ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G01S3/00 G01S3/46 

Предлагаемый способ относится к радиолокации, радионавигации и может быть использован для определения местоположения источников излучения сложных сигналов.

В качестве базового способа выбран фазовый способ пеленгации (Космические траекторные измерения. Под общей редакцией П.А. Агаджанова и др. М.: "Сов. радио", 1969, с.244-245). Указанному способу свойственно противоречие между требованиями точности измерений и однозначности отсчета угла. Действительно, согласно формуле

где d - расстояние между антеннами (измерительная база);
λ - длина волны;
α - угол прихода радиоволн,
фазовый способ тем чувствительнее к изменению угла α, чем больше относительный размер базы Но с ростом уменьшается значение угловой координаты α, при котором разность фаз Δϕ превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета. Разрешение отмеченного противоречия в данном способе достигается применением нескольких измерительных баз (многошкальность).

Однако базовый способ пеленгации не обеспечивает возможности для измерения дальности до источника излучения сложных сигналов, т.е. не позволяет определять местоположение источника излучения сложных сигналов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем определения местоположения источника излучения сложных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, основанном на приеме сигналов на три антенны, расположенные в азимутальной плоскости на одной линии, преобразовании их по частоте и выделении напряжений первой промежуточной частоты, в угломестной плоскости размещают две дополнительные антенны на другой линии, перпендикулярной первой, принимают на них сигналы, преобразуют последние по частоте и выделяют напряжения первой промежуточной частоты, образуя тем самым один измерительный и четыре пеленгационных канала, по два на каждую плоскость, в измерительном канале напряжение первой промежуточной частоты второй раз преобразуют по частоте, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, перемножают его с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, из полученных напряжений выделяют гармонические колебания на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измеряют разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и по ним оценивают значение азимута и угла места источника излучения сигнала, перемножают принимаемый сигнал второго пеленгационного канала с напряжением первой промежуточной частоты первого пеленгационного канала в азимутальной плоскости, из полученного напряжения выделяют гармоническое колебание на частоте первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измеряют разность фаз между гармоническим колебанием и напряжением первого гетеродина, измеряют несущую частоту принимаемого сигнала, угол визирования источника излучения сигнала и разность разностей фаз между первым пеленгационным и измерительным каналами, а также между вторым и первым пеленгационными каналами в азимутальной плоскости и по их значению оценивают дальность до источника излучения сигнала, по измеренным значениям азимута, угла места и дальности определяют местоположение источника излучения сигнала.

Приемные антенны 1-5 размещают в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну 1 измерительного канала, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны.

При этом меньшие базы d образуют грубые, но однозначные шкалы отсчета углов, а большие базы 2d образуют точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов.

Приемные антенны 1-5 могут быть размещены также в виде симметричного геометрического креста, в центре которого размещают антенну 1 измерительного канала.

Местоопределение источника излучения сложного сигнала по предлагаемому способу осуществляют путем выполнения следующей последовательности операций.

1. Принимают сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн) и нестабильной несущей частотой на пять антенн 1-5, расположенные в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну 1 измерительного канала:
u₁(t) = U₁cos[(ω_c± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₁],
u₂(t) = U₂cos[(ω_c± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₂],
u₃(t) = U₃cos[(ω_c± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₃],
u₄(t) = U₄cos[(ω_c± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₄],
u₅(t) = U₅cos[(ω_c± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₅], 0 ≤ t ≤ T_c,
где U₁-U₂ - амплитуды сигналов;
ω_c, T_c, ϕ₁-ϕ₅ - несущая частота, длительность и начальная фазы сигналов;
± Δω - нестабильность несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами;
ϕ_k(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_k(t) = const при
kτ_и< t < (k+1)τ_и и может изменяться скачком при t = kτ_и, т.e. на границах между элементарными посылками (к= 1,2,..., N-l);
τ_и, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c= Nτ_и).
2. Преобразуют их по частоте и выделяют напряжения первой промежуточной частоты:
u_пр1(t) = U_пр1cos[(ω_пр1± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр1],
u_пр2(t) = U_пр2cos[(ω_пр1± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр2],
u_пр3(t) = U_пр3cos[(ω_пр1± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр3],
u_пр4(t) = U_пр4cos[(ω_пр1± Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр4],

