РАДИОПЕЛЕНГАТОР
RADIO DIRECTION FINDER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство.
Известно два основных метода пассивной моноимпульсной радиопеленгации источника излучения: фазовый и амплитудный.
Амплитудный метод не позволяет получить высокой точности пеленгации в широком диапазоне углов, а в фазовом методе для достижения высокой точности требуется большое количество баз и каналов в приемном устройстве. Возможно комплексирование (объединение) этих методов и достижение при этом высокой точности в широком диапазоне углов при небольшом количестве баз и каналов и, следовательно, при минимальных массо-габаритных соотношениях радиопеленгатора.
В патенте US 6061022, G01S 5/04, 09.05.2000 г. описано устройство, реализующее амплитудно-фазовый метод пеленгации. В нем изложена идея метода и не совсем понятна возможность его реализации.
В патенте US 5541608 G01S 5/04, 30.07.1996 г. изложено построение устройства для определения углового положения амплитудно-фазовым методом пеленгации с использованием супергетеродинного приемника. Для повышения точности пеленгации и снижения вероятности грубых (аномальных) ошибок в устройстве применяется система калибровки, основным элементом которой является электрически программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭГТПЗУ). Данные калибровки включают измеренные на этапе настройки и запомненные в цифровом виде относительные значения амплитуды и фазы сигналов для соответствующих пар антенн и каналов в зависимости от угла и несущей частоты. Вычисление несущей частоты f осуществляется через измеренную промежуточную частоту fпч и заданную частоту гетеродина fг (f=fг±fпч.) Знак ± соответствует основной или зеркальной частотам приема, что принципиально не только для осуществления коррекции ошибок, но и для правильного вычисления пеленгов, так как в фазовом методе от этого зависит знак (наклон) пеленгационной характеристики. Отсутствие каких-либо устройств, через которые определяется основная или зеркальная частота приема, является недостатком вышеописанной системы радиопеленгации.
Другим недостатком является снижение точности пеленгации и увеличение вероятности аномальных ошибок в условиях воздействия внешних воздействующих факторов, например, при изменении температуры окружающей среды относительно температуры, при которой осуществлялись измерения ошибок пеленгации и их запись в ЭППЗУ. Особенно важно это, если радиопеленгатор работает в широком диапазоне частот, когда пеленгационные характеристики амплитудного и фазового пеленгатора существенно (в несколько раз) изменяются друг относительно друга по крутизне.
Целью изобретения является повышение точности, расширение частотного диапазона, повышение помехоустойчивости и обеспечение полной глубины встроенного контроля радиопеленгатора.
Поставленная цель достигается тем, что в радиопеленгатор, содержащий две антенны, развернутые друг относительно друга в одной плоскости - плоскости азимута, два смесителя высокой частоты, перестраиваемый гетеродин, квадратурный фазовый детектор, частотный дискриминатор, электрически программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ), цифровую схему управления и вычислитель пеленгов, при этом выход каждой из антенн соединен соответственно с первым входом каждого смесителя высокой частоты, вторые входы которых соединены с выходом перестраиваемого гетеродина, а его вход с первым выходом цифровой схемы