Радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта

Радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться в навигационных системах для определения угловых координат подвижных объектов как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях.

Известна радионавигационная система [1, 2], в которой пеленг подвижного объекта определяется на основе измерения разности фаз сигналов на выходе двух разнесенных в пространстве приемных антенн. Эта система содержит источник электромагнитных волн, расположенный в точке с известными координатами и расположенные на подвижном объекте две разнесенные в пространстве приемные антенны, каждая из которых последовательно соединена с соответствующим приемником, фазометр и счетно-решающее устройство, причем, выходы приемников подключены к соответствующим двум входам фазометра, а его выход подключен к входу счетно-решающего устройства. Фазометр измеряет разность фаз напряжений на выходе приемников, а счетно-решающее устройство по измеренной разности фаз определяет пеленг подвижного объекта.

Недостатком этой радионавигационной системы является низкая точность измерений пеленга подвижного объекта при наличии жестких ограничений на габариты приемных антенн.

Этот недостаток обусловлен тем, что точность измерений пеленга подвижного объекта определяется пространственным разносом приемных антенн. Чем больше расстояние между антеннами, тем выше точность измерений и, наоборот, при уменьшении пространственного разноса приемных антенн точность измерений пеленга подвижного объекта снижается.

Известна радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта [3, 4]. Эта система содержит радиомаяк, расположенный в точке с известными координатами и приемо-индикатор, расположенный на подвижном объекте. Радиомаяк содержит передатчик с подключенными к нему, через синхронный переключатель, трех передающих антенн, расположенных в вершинах равностороннего треугольника. Разность фаз сигналов, приходящих от любой из пар антенн, определяется угловым положением подвижного объекта. Приемо-индикатор содержит приемную антенну, выход которой соединен с выходом приемника, а его выход через синхронный переключатель подключен к трем приемным каналам и фазометр, два входа которого с помощью переключателя подключены к выходам любой из пар приемных каналов. Работа системы основана на поочередном, во времени, излучении электромагнитных волн из двух точек с известными координатами, расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга. Причем длины и амплитуды излучаемых электромагнитных волн равны и начальные фазы совпадают. На подвижном объекте последовательно во времени принимаются электромагнитные волны от любой из пар передающих антенн и измеряется их разность фаз, после чего рассчитывается пеленг подвижного объекта.

Недостатком этой радионавигационной системы является низкое быстродействие измерений пеленга подвижного объекта, обусловленное временным разделением передаваемых и, соответственно, принимаемых сигналов.

Известна радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта (А.с. №1355955, М кл.⁴, G01S 3/02, приоритет от 9.12.1985 [5]), в которой пеленг подвижного объекта определяется на основе измерения разности фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, одновременно излучаемыми с равными амплитудами, фазами и длинами волн из двух точек с известными координатами расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга. При этом пеленг α подвижного объекта определяется относительно равносигнального направления, совпадающего с нормалью к середине линии, соединяющей точки излучений ортогонально линейно поляризованных электромагнитных волн по формуле:

α = arcsin ( λ 2 π d ⋅ Δ ϕ )                                                   (1)

где λ - длина волны.

Навигационная система содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными собственными поляризациями. На подвижном объекте навигационная система содержит приемную всеполяризованную антенну, секцию круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной, линейный поляризационный разделитель, амплитудный дискриминатор и вычислитель. Причем четвертьволновая фазовая пластина ориентирована под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя.

Навигационная система работает следующим образом.

Передатчик через подключенные к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными собственными поляризациями излучают линейно ортогонально поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн.

На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна полностью принимается всеполяризованной приемной антенной и поступает на последовательно соединенные секцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластиной и линейный поляризационный разделитель. Сочетание секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной и линейного поляризационного разделителя позволяет осуществить на подвижном объекте прием суммарной электромагнитной волны в круговом поляризационном базисе и, таким образом, разделить поступающую на вход суммарную электромагнитную волну на две ортогонально поляризованные по кругу волны. С выходов плеч линейного поляризационного разделителя сигналы поступают на вход амплитудного дискриминатора, где формируется напряжение, равное отношению амплитуд E₁/E₂ сигналов в виде [5]

S ( α ) = E 1 E 2 = 1 − cos Δ ϕ 1 + cos Δ ϕ = | t g Δ ϕ 2 | .                                             ( 2 )

После чего, выходной сигнал (2) амплитудного дискриминатора поступает на вычислитель, где с учетом (1) и (2), рассчитывается пеленг подвижного объекта по формуле [5]

α = arcsin [ λ 2 π d ⋅ ( 2 a r c t g E 1 E 2 ± 2 n π ) ] ,                                           ( 3 )

где n=0, 1, 2, ….

