КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ МОДУЛЬ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2003 года по МПК G01S15/60 

Заявляемое устройство относится к области навигации и представляет собой датчик скорости, предназначенный для работы в составе аппаратуры счисления координат (АСК) наземного транспортного средства (НТС).

В настоящее время в АСК воздушных, морских и наземных транспортных средств применяются различные датчики скорости: доплеровские датчики скорости (ДДС), называемые при применении на судах доплеровскими радиолагами (ДРЛ), датчики воздушной скорости (ДВС), механические датчики скорости (МДС) и несколько типов корабельных относительных лагов и т.д. [1], [2], [3].

Исходя из условий применения, самолетные ДДС должны быть работоспособными на расстояниях до рассеивающей излучаемый сигнал поверхности, измеряемых километрами, а ДДС для судов и НТС работают при расстояниях от единиц до нескольких десятков метров, что определяет различия их конструкций. При этом они состоят из нескольких однолучевых ДДС, функционально объединенных в один ДДС или ДРЛ.

Известный однолучевой ДДС, принятый за прототип, используемый в составе ДДС судна [1, с.81-83], содержит (фиг.1) последовательно соединенные приемоизлучающую антенну 1, циркулятор 2, детектор 3, блок усиления и фильтрации 4, смеситель 5, фильтр сосредоточенной селекции 6, частотный дискриминатор 7, схему управления 8 и управляемый генератор 9, а также генератор излучения 10 и его блок питания 11, при этом волноводный выход-вход генератора излучения 10 соединен с соответствующим входом циркулятора 2, а контакты питания генератора излучения 10 соединены с соответствующими выходами блока питания 11, один из которых соединен с общей шиной, выход управляемого генератора 9 соединен со вторым входом смесителя 5, а второй выход схемы управления 8 является выходом всего ДДС.

При включении ДДС напряжение питания поступает на все узлы, при этом выходной сигнал генератора излучения 10 через циркулятор 2 поступает по волноводу на вход приемоизлучающей антенны 1 и излучается в направлении поверхности воды, сигнал, принимаемый приемоизлучающей антенной 1 после отражения поверхностью воды, по тому же волноводу поступает в циркулятор 2. Поскольку циркулятор 2 представляет собой неидеальный и невзаимный элемент, то поступивший из генератора излучения 10 сигнал излучения в основном проходит в приемоизлучающую антенну 1, а 3-10% его - в детектор 3, сигнал, поступивший из приемоизлучающей антенны 1, в такой же пропорции делится между детектором 3 и генератором излучения 10. Такое свойство циркулятора обеспечивает поступление на вход 3 по одному волноводу суммы гетеродинного сигнала с частотой f_И, представляющего собой часть излучаемого сигнала генератора излучения 10, и практически всего принятого сигнала с частотой f_И±f_Д (f_И - частота излучаемого сигнала, f_И±f_Д - частота принимаемого сигнала, f_Д - доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала). Детектор представляет собой простой детектор огибающей суммы двух сигналов, поступающих на его вход, и формирует на своем выходе сигнал, состоящий из постоянного напряжения, образованного из выпрямленного сигнала гетеродина, и переменного напряжения, пропорционального биениям огибающей суммарного сигнала на входе, происходящим с разностной частотой, т.е. частотой, равной доплеровскому сдвигу. Переменный сигнал (доплеровский сигнал) после усиления в блоке усиления и фильтрации 4 поступает в систему частотной автоподстройки частоты управляемого генератора на первый вход смесителя 5, на второй вход которого поступает выходной сигнал с управляемого генератора 9, на управляющий вход которого поступает постоянное напряжение с выхода частотного дискриминатора 7 через схему управления 8, образованное из переменного профильтрованного выходного сигнала смесителя 5.

Выходной сигнал частотного дискриминатора 7, настроенного на начальную (в отсутствии сигнала управления) частоту управляемого генератора 9, равную f_О, пропорционален отклонению частоты выходного сигнала смесителя 5 от f_О. Связь между f_Д, f_О и f_УГ задается уравнением
f_УГ=f_О+Δf_С (f_О-f_СМ)=f_О+Δf_С [f_О-(f_Д+f_УГ)],
откуда получим
f_УГ(1+Δf_С)=f_О+Δf_С•f_О-Δf_С•f_Д
и

Выходной сигнал частотного дискриминатора 7, который идет к потребителю схемы управления 8, равен:

Здесь f_О - начальная частота управляемого генератора;
f_УГ - текущая частота управляемого генератора;
f_Д - частота доплеровского сигнала,
f_СМ - частота сигнала на выходе смесителя 5,

Δf_С - величина, характеризующая систему автоподстройки частоты, равная изменению частоты управляемого генератора при отклонении f_СМ от f_О на 1 Гц.

