СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ С ПРОГРАММНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ (ППРЧ) Российский патент 2008 года по МПК G01S1/00 

Область применения

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в разностно-дальномерных и других системах определения местоположения источников, использующих в качестве координатно-информативного параметра взаимную задержку принятых радиоизлучений.

Уровень техники

Известен способ [2, с.48], [3, с.253] измерения взаимной задержки дискретных частотных широкополосных сигналов (ДЧ ШПС или ППРЧ), реализованный в фазовых радионавигационных системах и фазовых методах пеленгования. Погрешность определения навигационного параметра в радионавигационных системах определяется как

где с - скорость света;

Δ_ϕ - погрешность определения разности фаз (набега фазы);

f₀ - несущая частота излучения,

или погрешность измерения взаимной задержки Δ_τ, с учетом Δ_рнп=с·Δ_τ [4, с.234]:

Погрешность определения взаимной задержки обратно пропорциональна несущей частоте сигнала. Однако при фазовом способе измерение разности фаз Δϕ однозначно связано с радионавигационным параметром только в том случае, когда набег фазы между точками приема радиосигнала менее 2π. В частности, в радиопеленгаторах для этого вводится ограничение на базу. При невыполнении этого условия разность фаз Δϕ включает неизвестное число N полных фазовых циклов [4, с.282]. Для одновременного удовлетворения требований по точности и однозначности фазовых измерений требуется применение одного из известных способов устранения неоднозначности измерений [4, с.285], [5, с.19-28]. Наибольшее распространение при этом получил многошкальный способ. Для его реализации необходимо, чтобы сигналы излучались на нескольких частотах, находящихся между собой в определенном целочисленном соотношении. Многошкальный измеритель позволяет получить однозначное измерение в пределах длины волны самой низкой разностной частоты с точностью шкалы на основной частоте. Данный способ с успехом реализуется в радионавигационных системах сверхдлинноволнового и длинноволнового диапазона. Но использовать сигналы с ППРЧ для формирования многошкальных измерений в ОВЧ-диапазоне в условиях априорной параметрической неопределенности вряд ли возможно.

Наиболее близким к изобретению является способ (выбран в качестве прототипа), который предложен в [6].

Его суть заключается в следующем: разделение рабочего диапазона частот на полосы, соответствующие ширине спектра единичных излучений; обнаружение и прием единичных излучений сигналов с ППРЧ в пространственно-разнесенных пунктах приема (ПРПП); вычисление взаимных корреляционных функций (ВКФ) соответствующих радиоимпульсов, принятых в разных ПРПП; определение комплексных взаимных спектров радиоимпульсов и их аргументов; интерполяция взаимного фазового спектра (ВФС) между принятыми радиоимпульсами; оценка взаимной задержки по наклону всего ВФС.

Интерполяция, сопряжение или устранение неоднозначности взаимного фазового спектра обеспечивается путем определения целого числа переходов через 2π между составляющими ВФС.

Многочастотная обработка характеризуется показателем сопряжения ВФС единичных радиоизлучений, принятых на разных частотах.

На частотах f_k и f_i (причем f_k>f_i и Ф_k-i=f_k-f_i) в двух ПРПП приняты два единичных радиоизлучения сигнала с ППРЧ, принадлежащего одному ИРИ S₁(t,f_k), S₁(t,f_i), S₂(t+Δτ,f_k) и S₂(t+Δτ,f_i), где Δτ - их взаимная задержка.

Сигналы ретранслированы на единый пункт обработки, где определены их ВКФ: (Δτ) и B_fi(Δτ), и затем аргументы их комплексных взаимных спектров: (f) и Δϕ_fi(f) (фиг.1). Аргументы комплексных взаимных спектров и есть взаимные фазовые спектры.

ВФС каждого единичного радиоизлучения определяется:

- начальными фазами Δϕ_k и Δϕ_i;

- оценками взаимной задержки Δτ_k и Δτ_i.

Среднее оценок и СКО среднего определяются:

при условии, что ,

Значение взаимной задержки сигналов по двум единичным радиоизлучениям получают, соотнеся приращение фазы ВФС к его ширине, то есть:

где m_k-i - число целых переходов ВФС через 2π между частотами f_k и f_i.