управления, второй ее выход соединен с первым входом ЭППЗУ, третий ее выход соединен с первым входом вычислителя пеленгов, первый выход которого соединен с вторым входом ЭГТПЗУ, выход ЭППЗУ соединен с вторым входом вычислителя пеленгов, дополнительно введены третья и четвертая антенны, развернутые друг относительно друга в другой плоскости - плоскости угла места, и неразвернутая пятая антенна, третий, четвертый и пятый смеситель высокой частоты (См ВЧ), направленный ответвитель (НО), усилитель высокой частоты (УВЧ), контрольный генератор (КГ), второй перестраиваемый гетеродин (ПГ), пять предварительных усилителей промежуточной частоты (ПУПЧ), шесть полоснопропускающих фильтров (ППФ), четыре полосовых фильтра (ПФ) на вторую промежуточную частоту, усилитель промежуточной частоты с ограничением (УПЧ-О), четыре усилителя промежуточной частоты с радиовыходом и логарифмическим видеовыходом (УПЧ-Л), аналоговый сумматор, пороговое устройство (ПУ), блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и второй квадратурный фазовый детектор (ФД), причем выход первого См ВЧ через первый ППФ, первый См ПЧ, первый ПФ, первый УПЧ-Л соединен с первым входом первого квадратурного ФД, выход второго См ВЧ через второй ППФ, второй См ПЧ, второй ПФ, второй УПЧ-Л соединен с вторым входом первого квадратурного ФД, выход третьей антенны через третьи См ВЧ, ПУПЧ, ППФ, См ПЧ, ПФ, УПЧ-Л соединен с первым входом второго квадратурного ФД, выход четвертой антенны через четвертые ПУПЧ, ППФ, См ПЧ, ПФ, УПЧ-Л соединен с вторым входом второго квадратурного ФД, выход пятой антенны через НО, УВЧ, пятый См ВЧ, пятый ПУПЧ, пятый ППФ через УПЧ-О и шестой ППФ соединен с вторыми входами четырех См ПЧ, выход КГ соединен с вторым входом НО, вход КГ соединен с четвертым выходом цифровой схемы управления, выход первого ПГ соединен дополнительно с вторыми выходами третьего и четвертого См ВЧ, выход второго ПГ соединен с вторым входом пятого См ВЧ, вход второго ПГ соединен с пятым выходом цифровой схемы управления, выход УПЧ-О соединен дополнительно с входом частотного дискриминатора, вторые выходы первого, второго, третьего и четвертого УПЧ-Л соединены с четырьмя входами аналогового сумматора, выход которого соединен с входом ПУ, выход ПУ соединен с одним из входов вычислителя пеленгов и первым входом блока АЦП, каждые из двух выходов первого и второго квадратурного ФД, вторые выходы первого-четвертого УПЧ-Л, оба выхода частотного дискриминатора (ЧД) соединены соответственно с информационными входами блока АЦП, выходы блока АЦП соединены с входами вычислителя пеленгов, второй и третий выходы которого являются выходами устройства.
На фиг.1 приведена структурная схема пеленгатора, на фиг.2-4 диаграммы, поясняющие его работу.
Радиопеленгатор содержит пять антенн 1-5, две из которых 1 и 2 развернуты друг относительно друга в одной плоскости (азимута), две другие 4 и 5 развернуты друг относительно друга в другой плоскости (угла места), а антенна 3 не развернута и расположена в центре антенной системы пеленгатора. Далее расположены пять См ВЧ 6, 7, 11, 12, 15, УВЧ 8, НО 9, КГ 10, пять ПУПЧ 13, 14, 18, 19, 22 перестраиваемые гетеродины 16, 17, шесть ППФ 20, 21, 23, 24, 27, 34, четыре См ПЧ 25, 26, 29, 30, цифровая схема управления 28, четыре ПФ 31, 32, 36, 37, ЭППЗУ 35, четыре УПЧ-Л 38, 39, 41, 42, ЧД 40, два квадратурных ФД 43, 45, аналоговый сумматор 44, блок АЦП 46, ПУ 47 и вычислитель пеленгов 48.
