Фазовый измеритель дальности с устройством измерения дисперсии фазового сдвига

 

Использование: радионавигация для измерения дальности. Сущность изобретения: фазовый измеритель дальности содержит бортовую станцию, включающую формирователь частот, передатчик несущей частоты, приемник несущей частоты, два смесителя, два фазометра, два интегратора, три делителя импульсов, два сумматора, один перемножитель и наземную станцию, включающую приемник несущей частоты, усилитель модулирующей частоты и передатчик несущей частоты. 2 ил.

Изобретение относится к технике радионавигации и может использоваться для измерения дальности.

Известен фазовый измеритель дальности с измерением сдвига фаз на частоте модуляции, содержащий наземную станцию, в составе которой генератор модулирующей частоты Ω выход которого подключен к передатчику несущей ω₁ и фазометру, приемник несущей ω ₂, выход которого подключен на второй вход фазометра и бортовую станцию, в составе которой приемник несущей ω₁, выход которого соединен с входом усилителя модулирующей частоты Ω передатчик несущей ω ₂, вход которого соединен с выходом усилителя модулирующей частоты Ω Целью изобретения является повышение эффективности оценки дальности при вторичной обработке результатов измерений путем оценки дисперсии фазы непосредственно в процессе работы фазового измерителя дальности.

Это достигается тем, что в фазовый измеритель дальности с измерением сдвига фаз на частоте модуляции Ω содержащей наземную станцию, в составе которой генератор модулирующей частоты ω₁, выход которого подключен к входу передатчика несущей ω₁; приемник несущей ω₂, выход которого подключен на вход фазометра и бортовую станцию, в составе которой приемник несущей ω₁, выход которого соединен с входом усилителя модулирующей частоты Ω₁; передатчик несущей ω ₂, вход которого соединен с выходом усилителя модулирующей частоты Ω₁, дополнительно введены в наземную станцию вместо генератора модулирующей частоты Ω₁ формирователь частот, первый и второй выходы которого подключены на вход передатчика несущей ω₁, третий выход подключен на вторые входы первого и второго фазометров, первый смеситель, первый вход которого соединен с первым выходом приемника несущей ω ₂, второй вход с четвертым выходом формирователя частот, второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом приемника несущей ω ₂, второй вход с пятым выходом формирователя частот; второй фазометр с инвертором, первый вход которого соединен с выходом второго смесителя; первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого фазометра, второй вход к инвертору второго фазометра, а выход соединен с объединенными входами первого интегратора и второго сумматора; первый интегратор, выход которого соединен с входом первого делителя 1/Т_и с инвертором; первый делитель 1/Т_и с инвертором, выход которого соединен с первым входом второго сумматора; второй сумматор; перемножитель, первый и второй входы которого объединены с выходом второго сумматора; второй интегратор, вход которого соединен с перемножителем, а выход подключен ко входу второго делителя 1/2Т_и; второй делитель 1/2Т_и; третий делитель 1/К, вход которого соединен с выходом первого фазометра. В предлагаемом фазовом измерителе, определение дальности до объекта производится на одной из частот модуляции Ω₁ или Ω ₂ (в данном случае на модулирующей частоте Ω₁). Второй канал на модулирующей частоте Ω ₂предназначен для реализации измерения дисперсии фазового сдвига.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема фазового измерителя дальности с устройством измерения дисперсии фазового сдвига.

Она содержит наземную станцию, в составе которой формирователь частот 1, передатчик несущей ω₁ 2, приемник несущей ω₂ 3, первый и второй смесители 4 и 5, первый фазометр 6, второй фазометр с инвертором 7, первый сумматор 8, первый интегратор 9, первый делитель 1/Т_и с инвертором 10, второй сумматор 11, умножитель 12, второй интегратор 13, второй делитель 1/2 Т_и 14, третий делитель 1/К 15 и бортовую станцию, в составе которой приемник несущей ω₁ 16, усилитель модулирующих частот 17, передатчик несущей ω ₂ 18.

В разрабатываемом устройстве под эффективностью оценки дальности понимается ее эффективность как вероятностное свойство оценки, т. е. Δ[] min.

Фазовый измеритель дальности является измерительной системой, полезным выходом которой является оценка информационного параметра, представляющая решение основной задачи, в данном случае определение дальности.

Для обеспечения адаптации и наилучшего согласования измерительной системы с характеристиками окружающей среды могут формироваться дополнительные выходы, в том числе и оценка качества функционирования, а последующая обработка измерительной информации производится в рамках измерительного комплекса.

Фазовый измеритель дальности с устройством измерения дисперсии фазового сдвига работает следующим образом.

