СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ОТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ ДО РЕТРАНСЛЯТОРА Российский патент 2016 года по МПК G01S13/32 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, в геодезии, при управлении движением подвижных объектов.

Известны амплитудные способы измерения дальности (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. - М.: воен. издат, 1967). Однако амплитудные способы измерения дальности имеют большую погрешность.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ измерения дальности, описанный в заявке на патент Украины № а201003481 от 25.03.2010, MПK GOlS 13/32.

По этому способу измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора, включающему первичное излучение, первичный прием, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально генерируют два непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами и и через сумматор, через один циркулятор и через одну общую антенну измерительной станции эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных двух высокочастотных колебаний подают на два смесителя, для каждого канала на свой, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания в ретрансляторе первично принимают и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в оба эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала от низкочастотного генератора, причем трансформированные, таким образом, по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти оба вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смесители, где оба вторично принятых высокочастотных колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями, в каждом канале со своим, и на выходах смесителей выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, причем на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой а на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с той же частотой после чего измеряют разность фаз между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими с частотамипри этом расстояние от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света.

Однако указанный способ измерения дальности реализуется с помощью устройства, достаточно сложного в изготовлении. Сложность изготовления обуславливается тем, что в устройстве используются два генератора непрерывных высокочастотных колебаний, два направленных ответвителя, один общий сумматор высокочастотных сигналов, два смесителя и два узкополосных усилителя-ограничителя. Введение этих устройств удорожает конструкцию в целом.

Кроме этого, при измерении дальности по указанному способу возможно появление принципиальной ошибки измерения дальности, связанной с выбором значений частот и Дело в том, что истинное значение дальности можно получить, выбрав значения частот, не много отличающиеся друг от друга. При этом дальность определяют по измеренной разности фаз которая, в свою очередь, зависит не только от дальности D, но и от разницы частот Совершенно очевидно, что чем больше эта разница частот тем больше будет измеренное значение разности фаз и тем точнее будет определено расстояние (дальность) от измерительной станции до ретранслятора. Однако, если разность частот можно увеличивать теоретически сколь угодно много, от нуля до бесконечности, то разность фаз при этом будет увеличиваться от нуля (для случая равенства частот до величины максимум при определенном значении разности частот определяемом дальностью D. Дальнейшее увеличение разности частот приведет к тому, что разность фаз вновь будет изменяться в пределах от нуля до . Другими словами, неправильный выбор значений частот высокочастотных генераторов и (при слишком большой разнице значений этих частот), приведет к неправильному определению расстояния от измерительной станции до ретранслятора. С другой стороны, эту разницу частот необходимо выбирать как можно больше, что позволить вычислить расстояние от измерительной станции до ретранслятора с наибольшей точностью. Но, поскольку это расстояние априори неизвестно, то правильно выбрать значение разницы частот невозможно. При этом дальность будет определяться либо с большой ошибкой, либо будет определяться принципиально неверно.

Целью настоящего изобретения является упрощение возможной конструкции измерителя дальности и увеличение точности измерения дальности. Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора, включающему первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты исходных высокочастотных колебаний, усиление высокочастотных колебаний, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально в измерительной станции и в ретрансляторе двумя генераторами одновременно генерируют непрерывные низкочастотные высокостабильные колебания с максимально близкими частотами одновременно с этим в измерительной станции генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой которые через циркулятор и через антенну измерительной станции первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных высокочастотных колебаний подают на смеситель, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают антенной ретранслятора и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой от низкочастотного высокостабильного генератора ретранслятора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смеситель, где вторично принятые высокочастотные колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний после чего измеряют и фиксируют разность фаз между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой и сигналом местного низкочастотного генератора с максимально близкой частотой после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом изменение разности фаз низкочастотных сигналов с частотами и при достижении величины разности фаз сигналов изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света, при этом значения частот и высокостабильных низкочастотных генераторов выбирают близкими друг относительно друга настолько, насколько допускается изменение разности фаз сигналов, генерируемых этими генераторами за время выполнения всей процедуры измерения дальности или, другими словами, изменение этой разности фаз за все время измерения дальности не должно превышать абсолютной разрешающей способности применяемого измерителя разности фаз.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в повышении точности измерения дальности и предполагает упрощение конструкции устройства, реализующего способ.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в неопределенности выбора значений частот измерение дальности выполняется либо с большой погрешностью, либо полученное значение дальности принципиально неверно. Кроме того, устройство, реализующее способ прототип, достаточно сложно в конструкции и дорого, поскольку требует для своей реализации двух высокочастотных генераторов, двух высокочастотных направленных ответвителей, двух узкополосных усилителей-ограничителей и сумматора высокочастотных сигналов.

Указанный способ измерения дальности можно реализовать с помощью устройства, приведенного на фиг. 1.

