ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PHASE DIRECTION FINDING METHOD AND PHASE DIRECTION FINDER FOR IMPLEMENTING SAID METHOD

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источников излучения сложных сигналов.
Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.134.429, 2.155.352, 2.175.770, 2.290.658, 2.311.656; патенты Германии №№2.127.087, 2.710.955; патенты Великобритании №№1.395.599, 1.598.325; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. радио, 1979; Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова. - М.: Сов. радио, 1967, с.130-138, и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ №2.290.658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные технические решения инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, виду их модуляции (манипуляции) и ширине спектра, а точное и однозначное измерение угловой координаты α осуществляется на частоте Ω опорного генератора.
Однако известные технические решения обеспечивают точное и однозначное измерение угловой координаты α (азимут) наземного источника излучения сигнала только в одной горизонтальной (азимутальной) плоскости и не позволят определить угол места β источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.).
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем точного и однозначного определения угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата.
2
Поставленная задача решается тем, что фазовый способ пеленгации, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на приеме сигналов, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Ω, сигнал, принимаемый антенной, размещенной в центре окружности, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что устанавливают в угломестной плоскости вторую приемную антенну на расстоянии d от первой приемной антенны, принимают на нее сигнал, усиливают и ограничивают его по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй приемными антеннами, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости, указанное напряжение возводят в квадрат, одновременно исходное напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, сдвигают по фазе на 90°, возводят его в квадрат, перемножают с исходным напряжением, пропорциональным разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, с использованием масштабирующего коэффициента, равного трем, и вычитают полученное произведение из исходного напряжения, пропорционального разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.
2
Фазовый пеленгатор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен второй приемной антенной, третьим приемником, третьим перемножителем, третьим полосовым фильтром, четвертым фазовым детектором, двумя квадраторами, вторым фазовращателем на 90°, масштабирующим перемножителем и вычитателем, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, третий полосовой фильтр, четвертый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый квадратор и вычитатель, выход которого соединен с третьим входом индикатора, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, к выходу четвертого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй квадратор и масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора, а выход подключен к второму входу вычитателя, вторая приемная антенна установлена в азимутальной плоскости на расстоянии d от первой приемной антенны.
Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый фазовый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1, 21, 2i·(i=1, 2, …, n) и источника радиоизлучений ИРИ показано на фиг.2.
Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, смеситель 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилитель 13 промежуточной частоты, первый перемножитель 14, первый полосовой фильтр 15, линию задержки 16, второй фазовый детектор 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, первый фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5, и индикатор 10. К первому выходу опорного генератора 5 последовательно подключен генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i·(i=1,2, …, n), размещенных по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения со скоростью Ω вокруг первой приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и второй приемник 4, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя 14. К выходу первого полосового фильтра 15 последовательно подключены второй перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора 5, а выход подключен к второму входу индикатора 10.
К выходу второй приемной антенны 21 последовательно подключены третий приемник 22, третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13 промежуточной частоты, третий полосовой фильтр 24, четвертый фазовый детектор 25, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, первый квадратор 26 и вычитатель 30, выход которого подключен к третьему входу индикатора 10, четвертый вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25. К выходу четвертого фазового детектора 25 последовательно подключен второй фазовращатель 27 на 90°, второй квадратор 28 и масштабирующий перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазового детектора 25, а выход подключен к второму входу вычитателя 30.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн):
1
1
U(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ],
2
1
U(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ+2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)],
3
2
U(t)=Vc·cos[(ωc±Δω)·t+φk(t)+φ], 0≤t≤Tc,
1
2
где Vc, ωc, φ, φ, Tc - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов;
±Δω - нестабильность несущей частоты сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;
φk(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, причем φk(t)=const при k·τэ<t<(k+1)·τэ и может изменяться скачком при t=k·τэ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);
τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс·(Тс=N·τэ);
d - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 2.i·(i=1, 2, …, n) (измерительная база);
Ω - скорость электронного вращения приемных антенн 2.i-(i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1;
α - пеленг (азимут) на источник излучения сигнала;
с выходов приемных антенн 1, 2.i·(i=1, 2, …, n) и 21 непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3, 4 и 22, а затем на первые входы смесителя 12, перемножителей 14 и 23 соответственно. На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение:
г
Uг(t)=Vг·cos(ωг·t+φ].
На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:
Uпр(t)=Vпр·cos[(ωпр±Δω)·t+φk(t)+φпр], 0≤t≤Tc,
1
2
где Vпp=/Vс·Vг;
ωпр=ωс-ωг - промежуточная частота;
φпр=φс-φг,
которое подается на вторые входы перемножителей 14 и 23. На выходе перемножителя 14 образуется фазомодулированное (ФМ) колебание на частоте ωг гетеродина 11:
3
3
U(t)=V·cos[ωг·t+φг+2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Tc,
3
2
1
где V=/Vc·Vпp,
которое выделяется полосовым фильтром 15 и поступает на первые входы фазового детектора 17, линии задержки 16 и перемножителя 18. На второй вход последнего подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение:
4
4
U(t)=V·cos[2π(d/λ)·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Тс,
4
2
3
1
где V=/V·Vг;
которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20. На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение
0
0
U(t)=V·cosΩ·t.
