ЗАПРОСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2011 года по МПК G01S13/78 G01S13/93 

Изобретение относится к радиолокационной технике и может использоваться для обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов, для контроля за сближением и стыковкой космических аппаратов (КА).

Известны способы и системы измерения радиальной скорости подвижных объектов (авт. свид. СССР №№293.175, 926.611, 1.300.531; патенты РФ №№2.111.505, 2.124.760, 2.126.797, 2.131.622, 2.134.910, 2.150.752, 2.309.431; патенты США №№3.714.654, 4.400.780, 4.825.213, 4.495.580; патент Великобритании №2.232.316; патент Франции №2.037.222; патент Германии №1.917.140; патенты ЕР №№0.283.723, 0.707.220; 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 №2.309.431 G01S 13/78, 2006), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известный 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 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.

Однако у взаимодействующих объектов отсутствуют идентификационные номера, что снижает эффективность их взаимодействия.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и системы путем присвоения объектам идентификационных номеров.

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, перемножают его с напряжением третьей промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым корреляционную функцию R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением задержки τ поддерживают корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ₃ между запросным и ретранслированным сигналами и по ее значению определяют расстояние между объектами, отличается от ближайшего аналога тем, что напряжение второй промежуточной частоты ω_пр2 перед усилением его по мощности манипулируют по фазе на 180° модулирующим кодом, соответствующим идентификационному номеру объекта, формируя тем самым сложный сигнал с двойной фазовой манипуляцией, напряжение третьей промежуточной частоты ω_пр3±Ωq перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на частоте ω_с, прошедшим через блок регулируемой задержки, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на доплеровской частоте, перемножают его с гармоническим напряжением доплеровской частоты ±Ωq, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное идентификационному номеру другого объекта, регистрируют и анализируют его.

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, первый 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 усилителя третьей промежуточной частоты первый перемножитель, второй вход которого через блок регулируемой задержки соединен с выходом первого фазового манипулятора, первый фильтр нижних частот и экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым вводом блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, и ретранслятор, включающий последовательно включенные четвертый усилитель мощности, второй дуплексер, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной, третий усилитель мощности, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, и усилитель второй промежуточной частоты, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена в блоке запроса вторым и третьим перемножителями, полосовым фильтром, вторым фильтром нижних частот и блоком регистрации, причем к выходу усилителя третьей промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока регулируемой задержки, полосовой фильтр, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, второй фильтр нижних частот и блок регистрации, на ретрансляторе система снабжена генератором модулирующего кода и вторым фазовым манипулятором, причем к выходу усилителя второй промежуточной частоты подключен второй фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, а выход подключен к входу четвертого усилителя мощности.

Система, реализующая предлагаемый способ, содержит два объекта. Структурная схема первого объекта (блока запроса) представлена на фиг.1. Структурная схема второго объекта (ретранслятора) представлена на фиг.2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.3.

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, перемножитель 21, фильтр 22 нижних частот, экстремальный регулятор 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, экстремальный регулятор 23 и блок 24 регулируемой задержки образуют коррелятор 20.

К выходу усилителя 13 третьей промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель 35, второй вход которого соединен с первым выходом блока 24 регулируемой задержки, полосовой фильтр 36, третий перемножитель 37, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 18, второй фильтр 38 нижних частот и блок 39 регистрации.

Второй объект (ретранслятор) содержит последовательно включенные четвертый усилитель 32 мощности, второй дуплексер 27, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной 26, третий усилитель 28 мощности, третий смеситель 30, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 29, усилитель 31 второй промежуточной частоты и второй фазовый манипулятор 34, второй вход которого соединен с выходом генератора 33 модулирующего кода, а выход подключен к входу четвертого усилителя 32 мощности. 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_с·t+φ_с), 0≤t≤T_c,

где V_c, ω_с, φ_с, T_с - 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 регистра 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_с·t+φ_к(t)+φ_c], 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_к(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 Т_с(Т_с=τ₃·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_пр1(t)=V_пр1·cos[ω_пр1·t+φ_к(t)+φ_пр1], 0≤t≤T_c,

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_c+φ_г1,

которое после усиления в первом усилителе 7 мощности через дуплексер 8 поступает в приемопередающую антенну 9, излучается ею в эфир на частоте ω_1, 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_пр2(t)=V_пр2·cos[ω_пр2·t+φ_к(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c,

