Доплеровский измеритель скорости космического аппарата

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи для повышения точности измерения скорости движения космических аппаратов (КА). Достигаемый технический результат - повышение точности измерения скорости космического аппарата за счет уменьшения случайной составляющей измерения частоты Доплера. Указанный результат достигается за счет использования более чем одной гармонической составляющей для измерения частоты Доплера FDi по каждой i-й гармонике, 0≤i≤|n|, с последующим усреднением результатов частных измерений. Индекс 0 соответствует первой, основной/центральной, гармонике. 2 ил.

 

Изобретение относится к методам и средствам траекторных измерений космических аппаратов (КА) с использованием линий радиосвязи.

Одним из важнейших параметров движения КА является скорость его перемещения по орбите, т.е. производная по времени расстояния между КА и наземным комплексом управления (НКУ) относительно НКУ. Задача точного измерения скорости движения КА является актуальной на всем протяжении космической эры. Предложено множество вариантов решения этой задачи, которые, в основном, опираются на оценку Доплеровского смещения несущей частоты.

Известно устройство, реализующее «Способ радиотехнических доплеровских угломерных измерений космического аппарата и система для осуществления данного способа», защищенные патентом РФ №2526401, опубликованным 20.08.2014, в котором используются три территориально разнесенные наземные измерительные станции и приемоответчик КА. Измеренные Доплеровские сдвиги частоты со всех измерительных станций (ИС) передаются в баллистический центр. Там вычисляются разности этих Доплеровских сдвигов, эквивалентные измерениям радиоинтерферометров с базами, соответствующими расстояниям между ИС. В баллистическом центре по результатам измерений указанных скоростей и дальности рассчитывается траектория движения КА. Технический результат заключается в создании высокоточной и быстродействующей системы траекторных измерений с упрощенными конструкцией и эксплуатацией ее средств. Техническая сущность аналога заключена в использовании широко известного метода усреднения результатов измерения, разнесенными по пространству измерителями. В этом случае шумы, присутствующие в составе сигнала, принимаемого каждым измерителем не коррелированы, что и объясняет эффективность пространственного усреднения.

Способ характеризуется сложной и дорогостоящей реализацией по причине необходимости использования нескольких разнесенных измерительных станций. Кроме того, методическая погрешность измерения каждой измерительной станции определяет погрешность итоговой оценки.

Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту США №8,970,426, опубликованному 03.03.2015 «Automatic matched Doppler filter selection». Прототип содержит антенну, интерфейсный модуль в составе генератора сигнала и приемника, подключенных к антенне, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу приемника, блок цифровой обработки в составе последовательно соединенных блока сжатия импульсов, банка из n фильтров, входы каждого фильтра параллельно подключены к выходу блока сжатия импульсов, вычислительного блока и дисплея, причем вычислительный блок соединен с банком из n фильтров.

Техническая сущность прототипа состоит в реализации множества Доплеровских частотных фильтров, используемых для разделения всего пространства Доплеровских частот на множество узких областей с соответствием каждого фильтра одной из этих частотных полос. Зная пространственную частоту, обычно связанную с конкретными помехами, например, вида отражений от местных предметов, погодных влияний, наложений сигналов можно использовать Доплеровские фильтры для дискриминации помех, а также определять цели по Доплеровской частоте. Таким образом, каждый Доплеровский фильтр настроен на конкретное значение частоты Доплера FD.

Недостаток прототипа состоит в низкой точности измерения скорости КА в связи с большим значением случайной составляющей. Это объясняется тем, что аддитивный шум в составе принимаемого сигнала является причиной случайной составляющей результата измерения частоты Доплера.

Задачей настоящего технического решения является повышение точности измерения скорости космического аппарата за счет уменьшения случайной составляющей измерения частоты Доплера.

Достигается поставленная цель благодаря тому, что известный Доплеровский измеритель скорости космического аппарата, содержащий антенну и связанные с нею генератор последовательности радиоимпульсных сигналов и приемник, банк из n фильтров, входы каждого фильтра параллельно подключены к выходу приемника, и вычислительный блок, с выхода которого поступает результат измерения скорости космического аппарата, дополнительно снабженный генератором гармоник, входом соединенный с генератором последовательности радиоимпульсных сигналов, банком, из n измерителей Доплеровских частот, первый вход каждого из измерителей Доплеровских частот соединен с выходом соответствующего фильтра, а вторые входы измерителя Доплеровских частот соединены с соответствующими выходами генератора гармоник, блоком усреднения, входами подключенный к выходам измерителей Доплеровских частот, а выходом соединенный с вычислительным блоком, блоком постоянной памяти, выходами соединенный с вычислительным блоком и блоком усреднения.