Отсюда видно, что действительно в данной аппаратуре вырабатывается сигнал, пропорциональный скорости движения в случае приема сигнала.

В случае потери сигнала, а это происходит при ровной (без волн) поверхности воды, сигнал отражается зеркально и не попадает на приемоизлучающую антенну. В этом случае схема управления запоминает последнее значение U_ВЫХ и передает его потребителю, а сама начинает поиск сигнала до его "захвата". При изменениях скорости движения в это время подобная работа приводит к появлению погрешности измерения. Кроме того, у фильтра 6, стоящего на выходе смесителя 5 и обеспечивающего подавление спектра помех, полоса пропускания постоянна и на малых скоростях движения становится во много раз больше спектра полезного сигнала, что увеличивает погрешности при движении с малой скоростью.

Недостатком прототипа является малая точность определения скорости ДДС в условиях НТС.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности определения скорости ДДС в условиях НТС с его относительно малыми скоростями движения, частыми остановками, реверсами движения и тяжелой виброобстановкой.

Сущность изобретения заключается в том, что ДДС, содержащий приемо-излучающую антенну, генератор излучения, блок питания, блок усиления и фильтрации и смеситель, причем выход блока питания по напряжению питания соединен с контактом высокого напряжения генератора излучения, а нулевой провод - с общей шиной ДДС, выход блока усиления и фильтрации соединен с первым входом смесителя, а для повышения точности определения скорости за счет уменьшения вибропомех, уменьшения погрешности при поиске сигнала, уменьшения погрешностей в диапазоне скоростей движения, уменьшения погрешностей при попадании в луч движущихся рассеивателей, уменьшения числа случаев поиска сигнала в него введены нагрузочное сопротивление, механический датчик скорости (МДС), последовательно соединенные преобразователь частоты в код периода, масштабирующее устройство, первый усреднитель, ключевое устройство, арифметическое устройство, преобразователь кода периода в частоту, а также формирователь поправки, два формирователя сигналов сравнения, два формирователя сравниваемых сигналов и устройство сравнения параметров, при этом вход-выход приемоизлучающей антенны соединен с выходом генератора излучения, контакт нулевого потенциала которого соединен с общей шиной через сопротивление нагрузки, и с входом блока усиления и фильтрации, выход механического датчика скорости соединен с входом преобразователя частоты в период, выход преобразователя периода в частоту соединен со вторым входом смесителя и является выходом устройства, а выход смесителя соединен с входом формирователя поправки, выход которого соединен со вторым входом арифметического устройства, входы первого и второго формирователей о пороговой скорости соединены с выходами преобразователя частоты в код периода и арифметического устройства соответственно, а их выходы - с первыми входами схем "ИЛИ" и "И" соответственно, выход схемы "И" соединен с вторым входом схемы "ИЛИ", выход которой соединен со вторым входом схемы "ИЛИ" и управляющим входом блока питания, вход второго усреднителя соединен с выходом арифметического устройства, выход первого усреднителя - с первым входом блока сравнения, второй вход которого и второй вход ключевого устройства соединены с выходом второго усреднителя, управляющий вход - со вторым выходом второго формирователя сигнала о пороговой скорости, а выход блока сравнения - с управляющим входом ключевого устройства, входы формирователей сравниваемых сигналов соединены с выходом МДС и выходом преобразователя кода периода в частоту соответственно, а выходы - с первым и вторым входами устройства сравнения параметров, выход которого соединен с управляющим входом масштабирующего устройства.

Содержание заявки поясняется графическими материалами, где на фиг.1 приведена блок-схема ДДС-прототипа, а на фиг.2 - блок-схема комплексированного доплеровского модуля наземного транспортного средства (КДМ НТС).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с указанным выше техническим результатом, заключаются в следующем.

