ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКАЯ РАДИОВЫСОТОМЕРНАЯ СИСТЕМА
PULSE-DOPPLER RADAR ALTIMETRIC SYSTEM

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых навигационных системах летательных аппаратов.
Известно устройство [1], реализующее способ измерения скорости летательного аппарата относительно подстилающей поверхности, заключающийся в определении корреляционной временной задержки по равенству коэффициента автокорреляции в одном из приемных каналов, коэффициенту взаимной корреляции сигналов двух приемников, вычислению коэффициента автокорреляции во втором приемном канале и нахождению временного положения максимума функции взаимной корреляции сигналов этих приемников. При этом для вычисления скорости используют среднее значение коэффициентов автокорреляции.
Основным недостатком данного устройства является использование двух приемных антенн, что не позволяет производить измерения с заданной точностью при эволюциях объекта над широким диапазоном типов поверхностей (море, лес и т.п.). Вариант расположения приемных антенн, предлагаемый в [1], не позволяет производить измерения при малых углах сноса (при отсутствии сноса), т.к. в этом случае максимум коэффициента взаимной корреляции определяется разносом антенн по поперечной оси летательного аппарата. При малых углах сноса коэффициент взаимной корреляции мал, что ведет к повышенным погрешностям измерения составляющих вектора путевой скорости. Повысить коэффициент взаимной корреляции возможно путем сближения приемных антенн, однако минимальное расстояние между антеннами ограничено их геометрическими размерами.
Кроме того, конструкция предлагаемой антенной системы не позволяет размещать устройство на относительно узкие и длинные борта летательных аппаратов.
Известен корреляционный измеритель скорости полета и угла сноса [2], который содержит четыре антенны, два приемника, два дискретизатора по времени, линию задержки, коммутатор, два перемножителя, направленный ответвитель, генератор тактовых импульсов, два фильтра нижних частот, передатчик, двигатель, индикатор пути, блок вычитания, блок слежения, три двухсторонних ограничителя, индикаторы скорости ветра и угла сноса, два блока совпадения и делитель.
Основным недостатком данного устройства является использование для оценки положения максимумов взаимно корреляционных функций (ВКФ) пространственно-разнесенных сигналов метода вилки при определении транспортного запаздывания, который не позволяет обеспечить высокую точность измерений составляющих вектора путевой скорости.
Наиболее близким по технической сущности является импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью [3], содержащий синхронизатор, вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фазовращатель, антенную систему, импульсный модулятор, управляемый аттенюатор, видеоусилитель, буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ), блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, циркулятор, малошумящий усилитель высокой частоты (УВЧ), фазовый детектор, направленный ответвитель, дискретно управляемый сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего УВЧ, а первый выход направленного ответвителя соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход фазовращателя - с первым входом управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом циркулятора, а второй вход управляемого аттенюатора соединен с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами/выходами БОЗУ, всеми первыми входами/выходами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами/выходами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, БОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, а первый вход АЦП - с выходом видеоусилителя, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с выходом блока регулировки усиления, выход циркулятора соединен со входом малощумящего УВЧ, вход/выход циркулятора соединен с входом/выходом антенной системы.
Измеритель излучает в направлении подстилающей поверхности и принимает короткие пакеты радиоимпульсов. При этом радиоимпульсы в приемнике преобразуются в биполярные видеоимпульсы, огибающая которых флюктуирует по амплитуде с частотой, определяемой доплеровским сдвигом частоты сигналов, отраженных от подстилающей поверхности (фиг.1).
Недостатком прототипа рассматриваемого устройства является то, что он не измеряет составляющие вектора путевой скорости.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения составляющих вектора путевой скорости летательного аппарата.