Формирователь частот 1 в предлагаемом устройстве построен по принципу синтезатора частот и имеет в своем составе (см. фиг. 2) генератор опорной частоты 19, выход которого соединен с входами генераторов частот Ω₁, Ω ₂, Ω _p 20, 21, 22, смеситель частот Ω _гI 23, входы которого соединены с выходами генераторов частот Ω₁ и Ω _p 20 и 22, смеситель Ω _гII 24, входы которого соединены с выходами генераторов частот Ω ₂ и Ω _p 21 и 22. Стабильность и точность установки частот в системах прямого когерентного синтеза равна соответственно стабильности и точности установки опорной частоты.

Формирователь частот 1 вырабатывает гармонические сигналы с частотами: Ω₁ выход 1 Ω ₂ выход 2 Ω _p выход 3 Ω _гI Ω₁ Ω _p выход 4 (1) Ω _гII Ω ₂ Ω _p выход 5 (2) где Ω ₁, Ω ₂ модулирующие частоты; Ω _гI, Ω _гII частоты первого и второго гетеродинов; Ω _p частота опорного напряжения.

С первого и второго выходов формирователя частот 1 модулирующие частоты Ω ₁ и Ω ₂ одновременно поступают на вход передатчика 2. Передатчик 2 представляет собой устройство, состоящее из задающего генератора, усилителя мощности, модулятора и антенной системы. В предлагаемом устройстве в качестве модулятора передатчика 2 могут быть использованы известные устройства или им подобные. Высокочастотные колебания ω₁, излучаемые передатчиком 2, принимаются приемником 16 бортовой станции. Приемник 16 осуществляет прием запросного сигнала, преобразование и раздельную фильтрацию модулирующих частот Ω ₁ и Ω ₂. Выделенные модулирующие частоты Ω ₁ и Ω ₂ усиливаются в усилителе модулирующих частот 17 и поступают на вход модулятора передатчика 18, для модуляции несущей ω ₂. Передатчик 18 обеспечивает формирование ответного сигнала на заданном энергетическом уровне, модулированного двумя модулирующими частотами Ω ₁ и Ω ₂.

Высокочастотные сигналы несущей ω ₂ принимаются приемником 3 наземной станции. Приемник 3 представляет собой устройство состоящее из тракта радиочастоты, детектора, группового усилителя частот модуляции и устройства разделения. В разрабатываемом устройстве выделение из группового сигнала сигналов модулирующих частот Ω ₁ и Ω ₂ в приемнике 3 можно осуществить с помощью активного фильтра (ФАПЧ) фильтра сосредоточенной селекции (ФСС) или полосового разделительного фильтра, которые имеют узкую полосу пропускания порядка десятков или сотен герц, что обеспечивает выбор частот Ω ₁ и Ω ₂ из условия ≪ 1. Исходя из этого условия, можно считать ϕ₁ ≈ ϕ₂ (3) Ω _допл.1 ≈ Ω _допл.2, (4) где ϕ₁, ϕ₂ начальные фазовые сдвиги, обусловленные задержками сигнала в бортовой и наземной аппаратуре. С выхода 1, 2 приемника 3 выделенные сигналы на первых входах смесителей 4 и 5 соответственно будут иметь вид V₁' V_o sin [(Ω ₁ + Ω _допл.1)(t τ_o) + ϕ₁ + + ϕ_o] + n₁(t) (5) V₂' V_o sin [(Ω ₂ + Ω _допл.2)(t τ_o) + ϕ₂ + + ϕ_o] + n₂(t) (6) где Ω_допл.1= Ω_допл.2= доплеровский сдвиг частоты, обусловленный радиальной скоростью ;
τ_o= временная задержка сигнала на дальности 2R;
n₁(t), n₂(t) аддитивные шумы на первом и втором выходах приемника 3;
ϕ_о начальная фаза колебаний. На основании выражений (1) и (2) сигнал на выходах 4 и 5 формирователя частот 1 можно записать в виде
V_гI V_o sin [(Ω ₁ Ω _p)t + ϕ_o] (7)
V_гII V_o sin [(Ω ₂ Ω _p)t + ϕ_o] (8) При этом в отличие от известного фазового измерителя дальности измерение фазовой задержки, несущей информацию о дальности, осуществляется на промежуточной частоте после гетеродинирования поднесущих Ω ₁ и Ω ₂ в смесителях 4 и 5. При этом гетеродинирование производится без инвертирования спектра частот.

