СПУТНИКОВЫЙ РАДИОВЫСОТОМЕР

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использовано в космических системах дистанционного мониторинга поверхности Земли, а именно в спутниковых радиовысотомерах (спутниковых альтиметрах), осуществляющих зондирование подстилающей поверхности вдоль трассы перемещения спутника.
Такое зондирование используется, в частности, для получения локационной информации о возвышении морской поверхности над референц-эллипсоидом, о степени взволнованности моря, о рельефе земной поверхности, а также для уточнения формы геоида на основе данных, получаемых в результате измерений текущего расстояния от подстилающей поверхности до спутника.
Принцип работы известных спутниковых радиовысотомеров заключается в периодическом облучении подстилающей поверхности зондирующими (локационными) импульсными радиосигналами, приеме отраженных сигналов (эхосигналов) на борту спутника, обработке их с помощью время-частотной конверсии с преобразованием спектра и извлечении полезной информации. При этом в отличие от обычных радаров, осуществляющих локацию малоразмерных целей, принимаемый на борту спутника отраженный локационный сигнал представляет собой суперпозицию отражений от множества элементов засвечиваемой области на поверхности, достигающей в диаметре порядка десятка километров, что обуславливает особенности в обработке таких локационных сигналов и выделяет спутниковые радиовысотомеры в отдельную группу радиолокационных устройств.
Типичные примеры спутниковых радиовысотомеров представлены, в частности, в патентах РФ: [1] - RU 2112250 C1, G01S 13/94, 20.05.1998; [2] - RU 2212684 C1, G01S 13/94, 20.09.2003, а также в статьях: [3] - Poseidon-2 Radar Altimeter Design and Results of In-Flight Performances Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation / G. Carayon, N. Steunou, J.-L. Courriere, P. Thibaut // Marine Geodesy. 2003. Vol. 26, no 3-4. P. 159-165; [4] - AltiKa: a Ka-band Altimetry Payload and System for Operational Altimetry during the GMES Period / P. Vincent [et al.] // Sensors. 2006. Vol. 6. P. 208-234. В этих радиовысотомерах формируются зондирующие импульсные радиосигналы с линейной частотной модуляцией, которые излучаются с помощью передатчика и направленной антенны в направлении надира. Отраженные сигналы принимаются этой же антенной, усиливаются и сжимаются по спектру. Сжатый по спектру сигнал преобразуется далее в последовательность отсчетов, после чего вычисляются компоненты энергетического спектра посредством быстрого преобразования Фурье. Искомая локационная информация извлекается из усредненного по серии зондирований энергетического спектра принимаемых отраженных сигналов. В частности, о расстоянии радиовысотомера до подстилающей поверхности судят по положению на частотной оси переднего фронта этого спектра.
К этой же группе устройств относится спутниковый радиовысотомер, представленный в патенте [5] - US 5923283, G01S 13/26, 13.07.1999 (Fig. 2), принятый в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор, вырабатывающий последовательность опорных видеоимпульсов определенной длительности и частоты следования, формирователь зондирующих сигналов, формирующий на основе опорных импульсов последовательность радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией несущей частоты, и усилитель мощности. Выход усилителя мощности связан через передающий канал антенного коммутатора с приемопередающей антенной. Посредством другого канала антенного коммутатора (приемного канала) приемо-передающая антенна связана с входом малошумящего усилителя. Выход малошумящего усилителя связан с сигнальным входом смесителя, опорный вход которого через блок регулируемой задержки связан с выходом формирователя зондирующих сигналов, а выход через квадратурный расщепитель связан с входом блока быстрого преобразования Фурье. Выход блока быстрого преобразования Фурье связан с входом вычислительного блока, а также с входом исполнительного блока системы слежения, выход которого связан с управляющим входом блока регулируемой задержки.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Формирователь зондирующих сигналов на основе опорных импульсов, поступающих с выхода опорного генератора, формирует последовательность радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией несущей частоты. Эти импульсы усиливаются в усилителе мощности и поступают через передающий канал антенного коммутатора на приемо-передающую антенну.
