Антенная система и способ определения азимута и углов возвышения активного радиозонда, посылающего сигналы

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является определение азимута и углов возвышения радиозонда. Антенная система для измерения азимута и углов возвышения активного, посылающего сигналы радиозонда (31) содержит первую группу (13) пассивных антенн, включающую в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (11а, 11b), диаграмма направленности которых является широкой, по меньшей мере, в вертикальной плоскости для измерения азимутального угла радиозонда (31) на основе разности фаз между антенными решетками (11а, 11b); вторую группу (13) пассивных антенн, включающую в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (10а, 10b), диаграмма направленности которых является широкой, по меньшей мере, в вертикальной плоскости для измерения угла возвышения радиозонда (31) на основе разности фаз между антенными решетками (10а, 10b) и углового положения антенного поля (1), и, по меньшей мере, одну третью антенну (8), имеющую высокий коэффициент направленного действия для приема телеметрического сигнала, причем диаграмма направленности антенны (8) является узкой в азимутальной плоскости и широкой в вертикальной плоскости, причем первая группа (13) антенн и вторая группа (12) антенн образуют сплошное антенное поле (1), которое зафиксировано в наклонном положении под заданным углом возвышения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к антенному устройству согласно ограничительной части п.1. Изобретение относится также к способу согласно ограничительной части п.12. Изобретение далее относится к способу измерения азимута и углов возвышения активного, посылающего сигналы радиозонда.

Уровень техники

Настоящее изобретение связано с системами исследования верхних слоев атмосферы. Свойства атмосферы измеряют в реальных условиях независимыми, активными компонентами с автономным источником энергии, обычно называемыми радиозондами, включающими радиопередающее устройство. Типичными особенностями таких технических средств является наличие пассивных (не передающих) приемных антенн и то, что измерительное устройство (радиозонд) либо поднимается, либо опускается через пространство, свойства которого подлежат измерению.

Параметры, измеряемые в реальных условиях датчиками радиозонда, такие как давление воздуха, температура и относительная влажность, передают по телеметрическим линиям на станцию приема. Другими представляющими интерес параметрами являются скорость и направление ветра, которые могут быть измерены с использованием навигационных сетей, например GPS или Лоран-С, посредством первичного или вторичного радиолокатора, или пассивного (не передающего) и независимого (не использующего навигационные сети) радиотеодолита. Высота радиозонда может быть вычислена исходя из данных давления, температуры и влажности воздуха.

Известные решения, действующие в метеорологической полосе частот 1680 МГц, отслеживают радиозонд механическим образом как в азимутальном, так и вертикальном (высотном) направлениях. Недостаток таких решений заключается в сложности и дороговизне механического приемного антенного устройства.

Другим недостатком известных решений является невозможность ослабить в достаточной степени отражение от земной поверхности при приеме сигнала радиозонда с низким углом возвышения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является определение азимута и углов возвышения активного радиозонда в трехмерном пространстве с помощью пассивного (не передающего) антенного устройства, независимого от навигационных сетей. Характерной областью применения изобретения является определение местонахождения радиозонда, запущенного в атмосферу посредством заполненного водородом или гелием баллона. Азимут и углы возвышения радиозонда определяют из принятого сигнала радиозонда. Скорость и направление ветра могут быть вычислены исходя из последовательно определенных азимута, углов возвышения и высоты радиозонда.

Задача изобретения состоит в преодолении проблем известных решений и в обеспечении совершенно нового типа антенного устройства и способа определения азимута и углов возвышения радиозонда.

Поставленная задача решается за счет зафиксированного в положении с наклоном назад антенного поля, в котором антенные элементы собраны на раме антенны. В одном из вариантов антенное поле вращается вокруг вертикальной оси для его ориентирования приблизительно в направлении радиозонда, при этом угол возвышения остается по существу постоянным.

В другом варианте предусмотрено по меньшей мере три таких антенных поля, зафиксированных в наклонном положении, которые обращены в различных фиксированных азимутальных направлениях. В этом решении отсутствуют движущиеся части.

Более конкретно, антенное устройство согласно изобретению характеризуется признаками, изложенными в отличительной части пункта 1.

Способ согласно изобретению характеризуется признаками, изложенными в отличительной части пункта 12.

Изобретение предлагает существенные преимущества.

За счет ослабления отражения от земной поверхности могут быть более точно измерены азимут и углы возвышения радиозонда, особенно когда радиозонд имеет низкий угол возвышения.

