ЗАПРОСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01S13/78 

Предлагаемые способ и система относятся к радиолокационной технике и могут использоваться для обеспечения безопасности полета летательных аппаратов, для контроля сближения и стыковки космических аппаратов (КА).

Известны способы и системы измерения радиальной скорости подвижных объектов (авт. свид. СССР №№ 293175, 926611, 1300531; патенты РФ №№ 2111505, 2124760, 2126797, 2131622, 2134910, 2150752, 2309431; патенты США №№ 3714654, 4400780, 4825213, 4495580; патент Великобритании № 2232316; патент Франции № 2037222; патент Германии № 1917140; патенты ЕР №№ 0283723, 0707220; Анодина Т.Г. и др. Автоматизация управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1992, с.145-147 и другие).

Из известных способов и систем наиболее близкими к предлагаемым являются «Запросный способ измерения радиальной скорости и система для его осуществления» (патент РФ № 2309431, G01S 13/78, 2006), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Указанный способ основан на излучении запросного сигнала и ретранслировании его. Для выделения доплеровской частоты ретранслированный сигнал сравнивается по частоте с запросным. Развязка запросного и ретранслированного сигналов достигается разносом их по частоте.

Система, реализующая известный способ, состоит из двух объектов, каждый из которых содержит блок запроса и ретранслятор. Один или оба объекта могут быть подвижными.

Для точного измерения дальности до объекта нужно возможно точнее определить временную задержку τ₃ ретранслированного сигнала относительно запросного, соответствующую максимуму корреляционной функции R(τ).

Однако в области максимума корреляционная функция R(τ) имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ (фиг.5, а). Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производной от корреляционной функции dR(τ)/dt (фиг.5, б). В точке τ=0 производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно нулевой точки.

Таким образом, отыскание максимума корреляционной функции R(τ) (максимальный принцип) заменяется минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины τ.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения дальности до объекта путем использования производной корреляционной функции.

Поставленная задача решается тем, что запросный способ измерения радиальной скорости объектов и расстояния между ними, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в использовании двух объектов. Причем каждый объект снабжен блоком запроса и ретранслятором, кроме того, один или оба объекта могут быть подвижными, на каждом объекте запросный сигнал на частоте ω_с манипулируют по фазе на +180° псевдослучайной последовательностью максимальной длительности, формируют тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, преобразуют его по частоте с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω_пр1=ω_с+ω_г1=ω₁ усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте ω₁=ω_пр1, улавливают ретранслятором другого объекта, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г3 третьего гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной частоты

ω_пр2=ω_пр1-ω_г3=ω₂, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте ω₂=ω_пр2, улавливают блоком запроса другого объекта, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 второго гетеродина, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты ω_пр3±Ωq=ω_г2-ω₂, умножают и делят его по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_пр3±Ωq, сравнивают его по частоте с запросным сигналом на частоте ω_с, выделяют доплеровскую частоту ±Ωq и по величине и знаку доплеровской частоты определяют величину и направление радиальной скорости, одновременно сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_с пропускают через блок регулируемой задержки, отличается от ближайшего аналога тем, что напряжение третьей промежуточной частоты ω_пр3±Ωq=ω_г2-ω₂ дифференцируют по времени, перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на частоте ω_c, пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым производную корреляционной функции:

dR(τ)/dt,

где τ - текущая временная задержка,

изменением задержки τ поддерживают производную корреляционную функцию dR(τ)/dt, на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ₃ между запросным и ретранслированным сигналами, соответствующую нулевому значению производной корреляционной функции, и по ее значению определяют расстояние между объектами.

Поставленная задача решается тем, что система для измерения радиальной скорости объектов и расстояния между ними, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, размещенные на каждом объекте блок запроса, включающий последовательно включенные задающий генератор, фазовый манипулятор, второй выход которого соединен с выходом регистра сдвига, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, первый дуплексер, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель третьей промежуточной частоты, удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, четвертый смеситель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и измеритель доплеровской частоты, последовательно подключенные к выходу фазового манипулятора блок регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, перемножитель и фильтр нижних частот, и ретранслятор, включающий последовательно включенные второй дуплексер, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной, третий усилитель мощности, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты и четвертый усилитель мощности, выход которого соединен с входом второго дуплексера, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена дифференциатором и усилителем низкой частоты, причем выход усилителя третьей промежуточной частоты через дифференциатор подключен к второму входу перемножителя, выход фильтра нижних частот через усилитель низкой частоты подключен к второму входу блока регулируемой задержки.

