ЦИФРОВАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Полезная мод ель относится к системам управления и регулирования и может быть использована в радиолокации для цифрового регулирования привода антенной системы метеолокатора.
Следящие измерители направления (СИН) отслеживают угловые координаты путем непрерывного совмещения опорного направления с направлением прихода волны. Цепи слежения замыкаются по каналам каждой из двух угловых координат (азимуту и углу места).
Известна система автоматического сопровождения цели по угловым координатам, в которой каждый канал (азимута и угла места) содержит угловой дискриминатор, экстраполятор и синтезатор поворота, причем угловой дискриминатор содержит антенну, приемник и сравнивающее устройство, экстраполятор содержит схему преобразования положения вала антенной колонки в напряжение или цифровой код, синтезатор поворота (механический) это в общем виде электродвигатель управления поворотом антенной колонки, выполняющий также роль интегратора, см. «Теоретические основы радиолокации» под ред. В.Е.Дулевича, М, Сов. радио, 1978 г., стр.360-361. Недостатком данной системы являются:
ограниченный порядок астатизма;
аппаратурные ошибки из-за наличия люфтов, прогиба опор;
недостаточная динамика и «рыскание» (дрожжание) у нулевого положения антенны.
Известна моноимпульсная система измерения угловых координат, в которой применен амплитудный суммарно-разностный метод, причем принимаемые антеннами сигналы поступают в суммарно-разностный преобразователь, где производится их суммирование и вычитание. Амплитуда разностного сигнала определяет величину угловой ошибки, а разность фаз между разностным и суммарным сигналом - ее знак, см. «Системы зондирования атмосферы» Ермаков В.И. и др., Гидрометеоиздат, Ленинград, 1977 г., стр.274-278.
Недостатком данной системы является ее аппаратурная сложность, т.к. требуется четыре облучателя, дополнительный приемный канал, также недостаточная точность, даже срыв сопровождения при пролете радиозонда по нулевому азимуту на начальном участке полета.
Известна метео РЛС, в которой для определения угловых координат в процессе полета радиозонда используется метод равносигнальной зоны. При отклонении радиозонда от равносигнального направления появляется сигнал ошибки по угловым координатам, который передается в систему управления антенной. Напряжение сигнала угловой ошибки можно представить как сумму двух гармонических составляющих напряжений, сдвинутых между собой на 90°. Одно из этих напряжений имеет амплитуду, пропорциональную угловому отклонению радиозонда от оси равносигнальной зоны по азимуту, другое напряжение - по углу места. Для выделения этих составляющих используют фазовые детекторы, выходные напряжения которых используют как управляющие, пропорциональные ошибкам отклонения отдельно по азимуту и углу места. Управляющие напряжения после усиления подаются на исполнительные двигатели приводов вращения антенны по азимуту и углу места. С выходными валами приводов по азимуту и углу места связаны датчики углового положения, напряжения с которых подаются в систему определения координат
в цифровых кодах, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М, Гидрометеоиздат, 1989 г., стр.11 - ПРОТОТИП.
Недостатками прототипа являются:
недостаточная точность определения угловых координат в силу выбранного метода управления приводами антенны, т.к. нужно чтобы резонансные частоты антенны и механических элементов следящей системы были значительно выше частоты среза полосы пропускания следящей системы, а это противоречивые требования, т.к. требуется и высокое быстродействие.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения угловых координат радиозонда, а также надежности его сопровождения, особенно на малых высотах и при больших угловых скоростях перемещения, порядка 20-30° сек.
Для решения поставленной задачи предлагается цифровая следящая система измерения угловых координат, содержащая приемопередатчик, угловой дискриминатор, микропроцессор, блок измерения углов положения антенны, блок управления двигателями, блок шаговых двигателей, блок валов антенной системы, причем выход приемопередатчика соединен с входом углового дискриминатора, выход которого через первый последовательный интерфейс соединен с первым входом/выходом микропроцессора, второй вход/выход микропроцессора через второй последовательный интерфейс соединен с блоком измерения углов, входы которого жестко механически связаны с валами антенной системы, а выходы блока измерения углов через блок управления двигателями соединены с блоком шаговых двигателей, которые соединены с валами антенной системы.
На чертеже показана структурная схема системы, на которой изображено: 1 - приемопередатчик, 2 - угловой дискриминатор, 3 - микропроцессор, 4 - блок измерения углов, 5 - блок управления двигателями, 6 - блок шаговых двигателей, 7 - валы антенной системы, «а», «б», «с» - первый, второй и третий соответственно асинхронные последовательные интерфейсы, также условно показаны зеркало антенны, ось санирования и диаграмма направленности в одной плоскости.
Указанные схемы и блоки могут быть выполнены на следующих известных элементах и микросхемах: приемопередатчик 1 может быть применен из, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1, М, Гидрометеоиздат, 1989 г., стр.23 и 42, угловой дискриминатор 2, см. например, «Справочник по радиолокации» под ред. Скольника, т.4, М, Сов. радио, 1978 г., стр.13-14, микропроцессор 3, может быть применен типа 80С196КС, см. каталог фирмы Jutel «EMBEDDTD MICROCONTROLLERS and PROCESSORS» volumel, 1993, 17-1, блок измерения углов 4 может быть выполнен на основе синус-косинусных вращающихся трансформаторов типа СКТД-64110 см. 6С3.019.057 ТУ, разработан МНПК «Авионика», М. и преобразователя угол-код на программируемой логической матрице, программно управляемой микропроцессором, блок управления двигателями 5 и блок шаговых двигателей 6, например типа ДШН-200-3, см. Петербургский ж. «Электроника» 2/96, стр.35-37, валы антенной системы 7, кроме собственно валов, жестко связанных с зеркалом антенны, имеют в своем составе блоки волновых механических передач, см. «Волновые механические передачи», изд. Научно-исследовательский институт по машиностроению, Ь, 1976 г., МВТУ им.Баумана, стр.4-18. Интерфейсы связи («а», «б» и
«с» соответственно) могут быть организованы как последовательные асинхронные интерфейсы связи (протокол RS 232, ТТЛ уровни).