Этой радионавигационной системе присущ ряд недостатков. Во-первых, обладает низкой точностью измерений пеленга подвижного объекта на равносигнальном направлении и направлениях, близких к нему, обусловленной низкой крутизной пеленгационной характеристики (2) в указанных направлениях при фиксированном отношении d/λ. Во-вторых, не возможно определить сторону отклонения подвижного объекта от равносигнального направления. Последнее обусловлено тем, что отношение амплитуд сигналов E₁/E₂ на выходе амплитудного дискриминатора величина всегда положительная, поэтому пеленгационная характеристика (2) имеет симметричный вид относительно равносигнального направления.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемой радионавигационной системе является устройство для измерения пеленга подвижного объекта (патент СССР №1251003 М. кл.⁴ G01S, 3/02, приоритет от 29.01.85) [6]. Это устройство содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными собственными поляризациями и расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга и расположенных на подвижном объекте приемную всеполяризованную антенну, линейный поляризационный разделитель, амплитудно-фазовый дискриминатор и вычислитель, при этом выход приемной всеполяризованной антенны подключен к входу линейного поляризационного разделителя, а два его выхода подключены к двум входам амплитудно-фазового дискриминатора, а его выход подключен к входу вычислителя, причем линейный поляризационный разделитель ориентирован так, что орты его собственной системы координат совпадают с осями плеч прямоугольных волноводов и ориентированы под углом θ=45° к плоскости измерений.

Работа устройства заключается в том, что передатчик через подключенные к нему двумя передающими антеннами одновременно из двух точек излучают ортогонально эллиптически поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн.

На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна, вектор Джонса которой в декартовом поляризационном базисе имеет вид [6]

E ˙ → Σ = [ cos ε + j sin ε e j Δ ϕ j sin ε + cos ε e j Δ ϕ ] ,                                                  ( 4 )

где ε - угол эллиптичности излучаемых ортогонально поляризованных электромагнитных волн,

Δ ϕ = 2 π d λ sin α - фазовый сдвиг между ортогонально эллиптически поляризованными электромагнитными волнами в точке приема в направлении α, (λ - длина волны),

полностью принимается всеполяризованной приемной антенной, после чего сигнал поступает на вход линейного поляризационного разделителя, орты собственной системы координат которого совпадают с осями плеч прямоугольных волноводов и ориентированы под углом θ=45° к плоскости измерений. Линейный поляризационный разделитель разделяет поступающую на его вход суммарную электромагнитную волну, на две линейные ортогональные по поляризации электромагнитные волны. В этом случае сигналы на выходах плеч линейного поляризационного разделителя, опуская временную зависимость сигналов, определяются с помощью преобразований [6]

E ˙ 1 = [ 1 0 0 0 ] [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] [ cos ε + j sin ε e j Δ ϕ j sin ε + cos ε e j Δ ϕ ] ,

E ˙ 2 = [ 0 0 0 1 ] [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] [ cos ε + j sin ε e j Δ ϕ j sin ε + cos ε e j Δ ϕ ] ,

где [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] - оператор перехода из декартового поляризационного базиса, в котором записаны векторы Джонса излучаемых волн, в систему координат поляризационного разделителя;

[ 1 0 0 0 ] - оператор поляризатора первого плеча линейного поляризационного разделителя;

[ 0 0 0 1 ] - оператор поляризатора второго плеча линейного поляризационного разделителя.

После преобразований получим аналитические выражения для сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на выходе линейного поляризационного разделителя вида:

E ˙ 1 = cos θ cos ε + j cos θ sin ε e j Δ ϕ − j sin θ sin ε − sin θ cos ε e j Δ ϕ ,                        ( 5 )

E ˙ 2 = sin θ cos ε + j sin θ sin ε e j Δ ϕ + j cos θ sin ε + cos θ cos ε e j Δ ϕ ,                        ( 6 )

С выходов плеч линейного поляризационного разделителя сигналы, описываемые аналитическими выражениями (5) и (6), поступают на входы амплитудно-фазового дискриминатора. Причем сигнал E ˙ 1 поступает на вход разностного канала, а сигнал E ˙ 2 поступает на вход суммарного канала амплитудно-фазового дискриминатора. Амплитуды A₁ и А₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе амплитудно-фазового дискриминатора имеют вид [6]

A 1 = 1 − sin 2 ε cos 2 θ sin Δ ϕ − sin 2 θ cos Δ ϕ ,                                            ( 7 )

A 2 = 1 + sin 2 ε cos 2 θ sin Δ ϕ + sin 2 θ cos Δ ϕ .                                            ( 8 )