Система, реализующая предлагаемый способ, содержит два объекта. Структурная схема перового объекта (блоки запроса) представлена на фиг.1. Структурная схема второго объекта (ретранслятора) представлена на фиг.2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.3. Корреляционная функция и ее производная показаны на фиг.4.

Первый объект (блок запроса) содержит последовательно включенные задающий генератор 1, фазовый манипулятор 3, второй вход которого соединен с выходом регистра 2 сдвига, первый смеситель 5, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 4, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый усилитель 7 мощности, первый дуплексер 8, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 9, второй усилитель 10 мощности, второй смеситель 12, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 11, усилитель 13 третьей промежуточной частоты, удвоитель 14 фазы, делитель 15 фазы на два, первый узкополосный фильтр 16, четвертый смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, второй узкополосный фильтр 18 и измеритель 19 частоты Доплера, последовательно подключенные к выходу усилителя 13 третьей промежуточной частоты, дифференциатор 33, перемножитель 21, фильтр 22 нижних частот, усилитель низкой частоты 23 и блок 24 регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом фазового манипулятора 3, первый выход соединен со вторым входом перемножителя 21, а второй выход подключен к индикатору 25 дальности. Перемножитель 21, фильтр 22 нижних частот, усилитель 33 низкой частоты и блок 24 регулируемой задержки образуют коррелятор 20.

Второй объект (ретранслятор) содержит последовательно включенные третий гетеродин 29, третий смеситель 30, усилитель 31 второй промежуточной частоты, четвертый усилитель 32 мощности, второй дуплексер 27, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 26, и третий усилитель 28 мощности, выход которого соединен со вторым входом третьего смесителя 30.

Каждый объект снабжен блоком запроса и ретранслятором. Один или оба объекта могут быть подвижными.

Предлагаемый способ реализуется системой, которая работает следующим образом.

На первом объекте с помощью задающего генератора 1 формируется высокочастотное колебание:

U_c(t)=V_c·cos(ω_c·t+φ_c), 0≤t≥T_c,

где V_c, ω_c, φ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 3. На второй вход последнего подается псевдослучайная последовательность (ПСП) M(t) максимальной длительности с выхода регистратора 2 сдвига, охваченного логической обратной связью. Обратная связь осуществляется путем сложения по модулю двух выходных напряжений, двух или более каскадов и подачи результирующего напряжения на вход первого каскада. Период повторения (длительность) такой кодовой последовательности:

m=2ⁿ-1,

где n - число каскадов регистра сдвига.

На выходе фазового манипулятора 3 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн):

U'_c(t)=V_c·cos[ω_c·t+ω_к(t)+φ_с], 0≤t≤T_c,

где φ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с псевдослучайной последовательностью M(t), причем φ(t)=const при k·τ_э<t<(k+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …N);

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

Этот сигнал поступает на первый вход первого смесителя 5, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 4

U_г1(t)=V_г1·cos(ω_г1·t+φ_г1).

На выходе смесителя 5 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 6 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты:

U_npl(t)=V_пр1·cos[ω_пр1·t+φ_к(t)+φ_пр1], 0≤t≤Т_с.

где V_пр1=¹/₂K₁·V_c·V_г1;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1=ω_с+ω_г1=ω₁ - первая промежуточная (суммарная) частота;

φ_пр1=φ_с+φ_г1,

которое после усиления в первом усилителе 7 мощности через дуплексер 8 поступает в приемопередающую антенну 9, излучается ею в эфир на частоте ω₁, улавливается приемопередающей антенной 26 второго объекта и через дуплексер 27 и усилитель 28 мощности поступает на первый вход третьего смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение третьего гетеродина 29:

U_г3(t)=V_г3·cos(ω_г3·t+φ_г3).

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 31 выделяется напряжение второй промежуточной частоты:

U_np2(t)=V_пр2·cos[ω_пр2·t+φ_к(t)+φ_пр2], 0≤t≤Т_с.