На иллюстрациях представлено:

- Фиг. 1 - Блок-схема предлагаемого Доплеровского измерителя скорости космического аппарата, где показаны:

1. антенна;

2. генератор сигнала;

3. генератор n частотных гармоник;

4. приемник;

5. банк n фильтров;

6. банк измерителей доплеровских частот (ИДЧ);

7. блок усреднения (БУ);

8. вычислительный блок (ВБ);

9. блок постоянной памяти.

- Фиг. 2 - Спектральный состав последовательностей излученных и принятых радиоимпульсов.

Техническая сущность предлагаемого технического решения заключена в использовании более чем одной гармонической составляющей для измерения частоты Доплера FDi по каждой i-й гармонике, 0≤i≤|n| с последующим усреднением результатов частных измерений. Индекс 0 соответствует первой, основной/центральной, гармонике. Практически во всех опубликованных теоретических и прикладных работах в области Доплеровского измерения скорости, в т.ч. и в прототипе, используется одноосновная гармоническая составляющая, которая является несущей частотой. На это однозначно указывается, например в Winstead et al. «Doppler beam-sharpened radar altimeter» US Patent 7,911,375 March 22, 2011. Однако спектр излучаемого радиоимпульсного сигнала всегда насыщен достаточно большим количеством гармонических составляющих, размещенных по частоте на значение, кратное 1/Т, где Т - длительность периода излучаемых радиоимпульсов. На фиг. 2 представлен спектральный состав условного сигнала с симметричным спектром относительно центральной частоты ƒ0 с боковыми составляющими ƒi. Каждая из гармонических составляющих смещается на индивидуальное значение FDi, обусловленные движением КА.

Скорость КА на основании измерения Доплеровского смещения не только первой, но других гармонических составляющих выражается в общем виде:

где i - номер гармоники, i=1, 2…n; С - скорость света в свободном пространстве; ƒперi - частота i-ой гармоники сигнала, переданного НКУ; ƒпрi - частота i-ой гармоники принятого сигнала, .

Знак зависит от направления движения КА относительно НКУ. Для определенности будем считать, что КА удаляется.

Т.к. ƒперi>>FDi, то (1) можно преобразовать, опираясь на разложение в ряд Тейлора (1-FDiперi)-1≈1+FDiперi. Тогда

Индекс i=0 означает, что при реализации (2) используется основная/центральная гармоническая составляющая - несущая частота.

Пусть измерение производится по первой гармонике, i=1. Тогда

Но ƒпер1пер0+1/Т, где Т - период повторения радиоимпульсов, переносящих тестовый сигнал.

В общем виде

Т.к. Vri=Vr0, то можно выразить Доплеровские частоты на всех гармониках через FD0 центральной несущей:

Поэтому умножение измеренного значения FDi на соответствующий поправочный коэффициент (при условии , обеспечивает приведение результатов измерения на всех гармониках к единому масштабу. Массив коэффициентов Ki формируется заранее и хранится в узле постоянной памяти.

Обычно ƒпер0 задается с точностью, не влияющей на погрешность определения скорости. Тогда единственным источником погрешности является Δi - неточность измерения значений FDi. Отсюда

где ξi - погрешность измерения скорости, вызванная неточностью измерения частоты Доплера на i-й гармонике.

Основной причиной Δi в первую очередь является шум, поэтому можно считать Δi случайной составляющей с нулевым средним и дисперсией σ2. Усреднение результатов пространственных измерений частоты Доплера с учетом корректирующих коэффициентов Ki уменьшает дисперсию шума, что обеспечивает повышение точности измерения скорости движения КА.

Первое слагаемое (5) представляет собой усредненное значение FD0, подстановка которого в первое слагаемое (3) даст истинное значение скорости КА при i=0. Среднее значение случайной составляющей

Вторым слагаемым можно пренебречь, поскольку оно в ƒпер0T>>1 раз меньше первого. Поэтому

Оценим статистические характеристики . Как принято выше, математическое ожидание М[Δi]=0, поэтому математическое ожидание среднего также равно нулю, т.е. . Здесь M[x] - символ математического ожидания x.

