ФАЗОВЫЙ РАДИОПЕЛЕНГАТОР
PHASE RADIO DIRECTION FINDER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к фазовым радиопеленгаторам, и может быть использовано для определения угловых координат источника радиосигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Известен двухканальный фазовый радиопеленгатор с двумя ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых разнесены друг от друга на расстояние b, называемое базой. Данная система применяется для определения угла α, характеризующего направление на источник излучения (см. рис.2.9 на стр.26 в [1]).
Выходы антенн этого пеленгатора через приемники подключены к соответствующим входам фазометра, содержащего либо только фазовый детектор (см. рис.2.9 а в [1]), либо фазовый детектор и фазовращатель на 90° (см. рис.2.9 б в [1]). В первом случае зависимость выходного напряжения фазового детектора от угла α получается четной функцией угла, а чувствительность при малых α - низкой. Во втором случае пеленгационная характеристика получается нечетной функцией α, а чувствительность при малом α - наибольшей для данной системы. Точность определения угла в таком пеленгаторе повышается с увеличением отношения базы b к длине волны λ пеленгуемого источника (см. стр.27 в [1]). Однако увеличение базы приводит к возникновению неоднозначности измерений.
Для устранения неоднозначности (многозначности) при определении направления фазовым методом применяют многошкальное измерение направления [2]. В этом случае направление определяется измерителями, каждый из которых, кроме одного, обладает многозначностью. Цена деления шкалы и соответствующая ей ширина дорожки однозначности предполагается различной для каждого измерителя.
1
2
3
Ширина дорожек однозначности будет разной в каждой системе линий положения, точность измерения направления также будет неодинаковой. Цена деления шкалы первого, наиболее точного, измерителя и, соответственно, ширина дорожки Δk точного определения будут наименьшими. Цена деления шкалы второго более грубого измерителя Δk и соответственно ширина его дорожки предполагается в  большей, чем у первого. Ширина дорожки, соответствующей третьему измерителю Δk, будет в  раза большей чем для второго измерителя и т.д.
Для получения семейств линий положения с разными по ширине дорожками должны быть использованы периодические сигналы с разными по величине периодами. Такие сигналы могут быть образованы следующими тремя методами.
1
2
1
2
3
Метод с измерением направления на сильно отличающихся частотах [2]. Наземные станции излучают сигналы, частоты которых находятся в отношении К, К. Действительно, в этом случае разности фаз, измеренные на частотах f, f, f, будут равны
1
1
2
2
3
3
Δφ=fΔt, Δφ=fΔt, Δφ=fΔt,
где Δt - измеряемый временной интервал.
1
2
3
Предположим, что f>f>f. Тогда коэффициенты будут
м
1
м
Метод с измерением временного интервала модулированного сигнала [2]. Сигналы, излучаемые наземными станциями, модулированы по периодическому закону. При этом период модуляции равен Т. В этом случае многозначность измерения временного интервала Δt на несущей частоте с периодом T может быть устранена до уровня, определяемого величиной Т.
Метод разностных измерений направления на близких частотах [2]. Неподвижные станции излучают сигналы, разности частот несущих колебаний которых малы по сравнению с самими несущими:
1
i
n
f, …, f, …, f.
Тогда при измерении временного интервала Δt фазовым методом
1
2
i
n-1
n
Пусть f>f>--->f>--->f>f. Тогда могут быть образованы n-1 разности:
2
1
2
1
2
Δψ=(ψ-ψ)=(f-f)Δt;
3
1
3
1
3
Δψ=(ψ-ψ)=(f-f)Δt;
n
1
n
1
n
Δψ=(ψ-ψ)=(f-f)Δt.
Эти n-1 разности отсчетов вместе с величинами (2) представляют n-шкальное измерение Δt. Коэффициентами сопряжения в этом случае будут величины:
; ; .
