МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01S3/10 

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

Известные амплитудные моноимпульсные пеленгаторы содержат антенну с двумя разнесенными по углу диаграммами направленности (ДН) и два логарифмических приемника, соединенных с вычитателем.

Наиболее близким к предлагаемому пеленгатору можно считать пеленгатор [1], содержащий антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу ДН и 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), предполагающейся линейной в некотором секторе пеленгования. Крутизна ПХ, определяющая пеленгационную чувствительность (ПЧ) такого пеленгатора, обратно пропорциональна квадрату ширины его ДН.

Наличие рассеивающей среды нарушает когерентность поля в месте приема и вызывает известное расширение ДН антенн [2]. Степень подобного расширения в зависимости от условий распространения на трассе может достигать полутора-двух раз, что является причиной трехкратного и более снижения ПЧ по сравнению с ее значением в когерентном поле.

Другой причиной изменения ширины ДН (а, следовательно, и ПЧ) является изменение частоты излучения источника. Использование в этих условиях для определения пеленга значения ПЧ справедливого для когерентного поля приводит в известном моноимпульсном пеленгаторе [1] к появлению дополнительной ошибки (смещению оценки пеленга), к нестабильности ПЧ в диапазоне изменения частоты сигнала и вариациях условий распространения радиоволн на трассе.

Предлагаемый моноимпульсный пеленгатор позволяет стабилизировать пеленгационную чувствительность и повысить точность пеленгования источников излучения в рассеивающих средах.

С этой целью в известном моноимпульсном пеленгаторе [1], содержащем антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу ДН и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к соответствующему входу первого вычитателя, антенна выполнена с тремя одинаковыми с регулируемой шириной диаграммами направленности, две из которых симметрично отвернуты относительно средней диаграммы на величину углового разнесения, и имеет управляющий шириной диаграмм направленности вход и третий выход.

Кроме того, введены третий логарифмический приемник, подключенный к третьему выходу антенны, второй вычитатель, входы которого соединены с выходами второго и третьего логарифмических приемников, первый сумматор и третий вычитатель, входы которых подключены к выходам первого и второго вычитателей, а также четыре делителя, индикатор, блок вычисления квадратного корня, четвертый вычитатель, второй сумматор, квадратор, блок задержки, клемма ввода значения углового разнесения и клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности, причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с индикатором.

Управляющий вход антенны через последовательно соединенные блок задержки и квадратор подключен к первому входу второго сумматора, выход которого через блок вычисления квадратного корня соединен с управляющим входом антенны. Выход третьего вычитателя соединен с первым входом третьего делителя, выход которого подключен к первым входам первого и второго делителей. Клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности подключена к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителей и клеммой ввода значения углового разнесения. Выходы второго и четвертого делителей соединены с входами четвертого вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго сумматора.

На фиг. 1 приведена структурная схема моноимпульсного пеленгатора; на фиг. 2 - принцип формирования оценки пеленга.

Моноимпульсный пеленгатор (фиг. 1) содержит антенну 1 с тремя одинаковыми с регулируемой шириной диаграммами направленности, с управляющим шириной диаграмм направленности входом и тремя выходами, три логарифмических приемника 2, 3, и 4, первый 5 и второй 6 вычитатели, первый сумматор 7, первый делитель 8, индикатор 9, блок 10 вычисления квадратного корня, второй делитель 11, четвертый вычитатель 12, второй сумматор 13, третий 14 и четвертый 15 делители, квадратор 16, третий вычислитель 17, блок 18 задержки, клемму К2 ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности и клемму К1 ввода значения углового разнесения.

На фиг. 2 позициями 1, 2 и 3 обозначены соответственно первая, вторая и третья диаграммы направленности пеленгатора, отображаемые на выходах логарифмических приемников, а позициями 3 и 4 отмечены парциальные пеленгационные характеристики.

Для описания работы пеленгатора необходимо сделать некоторые аналитические пояснения.

Пеленгационная характеристика обычного 2-х канального пеленгатора аналитически представляется в виде выраженной в децибеллах, разностной амплитуды ΔU от пеленга α, отсчитываемого обычно от равносигнального направления:

где
ΔU - разностная амплитуда, дБ;
U₁, U₂ - амплитуды на выходах антенны;
α_p - величина углового разнесения ДН, град.;
α - пеленг, град.;
θ - ширина ДН пеленгатора на уровне 3 дБ от максимума, град.;

- крутизна ПХ - пеленгационная чувствительность пеленгатора в когерентном поле, (дБ/град).

Из (1) и (2) следует обычно используемый алгоритм пеленгования

При частично когерентном поле в месте приема, выражение для ПЧ можно получить в виде

где
μ - действительная, существующая в данных условиях распространения радиоволн, крутизна ПХ;

θ_эфф - эффективная, реально существующая в данных условиях распространения на частоте сигнала, ширина ДН пеленгатора;
θ_s - ширина углового спектра поля в месте приема, зависящая от условий распространения радиоволн на трассе.

