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 решения задач определения местоположения подвижных объектов.

Известна радионавигационная система [1, 2], которая содержит источник электромагнитных волн, расположенный в точке с известными координатами и расположенные на подвижном объекте последовательно соединенные антенну, приемник и индикатор.

Недостатком этой радионавигационной системы является низкая точность измерений пеленга подвижного объекта при наличии ограничений на габариты приемной антенны. Этот недостаток обусловлен тем, что точность измерений главным образом определяется шириной диаграммы направленности приемной антенны. В свою очередь, ширина диаграммы направленности однозначно определяется размерами антенны, чем больше диаметр антенны, тем уже диаграмма направленности и, соответственно, тем выше точность измерений пеленга подвижного объекта.

Известна радионавигационная система [3, 4], в которой пеленг подвижного объекта определяется на основе измерения разности фаз напряжений 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.

Недостаток этой радионавигационной системы заключается в низкой точности 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 расстояния между приемными антеннами точность измерений пеленга подвижного объекта снижается.

Известна радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта [5]. Она 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. Приемо-индикатор содержит приемную антенну, выход которой соединен с входом 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 (или трех) 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 временной селекцией 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 [6]), 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 и 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 поляризованных электромагнитных волн по формуле [7]:

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 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. При этом вход секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной подключен к выходу приемной всеполяризованной антенны, а ее выход подключен к входу линейного поляризационного разделителя со стороны круглого волновода, два выхода которого со стороны прямоугольных волноводов подключены к соответствующим двум входам амплитудного дискриминатора, выход которого подключен к входу вычислителя. Причем четвертьволновая фазовая пластина ориентирована под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя.

Навигационная система для определения пеленга работает следующим образом.

Передатчик через подключенные к нему две передающие антенны, расположенные в точке с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучает 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. Причем фазовая пластина ориентирована под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя. Сочетание секции круглого волновода со 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. Последнее, как отмечается в [6], позволяет исключить влияние угла крена подвижного объекта на точность измерения его пеленга.

Затем сигналы с выходов плеч линейного поляризационного разделителя поступают на амплитудный дискриминатор, на выходе которого формируется напряжение, равное отношению амплитуд E₁/E₂ сигналов в виде [6]

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

Соотношение (2) является пеленгационной характеристикой угломерной навигационной системы. Причем напряжение на выходе амплитудного дискриминатора зависит только от разности фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, принимаемыми на подвижном объекте, и не завит от крена подвижного объекта [6].

Из (2) следует, что

Δ ϕ = 2 a r c t g E 1 E 2 ± n 2 π ,                                                              (3)

где n=0, 1, 2, ….

Выходной сигнал амплитудного дискриминатора поступает на вычислитель, где по измеренному отношению амплитуд сигналов с выходов плеч линейного поляризационного разделителя, с учетом (3) и (1), рассчитывается пеленг подвижного объекта по формуле [6]

α = arcsin [ λ 2 π d ⋅ ( 2 a r c t g E 1 E 2 ± 2 n π ) ] .                                           (4)

Этой навигационной системе присущ ряд недостатков. Во-первых, обладает низкой точностью измерения пеленга подвижного объекта на направлениях, близких к равносигнальному направлению, обусловленной небольшой крутизной пеленгационной характеристики (2) в указанных направлениях. Во-вторых, не возможно определить сторону отклонения подвижного объекта от равносигнального направления, поскольку отношение амплитуд E₁/E₂ на выходе амплитудного дискриминатора есть величина всегда положительная, то пеленгационная характеристика (2) имеет симметричный вид относительно равносигнального направления. B-третьих, соотношение (2) справедливо при соблюдении следующих двух условий: первое условие заключается в том, что фазовая пластина, расположенная внутри секции круглого волновода, должна быть строго четвертьволновой, а второе условие - фазовая пластина должна быть ориентирована строго под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя. Не соблюдение хотя бы одного из перечисленных условий приведет неизбежно к тому, что поляризационный базис, в котором принимаются ортогонально поляризованные электромагнитные волны, становится, в общем случае, эллиптическим [8]. Тогда отношение амплитуд E₁/E₂ на выходе амплитудного дискриминатора будет зависеть не только от разности фаз Δφ двух принятых сигналов, но и от угла эллиптичности и угла ориентации собственных векторов эллиптического поляризационного базиса, в котором осуществляется прием электромагнитных волн. Последнее означает, что отношение амплитуд E₁/E₂ будет также зависеть и от угла крена подвижного объекта, что приведет к искажению пеленгационной характеристики (2) и, следовательно, приведет к ошибке в измерении пеленга α.

