ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2006 года по МПК G01S3/46 

Предлагаемый пеленгатор относится к области радионавигации и может быть использован для определения угловых координат источника излучения фазоманипулированного (ФМн) сигнала. Известны устройства для пеленгации источников излучения сигналов (авт. свид. СССР №№558584, 1555695, 1591664, 1591665, 1602203, 1679872, 1730924, 1746807, 1832947; патенты РФ №№2006872, 2012010, 2010258, 2165628, 2189609; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. радио, 1979 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Пеленгатор" (патент РФ №2012010, G 01 S 3/46, 1990), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный пеленгатор позволяет пеленговать источник излучения ФМн-сигнала только в одной плоскости.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей пеленгатора путем пеленгации источника излучения ФМн-сигнала в двух плоскостях.

Поставленная задача решается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, первый пороговый блок и второй ключ, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, и второй усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные первый ключ и второй фазовый детектор, последовательно подключенные к второму выходу первого гетеродина первый перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, и первый узкополосный фильтр, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты, умножитель частоты на два, второй узкополосный фильтр и первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к управляющему входу первого гетеродина, а также второй и третий пороговые блоки, снабжен третьей приемной антенной, третьим усилителем промежуточной частоты, третьим смесителем, вторым и третьим перемножителями, вторым блоком корреляторов, четвертым пороговым блоком, третьим и четвертым узкополосными фильтрами, третьим и четвертым ключами, третьим фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр, второй ключ и первый ключ, второй вход которого через пороговый второй блок соединен с вторым выходом первого блока корреляторов, к выходу третьей приемной антенны последовательно подключены третий усилитель высокой частоты, третий смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий усилитель промежуточной частоты, второй блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, четвертый пороговый блок, третий ключ, четвертый ключ, второй вход которого через третий пороговый блок соединен с вторым выходом второго блока корреляторов, третий фазовый детектор и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя промежуточной частоты, и четвертый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа, вторые входы второго и третьего фазовых детекторов соединены с выходом первого узкополосного фильтра, в виде геометрического прямого угла, в вершине которого расположена первая приемная антенна.

Структурная схема фазового пеленгатора представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн показано на фиг.2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема, изображена на фиг.3.

Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну А, первый усилитель 1 высокой частоты, первый смеситель 5, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 3, первый усилитель 9 промежуточной частоты, первый блок корреляторов 14, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 10 промежуточной частоты, первый пороговый блок 15, второй ключ 28, первый ключ 16, второй вход которого через второй пороговый блок 21 соединен с вторым выходом первого блока корреляторов 14, и второй фазовый детектор 17, последовательно подключенные к выходу усилителя 9 промежуточной частоты, умножитель 11 частоты на два, второй узкополосный фильтр 12 и первый фазовый детектор 13, выход которого соединен с управляющим входом гетеродина 3, последовательно подключенные второму выходу первого гетеродина 3, первый перемножитель 7, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина 4, и первый узкополосный фильтр 8, выход которого подключен к второму входу фазового детектора 13, последовательно подключенные вторую приемную антенну В, второй усилитель 2 высокой частоты, второй смеситель 6, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 4, второй усилитель 10 промежуточной частоты, второй перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты, и третий узкополосный фильтр 26, выход которого соединен с вторым входов второго ключа 28, последовательно подключенные третью приемную антенну С, третий усилитель 18 высокой частоты, третий смеситель 19, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 4, третий усилитель 20 промежуточной частоты, второй блок корреляторов 24, второй вход которого соединен с первым выходом усилителя 9 промежуточной частоты, четвертый пороговый блок 25, третий ключ 29, четвертый ключ 30, второй вход которого через третий пороговый блок 22 соединен со вторым выходом второго блока корреляторов 24, третий фазовый детектор 31 и блок 32 регистрации, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 17, последовательно подключенные к выходу первого усилителя 9 промежуточной частоты третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя 20 промежуточной частоты, и четвертый узкополосный фильтр 27, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа 29, вторые входы второго 17 и третьего 31 фазовых детекторов соединены с выходом первого узкополосного фильтра 8. Приемные антенны размещены в виде геометрического прямого угла, в вершине которого расположена первая приемная антенна А (фиг.2).

