ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01S3/46 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источников излучения сложных сигналов.

Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.134.429, 2.155.352, 2.175.770, 2.290.658, 2.311.656; патенты Германии №№2.127.087, 2.710.955; патенты Великобритании №№1.395.599, 1.598.325; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. радио, 1979; Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова. - М.: Сов. радио, 1967, с.130-138, и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ №2.290.658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.

Известные технические решения инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, виду их модуляции (манипуляции) и ширине спектра, а точное и однозначное измерение угловой координаты α осуществляется на частоте Ω опорного генератора.

Однако известные технические решения обеспечивают точное и однозначное измерение угловой координаты α (азимут) наземного источника излучения сигнала только в одной горизонтальной (азимутальной) плоскости и не позволят определить угол места β источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.).

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем точного и однозначного определения угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата.

Поставленная задача решается тем, что фазовый способ пеленгации, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на приеме сигналов, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Ω, сигнал, принимаемый антенной, размещенной в центре окружности, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что устанавливают в угломестной плоскости вторую приемную антенну на расстоянии d₂ от первой приемной антенны, принимают на нее сигнал, усиливают и ограничивают его по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй приемными антеннами, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости, указанное напряжение возводят в квадрат, одновременно исходное напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, сдвигают по фазе на 90°, возводят его в квадрат, перемножают с исходным напряжением, пропорциональным разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, с использованием масштабирующего коэффициента, равного трем, и вычитают полученное произведение из исходного напряжения, пропорционального разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

Фазовый пеленгатор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен второй приемной антенной, третьим приемником, третьим перемножителем, третьим полосовым фильтром, четвертым фазовым детектором, двумя квадраторами, вторым фазовращателем на 90°, масштабирующим перемножителем и вычитателем, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, третий полосовой фильтр, четвертый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый квадратор и вычитатель, выход которого соединен с третьим входом индикатора, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, к выходу четвертого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй квадратор и масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, а выход подключен к второму входу вычитателя, вторая приемная антенна установлена в азимутальной плоскости на расстоянии d₂ от первой приемной антенны.

Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый фазовый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1, 21, 2i·(i=1, 2, …, n) и источника радиоизлучений ИРИ показано на фиг.2.

Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, смеситель 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилитель 13 промежуточной частоты, первый перемножитель 14, первый полосовой фильтр 15, линию задержки 16, второй фазовый детектор 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, первый фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5, и индикатор 10. К первому выходу опорного генератора 5 последовательно подключен генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i·(i=1,2, …, n), размещенных по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения со скоростью Ω вокруг первой приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и второй приемник 4, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя 14. К выходу первого полосового фильтра 15 последовательно подключены второй перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора 5, а выход подключен к второму входу индикатора 10.

К выходу второй приемной антенны 21 последовательно подключены третий приемник 22, третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13 промежуточной частоты, третий полосовой фильтр 24, четвертый фазовый детектор 25, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, первый квадратор 26 и вычитатель 30, выход которого подключен к третьему входу индикатора 10, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25. К выходу четвертого фазового детектора 25 последовательно подключен второй фазовращатель 27 на 90°, второй квадратор 28 и масштабирующий перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25, а выход подключен к второму входу вычитателя 30.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн):

U₁(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ₁],

U₂(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ₁+2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)],

U₃(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ₂], 0≤t≤Tc,

где Vc, ωc, φ₁, φ₂, Tc - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов;

±Δω - нестабильность несущей частоты сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;

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

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс·(Тс=N·τэ);

d - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 2.i·(i=1, 2, …, n) (измерительная база);

Ω - скорость электронного вращения приемных антенн 2.i-(i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1;

α - пеленг (азимут) на источник излучения сигнала;

с выходов приемных антенн 1, 2.i·(i=1, 2, …, n) и 21 непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3, 4 и 22, а затем на первые входы смесителя 12, перемножителей 14 и 23 соответственно. На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение:

Uг(t)=Vг·cos(ωг·t+φ_г].

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

Uпр(t)=Vпр·cos[(ωпр±Δω)·t+φk(t)+φпр], 0≤t≤Tc,

где Vпp=¹/₂Vс·Vг;

ωпр=ωс-ωг - промежуточная частота;

φпр=φс-φг,

которое подается на вторые входы перемножителей 14 и 23. На выходе перемножителя 14 образуется фазомодулированное (ФМ) колебание на частоте ωг гетеродина 11:

U₃(t)=V₃·cos[ωг·t+φг+2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Tc,

где V₃=¹/₂Vc·Vпp,

которое выделяется полосовым фильтром 15 и поступает на первые входы фазового детектора 17, линии задержки 16 и перемножителя 18. На второй вход последнего подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение:

U₄(t)=V₄·cos[2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Тс,

где V₄=¹/₂V₃·Vг;

которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20. На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение

U₀(t)=V₀·cosΩ·t.

На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение:

Uн₁(λ)=Vн₁·cosλ,

где Vн₁=¹/₂V₄·V₀,

которое фиксируется индикатором 10.

Так формируется шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости, которая является точной, но неоднозначной шкалой.

Одновременно фазоманипулированное колебание U₃(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии задержки 16 и фазового детектора 17.

В фазоманипулированном напряжении U₃(t) величина m_φ=2π·d/λ, называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы от нулевого значения, происходящего при электронном вращении приемных антенн 2.i·(i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1.

Приемные антенны 2.i·(i=1, 2, …, n) поочередно с частотой Ω коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазным генератором 6 импульсов. Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5:

U₀(t)=V₀·cosΩ·t.

Однако при d/λ>¹/₂ наступает неоднозначность отсчета угла α. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазового пеленгатора. Кроме того, в диапазонах метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения d/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.

