СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ И РАДИОВЫСОТОМЕР С НЕПРЕРЫВНЫМ ЛЧМ СИГНАЛОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ СПОСОБ
METHOD OF MEASURING ALTITUDE AND RADAR ALTIMETER WITH CONTINUOUS CHIRP SIGNAL USING SAID METHOD

зобретение относится к радиолокации и может быть использовано в бортовых радиовысотомерах.
Высота полета над поверхностью Земли - важный навигационный параметр летательного аппарата (ЛА). Для ее измерения широко используются радиовысотомерные системы с импульсным и непрерывным ЛЧМ сигналом.
Известен вариант радиовысотомера с непрерывным ЛЧМ сигналом [1]. В первом варианте через передающую антенну в сторону Земли излучается непрерывный ЛЧМ сигнал, девиация и период модуляции которого постоянны, отраженный сигнал, принятый приемной антенной, смешивается с частью излучаемого сигнала с получением сигнала биений, который подвергается спектральному анализу, путем сравнения составляющих спектра с порогом находят самую низкую частоту спектра, соответствующую высоте ЛА, которую выводят на дисплей.
Недостатком способа является необходимость работы с высоким отношением сигнал : шум, обеспечивающем допустимую вероятность ложных оценок и погрешность измерения.
Известены способ и устройство определения высоты радиовысотомером [2], взятые в качестве прототипа.
Согласно способу в сторону поверхности Земли излучают зондирующий сигнал с фиксированными параметрами модуляции (в качестве зондирующего использован непрерывный ЛЧМ сигнал), принимают отраженный сигнал на N периодах повторения, фильтруют в согласованном с модуляцией зондирующего сигнала фильтре с получением в каждом периоде повторения огибающей амплитуды отраженного сигнала (смешивают зондирующий и отраженные сигналы с получением сигнала биений и находят его спектр), находят огибающую мощности отраженного сигнала с шагом выборки, соответствующем разрешению зондирующего сигнала, мощность сигнала в выборке вычисляется как сумма квадратов квадратурных составляющих выборки сигнала на выходе согласованного фильтра (спектроанализатора), преобразуют каждую выборку огибающей мощности отраженного сигнала в бинарную с использованием порогового обнаружения, складывают одноименные бинарные выборки N огибающих мощности отраженного сигнала (одноименных бинарных спектральных составляющих мощности сигнала биений), определяют высоту по положению первого максимума суммы N бинарных огибающих мощности.
Недостатком способа является то, что требуемая точность измерения достигается при высоких соотношениях сигнал : шум.
Целью предполагаемого изобретения является обеспечение требуемой точности измерения при сниженных соотношениях сигнал : шум.
Поставленная цель достигается за счет излучения зондирующего сигнала по вертикали к земной поверхности, приема отраженных сигналов на N периодах повторения, фильтрации принятого сигнала в фильтре, согласованном с модуляцией зондирующего сигнала с получением в каждом периоде повторения огибающей амплитуды отраженного сигнала, вычисление дисперсии шума и сигнала с шумом для разных гипотез положения скачка дисперсии отраженного сигнала n, определения высоты ЛА по положению скачка дисперсии отраженного сигнала, для этого находят положение максимума весовой суммы логарифмов дисперсии шума и сигнала с шумом, весом первого слагаемого является отрицательное число n, соответствующее положению скачка дисперсии отраженного сигнала в гипотезе, а весом второго слагаемого - отрицательная разность между максимально возможным положением скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала K и положением скачка дисперсии n в гипотезе.
Предлагаемый способ измерения высоты заключается в следующем.
Излучается в сторону земной поверхности зондирующий сигнал с фиксированными параметрами модуляции,
Принимается отраженный сигнал на N периодах повторения,
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi>K</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Фильтруется в согласованном с модуляцией зондирующего сигнала фильтре с получением в каждом периоде повторения огибающей амплитуды отраженного сигнала
с шагом выборки, соответствующем разрешению зондирующего сигнала,
,
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Вычисляются для разных гипотез положения скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала (высоты) n, дисперсия шума
и сигнала с шумом
:
n - положение скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала (задержкиа сигнала до ближайшей точки земной поверхности (высоты)), 0<n<K;
ПР
Р (n, k) - k-я выборка огибающей мощности отраженного сигнала при положении скачка дисперсии амплитуды (высоты) n;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow>
- k-тая выборка огибающей амплитуды отраженного сигнала в комплексном виде;
kc
ks
2
2
z  и z  - квадратурные составляющие k-той выборки огибающей амплитуды отраженного сигнала.