Цифровая следящая система измерения угловых координат работает следующим образом.
В режиме измерения угловых отклонений радиозонда от радиотехнической оси антенны используется равносигнальный метод сопровождения радиозонда, при отклонении последнего от равносигнального направления возникает сигнал рассогласования по угловым координатам с частотой сканирования антенны. Выходной сигнал приемопередатчика 1 (здесь и далее описывается только режим приема) промодулирован по амплитуде сигналом отклонения положения радиозонда.
Выходной сигнал имеет следующий вид:
Амплитуда сигнала различна в разных фазах сигнала при отклонении положения радиозонда, разность амплитуд фазы 1 (F1) и фазы 3 (F3) пропорциональна отклонению по углу места (F1-F3)>0 (отклонение вверх), а разность
амплитуд фазы 0 (F0) и фазы 2 (F2) пропорциональна отклонению по азимуту, (F0-F2)>0 (отклонение влево). Угловой дискриминатор 2 формирует сигналы управления фазовращателями (F OUT0-F OUT3), а также измеряет амплитуду входного сигнала в каждой фазе. Измеренные значения амплитуд передаются по команде МП3 через интерфейс "а" в МПЗ для принятия решений по управлению антенной. Всю обработку входного сигнала угловой дискриминатор 2 производит в цифровой форме, требуемая точность измерения амплитуды обеспечивается использованием специальных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Цифровая часть углового дискриминатора 2 может быть реализована также, как и МП3, на 16-ти разрядном микроконтроллере 80 С196 КД, а преобразование аналогового сигнала в цифровую форму - на высокоскоростном АЦП, например, AD 775 JN. Программа работы микроконтроллера хранится в ПЗУ, а результаты обработки входного сигнала записываются в ОЗУ. Блок измерения углов 4 предназначен для измерения углов по азимуту и углу места антенной системы относительно нулевого положения (исходного состояния) и выдачи результатов на МП3, а также организацией интерфейса связи между МП и блоком управления горизонтальным и вертикальным приводами 5. Блок измерения углов 4 содержит два датчика угловых перемещений типа СКВТ, жестко закрепленных на валах антенны (по азимуту и углу места) и цифровую часть, выполняющую первичную обработку сигналов датчиков и определяющую угловое положение вала антенны (азимут и угол места). Цифровая часть блока измерения углов может быть реализована на 16-ти разрядном микроконтроллере 80 С196 КС, программа работы которого хранится в ПЗУ, результаты обработки сигналов с датчиков СКВТ записываются в ОЗУ. Обмен информацией (команда и данные) с МПЗ происходит по последовательному интерфейсу «б». Полученные значения углов
поворота вала системы в 16-ти разрядном коде (для этого могут быть применены цифро-аналоговые преобразователи, например AD 723 JN) используются не непосредственно, а в качестве адресных кодов ПЗУ, в котором запрограммированы истинные значения измеряемых углов (для уменьшения систематической погрешности канала измерения углов). Измеренные значения углов и заданные с МП3 сравниваются (раздельно по азимуту и углу места) между собой, а полученные разности поступают на блок управления двигателями в качестве управляющих сигналов, подлежащих отработке валами антенной системы.
Блок управления приводами 5 предназначен для управления двумя координатными шаговыми двигателями 6 (раздельно по командам Х и Y - по азимуту и углу места), обеспечивающими вращение антенной системы по информации, поступающей от блока измерения углов 4 по интерфейсу «с». Эта информация преобразуется в команды управления Х и Y, например в микроконтроллере МС68НС811E2FN.
Общая синхронизация системы осуществляется от кварцевого генератора в МП3 (частота порядка 80 МГц). Сигналы управления, синхронизации и необходимые частоты вырабатываются устройством управления в МП3, выполненном, например на ИМС EPM7128SQC208-15, (сигналы и их связи между блоками на схеме условно не показаны).
Таким образом, видно, что цифровая следящая система измерения угловых координат содержит два контура управления: внешний, включающий в себя: радиозонд, зеркало антенны, приемник 1, угловой дискриминатор 2, МП3, блок измерения углов 4, блок управления двигателями 5, блок шаговых двигателей 6, валы антенной системы 7 и внутренний, включающий в себя: блок измерения углов 4, блок управления двигателями 5, блок шаговых двигателей
6, валы антенной системы 7. Благодаря такому построению и выбранным составным частям система позволяет: управлять валами антенной системы с дискретом 0,018° (шагом поворота вала); калибровать датчики положения СКВТ валов антенны, т.е. исключить систематические ошибки; исключить механические ошибки, как-то люфты, рыскания и пр.; исключить проблемы, связанные с динамикой и устойчивостью системы в целом, в конечном итоге значительно повысить быстродействие системы и ее точность, т.е. повысить надежность сопровождения радиозонда, особенно на малых высотах.