ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
PHASE-BASED MODULATED SIGNAL DIRECTION-FINDER

Предлагаемое изобретение относится к области локации и навигации, в частности к пеленгаторным устройствам, и может быть использовано в радиостанциях пеленгования источников излучения.
В пеленгаторных устройствах, устанавливаемых на подвижных и, особенно, скоростных носителях, точностные характеристики ограничиваются рядом факторов, в частности, допустимыми габаритами и числом антенн, размещаемых на поверхности носителя, а также объемом, количеством и сложностью устройств приема и обработки сигналов.
Известны фазовые пеленгаторы (например, патенты США №3540054, 3787863, 3761927, акц. заявка Великобритании №1318044, a также пеленгатор, описанный в статье Ложников, Поль, "Измерение пеленгов источников радиоизлучения многобазовыми интерферометрами", обеспечивающие, в принципе, требуемую для навигации и местоопределения высокую точность и однозначность отсчета. Наиболее близким к заявляемому устройству является фазовый пеленгатор, который представляет собой достаточно сложное устройство с использованием многобазовой антенной системы и многоканального приемного устройства, нагруженного на несколько (по числу баз) фазоизмерителей. Разработка и размещение на носителях таких устройств представляет определенные трудности, особенно в части антенных систем.
Для совместного обеспечения точности и однозначности отсчета, особенно при работе в диапазоне частот, в фазовых пеленгаторах необходимо использовать не менее 3-4 баз и соответствующее количество устройств приема и обработки. При этом измерения по одной или нескольким малым базам используют для раскрытия неоднозначности измерения по наиболее точной - максимальной базе, составляющей, обычно несколько длин волн. Размещение антенн на близких расстояниях (меньших половины длины волны), необходимое для однозначного отсчета при работе в диапазоне с большим перекрытием по частоте (порядка 2-3 и более), представляет дополнительные трудности в связи с искажением их характеристик ввиду взаимного влияния близко располагаемых антенн. Кроме того, обеспечить размещение на носителе ряда близко расположенных антенн с определенными расстояниями между ними также не всегда бывает возможным по конструктивным причинам.
Таким образом, факторами, ограничивающими диапазонность и достижимую точность пеленгаторных устройств, размещаемых на подвижных носителях, являются ограничения по числу и взаимному расположению антенн, а также по объему устройств приема и обработки сигналов.
Целью предложения является сокращение числа антенн и приемных трактов пеленгатора без снижения точности и диапазонности пеленгования, а также упрощение размещения антенн на носителях путем исключения необходимости применения в пеленгаторе малых баз, т.е. близкого размещения нескольких антенн на расстояниях, составляющих доли длины волны.
Указанная цель достигается тем, что в пеленгатор модулированных радиосигналов, содержащий две антенны, разнесенные на измерительную базу d, (обычно в несколько раз превышающую длину волны несущих колебаний сигналов), подключенные к их выходам приемные тракты и фазоизмеритель, входы которого подключены к выходам приемных трактов, а также дополнительные пространственно разнесенные антенны и соединенные с ними соответствующие приемные тракты, введены многоканальный корреляционный измеритель пространственно-временного сдвига текущей фазы модуляции сигнала, подключенная к его выходу схема сравнения и определения номера канала, и устройство совместной обработки и определения пеленга, входы которого подключены к выходам фазоизмерителя и схемы сравнения и определения номера канала, один вход корреляционного измерителя подключен к дополнительному выходу тракта одной из образующих измерительную базу антенн, а второй - к выходу приемного тракта единственной используемой в предлагаемом пеленгаторе дополнительной антенны, причем антенны, выходы которых через приемные тракты соединены с корреляционным измерителем, разнесены на базу l, которая равна или больше измерительной базы d в зависимости от диапазона частот и условий работы пеленгатора и выбирается по формуле
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>≥</mo><mfrac><mi>d</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>η</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
а число каналов корреляционного измерителя n установлено не меньшим величины
<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
,
где θ - полуширина сектора пеленгования,
Е(x) - целая часть числа (x),
η - величина, характеризующая отношение сигнал/шум и равная отношению энергии сигнала к спектральной плотности шума,
λ - длина волны,
ΔF - эффективная ширина спектра сигнала,
0
f - несущая частота,
d и l - измерительная и дополнительная базы, соответственно.