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Вычисляется весовая сумма логарифмов дисперсий шума
и сигнала с шумом
, соответствующих гипотезе о высоте n,
Вывод данного выражения приведен в Приложении 1.
H
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
Находится наиболее вероятная гипотеза n=n, соответствующая максимуму весовой суммы
,
H
Повторяют измерения n по N периодам модуляции зондирующего сигнала,
H
Усредняют оценку n по N измерениям, соответственно получают итоговую оценку высоты.
На фиг.1 показана реализация огибающей мощности отраженного сигнала в окне анализа.
На фиг.2 показано поведение весовой суммы логарифмов при поиске положения высоты ЛА до поверхности Земли, полученных моделированием. Виден четкий максимум в точке, соответствующей высоте ЛА.
Очевидно, что рассмотренный способ относится к измерителям, работающим как с импульсным сигналом, так и непрерывным. Особенностью измерения высоты при работе с непрерывным ЛЧМ сигналом, где огибающую амплитуды отраженного сигнала получают путем спектрального анализа сигнала биений, является то, что вместо поиска положения скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала ищут положение скачка дисперсии спектра биений отраженного сигнала.
Устройство радиовысотомера [2] взято в качестве прототипа. В этом устройстве контроллер на первом выходе формирует сигналы, синхронизирующие работу передатчика ЛЧМ сигнала, передатчик формирует на N периодах повторения зондирующий сигнал, излучаемый передающей антенной вертикально в сторону земной поверхности, прием ведется приемной антенной, пространственно разнесенной с передающей, отраженный сигнал, принятый приемной антенной, демодулируется по частоте (по умолчанию понимается, что он смешивается с частью мощности зондирующего сигнала) с получением сигнала биений, который селектируется по частоте полосовым фильтром, амплитудно-частотная характеристика которого компенсирует изменение мощности отраженного сигнала от расстояния, оцифровывают сигнал, обрабатывают в контроллере, обработка включает вычисление спектра сигнала биений на каждом периоде повторения, формирование бинарного спектра с помощью пороговой обработки, формирование суммарного спектра, составляющие которого являются суммой бинарных составляющих спектров N периодов повторения, определение положения ближайшего максимума суммарного спектра, соответствующего оценке высоты, выдачу результата измерения на дисплей. При работе контроллер исходную информацию, результаты расчетов хранит и извлекает по необходимости в схеме памяти, соединенной с ним через двунаправленную связь.
Сущность изобретения устройства, реализующего способ, поясняется дальнейшим описанием, приложением 1 и чертежами.
В приложении 1 дан вывод адаптивного алгоритма определения высоты ЛА.
На фиг.1 изображена реализация огибающей мощности отраженного сигнала в окне анализа при моделировании.
На фиг.2 изображено поведение весовой суммы логарифмов при поиске положения скачка дисперсии отраженного сигнала, полученное моделированием.
На фиг.3 изображена предлагаемая структура радиовысотомера.
На фиг.4 изображен алгоритм работы вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений.
На фиг.5 изображена амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра.
На фиг.6 изображена полученная моделированием зависимость флюктуационной погрешности порогового измерения высоты от соотношения сигнал : шум и вероятности ложной тревоги.
На фиг. 7 изображена полученная моделированием зависимость флюктуационной погрешности измерения высоты предлагаемым способом от соотношения сигнал : шум.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
1 - Синхронизатор (СНХ);
2 - Передатчик ЛЧМ сигнала (ПРД);
3 - Передающая антенна (А1);
4 - Полосовой фильтр (ПФ);
5 - Смеситель (СМ);
6 - Малошумящий усилитель (МШУ);
7 - Приемная антенна (А2);
8 - Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
9 - Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ);
10 - Вычислитель дисперсии шума (ВДШ);
11 - Вычислитель положения скачка дисперсии спектра сигнала биений (ВПСД);
12 - Вычислитель дисперсии сигнала с шумом (ВДСШ).
