СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА СИГНАЛА, СОДЕРЖАЩЕГО СДВИГ ФАЗЫ МОДУЛИРУЮЩЕГО СИГНАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО ФАЗЫ СИГНАЛА МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧЕННОГО СИГНАЛА, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА ЗА СЧЕТ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДО ЗЕМЛИ И ОБРАТНО, В ДОППЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА СКОРОСТИ, ВЫСОТЫ (ДАЛЬНОСТИ) И УГЛОВ МЕСТНОЙ ВЕРТИКАЛИ, ОСОБЕННО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПОЛЕТАХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ОКОЛОНУЛЕВЫХ СКОРОСТЯХ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/32 

Изобретение относится к области обработки сигналов в автономных доплеровских измерителях составляющих вектора скорости и дальности, предназначенных для навигации и посадки летательных аппаратов, в которых землю облучают частотно-модулированным радиосигналом, а отраженный задержанный сигнал принимают, усиливают, фильтруют и преобразуют таким образом, что выделяют сигнал доплеровской частоты для измерения скорости и фазу на частоте модуляции для измерения дальности.

Известен способ выделения дальномерной фазы в таких системах и устройства, реализующие этот способ (Фрайд. РЛС непрерывного излучения с частотной модуляцией для одновременного измерения трех составляющих скорости и высоты. "Зарубежная радиоэлектроника", 1964, N 11, с.3).

Известно и устройство, реализующее данный способ для вертолетного измерителя составляющих вектора скорости и высоты (Helipath Doppler Velocity-Altimeter System for Helicopters VTOL and Fixed Wind Aircraft. - Проспект фирмы General Precision, представленный на выставке в Париже в 1967 г. ).

Сущность известного способа выделения дальномерной фазы из доплеровского сигнала может быть пояснено схемой, приведенной на фиг.1. На схеме передатчик CBЧ 1 несущей частотой ω_o, модулированный по частоте сигналом частотой ω_м от генератора модулирующего сигнала 2. Сигнал передатчика подается через циркулятор 3 в антенну 4 и излучается в направлении земли.

Отраженный сигнал принимается антенной и поступает на вход приемника, на смеситель 5 которого подается в качестве гетеродинного сигнала часть мощности передатчика.

Спектр отраженного сигнала на входе приемника изображен на фиг.2а. Усилитель промежуточной частоты УПЧ 6 настроен на частоту ω_м. Спектр сигнала на выходе УПЧ показан на фиг. 2б.

В спектре полного сигнала сигналы положительной и отрицательной доплеровских частот, образованные за счет верхней и нижней боковой составляющей спектра излученного сигнала, и сигнал помехи на частоте m, определяемый наличием паразитной амплитудной модуляции сигнала передатчика и паразитной связи между передатчиком и приемником.

Для подавления помехи сигнал поступает на фильтр-подавитель 7, построение которого обычно сводится к квадратурному (с помощью двух (sin и cos) гетеродинных сигналов) переносу сигнала на доплеровскую частоту, что превращает сигнал помехи в постоянную составляющую, легко отделяемую от доплеровского сигнала. Далее внутри фильтра сигнал вновь восстанавливается на некоторой вспомогательной частоте либо частоте ω_м. Спектр сигнала изображен на фиг. 2в.

Этот сигнал математически в упрощенном виде можно представить следующим выражением:

где A_c амплитуда;
ω_оп частота опорного сигнала, соответствующая частоте модуляции ω_м;
ω_д значение доплеровской частоты;
фаза задержанного сигнала (τ_з время задержки сигнала);
Φ_o случайная фаза, обусловленная фазой отражения на СВЧ, перенесенной на частоту модуляции.

Сигнал после фильтра-подавителя подается в квадратор (8), в котором возводится во вторую степень. В результате квадратирования

Спектр этого сигнала представлен на фиг. 2г.

Составляющие на частоте 2ω_д отфильтровываются узкополосным фильтром, настроенным на частоту 2ω_оп.
Составляющая на частоте 2ω_опA2c

Две другие составляющие и являются двумя боковыми амплитудно-модулированного сигнала. В результате квадратирования сигнал на частоте 2ω_оп представляет собой АМ-сигнал со 100% модуляцией частотой 2ω_д. Для больших ω_д узкополосный фильтр изменяет соотношение между этими составляющими таким образом, что уровень модуляции оказывается значительно уменьшенным.

