Амплитудный радиопеленгатор (варианты)

Амплитудный радиопеленгатор (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована для определения пространственных параметров радиоизлучений.

Известен амплитудный радиопеленгатор (см. Мезин В.К. Автоматические радиопеленгаторы. - М.: Сов. радио, 1969, стр. 184-185), содержащий последовательно соединенные антенную систему (AC), приемное устройство и блок индикации. В зависимости от диапазона частот в качестве AC используют рамочную антенну или AC с узким лучом диаграммы направленности (например, логопериодическую).

Недостатком аналога является низкая точность измерения пространственных параметров сигналов источников радиоизлучений (см. Вартанесян В.А. Спортивная радиопеленгация. - М.: ДОСААФ, 1980 г.).

Известен амплитудный радиопеленгатор (см. Pat. US 3939477, Fig. 11, 17 Feb. 1976), содержащий антенную систему, четыре сумматора, коммутатор, двухканальное радиоприемное устройство, блок управления и блок индикации. Устройство обеспечивает более высокую точность определения направления на источник радиоизлучения за счет использования большей размерности антенной системы. Недостатком аналога является относительно низкая точность результатов выполняемых измерений.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемым устройствам является автоматический секторный радиопеленгатор "Вулленвефер" (см. Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. - М.: Сов. радио, 1966, стр. 134-135).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные антенную систему, антенный коммутатор, двухканальное радиоприемное устройство, вычислитель и блок индикации, блок управления, первый выход которого соединен со входом управления антенного коммутатора, а второй выход - со входом управления вычислителя (см. Гавеля Н.П., Истракшин А.Д., Муравьев Ю.К., Серков В.П./Под ред. Ю.К.Муравьева. Антенны. Ч.1. - Л.: ВАС, 1961, стр. 494-500).

Рабочий сектор прототипа определяют две группы вибраторов AC, выбранные в направлении источника радиоизлучения (ИРИ). При "суммарном" (синфазном) их включении формируют диаграмму направленности (ДН) с одним лепестком. При разносном (противофазном) включении групп вибраторов образуют двухлепестковую ДН. Определение направления прихода сигналов ИРИ осуществляют соответственно по их максимальному или минимальному уровню.

Известны другие варианты реализации прототипа для различных диапазонов частот (см. Rohde&Schwarz&Co. KG http://www.rohde-schwarz.com). Прототип обеспечивает повышение точности измерения пространственных параметров сигналов. Однако положительный эффект достигается благодаря существенному увеличению габаритных размеров и усложнению устройства. Фазирование и переключение антенных элементов (АЭ) осуществляется фазовым коммутатором, содержащим две неоднородные линии задержки. Время задержки сигналов от одного вибратора к другому меняется по синусоидальному закону. Уменьшение количества АЭ и расстояния между ними влечет за собой снижение точностных характеристик.

Другим недостатком прототипа является лишь частичное использование информации об электромагнитном поле оцениваемого сигнала вследствие задействования для этой цели лишь части пространственно разнесенных антенных элементов (например, двенадцати из сорока). Последнее обстоятельство снижает точность измерений (см. Torrieri D.J. Princieples of military communications system. Dedham, Massachusetts. Artech Hause, inc., 1981. - 298 p.).

Целью заявляемых технических решений является разработка малогабаритного амплитудного радиопеленгатора при сохранении в значительной степени его высоких точностных характеристик благодаря более полному учету информации о поле сигнала в пространственно-разнесенных точках.