Приемо-передающая антенна обеспечивает направленную передачу зондирующих сигналов (зондирующих радиоимпульсов) в сторону подстилающей поверхности (в направлении надира) и обратный прием отраженных от нее сигналов. Антенный коммутатор при этом обеспечивает разделение во времени процессов передачи зондирующих радиоимпульсов и процессов приема отраженных сигналов.
Принимаемый отраженный сигнал (эхосигнал) представляет собой суперпозицию отражений от множества элементов засвечиваемой зондирующим сигналом подстилающей поверхности. Он принимается на борту спутника с запаздыванием относительно зондирующего сигнала, величина которого определяется суммарным временем распространения радиосигнала до земной поверхности и обратно.
Принимаемый отраженный сигнал усиливается в малошумящем усилителе и поступает на сигнальный вход смесителя, на опорный вход которого с выхода блока регулируемой задержки поступает копия зондирующего сигнала с задержкой, определяемой в начальный момент исходя из априорных данных об измеряемой высоте (близкой к истинному запаздыванию отраженного сигнала). Преобразованный (сжатый) по спектру сигнал с выхода смесителя поступает на вход квадратурного расщепителя, где разделяется на две составляющие - синфазную и квадратурную, после чего обрабатывается в блоке быстрого преобразования Фурье, формируя исходные данные для вычислительного блока, осуществляющего, в частности, расчет текущей высоты спутника над подстилающей поверхностью. Кроме этого блок быстрого преобразования Фурье вырабатывает сигналы для исполнительного блока системы слежения, воздействующего на блок регулируемой задержки таким образом, чтобы задержка, вносимая блоком регулируемой задержки, соответствовала истинному запаздыванию отраженного сигнала.
0.5
Для устройства-прототипа характерны следующие особенности. Как уже отмечалось, принимаемый отраженный сигнал представляет собой суперпозицию отражений (эхосигналов) от множества элементов засвечиваемой зондирующим сигналом подстилающей поверхности. Эти эхосигналы в пределах освещаемого радиовысотомером пятна имеют разный доплеровский сдвиг частоты: при удалении от спутника по трассе его движения доплеровский сдвиг линейно растет по абсолютной величине, а в точке надира остается нулевым. При этом из-за сильной частотно-временной корреляции, характерной для используемого вида модуляции зондирующих радиоимпульсов, результаты согласованной фильтрации принимаемых на борту спутника эхосигналов, имеющих как ненулевой, так и нулевой доплеровский сдвиг, будут отличаться лишь некоторой задержкой и слабо сказываться на их интенсивности. Усредненный по серии зондирований спектр данного суммарного сигнала на выходе смесителя оказывается распределенным в относительно широкой полосе частот, имеет крутой передний (нарастающий) и пологий протяженный задний (спадающий) фронты (см. [5, Fig. 4]). Обобщенная форма этого спектра представлена во временной области на фиг. 1, кривая I, где по оси абсцисс отложено нормированное к длительности сжатого зондирующего радиоимпульса по уровню половинной мощности (Δ) время, а по оси ординат - нормированная к максимуму мощность. Вследствие используемого вида модуляции зондирующих радиоимпульсов усредненная форма энергетического спектра сигнала с выхода смесителя (сжатого по спектру) полностью совпадает с аналогичной формой зависимости мощности этого сигнала от времени, и далее называется профилем мощности. Спектр формируется (рассчитывается) в блоке быстрого преобразования Фурье. Параметры спектра несут в себе искомую полезную информацию. В частности, положение нарастающего фронта профиля мощности на частотной оси, определяемое по характерной точке, например на уровне 0.5 от максимума, несет информацию о расстоянии радиовысотомера до подстилающей поверхности, а наклон фронта - информацию о высоте морских волн. Эта информация обрабатывается в вычислительном блоке с получением искомых локационных данных.