На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение:
1
1
Uн(λ)=Vн·cosλ,
1
2
4
0
1
где Vн=/V·V,
которое фиксируется индикатором 10.
Так формируется шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости, которая является точной, но неоднозначной шкалой.
3
Одновременно фазоманипулированное колебание U(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии задержки 16 и фазового детектора 17.
3
φ
В фазоманипулированном напряжении U(t) величина m=2π·d/λ, называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы от нулевого значения, происходящего при электронном вращении приемных антенн 2.i·(i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1.
Приемные антенны 2.i·(i=1, 2, …, n) поочередно с частотой Ω коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазным генератором 6 импульсов. Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5:
0
0
U(t)=V·cosΩ·t.
1
2
Однако при d/λ>/ наступает неоднозначность отсчета угла α. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазового пеленгатора. Кроме того, в диапазонах метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения d/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.
3
В связи с изложенным соображением возникает задача уменьшения индекса фазовой модуляции без уменьшения относительного размера измерительной базы d/λ. Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки τ линии задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины:
1
1
mφ=2π·d/λ,
1
где d<d,
при которой справедливо неравенство:
1
2
1
d/λ</,
обеспечивающее однозначную пеленгацию источника излучения сигнала в азимутальной плоскости. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоничное напряжение:
5
5
U(t)=V·cos(Ω·t-α)], 0≤t≤Tc,
5
2
3
1
2
где V=/V ,
0
которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение U(t). На выходе фазового детектора 9 образуется напряжение:
2
2
Uн(α)=Vн·sinα,
2
2
5
0
1
где Vн=/V·V,
которое фиксируется индикатором 10.
Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в азимутальной плоскости.
На второй вход перемножителя 23 с выхода усилителя 13 промежуточной частоты подается напряжения Uпp(t). На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение на частоте ωг гетеродина 11:
6
6
U(t)=V·cos(ωг·t+φг+Δφ), 0≤t≤Tc,
6
2
1
где V=/Vc·Vпp;
2
1
2
Δφ=φ-φ=2π·d/λ·cosβ,
2
d - расстояние между приемными антеннами 1 и 21 (измерительная база);
λ - длина волны;
β - угол места источника радиоизлучений ИРИ;
которое выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на первый вход фазового детектора 25, на второй вход которого подается напряжение Uг(t) гетеродина 11. На выходе фазового детектора 25 образуется напряжение
3
3
Uн(β)=Vн·cosΔφ, 0≤t≤Тс,
3
2
6
1
где V=/V·Vг;
2
Δφ=2π·d/λ·cosβ,
которое фиксируется индикатором. 10.
Так формируется грубая, но однозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости.
3
3
Одновременно напряжение Uн(β) с выхода фазового детектора 25 поступает на входы первого квадратора 26 и второго фазовращателя 27 на 90°. На выходе квадратора 26, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение Uн(β), формируется следующее напряжение:
7
7
2
U(β)=V·cosΔφ,
7
2
3
1
2
где V=/Vн ,
которое поступает на первый вход вычитателя 30.
На выходе второго фазовращателя 27 на 90° образуется напряжение:
8
3
U(β)=-Vн·sinΔφ,
которое поступает на два входа второго квадратора 28. На выходе последнего формируется напряжение:
9
9
2
U(β)=V·sinΔφ,
9
2
3
1
2
где V=/Vн .
3
Это напряжение поступает на первый вход масштабирующего перемножителя 29, на второй вход которого подается напряжение Uн(β) с выхода фазового детектора 25. Масштабирующий коэффициент Км масштабирующего перемножителя 29 выбран равным 3 (Км=3). На выходе масштабирующего перемножителя 29 формируется напряжение:
10
10
2
U(β)=3V·cosΔφ·sinΔφ,
10
2
3
9
1
где V=/Vн·V,
которое поступает на второй вход вычитателя 30. На выходе последнего формируется напряжение:
11
11
U(β)=V·cos3Δβ,
11
7
10
где V=V-3V,
2
2
Δφ=2π·d/λ·cosβ, 3Δφ=2π·3d/λ·cosβ,
2
которое фиксируется индикатором 10. Это напряжение пропорционально утроенному значению разности фаз между сигналами, принимаемыми двумя приемными антеннами 1 и 21, и соответствует измерительной базе 3d.
Так формируется точная, но неоднозначная шкала пеленгации источника излучения сигнала в угломестной плоскости. Причем между измерительными базами устанавливают следующее неравенство:
.
2
2
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают точное и однозначное определение угла места источника излучения сигнала, размещенного на борту летательного аппарата (самолет, вертолет, дирижабль, зонд и т.п.). При этом используются две измерительные базы: малая d - грубая, но однозначная, и большая 3d - точная, но неоднозначная, между которыми устанавливают следующее неравенство:
.
2
Причем точную, но неоднозначную измерительную базу 3d формируют косвенным методом. Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.