Фазовый пеленгатор работает следующим образом. Принимаемые сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн):

U₁(t)=U_ccos[(ω_с±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₁],

U₂(t)=U_ccos[(ω_с±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₂],

U₃(t)=U_ccos[(ω_с±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ₃], 0≤t≤T_c,

где U_c, ω_c, ϕ₁-ϕ₃, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов;

±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами;

ϕ_k(t)={0, ¶} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, ... ,N-1),

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_c (T_c=Nτ_э),

с выходов приемных антенн А, В и С через усилители 1, 2 и 18 высокой частоты поступают на первые входы смесителей 5, 6 и 19 соответственно.

На вторые входы смесителей 5, 6 и 19 подаются напряжения гетеродинов 3 и 4:

U_г1(t)=U_г1 cos(ω_г1t+ϕ_г1),

U_г2(t)=U_г2 cos(ω_г2t+ϕ_г2),

частоты которых разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

ω_г2-ω_г1=2ω_пр

и выбраны симметричными относительно высокой частоты

ω_с-ω_г1=ω_г2-ω_с=ω_пр.

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обстановки.

На выходах смесителей 5, 6 и 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 9, 10 и 20 выделяются напряжения только промежуточной (разностной) частоты:

U_пр1(t)=U_пр1cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр1],

U_пр2(t)=U_пр2cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр2],

U_пр3(t)=U_пр2cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр3], 0≤t≤T_c,

где U_пр1=1/2k₁U_cU_г1;

U_пр2=1/2k₁U_cU_г2;

k₁ - коэффициент передачи смесителей,

ω_пр=ω_c-ω_г1=ω_г2-ω_с - промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр1=ϕ₁-ϕ_г1; ϕ_пр2=ϕ_г2-ϕ₂; ϕ_пр3=ϕ_г2-ϕ₃.

Напряжения U_г1(t) и U_г2(t) со вторых выходов гетеродинов 3 и 4 подаются на два входа перемножителя 7, на выходе которого образуется напряжение

U_г(t)=U_гcos[(ω_г2-ω_г1)t+ϕ_г]=U_гcos(2ω_прt+ϕ_г),

где U_г=1/2k₂U_г1U_г2;

k₂ - коэффициент передачи перемножителя,

ϕ_г=ϕ_г2-ϕ_г1,

которое выделяется узкополосным фильтром 8.

Напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t), U_пр1(t) и U_пр3(t) с выходов усилителей 9, 10 и 20 промежуточной частоты поступают на входы перемножителей 22 и 23, на выходах которых образуются следующие напряжения:

U₄(t)=U₄ cos[(ω_г2-ω_г1)t+ϕ_г+Δϕ₁],

U₅(t)=U₄ cos[(ω_г2-ω_г1)t+ϕ_г+Δϕ₂],

где U₄=1/2k₂U_пр1U_пр2;

ω_г2-ω_г1=2ω_пр;

Δϕ₁=ϕ₂-ϕ₁=2cosα_и

Δϕ₂=ϕ₃-ϕ₁=2cosβ_и

d₁, d₂ - измерительные базы;

λ- длина волны;

α_и, β_и - истинные угловые координаты (азимут и угол места) источника излучения сигналов, которые выделяются узкополосными фильтрами 26 и 27 соответственно.

Напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t), U_пр1(t) и U_пр3(t) одновременно поступают на два входа блоков корреляторов 14 и 24 соответственно, на первых выходах которых образуются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₁(τ) и R₂(τ). Указанные напряжения поступают на входы пороговых блоков 15 и 25, где сравниваются с пороговым напряжением U_пор1.

Так как канальные напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t), U_пр1(t) и U_пр3(t) образуются одним и тем же ФМн-сигналом, принимаемым по основному каналу на несущей частоте ω_с, но между ними существует сильная корреляционная связь. Выходные напряжения достигают максимального значения и превышают пороговый уровень U_пор1, в пороговых блоках 15 и 25.

При превышении порогового напряжения U_пор1 в пороговых блоках 15 и 25 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 28 и 29, открывая их. В исходном состоянии ключи 16, 28, 29 и 30 всегда закрыты.

На вторых выходах блоков 14 и 24 корреляторов формируются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₃(τ) и R₄(τ). Указанные напряжения достигают максимального значения только при истинных значениях угловых координат α_и и β_и. И только при этих значениях в пороговых блоках 21 и 22 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 16 и 30, открывая их.

