ФАЗОВАЯ РАДИОГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G01S1/32 

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

Известна дальномерная система с измерением разности фаз на частоте модуляции, содержащая наземную и бортовую приемо-передающие станции, при этом бортовая приемо-передающая станция содержит приемо-передающую 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 с вторым входом блока статической обработки достоверных сигналов, приемо-передающая антенна соединена с выходом передатчика и входом приемника, наземная приемо-передающая станция содержит передатчик, приемник и приемо-передающую антенну, соединенную с выходом передатчика и входом приемника, выход которого соединен с входом передатчика.

Недостатками устройства являются низкая точность измерения расстояния между наземной и бортовой станциями за счет измерения разности фаз на частоте модуляции и узкая зона однозначного определения расстояния.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение зоны однозначного определения расстояния.

Указанная цель достигается тем, что в фазовой радиогеодезической системе, состоящей из одной или нескольких наземных и бортовой приемо-передающих станций, при этом бортовая приемо-передающая станция содержит приемо-передающую антенну, передатчик, первый приемник, генератор опорной частоты, индикатор. Наземная приемо-передающая станция содержит приемо-передающую антенну, передатчик и приемник введены в наземную приемо-передающую станцию, антенный переключатель, усилитель-ограничитель, 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, входы 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, приемо-передающая 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 через усилитель-ограничитель с вторым входом фазового детектора, в бортовую станцию введены антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, синтезатор частот, первый усилитель-ограничитель, последовательно соединенные приемная антенна, второй приемник, второй усилитель-ограничитель и коммутатор сигналов, 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 индикатора, 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, приемо-передающая антенна соединена с антенным переключателем, выход которого соединен с первым входом первого приемника, а вход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом передатчика и вторыми входами первого и второго приемников, выход первого приемника соединен через первый усилитель-ограничитель с вторым входом коммутатора сигналов, выход которого соединен с третьим входом фазового детектора, вход управления коммутатора сигналов соединен с выходом решающего блока.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит бортовую станцию 1, состоящую из последовательно соединенных передатчика 2, антенного переключателя 3, первого приемника 4, первого усилителя-ограничителя 5, коммутатора сигналов 6, фазового детектора 7, решающего блока 8 и синтезатора частот 9, генератора опорной частоты 10, коммутатора-формирователя 11, индикатора 12, антенны 13, последовательно соединенных приемной антенны 14, второго приемника 15 и второго усилителя-ограничителя 16, выход которого соединен с вторым входом коммутатора сигналов 6, выходы синтезатора частот 9 соединены с передатчиком 2 и приемниками 4 и 15, выходы решающего блока 8 соединены с индикатором 12, коммутатором-формирователем 11, коммутатором сигналов 6 и генератором опорной частоты 10, выход которого соединен с синтезатором частот 9, фазовым детектором 7, коммутатором-формирователем 11, выходы которого соединены с управляющими входами передатчика 2, фазового детектора 7 и антенного переключателя 3, соединенного с антенной 13. Наземная станция 17 содержит последовательно соединенные передатчик 18, антенный переключатель 19, приемник 20, усилитель-ограничитель 21, фазовый детектор 22, решающий блок 23, синтезатор частот 24, фазовращатель 25, соединенный с передатчиком 18, генератор опорной частоты 26, коммутатор-формирователь 27, антенну 28, второй выход синтезатора частот 24 соединен с приемником 20, выход решающего блока 23 соединен с фазовращателем 25, выходы коммутатора-формирователя 27 соединены с управляющими входами передатчика 18, фазового детектора 22 и антенного переключателя 19, соединенного с антенной 28, выход генератора опорной частоты 26 соединен с синтезатором частот 24, коммутатором-формирователем 27 и фазовым детектором 22.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы опорной частоты 10 и 26 вырабатывают непрерывные гармонические сигналы частотой f, которые поступают на коммутаторы-формирователи 11 и 27 и синтезаторы частот 9 и 24. В синтезаторе частот 9 формируются сигналы гетеродина для второго приема 15 с частотами f'П1, F'П2, F'П3. При этом управление частотой принимаемых сигналов осуществляется решающим блоком 8, причем fП1-f'П1 fПР, fП2 F'П2 fПР, fП3 f'П3 fПР, где fП1, fП2, fП3 - рабочие частоты, например, фазовой сверхдлинноволновой системы "Омега"; fПР - промежуточная частота, на которой осуществляется измерение фазы принятых сигналов в блоках 7 и 22. Коммутатор-формирователь 11 вырабатывает сигналы управления для фазового детектора 7 (фиг. 2, б) в соответствии, например, с диаграммой излучения системы "Омега". В установившемся режиме работы устройства временные интервалы приема сигналов бортовой станцией 1 синхронизированы с соответствующими интервалами излучения. Радиоимпульсный сигнал принимается антенной 14 и поступает на вход второго приемника 15, на второй вход которого подаются последовательно во времени сигналы от синтезатора частот 9 с частотами f'П1, f'П2, f'П3. В приемнике 15 осуществляется фильтрация сигналов, преобразование по частоте, усиление. Усилитель-ограничитель 16 преобразует сигнал с выхода приемника 15 в прямоугольные импульсы, нормированные по амплитуде, которые поступают на коммутатор сигналов 6. При включении устройства 1 сигналом от решающего блока 8 коммутатор сигналов 6 пропускает первоначально на вход фазового детектора 7 импульсы с выхода усилителя-ограничителя 16 частотой fПР. В фазовом детекторе 7 осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются последовательно фазовые сдвиги θ₁, θ₂, θ₃ (фиг. 2, б).