На фиг.3 последовательно соединены синхронизатор 1, передатчик ЛЧМ сигнала 2, передающая антенна 3, последовательно соединены приемная антенна 7, малошумящий усилитель 6, смеситель 5, полосовой фильтр 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 9, вычислитель дисперсии шума 10, вычислитель положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11 и вычислитель дисперсии сигнала с шумом 12, второй выход передатчика ЛЧМ сигнала соединен с вторым входом смесителя 5, второй выход синхронизатора 1 соединен с третьим входом вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11, второй выход которого соединен с первыми входами вычислителя дисперсии шума 10 и вычислителем дисперсии сигнала с шумом 12, выход вычислителя дисперсии сигнала с шумом 12 соединен с вторым входом вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11, выход блока БПФ 9 соединен с вторым входом вычислителя дисперсии сигнала с шумом 12, первый выход которого используется для связи с потребителем.
Все элементы радиовысотомера, изображенного на фиг 3, известны, освоены и выпускаются на рынок современной промышленностью, в том числе:
Передатчик ЛЧМ сигнала 1 может быть выполнен на основе генератора, работающего методом прямого цифрового синтеза (микросхема фирмы Analog Devices), формирующего ЛЧМ сигнал с заданной крутизной и длительностью прямого и обратного хода, сигнал которого переносится на несущую с помощью квадратурного балансного смесителя и гетеродина.
Смеситель 5 может быть реализован с помощью микросхем фирмы Hittite Microwave Corp.
АЦП 8, блок БПФ 9, вычислитель дисперсии шума 10, вычислитель положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11, вычислитель дисперсии сигнала с шумом 12 могут быть реализованы в бортовой ЭВМ ВБ-480-01.
Работа радиовысотомера поясняется блок-схемой фиг.3 и алгоритмом работы вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений, изображенным на фиг.4.
Работа радиовысотомера происходит следующим образом.
П
И
Во время боевой работы синхронизатор 1 на первом выходе формирует импульсы синхронизации передатчика ЛЧМ сигнала 2 с периодом повторения ЛЧМ сигнала Т и длительностью τ, соответствующей времени обратного хода. На втором выходе синхронизатора 1 формируются импульсы, синхронизирующие такт измерения высоты, поступающие на вычислитель положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11.
C
П
И
Передатчик ЛЧМ сигнала 2 формирует на несущей частоте ЛЧМ сигнал с девиацией Δf, периодом повторения Т и длительностью обратного хода τ, который с первого выхода поступает на передающую антенну 3 и излучается в направлении Земли. Отраженный сигнал принимается приемной антенной 7 и поступает через малошумящий усилитель 6 на смеситель 5, где смешивается с частью мощности ЛЧМ зондирующего сигнала, поступающей на его второй вход с второго выхода передатчика ЛЧМ сигнала 2. В результате смешения образуется сигнал биений с частотой:
Б
Н
ОТР
0
f
0
f
f
f=f(t)-f(t)=(f+k(t))-(f+k(t-τ))=kτ;
f
C
П
И
где k=Δf/(Т-τ) - крутизна девиации несущей частоты;
H
f(t) - несущая частота зондирующего сигнала;
ОТР
f(t) - частота отраженного сигнала.
Б
min
max
Сигнал биений U(t) проходит полосовой фильтр 4, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого (фиг.5) давит частотные составляющие сигнала биений, не соответствующие рабочему диапазону высот от f до f. Подъем АЧХ соответствует 12 дБ/октаву для компенсации потерь отраженного сигнала, связанных с увеличением высоты.
B
max
После полосового фильтра 4 сигнал биений оцифровывается в АЦП 8 с частотой выборки f=2f. Такая частота обеспечивает получение квадратурных составляющих оцифрованного сигнала. Квадратурный сигнал поступает в блок БПФ 9, где на выходе получают спектр, k-е частные составляющие которого однозначно связаны с дальностным положением k-х временных выборок отраженного сигнала:
где c - скорость света в свободном пространстве.
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover>
Реализация спектра сигнала биений
(выход согласованного с модуляцией зондирующего сигнала согласованного фильтра) с устройства блока БПФ 9 поступает на вычислители дисперсий шума 10 и сигнала с шумом 12, где в соответствии с выражениями (1) и гипотезой значения высоты n, приходящей с второго выхода вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11, определяются дисперсии шума и сигнала с шумом:
и
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
ИЗ
П
Значения дисперсий
и
поступают на первый и второй входы вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11, работа которого синхронизирована импульсом такта измерений с второго выхода синхронизатора 1. Период импульсов такта измерений T>NT, где N - число независимых измерений, используемых при формировании оценки высоты.