Механическая часть антенного устройства может быть упрощена, кроме того, могут быть снижены затраты на ее производство. Вследствие уменьшенного количества подвижных частей система обладает более высокой надежностью.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение описано более подробно на примерах его осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, где:

на фиг.1а в перспективе показано вращаемое антенное устройство согласно изобретению;

на фиг.1b показан упрощенный вариант устройства по фиг.1а;

на фиг.2 в перспективе показано неподвижное антенное устройство согласно второму варианту изобретения;

на фиг.3 показан шар-радиозонд, прямой сигнал, сигнал, отраженный от земной поверхности, вращаемая антенная система и обычная диаграмма направленности с минимумом (нулем) в направлении отраженного сигнала;

на фиг.4 показана полярная диаграмма направленности двухэлементной антенной решетки с минимумом (нулем) в направлении сигнала, отраженного от земной поверхности;

на фиг.5 схематично на виде сбоку показано фазирование двухэлементной антенной решетки;

на фиг.6 схематично представлен принцип измерения угла прихода сигнала.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1, по существу плоское антенное поле 1 содержит вертикальную группу 12 антенн и горизонтальную группу 13 антенн. Вертикальная группа 12 антенн включает по меньшей мере две антенные решетки 10а и 10b, расположенные одна над другой. В таком решении каждая решетка имеет три элемента 9 антенны. Диаграмма направленности решеток 10а и 10b является широкой в вертикальной плоскости.

Вертикальная группа антенн используется для определение угла возвышения радиозонда на основании разности фаз между сигналами радиозонда, принятыми антенными решетками 10а и 10b.

Соответственно горизонтальная группа 13 антенн включает две горизонтальные антенные решетки 11а и 11b, расположенные по существу симметрично вокруг вертикальной центральной линии антенного поля 1. В таком решении каждая решетка имеет два или более элемента 9 антенны. Диаграмма направленности решеток 11а и 11b также является широкой в вертикальной плоскости.

Азимутальный угол радиозонда определяется при помощи антенных решеток 11а и 11b на основе разности фаз между этими решетками и углового положения антенного поля 1.

Предпочтительный вариант изобретения включает только одну поворачиваемую опорную раму, разделенную на верхнюю 6 и нижнюю 14 части. Антенное поле 1 со своей рамой 2 смонтировано на неподвижной треноге 3, имеющей круглые опорные пластины 4 на концах ног 5. Независимая антенна 8 предназначена для приема телеметрических данных радиозонда. Рама антенны может поворачиваться вокруг вертикальной оси 7 для ориентирования антенного поля 1 приблизительно в направлении радиозонда. Азимутальный угол измеряют с помощью горизонтальной группы 13 антенн, расположенной на нижней части 14 рамы, а угол возвышения - с помощью вертикальной группы 12 антенн, расположенной на верхней 6 и нижней 14 частях рамы. Упрощенный вариант групп антенн, требуемых для угловых измерений, представлен на фиг.1b. Угол наклона (возвышения) α обычно равен 30°. Понятие "фиксированный наклон" или "фиксированный угол наклона" в контексте настоящей заявки также подразумевает решения, в которых допустимы небольшие сдвиги угла наклона вибрационного характера, возникающие, например, по причине ветра.

Поскольку группа 13 антенн используется для измерения азимута, антенное поле 1 имеет форму перевернутой буквы Т или L-образную форму. В таком решении обеспечен низкий центр тяжести и снижение ветровой нагрузки. Без сомнения, азимутальная группа 13 антенн может быть расположена также в верхней части 6 или по центру антенного поля 1, что не выходит за рамки изобретения. Таким образом, может иметь место Т-образная форма антенного поля, форма перевернутой буквы L или форма знака "+". Изобретение не ограничивает расположение азимутальной и вертикальной (высотной) групп антенн перпендикулярно друг другу или поверхности земли, таким образом, допустима X-образная форма антенного поля.

Телеметрические данные радиозонда принимают независимо от измерений азимута и углов возвышения. Телеметрический сигнал принимают направленной антенной 8 с высоким коэффициентом направленного действия. Диаграмма направленности антенны 8 обычно узкая в азимутальной плоскости и широкая в вертикальной плоскости.

На фиг.1b представлен упрощенный вариант антенного устройства по фиг.1а, в котором каждая антенная решетка заменена одиночными элементами 9 антенны.