Информация с фазового детектора 7 поступает в решающий блок 8, в котором вычисляются также фазовые соотношения θ₁=θ₂=Δθ₁, θ₁-θ₃=Δθ₂ Полученные значения θ₁, θ₂, θ₃ ... Δθ₁, Δθ₂, ... используются затем в решающем блоке 8 для устранения многозначности фазовых отсчетов.

Таким образом, величина фазового сдвига Δθ₁ с учетом коррекции при устранении многозначности соответствует сигналу частотой ω₁=fП1-fП2 и при известной скорости распространения радиоволн в решающем блоке 8 используется для определения расстояния (координат) местонахождения бортовой станции 1 с точностью, характерной для фазовых сверхдлинноволновых систем. Затем решающий блок 8 переводит бортовую станцию 1 в режим работы с наземной станцией 17. При этом коммутатор сигналов 6 начинает пропускать на вход фазового детектора 7 сигналы с выхода усилителя-ограничителя 5 (фиг. 2, ж).

Синтезаторы частот 9 и 24 вырабатывают для излучения опорный сигнал частотой f_o и несколько вспомогательных сигналов с частотами f1, f2.f_i, кроме того в синтезаторах частот 9 и 24 формируются сигналы гетеродина для приемников 4 и 20 с частотой fОГ, f1Г, f2Г, f_iГ, при этом управление частотой излучаемых (принимаемых) сигналов осуществляется решающим блоком 8(23), причем fО fОГ fПР, f1 f1Г fПР, f2 f2Г fПР, f_i f_iГ fПР, где fПР промежуточная частота, на которой осуществляется измерение фазы принятых сигналов. Коммутаторы-формирователи 11 и 27 вырабатывают сигналы управления для блоков 2 (фиг. 2, а), 3 и 7 (фиг. 2, б), 19 и 22 (фиг. 2, в), 18 (фиг. 2, г).

Временные диаграммы приведены для установившегося режима устройства, когда временные интервалы излучения и приема сигналов бортовой станции 1 синхронизированы с соответствующими интервалами наземной станции 17. Здесь Т_ц временной цикл работы устройства; t интервал излучения (приема) опорного сигнала частотой f_o; 2t интервал излучения (приема) вспомогательных сигналов с частотами f_i; t_п длительность паузы; t_с интервал приема сигнала сверхдлинноволновой системы.

В передатчике 2 осуществляется усиление сигналов от синтезатора частот 9 до необходимой величины и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя II (фиг. 2, а). Радиоимпульсный сигнал от передатчика 2, пройдя через антенный переключатель 3, излучается в пространство приемо-передающей антенной 13 (фиг. 2, д). Сигнал, излучаемый в пространство блоком 1 в течение времени Tn, пройдя через среду распространения, принимается приемо-передающей антенной 28 блока 17 и через антенный переключатель 19 поступает на вход приемника 20. На второй вход приемника 20 подаются сигналы от синтезатора частот 24 с частотами (fОГ, f1Г, f2Г, f_iГ). В приемнике 20 осуществляется преобразование принимаемого сигнала на частоту fПР (причем fО fОГ fПР, f₁ f1Г fПР и т.д.), фильтрация и усиление, а затем нормируются по амплитуде в усилителе-ограничителе 21 и поступают на фазовый детектор 22. В фазовом детекторе 22 под воздействием управляющих сигналов (фиг. 2) осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги опорных сигналов частоты fО (фиг. 2, в) и фазовые сдвиги Φ₁, Φ₂, ... Φ_i вспомогательных сигналов частотами f₁, f₂,f_i. Информация с фазового детектора 22 поступает в решающий блок 23, в котором вычисляются фазовые соотношения

Полученные значения фазы ΔΦ₁, ΔΦ₂ ... ΔΦ_i запоминаются в решающем блоке 23. В течение интервала Tр излучаются в пространство сигналы от блока 17, при этом управление частотой и фазой излучаемых сигналов осуществляется решающим блоком 23 через блоки 24 и 25 соответственно. В моменты времени t, когда блоком 17 излучаются в пространство основные сигналы частотой fО, фазовращатель 25 решающим блоком 23 установлен в исходное (нулевое) состояние, излучаемые опорные сигналы частотой fО имеют фазу сигнала генератора 26. В течение интервалов 2t, когда блокам 17 излучаются в пространство вспомогательные сигналы частотами f1, f2.f_i, сигналами управления от решающего блока 23 устанавливаются в фазовращателе 25 фазовые сдвиги ΔΦ₁, ΔΦ₂, ... ΔΦ_i соответственно.

