фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления

Формула изобретения

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 радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой , 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 фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой , сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличающийся тем, что устанавливают в угломестной плоскости вторую приемную антенну на расстоянии d₂ от первой приемной антенны, принимают на нее сигнал, усиливают и ограничивают его по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй приемными антеннами, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости, указанное напряжение возводят в квадрат, одновременно исходное напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, сдвигают по фазе на 90°, возводят его в квадрат, перемножают с исходным напряжением, пропорциональным разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, с использованием масштабирующего коэффициента, равного трем, и вычитают полученное произведение из исходного напряжения, пропорционального разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, второй степени, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

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, первый фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора, отличающийся тем, что он снабжен второй приемной антенной, третьим приемником, третьим перемножителем, третьим полосовым фильтром, четвертым фазовым детектором, двумя квадраторами, вторым фазовращателем на 90°, масштабирующим перемножителем и вычитателем, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, третий полосовой фильтр, четвертый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый квадратор и вычитатель, выход которого соединен с третьим входом индикатора, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, к выходу четвертого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй квадратор и масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, а выход подключен к второму входу вычитателя, вторая приемная антенна установлена в азимутальной плоскости на расстоянии d ₂ от первой приемной антенны.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источников излучения сложных сигналов.

Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ № № 2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.134.429, 2.155.352, 2.175.770, 2.290.658, 2.311.656; патенты Германии № № 2.127.087, 2.710.955; патенты Великобритании № № 1.395.599, 1.598.325; 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.130-138, и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ № 2.290.658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.

Известные технические решения инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, виду их модуляции (манипуляции) и ширине спектра, а точное и однозначное измерение угловой координаты осуществляется на частоте опорного генератора.

Однако известные технические решения обеспечивают точное и однозначное измерение угловой координаты (азимут) наземного источника излучения сигнала только в одной горизонтальной (азимутальной) плоскости и не позволят определить угол места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.).

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем точного и однозначного определения угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата.

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 вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой , 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 фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой , сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что устанавливают в угломестной плоскости вторую приемную антенну на расстоянии d₂ от первой приемной антенны, принимают на нее сигнал, усиливают и ограничивают его по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй приемными антеннами, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости, указанное напряжение возводят в квадрат, одновременно исходное напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, сдвигают по фазе на 90°, возводят его в квадрат, перемножают с исходным напряжением, пропорциональным разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, с использованием масштабирующего коэффициента, равного трем, и вычитают полученное произведение из исходного напряжения, пропорционального разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

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, первый фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен второй приемной антенной, третьим приемником, третьим перемножителем, третьим полосовым фильтром, четвертым фазовым детектором, двумя квадраторами, вторым фазовращателем на 90°, масштабирующим перемножителем и вычитателем, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, третий полосовой фильтр, четвертый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый квадратор и вычитатель, выход которого соединен с третьим входом индикатора, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, к выходу четвертого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй квадратор и масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, а выход подключен к второму входу вычитателя, вторая приемная антенна установлена в азимутальной плоскости на расстоянии d₂ от первой приемной антенны.

Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый фазовый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1, 21, 2i·(i=1, 2, , n) и источника радиоизлучений ИРИ показано на фиг.2.

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 первого полосового фильтра 15, первый фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5, и индикатор 10. К первому выходу опорного генератора 5 последовательно подключен генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i·(i=1,2, , n), размещенных по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения со скоростью вокруг первой приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и второй приемник 4, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя 14. К выходу первого полосового фильтра 15 последовательно подключены второй перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора 5, а выход подключен к второму входу индикатора 10.

К выходу второй приемной антенны 21 последовательно подключены третий приемник 22, третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13 промежуточной частоты, третий полосовой фильтр 24, четвертый фазовый детектор 25, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, первый квадратор 26 и вычитатель 30, выход которого подключен к третьему входу индикатора 10, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25. К выходу четвертого фазового детектора 25 последовательно подключен второй фазовращатель 27 на 90°, второй квадратор 28 и масштабирующий перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25, а выход подключен к второму входу вычитателя 30.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн):

U₁(t)=Vc·cos[( c± )·t+ k(t)+ ₁],

U₂(t)=Vc·cos[( c± )·t+ k(t)+ ₁+2 (d/ )·cos( ·t- )],

U₃(t)=Vc·cos[( c± )·t+ k(t)+ ₂], 0 t Tc,

где Vc, c, ₁, ₂, Tc - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов;

± - нестабильность несущей частоты сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;

k(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, причем k(t)=const при k· э<t<(k+1)· э и может изменяться скачком при t=k· э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, , N-1);

э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс·(Тс=N· э);

d - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 2.i·(i=1, 2, , n) (измерительная база);

- скорость электронного вращения приемных антенн 2.i-(i=1, 2, , n) вокруг приемной антенны 1;

- пеленг (азимут) на источник излучения сигнала;

с выходов приемных антенн 1, 2.i·(i=1, 2, , n) и 21 непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3, 4 и 22, а затем на первые входы смесителя 12, перемножителей 14 и 23 соответственно. На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение:

Uг(t)=Vг·cos( г·t+ _г].

