Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления
Владельцы патента RU 2365931:
Институт прикладной астрономии Российской академии наук (RU)
Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения местоположения источников сложных сигналов. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерения угловой координаты путем увеличения в два раза относительного размера измерительной базы 2d/λ. Фазовый пеленгатор, реализующий предлагаемый фазовый способ пеленгации, содержит приемные антенны, расположенные по окружности и одну приемную антенну, расположенную в центре окружности, три приемника, опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, фазовращатель на 90°, три фазовых детектора, индикатор, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, три перемножителя, три полосовых фильтра, линию задержки, соединенные определенным образом между собой. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения местоположения источников излучения сложных сигналов.
Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2003131, 200672, 2010258, 2012010, 2134429, 2.155.352, 2175770, 2290658; 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.134-138, рис.2.3.9. и другие).
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ №2290658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипа.
При фазовом способе пеленгации разность фаз Δφ сигналов, принимаемых двумя разнесенными в пространстве антеннами, определяется выражением
где d - расстояние между разнесенными антеннами (измерительная база);
λ - длина волны;
α - угол прихода радиоволн относительно нормали к базе.
При этом возникает противоречие между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угла α. Действительно, согласно вышеуказанной формуле, фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор тем чувствительнее к изменению угла α, чем больше относительный размер базы d/λ Но с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты α, при котором разность фаз Δφ превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета.
Известные способы пеленгации и фазовый пеленгатор устраняют указанное противоречие между требованиями к точности измерения и однозначности отсчета угла α. Однако они не полностью реализуют свои потенциальные возможности по увеличению чувствительности и точности измерения угловой координаты α.
Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерения угловой координаты α путем увеличения в два раза относительного размера измерительной базы 2d/λ.
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 первое фазомодулированное напряжение, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно первое фазоманипулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируют грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что при каждой коммутации одновременно используют две приемные антенны, расположенные на концах диаметра, сигнал, принимаемый второй антенной, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют второе фазомодулированное напряжение и перемножают его с первым фазомодулированным напряжением.
Поставленная задача решается тем, что 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, фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с n выходами приемных антенн, размещенных по окружности радиусов d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен ко второму входу индикатора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен третьим приемником, третьим перемножителем и третьим полосовым фильтром, причем ко второму выходу электронного коммутатора последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и третий полосовой фильтр, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя.
Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1.2i (i=1, 2,…, n) и источника радиоизлучений ИРИ показано на фиг.2. Пример выполнения электронного коммутатора 7 показан на фиг.3. На фиг.4 показано изменение фазы выходного напряжения после электронного коммутатора.
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 полосового фильтра 15, фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора 5, и индикатор 10, последовательно включенные опорный генератор 5, генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i (i=1, 2,…, n), размещенных на окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и второй приемник 4, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя 14, последовательно подключенных к выходу первого полосового фильтра 15, второй перемножитель 18, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора 5, а выход подключен ко второму входу индикатора 10, последовательно подключенные к второму выходу электронного коммутатора 7 третий приемник 21, третий перемножитель 22, второй вход которого соединен выходом усилителя 13 промежуточной частоты, и третий полосовой фильтр 23, выход которого соединен со вторым выходом второго перемножителя 18.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн)
0≤t≤Tc,
где Uc, ωc, φc, Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами;
φk(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая за кон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, причем φk(t)=const при kτЭ<t<(k+1)τЭ и может изменяться скачком при t=kτЭ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,…, N-1);
τЭ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тc(Тc=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 (ii=1, 2,…, n) вокруг приемной антенны 1;
α - пеленг (азимут) на источник радиоизлучения ИРИ;
с выходов приемных антенн 1, 2.i (i=1, 2,…, n) непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3, 4 и 21, а затем на первые входы смесителя 12, перемножителей 14 и 22 соответственно.
Знаки «+» и «-» перед величинами 
соответствуют диаметрально противоположным расположением антенн 2.2 и 2.10 относительно приемной антенны 1, размещенной в центре окружности.
Электронный коммутатор 7 может быть выполнен различными средствами. Один из вариантов - это применение полупроводниковых диодов, обладающих малой емкостью, малым сопротивлением току прямого направления и большим сопротивлением току обратного направления. Пример схемы электронной коммутации представлен на фиг.3. Каждая пара антенн включается на вход приемников 4 и 21 через такие же коммутирующие цепи, которые на фиг.3 показаны только для двух антенн 2.2 и 2.10. Точки A1 и А2 коммутирующих цепей через резисторы R1 и R2 соединяются с генератором импульсов, от которого в течение всего периода коммутации T, за исключением лишь короткого промежутка τ, подается отрицательное напряжение. Положительные импульсы длительностью τ подаются последовательно на каждую пару антенн и за период коммутации T проходят на все n антенн.
Отрицательное напряжение в точках A1 и А2 запирает диоды Д1, Д2, Д3 и Д4, отключая цепи антенн 2.2 и 2.10 от входа приемников 4 и 21 и включая в цепь антенн нагрузочные резисторы R3 и R4, и отпирает диоды Д5 и Д6, которые замыкают точки A1 и А2 на землю. Дроссели L1 и L2 служат для пропускания постоянного тока диодов.
Положительный импульс делает диоды Д1, Д2, Д3 и Д4 проводящими.