Поставленная цель в первом варианте реализации заявляемого устройства достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно соединенные антенную систему, антенный коммутатор и двухканальное радиоприемное устройство, первый вычислитель, блок индикации, отличающийся тем, что дополнительно введены двухканальный аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор, последовательно соединенные второй вычислитель, сумматор, блок поиска максимума, дешифратор, третий вычислитель и блок усреднения, группа информационных выходов которого соединена с группой информационных входов блока индикации, группа информационных выходов второго вычислителя соединена со второй группой информационных входов дешифратора, а группа информационных входов - с группой информационных выходов первого вычислителя, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов двухканального аналого-цифрового преобразователя, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с первым и вторым информационными выходами двухканального радиоприемного устройства, а выход тактового генератора соединен с тактовыми входами антенного коммутатора и двухканального аналого-цифрового преобразователя, входами синхронизации первого, второго и третьего вычислителей, блока усреднения, сумматора, блока поиска максимума и дешифратора.

При этом антенная система выполнена из восьми антенных элементов, равномерно расположенных вокруг цилиндрического рефлектора.

Первый вычислитель определяет нормированные уровни сигналов на выходах антенных элементов U_i, i=2, 3,…, 8, относительно уровня сигнала на выходе первого антенного элемента U 1 : h 1 i = U i / U 1 . В свою очередь второй вычислитель определяет отношение нормированных сигналов в четырех диаметрально отстоящих друг от друга антенных элементах: h 5 1 ;   h 6 2 ;   h 7 3   и   h 8 4 , а также в восьми парах элементов, номера которых отличаются на две единицы: h 3 1 ;   h 7 1 ;   h 4 2 ;   h 8 2 ;   h 5 3 ;   h 6 4 ;   h 7 5   и   h 8 6 в соответствии с выражением h j i = h 1 i / h 1 j ,   i ,   j = 2,3, … ,   8,   i ≠ j .

Третий вычислитель определяет оценочные значения направления прихода сигнала φ в соответствии с выражениями:

t g ϕ = ( h p p − 2 − h p p + 2 ) + ( h p p − 1 − h p p + 1 ) + ( h p p − 3 − h p p + 3 ) ( 1 − h p p + 4 ) + ( h p p + 1 − h p p + 3 ) + ( h p p − 1 − h p p − 3 ) ,

t g ( ϕ − π 4 ) = ( h p p − 3 − h p p + 1 ) + ( h p p − 2 − 1 ) + ( h p p + 4 − h p p + 2 ) ( h p p − 1 − h p p + 3 ) + ( h p p − 2 − h p p + 4 ) + ( 1 − h p p + 2 ) ,

t g ( ϕ + π 4 ) = ( h p p − 1 − h p p + 3 ) + ( 1 − h p p + 2 ) + ( h p p − 2 − h p p + 4 ) ( h p p + 1 − h p p − 3 ) + ( h p p + 2 − h p p + 4 ) + ( 1 − h p p − 2 ) ,

где p - номер антенного элемента, выбранного в качестве опорного.

Поставленная цель во втором варианте реализации заявляемого устройства достигается тем, что в известном амплитудном радиопеленгаторе, содержащем антенную систему, радиоприемное устройство, первый вычислитель и блок индикации, отличающемся тем, что дополнительно введены тактовый генератор, восьмиканальный аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные сумматор, блок поиска максимума, дешифратор, второй вычислитель и блок усреднения, группа информационных выходов которого соединена с группой информационных входов блока индикации, а группа информационных входов сумматора соединена с группой информационных выходов первого вычислителя и второй группой информационных входов дешифратора, группа информационных входов восьмиканального аналого-цифрового преобразователя соединена с группой информационных выходов радиоприемного устройства, выполненного восьмиканальным, а группа информационных выходов - с группой информационных входов первого вычислителя, выход тактового генератора соединен с тактовым входом восьмиканального аналого-цифрового преобразователя, входами синхронизации первого и второго вычислителей, блока усреднения, сумматора, блока поиска максимума и дешифратора, а информационные входы радиоприемного устройства соединены с выходами соответствующих антенных элементов антенной системы.

При этом антенная система амплитудного радиопеленгатора выполнена из восьми антенных элементов, равномерно расположенных вокруг цилиндрического рефлектора.