Из анализа (7) и (8) видно, что амплитуды A₁ и A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе амплитудно-фазового дискриминатора зависят не только от измеряемого параметра разности фаз Δφ, но и от угла эллиптичности ε излучаемых электромагнитных волн и от угла ориентации θ собственной системы координат линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений. При θ=45° амплитуды A₁ и A₂, а также фазы ψ₁ и ψ₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе амплитудно-фазового дискриминатора имеют вид [6]

A 1 = 1 − cos Δ ϕ ,             ( 9 ) ψ 1 = π 2 − 2 ε − Δ ϕ 2 ,              ( 11 )

A 2 = 1 + cos Δ ϕ ,             ( 10 ) ψ 2 = 2 ε + Δ ϕ 2 ,              ( 12 )

а их разность фаз имеет вид

Δ ψ = ψ 1 − ψ 2 = π 2 − 2 ε .                                  ( 13 )

Таким образом, при θ=45° амплитуды A₁ и A₂ зависят только от измеряемого параметра разности фаз Δφ между принимаемыми на подвижном объекте ортогонально эллиптически поляризованными электромагнитными волнами от первой и второй передающих антенн и не зависят от угла эллиптичности ε этих волн. В то же время разность фаз Δψ между сигналами E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе амплитудно-фазового дискриминатора постоянна и, наоборот, определяется только углом эллиптичности ε излучаемых ортогонально поляризованных электромагнитных волн и не зависит от измеряемого параметра разности фаз Δφ.

Для обеспечения нормальной работы амплитудно-фазового дискриминатора необходимо, как отмечается в [6], чтобы разность фаз между сигналами, поступающими на его вход, была равна 90°, а амплитуды A₁ и А₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 определялись выражениями (9) и (10). Из анализа (13) видно, что для передающих антенн, излучающих линейно ортогонально поляризованные электромагнитные волны с углом эллиптичности ε=0°, это условие выполняется. В случае, если передающие антенны излучают в общем случае ортогонально эллиптические поляризованные электромагнитные волны с углом эллиптичности ε, то, как следует из (13), их разность фаз отличается от 90° на величину, равную удвоенному углу эллиптичности ε излучаемых электромагнитных волн. В этом случае необходимо излучать электромагнитные волны с равной амплитудой и длиной волны, но с начальной разностью фаз, равной удвоенному углу эллиптичности ε [6].

В амплитудно-фазовом дискриминаторе происходит преобразование по частоте и усиление с учетом работы автоматической регулировки усиления, осуществляющей на промежуточной частоте нормировку сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 относительно сигнала E ˙ 2 . В результате на выходе амплитудно-фазового дискриминатора формируется выходное напряжение, знак которого учитывает знак разности фаз Δφ сравниваемых сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 , пропорциональное отношению вида [6]

S ( α ) = k ⋅ A 1 A 2 = k ⋅ t g Δ ϕ 2 ,                                                    ( 14 )

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от идентичности амплитудно- и фазо-частотных характеристик приемных каналов.

Полагая k=1 из (14) следует, что

Δ ϕ = ± 2 a r c t g A 1 A 2 ± n 2 π ,                                                             ( 15 )

где n=0, 1, 2, ….

С выхода амплитудно-фазового дискриминатора сигнал поступает на вычислитель, где с учетом (1) и (15), производится операция расчета пеленга а подвижного объекта по формуле

α = arcsin [ λ π d ( ± a r c t g A 1 A 2 ± n π ) ] .                                                 ( 16 )

Зависимость измеряемого отношения A₁/A₂ (14) от угловой координаты α подвижного объекта, по сути, является пеленгационной характеристикой угломерного устройства. Пользуясь соотношением (14) с учетом (1), полагая k=1, можно показать, что крутизна пеленгационной характеристики в точке α=0 определяется соотношением

μ ( α ) = | d S ( α ) d α | α = 0 = | d d α t g ( π d λ sin α ) | α = 0 = π d λ .                                    ( 17 )

Таким образом, крутизна пеленгационной характеристики а, следовательно, и точность пеленгования растут с увеличением отношения d / λ .

Недостатком этой радионавигационной системы является низкая точность измерений пеленга α подвижного объекта, находящегося на равносигнальном направлении и направлениях, близких к равносигнальному. Этот недостаток обусловлен низкой крутизной пеленгационной характеристики в указанных направлениях, при фиксированном отношении d/λ.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема радионавигационной системы для измерения пеленга подвижного объекта.

Радионавигационная система содержит передатчик 1, передающие антенны 2 и 3, расположенные в точках с известными координатами и разнесенные в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, на борту подвижного объекта радионавигационная система содержит приемную всеполяризованную антенну 4, линейный поляризационный разделитель 5, коаксильно-волноводные переходы 6 и 7, суммарно-разностный блок 8, фазовый угловой дискриминатор 9 и вычислитель 10.