где U_пр1=1/2K₁U₁U_г1; ϕ_пр1= ϕ₁-ϕ_г1;
где U_пр2=1/2K₁U₂U_г2; ϕ_пр2= ϕ₂-ϕ_г1;
где U_пр3=1/2K₁U₃U_г1; ϕ_пр3= ϕ₃-ϕ_г1;
где U_пр4=1/2K₁U₄U_г2; ϕ_пр4= ϕ₄-ϕ_г1;
где U_пр5=1/2K₁U₅U_г2; ϕ_пр5= ϕ₅-ϕ_г1;
K₁ - коэффициент передачи преобразователя частоты;
ω_пр1= ω_c-ω_г1 - первая промежуточная частота;
U_г1, ω_г1, ϕ_г1 - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения первого гетеродина,
образуя тем самым один измерительный и четыре пеленгационных канала, по два на каждую плоскость.

3. В измерительном канале напряжение U_пр1(t) первой промежуточной частоты второй раз преобразуют по частоте и выделяют напряжение второй промежуточной частоты.

u_пр6(t) = U_пр6cos[(ω_пр2± Δω)t+ϕ_пр6], 0 ≤ t ≤ T_c,
где U_пр1=1/2K₁U₁U_г1;
ω_пр2= ω_пр1-ω_г2 - вторая промежуточная частота;
ϕ_пр6= ϕ_пр1-ϕ_г2;
U_г2, ω_г2, ϕ_г2 - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения второго гетеродина.

4. Перемножают напряжение второй промежуточной частоты u_пр6(t) с напряжениями u_пр2(t) - u_пр5(t) первой промежуточной частоты пеленгационных каналов.

5. Из полученных напряжений выделяют гармонические колебания по частоте ω_г2 второго гетеродина с сохранением фазовых соотношении:
u₆(t) = U₆cos(ω_г2t+ϕ_г2+Δϕ₁),
u₇(t) = U₇cos(ω_г2t+ϕ_г2+Δϕ₂),
u₈(t) = U₈cos(ω_г2t+ϕ_г2+Δϕ₃),
u₉(t) = U₉cos(ω_г2t+ϕ_г2+Δϕ₄), 0 ≤ t ≤ T_c,
где U₆ = 1/2K₂U_пр2U_пр6;
U₇=1/2K₂U_пр3U_пр6;
U₈=1/2K₂U_пр4U_пр6;
U₉=1/2K₂U_пр5U_пр6;
K₂ - коэффициент передачи перемножителей;




d, 2d - измерительные базы;
α, β - угловые координаты в азимутальной и угломестной плоскостях
6. Измеряют разности фаз Δϕ₁÷ Δϕ₄ между гармоническими колебаниями u₆(t)- u₉(t) и напряжением второго гетеродина:
u_г2(t) = U_г2cos(ω_г2t+ϕ_г2)
и по ним оценивают значения азимута α и угла мест β источника излучения сигнала.

7. Перемножают принимаемый сигнал u₂(t) первого пеленгационного канала с напряжением u_пр3(t) первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала в азимутальной плоскости.