Первый вычислитель амплитудного радиопеленгатора определяет отношение уровней сигналов в четырех диаметрально отстоящих друг от друга антенных элементах: h 5 1 ;   h 6 2 ;   h 7 3   и   h 8 4 , а также в четырнадцати парах элементов: h 3 1 ;   h 7 1 ;   h 4 2 ;   h 8 2 ;   h 5 3 ;   h 6 4 ;   h 7 5 ;   h 6 8 ;   h 1 8 ;   h 1 2 ;   h 7 8 ;   h 6 5 ;   h 7 6 ;   и   h 2 3 в соответствии с выражением h j i = U i / U j ; где U_i, U_j - уровни сигналов на выходах i-го и j-го антенных элементов соответственно, i,j=1,2,3,…, 8, i≠j.

В свою очередь, второй вычислитель определяет оценочные значения направления прихода сигнала φ в соответствии с выражениями:

t g ϕ = h p p − 2 ( 1 − h p − 2 p + 2 ) + h p − 2 p − 1 ( 1 − h p − 1 p + 1 ) + h p − 2 p − 3 ( 1 − h p − 3 p + 3 ) ( 1 − h p p + 4 ) + h p p + 1 ( 1 − h p + 1 p + 3 ) + h p p − 1 ( 1 − h p − 1 p − 3 ) ,

t g ( ϕ − π 4 ) = h p − 1 p − 3 ( 1 − h p − 3 p + 1 ) + h p − 3 p − 2 ( 1 − h p − 2 p ) + h p − 3 p + 4 ( 1 − h p + 4 p + 2 ) ( 1 − h p − 1 p + 3 ) + h p − 1 p − 2 ( 1 − h p − 2 p + 4 ) + h p − 1 p ( 1 − h p p + 2 ) ,

t g ( ϕ + π 4 ) = h p + 1 p − 1 ( 1 − h p − 1 p + 3 ) + h p − 1 p ( 1 − h p p + 2 ) + h p − 1 p − 2 ( 1 − h p − 2 p + 4 ) ( 1 − h p + 1 p − 3 ) + h p + 1 p + 2 ( 1 − h p + 2 p + 4 ) + h p + 1 p ( 1 − h p p − 2 ) ,

где p - номер антенного элемента, выбранного в качестве опорного.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что исключен ряд сложных в реализации элементов, а исполнение антенной системы резко упрощено и с учетом вновь введенных блоков и связей позволяет достичь цели изобретения: разработать два варианта упрощенного малогабаритного амплитудного радиопеленгатора при сохранении в значительной степени его точностных характеристик.

Заявляемые устройства поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - обобщенная структурная схема первого варианта реализации амплитудного радиопеленгатора;

на фиг.2 - обобщенная структурная схема второго варианта реализации амплитудного радиопеленгатора;

на фиг.3 иллюстрируется внешний вид антенной системы;

на фиг.4 показан порядок нумерации антенных элементов антенной системы после назначения опорного антенного элемента p;

на фиг.5 - алгоритм работы первого варианта реализации амплитудного радиопеленгатора;

на фиг.6 - алгоритм работы второго варианта реализации амплитудного радиопеленгатора;

на фиг.7 - рисунки, поясняющие работу устройства:

а) выбранные соотношения сигналов h j i для первого варианта реализации амплитудного пеленгатора;

б) порядок формирования суммы первой тройки отношений сигналов ψ 5 1 ;

на фиг.8 иллюстрируется зависимость среднеквадратичного отклонения пеленгов от истинного значения при различных отношениях сигнал/шум;

на фиг.9 показана зависимость необходимого числа измерений для обеспечения заданной точности оценивания с вероятностью 0,9.