В общем случае θ_эфф больше θ и только в когерентном поле (когда θ_s= 0) они равны. Из этого следует, что крутизна μ в общем случае меньше крутизны μ_o, а оценка пеленга, производимая на трассах с рассеянием по алгоритму (3), оказывается смещенной, причем в сторону ее приближения к равносигнальному направлению. Использование трехлучевой, трехканальной структуры моноимпульсного пеленгатора позволяет избежать подобного смещения оценки.

Учитывая (3) и фиг. 2, выражения для пеленга, отсчитываемого от положения максимума средней ДН, по двум линейным в некотором секторе, перекрывающимся парциальным пеленгационным характеристикам 3 и 4, могут быть представлены в виде системы

где

- разности логарифмов амплитуд, соответственно, между первым - вторым и вторым - третьим выходами антенны, дБ.

Решение системы приводит к необходимым алгоритмам оценки неизвестных значений ПЧ и пеленга


где

Алгоритм (6) и (7) позволяют устранить смещение оценки пеленга посредством исключения априорной неопределенности в ПЧ. Вместе с тем это не устраняет нестабильность ПЧ в диапазоне изменения частоты сигнала и 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 (программно) стабилизируемого значения ПЧ можно записать

где
θ¹ - требуемая для выполнения этого равенства, величина ширины ДН пеленгатора;
μ_{ст =} - стабилизируемое значение пеленгационной чувствительности.

Из (8) следует необходимое условие стабилизации ПЧ

Для получения из (9) алгоритма адаптивной перестройки ширины ДН, необходимо определить неизвестную, существующую в данных условиях распространения, ширину углового спектра поля θ_s. Ее значение следует из (4)

где
μ в рассматриваемом пеленгаторе определяется по алгоритму (6).

В результате, после использования (10) в (9), искомый алгоритм имеет вид выражения, описывающего процесс адаптивной перестройки ширины диаграмм направленности моноимпульсного пеленгатора:

где
θ¹ является последующим (требуемым), а θ - настоящим, существующим в момент оценки μ по алгоритму (6), значениями ширины ДН.

Динамика работы адаптивного алгоритма перестройки ширины ДН заключается в следующем.

В том случае, если существующая при данных условиях распространения и частоте сигнала, пеленгационная чувствительность μ, оцениваемая по (6), совпадает с требуемым (заданным) ее значением μ_ст, то разность в круглых скобах (11) равна нулю. Требуемое значение θ¹= θ и перестройки ширины ДН не происходит. Если же по причине уменьшения частоты сигнала (что ведет к увеличению θ), или изменения условий распространения на трассе, μ становится меньше μ_ст, то разность оказывается отрицательной, что ведет к уменьшению θ¹, а значит и к повышению ПЧ до выполнения равенства μ = μ_ст, и, наоборот, если μ больше μ_ст, то разность в круглых скобах (11) оказывается положительной, что увеличивает ширину ДН, снижая тем самым ПЧ до уровня μ = μ_ст.
Работу пеленгатора в целом, можно объяснить следующим образом.

Антенна 1 формирует три одинаковые ДН, из которых первая и третья симметрично отвернуты относительно второй - средней ДН на величину углового разнесения α_p. Колебания с выходов антенны усиливаются, логарифмируются, детектируются в логарифмических приемниках 2 - 4 и далее в вычитателях 5 и 6 вычитаются. При этом амплитуда разностного сигнала (ΔU_1,2), образующаяся на выходе вычитателя 5, пропорциональна разности логарифмов амплитуд на первом и втором выходах антенны, а разностная амплитуда (ΔU_2,3), образующаяся на выходе вычитателя 6, пропорциональна разности логарифмов амплитуд на втором и третьем выходах антенны.

Далее, разностные амплитуды ΔU_1,2 и ΔU_2,3 суммируются в сумматоре 7, образуя суммарную амплитуду Σ и вычитаются в вычитателе 17, на выходе которого формируется разностная амплитуда δ. В делителе 14 амплитуда δ делится на введенное на клемму К1 значение углового разнесения ДН пеленгатора, в результате чего на выходе делителя 14 согласно алгоритма (6), образуется существующее в настоящий момент значение пеленгационной чувствительности μ. Посредством деления суммарной амплитуды Σ на удвоенное значение ПЧ μ на выходе делителя 8 в соответствии с алгоритмом (7) формируется оценка пеленга, отображаемая на индикаторе 9.

