в известном пеленгаторе [1] к появлению дополнительных ошибок к смещению оценок пеленга и их неравноточности.

Рассматриваемый двухканальный пеленгатор позволяет стабилизировать пеленгационную чувствительность и повысить точность пеленгования источников излучения в рассеивающих средах. С этой целью в известном двухканальном пеленгаторе, содержащем антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу ДН и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к вычитателю, антенна выполнена с регулируемой шириной ДН и с управляющим шириной ДН входом. Кроме того, введены два линейных приемника, коррелятор, логарифматор, устройство задержки, два квадратора, два умножителя, два сумматора, четыре делителя, вычислитель квадратного корня, вычитатель, клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности, клемма ввода значения углового разнесения и индикатор. При этом каждый выход антенны через линейный приемник соединен с входом коррелятора, выход которого через логарифматор подключен к первому входу первого умножителя. Управляющий вход антенны через последовательно соединенные устройство задержки и первый квадратор соединен с вторыми входами первого и второго умножителей и первым входом второго сумматора, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к управляющему входу антенны. Клемма ввода значения углового разнесения подключена к входу второго квадратора, к первым входам второго умножителя и третьего делителя и к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с клеммой ввода стабилизируемого значения ПЧ, выходы третьего и четвертого делителей подключены к входам второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора. Выходы первого умножителя и второго квадратора соединены с входами первого сумматора, выход которого подключен к первому входу первого делителя. Выход второго умножителя подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителей. Выход первого вычитателя подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором.

Двухканальный пеленгатор (изобретение поясняется чертежом) содержит антенну 1 с двумя выходами и управляющим входом, два логарифмических приемника 2 и 3, два линейных приемника 4 и 5, логарифматор 6, коррелятор 7, устройство задержки 8, первый квадратор 9, первый умножитель 10, первый сумматор 11, второй квадратор 12, индикатор 13, первый делитель 14, второй умножитель 15, второй 16 и третий 17 делители, первый 18 и второй 19 вычитатели, второй сумматор 20, четвертый делитель 21, вычислитель квадратного корня 22, клемму К1 ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности и клемму К2 ввода значения углового разнесения.

Для описания работы двухканального пеленгатора необходимо сделать некоторые аналитические пояснения.

Пеленгационная характеристика обычного двухканального пеленгатора аналитически представляется в виде зависимости, выраженной в децибеллах разностной амплитуды ΔU от пеленга α, отсчитываемого от РСН:
ΔU = 20(lgU₁-lgU₂) = 24α_pα/θ²= μ_oα (1)
где U₁, U₂ амплитуда на выходах антенны;
α_p величина углового разнесения ДН, град.

θ ширина ДН пеленгатора на уровне 3 дБ от максимума, град.

μ_o= 24α_p/θ² (2)
крутизна ПХ пеленгационная чувствительность пеленгатора в когерентном поле, дБ/град.

Из (1) и (2) следует обычно используемый алгоритм пеленгования:
α = ΔU/μ (3)
При частично когерентном поле в месте приема выражение для ПЧ можно получить в виде

где эффективная ширина ДН пеленгатора, существующая в данных условиях распространения на частоте сигнала;
θ_s ширина спектра углов прихода (нормалей к фронту волны) в месте приема, зависящая от условий распространения радиоволн на трассе.

Аналогично (3) пеленг
α = ΔU/μ = ΔUθ2э

/24α_p (5)
В общем случае θ_э больше θ и только в когерентном поле они равны. Из этого следует, что крутизна m в общем случае меньше крутизны m_o, а оценка пеленга, проводимая на трассах с рассеянием по алгоритму (3), оказывается смещенной, причем в сторону ее приближения к РСН.

Определение θ_э для получения из (5) алгоритма несмещенной оценки пеленга оказалось возможным посредством установления и использования связи θ с величиной корреляции амплитуд r на выходах антенны пеленгатора:

В результате после использования (6) в (4) и (5) пеленгационная чувствительность

алгоритм оценки пеленга:

Алгоритмы (7) и (8) позволяют устранить смещение оценки пеленга посредством исключения априорной неопределенности в ПЧ. Однако это не устраняет нестабильность ПЧ в диапазоне изменения частоты сигнала и в меняющихся условиях распространения радиоволн, что, например, приводит к неравноточности измерений.