Антенны 2.2 и 2.10 соединяются с приемниками 4 и 21 при замкнутых накоротко резисторах R3 и R4. Одновременно запираются диоды Д5 и Д6 и устраняется короткое замыкание на землю. Изменение фазы напряжения на входе приемников 4 и 21 происходит скачками в соответствии с подключением новой пары антенн через промежуток времени τ. На фиг.4 показано изменение фазы выходных напряжений после электронного коммутатора 7.
При любом способе коммутации на входы приемников 4 и 21 поступают напряжения высокой частоты переменной фазы, т.е. фазомодулированные. Период модуляции равен периоду коммутации, а начальная фаза кривой модуляции равна пеленгу. Фазомодулированные колебания являются также частотно-модулированными, так как частота, равная производной по времени, при переменной фазе будет переменной.
На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение
uГ(t)=Uгсоs(ωГt+φГ),
где UГ, ωГ, φГ - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.
На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
uпр(t)=Uпpcos[(ωпр±Δω)t+φk (t)+φпр], 0<t<Tc,
где 
;
ωпр=ωс-ωг - промежуточная (разностная) частота;
φпр=φс-φг,
которое подается на второй вход перемножителей 14 и 22. На выходе перемножителей 14 и 22 образуются фазомодулированные (ФМ) колебания на частоте ωГ гетеродина 11:
0≤t≤Tc,
где 
которые выделяются полосовыми фильтрами 15 и 23 соответственно.
Следовательно, полезная информация об угле α переносится на стабильную частоту ωГ гетеродина 11. Поэтому нестабильность несущей частоты принимаемых сигналов, вызванная различными дестабилизирующими факторами, не влияет на результат пеленгации, тем самым повышает точность определения местоположения источника радиоизлучений ИРИ.
Фазомодулированные колебания u4(t) и u5(1) поступают на два входа перемножителя 18, на выходе которого образуется напряжение
0≤t≤Tc,
где 
;
которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20.
Следовательно, за сет использования при каждой коммутации одновременно двух антенн, расположенных на концах диаметра 2d, относительный размер измерительной базы увеличивается в 2 раза (2d/λ).
На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение
u0(t)=U0cosΩt.
На выходе фазового детектора 20 образуется постоянное напряжение
uн1(α)=Uн1cosα,
где 
пропорциональное угловой координате α, которое фиксируется индикатором 10. Так формируется шкала пеленгации, которая является точной, но неоднозначной шкалой.
Одновременно фазомодулированное колебание u4(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии 16 задержки и фазового детектора 17.
В фазомодулированном колебании u4(t) величина 
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 (фиг.2).
Приемные антенны 2.i (i=1, 2,…, n) поочередно с частотой Ω коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазовым генератором 6 импульсов (фиг.3). Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5 (фиг.4)
u0(t)=U0cosΩt.
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 диапазоне 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 колебания u4(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки τ линии 16 задержки выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины
где d1<d,
при которой справедливо неравенство 
, обеспечивающее однозначную пеленгацию источника радиоизлучений ИРИ. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоническое напряжение
u7(t)=U7cos(Ωt-α), 0≤t≤Tc,
где 
которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого со второго выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение u0(t). На выходе фазового детектора 9 образуется постоянное напряжение
uн2(α)=Uн2sinα,
где 
пропорциональное угловой координате α, которое фиксируется индикатором 10. Так формируется шкала пеленгации, которая является грубой, но однозначной шкалой.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивает повышение точности пеленгации источника радиоизлучений ИРИ. Это достигается увеличением в два раза измерительной базы 2d.
Фазовый сдвиг колебаний, принятых антеннами, размещенных на концах диаметра 2d, составляют
Величины 2d и λ известны, поэтому, измерив фазовый сдвиг Δφ, легко определить направляющий косинус и угол α:
А возникающая при этом неоднозначность отсчета угловой координаты α устраняется автокорреляционной обработкой принимаемых сложных сигналов. Причем предлагаемые технические решения инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, в виду их модуляции (манипуляции) и ширине спектра, а точное и однозначное измерение угловой координаты α осуществляется на стабильной частоте Ω опорного генератора.
За счет свертки спектра сложного ФМн-сигнала он преобразуется в узкополосные фазомодулированные (ФМ) напряжения, что дает возможность выделить их с помощью полосовых фильтров, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность частотно-фазового пеленгатора при сравнительно низком отношении сигнал/шум.
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 радиусов 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 низкочастотное напряжение с частотой Ω, и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируют точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, выделяют первое фазомодулированное напряжение, при этом первое 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 при каждой коммутации одновременно используют две из n приемные антенны, расположенные на концах диаметра окружности, по которой они установлены, обеспечивая увеличение относительного размера измерительной базы в два раза, сигнал, принимаемый второй антенной, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют второе фазомодулированное напряжение, перемножают его с первым фазомодулированным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала.
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, фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с n выходами приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен ко второму входу индикатора, отличающийся тем, что при каждой коммутации одновременно используют две из n приемные антенны, расположенные на концах диаметра окружности, по которой они установлены, обеспечивая увеличение относительного размера измерительной базы в два раза, при этом к второму выходу электронного коммутатора последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и третий полосовой фильтр, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.