1
3
0
2
Из известных радиопеленгаторов наиболее близким по технической сущности является описанный в [3] радиопеленгатор, содержащий три антенно-приемных канала, в которых выходы антенн подключены ко входам соответствующих приемников, блок демодуляции сигнала, входы которого подключены к соответствующим выходам приемников, блок логической обработки сигнала, входы которого соединены с соответствующими выходами блока демодуляции за счет того, что в нем разность длин баз (b-b) составляет величину , где λ - длина волны, α - граничное значение сектора измеряемых углов, а длина базы b определяется условием , и введен дополнительный антенно-приемный канал, причем выход антенны дополнительного антенно-приемного канала подключен ко входу соответствующего приемника, а блок демодуляции сигнала включает в себя три сумматора, три вычитателя и шесть амплитудных детекторов, блок логической обработки сигналов состоит из блоков формирования косинусной и синусной дискриминационных характеристик, выход первого приемника подключен к первым входам первого сумматора и первого вычитателя, выход второго приемника подключен ко вторым входам первого сумматора и первого вычитателя, к первым входам второго сумматора и второго вычитателя, выход третьего приемника подключен ко вторым входам второго сумматора и второго вычитателя, первым входам третьего сумматора и третьего вычитателя, выход четвертого приемника подключен ко вторым входам третьего сумматора и третьего вычитателя, выход каждого из сумматоров и вычитателей подключен ко входу соответствующего амплитудного детектора, а коэффициенты передачи по мощности второго и третьего приемников в два раза больше коэффициентов передачи первого и четвертого приемников, выход каждого из детекторов является выходом блока демодуляции и соединен с соответствующими входами блоков формирования косинусной и синусной дискриминационных характеристик, а выходы этих блоков являются выходами пеленгатора.
При таком расположении антенн в описанном пеленгаторе достигается однозначность измерении в секторе углов от -π/2 до π/2, а его дискриминационная характеристика имеет форму тангенсоиды.
Однако данный пеленгатор имеет сложную многобазовую структуру, не может работать в многосигнальной обстановке и не обеспечивает правильного и однозначного обнаружения сигналов.
Техническим результатом является получение однозначных измерений направления на источник ППРЧ сигнала в широком секторе углов с помощью двухканального приемника.
Достигается это тем, что фазовый радиопеленгатор содержит два приемника, каждый из которых снабжен антенной, выход первого приемника подключен к первому входу сумматора и первому входу вычитателя, второй вход каждого из которых подключен к выходу второго приемника, выход вычитателя через первый амплитудный детектор подключен к первому входу устройства логической обработки, выход сумматора через второй амплитудный детектор подключен ко второму входу устройства логической обработки, причем введены измеритель частоты, дифференцирующее устройство и формирователь тактовых импульсов, при этом вход измерителя частоты подключен к выходу второго приемника, а выход - к третьему входу устройства логической обработки и через дифференцирующее устройство - ко входу формирователя тактовых импульсов, выход которого подключен к четвертому входу устройства логической обработки, выход которого является выходом фазового радиопеленгатора. Кроме того, устройство логической обработки содержит четыре блока деления, сумматор, блок функционального преобразования arctg, блок функционального преобразования arcsin, N компараторов, N элементов «И», N регистров сдвига и N индикаторов, причем первый и второй входы первого блока деления являются первым и вторым входами устройства логической обработки, а выход первого блока деления соединен со входом блока функционального преобразования «arctg», выход которого подключен к первому входу третьего блока деления, выход которого через сумматор подключен ко входу блока функционального преобразователя «arcsin», выход которого соединен со входом каждого из N компараторов, выход каждого из которых соединен с первым входом соответствующего элемента «И», выход каждого из которых через соответствующий регистр сдвига подключен к соответствующему индикатору, третий вход устройства логической обработки подключен к первому входу четвертого блока деления, выход которого подключен к управляющему входу каждого элемента «И», четвертый вход устройства логической обработки соединен со входом второго блока деления, выход которого подключен ко второму входу третьего блока деления и ко второму входу четвертого блока деления. Кроме того, формирователь тактовых импульсов содержит инвертор, элемент «ИЛИ» и ждущий мультивибратор, причем вход формирователя тактовых импульсов соединен с первым входом элемента «ИЛИ» и с входом инвертора, выход которого соединен со вторым входом элемента «ИЛИ», выход которого подключен ко входу ждущего мультивибратора, выход которого является выходом формирователя тактовых импульсов.