В результате преобразования сигналов (5) и (7), (6) и (8) на выходе смесителей 4 и 5 соответственно будем иметь
V₁'' V_o sin [(Ω _p + Ω _допл.1)(t τ_o) + ϕ₁ + + ϕ_o] + n₁t) (9)
V₂'' V_o sin [(Ω _p + Ω _допл.2)(t τ_o) + ϕ₂ + + ϕ_o] + n₂t) (10) Сигнал на выходе 3 формирователя частот 1 можно записать в виде
V_p V_o sin Ω _pt + ϕ_o (11)
При прямом когерентном синтезе частот за счет использования общего генератора опорной частоты 19 сигналы на выходе генераторов 20, 21, 22, смесителей 23, 24 имеют одинаковые начальные фазы, а фазы преобразованного сигнала на выходе смесителей 4 и 5 имеют такой же закон изменения, как и у входного сигнала и при сравнении фаз сигналов (9), (10) с опорным сигналом (11) начальная фаза ϕ_о компенсируется. Кроме того, условие (3) технически реализуемо за счет подбора радиоэлементов по каналам Ω ₁ и Ω ₂, проведения дополнительных калибровок наземной и бортовой аппаратуры, юстировки и других технических приемов.

На выходе фазометров 6, 7 для момента времени t_k имеем
Δ ϕ₁t_k t_k Ω _допл.1 τ_o ( Ω _p + Ω _допл.1) + + ϕ₁ + n₁(t_k) (12)
Δ ϕ₂t_k t_k Ω _допл.2 τ_o ( Ω _p + Ω _допл.2) + + ϕ₂ + n₂(t_k) (13) Сигналы (12) с выхода фазометра 6 и сигнал (13) с выхода каскада инвертирования фазометра 7 поступают на сумматор 8, на выходе которого имеем разностное значение фаз
Δ ϕ_1,2t_k Δ ϕ₁t_k Δ ϕ₂t_k t_k(Ω _допл.1 -Ω _допл.2) τ_o(Ω _допл.1 Ω _допл.2) + (ϕ₁ ϕ₂) +
+ n_1,2(t_k) (14) С учетом условий (3) и (4) выражение (14) принимает вид
Δ ϕ_1,2t_k n_1,2t_k Cчитая, что аддитивные шумы n_1,2(t) центрированы, то дисперсия фазового сдвига (14) σ_1,2² имеет вид
σ²_1,2= dt [n_1,2(t)]²dt (15) В случае равноточных и независимых измерений на модулирующих частотах Ω ₁ и Ω ₂ дисперсия фазового сдвига в первом и втором каналах равна
σ²₁= σ²₂= и запишется в виде
σ²₁= σ²₂= Δϕ²_1,2 dt (16) Последующие операции по вычислению величины σ₁² в соответствии с алгоритмом (16) выполняют следующие блоки: умножитель 12 возведение в квадрат; второй интегратор 13 суммирование на интервале измерения; второй делитель 14 деление на величину 1/2 Т_и. При этом длительность интервала измерения Т_и выбирается такой, чтобы измеряемая дальность на этом интервале была постоянной.

Описанный вариант рассмотрен как частный случай для упрощения понимания работы устройства. При невыполнении условий (3), (4) выражение (16) имеет вид
σ²₁= σ²₂= {Δϕ_1,2- M[Δϕ_1,2]²dt (17) где М[ Δ ϕ_1,2] оператор усреднения величины Δ ϕ_1,2. Оператор усреднения находится по формуле
M[Δϕ_1,2] Δϕ_1,2dt (18) Подставив выражение (18) в выражение (17) окончательно получим
σ²₁= σ²₂= - Δϕ_1,2dtdt (19)
Величина Δ ϕ _1,2t_к зависит от момента измерения t_к и разницы доплеровских частот Ω _допл.1 и Ω _допл.2, но при этом методическая погрешность определения величины σ₁², σ₂² выражения (17) пренебрежимо мала. Это вытекает из следующих соображений. Предположим, что аддитивные шумы в радиолинии отсутствуют, т. е. n_1,2(t) 0, тогда σ₁² σ₂² 0. Из выражения (17) вытекает, что условие σ₁² σ₂² 0 выполняется в случае равенства нулю подынтегрального выражения
Δ ϕ_1,2 М [ Δ ϕ_1,2] 0. Отличие от нуля данного выражения свидетельствует о наличии методической ошибки. Следовательно, методическую ошибку можно записать в виде
δ_м Δ ϕ _1,2 М[ Δ ϕ _1,2] Подставляя в это выражение значения Δ ϕ _1,2, М[Δ ϕ _1,2] получим
δ_м= t_кΔΩ_допл.- ΔΩ_допл с учетом того, что t_k ∈ Т_и получаем: при t_k= 0, δ_м= ΔΩ_допл. при t_k= T_и, δ_м= ΔΩ_допл. Таким образом методическая погрешность на превышает δ_м≅ . Приняв значение Т_и 2 ˙ 10^-4 с, радиальную скорость 6 ˙ 10³ м/с и разность между модулирующими частотами Ω ₁ и Ω ₂ равной 100 Гц, получим
ΔΩ_допл.= Ω_допл.1- Ω_допл.2= 4·10^-3 Гц Подставив рассчитанное значение Δ Ω_допл., находим δ_м
δ_m= ·4·10^-3= 4·10^-7 рад. Известно, что точность измерения дальности δ R фазовым методом составляет от единиц до десятков метров, что при частоте модуляций (например, Ω ₁ ≈ Ω ₂ 10⁶ Гц при δ R 7 м составляет δ_ϕ= ≈ 4,6·10^-2 рад. Тогда относительную ошибку в оценке погрешности измерения можно из соотношения
Δ ≈ 0,9·10^-5.