Заявляемое устройство - КДМ НТС (фиг.2) содержит приемоизлучающую антенну 1, генератор излучения 2, блок питания 3, блок усиления и фильтрации 4 и смеситель 5, при этом выход блока питания 3 по напряжению питания соединен с контактом высокого напряжения генератора излучения 2, а нулевой провод соединен с общей шиной КДМ НТС, выход блока усиления и фильтрации 4 соединен с первым входом смесителя 5, а для повышения точности определения скорости в него введены нагрузочное сопротивление R_Н 6, механический датчик скорости 7, последовательно соединенные преобразователь частоты в код периода 8, масштабирующее устройство 9, первый усреднитель 10, ключевое устройство 11, арифметическое устройство 12, преобразователь кода периода в частоту 13, а также формирователь поправки 14, два формирователя сигналов о пороговой скорости 15, 16, схема "ИЛИ" 17, схема "И" 18, второй усреднитель 19, блок сравнения 20, два формирователя сравниваемых сигналов 21, 22, устройство сравнения параметров 23, при этом вход-выход приемоизлучающей антенны 1 соединен с выходом генератора излучения 2, контакт нулевого потенциала которого соединен с общей шиной КДМ НТС через нагрузочное сопротивление R_H 6 и с входом блока усиления и фильтрации 4, выход механического датчика скорости 7 соединен с входом преобразователя частоты в код периода 8, выход преобразователя кода периода в частоту 13 является выходом КДМ НТС и соединен со вторым входом смесителя 5, выход которого соединен с входом формирователя поправки 14, а выход последнего - со вторым входом арифметического устройства 12, входы первого и второго формирователей сигналов о пороговой скорости 15, 16 соединены с выходами преобразователя частоты в код периода 8 и арифметического устройства 12 соответственно, а их выходы по V≥0 и соединены с первыми входами схем "ИЛИ" 17 и "И" 18 соответственно, выход последней соединен со вторым входом схемы "ИЛИ" 17, выход которой соединен со вторым входом схемы "И" 18 и управляющим входом блока питания 3, вход второго усреднителя 19 соединен с выходом арифметического устройства 12, выход первого усреднителя 10 - с первым входом блока сравнения 20, второй вход которого и второй вход ключевого устройства 11 соединены с выходом второго усреднителя 19, управляющий вход блока сравнения 20 - с вторым выходом формирователя сигнала о пороговой скорости 16, а выход - с управляющим входом ключевого устройства 11, входы формирователей сравниваемых сигналов 21, 22 соединены с выходами механического датчика скорости 7 и преобразователя кода периода в частоту 13 соответственно, выходы - с соответствующими входами устройства сравнения параметров 23, выход которого соединен с управляющим входом масштабирующего устройства 9.

При трогании НТС с места сигнал механического датчика скорости 7 через преобразователь частоты в код периода 8 поступает на формирователь сигнала о пороговой скорости 15, на выходе которого появляется сигнал V≥0 (движение, ход). Этот сигнал через схему "ИЛИ" 17 поступает на второй вход схемы "И" 18 и на управляющий вход блока питания 3. В ответ на это блок питания 3 подает напряжение на генератор излучения 2, излучаемый сигнал которого начнет излучаться по направлению к поверхности земли, отражаться от нее и поступать снова в антенну, из которой он по одному и тому же с излучаемым сигналом волноводу поступает в резонаторную камеру генератора излучения 2. В результате сложения генерируемого и принятого сигналов в резонаторе образуется суммарный сигнал. В первом приближении у этого сигнала имеют место биения амплитуды, совершаемые с разностной частотой, в данном случае с частотой доплеровского сдвига. Поскольку в резонаторе появляется сигнал с биениями, то это приводит к небольшим колебаниям проходящего через генератор тока от блока питания 3. Обусловлено это тем, что амплитуда генерируемого сигнала на своем уровне ограничивается нелинейностями вольт-амперной характеристики активного элемента. Появление биений приводит к колебаниям рабочего тока. При проходе этого тока через сопротивление нагрузки 6 R_H на нем выделяется падение напряжения, переменная часть которого поступает в блок усиления и фильтрации 4. После усиления, фильтрации и преобразования в импульсы типа "меандр" этот сигнал поступает на первый вход смесителя 5, на втором входе которого присутствует сигнал, полученный от механического датчика скорости 7 после его перевода в код периода, масштабирования (приведения периода номинально к величине периода сигнала с блока усиления и фильтрации 4), усреднения и обратного преобразования в частоту. С этого момента смеситель 5 вырабатывает сигнал о фазовой расстройке обоих сигналов, этот сигнал в формирователе поправки 14 преобразуется в поправку, прибавляемую к периоду, подаваемому на вход арифметического устройства 12. При нахождении частоты механического датчика скорости 7 в пределах зоны подстройки (слежения) произойдет "захват" сигнала и на выходе преобразователя кода периода в частоту 13 образуется импульсный сигнал, частота которого изменяется синхронно с изменениями частоты сигнала блока усиления и фильтрации 4. После выработки усреднителем 19 усредненного значения выходного периода блок сравнения 20 сравнивает его с периодом механического датчика скорости Т_М и в случае их расхождения не более заданной величины и при V>15 км/ч переводит систему реализованной таким образом фазовой автоподстройки частоты (СФАПЧ) на автономный режим работы, т.е. на вход арифметического устройства 12 будет подаваться усредненный период выходного сигнала на , а . Одновременно начинается накопление выходных импульсов формирователем сравниваемых сигналов 21 и 22 для вычисления текущего отношения f_М и f_Д (частот МДС и ДДС), которое будет введено в масштабирующее устройство 9 вместо устанавливаемого там при включении номинального значения. В этом состоянии комплексированный доплеровский модуль наземного транспортного средства работает в нормальных дорожных условиях. При этом юз не выключает излучения, т.к. выходной сигнал формирователя сигнала о пороговой скорости 16, работающего от автономной СФАПЧ, не дает этому произойти пока с нее не будет получен сигнал V<5 км/ч.