На фиг.2 представлена структурная электрическая схема фазового углового дискриминатора 9, включающего в себя первый смеситель частоты 11, второй смеситель частоты 12, фазовращатель на π/2 13, гетеродин 14, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ) с ограничением по амплитуде 15, второй УПЧ с ограничением по амплитуде 16, фазовый детектор 17.

Радионавигационная система работает следующим образом.

Передатчик 1, через подключенные к нему двумя передающими антеннами 2 и 3 излучает электромагнитные волны соответственно с горизонтальной и вертикальной ориентациями плоскости поляризации с равными амплитудами, фазами и длинами волн.

На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна, вектор Джонса которой в направлении α в декартовом поляризационном базисе, с учетом (4), при условии ε=0°, имеет вид:

E → ˙ Σ = [ 1 e j Δ ϕ ] ,                                               ( 18 )

где Δ ϕ = 2 π d λ sin α - фазовый сдвиг между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами в точке приема в направлении α, (λ - длина волны),

полностью принимается всеполяризованной антенной 4 и поступает на вход линейного поляризационного разделителя 5, орты собственной системы координат которого совпадают с осями плеч ортогонально расположенных по отношению друг к другу прямоугольных волноводов и ориентированы, в общем случае, под углом θ с плоскостью измерений.

Тогда ортогонально линейно поляризованные сигналы на выходах плеч линейного поляризационного разделителя 5, опуская временную зависимость сигналов, определяются с помощью преобразований вида:

E → ˙ 1 = [ 1 0 0 0 ] [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] [ 1 e j Δ ϕ ] ,                                    ( 19 )

E → ˙ 2 = [ 0 0 0 1 ] [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] [ 1 e j Δ ϕ ] ,                                       ( 20 )

где [ cos θ − sin θ sin θ cos θ ] - оператор перехода из декартового поляризационного базиса, в котором записаны векторы Джонса излучаемых волн, в систему координат поляризационного разделителя;

[ 1 0 0 0 ] - оператор поляризатора первого плеча линейного поляризационного разделителя;

[ 0 0 0 1 ] - оператор поляризатора второго плеча линейного поляризационного разделителя.

После преобразований получим аналитические выражения для сигналов E → ˙ 1 и E → ˙ 2 на выходе линейного поляризационного разделителя 5 вида:

E → ˙ 1 = cos θ − sin θ e j Δ ϕ ,                                                   ( 21 )

E → ˙ 2 = sin θ + cos θ e j Δ ϕ .                                                   ( 22 )

С выходов плеч линейного поляризационного разделителя 5, ориентированного под углом θ=45° к плоскости измерений, сигналы E → ˙ 1 и E → ˙ 2 , через соответствующие им коаксиально-волноводные переходы 6 и 7 поступают на входы суммарно-разностного блока 8 и имеют вид

E ˙ 1 = 2 2 ( 1 − e j Δ ϕ ) ,                                                       ( 23 )

E ˙ 2 = 2 2 ( 1 + e j Δ ϕ ) .                                                       ( 24 )

Соответственно амплитуды A₁ и А₂, а также фазы ψ₁ и ψ₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе суммарно-разностного блока 8 имеют вид:

A 1 = 1 − cos Δ ϕ ,             ( 25 ) ψ 1 = − a r c t g sin Δ ϕ 1 − cos Δ ϕ ,              ( 26 )

A 2 = 1 + cos Δ ϕ ,             ( 27 ) ψ 2 = a r c t g sin Δ ϕ 1 + cos Δ ϕ ,              ( 28 )

а их разность фаз, после преобразований имеет вид:

Δ ψ = ψ 1 − ψ 2 = π 2 .                                                                   ( 29 )

Из анализа (25) и (27) следует, что при θ=45° амплитуды сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе суммарно-разностного блока 8 зависят только от измеряемого параметра разности фаз Δφ между принимаемыми на борту подвижного объекта ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами от передающих антенн 2 и 3.

В то же время, из анализа (29) видно, что разность фаз Δφ между сигналами E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе суммарно-разностного блока 8 постоянна и, наоборот, не зависит от измеряемого параметра разности фаз Δφ.

На выходах суммарно-разностного блока 8 формируются нормированные, с точностью до постоянного коэффициента 1 / 2 , суммарный E ˙ Σ и разностный E ˙ Δ сигналы вида:

E ˙ Σ = 1 2 ⋅ ( E ˙ 1 + E ˙ 2 ) ,            ( 30 ) и E ˙ Δ = 1 2 ⋅ ( E ˙ 1 − E ˙ 2 ) .              ( 31 )

Подставляя (23) и (24) в (30) и (31) и вводя, для наглядности представлений, временную з