где V_пр2=¹/₂K₁·V_пр1·V_г3;

ω_пр2=ω_пр1-ω_г3=ω₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр2=φ_пр1-φ_г3,

которое после усиления в четвертом усилителе 32 мощности через дуплексер 27 поступает в приемопередающую антенну 26, излучается ею в эфир на частоте ω₂, улавливается приемопередающей антенной 9 первого объекта и через дуплексер 8 и усилитель 10 мощности поступает на первый вход второго смесителя 12, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 11:

U_г2(t)=V_г2·cos(ω_г2·t+φ_г2).

На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты:

U_np3(t-τ₃)=V_пр3·cos[(ω_пр3·±Ω_д)(t-τ₃)-φ_k(t-τ₃)+φ_пр3], 0≤t≤T_с.

где V_пр3=¹/₂K₁·V_пр2·V_г2;

ω_пр3=ω_г2-ω_пр2=ω_с - третья промежуточная (разностная) частота;

φ_пр3=φ_г2-φ_пр2;_,

τ₃=2R/C - время запаздывания ретраслированного сигнала относительно запросного;

R - расстояние между объектами;

С - скорость распространения радиоволн;

±Ω_д - доплеровское смещение частоты,

которое поступает на вход удвоителя 14 фазы. В качестве последнего может использоваться перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение.

На выходе удвоителя 14 фазы образуется гармоническое колебание:

U₂(t-τ₃)=V₂·cos[2(ω_пр3·±Ω_д)(t-τ₃)+2φ_пр3], 0≤t≤T_c,

где V₂=¹/₂K₂·V² _пр3;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя,

в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2φ_k(t-τ₃)={0, π}.

Ширина спектра Δf_c сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ₃ его элементарных посылок:

Δf_c=1/τ₃.

Тогда как ширина спектра Δf₂ его второй гармоники определяется длительностью сигнала Т_с:

Δf₂=1/T_c.

Следовательно, при удвоении фазы широкополосного ФМн-сигнала его спектр сворачивается в N раз:

Δf_c/Δf₂=N.

Это колебание поступает на вход делителя 15 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое колебание:

U₃(t-τ₃)=V₃·cos[(ω_пр3·±Ω_д)(t-τ₃)+φ_пр3], 0≤t≤T_c,

которое выделяется узкополосным фильтром 16 и поступает на первый вход четвертого смесителя 17. На второй вход последнего подается запросный сигнал U_c(t) с выхода задающего генератора 1. На выходе смесителя 17 образуются напряжения комбинационных частот. Узкополосным фильтром 18 выделяется напряжение доплеровской частоты:

U₄(t)=V₄·cos(±Ω_д·t+φ₄), 0≤t≤T_c,

где V₄=¹/₂K₁·V_c·V₃,

φ₄=φ_с-φ_пр3, которое поступает на вход измерителя 19 доплеровской частоты, который обеспечивает измерение доплеровской частоты ±Ω_д. Причем величина и знак доплеровской частоты определяют величину и направление радиальной скорости.

Одновременно напряжение третьей промежуточной частоты U_пр3(t-τ₃) поступает на вход дифференциатора 33, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное:

dU_пр3(t-τ₃)/dt.

Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 21, на второй вход которого через блок 24 регулируемой задержки подается сложный ФМн-сигнал U₁(t) с выхода фазового манипулятора 3. Полученное на выходе перемножителя 21 напряжение пропускается через фильтр 22 нижних частот, на выходе которого формируется производная корреляционной функции dR(τ)/dt (фиг.4, б). Если указанная производная не равна нулю, то на выходе фильтра 22 нижних частот формируется постоянное напряжение, амплитуда которого пропорциональна степени отклонения производной корреляционной функции от нулевого значения, а полярность - направлению отклонения. Это напряжение через усилитель 23 низкой частоты воздействует на управляющий вход блока 24 регулируемой задержки, изменяя временную задержку τ так, чтобы производная корреляционной функции была равна нулю. Указатель 25 дальности, связанный с блоком 24 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение расстояния R между объектами:

R=с·τ₃/2.

Следовательно, задача измерения дальности (расстояния) R сводится к измерению временной задержки τ₃ ретранслированного сигнала относительно запросного.