При этом напряжении U₄(t) и U₅(t) с выходов узкополосных 26 и 27 через открытые ключи 28 и 16, 29 и 30 поступают на первые входы фазовых детекторов 17 и 31 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение U_г(t) с выхода узкополосного фильтра 8. На выходах фазовых 17 и 31 образуются низкочастотные напряжения:

U_Н1(α)=U_HcosΔϕ₁,

U_Н2(α)=U_HcosΔϕ₂,

где U_H=1/2k₃U₄U_г

k₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;

пропорциональные фазовым сдвигам Δϕ и Δϕ₂. Эти напряжения фиксируются блоком 32 регистрации.

Для обеспечения симметричности несущей частоты ω_c относительно частот ω_г1 и ω_г2 гетеродинов 3 и 4 используется система фазовой автоподстройки частоты, состоящая из последовательно подключенных к выходу усилителя 9 промежуточной частоты умножителя 11 частоты на два, узкополосного фильтра 12 и первого фазового детектора 13, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 8, а выход подключен к управляющему входу гетеродина 3.

Преобразованный по частоте ФМн-сигнал U_пр1(t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на вход умножителя 11 частоты на два, в качестве которого может использоваться перемножитель, на два входа которого подается один и тот же преобразованный по частоте ФМн-сигнал U_пр1(t).

На выходе умножителя 11 частоты на два образуется гармоническое напряжение:

U₆(t)=U₆cos[2(ω_пр±Δω)t+2ϕ_пр1],

где U₆=1/2k₂U_пр1 ².

Так как 2ϕ_к(t)={0, 2¶}, то в указанном колебании фазовая манипуляция уже отсутствует. Гармоническое колебание U₆(t) выделяется узкополосным фильтром 12 и поступает на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которого поступает напряжение U_г(t) с выхода узкополосного фильтра 8. Если указанные напряжения отличаются друг от друга по частоте или фазе, то на выходе фазового детектора 13 образуется управляющее напряжение. Причем амплитуда и полярность этого напряжения зависит от степени и направления отклонения несущей частоты ω_с принимаемого ФМн-сигнала относительно частот ω_г1 и ω_г2 гетеродинов 3 и 4. Управляющее напряжение воздействует на гетеродин 3, изменяя его частоту ω_г1 так, чтобы сохранялась симметричность несущей частоты ω_с относительно частот ω_г1 и ω_г2 гетеродинов 3 и 4.

ω_г2-ω_г1=2ω_пр, ω_с-ω_г1=ω_г2-ω_с=ω_пр.

Описанная выше работа фазового пеленгатора соответствует случаю приема полезного сигнала ФМн-сигнала по основному каналу по частоте ω_с (фиг.3).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте ω₃₁ или по второму зеркальному каналу на частоте ω₃₂, то на первых выходах блоков 14 и 24 корреляторов напряжения отсутствуют. Ключи 28 и 29 не открываются, и указанные ложные сигналы (помехи) подавляются.

По аналогичной причине подавляются ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте ω_к1, по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2 или по любому другому дополнительному каналу.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому и второму зеркальным каналам на частотах ω₃₁ и ω₃₂, то на первых выходах блоков 14 и 24 корреляторов образуются напряжения. Однако ключи 28 и 29 в этом случае не открываются. Это объясняется тем, что канальные напряжения образуются разными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных частотах ω₃₁ и ω₃₂. Поэтому между канальными напряжениями существует слабая корреляционная связь. Выходные напряжения блоков 14 и 24 корреляторов не достигают максимального значения и не превышают порогового напряжения U_пор1 в пороговых блоках 15 и 25. Ключи 28 и 29 не открываются, и указанные ложные сигналы (помехи) подавляются.

По аналогичной причине подавляются и все другие ложные сигналы (помехи), одновременно принимаемые по двум или более другим дополнительным каналам.

Фазовый пеленгатор инвариантен к виду модуляции и нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов. Пеленгация источника излучения ФМн-сигналов осуществляется на стабильной частоте, равной разности частот гетеродинов ω_г2-ω_г1. Фазовый пеленгатор обеспечивает повышение помехоустойчивости приема ФМн-сигналов. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Причем для подавления указанных сигналов используется корреляционная обработка принимаемых ФМн-сигналов, корреляционная функция которых обладает замечательным свойством. За счет корреляционной обработки принимаемых ФМн-сигналов устраняется и неоднозначность фазовых измерений.