Таким образом, в течение интервала Tр блок 17 излучает вспомогательные сигналы, фаза которых равна фазе принятых сигналов в течение интервалов Tu от блока 1, а также сигналы, фаза которых равна фазе генератора 26. В передатчике 18 осуществляется усиление сигналов от фазовращателя 25 и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора формирователя 27 (фиг. 2, г). Радиоимпульсный сигнал от передатчика 18, пройдя через антенный переключатель 19, излучается в пространство приемо-передающей антенной 28 (фиг. 2, е).

Сигнал, излучаемый в пространство блоком 17 в течение времени Tр, пройдя через среду распространения, принимается приемо-передающей антенной 13 блока 1 и через антенный переключатель 3 поступает на вход приемника 4, на второй вход которого подаются сигналы от синтезатора частот 9 с частотами (fОГ, f1Г, f2Г,f_iГ). В приемнике 4 осуществляется преобразование сигнала на частоту fПР, (причем fО fОГ fПР, f2 f1Г fПР и т.п.), сигналы частотой fПР фильтруются и усиливаются, а затем нормируются по амплитуде в усилителе-ограничителе 5 и поступают через коммутатор сигналов 6 на фазовый детектор 7. В фазовом детекторе 7 под воздействием управляющих сигналов (фиг. 2, г) осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги ψ₀₁, ψ₀₂ ψ_oi,, опорных сигналов частоты fО и фазовые сдвиги ψ₁, ψ₂, ... ψ_i вспомогательных сигналов частотами f1, f2.f_i. Информация с фазового детектора 7 поступает в решающий блок 8, в котором вычисляются фазовые соотношения

Полученные значения фазовых сдвигов Δψ₁, Δψ₂ ... Δψ_i запоминаются в решающем блоке 8, а затем используются в решающем блоке 8 для устранения многозначности фазовых отсчетов.

На практике частоты fО, f1, f2.f_i выбираются таким образом, чтобы выполнялись соотношения fО f1 F1, fО f2 F2,fo 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, не содержит фазовых набегов обусловленных аппаратурой блоков 1,17 и может использоваться для точного определения расстояния (r) между антенной 13 блока 1 и антенной 28 блока 17 при известной скорости распространения радиоволн и измеренной величине Δψ₁, по формуле

где C скорость распространения радиоволн.

Коммутатор сигналов 6 управляется от решающего блока 8 и пропускает нормированные по амплитуде импульсные сигналы либо от усилителя-ограничителя 5 (высокий уровень на фиг.2, ж), либо от усилителя-ограничителя 16 (низкий уровень сигнала управления на фиг.2, ж) на вход фазового детектора 7.

Таким образом, благодаря новым элементам и связям достигается расширение зоны однозначного определения расстояния и автоматизации работы устройства за счет работы бортовой станции по сигналам, например, фазовой сверхдлинноволновой системы "Омега" и однозначного определения расстояния (координат) с погрешностью, например, до ± 5 км в начальный период после включения. Затем осуществляется автоматический переход на работу бортовой станции с наземными станциями фазовой радиогеодезической системы и уточнение расстояния (координат) с погрешностью например, до единиц метров.

Использование: измерительная техника, создание измерительных систем в геодезии. Сущность изобретения: фазовая радиогеодезическая система состоит из одной или нескольких наземных и бортовой приемо-передающих станций и включает в себя измерительный блок, два фазовых детектора, два решающих блока, два синтезатора частот, два усилителя мощности, два антенных переключателя, смесители, два усилителя промежуточной частоты, два усилителя-ограничителя, логический элемент, два опорных генератора, два коммутатора-формирователя, две приемо-передающие антенны, дополнительную антенну, приемный блок, ограничитель, фазовращатель, инвертор, три элемента И, микропроцессорный модуль, постоянный запоминающий элемент, оперативно-запоминающий элемент, дешифратор, триггер, три делителя частоты, три фильтра и перестраиваемый генератор с соответствующими соединениями, что позволяет расширить зону однозначного определения расстояния при автоматической работе устройства. 2 ил.

Фазовая радиогеодезическая система, состоящая из одной или нескольких наземных и бортовой приемопередающих станций, при этом бортовая приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик, первый приемник, генератор опорный частоты, индикатор, наземная приемопередающая станция содержит приемопередающую антенну, передатчик и приемник, отличающаяся тем, что в наземную приемопередающую станцию введены антенный переключатель, усилитель-ограничитель, 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 выход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом фазовращателя и вторым входом приемника, выход которого соединен через усилитель-ограничитель с вторым входом фазового детектора, в бортовую станцию введены антенный переключатель, фазовый детектор, решающий блок, синтезатор частот, первый усилитель-ограничитель, последовательно соединенные приемная антенна, второй приемник, второй усилитель-ограничитель и коммутатор сигналов, 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 индикатора, 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 первым входом первого приемника, а выход антенного переключателя соединен с выходом передатчика, выходы синтезатора частот соединены с входом передатчика и вторыми входами первого и второго приемников, выход первого приемника соединен через первый усилитель-ограничитель с вторым входом коммутатора сигналов, выход которого соединен с третьим входом фазового детектора, вход управления коммутатора сигналов соединен с выходом решающего блока.