На фиг.2 представлен другой вариант изобретения в виде неподвижной (зафиксированной) антенны, имеющей форму пирамиды с четырьмя наклоненными антенными полями 14. Азимутальный угол измеряют при помощи горизонтальной группы 20 антенн, содержащей две антенные решетки 18а и 18b в нижней части пирамиды. Решетки включают два или более элемента 16 антенны. Угол возвышения измеряют при помощи вертикальной группы 19 антенн, содержащей две вертикально расположенные антенные решетки 17а и 17b в верхней и нижней частях пирамиды. Телеметрический сигнал принимают отдельной направленной антенной 15, расположенной на вершине пирамиды.

В обоих описанных решениях азимутальный угол определяют исходя из измеренной разности фаз по меньшей мере двух элементов антенны или решеток, расположенных в горизонтальном направлении (горизонтальные группы 13 или 20), а также направления антенного поля 14.

Угол возвышения определяют исходя из измеренной разности фаз по меньшей мере двух элементов антенны или решеток, расположенных по существу в вертикальном направлении (вертикальные группы 12 или 19).

Как следует из фиг.3, антенная система 34 предназначена для получения прямого радиосигнала 32 радиозонда 31. Когда радиозонд имеет низкий угол возвышения, сигнал 30, отраженный поверхностью земли и приходящий под зеркальным (отрицательным) углом, является основным фактором ухудшения рабочих характеристик известных устройств. В настоящем изобретении эта проблема уменьшена путем совмещения минимума (нуля) 35 диаграммы направленности 33 с направлением сигнала 30, отраженного поверхностью земли. Обычно это направление определяют экспериментальным образом для различных углов возвышения путем совмещения главного лепестка с помощью технологий фазированной решетки, так что влияние отражения земной поверхностью минимизировано.

В соответствии с фиг.4 минимум (нуль) диаграммы направленности образован антенными решетками (10а, 10b, 11а, 11b или 17а, 17b, 18а, 18b), состоящими по меньшей мере из двух элементов (9 или 16) антенны. Минимум диаграммы направленности направлен (сформирован) модификацией фазы и амплитуды сигнала каждого элемента антенны в решетке.

Согласно фиг.5 сумма модифицированных сигналов представляет антенную решетку, которая может быть рассмотрена в качестве одиночного элемента антенны с более приемлемой диаграммой направленности. Минимум (нуль) диаграммы направленности сформирован независимо для каждой антенной решетки в горизонтальной и вертикальной группах (12, 13 или 19, 20).

, где φ - фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг подобран экспериментальным путем для различных углов возвышения (диаграмм направленности). Формирование диаграммы направленности антенны объяснено более детально, например, в публикации Robert J. Mailloux. Справочник по фазированным антенным решеткам. Глава 2 и 3, 1994, Artech House, Inc. ISBN 0-89006-502-0.

В соответствии с фиг.6 угол прихода сигнала может быть измерен с помощью двух идентичных антенн А1 и А2, использующих интерференционный метод, подробно описанный, например, в публикации Englar, Mango, Roettcher, Walters, FINAL REPORT FOR THE MINITRACK TRACKING FUNCTION DESCRIPTION, Том 1, Март 1973, NASA-TMX-66213. Если длина базиса (b) меньше или равна половине длины волны (λ/2), угол прихода сигнала (-90°≤α≤90°) может быть однозначно измерен. Если измерена разность фаз (φ) между антеннами А1 и А2 (-180°≤φ≤180°), может быть вычислено направление прихода (DOA):

где ,

с = скорость света и f = частота сигнала.

Вместо плоского антенного поля 1 или 14, показанного на фиг.1а, 1b и 2, может использоваться выпуклое, вогнутое или, например, ступенчатое антенное поле. В вариантах по фиг.1а и 1b, предусматривающих вращение, все антенны, антенные решетки и элементы антенн расположены на сплошном (однородном) зафиксированном антенном поле 1 независимо от его формы. В варианте по фиг.2 телеметрическая антенна 15 не включена в антенное поле 14.

В контексте данной заявки понятие "широкий главный лепесток" подразумевает ширину диаграммы направленности более 120°.

Аналогично понятие "узкий главный лепесток" подразумевает ширину диаграммы направленности менее 30°.

1. Антенная система для измерения азимута и углов возвышения активного, посылающего сигналы радиозонда (31), содержащая первую группу (13) пассивных антенн, включающую в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (11а, 11b), диаграмма направленности которых является широкой, по меньшей мере, в вертикальной плоскости, для измерения азимутального угла радиозонда (31) на основе разности фаз между антенными решетками (11а, 11b) и углового положения антенного поля (1); вторую группу (12) пассивных антенн, включающую в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (10а, 10b), диаграмма направленности которых является широкой, по меньшей мере, в вертикальной плоскости, для измерения угла возвышения радиозонда (31) на основе разности фаз между антенными решетками (10а, 10b); по меньшей мере, одну третью антенну (8), имеющую высокий коэффициент направленного действия для приема телеметрического сигнала, причем диаграмма направленности антенны (8) является узкой в азимутальной плоскости и широкой в вертикальной плоскости, отличающаяся тем, что первая группа (13) антенн и вторая группа (12) антенн образуют сплошное антенное поле (1), которое зафиксировано в наклонном положении под заданным углом возвышения.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что третья антенна (8) принадлежит антенному полю.

3. Антенная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что антенное поле по существу плоское.

4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что минимум (нуль) 35 диаграммы направленности каждой антенной решетки (10а, 10b, 11a, 11b) совмещен с направлением отраженного от земной поверхности сигнала (30).

5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена средствами для вращения антенного поля (1) вокруг вертикальной оси (7) с целью его ориентирования приблизительно в направлении радиозонда (31) при сохранении угла возвышения по существу постоянным.

6. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что прием телеметрических данных радиозонда (31) не зависит от измерений азимута и углов возвышения.

7. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что антенное поле (14) зафиксировано в вертикальном и азимутальном направлениях, а система содержит, по меньшей мере, три антенных поля (14), обращенных в различных азимутальных направлениях.

8. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что минимум (нуль) диаграммы направленности каждой антенной решетки (17а, 17b, 18a, 18b) совмещен с направлением отраженного от земной поверхности сигнала.

9. Антенная система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что прием телеметрических данных радиозонда не зависит от измерений азимута и углов возвышения.

10. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что антенное поле (1) зафиксировано в положении с наклоном назад.

11. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что антенное поле (1) имеет форму перевернутой буквы Т.

12. Способ измерения азимута и углов возвышения активного, посылающего сигналы радиозонда (31), в котором азимутальный угол радиозонда (31) измеряют на основе разности фаз между сигналами радиозонда, принятыми антенными решетками (11а, 11b), и углового положения антенного поля (1), содержащего первую группу (13) пассивных антенн, включающую в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (11а, 11b), диаграмма направленности которых является широкой, по меньшей мере, в вертикальной плоскости, угол возвышения радиозонда (31) измеряют на основе разности фаз между сигналами радиозонда, принятыми антенными решетками (10а, 10b) второй группы (12) пассивных антенн, включающей в себя, по меньшей мере, две антенные решетки (10а, 10b), диаграмма направленности которых является широкой по меньшей мере в вертикальной плоскости, а телеметрический сигнал принимают по меньшей мере одной третьей антенной (8), имеющей высокий коэффициент направленного действия, причем диаграмма направленности антенны (8) является узкой в азимутальной плоскости и широкой в вертикальной плоскости, отличающийся тем, что первая группа (13) антенн и вторая группа (12) антенн образуют сплошное антенное поле (1), которое фиксируют в наклонном положении под заданным углом возвышения.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что третья антенна (8) принадлежит антенному полю (1).

14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что минимум (нуль) диаграммы направленности каждой антенной решетки (17а, 17b, 18a, 18b) совмещен с направлением отраженного от земной поверхности сигнала.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что телеметрические данные радиозонда принимают независимо от измерений азимута и углов возвышения.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что антенное поле вращают вокруг вертикальной оси (7) для его ориентирования приблизительно в направлении радиозонда (31) при сохранении угла возвышения по существу постоянным.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что антенное поле (1) фиксируют в положении с наклоном назад.

18. Способ по п.12, отличающийся тем, что антенное поле (14) фиксируют в вертикальном и азимутальном направлениях и предусмотрено, по меньшей мере, три антенных поля (14), обращенных в различных азимутальных направлениях.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что минимум (нуль) диаграммы направленности каждой антенной решетки (17а, 17b, 18a, 18b) совмещен с направлением отраженного от земной поверхности сигнала.

20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что телеметрические данные радиозонда принимают независимо от измерений азимута и углов возвышения.