Выход антенны 1 соединен через См ВЧ 6, ПУПЧ 13, ППФ 20, См ПЧ 25, ПФ 31 и УПЧ-Л 38 с первым входом первого квадратурного ФД 43. Выход антенны 2 через См ВЧ 7, ПУПЧ 14, ППФ 21, См ПЧ 26, ПФ 32, УПЧ-Л 39 соединен с вторым входом первого квадратурного ФД 43. Выход антенны 4 через См ВЧ И, ПУПЧ 18, ППФ 23, См ПЧ 29, ПФ 36, УПЧ-Л 41 соединен с первым входом второго квадратурного ФД 45. Выход антенны 5 через См ВЧ 12, ПУПЧ 19, ППФ 24, См ПЧ 30, ПФ 37, УПЧ-Л 42 соединен с вторым входом второго квадратурного ФД 45. Выход антенны 3 через НО 9, УВЧ 8, См ВЧ 15, ПУПЧ 22, ППФ 27, УПЧ-0 33, ППФ 34 соединен с вторыми входами См ПЧ 25, 26, 29, 30. Выход первого ПГ 17 соединен с вторым входом См ВЧ 6, 7, 11, 12, выход второго ПГ 16 соединен с вторым входом См ВЧ 15, выход КГ 10 соединен с вторым входом НО 9, входы ПГ 16, 17 и вход КГ 10 соединены с соответствующими третьим, четвертым и пятым выходами цифровой схемы управления 28. Вторые выходы каждого УПЧ-Л 38, 39, 41, 42 соединены с входами аналогового сумматора 44, выход которого через ПУ 47 соединен с тактовым входом блока АЦП 46 и первым входом вычислителя пеленгов 48. Первый и второй выходы цифровой схемы управления 28 соединены соответственно с первым входом ЭППЗУ 35 и вторым входом вычислителя пеленгов 48, первый выход которого соединен с вторым входом ЭППЗУ 35. Два выхода квадратурного ФД 43, два выхода ФД 45, оба выхода ЧД 40 и вторые выходы УПЧ-Л 38,39,41,42 соединены с информационными входами блока АЦП 46, выходы которого соединены соответственно с входами вычислителя пеленгов 48, второй и третий выходы которого являются выходами радиопеленгатора.
В пеленгаторе используется амплитудно-фазовый метод пеленгации. Фазовый и амплитудный пеленгаторы образуются в каждой плоскости (угол места и азимут) двумя парами развернутых антенн, расположенных симметрично относительно центральной неразвернутой антенны (см. фиг.2). Фазовый пеленгатор образуется двумя антеннами с базой d, на которую разнесены центры антенн, амплитудный пеленгатор образуется этими же антеннами за счет их симметричной развернутости на 45° относительно центральной оси (см. фиг.2). В качестве приемного устройства в пеленгаторе используется супергетеродинный приемник с двойным преобразованием по частоте с разнесенными частотами гетеродинов, обладающий, при определенным образом выбранных частотах гетеродина и полосе пропускания ПЧ тракта, высокой помехоустойчивостью на комбинационных частотах и на зеркальной частоте приема.
Для защиты от приема на зеркальной частоте в приемном устройстве применяется определенное распределение полос пропускания ППФ опорного канала и измерительных каналов, а также величины второй промежуточной частоты, равной разнице частот ПГ опорного 16 и измерительного 17 каналов (см. фиг.3). В опорный канал входят элементы 3, 8, 9, 15, 16, 22,27, 33, 34, в первый измерительный канал - элементы 1, 6, 13, 20, 25, 31, 38 и соответствующие элементы входят во второй - четвертый измерительные каналы.
При приеме на основной частоте сигналы после первого преобразования по частоте, прошедшие ППФ 27, 34 в опорном канале и ППФ 20, 21, 23, 24 в измерительных каналах, преобразуются в См ПЧ 25, 26, 29, 30 на вторую промежуточную частоту и проходят ПФ 31, 32, 36, 37, так как разница частот после первого преобразования, определяемая разницей частот гетеродинов 16 и 17, совпадает с полосой пропускания ПФ 31, 32, 36, 37.
При приеме на зеркальной частоте разница частот после первого преобразования существенно больше полосы пропускания ПФ 31, 32, 36, 37 (см. фиг.3) и, следовательно, сигнал, соответствующий зеркальной частоте опорного и измерительного каналов не обнаруживается обнаружителем, образованным аналоговым сумматором 44 и пороговым устройством 47.
Пеленгатор работает следующим образом.