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
С приходом импульса такта измерений с синхронизатора 1 вычислитель положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11 формирует начальную гипотезу о положении переднего фронта спектра сигнала биений n=0 и исходный номер цикла проверки гипотез p=0 (поз. 14 фиг.4). Значение n  выдается в вычислители дисперсии шума 10 и сигнала с шумом 12 (поз.15 фиг.4). Результаты расчетов дисперсий
и
принимаются вычислителем положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11 (поз 16 фиг.4), по которым для каждой гипотезы n вычисляет значение функционала
(поз.17 фиг.4) в соответствии с выражением (2):
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
H
С помощью перебора гипотез от n=0 до К-1 (поз.18 и 19 фиг.4) получают массив
по которому ищется положение скачка дисперсии спектра сигнала биений n, соответствующее максимуму функционала
(поз.20 фиг.4).
H
H
H
H
R
С помощью циклического повторения измерений n по N реализациям спектра сигнала биений (поз 21, 22 фиг.4) получают массив n(p), по которому находят усредненную 〈n〉 и соответствующую оценку высоты H=〈n〉δ. Значение H выдается с первого выхода вычислителя положения скачка дисперсии спектра сигнала биений 11 потребителю (поз.23 фиг.4).
ЛТ
R
-4
-5
Моделированием получены зависимости среднеквадратичной флюктуационной ошибки измерения высоты σ от соотношения сигнал : шум q для порогового измерителя высоты (фиг.6) для двух значений вероятности ложной тревоги P=10 и 10, и предлагаемого измерителя (фиг.7) при разрешении сигнала δ=3 м. Полученные зависимости подтверждают снижение флюктуационной погрешности а более чем в 1,8 раз при соотношении сигнал : шум q≤0 дБ.
Моделирование, экспериментальные лабораторные и летные испытания макета радиовысотомера подтверждают возможность получения оценок высоты ЛА, в том числе по одиночной реализации отраженного сигнала, со сниженной флюктуационной погрешностью за счет использования в оценке большого числа выборок сигнала в априорном окне дальностей.
Техническим преимуществом предлагаемого радиовысотомера перед прототипом является возможность снижения требуемого соотношения сигнал : шум для обеспечения заданной точности.
Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, предлагаемый радиовысотомер может быть изготовлен по существующей, известной в радиопромышленности технологии на базе известных комплектующих изделий и использован при пилотируемой и автономной навигации различных летательных аппаратов.
Приложение 1
Адаптивный алгоритм определения высоты
<mrow><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover>
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi><mo>,</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
Совместная условная плотность вероятности
выборок сигнала согласованного фильтра
при положении отраженного сигнала на дальности n и, следовательно, функционал правдоподобия
описываются выражениями:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi>K</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
где
- комплексная выборка огибающей амплитуды отраженного сигнала на дальности
;
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- модуль огибающей амплитуды отраженного сигнала на дальности k;
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msubsup><mi>z</mi><mrow><mi>k</mi><mi>c</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>z</mi><mrow><mi>k</mi><mi>s</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- мощность сигнала на выходе согласованного фильтра на k-й дальности;
kc
ks
z и z - квадратурные составляющие сигнала на выходе согласованного фильтра для k-й дальности;
n - гипотеза дальности до ближайшей точки земной поверхности (гипотеза положения скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала), 0<n<K-1;
ПР
P(n,k) - мощность отраженного сигнала на дальности k при гипотезе положения скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала на дальности n;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
ПР
Максимум функционала (2) соответствует оценке положения скачка дисперсии амплитуды отраженного сигнала n (высоте ЛА). Для реализации алгоритма необходимы априорные данные о значениях
и P(n,k). Оценки данных величин можно адаптивно определить на основе решения системы уравнений:
где
Решение системы уравнений (3) и (4) имеет вид:
После подстановки в (2) значений (6) получим функционал правдоподобия:
НИ
где C - постоянный коэффициент, не влияющий на оценку положения отраженного сигнала по максимуму функционала правдоподобия.
Перебором гипотез о n находят гипотезу, обеспечивающую максимум функционалу соответствия:
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><msup><mi>L</mi><mi>У</mi></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
H
Положение максимума
соответствует положению максимума функционала правдоподобия
, соответственно высоте n.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США 4568938 "Radar altimeter nearest return traicking".
2. Патент США 7825851 "History or image based methods for altitude determination in radar altimeter".