Сущность изобретения состоит в следующем. Устройство-прототип, реализующее амплитудный метод определения направления прихода радиосигнала, обеспечивает высокую точность измерений. Однако ему присущи большие габариты, высокая сложность реализации, что влечет за собой, кроме того, его значительную себестоимость, жесткие требования к месту для его развертывания, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала и т.д. Упрощение антенной системы (наиболее сложного элемента) путем уменьшения количества антенных элементов приводит к снижению точностных характеристик измерителя. В предлагаемых малогабаритных (по сравнению с прототипом) амплитудных радиопеленгаторах упрощение антенной системы в совокупности с исключением фазового коммутатора (в первом варианте - заменой на обычной) компенсируется набором более полной статистики об электромагнитном поле в зоне измерений. В процессе обработки участвуют принятые (для второго варианта - одновременно) излучения всеми пространственно разнесенными антенными элементами. Теоретическое обоснование принятых технических решений приведено в Приложении.

Первый вариант реализации амплитудного пеленгатора (см. фиг.1 и 5) содержит последовательно соединенные антенную систему 1, антенный коммутатор 2 и двухканальное радиоприемное устройство 3, первый вычислитель 5, блок индикации 12.

Для разработки упрощенного малогабаритного амплитудного радиопеленгатора при сохранении в значительной степени его точностных характеристик благодаря более полному учету информации о поле сигнала в пространственно разнесенных точках дополнительно введены двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4, тактовый генератор 13, последовательно соединенные второй вычислитель 6, сумматор 7, блок поиска максимума 8, дешифратор 9, третий вычислитель 10 и блок усреднения 11, группа информационных выходов которого соединена с группой информационных входов блока индикации 12, группа информационных выходов второго вычислителя соединена со второй группой информационных входов дешифратора 9, а группа информационных входов второго вычислителя 6 соединена с группой информационных выходов первого вычислителя 5, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов двухканального аналого-цифрового преобразователя 4, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с первым и вторым информационными выходами двухканального радиоприемного устройства 3, а выход тактового генератора 13 соединен с тактовыми входами антенного коммутатора 2 и двухканального аналого-цифрового преобразователя 4, входами синхронизации первого 5, второго 6 и третьего 10 вычислителей, блока усреднения 11, сумматора 7, блока поиска максима 8 и дешифратора 9.

Работа двухканального амплитудного радиопеленгатора (первого варианта исполнения) осуществляется следующим образом (см. фиг.1, 5). С помощью блоков 1-3 осуществляются поиск и обнаружение сигналов ИРИ в заданной полосе частот ΔF. Принимаемые антенной системой 1 сигналы на частоте f_v поступают на соответствующие входы антенного коммутатора 2. В задачу последнего входит обеспечение последовательного подключения выхода одного из антенных элементов i, i=2, 3,… 8, ко второму информационному входу блока 3. На первый (опорный) вход постоянно подключается выход первого антенного элемента. В задачу двухканального радиоприемного устройства 3 входят усиление сигналов, их фильтрация и перенос (при необходимости) на промежуточную частоту, например 10,7 МГц. С выходов приемных трактов блока 3 сигналы поступают на соответствующие входы двухканального аналого-цифрового преобразователя 4, где их амплитуды U_i и U₁ синхронно преобразуют в цифровую форму. Полученные значения U₁ и U_i, i=2,3,…, 8, далее поступают на соответствующие входы первого вычислителя 5.

В функции блока 5 входит нахождение нормированных относительно уровня сигнала на выходе первого АЭ значений в соответствии с выражением h 1 i = U i / U 1 , i=2, 3, …, 8. Выполнение данной операции необходимо для приведения уровней сигналов, измеренных в различные моменты времени, к общим условиям.

Измеренные в блоке 5 значения h 1 i поступают на группу информационных входов второго вычислителя 6. Здесь находится отношение сигналов в четырех парах диаметрально отстоящих друг от друга антенных элементах ( h 5 1 ;   h 6 2 ;   h 7 3   и   h 8 4 ) , а также в восьми парах элементов, номера которых отличаются на две единицы ( h 3 1 ;   h 7 1 ;   h 4 2 ;   h 8 2 ;   h 5 3 ;   h 6 4 ;   h 7 5   и   h 8 6 ) . Вычисление осуществляют по формуле

h j i = h 1 i / h 1 j .