Однако для вертолетных систем с очень малым ω_д узкополосный фильтр практически не может уменьшить уровень амплитудной модуляции. При этом из-за очень низкой частоты ω_д ухудшение соотношения сигнал/шум может длиться достаточно долго, что приводит к значительным флюктуациям выходной информации и уменьшению быстродействия системы. Учитывая далее, что в многолучевых системах, которыми являются ДИСС, случайные фазы Φ_o в разных лучах взаимно некоррелированы, измерение углов местной вертикали оказывается практически невозможным.

Реальное выполнение вертолетного ДИСС с дальномерным каналом включает еще канал выделения сигнала доплеровской частоты с учетом знака. Выделение этой составляющей в зависимости от общей схемы построения ДИСС может осуществляться по-разному. В частности приведена структурная схема ДИСС (Колчинский В.Е. Мандуровский И.А. Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов. с. 143, рис. 4.27) с фазовым методом дальнометрии, в котором выделение составляющей доплеровского спектра с учетом знака осуществляется за счет того, что на первый смеситель подается сигнал гетеродина, смещенный по частоте относительно частоты передатчика на величину, многократно превышающую частоту модуляции. Полоса УПЧ в этом случае делается шире двойной частоты модуляции. Тогда на выходе УПЧ спектр сигнала подобен спектру сигнала на входе приемника с переносом на промежуточную частоту. Из этого сигнала гетеродинированием частотой ω_п2 выделяется сигнал на частоте ω_м для измерения фазы, а гетеродинированием в квадратуре на частоте ω_п2+ω_м выделяется сигнал доплеровской частоты с учетом знака.

В устройствах с непосредственным гетеродинированием принятого сигнала частью мощности передатчика для выделения доплеровского сигнала с учетом знака гетеродинный сигнал выдается на смеситель двумя сигналами в квадратуре, а усиление происходит в двух УПЧ, один из которых усиливает синусный, а другой косинусный преобразованные сигналы.

После фильтрации помехи с помощью преобразования на доплеровскую частоту, дальнейшего квадратурного преобразования на опорную с помощью вспомогательного гетеродина и суммирования сигналов двух каналов получают сигнал на опорной частоте с учетом знака. Спектр такого сигнала показан на фиг. 3.

Таким образом, в задачу настоящего технического решения входит создание такой структуры обработки, которая бы обеспечивала уменьшение основного источника погрешности при измерении фазы на околонулевых скоростях полета, связанного с наличием 100%-ной амплитудной модуляции выходного сигнала, поступающего непосредственно в измеритель фазы.

В предлагаемом техническом решении уровень амплитудной модуляции определяется лишь возможными несогласованностями в фазовых характеристиках устройств, выполняющих разделение сигналов, что позволяет свести ошибку измерения фазы за ограниченное время к теоретическому пределу.

Основными признаками предлагаемого способа выделения сигнала дальности в доплеровских измерителях составляющих скорости и дальности, являются следующие.

Землю облучают частотно-модулированным сигналом.

Отраженный, задержанный во времени сигнал, принимают, усиливают, фильтруют от помех, преобразуют на двойную опорную частоту, на которой происходит измерение фазы частоты модуляции отраженного сигнала по отношению к фазе модуляции излученного.

В отличие от известного способа выделения сигнала фазы дальности предлагается принимаемый сигнал разделить на две составляющие, одну, содержащую положительную, а вторую отрицательную доплеровскую частоту, а для получения сигнала фазы на двойной опорной частоте полученные два сигнала перемножают между собой. В этом случае перемноженные сигналы дают всего две составляющие, сильно отличающиеся по частоте одна на высокой двойной опорной, вторая на низкой двойной доплеровской, которые легко разделяются. Сигнал на двойной опорной частоте содержит фазу дальности, но не имеет 100%-ной амплитудной модуляции двойной доплеровской частотой, что позволяет измерять дальности в области околонулевых скоростей с высокой точностью. На фиг.4 представлен вариант функциональной схемы выполнения ДИССД с использованием предлагаемого способа выделения фазы дальности и применением в качестве гетеродинного сигнала части мощности передатчика.

На схеме фиг.4 обозначено: передатчик ЧМ сигнала 1; генератор модулирующего сигнала 2; циркулятор 3; антенна 4; двухканальная РЧГ, на которую в качестве гетеродинирующих от передатчика подаются два сигнала с взаимным сдвигом п/2 5; двухканальный УПЧ, предназначенный для выделения и усиления отдельно синусной и косинусной составляющей преобразованного сигнала 6; фазовращатель на п/2 7; устройства суммирования и вычитания сигналов 8; два фильтра-подавителя помеховых сигналов с восстановлением исходных сигналов на частоте модуляции либо на другой опорной частоте 9; устройство перемножения сигналов с фильтром на удвоенной опорной (промежуточной) частоте.