Указанная цель достигается тем, что в устройство [3], содержащее синхронизатор, вычислительное устройство, АЦП, фазовращатель, импульсный модулятор, управляемый аттенюатор, видеоусилитель, БОЗУ, блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, циркулятор, малошумящий УВЧ, фазовый детектор, направленный ответвитель, дискретно управляемый СВЧ генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего УВЧ, а первый выход направленного ответвителя соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход - с первым входом управляемого аттенюатора, выход которого соединен с первым входом циркулятора, а второй вход соединен с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами/выходами БОЗУ, всеми первыми входами/выходами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами/выходами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, БОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, а первый вход АЦП - с выходом видеоусилителя, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с выходом блока регулировки усиления, введены последовательно соединенные вторые и третьи малошумящие УВЧ, фазовые детекторы, видеоусилители, АЦП, антенная система, средняя из которых может использоваться в качестве приемопередающей антенны, при этом выходы второго и третьего малошумящих УВЧ соединены с первыми входами второго и третьего фазовых детекторов, выходы которых соединены с первыми входами второго и третьего видеоусилителей, выходы которых соединены с входами второго и третьего АЦП, второй вход/выход циркулятора соединен со вторым входом/выходом антенной системы, выход циркулятора соединен со входом первого малошумящего УВЧ, первый и третий выходы антенной системы соединены соответственно со входами второго и третьего малошумящих УВЧ, вторые входы первого фазового детектора, первого видеоусилителя, первого АЦП соединены со вторыми входами второго и третьего фазовых детекторов, видеоусилителей, АЦП, выходы второго и третьего АЦП соединены с восьмыми и девятыми входами БОЗУ.
Составляющие вектора путевой скорости определяются по максимуму взаимно корреляционных функций пространственно-разнесенных между собой отраженных от подстилающей поверхности сигналов, принимаемых разнесенными антеннами, расположенными на ЛА, с учетом геометрии антенной системы [4].
Порядок приема отраженных радиоимпульсов на три разнесенные антенны показан на фиг.2.
Минимальный период повторения импульсов при работе в режиме однозначности определяется высотой полета летательного аппарата, а именно должно выполняться соотношение:
п
где Т - период повторения импульсов,
τ - длительность импульса,
Н - высота полета,
с - скорость электромагнитных волн.
Таким образом, шаг дискретизации ВКФ пространственно -разнесенных Δt сигналов, принятых на каждую антенну, составляет два периодов повторения импульсов:
и его минимальное значение ограничено выражением (1).
Пространственный интервал корреляции ΔХ принятых на антенны сигналов зависит от длины волны λ излучаемого сигнала и статистических свойств подстилающей поверхности. Ширина ВКФ ΔT сигналов связана с пространственным интервалом корреляции соотношением:
где V - скорость летательного аппарата.
Из выражения (3) следует, что ширина ВКФ ΔT зависит от скорости летательного аппарата и пространственного интервала корреляции.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между собой и с другими блоками прототипа.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки известны [3, 4, 5]. Однако, введение их в заявляемый измеритель в указанной совокупности признаков не обнаружено и приводит к расширению функциональных возможностей и повышению точности измерений, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Для измерения предельно малых высот передающая антенна может быть выполнена в виде отдельного блока, подключенного к выходу управляемого аттенюатора, и разнесена с приемной антенной системой на определенное расстояние для обеспечения высокой развязки по наведенному в момент излучения на приемник «прямому» сигналу. При этом на первый вход циркулятора подключается согласованная нагрузка.
На фиг.1 представлены квадратурные составляющие биполярных видеоимпульсов, огибающая которых флюктуирует по амплитуде с частотой, определяемой доплеровским сдвигом частоты сигналов, отраженных от подстилающей поверхности. На фиг.2 представлен порядок приема импульсов на три разнесенные антенны заявляемой радиовысотомерной системы. На фиг.3 представлена блок-схема импульсно-доплеровской радиовысотомерной системы. На фиг.4 представлен алгоритм работы подпрограммы установки режима приемопередающего модуля при излучении радиоимпульсов и накоплении радиоимпульсов, отраженных от подстилающей поверхности. На фиг.5 представлена антенная система корреляционного измерителя скорости и угла сноса летательного аппарата. На фиг.6 представлено восстановление отраженного сигнала методом нониуса. На фиг.7 представлен алгоритм программной регулировки усиления приемного тракта и мощности излучения. На фиг.8 представлен алгоритм работы подпрограммы вычисления продольной и боковой составляющих Vx и Vz.