Устройство измерения дальности состоит из генератора непрерывных высокочастотных колебаний 1, направленного ответвителя 2, Y-циркулятора измерительной станции 3, антенны измерительной станции 4, смесителя 5, узкополосного усилителя-ограничителя 6, первого высокостабильного низкочастотного генератора 7, измерителя разности фаз 8, антенны ретранслятора 9, Y-циркулятора ретранслятора 10, усилителя высокочастотных колебаний 11, управляемого фазовращателя 12, второго высокостабильного низкочастотного генератора 13.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с входом направленного ответвителя 2, первый выход которого соединен с первым выводом Y-циркулятора измерительной станции 3, второй вывод которого соединен с антенной измерительной станции 4, а третий вывод Y-циркулятора измерительной станции 3 соединен с первым входом смесителя 5, причем второй выход направленного ответвителя 2 соединен со вторым входом смесителя 5, причем выход смесителя 5 соединен с входом узкополосного усилителя-ограничителя 6, причем выход узкополосного усилителя-ограничителя 6 соединен с первым входом измерителя разности фаз 8, причем выход первого высокостабильного низкочастотного генератора 7 соединен со вторым входом измерителя разности фаз 8, при этом антенна ретранслятора 9 соединена с первым выводом Y-циркулятора ретранслятора 10, второй вывод которого соединен с входом усилителя высокочастотных колебаний 11, выход которого соединен с сигнальным входом управляемого фазовращателя 12, вход управления которого соединен с выходом второго высокостабильного низкочастотного генератора 13, при этом выход управляемого фазовращателя соединен с третьим выводом Y-циркулятора ретранслятора 10.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

Высокостабильные низкочастотные первый и второй генераторы одновременно генерируют непрерывные низкочастотные высокостабильные колебания с максимально близкими частотами и Генератор высокочастотных колебаний 1 первоначально генерирует непрерывные высокочастотные колебания с известной частотой начальной фазой и амплитудой

Эти колебания через направленный ответвитель 2 с незначительными потерями энергии подают на Y-циркулятор измерительной станции 3 и далее с помощью антенны измерительной станции 4 излучают в направлении антенны ретранслятора 9. Высокочастотные колебания с частотой при распространении на расстояние D от антенны измерительной станции 3 до антенны ретранслятора 9 получают набег фазы где с - скорость света. Принятые антенной ретранслятора 9 высокочастотные колебания, имеющие некоторое суммарное затухание А (с учетом усиления антенн)

подают на Y-циркулятор ретранслятора 10 и далее на усилитель высокочастотных колебаний 11. Далее усиленные высокочастотные колебания подают на сигнальный вход управляемого фазовращателя 12, где в эти непрерывные высокочастотные колебания под действием сигнала управления от низкочастотного высокостабильного генератора 13 вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. Если за время периода низкочастотного сигнала управления Τ в высокочастотные колебания монотонно вводится фазовый сдвиг то можно говорить, что эти колебания смещают на частоту что можно интерпретировать с доплеровским сдвигом частоты

где - начальная фаза колебаний высокостабильного низкочастотного генератора 13,

А₂ - усиление усилителя 11.

Трансформированные таким образом колебания с частотой переизлучают через антенну ретранслятора 9 в направлении антенны измерительной станции 3.

Усилением антенн измерительной станции 4 и ретранслятора 9, а также усилением усилителя высокочастотных колебаний 11 обеспечивают требуемую энергетику линии связи.

Проходя это же расстояние D между антеннами 9 и 4, трансформированные по частоте высокочастотные колебания получают дополнительный фазовый набег

Частоту F выбирают много меньше fx, поэтому можно говорить, что при этом Результирующий набег фазы при распространении на двойное расстояние D колебаний с частотой будет равен

Принятые вторично антенной измерительной станции 4 трансформированные по частоте непрерывные высокочастотные колебания

через Y-циркулятор измерительной станции 3 подают на первый вход смесителя 5, на второй вход которого подают часть энергии исходных непрерывных высокочастотных колебаний со второго выхода направленного ответвителя 2.

На выходе смесителя 5 присутствуют комбинационные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. С помощью узкополосного усилителя-ограничителя 6 выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности исходных высокочастотных колебаний с частотой и трансформированных по частоте колебаний с частотой причем на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 6 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой

После этого в измерителе разности фаз 8 измеряют разность фаз непрерывных низкочастотных колебаний с очень близкими частотами и и начальными фазами иполучаемых на выходе высокостабильного низкочастотного генератора измерительной станции 7 и на выходе усилителя-ограничителя 6. Если принять, что частоты и соотносятся друг относительно друга как где - разница частот колебаний высокостабильных низкочастотных генераторов 7 и 13, то измеренная разность фаз будет равна

где - разность начальных фаз двух высокостабильных низкочастотных генераторов, одного - измерительной станции, другого - ретранслятора.