Кроме того, в условиях, когда значение несущей частоты сигнала априорно неизвестно, например, при пеленговании источников излучения с неизвестными параметрами в широком диапазоне частот, в состав пеленгатора должен входить соединяемый с одним из приемных трактов измеритель несущей частоты сигналов, вход которого соединяют с одним из приемных трактов, а выход - с дополнительным входом устройства совместной обработки и определения пеленга.
Предлагаемое построение пеленгатора позволяет исключить необходимость размещения нескольких антенн на близких (малых по отношению к длине волны) расстояниях и минимизировать число дополнительных антенн и приемных трактов; в общем случае достаточно иметь лишь одну дополнительную антенну.
В диапазоне частот пеленгуемых сигналов, удовлетворяющих соотношению
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>σ</mi><mi>τ</mi></msub><mo>≤</mo><mn>1</mn></mrow>
,
τ
(где σ - точность измерения временного сдвига), корреляционная база может быть совмещена с измерительной и в качестве дополнительной антенны и ее тракта используются вторая из числа образующих измерительную базу антенна и ее приемный тракт, подключая соответствующий дополнительный выход приемного тракта к корреляционному измерителю.
Таким образом, указанная цель достигается тем, что для устранения неоднозначности фазового измерения пеленга по точной (измерительной) базе используется не система нескольких малых баз со своими фазоизмерителями, как это имеет место в известных фазовых пеленгаторах, а одна база, большая, чем точная, (соответствующая, например, максимально допустимой по размещению на носителе) или, в частном случае, равная точной, т.е. совпадающая с ней (та же самая база).
К выходам приемных трактов этой базы подключается введенный в состав пеленгатора многоканальный корреляционный измеритель, к выходу которого подключена схема сравнения и определения номера канала. Выходы фазоизмерителя точной базы и схемы сравнения и определения номера канала подключены к устройству совместной обработки и определения пеленга. При этом в состав точного пеленгатора в диапазоне сантиметровых-дециметровых волн будут входить только три антенны и три приемных тракта (а в длинноволновом участке диапазона, начиная от дециметрового-метрового, где возможно совмещение баз - только две антенны и два тракта) и один фазоизмеритель вместо 4-5 и более антенн, приемных трактов и фазоизмерителей, как этот имеет место в обычном многобазовом пеленгаторе. При этом значительно упрощаются антенные устройства как за счет сокращения числа антенн, так и в связи с исключением необходимости близкого расположения нескольких антенн.
Блок-схема предлагаемого пеленгатора представлена на фиг.1.
Пеленгатор модулированных сигналов содержит антенну 1 корреляционного канала (АКК), антенну 2 точного канала (АТК) и антенну 3 общего канала (АОК), к выходам которых подключены, соответственно, приемные тракты каналов - корреляционного 4 (ПКК), точного 5 (ПТК), и общего 6 (ПОК), причем АОК и АТК разнесены на базу d, выбираемую исходя из требуемой точности по обычной для фазовых пеленгаторов методике, а АКК и АОК разнесены на базу l, большую или равную d (в случае равенства d и l функции АКК и последующих трактов ПКК и ПТК выполняются едиными, общими для этих трактов антенной и приемным трактом). К выходам приемных трактов общего и точного каналов подключены фазоизмеритель 7 (ФИМ), а к выходам трактов общего и корреляционного каналов подключен многоканальный корреляционный измеритель 8 пространственно-временного сдвига текущей фазы модуляции сигналов (КИС), к выходу которого последовательно подключены схема 9 сравнения и определения номера канала (СОН) и устройство 10 совместной обработки и определения пеленга (УСОП), к другому входу которого подключен выход фазоизмерителя 7 (ФИМ). Кроме того, к выходу приемного тракта общего канала подключен измеритель несущей частоты сигнала 11 (ИНЧ), выход которого подключен к дополнительному входу устройства совместной обработки и определения пеленга 10.