Импульсно-доплеровская радиовысотомерная система содержит дискретно управляемый СВЧ генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, второй малошумящий УВЧ 6, третий малошумящий УВЧ 7, циркулятор 8, первый малошумящий УВЧ 9, первый фазовый детектор 10, первый видеоусилитель 11, первый АЦП 12, БОЗУ 13, синхронизатор 14, вычислительное устройство 15, контроллер 16 обмена, блок 17 регулировки усиления, блок 18 регулировки ослабления, источник 19 тока, управляемый напряжением, антенную систему 70, а также передающую антенну 71, согласованную нагрузку 72 (при использовании передающей антенны в качестве отдельного блока), второй фазовый детектор 73, третий фазовый детектор 74, второй видеоусилитель 75, третий видеоусилитель 76, второй АЦП 77, третий АЦП 78.
При этом выход дискретно управляемого СВЧ генератора 1 соединен со входом направленного ответвителя 2, первый выход которого подключен к первому входу импульсного модулятора 3, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора 14, первый выход которого соединен с первым входом фазовращателя 4, второй вход которого соединен с выходом импульсного модулятора 3, а выход - с первым входом управляемого аттенюатора 5, выход которого соединен с первым входом циркулятора 8, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом антенной системы 70, первый и третий выходы которой соединены соответственно со входами второго и третьего УВЧ 6 и 7, выходы которых соединены с первыми входами второго и третьего фазовых детекторов 73 и 74, выходы которых соединены с первыми входами второго и третьего видеоусилителей 75 и 76, выходы которых соединены с первыми входами АЦП 77 и 78, все выходы которых соединены соответственно с восьмыми и девятыми входами БОЗУ 13, выход циркулятора соединен со входом первого малошумящего УВЧ 9, выход которого соединен с первым входом первого фазового детектора 10, второй вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя 2, вторыми входами второго фазового детектора 73, третьего фазового детектора 74, а выход первого фазового детектора - с первым входом первого видеоусилителя 11, второй вход которого соединен с выходом блока 17 регулировки усиления, вторыми входами второго и третьего видеоусилителей 75 и 76, а выход - с первым входом АЦП 12, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ 13, первый вход которого соединен со вторыми входами первого АЦП 12, второго АЦП 77, третьего АЦП 78 и третьим выходом синхронизатора 14, четвертый выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства 15, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока 18 регулировки ослабления, блока 17 регулировки усиления, контроллера 16 обмена, БОЗУ 13, шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ 13, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора 1, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора 14, первый вход которого соединен с выходом БОЗУ 13, все шестые входы/выходы которого по шине данных соединены со всеми двенадцатыми входами/выходами вычислительного устройства 15, всеми первыми входами/выходами контроллера 16 обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами импульсно-доплеровской радиовысотомерной системы, а также со всеми первыми входами блока 17 регулировки усиления, всеми первыми входами блока 18 регулировки ослабления, выход которого соединен со входом источника 19 тока, управляемого напряжением, выход которого соединен со вторым входом управляемого аттенюатора 5.
Передающая антенна 71 может быть выполнена в виде отдельного блока, подключенного к выходу управляемого аттенюатора 5. При этом на первый вход циркулятора 8 подключается согласованная нагрузка 72.
Импульсно-доплеровская радиовысотомерная система работает следующим образом.
После подачи питания (аналогично прототипу) вычислительное устройство 15 проводит начальную установку флага излучения синхронизатора 14, сигналами 65 и 64 записывает нулевое значение усиления и ослабления в блоки 17 и 18 регулирования усиления и ослабления (Nус=0, Nосл=0), записывает сигналами 52 и 53 по шине данных 55 в счетчик 44 адреса ОЗУ БОЗУ 13 нулевое значение кода (устанавливается тем самым низкий логический уровень сигнала - окончание режима излучения и накопления), проводит опрос контроллера 16 обмена с внешними системами, который переводит измеритель в режим измерения задержки отраженного от подстилающей поверхности сигнала, устанавливает сигналами 63 и 67 несущую частоту СВЧ-генератора 1 на середину рабочего диапазона.