На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:

Uпр(t)=Vпр·cos[( пр± )·t+ k(t)+ пр], 0 t Tc,

где Vпp=¹/₂Vс·Vг;

пр= с- г - промежуточная частота;

пр= с- г,

которое подается на вторые входы перемножителей 14 и 23. На выходе перемножителя 14 образуется фазомодулированное (ФМ) колебание на частоте г гетеродина 11:

U₃(t)=V ₃·cos[ г·t+ г+2 (d/ )·cos( ·t- )], 0 t Tc,

где V₃=¹/ ₂Vc·Vпp,

которое выделяется полосовым фильтром 15 и поступает на первые входы фазового детектора 17, линии задержки 16 и перемножителя 18. На второй вход последнего подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение:

U ₄(t)=V₄·cos[2 (d/ )·cos( ·t- )], 0 t Тс,

где V₄=¹/ ₂V₃·Vг;

которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20. На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение

U ₀(t)=V₀·cos ·t.

На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение:

Uн₁( )=Vн₁·cos ,

где Vн₁=¹/₂ V₄·V₀,

которое фиксируется индикатором 10.

Так формируется шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости, которая является точной, но неоднозначной шкалой.

Одновременно фазоманипулированное колебание U₃(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии задержки 16 и фазового детектора 17.

В фазоманипулированном напряжении U₃(t) величина m =2 ·d/ , 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.

Приемные антенны 2.i·(i=1, 2, , n) поочередно с частотой коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазным генератором 6 импульсов. Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5:

U₀(t)=V ₀·cos ·t.

Однако при d/ >¹/₂ наступает неоднозначность отсчета угла . Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазового пеленгатора. Кроме того, в диапазонах метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения d/ 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/ . Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U₃(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки линии задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины:

m ₁=2 ·d₁/ ,

где d₁<d,

при которой справедливо неравенство:

d₁ / <¹/₂,

обеспечивающее однозначную пеленгацию источника излучения сигнала в азимутальной плоскости. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоничное напряжение:

U₅(t)=V₅·cos( ·t- )], 0 t Tc,

где V₅=¹/ ₂V₃ ²,

которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение U₀(t). На выходе фазового детектора 9 образуется напряжение:

Uн₂ ( )=Vн₂·sin ,

где Vн₂=¹/₂ V₅·V₀,

которое фиксируется индикатором 10.

Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости.

На второй вход перемножителя 23 с выхода усилителя 13 промежуточной частоты подается напряжения Uпp(t). На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение на частоте г гетеродина 11:

U₆(t)=V ₆·cos( г·t+ г+ ), 0 t Tc,

где V₆=¹/ ₂Vc·Vпp;

= ₂- ₁=2 ·d₂/ ·cos ,

d₂ - расстояние между приемными антеннами 1 и 21 (измерительная база);

- длина волны;

- угол места источника радиоизлучений ИРИ;

которое выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на первый вход фазового детектора 25, на второй вход которого подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе фазового детектора 25 образуется напряжение

Uн₃( )=Vн₃·cos , 0 t Тс,

где V₃=¹/ ₂V₆·Vг;

=2 ·d₂/ ·cos ,

которое фиксируется индикатором. 10.

Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.

Одновременно напряжение Uн₃( ) с выхода фазового детектора 25 поступает на входы первого квадратора 26 и второго фазовращателя 27 на 90°. На выходе квадратора 26, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение Uн₃ ( ), формируется следующее напряжение:

U ₇( )=V₇·cos² ,

где V₇=¹/₂ Vн₃ ²,

которое поступает на первый вход вычитателя 30.

На выходе второго фазовращателя 27 на 90° образуется напряжение:

U₈ ( )=-Vн₃·sin ,

которое поступает на два входа второго квадратора 28. На выходе последнего формируется напряжение:

U₉( )=V₉·sin² ,

где V₉=¹/₂ Vн₃ ².

Это напряжение поступает на первый вход масштабирующего перемножителя 29, на второй вход которого подается напряжение Uн₃( ) с выхода фазового детектора 25. Масштабирующий коэффициент Км масштабирующего перемножителя 29 выбран равным 3 (Км=3). На выходе масштабирующего перемножителя 29 формируется напряжение:

U₁₀( )=3V₁₀·cos ·sin² ,

где V₁₀=¹/₂ Vн₃·V₉,

которое поступает на второй вход вычитателя 30. На выходе последнего формируется напряжение:

U₁₁( )=V₁₁·cos3 ,

где V₁₁=V₇-3V ₁₀,

=2 ·d₂/ ·cos , 3 =2 ·3d₂/ ·cos ,

которое фиксируется индикатором 10. Это напряжение пропорционально утроенному значению разности фаз между сигналами, принимаемыми двумя приемными антеннами 1 и 21, и соответствует измерительной базе 3d₂.

Так формируется точная, но неоднозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости. Причем между измерительными базами устанавливают следующее неравенство:

.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают точное и однозначное определение угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.). При этом используются две измерительные базы: малая d₂ - грубая, но однозначная, и большая 3d₂ - точная, но неоднозначная, между которыми устанавливают следующее неравенство:

.

Причем точную, но неоднозначную измерительную базу 3d₂ формируют косвенным методом. Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.