Порядок работы и взаимодействия составных частей схемы предлагаемого пеленгатора следующий.
Модулированный (например по амплитуде) сигнал принимается антеннами АКК1, АТК2 и АОК3 с некоторыми запаздываниями, величины которых зависят от величины баз d и l и углов между этими базами и направлением на источник излучения. Принятые и запаздывающие друг относительно друга сигналы усиливаются и, при необходимости, селектируются и преобразуются по частоте в приемных трактах ПКК4, ПТК5 и ПОК6; кроме того, сигнал одного из приемных трактов (например, ПОК) поступает на измеритель несущей частоты (ИНЧ) 11, где производится определение несущей частоты принимаемого сигнала. Усиленные сигналы с выходов ПОК6 и ПТК5 подаются на фазоизмеритель ФИМ7, где определяется разность фаз на несущей или преобразованной частоте для точной базы d. Величина точной базы составляет несколько длин волн (5-10 и более), так что в общем случае измеренная ФИМ разность фаз отличается от истинной на некоторое неизвестное целое число n периодов, т.е. на 2πn, в связи с чем истинное значение пеленга не может быть определено. С выходов трактов корреляционной базы l (между антеннами АОК3 и АКК1 - ПОК6 и ПКК4) сигнал подается на многоканальный корреляционный измеритель с числом каналов, соответствующим максимально-возможному числу
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>d</mi><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo>±</mo><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
если пеленгование производится в секторе
(или несколько меньшим - в соответствии с величиной сектора). Корреляционный измеритель может представлять собой, например, систему из n перемножителей, на которые по одному входу поступает сигнал непосредственно с выхода ПОК, а на другой - с выхода ПКК через различные для каждого перемножителя линии задержки. На выходах перемножителей включены идентичные фильтры (интеграторы). В результате обработки в КИС сигнала, принятого разнесенными на базу l антеннами АКК и АОК, на входах КИС появляются сигналы различной амплитуды, причем максимальная амплитуда будет в том канале, где величина задержки соответствует временному сдвигу, обусловленному величиной базы l и зависящему от направления прихода сигнала. В подключенной к выходу КИС схеме 9 СОН производится выделение канала с наибольшей амплитудой сигнала (например, в результате преобразования амплитуд сигналов на выходах канала в кодовые сигналы с последующим сравнением кодов; возможно и аналоговое построение схемы сравнения) и, при необходимости, формирование сигнала номера канала в виде, удобном для дальнейшей обработки. Сигналы номера канала из СОН и значение разности фаз из ФИМ подаются на устройство совместной обработки и определения пеленга 10 (УСОП), куда также вводятся значения несущей частоты (длины волны) принимаемых сигналов из соединенного с ПОК измерителя 11 (ИНЧ).
Совокупность значений этих трех сигналов при известных величинах баз d и l (удовлетворяющих определенным соотношениям, в зависимости от длины волны, величины сектора обзора и рабочего отношения сигнал/шум) позволяет однозначно определить истинный пеленг источника излучения; совместная обработка может производиться средствами цифровой техники, в этом случае УСОП будет представлять собой специализированный вычислитель. Возможно также аналоговое формирование сигнала пеленга, однако для удобства последующей обработки (например, определения координат излучателя, статистической обработки совокупности пеленгов и т.п.) предпочтительным является выполнение УСОП на элементах дискретной обработки.
Построение пеленгатора модулированных сигналов по предлагаемой схеме обеспечивает по сравнению с известными пеленгаторами следующие преимущества:
- снижение числа дополнительных антенн и приемных трактов до 1 (отсюда и снижение числа фазоизмерителей до 1), что дает экономию в 2÷4 раза;
- упрощение требований к размещению антенных устройств на носителе;
- возможность работы в широком диапазоне частот.