8. Из полученного напряжения выделяют гармоническое колебание на частоте ω_г1 первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений
u₁₀(t) = U₁₀cos(ω_г1t+ϕ_г1+Δϕ₅), 0 ≤ t ≤ T_c,
где U₁₀=1/2K₁U₃U_пр2;

9. Измеряют разность фаз Δϕ₅ между гармоническим колебанием u₁₀(t) и напряжением первого гетеродина
u_г1(t) = U_г1cos(ω_г1t+ϕ_г1).
10. Измеряют несущую частоту ω_c принимаемого сигнала и разность разностей фаз (фиг. 4)

Выразив sinα₁ и sinα₃ через стороны прямоугольных треугольников 11'И, 22'И и 33'И, получим


где D - дальность до источника излучения сложных сигналов. Вышеприведенные выражения можно записать в приближенном виде:


Значение разности фаз в приближенном виде выглядит следующим образом:

11. Искомую дальность D до источника излучения сложных сигналов оценивают по следующей формуле:

12. По измеренным значениям азимута α, угла места β и дальности D определяют местонахождение источника излучения сложных сигналов.

Предлагаемый фазовый способ пеленгации может быть реализован устройством, структурная схема которого представлена на фиг. 1. Взаимное расположение приемных антенн изображено на фиг. 2, 3, и 4.

Устройство содержит приемные антенны 1-5, усилители 6-10 высокой частоты, первый гетеродин 11, смесители 12-16, 23, усилители 17-21 первой промежуточной частоты, второй гетеродин 22, усилитель 24 второй промежуточной частоты, перемножители 25-28, 29, узкополосные фильтры 30 - 34, фазометры 35-40, частотомер 41, вычислительный блок 42 и блок 43 регистрации.

Измерительный канал состоит из последовательно включенных антенны 1, усилителя 6 высокой частоты, смесителя 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина II, усилителя 17 первой промежуточной частоты, смесителя 23, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 22, усилителя 24 второй промежуточной частоты и частотомера 41.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных антенны 2 (3, 4, 5), усилителя 7 (8, 9, 10) высокой частоты, смесителя 13 (14, 15, 16), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилителя 18 (19, 20, 21) первой промежуточной частоты, перемножителя 25 (26, 27, 28), второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра 30 (31, 32, 33) и фазометра 35 (36, 37, 38), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 22. К выходу усилителя 7 высокой частоты последовательно подключен перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19 первой промежуточной частоты, узкополосный фильтр 34, фазометр 39, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, фазометр 40, второй вход которого соединен с выходом фазометра 35, вычислительный блок 42, второй вход которого соединен с выходом фазометра 39, а третий вход соединен с выходом частотомера 41, и блок регистрации 43, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены с выходами фазометров 35-38 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн) и нестабильной несущей частотой U_г1(t)-U_г5(t) с выходов антенн 1-5 через усилители 6 -10 высокой частоты поступают на первые входы смесителей 12-16 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 11
u_г1(t) = U_г1cos(ω_г1t+ϕ_г1).
Ha выходах смесителей 12-16 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 17-21 выделяются напряжения u_пр1(t)-u_пр5(t) только первой промежуточной частоты. Напряжение u_пр1(t) с выхода усилителя 17 первой промежуточной частоты поступает на первый вход смесителя 23, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 22
u_г2(t) = U_г2cos(ω_г2t+ϕ_г2).
На выходе смесителя 23 образуются напряжения комбинационных частот. Усилитель 24 выделяет напряжение u_пр6(t) только второй промежуточной частоты, которое подается на вторые входы перемножителей 25-28, на первые входы которых поступают напряжения u_пр2(t)-u_пр5(t) первой промежуточной частоты. Из полученных напряжений узкополосными фильтрами 30-33 выделяются гармонические колебания u₆(t)-u₉(t), которые поступают на первые входы фазометров 35-38, на вторые входы которых подается напряжение u_г2(t) гетеродина 22. Измеренные фазовые сдвиги Δϕ₁, Δϕ₂, Δϕ₃ и Δϕ₄ регистрируются в блоке 42 регистрации.

Фазометром 39 измеряется фазовый сдвиг Δϕ₅. Разность разности фаз Δ(Δϕ) = Δ(Δϕ₁-Δϕ₅) измеряется фазометром 40 и поступает в вычислительный блок 42, где определяется косвенным образом дальность D до источника излучения сложного сигнала, а затем регистрируется в блоке 43 регистрации. В последнем определяется местоположение источника излучения сложного сигнала.