После этого вычислительное устройство 15 запускает подпрограмму установки параметров приемопередающего модуля (ППМ) и старта излучения и накопления. Алгоритм работы подпрограммы приведен на фиг.4. Подпрограмма устанавливает несущую частоту Fнес на дискретно управляемом СВЧ - генераторе 1, записывает в блоки 17 и 18 регулировки усиления и ослабления значения усиления и ослабления, записывает нулевое значение кода в счетчик адреса ОЗУ БОЗУ, запускает таймер на время tуст. ппм - время установки параметров в ППМ (дискретно управляемый СВЧ-генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, малошумящий УВЧ 9, малошумящий УВЧ 6, малошумящий УВЧ 7, фазовый детектор 10, фазовый детектор 73, фазовый детектор 74, видеоусилитель 11, видеоусилитель 75, видеоусилитель 76), после чего проводится запуск режима излучения и накопления, как показано на фиг.2, анализ флага излучения.
Через циркулятор 8, приемопередающую антенну (вход/выход 2) антенной системы 70 обеспечивается излучение радиоимпульсов по направлению к подстилающей поверхности.
Принятые от подстилающей поверхности антенной системой 70 радиоимпульсы через циркулятор 8 поступают одновременно на входы идентичных малошумящего УВЧ 9, малошумящего УВЧ 6, малошумящего УВЧ 7, усиливаются и через идентичные фазовый детектор 10, фазовый детектор 73, фазовый детектор 74, где преобразуются в видеоимпульсы, поступают на видеоусилитель 11, видеоусилитель 75, видеоусилитель 76, АЦП 12, АЦП 77, АЦП 8 и далее через 5, 8, 9 входы БОЗУ 13 одновременно записываются в БОЗУ 13.
По окончании работы подпрограммы вычислительное устройство 15 считывает данные БОЗУ 13, после чего проводит обработку данных, сканируя по диапазону задержек, определяя временную задержку цифровых сигналов от подстилающей поверхности.
Излучение и тактирование АЦП 12 и запись в БОЗУ 13 начинаются в момент времени t0 (фиг.6). Радиоимпульсы излучаются по тактам с номерами 0, km+1, 2km+3, …, nk(m+l), … (фиг.6,а, 6,б), где m - параметр нониуса, k - расширитель временного диапазона для сигнала и n - номер излучения, Тизл - период тактовых импульсов.
Преобразование принятого сигнала (фиг.6,в) в АЦП 12 и запись в БОЗУ 13 проводится по каждому такту с периодом Тозу (фиг.6,г, 6,д). Если выполняется условие совпадения фронтов тактовых импульсов излучения и тактирования АЦП 12 и БОЗУ 13:
Условие (1) можно записать в виде:
где Fизл=1/Тизл - частота тактовых импульсов излучения; Fозу=1/Тозу - частота тактовых импульсов АЦП 12 и БОЗУ 13.
Если второе и последующие излучения выдавать в моменты n*(km+1)*Тизл, то следующий такт АЦП 12 и БОЗУ 13 придет в момент n*(k(m-1)+1)*Toзy с задержкой dtn, то из уравнения:
n*(km+1)*Тизл+dtn=n*(k(m-1)+1)*Тозу
можно показать, что n-тое излучение начинается раньше n*(k(m-1)+1) тактового импульса АЦП 12 и БОЗУ 13 на величину:
dtn=n*Тозу/m.
Отсюда получаем, что для восстановления принятого сигнала с шагом Тозу/m необходимо Nизл=m, а объем БОЗУ 13 Lозу определяется из уравнения:
m*(km+1)*Тизл=Lозу*Тозу,
тогда объем БОЗУ 13, необходимой для восстановления принятого сигнала, равен Lозу=(km+1)(m-1).
Выше проведенные рассуждения позволяют получить, что для восстановления значения принятого сигнала на задержке i*dt в цифровом виде можно вывести выражение:
Ui=ОЗУ{(i mod M)*m+[i/M]},
где скобки {…} означают содержимое ячейки ОЗУ с данным номером, выражение (imod M) - остаток от деления i на М, и скобка […] - целая часть числа, М=k(m-1)+1.
На фиг.6,е показан пример восстановленного сигнала для k=1, m=8.
При отражении от подстилающей поверхности изменение ослабления отраженных сигналов на входе малошумящего УВЧ 9, малошумящего УВЧ 6, малошумящего УВЧ 7 может составлять порядка 30 дБ, что приводит к флюктуациям амплитуды и изменению крутизны фронта отраженного сигнала и, как следствие, к дополнительной погрешности измерения задержки отраженного сигнала и высоты полета летательного аппарата.