Из (4) следует, что добиться стабилизации ПЧ можно посредством изменения ширины ДН θ, что и реализуется в рассматриваемом пеленгаторе.

Для задаваемого из тех или иных соображений стабилизируемого значения ПЧ (μ_ст) можно записать:

где θ′ требуемая для выполнения этого равенства величина ширины ДН пеленгатора.

Из (9) следует необходимое условие стабилизации ПЧ:

Для получения из (10) алгоритма адаптивной перестройки ширины ДН, очевидно, необходимо определить неизвестную, существующую в данных условиях распространения, ширину спектра углов прихода θ_s. Ее значение следует из (4):

где ПЧ μ определяется в рассматриваемом пеленгаторе по алгоритму (7).

В результате после использования (11) в (10) искомый алгоритм имеет вид рекуррентного выражения, описывающего процесс адаптивной перестройки ширины ДН в двухканальном пеленгаторе:

где θ′ последующее (требуемое) значение ширины ДН;
θ настоящee (существующее в момент оценки m по алгоритму (7)), значение ширины ДН.

Динамика работы адаптивного алгоритма (12) заключается в следующем.

В том случае, если существующая при данных условиях распространения и частоте сигнала ПЧ, m, оцениваемая по (7), совпадает с требуемым ее значением m_ст, то разность в круглых скобках (12) равна нулю. Тогда θ′= θ, что означает отсутствие необходимости перестройки. Если, по причине изменения частоты сигнала или условий распространения на трассе, m становится меньше m_ст, то разность оказывается отрицательной, что ведет к уменьшению θ′, а значит и к повышению ПЧ до выполнения равенства μ = μ_ст. И наоборот, если μ больше m_ст, то разность оказывается положительной, что, естественно, увеличивает ширину ДН и снижает ПЧ до уровня μ = μ_ст.

Двухканальный пеленгатор (см. чертеж) работает следующим образом.

Колебания с выходов антенны 1 усиливаются, логарифмируются, детектируются в логарифмических приемниках 2, 3 и далее вычитаются в вычитателе 19, образуя на его выходе выраженную в дБ разностную амплитуду ΔU.

Сигналы с выходов антенны поступают также на линейные приемники 4 и 5, где усиливаются, детектируются и подаются на коррелятор 7. Образующийся на выходе коррелятора коэффициент корреляции r (здесь и далее имеется в виду значение сигнала, пропорциональное параметру) через логарифматор 6 поступает на умножитель 10, где перемножается с квадратом ширины ДН (θ²), образованном на выходе квадратора 9 по введенному на его вход с устройства задержки 8 значению ширины ДН θ.

Значение θ²lnr с выхода умножителя 10 вводится в сумматор 11. На другой его вход с коэффициентом пропорциональности, равным ln2, вводится значение квадрата углового разнесения (α2p

), образованное на выходе квадратора 12 по поступившему на его вход с клеммы К2 введенному значению углового разнесения α_p.

В результате на выходе сумматора 11 образуется сумма θ²lnr+α2p

ln2, которая с коэффициентом пропорциональности, равным 24, вводится на вход делителя 14. На другой его вход подается результат перемножения в умножителе 15 квадрата ширины θ², поступающего с квадратора 9 и углового разнесения a_p и введенного на клемму К2.

После выполнения деления на выходе делителя 14 в соответствии с алгоритмом (7) появляется существующее в данный момент значение ПЧ μ Это значение поступает на вход делителя 16, где в результате деления образованной в вычитателе 18 разностной амплитуды DU на значение чувствительности μ формируется (в соответствии с алгоритмом (8)) несмещенная оценка пеленга, индицируемая на индикаторе 13.

Для формирования сигнала адаптивной перестройки ширины ДН, т.е. реализации алгоритма (12), в делителе 17 образуется частное от деления введенного на клемму К2 значения углового разнесения a_p на существующее значение ПЧ μ, образованное на выходе делителя 14. Аналогично в делителе 21 образуется частное от деления a_p на введенное на клемму К1 стабилизируемое значение ПЧ μ_ст, задаваемое из тех или иных соображений. В вычитателе 19 формируется разность α_p/μ_ст-α_p/μ, которая с коэффициентом пропорциональности, равным 24, поступает на вход сумматора 20. На другой вход этого сумматора с выхода квадратора 9 подается величина квадрата, существующего в настоящий момент, значения ширины ДН пеленгатора (θ²). В результате суммирования в сумматоре 20 и извлечения квадратного корня в вычислителе 22 на его выходе, а следовательно, и входе устройства задержки 8 и управляющем входе антенны в соответствии с алгоритмом (12) формируется сигнал управления, соответствующий требуемому значению ширины ДН пеленгатора θ′. В антенне 1 происходит установка этого значения.