Число целых переходов ВФС через 2π m_k-i определяют как:

где - операция выделения целого числа. СКО числа переходов через 2π определяется:

Вводится доверительный интервал для Δm_k-i/σ_m (Δm_k-i должно быть менее 0,5):

определяется выражение для Ф_k-i, для которого с доверительной вероятностью возможна интерполяция ВФС между радиоимпульсами:

где I_{P дов}(Δm_k-i/σ_m) - значение доверительного интервала Δm_k-i/σ_m при доверительной вероятности P_дов. Индекс МАХ в выражении (10) означает, что это максимальный разнос по частоте между ЕРИ. Интерполяция ВФС возможна при условии Ф_k-i≤Ф_k-iMAX.

Точность оценки взаимной задержки в случае восстановления ВФС между двумя ЕРИ, согласно выражению (5), будет определяться:

Таким образом, в прототипе погрешность взаимной задержки обратно пропорциональна ширине спектра сигнала с ППРЧ.

В качестве недостатка данного способа необходимо отметить, что при отсутствии неоднозначности измерений сигнала с ППРЧ погрешность взаимной задержки зависит от ширины спектра сигнала, а не от его несущей частоты. Сопоставительный анализ аналогов изобретения показывает, что в условиях априорной неопределенности параметров сигнала повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ возможно за счет снятия в прототипе ограничения на зависимость погрешности измерения от ширины спектра сигнала.

Цель изобретения - повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ ОВЧ-диапазона за счет восстановления взаимного фазового спектра до нуля.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан взаимный фазовый спектр ЕРИ на различных частотах;

На фиг.2. показан график восстановления ВФС сигнала с ППРЧ в пределах адресной группы частот Ф_k-i;

На фиг.3. показана зависимость погрешности измерения КИП от ширины адресной группы частот Ф_k-i (q=3, ΔF=25кГц, Т=0,1 с);

На фиг.4. показан перенос восстановленного ВФС сигнала в нулевую область частот;

На фиг.5. показан график восстановление ВФС сигнала до нуля;

На фиг.6. показана зависимость Ф_kMAX от ширины адресной группы частот Ф_k-i восстановленного ВФС для различных соотношений сигнал/шум (ΔF=25 кГц, Т=0,1 с);

На фиг.7 показана блок-схема принципа осуществления способа.

Сущность изобретения

Суть способа измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты ОВЧ-диапазона состоит в том, что используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем на первом этапе - в пределах адресной группы сигнала и определения по нему времени задержки, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала.

На первом этапе выполняется сопряжение взаимного фазового спектра в пределах адресной группы сигнала с использованием аппарата многочастотной обработки.

В результате этой процедуры устраняется неоднозначность количества переходов через 2π в промежутке частот f_k÷f_i (фиг.2). Погрешность измерения времени задержки рассчитывается в соответствии с (11).

График величины σ_Δτ×с для q=3 представлен на фиг.3.

Восстановление ВФС до нуля возможно, если выполняется условие:

Для диапазона ОВЧ (λ=1 м) условие устранения неоднозначности выполняется с некоторым запасом точности измерений. На основании этого возможно устранение неоднозначности количества переходов через 2π ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷f_i. График величины σ_Δτ×с для q=3 представлен на фиг.3.

На втором этапе метода восстановления ВФС измеряем время задержки прихода радиосигналов в соответствии с формулой

Зная, что время задержки связано с ВФС соотношением

рассчитываем ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷(f_i-f_k).

В результате получаем два одинаковых ВФС, восстановленных в диапазоне частот 0÷f_n и f_i÷f_k (фиг.4).

На третьем этапе используем процедуру многочастотной обработки и устраняем неоднозначность переходов через 2π между двумя ранее восстановленными ВФС.

Среднеквадратическое число переходов через 2π определяется:

Введя доверительный интервал для Δm_k/σ_m:

получим выражение, при котором, с доверительной вероятностью , возможна интерполяция между двумя восстановленными ВФС

где I_{P дов}(Δm_k-i/σ_m) - значение доверительного интервала Δm_k-i/σ_m при доверительной вероятности .