Эту разность фаз фиксируют, полагая при этом, что t = 0, т.е. рассматриваем начальный момент времени. Тогда

После этого начинают изменять частоту исходных высокочастотный колебаний, одновременно контролируя изменение измеренной разности фаз и при изменении этой разницы фаз на изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты При этом разность фаз низкочастотных сигналов на входе измерителя разности фаз 8 будет

С другой стороны, если принять во внимание, что то Откуда

где t - время, затраченное на всю процедуру последовательных изменений частоты высокочастотного генератора и измерений разности фаз низкочастотных колебаний.

Если время производства измерений относительно мало и разница частот высокостабильных низкочастотных генераторов также пренебрежительно мала, то членом в приведенной выше формуле можно пренебречь, тогда

Нет необходимости устремлять величину к нулю. Предельное значение этой величины определяется разрешающей способностью измерителя разности фаз. Делать эту величину ниже не имеет смысла. Так, например, если относительная разрешающая способность измерителя разности фаз равна или чуть меньше 0,1% (1024 шагов дискретизации или 10 разрядов двоичного кода), частота высокостабильных низкочастотных генераторов равна 1 кГц, а их точность установки частоты и стабильность равна то допустимое время производства измерений равно 1 с. Это дает При этом на одно измерение разности фаз цифровым методом потребуется 1 мс, т.е. общее число итераций может составлять до 1000. Без особых технических проблем можно повысить стабильность и точность установки частоты низкочастотных генераторов на порядок, увеличив тем самым в десять раз время измерений и число итераций.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с упрощением конструкции измерителя дальности, связанной с исключением второго высокочастотного генератора, второго направленного ответвителя, сумматора высокочастотных сигналов, второго смесителя и второго избирательного усилителя-ограничителя.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности с повышенной точностью, при этом неоднозначность измерений исключается. Повышение точности измерений обуславливается тем, что съем показаний измерителя разности фаз всегда осуществляется на краю шкалы, обеспечивая тем самым минимальную ошибку считывания показаний.

Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора относится к области техники радиотехнический средств измерения расстояний и может быть использован, например, в геодезии, при управлении движением подвижных объектов.

Новым в способе измерения дальности является генерирование двух непрерывных высокостабильных низкочастотных колебаний на измерительной станции и ретрансляторе одновременно и генерирование на измерительной станции высокочастотных колебаний, частота которых известна, излучение этих колебаний через антенну, прием этих колебаний на ретрансляторе, сдвиг на известную низкую частоту, условно называемой частотой Доплера, генерируемой высокостабильным низкочастотным генератором ретранслятора, переизлучение, вторичный прием и выделение комбинационной составляющей с этой частотой Доплера, с последующим измерением разности фаз этой комбинационной составляющей и сигналом местного высокостабильного низкочастотного генератора. После этого изменяют значение частоты высокочастотного генератора и вновь измеряют разность фаз низкочастотных сигналов до тех пор, пока разность фаз низкочастотных сигналов не изменится на 2π. При этом фиксируют новое значение частоты высокочастотного генератора и по полученной разнице частот высокочастотного генератора вычисляют дальность.

Последовательное во времени генерирование непрерывных различных по частоте высокочастотных колебаний с последующим сдвигом этих колебаний на одинаковую частоту Доплера с выделением комбинационных составляющих позволяет упростить конструкцию измерителя за счет исключения из трактов обработки и передачи второго высокочастотного генератора, второго направленного ответвителя, сумматора высокочастотных сигналов, второго смесителя, второго избирательного усилителя-ограничителя. При этом точность фазовых измерений дальности повышается, а неоднозначность измерений исключается.

Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора, включающий первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты исходных высокочастотных колебаний, усиление высокочастотных колебаний, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально в измерительной станции и в ретрансляторе двумя генераторами одновременно генерируют непрерывные низкочастотные высокостабильные колебания с максимально близкими частотами и одновременно с этим в измерительной станции генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой которые через циркулятор и через антенну измерительной станции первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных высокочастотных колебаний подают на смеситель, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают антенной ретранслятора и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой от низкочастотного высокостабильного генератора ретранслятора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смеситель, где вторично принятые высокочастотные колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний после чего измеряют и фиксируют разность фаз между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой и сигналом местного низкочастотного генератора с максимально близкой частотой после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом изменение разности фаз низкочастотных сигналов с частотами и и при достижении величины разности фаз сигналов изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света, при этом значения частот и высокостабильных низкочастотных генераторов выбирают близкими друг относительно друга настолько, насколько допускается изменение разности фаз сигналов, генерируемых этими генераторами за время выполнения всей процедуры измерения дальности или, другими словами, изменение этой разности фаз за все время измерения дальности не должно превышать абсолютной разрешающей способности применяемого измерителя разности фаз.