Сущность изобретения заключается в том, что сигналы пеленгуемых источников излучения модулированы, поэтому многобазовый измеритель можно заменить на многочастотный, что обеспечивает многошкальное измерение направления на источник излучения. В частности, для однозначного измерения направления на источник ППРЧ излучения достаточно двухканального приемника.
Причем однозначные измерения проводятся в секторе углов от - π/2 до π/2 при использовании антенн любого типа, разнесенных на расстояния, существенно превышающие длину волны, при этом используются две антенны и одна база, отсутствует неоднозначность при включении нескольких источников ППРЧ сигнала и решается задача правильного обнаружения.
Сравнение предложенного устройства с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию «новизна», а отсутствие в известных аналогах его отличительных признаков говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Предварительные испытания позволяют судить о возможности широкого промышленного использования.
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема предложенного устройства, на фиг.2 - блок-схема формирователя тактовых импульсов и на фиг.3 - блок-схема устройства логической обработки.
Фазовый радиопеленгатор содержит два приемника 3 и 4, каждый из которых снабжен антенной 1 и 2, соответственно. Выход первого приемника 3 подключен к первому входу сумматора 6 и первому входу вычитателя 5, второй вход каждого из которых подключен к выходу второго приемника 4. Выход вычитателя 5 через первый амплитудный детектор 8 подключен к первому входу устройства 12 логической обработки, выход сумматора 6 через второй амплитудный детектор 9 подключен ко второму входу устройства 12 логической обработки. Кроме того, радиопеленгатор снабжен измерителем 7 частоты, дифференцирующим устройством 10 и формирователем 11 тактовых импульсов, причем вход измерителя 7 частоты подключен к выходу второго приемника 4, а его выход - к третьему входу устройства 12 логической обработки и через дифференцирующее устройство 10 - ко входу формирователя 11 тактовых импульсов, выход которого подключен к четвертому входу устройства 12 логической обработки, выход которого является выходом фазового радиопеленгатора.
Устройство 12 логической обработки содержит четыре блока 16-19 деления, сумматор 20, блок 21 функционального преобразования arctg, блок 22 функционального преобразования arcsin, N компараторов 23-1÷23-N, N элементов «И» 24-1÷24-N, N регистров сдвига 25-1÷25-N и N индикаторов 26-1÷26-N. Первый и второй входы первого блока 16 деления являются первым и вторым входами устройства 12 логической обработки, а выход первого блока 16 деления соединен со входом блока 21 функционального преобразования «arctg», выход которого подключен к первому входу третьего блока 18 деления. Выход блока 18 деления через сумматор 20 подключен ко входу блока 22 функционального преобразователя «arcsin», выход которого соединен со входом каждого из N компараторов 23-1÷23-N, выход каждого из которых соединен с первым входом соответствующего элемента «И» 24-1÷24-N, выход каждого из которых через соответствующий регистр сдвига 25-1÷25-N подключен к соответствующему индикатору 25-1÷25-N. Третий вход устройства 12 логической обработки подключен к первому входу четвертого блока 19 деления, выход которого подключен к управляющему входу каждого элемента «И» 24-1÷24-N, четвертый вход устройства 12 логической обработки соединен со входом второго блока 17 деления, выход которого подключен ко второму входу третьего блока 18 деления и ко второму входу четвертого блока 19 деления.