Выражение (17) отличается от ранее полученного (11) (прототип) отсутствием множителя , так как сопрягаемые ВФС полностью коррелированы. Восстановление ВФС возможно (фиг.5), если разнос по частоте между ними удовлетворяет условию Ф_k≤Ф_kMAX (фиг.6).

Определение числа переходов через 2π ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷f_i позволяет рассчитать значение взаимной задержки сигналов по формуле (13) с учетом f_k=0, ϕ_k=0:

Погрешность расчета задержки составит:

Таким образом, за счет поэтапного восстановления взаимного фазового спектра на различных частотных участках и одновременного устранения неоднозначности переходов через 2π значение взаимной задержки сигналов обратно пропорционально значению несущей частоты радиосигнала, что приводит к повышению точности измерения взаимной задержки.

Способ может быть осуществлен следующим путем.

Сигналы (см. фиг.6) с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) принимаются на штырьевые антенны (1) в разнесенных пунктах приема (2), далее принятый аналоговый сигнал преобразуется в АЦП (3) в цифровой вид, которые в свою очередь синхронизируются подсистемой единого времени (ПСЕВ) (4).

Оцифрованные сигналы, принятые на разнесенных пунктах приема, подаются по каналу связи (5) в устройство обработки (6).

После предварительной обработки сигналов (фильтрация, преобразование частоты вниз, выделение ЕРИ) производится расчет (7) их корреляционной функции и затем проводится преобразование (8) Фурье.

Затем осуществляется выделение (9) аргумента взаимной спектральной плотности сигнала и построение (10) взаимного фазового спектра ЕРИ. Далее производится сопряжение (11) ВФС ЕРИ в пределах адресной группы частот. После чего выполняют определение (12) по наклону Δτ сопряженного ВФС взаимной задержки принятых сигналов.

Затем производится проверка выполнения условия λ<σ_Δτ·с (13) восстановления ВФС до нуля.

По известной задержке выполняют построение (14) ВФС в промежутке частот от нуля до частоты, соответствующей ширине адресной группы частот.

Далее производят сопряжение (15) (от 0 до f_n) двух восстановленных ВФС.

И в конце выполняют расчет (16) взаимной задержки по наклону Δτ восстановленного ВФС.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985.

2. Принципы и методы радиопеленгования. И.А.Бутченко. ВАС, 1977.

3. Ярлыков М.С.Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985.

4. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов и др. - М.: Высш. шк., 1990.

5. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. Радио,1979.

6. Тимофеев Е.В., Вагин А.И., Бережных Д.Л., Демичев И.В., Шайдулин З.Ф. Содержание и основные показатели многочастотной обработки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты. - Сборник рефератов депонированных рукописей. Выпуск №76. - М.: ЦВНИ МО РФ, 2006.

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в разностно-дальномерных и других системах определения местоположения источников, использующих в качестве координатно-информативного параметра взаимную задержку принятых радиоизлучений. Технический результат: повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ ОВЧ-диапазона за счет восстановления взаимного фазового спектра до нуля. Суть способа измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты ОВЧ-диапазона состоит в том, что используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем на первом этапе - в пределах адресной группы сигнала и определения по нему времени задержки, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала. 7 ил.

Способ измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) в полосе адресной группы сигналов в ОВЧ диапазоне с несущей частотой радиосигнала, заключающийся в том, что разделяют рабочий диапазон ППРЧ сигнала на полосы, соответствующие ширине спектра единичных радиоизлучений (ЕРИ), принимают единичные радиоизлучения сигналов ППРЧ в пространственно-разнесенных пунктах приема, вычисляют взаимные корреляционные функции соответствующих единичных радиоизлучений, принятых в пространственно разнесенных пунктах, определяют комплексные взаимные спектры единичных радиоизлучений и их аргументы, осуществляют интерполяцию взаимного фазового спектра (ВФС) между принятыми единичными радиоизлучениями и измеряют взаимную задержку по наклону ВФС, отличающийся тем, что при измерении взаимной задержки между принятыми ЕРИ используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем восстановление ВФС на первом этапе осуществляют в пределах полосы адресной группы сигнала и по нему определяют время задержки между ЕРИ, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами, и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала.