Устройство для определения направления на источник радиосигнала

 

Устройство для определения направления на источник радиосигнала относится к измерительным системам и может быть использовано для определения направления подвижного объекта на источник радиосигнала. Цель изобретения - повышение точности измерения направления объекта в пространстве. Цель достигается тем, что устройство содержит первую и вторую антенны, первый и второй приемные каналы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами фазоизмерителя, в него введены переключатель и вычислитель направления, выход которого соединен с входом управления переключателя, входы переключателя соединены с первой и второй антеннами, а выходы - с входами первого и второго приемных каналов, выход фазоизмерителя соединен с входом вычислителя направления. 3 ил.

Изобретение относится к измерительным системам и может быть использовано для определения направления подвижного объекта на источник радиосигнала.

Известен пеленгатор, содержащий не менее двух антенн, расположенных на одной прямой и сопряженных с первым переключателем, последовательно соединенные усилитель высокой частоты, преобразователь частоты, ограничитель, перемножающее устройство, считывающее устройство, счетчик и второй переключатель, последовательно соединенные управляемый генератор, делитель частоты на два и накопитель, выход которого соединен со вторым входом перемножающего устройства, выход управляемого генератора соединен со вторым входом считывающего устройства, фазоизмеритель, выход которого соединен с решающим блоком, тактовый генератор, выходы которого соединены с входами управления первого и второго переключателей, выходы второго переключателя соединены со входами каналов фазовой регулировки, причем число каналов равно количеству антенн пеленгатора, а каждый канал фазовой регулировки содержит первый и второй перемножители, входы которых соединены между собой и являются входами каждого канала, выходы перемножителей соединены со входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены со входами третьего перемножителя, выход которого подключен к последовательно соединенным фильтру, генератору преобразованной частоты и устройству фазового сдвига, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя, второй вход первого перемножителя соединен с выходом генератора преобразованной частоты, выходы первого и второго сумматоров, одного из каналов фазовой регулировки соединены через квадраторы со входами третьего сумматора, выход которого соединен с третьим переключателем, выходы которого через первый и второй фильтры нижних частот соединены с блоком управления генератором, выход которого соединен с входом управляемого генератора, выходы генераторов преобразованной частоты первого и второго каналов фазовой регулировки соединены со входами фазоизмерителя [1].

Данное устройство обеспечивает ориентирование объекта в пространстве за счет измерения фазовых сдвигов сигналов, принимаемых от спутников радионавигационной системы на разнесенные антенны.

Недостатком устройства является низкая точность измерения фазовых сдвигов принимаемых сигналов за счет ограничения времени наблюдения за сигналами от спутников на разнесенные антенны последовательно во времени при одном приемном канале.

Ближайшим аналогом (прототипом) является устройство для определения направления, содержащее первую приемную антенну, соединенную с первым приемным каналом, выход которого соединен через блок сдвига фазы с первым входом фазового детектора, вторую приемную антенну, соединенную с вторым приемным каналом, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого является выходом пеленгатора [2].

Недостатком устройства является низкая точность измерения фазовых сдвигов принимаемых сигналов за счет того, что сигналы от разных антенн проходят одновременно через разные приемные каналы. При этом узлы приемных каналов вносят собственные фазовые сдвиги, величина которых изменяется от времени, нестабильности питающих напряжений и т.д.

Целью изобретения является повышение точности измерения направления объекта в пространстве путем определения и учета погрешностей, возникающих в блоках устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первую и вторую антенну, первый и второй приемные каналы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами фазоизмерителя, введены многофункциональный переключатель и вычислитель направления, выход которого соединен с входом управления многофункционального переключателя, входы переключателя соединены с первой и второй антеннами, а выходы - с входами первого и второго приемных каналов. Здесь и далее в материалах заявки фазоизмеритель соответствует по выполняемым функциям блоку сдвига фазы и фазовому детектору указанным в прототипе [2].

Введение перечисленных блоков с описанными связями позволяет повысить точность определения направления объекта в пространстве путем автоматического измерения и учета собственных фазовых сдвигов, возникающих в блоках устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - вариант реализации вычислителя направления, на фиг.3 - блок - схема алгоритма его работы.

Устройство содержит антенны 1 и 2, соединенные с переключателем 3, первый и второй выходы которого соединены со входами первого 4 и второго 5 приемных каналов, выходы приемных каналов 4 и 5 соединены со входами фазоизмерителя 6, выход которого соединен с вычислителем направления 7, соединенного выходом со входом управления переключателя 3.

Вычислитель направления 7 содержит (фиг.2) микропроцессорный модуль 8, шина данных (ШД) которого связана с постоянным запоминающим устройством 9, оперативным запоминающим устройством 10 и регистром 11. Шина адреса (ША) микропроцессорного модуля 8 соединена с адресными входами постоянного запоминающего устройства 9, оперативного запоминающего устройства 10, входами регистра 11 и дешифратором 12, выходы которого соединены с входами постоянного запоминающего устройства 9 и оперативного запоминающего устройства 10.

Выход микропроцессорного модуля 8 "чтение" соединен с входом постоянного запоминающего устройства 9, выход "запись" - с входом оперативного запоминающего устройства 10, выход "выход" - с входом регистра 11, выход "запрос прерывания" - с входом блока 6. Работает устройство следующим образом. Предположим, что источник сигнала частотой f и антенны 1 и 2 пеленгатора находятся в одной плоскости. Расстояние между антеннами 1 и 2 равно d и называется базой, а источник сигнала удален от центра базы на расстояние D > > d. В этом случае направления прихода сигналов к антеннам 1 и 2 можно считать параллельными. Сигнал частотой f принимается антеннами 1 и 2 и через переключатель 3 подается соответственно на входы приемных каналов 4 и 5. В приемных каналах 4 и 5 осуществляется усиление, преобразование входного сигнала частотой f в сигнал преобразованной частоты F, фильтрация и необходимое усиление. Преобразованная частота F выбирается таким образом, чтобы не достигать нулевого значения при максимально ожидаемом доплеровском сдвиге частоты и обеспечивать измерение фазовых сдвигов с заданной точностью. Например, при использовании в качестве источника сигнала спутника системы "Навстар" входная частота f = 1575 мГц, преобразованная частота F = 5 кГц и для практически реализуемых доплеровский частот преобразованная частота F изменяется от 500 Гц до 9,5 кГц [1].

С целью повышения точности измерения направления в устройстве реализован режим автоматического измерения и учета фазовых погрешностей, возникающих в каналах устройства. Для этого в устройстве предусмотрен переключатель 3, управляемый от вычислителя направления 7, причем переключатель 3 обеспечивает последовательное во времени подключение антенн 1и 2 к приемным каналам 4 и 5 в течение четырех измерительных тактов в соответствии с фиг.3.

Так, в первом измерительном такте Т1 переключателем 3 антенна 1 подключается к входу приемного канала 4, антенна 2 - к входу приемного канала 5, а фазоизмерителем 6 измеряется разность фаз ϕ₁, значение которой можно представить в виде где ϕ₁₃, ϕ₂₄ - фазовые сдвиги, вносимые переключателем 3 при прохождении принимаемых сигналов от входа 1 к выходу 3 и от входа 2 к выходу 4 соответственно; ϕ_п4, ϕ_п5 - фазовые сдвиги, вносимые приемными каналами 4 и 5 соответственно при прохождении сигналов ко входам фазоизмерителя 6; c - скорость распространения радиоволн.

Во втором измерительном такте Т2 переключатель 3 подключает сигналом управления от вычислителя направления 7 антенну 1 ко входу приемного канала 5, антенну 2 - ко входу приемного канала 4, а фазоизмеритель 6 измеряет разность фаз ϕ₂, значение которой можно представить в виде: где ϕ₂₃, ϕ₁₄ - фазовые сдвиги, вносимые переключателем 3 при прохождении принимаемых сигналов от входа 2 к выходу 3 и от входа 1 к выходу 4 соответственно.