Формирователь 11 тактовых импульсов с периодом, соответствующим периоду изменения частоты ППРЧ сигнала, содержит инвертор 13, элемент «ИЛИ» 14 и ждущий мультивибратор 15, причем вход формирователя 11 тактовых импульсов соединен с первым входом элемента «ИЛИ» 14 и с входом инвертора 13, выход которого соединен со вторым входом элемента «ИЛИ» 14, выход которого подключен ко входу ждущего мультивибратора 15, выход которого является выходом формирователя 11 тактовых импульсов.
Для достижения указанного технического результата устройство 12 логической обработки может быть выполнено на базе ЭВМ.
Радиопеленгатор работает следующим образом. При действии на антенны 1, 2 плоской электромагнитной волны, приходящей под углом α к нормали относительно линии расположения антенн (см. фиг.1), на выходах приемников 3, 4 формируются соответствующие напряжения:
i
0
где i - номер частотной позиции ППРЧ сигнала, t - время, λ - длина волны, соответствующая частотной позиции, b - длина базы, с - скорость света, U - амплитуда напряжения на выходе приемника.
3
4
Далее эти напряжения подаются на входы высокочастотного сумматора 6 и высокочастотного вычитателя 5, причем напряжение U подается на инвертирующий вход вычитателя 5, напряжение U подается на неинвертирующий вход вычитателя 5. В результате на выходе вычитателя 5 и сумматора 6 формируются напряжения (с учетом известных тригонометрических преобразований и четности функции косинуса):
На выходах амплитудных детекторов 8, 9 формируются соответствующие напряжения:
i
i
Устройство 12 логической обработки (см. фиг.3) функционирует следующим образом. Блоки 16 и 21 выполняют функцию определения разности фаз между сигналами, приходящими на две антенны. Блок 16 вычисляет значение тангенса Δφ при делении значений синуса (первый вход устройства 12) и косинуса (второй вход устройства 12), а блок 21 выполняет функцию арктангенса. Далее в блоке 18, сумматоре 20 и блоке 22 определяются все возможные значения угла α, соответствующие измеренному значению Δφ, для этого в блоке 18 формируется делитель, равный πk, в сумматоре 20 формируется значение синуса угла α для каждой частотной позиции, а в блоке 22 вычисляется угол α посредством функции арксинус. Компараторы 23-1÷23-N выполняют функцию распределения рассчитанных значений угла α в секторах, заданных необходимой точностью. Значение k вычисляется в блоке 17, на вход которого подается значение λ по третьему входу устройства 12. Значение тактового периода формируется в блоке 19, где значение периода с формирователя тактовых импульсов, подаваемое по четвертому входу устройства 12, делится на значение k, определенное в блоке 17. Импульсы с полученным периодом подаются на элементы «И» 24-1÷24-N, которые с заданной блоком 19 периодичностью пропускают значения вычисленных пеленгов а на накопители, представляющие собой регистры сдвига 25-1÷25-N, и при заполнении ячейки с заданным номером фиксируются одним из индикаторов 2-1÷26-N, который представляет собой световой диод.
i
В устройстве 12 логической обработки для каждой частотной позиции i ППРЧ сигнала рассчитывается разность фаз Δφ, зависящая от угла α. Рабочая область углов α соответствует диапазону углов от -π/2 до π/2. Поэтому для расчета разности фаз удобно использовать выражение для функции arctg(x), у которой нет разрыва в области рабочих значений. В крайних точках получается неопределенность. В областях неопределенности , b/λ=2 разность фаз рассчитываем по выражению
В рабочей области используем выражение
i
В формулы (4), (5), (8) входит значение λ, измерение которого происходит в блоке 7 (измеритель частоты
i
i
i+1
Текущее значение частоты f подается в устройство 12 логической обработки и на дифференцирующее устройство 10. Переход от частоты f к частоте f (1) фиксируется дифференцирующим устройством 10. Так, обеспечивается соответствие каждому значению частоты определенных значений сигналов с амплитудных детекторов 8 и 9.
i
Каждому значению Δφ соответствует несколько значений пеленга, только одно из которых истинное, а остальные являются ложными вследствие периодичности дискриминационной характеристики пеленгатора (характеристика имеет форму тангенсоиды). Однако априори какое из них истинное значение неизвестно. Для того чтобы определить которое из измеренных ранее значений является истинным, проводим расчет разности фаз для других частотных позиций.