На следующем этапе в сумматоре 7 на основе полученных в блоке 6 результатов определяют суммы фаз отношений сигналов в четырех тройках. Последние составляются следующим образом (см. фиг.7,б). К фазе отношения сигналов противоположных антенных элементов ("большой базы") прибавляются фазы отношения сигналов с "малой базой", параллельных "большой" следующим образом:

ψ 5 1 = arg ( h 5 1 ) + arg ( h 4 2 ) + arg ( h 6 8 ) ;

ψ 6 2 = arg ( h 6 2 ) + arg ( h 5 3 ) + arg ( h 7 1 ) ;

ψ 7 3 = arg ( h 7 3 ) + arg ( h 6 4 ) + arg ( h 8 2 ) ;   ( 1 )

ψ 8 4 = arg ( h 8 4 ) + arg ( h 1 3 ) + arg ( h 7 5 ) .

Найденные в блоке 7 значения ψ j i поступают на вход блока поиска максимума 8. В функции последнего входит нахождение тройки, у которой сумма фаз отношений сигналов максимальна. На основе полученных результатов определяется направление прихода электромагнитной волны с точностью до ±π/4. Для этого находится знак максимальной суммы отношений ψ j i . Если последний отрицательный, то ориентировочное направление распространения электромагнитной волны от i-го к j-му АЭ, в противном случае - от j-го к i-му АЭ.

Далее в дешифраторе 9 выполняется перенумерация антенных элементов в зависимости от предварительной информации о направлении распространения электромагнитной волны, которая поступает на первую группу информационных входов. На второй группе информационных входов блока 9 присутствуют текущие значения h j i , которые поступают с группы информационных выходов второго вычислителя 6. Порядок новых присвоений приведен в таблице.

Таблица присвоений
№№ элементов Напр. распр.	1	2	3	4	5	6	7	8
1→5	p	p+1	р+2	р+3	р+4	р-3	р-2	р-1
2→6	р-1	p	р+1	р+2	р+3	р+4	р-3	Р-2
3→7	р-2	р-1	p	р+1	р+2	р+3	р+4	р-3
4→8	р-3	р-2	р-1	p	р+1	р+2	Р+3	р+4
5→1	р+4	р-3	р-2	р-1	p	р+1	р+2	р+3
6→2	р+3	р+4	р-3	р-2	р-1	p	р+1	р+2
7→3	р+2	р+3	р+4	р-3	р-2	р-1	P	р+1
8→4	р+1	р+2	р+3	р+4	р-3	р-2	р-1	p

Данная операция эквивалентна назначению опорного антенного элемента φ, необходимого для использования при определении оценочных значений φ в третьем вычислителе 10. Последние в блоке 10 находятся в соответствии с выражениями (19)÷(21) Приложения.

В качестве истинного значения φ принимается усредненное в блоке 11 оценочное значение ϕ ¯ , которое в заданной форме отображается блоком 12. Синхронность выполнения названных операций блоками 2, 4-11 обеспечивается импульсами тактового генератора 13.

Второй вариант реализации амплитудного радиопеленгатора (см. фиг.2 и 6) содержит антенную систему 14, радиоприемное устройство 15, первый вычислитель 17 и блок индикации 23.

Для создания упрощенного малогабаритного амплитудного пеленгатора при сохранении в значительной степени его точностных характеристик благодаря более полному учету информации о поле сигнала в пространственно разнесенных точках дополнительно введены тактовый генератор 24, восьмиканальный аналого-цифровой преобразователь 16, последовательно соединенные сумматор 18, блок поиска максимума 19, дешифратор 20, второй вычислитель 21 и блок усреднения 22, группа информационных выходов которого соединена с группой информационных входов блока индикации 23, а группа информационных входов сумматора 18 соединена с группой информационных выходов первого вычислителя 17 и второй группой информационных входов дешифратора 20, группа информационных входов восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 16 соединена с группой информационных выходов радиоприемного устройства 15, выполненного восьмиканальным, а группа информационных выходов - с группой информационных входов первого вычислителя 17, выход тактового генератора 24 соединен с тактовым входом восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 16, входами синхронизации первого 17 и второго 21 вычислителей, блока усреднения 22, сумматора 18, блока поиска максимума 19 и дешифратора 20, а информационные входы восьмиканального радиоприемного устройства 15 соединены с выходами соответствующих антенных элементов антенной системы.

