ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01S3/46 

Изобретение относится к радиолокации, радионавигации и может быть использовано для определения местоположения и движения источников излучения сложных сигналов.

Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ NN 2003131, 2006872, 2010258, 2012010, 2134429; Космические траекторные измерения. Под общей редакцией ПА. Агаджанова и др. М.: Сов. радио, 1969, с. 244-245; И.Е.Кинкулькин и др. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. радио, 1979 и другие).

Базовым способом следует считать "Фазовый способ пеленгации" (патент РФ N2134429, G 01 S 3/00,1997), который обеспечивает измерение угловых координат α,β и дальности D до источника излучения сигнала, т.е. позволяет определять местоположение источника излучения сигнала.

Однако потенциальные возможности данного способа используются не в полной мере. Указанным способом можно измерять радиальную скорость и угловые скорости источника излучения сигнала по азимуту и углу места и тем самым определять модуль вектора скорости источника излучения сигнала:

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей базового способа путем измерения радиальной скорости и угловых скоростей источника излучения сигнала по азимуту и углу места
Поставленная задача выполняется тем, что в способе, основанном на приеме сигналов на пять антенн, расположенных в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну измерительного канала, общую для четырех пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, 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, преобразовании принимаемых сигналов по частоте, выделении напряжений первой промежуточной частоты, повторном преобразовании по частоте напряжения первой промежуточной частоты измерительного канала, выделении напряжения второй промежуточной частоты, перемножении его с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделении из полученных напряжений гармонических колебаний на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и оценивании по ним значений азимута и угла места источника излучения сигнала, перемножении принимаемого сигнала первого пеленгационного канала с напряжением первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала в азимутальной плоскости, выделении из полученного напряжения гармонического колебания на частоте первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении несущей частоты принимаемого сигнала, угла визирования и разности разностей фаз между первым пеленгационным и измерительным каналами, а также между вторым и первым пеленгационными каналами в азимутальной плоскости и оценивании по их значениям дальности до источника излучения сигнала, определении по измеренным значениям азимута, угла места и дальности местоположения источника излучения сигнала, перемножают напряжение первой промежуточной частоты измерительного канала с напряжениями первой промежуточной частоты второго и четвертого пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно, выделяют из полученных напряжений гармонические колебания с частотами, равными разности доплеровских частот, и по ним оценивают значения угловых скоростей источника излучения сигнала по азимуту и углу места, в измерительном канале осуществляют двойное преобразование по частоте принимаемого сигнала с использованием двух эталонных частот и частоты подставки, которую вводят для определения знака доплеровского смещения, выделяют гармоническое колебание с доплеровским смещением, измеряют его частоту и по величине и знаку доплеровского смещения оценивают величину и направление радиальной скорости источника излучения сигнала, по измеренным значениям дальности, радиальной скорости и угловых скоростей по азимуту и углу места определяют модуль вектора скорости источника излучения сигнала.

Местоположение и модуль вектора скорости источника излучения, например, сложного сигнала с фазовой манипуляцией (ФМн) по предлагаемому способу осуществляют путем выполнения следующей последовательности операций.

1. Принимают сложные ФМн-сигналы с нестабильной несущей частотой на пять антенн 1 - 5, расположенных в виде геометрического прямого угла (фиг. 2), в вершине которого помещают антенну 1 измерительного канала, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d:

где U₁-U₅ - амплитуды сигналов;
ω_c, T_c, ϕ₁-ϕ₅ - несущая частота, длительность и начальные фазы сигналов;
±Δω - нестабильность несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;
ϕ_k(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_k(t) = const при K•τ_n< t < (K+1)•τ_n и может изменяться скачком при t = K•τ_n, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1,2,...,N-1);
τ_n, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (T_c= N•τ_n).
2. Преобразуют их по частоте с использованием напряжения первого гетеродина:
U_r1(t) = U_r1•cos(ω_r1•t+ϕ_r1),
где U_r1, ω_r1, ϕ_r1 - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения первого гетеродина;
и выделяют напряжение первой промежуточной частоты:

0≤t≤T_c,
где

K₁ - коэффициент передачи преобразователей частоты;
ω_пр1= ω_c-ω_r1/- первая промежуточная частота;
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 с использованием напряжения второго гетеродина:
u_r2(t) = U_r2•cos(ω_r2•t+ϕ_r2),
где U_r2, ω_r2, ϕ_r2 - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения второго гетеродина;
и выделяют напряжение второй промежуточной частоты:
u_пр6(t) = U_пр6•cos[(ω_пр2±Δω)•t+ϕ_k(t)+ϕ_пр6],
где
ω_пр2= ω_пр1-ω_r2 - вторая промежуточная частота;
ϕ_пр6= ϕ₁-ϕ_r2.
4. Перемножают напряжение второй промежуточной частоты U_пр6(t) измерительного канала с напряжениями U_пр2(t)-U_пр5(t) первой промежуточной частоты пеленгационных каналов.