Таким образом, предлагаемые способ и система по сравнению с базовыми объектами обеспечивают повышение точности измерения дальности до объекта. Это достигается использованием производной корреляционной функции, которая позволяет значительно повысить точность и чувствительность измерителя.

На выходе коррелятора формируется знакопеременный сигнал с большой крутизной в области максимума корреляционной функции (минимума ее производной), который используется для автоматического изменения блока регулируемой задержки. Преимуществом такой схемы является относительная простота получения нужного сигнала рассогласования.

Предлагаемые способ и система относятся к радиолокационной технике и могут использоваться для обеспечения безопасности полета летательных аппаратов для контроля сближения и стыковки космических аппаратов (КА). Достигаемый технической результат изобретения - повышение точности измерения дальности до объекта путем использования производной корреляционной функции. Система, реализующая предлагаемый способ, содержит два объекта. Первый объект (блок запроса) содержит задающий генератор, регистр сдвига, фазовый манипулятор, первый и второй гетеродины, первый и второй смесители, усилитель первой промежуточной частоты, первый и второй усилители мощности, первый дуплексер, первую приемопередающую антенну, усилитель третьей промежуточной частоты, удвоитель фазы, делитель фазы на два, два узкополосных фильтра, четвертый смеситель, измеритель доплеровской частоты, коррелятор, индикатор дальности и дифференциатор, определенным образом соединенные между собой, при этом коррелятор выполнен в виде перемножителя, фильтра нижних частот, усилителя низкой частоты, блока регулируемой задержки. Второй объект (ретранслятор) содержит вторую приемопередающую антенну, второй дуплексер, третий и четвертый усилители мощности, третий гетеродин, третий смеситель и усилитель второй промежуточной частоты. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Запросный способ измерения радиальной скорости объектов и расстояния между ними, заключающийся в использовании двух объектов, причем каждый объект снабжен блоком запроса и ретранслятором, кроме того, один или оба объекта могут быть подвижными, на каждом объекте запросный сигнал на частоте ω_с манипулируют по фазе на 180° псевдослучайной последовательностью максимальной длительности, формируют тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, преобразуют его по частоте с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты:
ω_пр1=ω_с+ω_г1=ω₁,
усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте ω₁=ω_пр1, улавливают ретранслятором другого объекта, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г3 третьего гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной частоты:
ω_пр2=ω_пр1-ω_г3=ω₂,
усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте ω₂=ω_пр2, улавливают блоком запроса другого объекта, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 второго гетеродина, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты:
ω_пр3±Ω_д=ω_г2-ω₂,
умножают и делят его по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_пр3±Ω_д и по величине и знаку доплеровской частоты определяют величину и направление радиальной скорости, одновременно сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_с пропускают через блок регулируемой задержки, отличающийся тем, что напряжение третьей промежуточной частоты ω_пр3±Ω_д=ω_г2-ω₂, дифференцируют по времени, перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на частоте ω_с, пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым производную корреляционной функции:
dR(τ)/dt,
где τ - текущая временная задержка,
изменением задержки τ поддерживают производную корреляционной функции dR(τ)/dt на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ₃ между запросным и ретранслированным сигналами, соответствующую нулевому значению производной корреляционной функции, и по ее значению определяют расстояние между объектами.

2. Система для измерения радиальной скорости объектов и расстояния между ними, содержащая размещенные на каждом объекте блок запроса, включающий последовательно включенные задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом регистра сдвига, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, первый дуплексер, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель третьей промежуточной частоты, удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, четвертый смеситель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и измеритель доплеровской частоты, последовательно подключенные к выходу фазового манипулятора, блок регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, перемножитель и фильтр нижних частот, и ретранслятор, включающий последовательно включенные второй дуплексер, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной, третий усилитель мощности, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты и четвертый усилитель мощности, выход которого соединен с входом второго дуплексера, отличающаяся тем, что она снабжена дифференциатором и усилителем низкой частоты, причем выход усилителя третьей промежуточной частоты через дифференциатор подключен к второму входу перемножителя, выход фильтра нижних частот через усилитель низкой частоты подключен к второму входу блока регулируемой задержки.