В третьем измерительном такте Т3 переключатель 3 подключает антенну 1 ко входам приемных каналов 4 и 5, а фазоизмеритель 6 измеряет разность фаз ϕ₃, значение которого можно представить в виде ϕ₃ = (ϕ₁₃+ϕ_п4)-(ϕ₁₄+ϕ_п5). (3) В четвертом измерительном такте Т4 переключатель 3 подключает антенну 2 ко входам приемных каналов 4 и 5, а фазоизмеритель 6 измеряет разность фаз ϕ₄, значение которой можно представить в виде ϕ₄ = (ϕ₂₃+ϕ_п4)-(ϕ₂₄+ϕ_п5). (4) Полученные значения ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ в соответствии с блок-схемой алгоритма (фиг.3) заносятся в блок 7, в котором по окончании измерительного цикла устройства Т = Т1 + Т2 + Т3 + Т4 вычисляется соотношение:
По разности фаз ϕ в вычислителе направления 7 определяется по интерферометрическому принципу направление в пространстве по формуле [2]

Из выражения (6) следует, что погрешность определения направления в пространстве α пропорциональна погрешности измерения разности фаз ϕ и обратно пропорциональна расстоянию между антеннами d.

Из выражений (1 - 6) следует, что при выполнении измерительного цикла устройства Т в соответствии с описанным режимом, погрешность измерения фазовых сдвигов принимаемых сигналов за счет их прохождения через приемные каналы 4 и 5, полностью исключается. В случае реализации переключателя 3, когда на практике выполняется условие ϕ₂₄ = ϕ₁₄, тогда погрешность измерения фазовых сдвигов, принимаемых сигналов за счет их прохождения через переключатель 3 также исключается.

Вычислитель направления 7 можно реализовать по структурной схеме, приведенной на фиг.2 и описанной в [3]. Дешифратор 12 обеспечивает выбор постоянного 9 и оперативного 10 запоминающих устройств, в которых хранятся программы, константы или текущая информация соответственно. Микропроцессорный модуль 8 выполняет обработку и обмен информацией, например, в соответствии с блок-схемой фиг.3 и связан с блоками 9, 10, 12 шиной адреса (ША) и блоками 9 - 11 информационной шиной данных (ШД), может иметь управляющие выходы с сигналами "чтение" и "запись" для управления постоянным 9 и оперативным 10 запоминающими устройствами соответственно, "вывод", например, для вывода информации по шине ШД в блок 3, выход "запрос прерывания" для ввода информации по сигналам от блока 6, сигналы обращения "вывода" со стороны блока 7 к внешним блокам формируются путем записи информации из микропроцессорного модуля 8 в регистр 11.

Переключатель 3 может быть реализован, например, в соответствии с [4]. Построение аналоговых узлов устройства описано, например, в [5].

Фазоизмеритель 6 может быть реализован, например, в виде устройства, описанного в [6,7]. Таким образом, благодаря новым элементам и связям достигается повышение точности предлагаемого устройства, за счет автоматического определения и исключения из результатов измерения фазовых сдвигов, вносимых узлами устройства.

В прототипе фазовые сдвиги, вносимые аналоговыми узлами устройства, не учитываются в результате измерений и проявляются в аппаратуре в виде фазовой погрешности. Известно, что узлы приемных каналов вносят значительные по величине фазовые сдвиги [5], существенно зависящие от частотного диапазона работы устройства.

Тогда в предлагаемом устройстве автоматическое исключение фазовых сдвигов, возникающих в узлах устройства, из результирующих значений фазовых сдвигов (6), позволяет на порядок и более повысить точность измерения информационных параметров.

При практической реализации предложенного устройства в диапазоне частот f = 1575 мГц аппаратурная погрешность измерения фазовых сдвигов составляет 0,01 ф.ц. (3,6^o), при величине d ≈ 1 - 5 м погрешность определения направления α по формуле (6) не превышает нескольких минут.

В этом заключается технико-экономический эффект предлагаемого устройства.

Литература
1. Заявка DE N 3540212.

2. Радиотехнические системы / Под ред.Ю.М.Казаринова. - М.: Высш.школа, 1990, с.378.

3. Балашов Е.П., Пузенков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 1981, с.203.

4. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, с.96 - 99.

5. Амплитудно-фазовая конверсия / Под ред.Г.М.Крылова - М.: Связь, 1979.

6. Патент РФ N 1600518, G 01 S 1/32.

7. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. - Радио и связь, 1993.

Формула изобретения

Устройство для определения направления на источник радиосигнала, содержащее первую и вторую антенны, первый и второй приемные каналы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами фазоизмерителя, отличающееся тем, что в него введены переключатель и вычислитель направления, выход которого соединен с входом управления переключателя, входы переключателя соединены с первой и второй антеннами, а выходы - с входами первого и второго приемных каналов, выход фазоизмерителя соединен с входом вычислителя направления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4