i
Наличие пологого протяженного спадающего фронта у профиля мощности принимаемого сигнала связано с большой площадью зоны отражения, имеющей форму круга и одинаковые размеры в продольном и поперечном направлениях, при этом точкой обсервации является центр круга. Переход от одной точки обсервации к другой заключается в переходе от одной зоны отражения в следующую зону по ходу полета спутника, не пересекающуюся с предыдущей. Таким образом, пределы разрешающей способности спутникового радиовысотомера, под которой в данном случае понимается минимально возможное расстояние между точками обсервации по трассе полета спутника (в продольном направлении), в устройстве-прототипе фактически ограничиваются диаметром круговой зоны отражения. Графическая интерпретация этого явления, поясняющая пределы разрешающей способности устройства-прототипа, представлена на фиг. 2а, где заштрихованные участки иллюстрируют зоны формирования эхосигналов (отражающие области) по трассе зондирования L, а точки, обозначенные Y, иллюстрируют точки возможной обсервации на этой трассе.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание спутникового радиовысотомера, в котором за счет предложенной новой по отношению к прототипу структуры формирования и обработки локационных сигналов обеспечивается возможность повышения разрешающей способности радиовысотомера в продольном направлении.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. Спутниковый радиовысотомер содержит последовательно соединенные опорный генератор, формирователь зондирующих сигналов и усилитель мощности, последовательно соединенные малошумящий усилитель, смеситель и квадратурный расщепитель, последовательно соединенные исполнительный блок системы слежения и блок регулируемой задержки, а также вычислительный блок, при этом выход усилителя мощности связан через передающий канал антенного коммутатора с приемо-передающей антенной, которая через приемный канал антенного коммутатора связана с входом малошумящего усилителя. В отличие от прототипа, формирователь зондирующих сигналов выполнен в виде формирователя фазоманипулированных радиоимпульсов, его модулирующий вход связан с выходом генератора псевдослучайной последовательности, опорный вход смесителя связан с выходом формирователя сигнала гетеродинной частоты, выход квадратурного расщепителя связан с входом блока корреляционной обработки, выход которого связан с входом вычислительного блока и входом исполнительного блока системы слежения, а опорный вход блока корреляционной обработки связан с выходом блока регулируемой задержки, сигнальный вход которого связан с выходом генератора псевдослучайной последовательности....
Сущность полезной модели и ее осуществимость поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-3, где:
на фиг. 1 представлены обобщенные формы профилей мощности принимаемого отраженного сигнала в устройстве-прототипе (кривая I) и в заявляемом устройстве (кривая II);
на фиг. 2 - схематические рисунки, поясняющие пределы разрешающей способности устройства-прототипа (фиг. 2а) и заявляемого устройства (фиг. 2б);
на фиг. 3 - структурная схема заявляемого устройства.
Заявляемый спутниковый радиовысотомер в рассматриваемом примере реализации содержит, см. фиг. 3, последовательно соединенные опорный генератор 1, формирователь 2 зондирующих сигналов и усилитель 3 мощности, а также последовательно соединенные малошумящий усилитель 4, смеситель 5, квадратурный расщепитель 6, блок 7 корреляционной обработки, исполнительный блок 8 системы слежения и блок 9 регулируемой задержки.
Выход усилителя 3 мощности связан через передающий канал антенного коммутатора 10 с приемо-передающей антенной 11, которая через приемный канал антенного коммутатора 10 связана с входом малошумящего усилителя 4.
Опорный вход смесителя 5 связан с выходом формирователя 12 сигнала гетеродинной частоты.
Модулирующий вход формирователя 2 зондирующих сигналов связан с выходом генератора 13 псевдослучайной последовательности.
Выход генератора 13 псевдослучайной последовательности также связан с сигнальным входом блока 9 регулируемой задержки, выход которого связан с опорным входом блока 7 корреляционной обработки.
Выход блока 7 корреляционной обработки также связан с входом вычислительного блока 14.
Опорный генератор 1 представляет собой генератор тактовых видеоимпульсов, например, длительностью одна микросекунда и скважностью два.
Формирователь 2 зондирующих сигналов выполнен в виде формирователя фазоманипулированных радиоимпульсов, закон манипуляции фазы которых задается генератором 13 псевдослучайной последовательности.
Генератор 13 псевдослучайной последовательности может быть выполнен в виде генератора m-последовательности, например, в соответствии со схемами, представленными в книге [6] - Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов / М.: Сов. радио, 1970, с. 201-233.
Усилитель 3 мощности представляет собой стандартное радиотехническое устройство, обеспечивающее усиление входных радиоимпульсов до необходимой величины мощности.
Приемо-передающая антенна 11 представляет собой направленную приемопередающую антенну, например, зеркальную параболическую, ориентированную в направлении надира.