5. Из полученных напряжений выделяют гармонические колебания на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений:

0≤t≤T_c,
где

K₂ - коэффициент передачи перемножителей;

d, 2d - измерительные базы;
α,β - угловые координаты в азимутальной и угломерной плоскостях.

6. Измеряют разности фаз Δϕ₁-Δϕ₄ между гармоническими колебаниями U₆(t)-U₉(t) и напряжением второго гетеродина U_г2(t) и по ним оценивают значения азимута α и угла места 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_r1 первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений
u₁₀(t) = U₁₀•cos(ω_r1•t+ϕ_r1+Δϕ₅), 0 ≤ t ≤ T_c,
где

9. Измеряют разность фаз Δϕ₅ между гармоническим колебанием U₁₀(t) и напряжением первого гетеродина U_г1(t).

10. Измеряют несущую частоту принимаемого сигнала и разность разностей фаз:

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


где D - дальность до источника излучения сигнала.

Выше приведенные выражения можно записать в приближенном виде:


Значение разности разностей фаз в приближенном виде выглядит следующим образом:

11. Искомую дальность до источника излучения сигнала оценивают по следующей формуле:

12. По измеренным значениям азимута α, угла места β и дальности D определяют местоположение источника излучения сигнала.

13. Измеряют радиальную скорость движения источника излучения сигнала. Указанное измерение основано на использовании эффекта Доплера.

Сущность его заключается в том, что частота f_с принимаемых колебаний отличается от частоты f₀ излучаемых колебаний, если излучатель и приемник перемещаются относительно друг друга.

Как известно из общих положений теории относительности, связь между частотами f_с и f₀ определяется соотношением

где с - скорость света;
V - полная скорость движения источника сигнала;
радиальная составляющая скорости источника излучения сигнала (излучателя).

Поскольку


то выражение для несущей частоты можно записать в виде

Ограничиваясь первыми слагаемыми в первой части последнего равенства, получаем

где F_g - доплеровское смещение частоты.

Замена точного соотношения приближенным обуславливает методическую погрешность измерения радиальной скорости. Для измерения радиальной скорости излучателя в измерительном канале осуществляют двойное преобразование принимаемого сигнала с использованием двух эталонных частот f₁, f₂ и частоты подставки F₀, которую вводят для определения знака доплеровского смещения F_g. При этом напряжение первой промежуточной частоты f_ПЧ1, на которой производится усиление принимаемого сигнала, определяется разностью
f_ПЧ1=f_с-f₁=f₀+F_g-f₁,
где f₁ - частота опорного сигнала, участвующего в первом преобразовании частоты принимаемого сигнала.

Опорный сигнал, участвующий во втором преобразовании частоты принимаемого сигнала, имеет частоту
f₂=f₀-f₁-F₀.

После второго преобразования частоты принимаемого сигнала формируются колебания частоты
f_ИЗМ = f_ПЧ1-f₂ = f₀ + F_g - f₁ -f₀+F₀ = F_g+F₀.

В зависимости от того, f_ИЗМ > F₀ или f_ИЗМ < F₀, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости.

14. Измеряют угловые скорости излучателя. Указанные измерения в двух плоскостях основаны на сравнении доплеровских смещений в двух системах разнесенных антенн, базы которых ориентированы в пространстве под углом 90^o (фиг. 2). При этом измеряются производные двух направляющих конусов:

От производных нетрудно перейти к угловым скоростям по азимуту и углу места


где ΔFg₁ и ΔFg₂ - разность доплеровских частот в азимутальной и угломерной плоскостях.

ΔFg₁= Fg₃-Fg₁, ΔFg₂= Fg₅-Fg₁.
Таким образом, для измерения угловых скоростей источника излучения сигнала, кроме разностей доплеровских частот, необходимо измерить направляющие косинусы в азимутальной и угломерной плоскостях.

По найденным значениям угловых скоростей определяют тангенциальные составляющие вектора скорости источника излучения сигнала:

15. Модуль вектора скорости источника излучения сигнала

находят как результат измерения шести радионавигационных параметров: трех координат α,β, D и трех скоростей
Предлагаемый фазовый способ пеленгации может быть реализован фазовым пеленгатором, структурная схема которого представлена на фиг. 1. Взаимное расположение приемных антенн изображено на фиг. 2 и 3.