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) [7]. 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 совпадаю 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 [7]

E → ⋅ Σ = [ cos ε + j sin ε e j Δ ϕ j sin ε + cos ε e j Δ ϕ ] ,                                             (5)

где ε - угол эллиптичности излучаемых ортогонально поляризованных электромагнитных волн,. 2nd.,

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 [7]

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 оазиса, 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 θ ε e j Δ ϕ − j sin θ sin ε − sin θ cos ε e j Δ ϕ ,             (6)

E ˙ 2 = sin θ cos ε + j sin θ sin θ ε e j Δ ϕ + j cos θ sin ε + cos θ cos ε e j Δ ϕ ,             (7)

С выходов плеч линейного поляризационного разделителя сигналы, описываемые аналитическими выражениями (6) и (7), 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 A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 на входе амплитудно-фазового дискриминатора имеют вид [7]

A 1 = 1 − sin 2 ε cos 2 θ sin Δ ϕ − sin 2 θ cos Δ ϕ ,                       (8)

A 2 = 1 + sin 2 ε cos 2 θ sin Δ ϕ + sin 2 θ cos Δ ϕ ,                       (9)

Из анализа (8) и (9) 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 [7]

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

A 2 = 1 + cos Δ ϕ ,    (11) ψ 2 = 2 ε + Δ ϕ 2 ,     (13)

а их разность фаз имеет вид

Δ ψ = ψ 1 − ψ 2 = π 2 − 2 ε .                               (14)

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 е 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 [7], чтобы разность фаз между сигналами, поступающими на его вход, была равна 90°, а амплитуды A₁ и A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 определялись выражениями (10) и (11). Из анализа (14) 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 s, то, как следует из (14), 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 [7].

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 [7]

S ( α ) = k ⋅ A 1 A 2 = k ⋅ t g Δ ϕ 2 ,                                                    (15)

где α - угол между перпендикуляром к середине базы d, образованной передающими антеннами и направлением на подвижный объект,

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

Полагая k=1 из (15) следует, что

Δ ϕ = ± 2 a r c t g A 1 A 2 ± n 2 π ,                                                   (16)

где n=0, 1, 2, ….

С выхода амплитудно-фазового дискриминатора сигнал поступает на вычислитель, где с учетом (16) и (1) 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 ) ] .                                  (17)

Зависимость измеряемого отношения A₁/A₂ (15) от угловой координаты α подвижного объекта, по сути является пеленгационной характеристикой угломерного устройства. Пользуясь соотношением (15), с учетом (5), можно показать, что крутизна пеленгационной характеристики в точке α=0 определяется соотношением

μ = | d ( A 1 / A 2 ) π d α = | d d α t g ( π d λ sin α ) α = 0 = π d λ .                       (18)

Из (18) следует, что для обеспечения высокой точности измерений пеленга α необходимо иметь возможно бóльшую крутизну пеленгационной характеристики, которая в свою очередь, определяется ростом отношения d/λ.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерений пеленга подвижного объекта.

Во-первых, этот недостаток обусловлен низкой крутизной пеленгационной характеристики (15) угломерного устройства на равносигнальном направлении и на направлениях близких к равносигнальному.

Во-вторых, при определении пеленга подвижного объекта необходимо строго соблюдать требование к ориентации линейного поляризационного разделителя под углом θ=45° относительно плоскости измерений. Только при этом необходимом и достаточном условии, как следует из (15), отношение амплитуд A₁/A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 с выходов плеч линейного поляризационного разделителя зависит только от искомой угловой координаты α подвижного объекта. Однако, приемная антенна и линейный поляризационный разделитель располагаются на подвижном и при возникновении крена подвижного объекта необходимое требование к ориентации линейного поляризационного разделителя под углом 45° к плоскости измерений не соблюдается и, в общем случае, θ≠45°. Причем, даже при принятии специальных мер по гиростабилизации приемной антенны и линейного поляризационного разделителя, с целью компенсации крена путем использования известных гироскопических систем ориентации [9-11], то все равно происходит постепенное накапливание ошибки компенсации крена с течением времени.

Так, например, применительно к летательным аппаратам, за один час полета ошибка составляет величину единицы градусов [10, 11], что, в нашем случае, на прямую приведет к ошибкам в определении пеленга подвижного объекта.

Для доказательства проведем теоретический анализ точности измерений пеленга α подвижного объекта от угла ориентации θ собственной системы координат линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений.

Чтобы исключить влияние угла эллиптичности ε излучаемых электромагнитных волн на точность измерения пеленга α подвижного объекта, анализ проведем для случая, когда передающие антенны излучают ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны, угол эллиптичности которых ε=0°.