Устройство задержки 8 обеспечивает задержку использования поступающего на его вход последующего (требуемого) значения ширины θ′ в качестве существующей в данный момент ширины θ. Величина задержки определяется временем, необходимым для формирования нового сигнала управления. Это время ориентировочно складывается из времени перестройки ширины ДН антенны и времени запаздывания сигналов от антенны до сумматора 20, включая и время, необходимое для оценки корреляции.

Использование двухканального пеленгатора обеспечивает, во-первых, уменьшение смещения оценок пеленга вследствие устранения априорной неопределенности в пеленгационной чувствительности, во-вторых, ее стабилизацию на заданном уровне посредством адаптивной перестройки ширины ДН и, в третьих, следующую из этого возможность программного управления пеленгационной чувствительностью в диапазоне изменения частоты сигнала и условий распространения радиоволн в рассеивающих средах.

Источники информации
1. Леонов А. И. Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М. Радио и связь, 1984, с. 67.

2. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М. Сов. радио, 1970, с. 265 266.

Использование: в радиомаячных системах. Пеленгатор обеспечивает, во-первых, уменьшение смещения оценки пеленга вследствие устранения априорной неопределенности в пеленгационной чувствительности (ПЧ), во-вторых, ее стабилизацию на заданном уровне посредством адаптивной перестройки ширины диаграмм направленности (ДН) и, в третьих, следующую из этого возможность программного управления ПЧ в диапазоне изменения частоты сигнала и условий распространения радиоволн в рассеивающих средах. Сущность изобретения: в двухканальном пеленгаторе, содержащем антенну с двумя одинаковыми разнесенными по углу ДН и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к вычитателю, антенна выполнена с регулируемой шириной ДН и с управляющим шириной ДН входом, а также введены два линейных приемника, коррелятор, логарифматор, устройство задержки, два квадратора, два умножителя, два сумматора, четыре делителя, вычислитель квадратного корня, вычитатель, клемма ввода стабилизируемого значения ПЧ, клемма ввода значения углового разнесения и индикатор. При этом каждый выход антенны через линейный приемник соединен с входом коррелятора, выход которого через логарифматор подключен к первому входу первого умножителя, управляющий вход антенны через последовательно соединенные устройство задержки и первый квадратор соединен с вторыми входами первого и второго умножителей и первым входом второго сумматора, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к управляющему входу антенны. Клемма ввода значения углового разнесения подключена к входу второго квадратора, к первым входам второго умножителя и третьего делителя и к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с клеммой ввода стабилизируемого значения ПЧ. Входы третьего и четвертого делителей подключены к входам второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора. Выходы первого умножителя и второго квадратора соединены с входами первого сумматора, выход которого подключен к первому входу первого делителя. Выход второго умножителя подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителей. Выход первого вычитателя подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором. 1 ил.

Двухканальный пеленгатор, содержащий антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу, диаграммами направленности и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к вычитателю, отличающийся тем, что антенна выполнена с регулируемой шириной диаграмм направленности и с управляющим шириной диаграмм направленности входом, а также введены два линейных приемника, коррелятор, логарифматор, устройство задержки, два квадратора, два умножителя, два сумматора, четыре делителя, вычислитель квадратного корня, вычитатель, клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности, клемма ввода значения углового разнесения и индикатор, причем каждый выход антенны через линейный приемник соединен с входом коррелятора, выход которого через логарифматор подключен к первому входу первого умножителя, управляющий вход антенны через последовательно соединенные устройство задержки и первый квадратор соединен с вторыми входами первого и второго умножителей и первым входом второго сумматора, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к управляющему входу антенны, клемма ввода значения углового разнесения подключена к входу второго квадратора, к первым входам второго умножителя и третьего делителя и к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с клеммой ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности, выходы третьего и четвертого делителей подключены к входам второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, выходы первого умножителя и второго квадратора соединены с входами первого сумматора, выход которого подключен к первому входу первого делителя, выход второго умножителя подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителя, выход первого вычитателя подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором.