Доплеровский измеритель скорости и угла сноса с функцией измерения истинной высоты с реализацией собственной чувствительности приёмного устройства Российский патент 2025 года по МПК G06F3/01 G01S13/60 

Изобретение относится к авиационному приборостроению, в том числе к системам, реализующим измерение скорости и высоты с использованием радиоволн, и может быть применено в доплеровских измерителях скорости, угла сноса и высоты, а также в доплеровских каналах радиолокационных систем (РЛС), в которых объединены функции измерения скорости и высоты (расстояния) с помощью одного и того же оборудования, при этом информация о скорости и высоте выделяются из одних и тех же принятых сигналов одновременно.

Известен ДИСС с линейно-частотной модуляцией зондирующих сигналов (патент №RU U1 209855, д.п. 16.09.2021). Устройство обеспечивает уменьшение влияния просочившегося сигнала по средствам использования в ДИСС сигналов с линейно-частотной Модуляцией и разнесением во времени передачу и прием сигналов.,

Недостатками ДИСС с линейно-частотной модуляцией является невозможность измерения предельно малых высот, невозможность одновременного измерения составляющих скорости и высоты, измерение составляющих скорости и высоты выполняются разными антеннами, что приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции, высокие требования к производительности вычислителя.

Известен доплеровский измеритель составляющих вектора скорости (патент № RU С1 2083998, д.п. 10.07.1997 г. ) - прототип.

Сущность изобретения: устройство обеспечивает измерение составляющих вектора скорости от максимальных до нулевых и с переменой знака, измерение высоты от близкой к нулю до максимальной (потолка полета вертолета) и измерение наклона посадочной площадки относительно строительных осей летательного аппарата. В измерителе применены трех-четырехлучевые антенны, СВЧ-ЧМ передатчик, двухканальная радиочастотная головка, двухканальный широкополосный усилитель на частоте модуляции, цифровой узел определения допплеровской частоты и фазы дальности, синтезатор-синхронизатор и ряд других в основном вычислительных узлов.

Недостатки изобретения; влияние просочившегося сигнала на чувствительность ДИСС и, как результат, снижение высотности, как следствие, в данном ДИСС необходимо применять меры для увеличения развязки между приемной и передающей антеннами путем установки перегородок или усложнения конструкции антенн, а также предъявлять высокие требования к фазовым и амплитудным шумам генератора и наличию побочной амплитудной модуляции (ЛАМ), и виброразвязке.

Техническим результатом является улучшение технических характеристик доплеровского измерителя скорости и угла сноса (ДИСС) и его высотности за счет полного исключения влияния составляющей фазовой модуляции, дополнительного ослабления амплитудной модуляции просочившегося сигнала и шумовых составляющих модуляции, вызванной воздействием вибрации на генератор ДИСС, приемный и передающий тракты.

Технический результат достигается тем, что в доплеровский измеритель скорости и угла сноса с функцией измерения истинной высоты с реализацией собственной чувствительности приемного устройства, содержащий трехлучевые приемную и передающую антенны, генератор, работающий в непрерывном режиме с частотной модуляцией, усилитель промежуточной частоты, и вычислитель введены малошумящие усилители, соединенные непосредственно с выходами трехлучевой приемной и входами трехлучевой передающей антенн, при этом исключены коммутаторы лучей, в передающий тракт дополнительно введен делитель СВЧ мощности на три, выходы которого соединены со входами малошумящих усилителей, а вход с выходом генератора, трехлучевая приемная и передающая антенны выполнены таким образом, чтобы развязка между ними была от 35 до 45 дБ, для формирования гетеродинного сигнала из паразитного сигнала просочки через развязку, введены небалансные смесители, входы которых соединены с выходами малошумящих усилителей приемного тракта, введен 3-канальный коммутатор промежуточной частоты, для соединения выходов небалансных смесителей со входом усилителя промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты имеет два выхода, один предназначен для скоростного канала доплеровского измерителя, второй для высотомерного, введен фазовращатель 90° для изменения фазы опорного сигнала скоростного канала на 90°, введены синхронные детекторы для скоростного и высотомерного каналов, соединенные с соответствующими выходами усилителя промежуточной частоты, предназначенные для выделения из сигнала информации о доплеровской частоте и высоте, введен фазовый детектор, совмещенный с формирователем опорных сигналов, предназначенный для формирования опорных сигналов, управления их фазами и получения информации о фазе сигнала в высотомерном канале, второй вход синхронного детектора скоростного канала соединен с выходом фазового детектора, совмещенного с генератором опорных сигналов через фазовращатель 90°, второй вход синхронного детектора высотомерного канала соединен с выходом фазового детектора, совмещенного с генератором опорных сигналов напрямую, выходы синхронного детектора соединены с двумя аналогичными усилителями низкой частоты, которые предназначены для усиления сигналов синхронного детектора.

Работа доплеровского измерителя скорости и угла сноса с функцией измерения истинной высоты с реализацией собственной чувствительности приемного устройства (ДИСС) с реализацией собственной чувствительности ПРМ поясняется дальнейшим описанием упрощенной структурной схемы указанной на фигуре, где применены следующие обозначения:

1 - генератор (Г);

2 - делитель СВЧ мощности на 3 (ДМ);

3 - малошумящий усилитель (МШУ);

4 - 3-лучевая передающая антенна (ПРД);

5 - 3-лучевая приемная антенна (ПРМ);

6 - небалансный смеситель (ИБС);

7 - 3-канальный коммутатор промежуточной частоты (КПЧ);

8 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

9 - фазовращатель 90° (ФВ);

10 - синхронный детектор (СД);

11 - усилитель низкой частоты (УНЧ);

12 - схема узкополосной фильтрации (УПФ);

13 - фазовый детектор, совмещенный с генератором опорных сигналов (ФД-ГОС);

14 - вычислитель (В);

15 - интерфейс ARINC.

Предлагаемая схема ДИСС является схемой с непосредственным преобразованием отраженных сигналов в ПРМ (схемой с нулевой промежуточной частотой).

Генератор Г (1) формирует зондирующий сигнал сверхвысокой частоты в непрерывном режиме (HP) с частотной модуляцией (ЧМ). Модулирующий сигнал формируется фазовым детектором, совмещенным с генератором опорных сигналов ФД-ГОС (13), он также формирует копию данного сигнала для синхронных детекторов СД (10).

Сигнал с выхода генератора (1) поступает на вход делителя СВЧ мощности на 3 ДМ (2), где мощность зондирующего сигнала в равной пропорции делится на три канала. Каждый из трех выходов делителя СВЧ мощности на 3 ДМ (2) соединен со входом соответствующего малошумящего усилителя МШУ (3). МШУ (3) работают в режиме усилителя-ограничителя.

Выходы МШУ (3) соединены со входами передающей трехлучевой антенны ПРД (4), которая служит для излучения зондирующих сигналов в направлении Земли. Коммутация лучей осуществляется путем включения (отключения) питания МШУ (3).

Приемная трехлучевая антенна ПРМ (5) служит для приема отраженных от поверхности Земли сигналов. С выходов трехлучевой приемной антенны ПРМ (5) принятые сигналы поступают на входы МШУ (3). Коммутация МШУ (3) приемных каналов выполняется аналогично передающим. Включение (выключение) соответствующих МШУ (3) передающих и приемных каналов синхронизирование по времени таким образом, что при включении МШУ i-го канала на передачу был включен МШУ (3) одноименного канала на прием (i=1, 2, 3). Выход каждого МШУ (3) в каналах приема соединен со входом соответствующего небалансного смесителя ИБС (6), где происходит перенос частоты на частоту модуляции (промежуточную частоту). С выходов ИБС (6) сигналы промежуточной частоты поступают на вход 3-канального коммутатора промежуточной частоты КПЧ (7). Работа 3-канального коммутатора промежуточной частоты КПЧ (7) синхронизирована с переключением каналов приема и передачи. Выход КПЧ (7) соединен со входом усилителя промежуточной частоты УПЧ (8), который усиливает сигнал ПЧ. Усилитель промежуточной частоты УПЧ (8) имеет два выхода, один предназначен для скоростного канала ДИСС, второй для высотомерного. Скоростной и высотомерный выходы УПЧ (8) соединены с двумя аналогичными синхронными детекторами СД (10), которые предназначены для выделения из сигнала информации о доплеровской частоте и высоте. Второй вход СД (10) скоростного канала соединен с выходом ФД-ГОС (13) через фазовращатель ФВ (9), предназначенный для поворота фазы опорного сигнала на 90°. Второй вход СД (10) высотомерного канала соединен с выходом ФД-ГОС (13) напрямую. Выходы СД (10) соединены с двумя аналогичными усилителями низкой частоты УНЧ (11), которые предназначены для усиления сигналов СД (10).

Сигнал с выхода УНЧ (11) скоростного канала поступает на вход узкополосного фильтра УПФ (12), который выполняет выделение доплеровской частоты из сигнала СД (10). Выход УНЧ (11) высотомерного канала соединен со входом ФД-ГОС (13). ФД-ГОС (13) предназначен для определения фазового сдвига, соответствующего истинной высоте и формирования опорных сигналов для генератора /Г (1) и СД (10), а также управления фазами опорных сигналов. Управление ФД-ГОС (13) осуществляет вычислитель В (14), также в вычислитель (14) поступает сигнал с выхода УПФ (12), для формирования информации, предназначенной для передачи в навигационный комплекс летательного аппарата. Интерфейс ARINC (15) служит для передачи информации от вычислителя в информационные каналы навигационного комплекса.

Принцип работы устройства следующий: от генератора (Г) (1) непрерывные (HP) модулированные по частоте (ЧМ) по синусоидальному закону с частотой модуляции ω_m (HP с ЧМ) колебания с частотой ω₀±ω_m через трехканальный делитель мощности СВЧ (2) и МШУ (3) в режиме ограничения поступают на трехлучевую передающую антенну (4). Коммутация лучей трехлучевой передающей антенны (4) осуществляется путем включения (выключения) питания МШУ (3) таким образом, чтобы в каждый момент времени был включен МШУ (3) только в одном канале. Работа МШУ (3) в передающих и приемных каналах синхронизируется.

По трем компланарным лучам зондирующие сигналы с частотой ω₀±ω_m излучаются по направлению к Земле. Отраженные от земной поверхности сигналы с частотами ω₀±ω_m±ω_di (i=l, 2,3) принимаются тремя, аналогичным образом расположенными, лучами приемной антенны. Сигналы, принятые по каждому из лучей приемной антенны и усиленные МШУ (3) приемных каналов поступают на три одинаковых небалансных смесителя НБС (6). Кроме отраженных сигналов на входы НБС (6) одновременно поступает просочившийся паразитный сигнал от передающего устройства с частотой ω₀±ω_m Наличие паразитного сигнала определяется конечной величиной развязки между передающей и приемной антеннами по каждому лучу, приемная и передающая антенны должны быть выполнены таким образом, чтобы значение развязки по каждому лучу находилось в диапазоне от 35 до 45 дБ.

Сигналы на выходе каждого из НБС (6) состоят из преобразованного полезного сигнала подаются на трехканальный коммутатор промежуточной частоты КПЧ (7) с выхода которого частоты ω_m±ω_di усиливаются УПЧ (8). Ширина полосы пропускания УПЧ (8) выбирается исходя из измеряемых доплеровских частот с учетом полной ширины спектра отраженного сигнала.

Для выделения информации о скорости и высоте по каждому лучу, усиленный сигнал с выходов УПЧ (8) подается на два отдельных канала: скоростной и высотный, в которые входит СД (10) и полосовой усилитель низкой частоты ω_di УНЧ (11).

В качестве опорного сигнала для СД (10) высотного канала используется сигнал с частотой ω_m с регулируемой фазой, формируемый ФД-ГОС (13).

Доплеровский сигнал на выходе СД (10) может быть записан следующей формулой (Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский МИ. Доплеровские устройства и системы навигации, 1975 г., с. 121)

где Т₃ - время запаздывания отраженного сигнала;

T_m - период частотной модуляции.

Из формулы (1) следует, что амплитуда преобразованного полезного сигнала доплеровской частоты зависит от величины Т/T_m и ϕ_оп.

При обнулении сигнала на выходе УНЧ при фазе ϕ_оп равной Т₃/T_m измеренная ФД-ГОС (13) фаза будет пропорциональна абсолютной высоте с учетом данных об лучей антенны (γi), крена (γ_с) и тангажа (δ_с) при обработке абсолютной высоты в вычислителе.

В то же время фаза опорного сигнала СД (10) скоростного канала формируемая схемой ФД-ГОС (13) поступает на вход ФВ (9), на выходе ФВ (9) фаза сигнала равна (Т₃/Т_m+90°), что будет соответствовать максимуму сигнала на выходе УНЧ (11) скоростного канала.

С выхода УНЧ (11) скоростного канала сигнал поступает в УПФ (12). УПФ (12) также работает в режиме коммутации и синхронизирован с коммутацией лучей антенной системы и непрерывно выдает в вычислитель (14) три частоты ω_di (i=1,2, 3). По трем доплеровским частотам в вычислителе (14) производится вычисление составляющих вектора полной скорости и угла сноса воздушного судна и выдача данных через интерфейс ARINC (15) в навигационный комплекс. Кроме того, вычислитель (14) формирует синхронизирующие и управляющие сигналы включения (выключения) МШУ (3).

Предлагаемое техническое решение обеспечивает измерение истинной высоты над подстилающей поверхностью и трех составляющих вектора полной скорости с высокой точностью, при этом реализуется полностью собственная чувствительность ПРМ. Измерения истинной высоты может производить на высотах близких к нулевым, независимо от значения полной скорости, включая нулевую и отрицательную, что очень важно для вертолетов, мультикоптеров, самолетов с вертикальным взлетом и посадкой.

Влияние просочившегося через развязку между трехлучевой приемной и передающей антеннами сигнала на входе приемного устройства при воздействии вибраций на СВЧ элементы определяется в основном преобразованием фазовых шумов и паразитной фазовой модуляцией (которые на три-четыре порядка больше, чем амплитудные шумы и паразитная амплитудная модуляция задающего генератора) за счет задержки (τ₃) просочившегося сигнала относительно опорного сигнала гетеродина для СВЧ смесителя.

Амплитудные шумы и паразитная амплитудная модуляция модулирующей частоты ПРД (ω_М) определяется модулем развязки (N), спектральной плотностью этих шумов и паразитным шумом амплитудной модуляции (m_м) рабочей гармоники, а также модуляцией нулевой гармоники J₀(m) и паразитной модуляцией сигнала рабочей гармоники ω_М составляющие, которых расположены вблизи рабочей гармоники ω_М.

Предлагаемая конструкция ДИСС позволяет реализовать собственную чувствительность ПРМ путем полного исключения влияния фазовых шумов и паразитной фазовой модуляции просочившегося сигнала. В его основе лежит использование просочившегося сигнала в качестве гетеродинного канала по каждому лучу антенной системы ДИСС с одновременным исключением из приемного и передающего каналов ответвителей и коммутаторов, применяемых для направления части мощности задающего генератора в приемный канал для формирования опорного сигнала для СВЧ смесителя.

При таком построении функциональной схемы задержка τ₃=0 для каждого луча, следовательно, принимаемый паразитный сигнал, индекс модуляции при приеме М, амплитуды всех боковых полос, за исключением полосы нулевого порядка, при наличии паразитных утечек стремится к нулю, что обеспечивает хорошую дискриминацию полезных сигналов.

Если в процессе распространения СВЧ сигнала, зависимость мощности сигнала от дальности определяется законом обратного квадрата, при использовании боковых полос первого порядка (J₁), то внутри СВЧ канала на участке антенна-смеситель этот закон является недействительным и для оценки мощности сигнала здесь должны использоваться функции Бесселя.

Для дополнительного ослабления амплитудных шумов, паразитной амплитудной модуляции ПРД частотой ω_М предлагается использовать в передающем канале МШУ в режиме ограничения, что позволит уменьшить индекс паразитной m_м до 10 раз и, как следствие, мощность паразитной амплитудной модуляции Р_δАМ до -70 дБ.

Влияние этих сигналов на чувствительность ПРМ подобно влиянию просочившегося сигнала при непрерывном излучении и уменьшенной в (m_м)² раз по мощности.

Таким образом, влияние просочившегося сигнала в ДИСС с ЧМ определяется в основном паразитной амплитудной модуляцией гармоники J₀(m) и паразитной модуляцией сигнала рабочей гармоники ωм» составляющие которых располагаются вблизи рабочей гармоники частоты модуляции позволяет дополнительно ослабить влияние просочившегося сигнала через развязку приемного канала и практически исключить влияние широкополосных вибраций.

Изобретение относится к авиационному приборостроению. Сущность изобретения заключается в том, что в доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС) введены малошумящие усилители, в передающий тракт введен делитель СВЧ-мощности на три. При этом трехлучевая приемная и передающая антенны выполнены таким образом, чтобы развязка между ними была от 35 до 45 дБ; для формирования гетеродинного сигнала из паразитного просочившегося сигнала введены небалансные смесители, введен 3-канальный коммутатор промежуточной частоты. При этом усилитель промежуточной частоты имеет два выхода, предназначенных для скоростного и высотомерного каналов ДИСС; введен фазовращатель для изменения фазы опорного сигнала скоростного канала на 90°, введены синхронные детекторы для скоростного и высотомерного каналов, введен фазовый детектор, совмещенный с формирователем опорных сигналов, второй вход синхронного детектора скоростного канала соединен с выходом фазового детектора, совмещенного с генератором опорных сигналов через фазовращатель, второй вход синхронного детектора высотомерного канала соединен с выходом фазового детектора. Техническим результатом является улучшение технических характеристик ДИСС. 1 ил.

Доплеровский измеритель скорости и угла сноса с функцией измерения истинной высоты с реализацией собственной чувствительности приемного устройства, содержащий трехлучевые приемную и передающую антенны, генератор, работающий в непрерывном режиме с частотной модуляцией, усилитель промежуточной частоты, и вычислитель, отличающийся тем, что в устройство введены малошумящие усилители, соединенные непосредственно с выходами трехлучевой приемной и входами трехлучевой передающей антенн, при этом исключены коммутаторы лучей, в передающий тракт дополнительно введен делитель СВЧ-мощности на три, выходы которого соединены со входами малошумящих усилителей, а вход с выходом генератора, трехлучевая приемная и передающая антенны выполнены таким образом, чтобы развязка между ними была от 35 до 45 дБ, для формирования гетеродинного сигнала из паразитного просочившегося сигнала через развязку введены небалансные смесители, входы которых соединены с выходами малошумящих усилителей приемного тракта, введен 3-канальный коммутатор промежуточной частоты, для соединения выходов небалансных смесителей со входом усилителя промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты имеет два выхода, один предназначен для скоростного канала доплеровского измерителя, второй для высотомерного, введен фазовращатель 90° для изменения фазы опорного сигнала скоростного канала на 90°, введены синхронные детекторы для скоростного и высотомерного каналов, соединенные с соответствующими выходами усилителя промежуточной частоты, предназначенные для выделения из сигнала информации о доплеровской частоте и высоте, введен фазовый детектор, совмещенный с формирователем опорных сигналов, предназначенный для формирования опорных сигналов, управления их фазами и получения информации о фазе сигнала в высотомерном канале, второй вход синхронного детектора скоростного канала соединен с выходом фазового детектора, совмещенного с генератором опорных сигналов через фазовращатель 90°, второй вход синхронного детектора высотомерного канала соединен с выходом фазового детектора, совмещенного с генератором опорных сигналов напрямую, выходы синхронного детектора соединены с двумя аналогичными усилителями низкой частоты, которые предназначены для усиления сигналов синхронного детектора.