Дисперсия среднего вычисляется по стандартной формуле дисперсии суммы независимых случайных величин

Считая, что D[Δ0]=D[Δ1]=⋅⋅⋅ получим

где под D[Δ0] понимается дисперсия измерения по одной центральной гармонике. Поэтому дисперсия случайной составляющей усредненного значения частоты Доплера при использовании n гармонических составляющих в n раз меньше дисперсии измерения по одной гармонике. Поэтому предложенное устройство в n раз точнее прототипа по случайной составляющей результата измерения скорости КА.

Работает устройство следующим образом.

Генератор 2 формирует последовательность радиоимпульсов с несущей частотой ƒ0, излучаемых в пространство с помощью антенны 1. Линейчатый спектральный состав излучаемой последовательности радиоимпульсов представлен на фиг. 2 сплошными линиями. Номер гармонической составляющей указан соответствующим индексом.

Принимаемый сигнал с выхода приемника 4 параллельно поступает на фильтры банка фильтров в составе n фильтров 5. Каждый из фильтров настроен на частоту индивидуальной гармонической составляющей. Ширина полосы пропускания каждого фильтра должна выбираться, исходя из максимального значения измеряемого Доплеровского смещения, не должна превосходить разности частот между соседними гармониками и ограничений, связанных с технической реализацией фильтра.

Радиосигнал с выхода приемника на промежуточной достаточно малой частоте поступает на ряд канальных фильтров Фi, которые выделяют 1, 2 и т.д. гармоники, отличающиеся от гармоник излученного тестового сигнала по частоте на соответствующее Доплеровское смещение. Значение Доплеровской частоты с выхода каждого фильтра измеряется соответствующим ИДЧ - измерителем Доплеровской частоты.

Исследуем статистические характеристики (5). Здесь погрешность измерения скорости

Математическое ожидание (М - символ математического ожидания)

Если M[Δi]=0, то М[ξi]=0, т.е. оценка (3) не смещенная. Считая, что по порядку величин ƒ0i≈ƒI, получим, что для частот порядка 10 ГГц коэффициент перед М[Δi] примерно равен 0,015, т.е. в математическом ожидании погрешность определения скорости составляет порядка 1,5% погрешности измерения частоты Доплера.

Процесс измерения скорости основывается на дискретном преобразовании Фурье. Пусть измерение производится по второй гармонике i=2. Тогда

Но ƒ0201+1/Т, где Т - период повторения радиоимпульсов, переносящих тестовый сигнал. Поэтому

Или в общем виде:

где константы , K2=K10, i - номер гармоники, i=1, 2…n;

Вместе с тем , т.е. для получения ƒD2 достаточно умножить значение ƒD1, полученное при измерении по первой гармонике, на постоянный коэффициент Mi. Этот коэффициент может быть достаточно большим, чтобы им пренебречь, а выравнивание Доплеровских частот необходимо для выполнения операции пространственного усреднения, направленного на уменьшение погрешности измерения Доплеровской частоты Δi.

В Блоке Усреднения БУ вычисляется среднее значение по стандартной формуле

Это усредненное значение используется при выполнении несложных математических вычислений, выполняемых в вычислительном блоке (ВБ) в соответствии с (8). Коэффициенты K1, K2 и Mi хранятся в блоке постоянной памяти ПЗУ. С выхода ВБ поступает измеренное значение скорости КА. Поскольку произведения под знаком суммы одинаковые числа, то

Если предположить, что частные погрешности Δi распределены по нормальному закону с нулевым средним то, при достаточно большом . Этот же результат можно получить при усреднении группы N последовательных измерений на одной первой гармонике, что потребует времени измерения TN=NT, где Т - время однократного измерения. Поэтому описанное пространственное усреднение снижает погрешность измерения частоты Доплера или уменьшает время измерения в N раз относительно традиционного последовательного измерения при сопоставимых значениях погрешности измерения, вызванной шумом в канале передачи и дискретным преобразованием в процессе измерения частоты.

Доплеровский измеритель скорости космического аппарата, содержащий антенну и связанные с нею генератор сигнала и приемник, банк из n фильтров, входы каждого фильтра параллельно подключены к выходу приемника, и вычислительный блок, с выхода которого поступает результат измерения скорости космического аппарата, дополнительно снабженный генератором гармоник, входом соединенный с генератором сигнала, банком из n измерителей доплеровских частот, первый вход каждого из измерителей доплеровских частот соединен с выходом соответствующего фильтра, а вторые входы измерителя доплеровских частот соединены с соответствующими выходами генератора гармоник, блоком усреднения, входами подключенный к выходам измерителей доплеровских частот, а выходом соединенный с вычислительным блоком, блоком постоянной памяти, в котором хранятся корректирующие коэффициенты, при этом выход блока постоянной памяти соединен с вычислительным блоком и блоком усреднения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области пассивной радиолокации и может быть использовано в динамической системе радиотехнического контроля для определения параметров движения воздушного объекта, имеющего на борту источник радиоизлучения (ИРИ).