Работа восьмиканального амплитудного радиопеленгатора (второй вариант исполнения) осуществляется следующим образом. С помощью блоков 14 и 15 выполняется одновременный прием сигналов в заданной полосе частот ΔF. Принимаемые восьмиэлементной антенной системой 14 сигналы на частоте f_v поступают на соответствующие входы восьмиканального радиоприемного устройства 15.

В восьмиканальном радиоприемном устройстве 15 выполняются одновременное усиление сигналов, поступающих с выходов всех АЭ, их фильтрация и перенос (при необходимости) на промежуточную частоту, например 10,7 МГц. С выходов приемных трактов блока 15 сигналы параллельно поступают на соответствующие входы восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 16, где их амплитуды U_i синхронно преобразуются в цифровую форму. Полученные одновременно значения U_i, i=1,2,…, 8, далее поступают на соответствующие входы первого вычислителя 17.

В функции блока 17 входит нахождение отношений уровней сигналов в четырех диаметрально отстоящих друг от друга антенных элементах ( h 5 1 ;   h 6 2 ;   h 7 3   и   h 8 4 ) , а также в четырнадцати парах элементов ( h 3 1 ;   h 7 1 ;   h 4 2 ;   h 8 2 ;   h 5 3 ;   h 6 4 ;   h 7 5 ;   h 6 8 ;   h 1 8 ;   h 1 2 ;   h 7 8 ;   h 6 5 ;   h 7 6 ;   и   h 2 3 ) в соответствии с выражением h 1 i = U i / U 1 , i, j - номера антенных элементов. В данном варианте исполнения амплитудного радиопеленгатора отпала необходимость в выполнении операции нормирования значений U_i-х уровней сигналов, i=2, 3,…, 8, к величине U₁ вследствие одновременного их приема.

Следующие три этапа работы устройства совпадают с выполняемыми операциями амплитудного радиопеленгатора по первому варианту реализации. В сумматоре 18 на основе полученных блоком 17 результатов определяют суммы фаз отношений сигналов в четырех тройках (1). Найденные в блоке 18 значения ψ j i поступают на вход блока поиска максимума 19. По аналогии с блоком 8 в его функции входит нахождение тройки, у которой модуль суммы максимальный. На основе полученных результатов с учетом знака max   ψ j i определяется направление прихода электромагнитной волны с точностью до ±π/4.

В дешифраторе 20 выполняется перенумерация антенных элементов в зависимости от направления распространения электромагнитной волны. Порядок присвоений приведен в таблице (операция назначения опорного элемента p).

На следующем этапе во втором вычислителе 21 определяются оценочные значения пеленга сигнала φ в соответствии с выражениями

t g ϕ = h p p − 2 ( 1 − h p − 2 p + 2 ) + h p − 2 p − 1 ( 1 − h p − 1 p + 1 ) + h p − 2 p − 3 ( 1 − h p − 3 p + 3 ) ( 1 − h p p + 4 ) + h p p + 1 ( 1 − h p + 1 p + 3 ) + h p p − 1 ( 1 − h p − 1 p − 3 ) ;   ( 2 )

t g ( ϕ − π 4 ) = h p − 1 p − 3 ( 1 − h p − 3 p + 1 ) + h p − 3 p − 2 ( 1 − h p − 2 p ) + h p − 3 p + 4 ( 1 − h p + 4 p + 2 ) ( 1 − h p − 1 p + 3 ) + h p − 1 p − 2 ( 1 − h p −