Максимальная ошибка определения дальности D

Таким образом, предполагаемый способ по сравнению с базовым обеспечивает определение дальности до источника излучения сигнала и измерение угла места, т. е. обеспечивает определение местонахождения источника излучения сигнала. При уменьшении угла визирования (азимута α) точность определения дальности увеличивается. Причем определение дальности производится практически мгновенно.

Для устранения противоречия между точностью и однозначностью пеленгации источника излучения сложных сигналов в каждой плоскости используют две измерительные базы d и 2d, между которыми выполняется следующее неравенство:

При этом меньшая база d образует грубую, но однозначную шкалу отсчета угла, а большая база 2d образует точную, но неоднозначную шкалу отсчета угла. Указанные базы формируют пятью антеннами, которые располагают в виде прямого геометрического угла, в вершине которого помещают антенну 1 измерительного канала, или в виде симметричного геометрического креста, в центре которого помещают антенну 1 измерительного канала.

Кроме того, предлагаемый способ пеленгации инвариантен к нестабильности несущей частоты и виду модуляции принимаемых сложных сигналов.

Тем самым функциональные возможности базового способа пеленгации расширены.

Изобретение относится к радиолокации и радионавигации. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа путем определения местоположения источника излучения сложных сигналов. Сущность способа заключается в том, что принимают сложные сигналы на пять антенн, расположенных в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну измерительного канала, преобразуют их по частоте и выделяют напряжения первой промежуточной частоты, образуя тем самым один измерительный и четыре пеленгационных канала, в измерительном канале измеряют разность фаз между гармоническими колебаниями на частоте второго гетеродина и напряжением второго гетеродина и по ним оценивают значения азимута и угла места источника излучения сигнала, измеряют разность фаз между гармоническим напряжением на частоте первого гетеродина и напряжением первого гетеродина, измеряют несущую частоту принимаемого сигнала, угол визирования источника излучения сложного сигнала и разность разностей фаз между первым пеленгационным и измерительным каналами, а также между вторым и первым пеленгационными каналами в азимутальной плоскости и по их значению определяют дальность до источника излучения сигнала. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Фазовый способ пеленгации, основанный на приеме сигналов на три антенны, расположенные в азимутальной плоскости на одной линии, преобразовании их по частоте и выделении напряжений первой промежуточной частоты, отличающийся тем, что в угломестной плоскости размещают две дополнительные антенны на другой линии, перпендикулярной первой, принимают на них сигналы, преобразуют последние по частоте и выделяют напряжения первой промежуточной частоты, образуя тем самым один измерительный и четыре пеленгационных канала, по два на каждую плоскость, в измерительном канале напряжение первой промежуточной частоты второй раз преобразуют по частоте, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, перемножают его с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, из полученных напряжений выделяют гармонические колебания на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измеряют разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и по ним оценивают значения азимута и угла места источника излучения сигнала, перемножают принимаемый сигнал первого пеленгационного канала с напряжением первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала в азимутальной плоскости, из полученного напряжения выделяют гармоническое колебание на частоте первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измеряют разность фаз между гармоническим колебанием и напряжением первого гетеродина, измеряют несущую частоту принимаемого сигнала, угол визирования источника излучения сигнала и разность разностей фаз между первым пеленгационным и измерительным каналами, а также между вторым и первым пеленгационными каналами в азимутальной плоскости и по их значению оценивают дальность до источника излучения сигнала, по измеренным значениям азимута, угла места и дальности определяют местоположение источника излучения сигнала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемные антенны размещают в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну измерительного канала, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны;
при этом меньшие базы d образуют грубые, но однозначные шкалы отсчета углов, а большие базы 2d образуют точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемные антенны размещают в виде симметричного геометрического креста, в центре которого помещают антенну измерительного канала.