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 поступает на первый вход второго фазового манипулятора 34, а на второй вход фазового манипулятора 34 подается модулирующий код M₁(t) с выхода генератора 33 модулирующего кода. Модулирующий код M₁(t) является идентификационным номером объекта. На выходе фазового манипулятора 34 формируется сложный сигнал с двойной фазовой манипуляцией:

U'_пр2(t)=V_пр2·cos[ω_пр2·t+φ_к(t)+φ_к1(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c,

где φ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который после усиления в четвертом усилителе 32 мощности через дуплексер 27 поступает в приемопередающую антенну 26 и излучается ею в эфир на частотах 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_пр3(t)=V_пр3·cos[(ω_пр3·±Ω_д)(t-τ₃)-φ_k(t-τ₃)-φ_k1(t-τ_3/2)+φ_пр3], 0≤t≤T_c,

где V_пр3=¹/₂K₁·V_пр2·V_г2;

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

φ_пр3=φ_г2-φ_пр2;

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

R - расстояние между объектами;

C - 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)=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_к(t-τ₃)={0, 2π},

2φ_к1(t-τ_3/2)={0,2π}.

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

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

которое выделяется узкополосным фильтром 16 и поступает на первый вход четвертого смесителя 17. 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-ω_пр3·τ₃,

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) с выхода усилителя 13 поступает на вход первого перемножителя 21, на второй вход которого подается сложный ФМн-сигнал U'₁(t) с выхода фазового манипулятора 3 через блок 24 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 21 напряжение пропускается через фильтр 22 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ). Экстремальный регулятор 23, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 22 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 24 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ₃·(τ=τ₃), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Указатель 25 дальности, связанный со шкалой блока 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.

Одновременно напряжение U_пр3(t) третьей промежуточной частоты с выхода усилителя 13 поступает на первый вход второго перемножителя 35, на второй вход которого подается напряжение:

U₅(t)=V_c·cos[ω_c(t-τ₃)+φ_к(t-τ₃)+φ_с],

с первого выхода блока 24 регулируемой задержки. На выходе перемножителя 35 образуется напряжение:

U₆(t)=V₆·cos[±Ω(t-τ₃)+φ_к1(t-τ_3/2)+φ₄], 0≤t≤T_c,

где U₆=¹/₂K₂·V_пр3·V_с,

которое представляет собой ФМн-сигнал на доплеровской частоте, выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на первый вход перемножителя 37. На второй ход последнего подается напряжение U₄(t) с выхода узкополосного фильтра 18. На выходе перемножителя 37 образуется низкочастотное напряжение:

U_н(t)=V_н·cosφ_к1(t-τ_3/2)+φ₄], 0≤t≤T_c,

где V_н=¹/₂K₂·V₄·V₆,

пропорциональное идентификационному номеру объекта, которое выделяется фильтром 38 нижних частот и регистрируется блоком 39 регистрации.

Таким образом, предлагаемые способ и система по сравнению с прототипами обеспечивают определение идентификационных номеров взаимодействующих объектов, что повышает эффективность их взаимодействия.

Тем самым функциональные возможности способа и системы расширены.

Предлагаемый способ относится к радиолокационной технике и может использоваться для обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов, для контроля за сближением и стыковкой космических аппаратов (КА). Достигаемый технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем присвоения объектам идентификационных номеров. Указанный результат достигается путем формирования сложного сигнала с двойной фазовой манипуляцией, соответствующей обработки сигнала и выделения низкочастотного напряжения, пропорционального идентификационному номеру объекта. 3 ил.

Запросный способ определения 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_c+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_пp2=ω_пp1-ω_г3=ω₂, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте ω₂=ω_пр2, 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±Ωg, сравнивают его по частоте с запросным сигналом на частоте ω_с, выделяют доплеровскую частоту ±Ωg 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, перемножают его с напряжением третьей промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым корреляционную функцию R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением задержки τ поддерживают корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ₃ между запросным и ретранслированным сигналами и по ее значению определяют расстояние между объектами, отличающийся тем, что напряжение второй промежуточной частоты ω_пр3 перед усилением его по мощности манипулируют по фазе на 180° модулирующим кодом, соответствующим идентификационному номеру объекта, формируют тем самым сложный сигнал с двойной фазовой манипуляцией, напряжение третьей промежуточной частоты ω_пр3±Ωg перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на частоте ω_с, прошедшим через блок регулируемой задержки, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на доплеровской частоте, перемножают его с гармоническим напряжением доплеровской частоты ±Ωg, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное идентификационному номеру другого объекта, регистрируют и анализируют его.