Пробуксовка двигателей не влияет на показания КДМ НТС, т.к. формирователь сигнала о пороговой скорости 16 показывает, что V<15 км/ч, а при сигнале формирователя поправки 16 V>15 км/ч блок сравнения 20 обнаруживает выход среднего выходного сигнала за допуск, задаваемый с механического датчика скорости (МДС), но при этом он уже обусловлен попаданием движущихся рассеивателей (движущееся транспортное средство, выбросы грунта и т.п из-под двигателей) в луч. При обнаружении этого система переводится в начальное положение, т.е. в режим начала захвата, когда на выход идет сигнал подкалиброванного механического датчика скорости, такая конструкция КДМ НТС использует генератор излучения 2 в автодинном режиме работы, когда генераторный элемент является одновременно и детектором, что увеличивает виброустойчивость конструкции. Цифровая техника, на которой можно реализовать СФАПЧ КДМ НТС, обеспечивает на любой скорости одинаковые поправки, что обеспечивает ее малые погрешности. Юз и пробуксовка не приводят к нарушению работоспособности КДМ НТС, а при остановках система не выходит из зоны слежения.

Все это позволяет сделать вывод о достижении поставленной цели и применимости КДМ на НТС.

Источники информации
1. Судовые измерители скорости (справочник). - Л. : Судостроение, 1978.

2. Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные допплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов. - М.: Советское радио, 1975.

3. Флеров А.Г., Тимофеев В.Т. Доплеровские устройства и системы навигации. - М.: Транспорт, 1987.

Изобретение относится к области навигации наземных транспортных средств. Изобретение представляет собой однолучевой доплеровский датчик, в котором в качестве управляемого генератора в системе слежения за частотой доплеровского сигнала использован механический датчик скорости с фазовой и частотной подстройкой его частоты по доплеровскому сигналу и с защитой от юза и пробуксовки. Достигаемым техническим результатом является устранение погрешности из-за потери и поиска сигнала. 2 ил.

Комплексированный доплеровский модуль наземного транспортного средства (КДМ НТС), содержащий приемоизлучающую антенну, генератор излучения, блок питания, блок усиления, фильтрации и преобразования в импульсы типа "меандр" и смеситель, при этом выход блока питания по напряжению питания соединен с контактом высокого напряжения генератора излучения, а нулевой провод соединен с общей шиной всего комплексированного доплеровского модуля наземного транспортного средства, выход блока усиления, фильтрации и преобразования в импульсы типа "меандр" соединен с первым входом смесителя, отличающийся тем, что в него введены нагрузочное сопротивление R_Н, механический датчик скорости, последовательно соединенные преобразователь частоты в код периода, масштабирующее устройство, первый усреднитель, ключевое устройство, арифметическое устройство и преобразователь кода периода в частоту, а также формирователь поправки, два формирователя сигналов о пороговой скорости, схема ИЛИ, схема И, второй усреднитель, блок сравнения, два формирователя сравниваемых сигналов, устройство сравнения параметров, при этом вход-выход приемоизлучающей антенны соединен с выходом генератора излучения, контакт нулевого потенциала которого соединен с общей шиной комплексированного доплеровского модуля наземного транспортного средства через нагрузочное сопротивление R_Н и с входом блока усиления, фильтрации и преобразования в импульсы типа "меандр", выход механического датчика скорости соединен с входом преобразователя частоты в код периода, выход преобразователя кода периода в частоту является выходом комплексированного доплеровского модуля наземного транспортного средства и соединен со вторым входом смесителя, а выход смесителя соединен с входом формирователя поправки, выход которого соединен со вторым входом арифметического устройства, входы первого и второго формирователей сигналов о пороговой скорости соединены с выходами преобразователя частоты в код периода и арифметического устройства соответственно, а их выходы V≥0 и соединены с первыми входами схем ИЛИ и И соответственно, выход схемы И соединен со вторым входом схемы ИЛИ, выход которой соединен с вторым входом схемы И и управляющим входом блока питания, вход второго усреднителя соединен с выходом арифметического устройства, выход первого усреднителя - с первым входом блока сравнения, второй вход которого и второй вход ключевого устройства соединены с выходом второго усреднителя, управляющий вход блока сравнения соединен со вторым выходом второго формирователя сигнала о пороговой скорости, а выход - с управляющим входом ключевого устройства, входы первого и второго формирователей сравниваемых сигналов соединены с выходами механического датчика скорости и преобразователя кода периода в частоту соответственно, а выходы - с соответствующими входами устройства сравнения параметров, выход которого соединен с управляющим входом масштабирующего устройства.