Для каждой частотной позиции i ППРЧ сигнала получим одномерный массив (строку) возможных значений:
i
i
i,k
где k=0…K (K=2b/λ - отношение длины базы b к длине полупериода волны λ). Величина К рассчитывается из соображения однозначности измерения фазы. Однозначное определение разности фаз принимаемых колебаний возможно только в пределах 2π (стр.168 [4]). В соответствии с этим рассчитанное число значений К достаточно для того, чтобы одно из значений α было истинным.
i,k
В каждой из полученных ранее строк будут содержаться различные несовпадающие значения пеленга, но одно из значений в каждой из строк будет повторяться, это и будет истинным значением пеленга. Следовательно, для того чтобы получить истинное значение, необходимо определить какое из значений b повторяется наибольшее количество раз.
i
При наличии шумов, учитывая тот факт, что ложные пеленги распределяются равновероятно во всех наборах, а для истинного значения пеленга соотношение сигнал/шум пропорционально отношению  (где P - мощность сигнала i-й частотной позиции, n - число позиций), определим истинное значение пеленга с учетом шумов следующим образом:
n
n
все одномерные массивы для каждой позиции i объединяем в одну строку значений α. Затем определяем минимальное и максимальное значения в α, для чего упорядочиваем получившийся массив по возрастанию. Разбиваем шкалу пеленгов на интервалы, определяемые заданной погрешностью измерения угла. Угловой интервал, в который попадает максимальное число значений, определяет оценку истинного пеленга.
Принципиальные схемы сумматоров и вычитателей могут быть реализованы с помощью общеизвестных принципов и технических средств (см. стр.43 в [5]). В качестве схемы измерителя 7 частоты сигналов может быть выбрана структурная схема детектора сигнала FSK, приведенная в [6] (рис.5.13 см. стр.94). Дифференцирующее устройство 10 может быть выполнено на основе дифференцирующей цепочки, представленной в [7] (рис.19.7 стр.393). Вариант реализации амплитудного детектора 8 и 9 представлен в [8] (стр.367). В качестве формирователя 11 тактовых импульсов может быть использован формирователь с USB-интерфейсом связи с компьютером CY2287 фирмы CYPRESS [9]. Аналого-цифровой преобразователь собран на базе схем, представленных в [10].
Таким образом в предложенном техническом решении достигнут поставленный технический результат:
разработано устройство, которое реализует однозначное измерение координат источника излучения с помощью двухканального приемника в секторе углов от - π/2 до π/2 при разнесении антенн пеленгатора на расстояние, существенно превышающее рабочую длину волны, при этом используются две антенны и одна база, разрешается неоднозначность при включении нескольких источников ППРЧ сигнала, решается задача правильного обнаружения.
Источники информации
1. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1986. - 280 с.
2. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат.- М.: «Сов. радио», 1979. - 280 с.
3. Патент №2169377 (РФ) Фазовый радиопеленгатор. // Беспалов Е.С., Кургин В.В, 2001.
4. Сайбель А.Г. Основы радиолокации. М.: «Сов. радио». 1961. - 384 с.
5. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.:
Энергоатомиздат, 1988.
6. Мартиросов В.Е. Теория и техника приема дискретных сигналов ЦСПИ. Учеб. пособие. - М.: «Радиотехника», 2005.
7. Морозов А.Г. Электротехника, электроника, импульсная техника. Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1987.
8. Проектирование радиоприемных устройств./ Под ред. А.П.Сиверса. Учеб. пособие для вузов. М.: «Сов. радио», 1976.
9. Каталог продукции фирмы CYPRESS. Формирователи тактовых импульсов или импульсов синхронизации.
10. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование. - М.: «Техносфера», 2007. - 1016 с.