Фазовый пеленгатор содержит приемные антенны 1 - 5, усилители 6 - 10 высокой частоты, первый гетеродин 11, смесители 12 - 16, 23, 51, 53, усилители 17 - 21, 52 первой промежуточной частоты, второй гетеродин 22, усилитель 24 второй промежуточной частоты, перемножители 25 - 28, 29, 44, 45, узкополосные фильтры 30 - 34, 46, 47, 54, фазометры 35 - 40, частотомеры 41, 48, 49, 55, вычислительный блок 42, блок 43 регистрации.

Измерительный канал состоит из последовательно включенных антенны 1 усилителя 6 высокой частоты, смесителя 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилителя 17 первой промежуточной частоты и частотомера 41.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных антенн 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 подключены перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19, 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. К выходу усилителя 17 первой промежуточной частоты последовательно подключены перемножитель 44, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19 первой промежуточной частоты, узкополосный фильтр 46 и частотомер 48, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного блока 42 и шестым входом блока регистрации 43. К выходу усилителя 17 первой промежуточной частоты последовательно подключены перемножитель 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 21 первой промежуточной частоты, узкополосный фильтр 47 и частотомер 49, выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока 42 и с седьмым входом блока 43 регистрации. К выходу усилителя 6 высокой частоты последовательно подключены смеситель 51, второй вход которого соединен с первым выходом блока 50 эталонных частот, усилитель 52 первой промежуточной частоты, смеситель 53, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 50 эталонных частот, узкополосный фильтр 54 и частотомер 55, выход которого подключен к шестому входу вычислительного блока 42 и восьмому входу блока 43 регистрации.

Фазовый пеленгатор работает следующим образом.

Принимаемые ФМн-сигналы 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. На 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 U_г2(t) гетеродина. На выходе смесителя 23 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 24 выделяется напряжение 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 блоком 43 регистрации.

Фазометром 39 измеряется фазовый сдвиг Δϕ₅. Разность разностей фаз Δ(Δϕ) = Δ(Δϕ₁-Δϕ₅) измеряется фазометром 40 и поступает в вычислительный блок 42, где косвенным образом определяется 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 определяется выражением

По измеренным значениям азимута α, угла места β и дальности D определяется местоположение источника излучения сигнала.

Для измерения радиальной скорости излучателя напряжение U₁(t) c выхода усилителя 6 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 51, на второй вход которого подается первая эталонная частота f₁. На выходе смесителя 51 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 52 выделяется напряжение первой промежуточной частоты
f_пр1 - f_с - f₁ = f₀ + F_g - f₁,
которое поступает на первый вход смесителя 53. На второй вход смесителя 53 подается оперный сигнал, частота которого определяется выражением
f₂=f₀ - f₁-F₀,
где F₀ - частота подставки, которую выводят для определения знака доплеровского смещения F_g.

На выходе смесителя 53 формируются колебания частоты
f_ИЗМ = f_ПЧ1 - f₂ = f₀ + F_g - f₁ - f₀ + f₁ + F₀ = F_g + F₀,
которые выделяются узкополосным фильтром 54, измеряются частотомером 55 и поступает в вычислительный блок 42 и блок 43 регистрации. По величине и знаку доплеровского смещения оценивают величину и направление радиальной скорости источника излучения сигнала.

Для измерения угловых скоростей излучателя по азимуту и углу места напряжения U_пр1(t), U_пр3(t) и U_пр4(t), U_пр5(t) с выходов усилителей 17, 19 и 20 первой промежуточной частоты поступают на два входа перемножителей 44 и 45. При этом узкополосные фильтры 46 и 47 выделяют гармонические колебания на частотах, равных разности доплеровских частот в азимутальной и угломерной плоскостях:
ΔFg₁= Fg₃-Fg₁, ΔFg₂= Fg₅-Fg₁.
Указанные разности доплеровских частот измеряются частотомерами 48 и 49 соответственно, поступают в вычислительный блок 42 и фиксируются блоком 43 регистрации.

В вычислительном блоке 42 определяются тангенциальные составляющие вектора скорости излучателя

и модуль вектора скорости излучателя
,
которые также фиксируются блоком 43 регистрации.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с базовым обеспечивает определение не только дальности D и угловых координат α и β, но и радиальной скорости и угловых скоростей по азимуту и углу места излучателя. При этом по измеренным значениям дальности D и угловых скоростей определяются тангенциальные составляющие вектора скорости излучателя, а по измеренным значениям шести радионавигационных параметров: трех координат D, α, β трех скоростей определяется модуль вектора скорости излучателя, т.е. наряду с местоположением определяются параметры движения источника излучения сигнала.