Для поддержания стабильной крутизны фронта восстановленного сигнала на задержке i*dt вычислительное устройство 15 запускает после окончания каждого цикла излучения и накопления подпрограмму автоматической регулировки усиления видеоусилителя 11, видеоусилителя 75, видеоусилителя 76 и мощности излученных радиоимпульсов посредством блока 17 регулировки усиления, блока 18 регулировки усиления и источника 19 тока УН соответственно (фиг.7). Проводится оценка уровня восстановленного отраженного сигнала. Если уровень сигнала превышает пороговый, то производится уменьшение излучаемой мощности и усиления видеоусилителя 11, видеоусилителя 75, видеоусилителя 76, если не превышает порога, то увеличение.
После стабилизации крутизны фронта отраженного сигнала (примерно 5-6 излученных пакетов радиоимпульсов) вычислительное устройство 15 выдает результат измеренной высоты полета в контроллер обмена 16 и переводит измеритель в режим измерения продольной и поперечной составляющих вектора путевой скорости.
x
z
Включается алгоритм работы подпрограммы вычисления продольной и боковой составляющих V и V (фиг.8).
Одним из факторов, влияющих на точность измерения составляющих вектора скорости, является положение сигнального строба (сечения) на отраженном от подстилающей поверхности сигнале. На максимуме импульса обеспечивается максимальная мощность флюктуации сигнала, поэтому сечение на огибающей отраженного от подстилающей поверхности сигнала устанавливается в области его максимума. Затем на этом сечении производится выборка значений сигнального среза, запоминание их в БОЗУ 13.
Использование многоканального приемного устройства позволяет принимать отраженные от подстилающей поверхности радиоимпульсы одновременно на все приемные антенны в порядке приема, как показано на фиг.2.
п
В этом случае шаг дискретизации Δt сигнала, принятого на каждую антенну, и, соответственно, шаг построения ВКФ составляет два периода повторения импульсов Δt=2Т.
Поскольку ослабления сигналов в СВЧ-трактах каждой из приемных антенн могут несколько отличаться, то для обеспечения точности измерения составляющих вектора путевой скорости, перед построением ВКФ в вычислительном устройстве 15 производится нормирование мощности сигналов по каждой из трех антенн:
k
где  - значения исходных ненормированных сигналов, принятых на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в моменты времени t; если отсчитывать время от начала пакета, то
0
1
N-1
t=0, t=Δt,…, t=(N-1)·Δt,
где Δt = временной шаг оцифровки сигнала,
N - количество отсчетов времени;
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
k
,
,
- нормированные сигналы, принятые на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в те же моменты времени t;
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><msub><mn>2</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><msub><mn>3</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
0
N-1
,
,
- средние значения исходных сигналов на промежутке времени от t до t;
0
U - константа, задающая средний уровень нормированных сигналов.
Вычисляются мгновенные значения взаимно корреляционных функций между сигналами, принятыми 1-й и 2-й и 2-й и 3-й антеннами.
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mi>Z</mi></msub></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>B</mi></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mi>Z</mi></msub></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mn>2</mn></msub><msub><mrow /><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>Z</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mi>Z</mi></msub></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>B</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mn>3</mn></msub><msub><mrow /><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где B - количество отсчетов времени в базовом интервале, использующемся при построении ВКФ;
K - количество отсчетов построения ВКФ (подразумевается, что выполняется условие B+K≤N, где N - количество отсчетов времени оцифрованного сигнала);
Z - номер отсчета ВКФ, соответствующий 0-й задержке между сигналами (подразумевается, что выполняются условия Z<K и Z+K≤N);
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
k
- взаимная корреляционная функция между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1 и соответствует значениям ВКФ при задержках между сигналами τ:
0
1
Z
Z+1
K-1
τ=-Z·Δt, τ=(-Z+1)·Δt, …, τ=0, τ=Δt, …, τ=(K-Z-1)·Δt,
где Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала;
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- взаимная корреляционная функция между сигналами, принятыми 2-й и 3-й антеннами, k принимает значения от 0 до K-1;
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mi>j</mi></msub></mrow></msub></mrow>
j
,
,
- нормированные сигналы, принятые на 1-ю, 2-ю и 3-ю антенны в моменты времени t.