пчо
пчо
пчо
Электромагнитная волна преобразуется антеннами 1-5 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты и с различными фазовыми и амплитудными соотношениями, соответствующему направлению на источник излучения. В измерительных каналах сигналы с выходов антенн 1, 2, 4, 5 поступают соответственно на сигнальные входы См ВЧ 6, 7, 11, 12, где преобразуются по частоте. На гетеродинные входы этих смесителей приходит сигнал с выхода перестраиваемого гетеродина 17. С выходов См ПЧ 6, 7, 11, 12 сигналы усиливаются ПУПЧ 13, 14, 18, 19, фильтруются ППФ 20, 21, 23, 24 и преобразуются на вторую промежуточную частоту См ПЧ 25, 26, 29, 30. После преобразования сигналы фильтруются ПФ 31, 32, 36, 37, усиливаются УПЧ-Л 38, 39, 41, 42 до необходимой величины. Сигналы с первых выходов УПЧ-Л поступают на соответствующие входы квадратурных ФД 43, 45 соответственно. Видеосигналы с вторых выходов УПЧ-Л 38, 39, 41, 42 поступают на входы аналогового сумматора 44 и с его выхода на вход ПУ 47, формирующего при превышении порога импульс обнаружения. С выхода антенны 3 сигнал поступает на первый вход НО 9 и с его выхода, почти без потерь по мощности - на вход УВЧ 8, где усиливается и поступает на сигнальный вход пятого См ВЧ 15. На гетеродинный вход его приходит сигнал с выхода второго перестраиваемого гетеродина 16. Разность частот гетеродинов 16 и 17 всегда равна величине второй промежуточной частоты и частота гетеродина 16 всегда больше (для определенности) частоты 17 по своей величине. Частоты гетеродинов устанавливаются цифровой схемой управления 28. С выхода См ВЧ 15 сигнал ПЧ поступает на вход ПУПЧ 22, предварительно усиливается в нем, затем фильтруется ППФ 27 и усиливается до ограничения УПЧ-О 33. С выхода УПЧ-О 33 сигнал поступает после фильтрации ППФ 34 на гетеродинные входы См ПЧ 25, 26, 29, 30. Так как разность частот гетеродинов 16, 17 всегда постоянна и равна второй ПЧ, ширину полосы пропускания ПФ 31, 32, 36, 37 можно выбрать достаточно узкой, чем достигается повышенная помехоустойчивость пеленгатора (см. фиг.3). Сигнал с выхода УПЧ-О 33 поступает также на вход ЧД 40, который формирует в квадратурах сигналы, пропорциональные Sin(2π·f·τ) и Cos(2π·f·τ), где f - значение ПЧ при преобразовании в опорном канале, x - величина задержки в ЧД 40. Эти сигналы используются для измерения промежуточной частоты по опорному каналу (ОК).
Сигналы управления частотой перестраиваемых гетеродинов 16, 17 и режимами работы (включение, выключение и частота сигнала) КГ 10 поступают с первых трех выходов цифровой схемы управления 28. С четвертого и пятого ее выходов сигналы поступают, соответственно, на входы вычислителя пеленгов 48 и ЭППЗУ 35. Второй вход ЭППЗУ 35 соединен с первым выходом вычислителя пеленгов 48, а выход ЭППЗУ 35 соединен с вторым входом вычислителя пеленгов 48. С двух выходов первого квадратурного ФД 43, двух выходов второго квадратурного ФД 45, двух выходов ЧД 40, с вторых выходов УПЧ-Л 38, 39, 41, 42 аналоговые сигналы поступают на второй - одиннадцатый входы блока АЦП, в котором каждый из аналоговых сигналов преобразуется по фронту логического сигнала с выхода ПУ 47 в цифровые двоичные сигналы, поступающие на третий - двенадцатый входы вычислителя пеленгов 48. На двух его выходах формируются цифровые отсчеты пеленгов по азимуту и углу места.
При настройке устройства источник излучения перемещается по заданному угловому пространству на определенной несущей частоте и фиксируются угловые ошибки в ЭППЗУ 35 для амплитудного и фазового пеленгаторов (так же, как в устройстве - прототипе US 54411608 G01S 5/04). Таким образом осуществляется калибровка пеленгатора по угловому положению и в диапазоне частот. Затем источник излучения отключается и включается КГ 10 последовательно на тех же или близких частотах. В ЭППЗУ 35 при этом фиксируются значения фазовых и амплитудных ошибок в режиме калибровки с КГ 10.
Формирование отсчетов пеленгов в рабочем режиме осуществляется следующим образом.