Схемы разделения могут быть выполнены и по-другому.

Изобретение будет понятно из следующего описания, показанного на схеме фиг. 4 варианта выполнения предложенного способа.

Принимаемый сигнал, отраженный от земной поверхности, описывается выражением

где U_отр- амплитуда отражения сигнала;
ω_o несущая частота;
ω_{д =} доплеровская частота;
ω_м частота модуляции;
t_отр время задержки принимаемого сигнала относительно излучаемого;
индекс модуляции.

Кроме этого сигнала на входе приемника всегда присутствует сигнал помехи
,
где U_п- амплитуда помехи;
t_п- время задержки сигнала помехи.

После гетеродинирования квадратурными сигналами от передатчика

U_г-амплитуда гетеродинного сигнала.

С учетом разложения с помощью функции Бесселя, сигналы в синусном и косинусном каналах УПЧ на частоте ω_м определяются следующими выражениями:
где Φ_п= ω_м[(t_г+t_п)/2;
Φ_o= ω_ot_отр. случайная фаза;
φ = ω_м[(t_г+t_отр)/2] фаза задержанного сигнала на частоте модуляции;
ω_д1 и ω_д2 доплеровские частоты, образованные за счет верхней ω_o+ω_м и нижней ω_o-ω_м боковых спектра излученного сигнала (положительная и отрицательная доплеровские частоты в сигнале).

Спектры выражений (1) и (2) показаны на фиг. 5а и 5б.

После фазовращателя на п/2, установленного, например, в синусном канале, суммирования и вычитания сигналов получаем разделение сигналов в каналах на содержащие положительную или отрицательную доплеровские частоты.

Подавление помехи на промежуточной частоте осуществляется с помощью специальных квадратурных фильтров-подавителей, построение которых достаточно хорошо известно и в общем виде описано выше.

Полученные на выходах фильтров-подавителей сигналы с положительной U+ отрицательной U- доплеровскими частотами в идеале имеют вид

где ω_оп- опорная частота на выходе фильтров (в частности может быть ω_м).

Любой из этих сигналов может быть подан в следующее устройство измерения доплеровской частоты. Эти же два сигнала в соответствии с предложением должны быть поданы на перемножающее устройство, в котором после перемножения сигнал будет иметь следующий вид:
.

Первый член выражения легко отфильтровывается, а второй член не содержит доплеровской составляющей и позволяет измерять дальномерную фазу 2Ф в относительно чистом по сравнению со случаем квадратирования сигнале.

Таким образом, преимущество предлагаемого способа выделения фазы дальности по отношению к известному способу заключается в существенном (на 15-20 дБ) улучшении соотношения сигнал/помеха в области работы на околонулевых скоростях для измерения дальности в доплеровском измерителе.

Использование: в доплеровских измерителях составляющих вектора скорости, высоты (дальности) и местной вертикали. Сущность: землю облучают частотно-модулированным сигналом, принимают отраженный сигнал, усиливают, фильтруют от помехи сигнала передатчика и от шума вне полосы возможных доплеровских частот, преобразуют на двойную опорную частоту, при этом после усиления сигнал разделяют на две составляющие, одну с доплеровской частотой, образованной за счет доплеровского смещения верхней частоты спектра излученного сигнала, и вторую, с доплеровской частотой, образованной за счет доплеровского смещения нижней боковой частоты, а преобразование на двойную опорную частоту осуществляется путем перемещения полученных после разделения сигналов, затем сигналы фильтруют на двойной опорной частоте. 5 ил.

Способ выделения из принимаемого сигнала сигнала, содержащего сдвиг фазы модулирующего сигнала относительно фазы сигнала модуляции излученного сигнала, обусловленного запаздыванием принимаемого сигнала за счет времени распространения до земли и обратно, в допплеровских измерителях составляющих вектора скорости, высоты (дальности) и углов местной вертикали, особенно используемых при полетах летательных аппаратов на околонулевых скоростях, заключающийся в том, что землю облучают частотно-модулированным сигналом, принимают отраженный сигнал, усиливают, фильтруют от помехи сигнала передатчика и от шумов вне полосы возможных допплеровских частот, преобразуют на двойную опорную частоту, отличающийся тем, что после усиления сигнал разделяют на две составляющие: первую с допплеровской частотой, образованной за счет допплеровского смещения верхней боковой частоты спектра излученного сигнала, и вторую с допплеровской частотой, образованной за счет допплеровского смещения нижней боковой частоты спектра излученного сигнала, а преобразование на двойную опорную частоту осуществляют путем перемножения полученных после разделения сигналов, затем сигнал фильтруют на двойной опорной частоте.