Из рассмотренного выше следует, что методическая погрешность определения величины σ₁² и σ₂², вызванная зависимостью выражения (17) от момента времени t_к пренебрежимо мала.

Операции по вычислению величины σ₁² в рассмотренном случае выполняют блоки:
первый интегратор 9 суммирование на интервале измерения Т_и;
первый делитель 1/Т_и с инвертором 10 деление на величину 1/Т_и с инвертированием полученного выражения;
второй сумматор 11 нахождение разности значений Δ ϕ_1,2 М[Δ ϕ_1,2]
умножитель 12 возведение в квадрат;
второй интегратор 13 суммирование на интервале измерения Т_и;
второй делитель 1/2 Т_и 14 деление на величину 1/2Т_и. Напряжение, пропорциональное разности фаз Δϕ₁= на модулирующей частоте Ω ₁ с выхода фазометра 6 поступает на третий делитель 15 с коэффициентом деления . С выхода третьего делителя 15 снимается напряжение, пропорциональное дальности до объекта.

Таким образом, на выходе второго делителя 14 вырабатывается напряжение, пропорциональное величине дисперсии измерения фазового сдвига, учет которого при вторичной обработке результатов измерений приводит к повышению эффективности оценки дальности.

Оценим технико-экономическую эффективность изобретения. Известно, что оценки, полученные широко распространенным методом наименьших квадратов (МНК) обладают такими свойствами, как эффективность, несмещенность и состоятельность. Однако при обработке результатов единичных измерений по МНК без учета их весов полученные оценки перестают быть эффективными. Рассмотрим конкретный пример. Пусть фазовый измеритель дальности произвел n измерений. При этом среднеквадратическая ошибка единичного измерения при проведении первых m измерений соответствует паспортному значению и равна σ, а начиная с m+1 измерения до n-го под воздействием внешних факторов, например помех, ошибка увеличилась и составила 2 ˙ σ. Если об увеличении погрешности ничего неизвестно и этот факт не учитывается при обработке, то по результатам n измерений получим оценку дальности R со среднеквадратичной погрешностью
σ() (20) При правильном учете весов измерений при обработке результатов по МНК получим оценку дальности R со среднеквадратичной погрешностью равной
σ_p()= , (21) где L_i вес единичного измерения Li
σ_i среднекруговое отклонение в i-м измерении. Приняв в данном примере m , из выражения (21) получим
σ_p()= (22)
Таким образом, значение фактических погрешностей измерения фазового измерителя дальности приводит к повышению эффективности оценки дальности (в данном примере в 2,5 раз). Следовательно, введение предлагаемого устройства в состав фазового измерителя дальности позволит повысить эффективность оценки дальности при вторичной обработке результатов измерений.

Формула изобретения

ФАЗОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАЛЬНОСТИ С УСТРОЙСТВОМ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ФАЗОВОГО СДВИГА, содержащий наземную станцию, включающую передатчик несущей частоты ω₁, приемник несущей частоты ω₂ и фазометр, бортовую станцию, включающую приемник несущей частоты ω₁, выход которого соединен с входом усилителя модулирующей частоты Ω, передатчик несущей частоты ω₂, вход которого соединен с выходом усилителя модулирующей частоты Ω, отличающийся тем, что в наземную станцию введены формирователь частот, первый и второй выходы которого подключены к входам передатчика несущей частоты ω₁, третий выход подключен к второму входу первого фазометра, первый смеситель, первый вход которого соединен с первым выходом приемника несущей частоты ω₂, второй вход соединен с четвертым выходом формирователя частот, а выход подключен к первому входу первого фазометра, второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом приемника несущей частоты ω₂, второй вход соединен с пятым выходом формирователя частот, второй фазометр с инвертором, первый вход которого соединен с выходом второго смесителя, а второй вход с третьим выходом формирователя частот, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого фазометра, второй вход к инвертору второго фазометра, а выход соединен с объединенными входами первого интегратора и второго сумматора, выход первого интегратора соединен с входом первого делителя импульсов на 1/T_и (где T_и интервал измерения) с интертором, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, перемножитель, первый и второй входы которого объединены с выходом второго сумматора, второй интегратор, вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход подключен к входу второго делителя импульсов на 1/2 T_и, третий делитель импульсов на 1/K, вход которого соединен с выходом первого фазометра, выходы второго и третьего делителей являются выходами фазового измерителя дальности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2