Тем самым функциональные возможности базового способа пеленгации расширены.

Изобретение относится к радиолокации, радионавигации и может быть использовано для определения местоположения и движения источников излучения сложных сигналов. Технический результат - расширение функциональных возможностей базового способа путем измерения радиальной скорости D и угловых скоростей источника излучения сигнала по азимуту α и углу места β. Предлагаемый способ может быть реализован фазовым пеленгатором, который содержит антенны 1-5, усилители 6-10 высокой частоты, первый гетеродин 11, смесители 12-16, 23, 51, 53, усилители 17-21, 52 первой промежуточной частоты, перемножители 25-29, 44, 45, узкополосные фильтры 30-34, 46, 47, 54, фазометры 35-40, частотомеры 41, 48, 49, 55, вычислительный блок 42 и блок 43 регистрации, 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Фазовый способ пеленгации, основанный на приеме сигналов на пять антенн, расположенных в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну измерительного канала, общую для четырех пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны,
при этом меньше базы d образуют грубые, но однозначные шкалы отсчета углов, а большие базы 2d образуют точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов, преобразовании принимаемых сигналов по частоте, выделении напряжений первой промежуточной частоты, повторном преобразовании по частоте напряжения первой промежуточной частоты измерительного канала, выделении напряжения второй промежуточной частоты, перемножении его с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделении из полученных напряжений гармонических колебаний на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и оценивании по ним значений азимута и угла места источника излучения сигнала, перемножения принимаемого сигнала первого пеленгационного канала с напряжением первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала в азимутальной плоскости, выделении из полученного напряжения гармонического колебания на частоте первого гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении несущей частоты принимаемого сигнала, угла визирования и разности разностей фаз между первым пеленгационным и измерительным каналами, а также между вторым и первым пеленгационными каналами в азимутальной плоскости и оценивании по их значениям дальности до источника излучения сигнала, определении по измеренным значениям азимута, угла места и дальности местоположения источника излучения сигнала, отличающийся тем, что перемножают напряжение первой промежуточной частоты измерительного канала с напряжениями первой промежуточной частоты второго и четвертого пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно, выделяют из полученных напряжений гармонические колебания с частотами, равными разности доплеровских частот, и по ним оценивают значения угловых скоростей источника излучения сигнала по азимуту и углу места, в измерительном канале осуществляют двойное преобразование по частоте принимаемого сигнала с использованием двух эталонных частот и частоты подставки, которую вводят для определения знака доплеровского смещения, выделяют гармоническое колебание с доплеровским смещением, измеряют его частоту и по величине и знаку доплеровского смещения оценивают величину и направление радиальной скорости источника излучения сигнала, по измеренным значениям дальности, радиальной скорости и угловых скоростей по азимуту и углу места определяют модуль вектора скорости источника излучения сигнала. 2. Фазовый пеленгатор, содержащий измерительный и четыре пеленгационных канала, при этом измерительный канал состоит из последовательно включенных антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты и первого частотомера, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра и фазометра, последовательно подключенные к выходу усилителя высокой частоты первого пеленгационного канала, пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала, пятый узкополосной фильтр, пятый фазометр, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, шестой фазометр, второй вход которого соединен с выходом первого фазометра, вычислительный блок, второй вход которого соединен с выходом пятого фазометра, а третий вход соединен с выходом первого частотомера, и блок регистрации, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого фазометров соответственно, отличающийся тем, что он снабжен шестым и седьмым перемножителями, шестым, седьмым и восьмым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым частотомерами, блоком эталонный частот, седьмым и восьмым смесителями и шестым усилителем первой промежуточной частоты, причем к выходу усилителя первой промежуточной частоты измерительного канала последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты второго пеленгационного канала, шестой узкополосный фильтр и второй частотомер, выход которого подключен к четвертому входу вычислительного блока и шестому входу блока регистрации, к выходу усилителя первой промежуточной частоты измерительного канала последовательно подключены седьмой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты четвертого пеленгационного канала, седьмой узкополосный фильтр и третий частотомер, выход которого подключен к пятому входу вычислительного блока и к седьмому выходу блока регистрации, к выходу усилителя высотой частоты измерительного канала последовательно подключены седьмой смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, шестой усилитель первой промежуточной частоты, восьмой смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом блока эталонных частот, восьмой узкополосной фильтр и четвертый частотомер, выход которого подключен к шестому входу вычислительного блока и к восьмому входу блока регистрации.