Мгновенные ВКФ помещаются в магазин, позволяющий хранить ВКФ, построенные по M последним пакетам излучения, и усредняются обыкновенным суммированием:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>M</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
,
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>M</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
,
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
k
где
- значения ВКФ из магазина, вычисленной по пакету с номером i, между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1 и соответствует значениям ВКФ при задержках между сигналами τ;
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow><mn>12</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- значения усредненной по M последним пакетам ВКФ между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1;
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
- значения ВКФ из магазина, вычисленной по пакету с номером i, между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1;
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow><mn>23</mn></mrow><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- значения усредненной по M последним пакетам ВКФ между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенну, k принимает значения от 0 до K-1.
Количество усреднений M устанавливается адаптивно к уровню ВКФ.
Для точного определения положения максимумов ВКФ производится аппроксимация ВКФ параболой методом наименьших квадратов с использованием треугольной весовой функции.
Уравнение параболы можно записать в виде:
k
a
2
Fp=·k+b·k+с.
Параметры a, b и с определяются из системы уравнений:
где а, b, с - искомые коэффициенты аппроксимирующей функции;
2М+1 - количество точек, по которым производится аппроксимация;
N - номер дискрета, на который приходится максимум ВКФ;
N+j
N+j
F - значения усредненной ВКФ при задержках между сигналами τ;
j
w=М-|j|+1 - треугольная весовая функция.
Использование треугольной весовой функции при аппроксимации обусловлено стремлением снизить влияние искажения формы боковых склонов на точность определения положения максимума ВКФ.
По известным параметрам параболы определяется положение ее вершины и, следовательно, максимума ВКФ (в относительных единицах):
где Nt - положение максимума ВКФ (в относительных единицах);
а, b - найденные коэффициенты аппроксимирующей функции.
Переход к транспортным задержкам в единицах времени осуществляется по формуле:
<mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˜</mo></mover>
где
- транспортная задержка между сигналами;
Nt - положение максимума ВКФ (в относительных единицах);
Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала.
Поскольку запись сигналов, принимаемых 1-й, 2-й и 3-й антеннами, производится в одни и те же моменты времени (фиг.2), то при определении транспортных задержек между сигналами отсутствует методическая ошибка.
Для уменьшения случайной составляющей погрешности перед вычислением проекций вектора скорости производится усреднение транспортных задержек между сигналами:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˜</mo></mover><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>τ</mi></mrow><mi>b</mi></mfrac></mrow>
,
τ - мгновенная транспортная задержка в текущем пакете;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
- усредненная транспортная задержка, полученная в предыдущем пакете;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˜</mo></mover><mi>j</mi></msub></mrow>
- усредненная транспортная задержка в текущем пакете,
b - количество усреднений транспортных задержек. Взаимное расположение излучающей и приемных антенн дает формулы для вычисления составляющих вектора скорости [4, 5]:
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>X</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>X</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>X</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
x
z
где V, V - составляющие вектора скорости в проекции на оси связанной системы координат;
1
τ -транспортная задержка между сигналами, принятыми на 1-ю и 2-ю антенны;
2
τ - транспортная задержка между сигналами, принятыми на 2-ю и 3-ю антенны;
0
0
X и Y - параметры антенной системы (фиг.5).
x
z
После измерения высоты полета и составляющих V и V цикл измерения вышеуказанных параметров повторяется периодически.
Использование изобретения позволяет расширить диапазон измерения и повысить точность измерения составляющих вектора путевой скорости летательного аппарата.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1596934, кл. G01S 13/58. Опубл. 28.04.1988 г.
2. Лобач В.Т., Уваров С.Н., Боков Г.И. Корреляционный измеритель скорости полета и угла сноса. Авторское свидетельство СССР №1503527, кл. G01S 13/60. Опубл. 28.07.1987 г.
3. Патент РФ №2188399 от 21.06.1999 г., кл. 7 G01F 23/284. Опубл. 21.06.1999 г.
4. Авторское свидетельство СССР №01689897 от 08.07.1991 г., кл. G01S 13/48 «Приемная антенная система корреляционного измерителя скорости и угла сноса летательного аппарата». Авт. Банников В.М., Дядьков Н.А. Опубл. 07.11.1991 г.
5. Боркус М.К., Черный А.Е. Корреляционные измерители путевой скорости и угла сноса летательных аппаратов. М. Сов. радио - 1973 г.