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для увеличения эффективной площади рассеяния объектов в широком диапазоне длин волн.

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано в моноимпульсных РЛС. Достигаемый технический результат - расширение возможностей и повышение точности моноимпульсного пеленгования.

Изобретение относится к радиолокационным станциям (РЛС) освещения обстановки. Технический результат - определение количества и азимутальных координат целей, находящихся в области тени на одинаковых расстояниях от антенны РЛС.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при создании средств идентификации наземных целей. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильной идентификации наземных целей в случае пропуска отдельных импульсов ответных сигналов запросчиком радиолокационной системы с активным ответом.

Изобретение относится к применению бистатических радиолокационных станций (БРЛС). Достигаемый технический результат – обнаружение объектов, контроль поверхностей, например, для выявления кораблей, контроль, воздушного пространства, возможность направления управляемых ракет, возможность управления артиллерийскими системами.

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы и может быть использовано для подавления радиолокационных средств. Достигаемый технический результат - повышение эффективности подавления работы радиолокационных средств как импульсного, так и непрерывного излучения, за счет создания ответной помехи, уводящей по дальности и угловым координатам, а также с возможностью подавления радиолокационного средства по боковым лепесткам диаграммы направленности его антенны при простоте изготовления и эксплуатации.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано преимущественно в наземных радиолокационных станциях (РЛС) кругового и секторного обзора. Достигаемый технический результат - повышение точности определения модуля скорости баллистического объекта (БО) в РЛС с грубыми измерениями угловых координат при уменьшении объема используемых вычислительных ресурсов.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для использования в импульсно-доплеровских (ИД) радиолокационных станциях (РЛС), работающих с высокой частотой повторения импульсов.

Изобретение направлено на создание способа по отождествлению пеленгов источника радиоизлучения двумя пространственно-разнесенными радиоэлектронными средствами.

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к системам формирования и обработки широкополосных сигналов с частотной и фазокодовой модуляцией в импульсных радиолокаторах с антенными решетками, и может быть использовано в авиации для организации воздушного движения.

Изобретение относится к радиолокационному измерителю уровня. Техническим результатом является улучшенное функционирование радиолокационного измерителя уровня в условиях влияния узкополосных помех.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для повышения точности определения местоположения мобильных средств по сигналам опорных станций наземной локальной радионавигационной системы (ЛРНС).

Изобретение относится к способам с использованием двойной метки для определения местоположения движущихся объектов в шахте. Достигаемый технический результат – повышение точности определения местоположения движущегося объекта в шахте.

Изобретение относится к технике первичных дальностных измерений импульсно-доплеровских радиолокационных станций (ИД РЛС). Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости первичной дальнометрии обнаруженной одиночной либо не разрешаемой по углу и скорости группы рассредоточенных по дальности целей, которые предварительно обнаружены на фоне интенсивных пассивных помех (ПП) с узкополосным энергетическим спектром, например отражений от подстилающей поверхности земли, местных предметов и малоскоростных метеообразований.

Изобретение относится к области радиолокационных и лазерных измерений и касается вопросов определения параметров отражения и сигнатур для самолетов, судов и наземных транспортных средств.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для передачи повторяющейся последовательности из N импульсов постоянной частоты шириной t секунд при интервале между импульсами T секунд.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационной станции (РЛС) для установления факта наличия групповой цели в импульсном объеме.

Изобретение относится к пассивным радиолокационным комплексам метрового и дециметрового диапазона. Техническим результатом изобретения является увеличение дальности обнаружения.

Изобретение относится к системам, использующим отражение или вторичное излучение радиоволн. Достигаемый технический результат изобретения - повышение характеристик обнаружения сигналов вторичных радиолокационных систем при низких отношениях сигнал/шум с сохранением точности измерения их параметров.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата в автономных навигационных системах с использованием электромагнитных волн.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи для повышения точности измерения скорости движения космических аппаратов. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения скорости космического аппарата за счет уменьшения случайной составляющей измерения частоты Доплера. Указанный результат достигается за счет использования более чем одной гармонической составляющей для измерения частоты Доплера FDi по каждой i-й гармонике, 0≤i≤n, с последующим усреднением результатов частных измерений. Индекс 0 соответствует первой, основнойцентральной, гармонике. 2 ил.

Наверх