Для формирования сигнала адаптивной перестройки ширины ДН пеленгатора, т.е. реализации алгоритма (11), в делителе 11 производится частотного от деления α_p/μ, которое поступает на вход вычитателя 12. Аналогично, в делителе 15 образуется частотное от деления углового разнесения α_p на введенное на клемму К2 стабилизируемое значение пеленгационной чувствительности μ_ст, задаваемое из тех или иных соображений. Частное от деления α_p/μ_ст подается на вход вычитателя 12, где происходит образование разности α_p/μ_ст-α_p/μ, которая с коэффициентом пропорциональности равным 24, поступает на второй вход сумматора 13. На первый вход этого сумматора с выхода квадратора 16 подается величина квадрата, существующего в настоящий момент значения ширины ДН пеленгатора (θ²).. В результате суммирования и извлечения квадратного корня в блоке 10, на его выходе, а следовательно, и входе блока задержки 18 и управляющем входе антенны, в соответствии с алгоритмом (11) формируется сигнал управления, соответствующий требуемому значению ширины ДН пеленгатора θ¹. В антенне 1 происходит установка этого значения.

Блок задержки 18 обеспечивает задержку использования последующего значения ширины ДН θ¹, в качестве существующей в данный момент ширины θ. Величина задержки определяется временем, необходимым для формирования нового значения сигнала управления. Это время ориентировочно складывается из времени перестройки ширины ДН в антенне и времени запаздывания сигналов от антенны до сумматора 13.

Использование моноимпульсного 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; в третьих, следующую из этого возможность программного управления пеленгационной чувствительностью в диапазоне вариаций условий распространения радиволон в рассеивающих средах и, в-четвертых, - частотную независимость, означающую отсутствие необходимости измерения частоты принимаемого сигнала.

Источники информации
1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Советское радио, 1970, с. 18, рис. 1.7.

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

Изобретение может использоваться в радиомаячных системах навигации. Моноимпульсный пеленгатор обеспечивает, во-первых, повышение точности пеленгования, вследствие устранения априорной неопределенности в пеленгационной чувствительности (ПЧ), во-вторых,- ее стабилизацию на заданном уровне посредством адаптивной перестройки ширины диаграмм направленности (ДН), в-третьих, - следующую из этого возможность программного управления ПЧ в диапазоне вариаций распространения радиоволн в рассеивающих средах и, в-четвертых,-частотную независимость, означающую отсутствие необходимости измерения частоты принимаемого сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что в моноимпульсном пеленгаторе, содержащем антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу ДН и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к соответствующему входу первого вычитателя, антенна, выполненная с тремя одинаковыми, с регулируемой шириной диаграммами направленности, две из которых симметрично отвернуты относительно средней диаграммы на величину углового разнесения, имеет управляющий шириной ДН вход и третий выход. Кроме того введены, третий логарифмический приемник, подключенный к третьему выходу антенны, второй вычитатель, входы которого соединены с выходами второго и третьего логарифмических приемников, первый сумматор и третий вычитатель, входы которых подключены к выходам первого и второго вычитателей, а также четыре делителя, индикатор, блок вычисления квадратного корня, четвертый вычитатель, второй сумматор, квадратор, блок задержки, клемма ввода значения углового разнесения и клемма ввода стабилизируемого значения ПЧ, причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с индикатором. Управляющий вход антенны через последовательно соединенные блок задержки и квадратор подключен к первому входу второго сумматора, выход которого через блок вычисления квадратного корня соединен с управляющим входом антенны. Выход третьего вычитателя соединен с первым входом третьего делителя, выход которого подключен к первым входам первого и второго делителей. Клемма ввода стабилизируемого значения ПЧ подключена к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителей и клеммой ввода значения углового разнесения. Выходы второго и четвертого делителей соединены с входами четвертого вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго сумматора. 2 ил.

Моноимпульсный пеленгатор, содержащий антенну с двумя одинаковыми, разнесенными по углу диаграммами направленности и с двумя выходами, каждый из которых через логарифмический приемник подключен к соответствующему входу первого вычитателя, отличающийся тем, что антенна выполнена с тремя одинаковыми с регулируемой шириной диаграммами направленности, две из которых симметрично отвернуты относительно средней диаграммы на величину углового разнесения, и имеет управляющий шириной диаграмм направленности вход и третий выход, а также введены третий логарифмический приемник, подключенный к третьему выходу антенны, второй вычитатель, входы которого соединены с выходами второго и третьего логарифмических приемников, первый сумматор и третий вычитатель, входы которых подключены к выходам первого и второго вычитателей, четыре делителя, индикатор, блок вычисления квадратного корня, четвертый вычитатель, второй сумматор, квадратор, блок задержки, клемма ввода значения углового разнесения и клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности, причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого делителя, выход которого соединен с индикатором, управляющий вход антенны через последовательно соединенные блок задержки и квадратор подключен к первому входу второго сумматора, выход которого через блок в вычисления квадратного корня соединен с управляющим входом антенны, выход третьего вычитателя соединен с первым входом третьего делителя, выход которого подключен к первым входам первого и второго делителей, клемма ввода стабилизируемого значения пеленгационной чувствительности подключена к первому входу четвертого делителя, второй вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего делителей и клеммой ввода значения углового разнесения, выходы второго и четвертого делителей соединены с входами четвертого вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго сумматора.