Антенный коммутатор 10 представляет собой стандартное радиотехническое устройство, осуществляющее переключение каналов с передачи на прием по заданной временной программе.
Малошумящий усилитель 4, смеситель 5 и формирователь 12 сигнала гетеродинной частоты являются стандартными элементами радиоприемных устройств, реализующих усиление и гетеродинное преобразование частоты.
Квадратурный расщепитель 6 представляет собой два перемножителя, на один вход каждого из которых поступает сигнал с выхода смесителя 5, на другой вход одного из них подается моногармоническое колебание промежуточной частоты, а на другой вход второго - то же самое колебание, но со сдвинутой на 90° начальной фазой. В состав квадратурного расщепителя 6 также входят соответствующие фильтры нижних частот и аналого-цифровые преобразователи, преобразующие формируемые выходные сигналы в цифровой вид.
Блок 7 корреляционной обработки содержит группу, например, из ста квадратурных корреляторов, сигнальные и опорные входы которых образуют, соответственно, сигнальный и опорный входы блока 7.
Исполнительный блок 8 системы слежения может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных накапливающего сумматора, временного дискриминатора и сглаживающего фильтра.
i
Блок 9 регулируемой задержки представляет собой, например, набор перестраиваемых линий задержки, число которых соответствует числу квадратурных корреляторов в блоке 7 и каждая из которых осуществляет временную задержку входного сигнала на определенную величину τ.
Вычислительный блок 14 представляет собой, например, специализированную интегральную схему, осуществляющую по определенной программе обработку входных сигналов и, в частности, формирование выходных данных о высоте спутника над подстилающей поверхностью.
Заявляемый спутниковый радиовысотомер работает следующим образом.
Формирователь 2 зондирующих сигналов на основе опорных импульсов, поступающих с выхода опорного генератора 1, и модулирующих сигналов, поступающих с выхода генератора 13 псевдослучайной последовательности, формирует последовательность фазоманипулированных радиоимпульсов.
Эти радиоимпульсы усиливаются в усилителе 3 мощности и поступают через передающий канал антенного коммутатора 10 на приемо-передающую антенну 11.
Приемо-передающая антенна 11 обеспечивает направленную передачу зондирующих радиоимпульсов в сторону подстилающей поверхности (в направлении надира) и обратный прием отраженных от нее сигналов. Антенный коммутатор 10 обеспечивает при этом разделение во времени процессов передачи зондирующих радиоимпульсов и процессов приема отраженных сигналов.
Принимаемый отраженный сигнал представляет собой суперпозицию отражений от множества элементов освещаемой зондирующим сигналом подстилающей поверхности. Этот сигнал принимается на борту спутника с запаздыванием относительно зондирующего сигнала, величина запаздывания определяется суммарным временем распространения радиосигнала до земной поверхности и обратно.
Принимаемый отраженный сигнал усиливается в малошумящем усилителе 4 и поступает на сигнальный вход смесителя 5, который совместно с формирователем 12 сигнала гетеродинной частоты реализует функцию преобразователя частоты, перенося несущую частоту принятого сигнала на удобную для последующей обработки промежуточную частоту.
Далее преобразованный по частоте сигнал поступает на вход квадратурного расщепителя 6, где подвергается разделению на две квадратурные видеочастотные компоненты - синфазную и квадратурную - с преобразованием получаемых квадратурных компонентов в цифровой вид.
i
1
2
Полученные квадратурные компоненты в виде последовательности отсчетов поступают на сигнальный вход блока 7 корреляционной обработки, т.е. на сигнальные входы входящих в него корреляторов (в рассматриваемом примере их сто). На опорный вход блока 7 корреляционной обработки, т.е. на опорные входы входящих в него корреляторов, поступает группа псевдослучайных сигналов, сформированных из выходного сигнала генератора 13 псевдослучайной последовательности путем задержки в блоке 9 регулируемой задержки на определенные величины τ, где, в рассматриваемом примере, i=1, …, 100. Например, на опорный вход первого коррелятора блока 7 корреляционной обработки поступает псевдослучайный сигнал, задержанный на величину τ, на опорный вход второго коррелятора - этот же сигнал, задержанный на величину τ, и т.д. В результате корреляционной обработки вычисляются корреляции комплексной огибающей принятого сигнала с задержанными в блоке 9 регулируемой задержки псевдослучайными сигналами. Получаемые при этом в каждом текущем зондировании 100-мерные векторы корреляций поступают на вход вычислительного блока 14 и на вход исполнительного блока 8 системы слежения.