Тогда подставляя в (8) и (9) значение ε=0° получим

A 1 = 1 − sin 2 θ cos Δ ϕ ,                                          (19)

A 2 = 1 + sin 2 θ cos Δ ϕ .                                          (20)

Из анализа (19) и (20) следует, что амплитуды A₁ и A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 с выходов плеч линейного поляризационного разделителя зависят не только от измеряемого параметра разности фаз Δφ между принимаемыми, на борту подвижного объекта, ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами от первой и второй передающих антенн, но и от угла ориентации θ линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений.

Подставляя (19) и (20) в (17) получим выражение для расчета пеленга α подвижного объекта вида:

α ( θ ) = arcsin [ λ 2 π d ( ± 2 a r c t g 1 − sin 2 θ cos Δ ϕ 1 + sin 2 θ cos Δ ϕ ± 2 n π ) ] .                    (21)

Из анализа (21) следует, что в общем случае, когда θ≠45° пеленг α подвижного объекта зависит не только от искомого измеряемого параметра разности фаз Δφ, но и от ориентации θ линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений. Последнее приведет к искажению пеленгационной характеристики (15) и, следовательно, приведет к ошибке определения пеленга α подвижного объекта.

Используя (21), исследуем зависимость ошибки измерения пеленга δ_α подвижного объекта от угла ориентации θ линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений.

По определению [12], ошибка измерения пеленга δ_α определяется как разность между измеренным значением α_изм и истинным значением α_ист угловой координаты подвижного объекта и определяется как

δ α = α и з м − α и с т .                                  (22)

При этом истинная угловая координата α_ист определяется в соответствии с (1) и устанавливает связь между истинным значением α_ист и истинной разностью фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами в точке приема на входе приемной всеполяризованной антенны (или на входе линейного поляризационного разделителя).

В свою очередь, измеренная угловая координата подвижного объекта α_изм рассчитывается в соответствии с полученным выражением (21) и устанавливает связь между измеренным значением угловой координаты α_изм и измеренной, с учетом (16), разностью фаз Δφ_изм по отношению амплитуд A₁/A₂ сигналов E ˙ 1 и E ˙ 2 с выходов плеч линейного поляризационного разделителя, ориентированного под углом θ относительно плоскости измерений. Из анализа (21) видно, что установленная связь между α_изм и Δφ_изм неоднозначна. Ширина зоны однозначного отсчета Δα в районе направлений, близких к нулевому, может быть определена из соотношения (21) подстановкой n=0 и A₁/A₂=∞, т.е.

Δ α = arcsin λ 2 d .                                                             (23)

При этом однозначное измерение разности фаз Δφ_изм, с учетом (15),; возможно в пределах (-π÷π) радиан. Тогда, подставляя (21) и (1) в (22) и полагая n=0, получим выражение для расчета ошибки измерения пеленга подвижного объекта δ_α в виде

δ α = arcsin [ λ π d ( ± a r c t g 1 − sin 2 θ cos Δ ϕ 1 + sin 2 θ cos Δ ϕ ) ] − arcsin ± ( λ 2 π d ⋅ Δ ϕ ) .          (24)

На фиг.1 представлена расчетная, в соответствии с (24), зависимость ошибки измерения пеленга δ_α подвижного объекта от истинной разности фаз Δφ в диапазоне изменения (0÷180°), для различных значений угла ориентации θ линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений. Кривые 1-6 соответствуют значениям θ=45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70° и рассчитаны для отношения d λ = 3 2 . При изменении истинной разности фаз Δφ в диапазоне (0÷-180°), кривые 1-6 отображаются зеркально и на фиг.1 не показаны, поскольку на оценку точности измерений это не повлияет. Угол θ отсчитывается от горизонтальной плоскости против движения часовой стрелки.

Из анализа фиг.1 следует, что только при ориентации линейного поляризационного разделителя строго под углом θ=45° к плоскости измерений α_изм=α_ист и, соответственно, ошибка измерения пеленга δ_α=0° при любом угловом положении подвижного объекта (зависимость 1).

В случаях, когда в θ≠45° возникают ошибки в измерении пеленга подвижного объекта и δ_α≠0°. При этом величина ошибки δ_α зависит, в общем случае, как от разности фаз Δφ, т.е. от истинного углового положения подвижного объекта α_ист, так и от угла ориентации θ линейного поляризационного разделителя относительно плоскости измерений и достигает своего наибольшего, по абсолютной величине, значения |δ_α|=max при Δφ=0° и Δφ=±180°, а своего наименьшего значения δ_α=0° достигает при Δφ=±90° (кривые 2-6). Причем, когда Δφ=0° или ±180°, что соответствует, с учетом (1), угловому положению подвижного объекта α_ист соответс