Таким образом, предлагаемый фазовый пеленгатор по сравнению с прототипом обеспечивает пеленгацию ФМн-сигналов в двух плоскостях.

Повышение точности пеленгации достигается увеличением измерительных баз d₁ и d₂, а возникающая при этом неоднозначность устраняется корреляционной обработкой принимаемых ФМн-сигналов. Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, также обеспечивается корреляционной обработкой. При этом следует отметить, что корреляционная функция ФМн-сигналов обладает замечательным свойством: она имеет малый уровень боковых лепестков и сравнительно высокий уровень главного лепестка.

Расположение приемных антенн в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещается антенна, общая для азимутальной и угломестной плоскости, по сравнению с расположением приемных антенн в виде классического геометрического креста обеспечивает сокращение количества приемных антенн и каналов и продиктовано самой идеологией пеленгации.

Ширина спектра Δϕ_c принимаемых ФМн-сигналов определяется длительностью τ_э элементарных посылок (Δf_c=1/τ_э), тогда как ширина спектра Δf_г гармонических колебаний U₄(t) и U_г(t) определяется их длительностью Т_с (Δf_г=1/Т_с), т.е. спектр входных ФМн-сигналов сворачивается в N раз (Δf_c/Δf_г=N). Это дает возможность с помощью узкополосных фильтров 26 и 27 выделять гармонические колебания, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность фазового пеленгатора при пеленгации источника излучения ФМн-сигналов.

Тем самым функциональные возможности пеленгатора расширены.

Предлагаемый пеленгатор относится к области радионавигации и может быть использован для определения угловых координат источника излучения фазоманипулированного (ФМн) сигнала. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пеленгатора путем пеленгации источника излучения ФМн-сигнала в двух плоскостях. Фазовый пеленгатор содержит первую А, вторую В и третью С приемные антенны, первый (1), второй (2) и третий (18) усилители высокой частоты, первый (3) и второй (4) гетеродины, первый (5), второй (6) и третий (19) смесители, первый (7), второй (22) и третий (23) перемножители, первый (8), второй (12), третий (26) и четвертый (27) узкополосные фильтры, первый (9), второй (10) и третий (20) усилители промежуточной частоты, умножитель (11) частоты на два, первый (13), второй (17) и третий (31) фазовые детекторы, первый (14) и второй (24) блоки корреляторов, первый (15), второй (21), третий (22) и четвертый (25) пороговые блоки, первый (16), второй (28), третий (29) и четвертый (30) ключи, блок (32) регистрации. 3 ил.

Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый блок корреляторов, второй вход которого соединен с первым выходом второго усилителя промежуточной частоты, первый пороговый блок и второй ключ, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, и второй усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные первый ключ и второй фазовый детектор, последовательно подключенные к второму выходу первого гетеродина первый перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, и первый узкополосный фильтр, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты умножитель частоты на два, второй узкополосные фильтр и первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к управляющему входу первого гетеродина, а также второй и третий пороговый блоки, отличающийся тем, что он снабжен третьей приемной антенной, третьим усилителем высокой частоты, третьим смесителем, третьим усилителем промежуточной частоты, вторым и третьим перемножителями, вторым блоком корреляторов, четвертым блоком корреляторов, четвертым пороговым блоком, третьим и четвертым узкополосными фильтрами, третьим и четвертыми ключами, третьим фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр, второй ключ и первый ключ, второй вход которого через второй пороговый блок соединен с вторым выходом первого блока корреляторов, к выходу третьей приемной антенны последовательно подключены третий усилитель высокой частоты, третий смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий усилитель промежуточной частоты, второй блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, четвертый пороговый блок, третий ключ, четвертый ключ, второй блок которого через третий пороговый блок соединен с вторым выходом второго блока корреляторов, третий фазовый детектор и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя промежуточной частоты, и четвертый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа, вторые входы второго и третьего ключа, вторые входы второго и третьего фазовых детекторов соединены с выходом первого узкополосного фильтра, приемные антенны размещены в виде геометрического прямого угла, в вершине которого расположена первая приемная антенна.