Периодически включается КГ 10 ив ЭППЗУ записываются значения амплитудных и фазовых ошибок на фиксированных частотах КГ 10. При этом сигнал с выхода КГ 10 проходит через НО 9 в антенну 5 и через нее и антенны 1-4 распространяется на входы смесителей ВЧ 6, 7, 11, 12. Благодаря симметрии антенной системы, образованной антеннами 1-5, сигналы на входах смесителей ВЧ 6, 7, 11, 12 попарно близки к синфазным и не изменяются во всех условиях эксплуатации радиопеленгатора. При этом осуществляется также полная проверка функционирования радиопеленгатора, то есть реализуется полная глубина встроенного контроля.
Образовавшиеся на выходах антенн радиосигналы преобразуются по частоте, усиливаются, фильтруются, детектируются с сохранением амплитудных и фазовых соотношений в измерительных каналах. После обнаружения сигнала пороговым устройством 47 в вычислителе пеленгов 48 формируются отсчеты пеленгационной характеристики амплитудного и фазового пеленгаторов. Амплитудная пеленгационная характеристика (АПХ) формируется как разность сигналов с вторых выходов УПЧ-Л 38, 39 и 41, 42 в цифровом виде для каждой плоскости (азимут, угол места). Фазовая пеленгационная характеристика (ФПХ) формируется как разность фаз Δφ=(f/c)·2·π·d·Sinα, где d - расстояние между фазовыми центрами антенн в каждой плоскости, c - скорость света в свободном пространстве, f - несущая частота сигнала, α - угол между центральной осью и проекцией направления на источник излучения в каждой плоскости. Вычисляется несущая частота сигнала f=fгок+fпч, где fгок - устанавливаемая частота сигнала гетеродина опорного канала (16), fпч - измеренная в вычислителе пеленгов значение промежуточной частоты: fпч=Δφпч/(2·π·τ), где τ - величина задержки ПЧ сигнала в частотном дискриминаторе 40, Δφпч=arctg (А·К·SinΔφпч)/(А·К CosΔφпч), А - амплитуда выходного сигнала на выходах ЧД 40, К - коэффициент пропорциональности (передачи) ЧД 40, Δφпч - разность фаз прямого и задержанного сигналов в ЧД 40.
По вычисленным значениям пеленгов в обеих плоскостях и по вычисленным значениям несущей частоты из ЭППЗУ выбираются корректирующие значения разностей фаз и разностей амплитуд, сформированные при настройке радиопеленгатора. В случае, если значения пеленгов не совпадают с значениями, задаваемыми при настройке, вычисляются методом интерполяции промежуточные значения и фиксируются в оперативной памяти вычислителя пеленгов 48. Затем вычисляется значение поправок при включенном КГ 10 как разность значений, зафиксированных при последнем включении КГ 10, и при включении КГ 10 при настройке пеленгатора, соответственно в каждой плоскости для амплитудного и фазового пеленгатора. При этом значения поправок по частоте вычисляются как интерполяция по ближайшим значениям несущей частоты.
После внесения всех поправок вычисляется пеленг источника излучения как результат измерения с учетом значений поправок, взятых из ЭППЗУ, следующим образом. Вычисляются с учетом поправок и несущей частоты пеленги по фазовому пеленгатору и запоминаются. Вычисляются с учетом поправок пеленги по амплитудному пеленгатору и запоминаются. Вычисляются разницы пеленгов по каждой из угловых координат, сравниваются с порогами (см. фиг.4) и формируются старшие разряды для неоднозначной пеленгационной характеристики фазового пеленгатора. К старшим разрядам присоединяются младшие разряды фазовой пеленгационной характеристики, и формируется однозначная пеленгационная характеристика в угломестной и азимутной плоскостях.
Таким образом, выбранное в радиопеленгаторе построение приемного устройства с двумя гетеродинами перестраиваемыми и с двойным преобразованием по частоте повышает помехоустойчивость пеленгатора в широком диапазоне частот, а введение дополнительной юстировки с помощью контрольного генератора 10 повышает точность пеленгации во всех условиях эксплуатации в широком диапазоне частот и обеспечивают полную глубину встроенного контроля радиопеленгатора.