В связи с изложенным соображением возникает задача уменьшения индекса фазовой модуляции без уменьшения относительного размера измерительной базы d/λ. Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U₃(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки τ линии задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины:

mφ₁=2π·d₁/λ,

где d₁<d,

при которой справедливо неравенство:

d₁/λ<¹/₂,

обеспечивающее однозначную пеленгацию источника излучения сигнала в азимутальной плоскости. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоничное напряжение:

U₅(t)=V₅·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Tc,

где V₅=¹/₂V₃ ²,

которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение U₀(t). На выходе фазового детектора 9 образуется напряжение:

Uн₂(α)=Vн₂·sinα,

где Vн₂=¹/₂V₅·V₀,

которое фиксируется индикатором 10.

Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости.

На второй вход перемножителя 23 с выхода усилителя 13 промежуточной частоты подается напряжения Uпp(t). На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение на частоте ωг гетеродина 11:

U₆(t)=V₆·cos(ωг·t+φг+Δφ), 0≤t≤Tc,

где V₆=¹/₂Vc·Vпp;

Δφ=φ₂-φ₁=2π·d₂/λ·cosβ,

d₂ - расстояние между приемными антеннами 1 и 21 (измерительная база);

λ - длина волны;

β - угол места источника радиоизлучений ИРИ;

которое выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на первый вход фазового детектора 25, на второй вход которого подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе фазового детектора 25 образуется напряжение

Uн₃(β)=Vн₃·cosΔφ, 0≤t≤Тс,

где V₃=¹/₂V₆·Vг;

Δφ=2π·d₂/λ·cosβ,

которое фиксируется индикатором. 10.

Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

Одновременно напряжение Uн₃(β) с выхода фазового детектора 25 поступает на входы первого квадратора 26 и второго фазовращателя 27 на 90°. На выходе квадратора 26, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение Uн₃(β), формируется следующее напряжение:

U₇(β)=V₇·cos²Δφ,

где V₇=¹/₂Vн₃ ²,

которое поступает на первый вход вычитателя 30.

На выходе второго фазовращателя 27 на 90° образуется напряжение:

U₈(β)=-Vн₃·sinΔφ,

которое поступает на два входа второго квадратора 28. На выходе последнего формируется напряжение:

U₉(β)=V₉·sin²Δφ,

где V₉=¹/₂Vн₃ ².

Это напряжение поступает на первый вход масштабирующего перемножителя 29, на второй вход которого подается напряжение Uн₃(β) с выхода фазового детектора 25. Масштабирующий коэффициент Км масштабирующего перемножителя 29 выбран равным 3 (Км=3). На выходе масштабирующего перемножителя 29 формируется напряжение:

U₁₀(β)=3V₁₀·cosΔφ·sin²Δφ,

где V₁₀=¹/₂Vн₃·V₉,

которое поступает на второй вход вычитателя 30. На выходе последнего формируется напряжение:

U₁₁(β)=V₁₁·cos3Δβ,

где V₁₁=V₇-3V₁₀,

Δφ=2π·d₂/λ·cosβ, 3Δφ=2π·3d₂/λ·cosβ,

которое фиксируется индикатором 10. Это напряжение пропорционально утроенному значению разности фаз между сигналами, принимаемыми двумя приемными антеннами 1 и 21, и соответствует измерительной базе 3d₂.

Так формируется точная, но неоднозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости. Причем между измерительными базами устанавливают следующее неравенство:

.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают точное и однозначное определение угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.). При этом используются две измерительные базы: малая d₂ - грубая, но однозначная, и большая 3d₂ - точная, но неоднозначная, между которыми устанавливают следующее неравенство:

.

Причем точную, но неоднозначную измерительную базу 3d₂ формируют косвенным методом. Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.

Предлагаемые способ и устройство могут быть использованы для определения угловых координат источников излучения сложных сигналов. Достигаемый технической результат изобретения - расширение функциональных возможностей способа и устройства путем точного и однозначного определения угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата. Фазовый пеленгатор, реализующий предлагаемый фазовый способ пеленгации, содержит приемные антенны, три приемника, опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, два фазовращателя на 90°, три фазовых детектора, индикатор, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, три перемножителя, три полосовых фильтра, линию задержки, два квадратора, масштабирующий перемножитель и вычитатель, соединенные между собой определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фазовый способ пеленгации, основанный на приеме сигналов, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Ω, сигнал, принимаемый антенной, размещенной в центре окружности, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличающийся тем, что устанавливают в угломестной плоскости вторую приемную антенну на расстоянии d₂ от первой приемной антенны, принимают на нее сигнал, усиливают и ограничивают его по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй приемными антеннами, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости, указанное напряжение возводят в квадрат, одновременно исходное напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, сдвигают по фазе на 90°, возводят его в квадрат, перемножают с исходным напряжением, пропорциональным разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, с использованием масштабирующего коэффициента, равного трем, и вычитают полученное произведение из исходного напряжения, пропорционального разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, второй степени, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

2. Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора, отличающийся тем, что он снабжен второй приемной антенной, третьим приемником, третьим перемножителем, третьим полосовым фильтром, четвертым фазовым детектором, двумя квадраторами, вторым фазовращателем на 90°, масштабирующим перемножителем и вычитателем, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, третий полосовой фильтр, четвертый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый квадратор и вычитатель, выход которого соединен с третьим входом индикатора, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, к выходу четвертого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй квадратор и масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, а выход подключен к второму входу вычитателя, вторая приемная антенна установлена в азимутальной плоскости на расстоянии d₂ от первой приемной антенны.