В исполнительном блоке 8 системы слежения с помощью входящих в его состав накапливающего сумматора, временного дискриминатора и сглаживающего фильтра, вырабатывается управляющий сигнал, воздействующий на блок 9 регулируемой задержки таким образом, чтобы задержка, вносимая им, обеспечивала удержание характерной точки профиля мощности принимаемого отраженного сигнала в окрестности центра «окна слежения». Тем самым замыкается (по сигналу) кольцо системы автосопровождения отраженного сигнала по запаздыванию.
В установившемся состоянии следящей системы в вычислительном блоке 14 производится, в частности, оценка искомой высоты спутника над подстилающей поверхностью. При этом получаемые с блока 7 корреляционной обработки векторы корреляций усредняются по серии зондирований, формируя в результате профиль мощности принимаемого отраженного сигнала. Далее анализируется положение характерной точки профиля мощности на временной оси относительно принятого начала отсчета. Определение временного положения характерной точки профиля мощности позволяет получить оценку высоты спутника над средним уровнем подстилающей поверхности, при этом могут быть использованы методы и алгоритмы, известные, в частности, из прототипа [5].
i
Заявляемый спутниковый радиовысотомер характеризуется следующей важной особенностью, а именно, предложенное использование в качестве зондирующих фазо-манипулированных сигналов с псевдослучайным законом манипуляции фазы приводит к ослаблению результатов согласованной фильтрации принимаемых отраженных сигналов (эхосигналов) с заметным доплеровским сдвигов, т.е. эхосигналов, отраженных от периферийных освещаемых участков. Этот эффект, особенно выраженный для удаленных точек впереди по курсу спутника, приводит к укорочению спадающего заднего фронта профиля мощности принимаемого отраженного сигнала (см. фиг. 1, кривая II). Получаемый эффект сужения заднего фронта обрабатываемого отраженного сигнала можно интерпретировать как сужение зоны формирования эхосигнала в продольном направлении, соответствующему направлению полета спутника. Это приводит к желаемому повышению пространственной разрешающей способности спутникового радиовысотомера, т.е. к уменьшению расстояния между возможными точками обсервации Y по трассе зондирования L (в продольном направлении), что проиллюстрировано схематическим рисунком, представленным на фиг. 2б. Фактически (в реальных условиях, характеризующихся, например, высотой орбиты спутника 1000 км, несущей частотой, шириной спектра и длительностью зондирующего сигнала соответственно 35,75 ГГц, 320 МГц и 100 мкс, шириной диаграммы направленности приемо-передающей антенны 11 по уровню половинной мощности 0,6°) эффект повышения разрешающей способности заявляемого спутникового радиовысотомера по сравнению с прототипом может составлять до двух и более раз.
При этом важным является тот факт, что указанный эффект уменьшения длительности обрабатываемого отраженного сигнала практически не отражается на положении и форме нарастающего фронта профиля мощности (см. фиг. 1, кривая II), несущего локационную информацию, позволяющую определять расстояние от подстилающей поверхности до спутника, т.е. не снижает точность локационных измерений по сравнению с прототипом.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании спутникового радиовысотомера, в котором за счет предложенной структуры формирования и обработки локационных сигналов обеспечивается возможность повышения разрешающей способности радиовысотомера в продольном направлении.
Источники информации
1. RU 2112250 (C1), G01S 13/94, 20.05.1998.
2. RU 2212684 (C1), G01S 13/94, 20.09.2003.
3. Poseidon-2 Radar Altimeter Design and Results of In-Flight Performances Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation / G. Carayon, N. Steunou, J.-L. Courriere, P. Thibaut // Marine Geodesy. 2003. Vol. 26, no 3-4. P. 159-165.
4. AltiKa: a Ka-band Altimetry Payload and System for Operational Altimetry during the GMES Period / P. Vincent [et al.] // Sensors. 2006. Vol. 6. P. 208-234.
5. US 5923283, G01S 13/26, 13.07.1999.
6. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов / М.: Сов. радио, 1970, с. 201-233.