Круговой пеленгатор (варианты)

Изобретение относится к области метеорадиолокации и радионавигации и может быть использовано в грозолокаторах, грозопеленгаторах, радиокомпасах. Заявленный круговой пеленгатор в трех вариантах на низких и очень низких частотах электромагнитных полей использует во всех вариантах принцип измерения и учета фазового сдвига между электрической и магнитной составляющими электромагнитного поля в ближней зоне, обеспечивает точное однозначное в пределах 0...360° измерение угла пеленга, что и является достигаемым техническим результатом. Варианты различаются погрешностями измерения пеленга. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Круговой пеленгатор (варианты) предназначен для использования в наземной, авиационной, судовой радиопеленгации на низких и очень низких частотах (ОНЧ), относится к области метеорадиолокации и радионавигации и может использоваться в грозолокаторах, грозопеленгаторах, радиокомпасах и т.п., работающих в диапазоне частот от сотен герц до сотен килогерц, на длинах волн в диапазоне 3...600 км. Дальности действия грозолокаторов обычно лежат в пределах зоны прямой видимости, т.е. не более 400 км, что при больших длинах волн обуславливает их работу в ближней зоне - в зоне индукции электромагнитного поля [стр.75. Труды ГГО им. А.И.Воейкова. Вып.442. Л.: Гидрометеоиздат, 1981].

Известны несколько типов пеленгаторов в ближней зоне. Они обладают недостатками, которые делают каждый из них не способным обеспечить однозначную круговую (в пределах углов 0...360°) точную пеленгацию с максимальной погрешностью менее 10°. В грозопеленгаторе-дальномере (ГПД) «Очаг-2П» применен комбинированный пеленгатор, который выбран нами в качестве ближайшего аналога-прототипа, использующий тесно взаимодействующие с целью парирования недостатков каждого из них два пеленгатора, в одном из которых - амплитудно-фазовом точном, но не однозначном, называемом НН-пеленгатором, используют только магнитную составляющую электромагнитного поля (ЭМП), а во втором - фазовом однозначном, но грубом, называемом ЕН-пеленгатором, используют не только магнитную, но и электрическую составляющую электромагнитного поля. Сравнением показаний пеленгаторов устраняют неоднозначность измерения НН-пеленгатора, сохраняя его точность [стр.16, 17, 29. Грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П». ГГО им. А.И.Воейкова. Гальперин С.М. и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1988].

На фиг.1 приведена схема кругового пеленгатора-прототипа, на стр.4 дана расшифровка условных обозначений узлов схемы, на фиг.5 - диаграммы направленности антенн кругового пеленгатора на ОНЧ.

Рассмотрим работу прототипа.

Составляющие электромагнитного поля, излученного пеленгуемым источником, принимаются на магнитные антенны H1, H2 с развернутыми в пространстве на 90° одна относительно другой диаграммами направленности, имеющими каждая форму восьмерки, и на электрическую Е всенаправленную антенну, после чего усиливаются и фильтруются в соответствующих усилителях на выходах антенн.

Формируемые на выходах усилителей (4, 5, 6) сигналы можно записать в виде:

К - идентичные коэффициенты усиления каналов Е- и Н-антенн;

u - огибающая сигнала электромагнитного поля (ЭМП);

θ - угол пеленга источника ЭМП;

ω - рабочая частота пеленгации.

После сдвига по фазе на π/2 радиан в фазовращателе π/2 (7) сигнал в этом магнитном канале будет соответствовать выражению:

В результате суммирования и вычитания выходных сигналов и на выходах сумматора (9) и вычитателя (10) будем иметь [стр.180...184. И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев. Справочник по математике. М.: ФМЛ, 1962]:

Следовательно, измеренная в точном НН-пеленгаторе (11) разность фаз между суммарным и разностным сигналами будет равна удвоенному значению пеленга θ:

а пеленг

Однако при этом возникает неоднозначность отсчета пеленга, определяемая тем, что результаты измерения угла для пеленгов 0<θ≤180° равны соответствующим углам для пеленгов 180°<θ≤360°, т.к. измеряемая точным НН-пеленгатором разность углов составляет угол 4 π радиан при изменении пеленга в пределах углов 0...2π радиан (см. фиг.6).

В прототипе неоднозначность измерения пеленга точным НН-пеленгатором устраняется с помощью однозначного, но грубого ЕН-пеленгатора, измеряющего угол . Угол пеленга θ_r поступает в схему логики (13), в которой к углу θ, измеренному точным, но неоднозначным НН-пеленгатором, добавляют угол 180°, как только грубо измеренное значение пеленга переходит через значение θ_r=π радиан.

Но ЕН-пеленгатор является в ближней зоне грубым, так как главной составляющей его ошибки является начальный фазовый сдвиг между электрической (Е) и магнитной (Н) составляющими электромагнитного поля - назовем его углом расфазирования (ϕ) - см. фиг.7. Этот угол имеет нулевое значение в дальней волновой зоне и стремится к значению ϕ=π/2 радиан при уменьшении расстояния до источника ЭМП [стр.332, Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев. Справочное руководство по физике. М.: наука, ФМЛ, 1989]. Например, для частоты 7 кГц, на которой осуществляют пеленгацию в ГПД «Очаг-2П», на дальности 10 км угол расфазирования ϕ=17°20' [стр.49. Н.В.Бару и др. Радиопеленгаторы-дальномеры ближних гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1976].

Недостатком прототипа является то, что в значении пеленга, измеренного точным НН-пеленгатором в зоне углов пеленга θ=π±ϕ, не устраняется неоднозначность из-за наличия ошибки расфазирования ϕ в измерении пеленга грубым ЕН-пеленгатором при переходе углом θ значения π радиан, при котором к измеренному точному значению угла пеленга в схеме логики добавляют угол 180°. Значит, в пределах углов θ=π±ϕ точный НН-пеленгатор остается неоднозначным и может иметь ошибку, равную π радиан, т.е. грубая ошибка фазового пеленгатора, равная углу ϕ, трансформируется в ошибку, равную π радиан точного пеленгатора в этой области

Основной задачей предлагаемого кругового пеленгатора является повышение точности измерения угла пеленга во всем диапазоне углов пеленга θ=0...2π, включая и диапазон углов θ=π±ϕ, для чего измеряют угол расфазирования (ϕ) и учитывают его значение при измерении пеленга грубым ЕН-пеленгатором, повышая таким образом его точность. При измерении угла расфазирования (ϕ) по сигналам в электрическом и одном любом из магнитных каналов необходимо учесть, что магнитные антенны формируют в определенных направлениях нули в своих диаграммах направленности, имеющих форму восьмерки (фиг.5), поэтому для измерения угла расфазирования по сигналам в Е- и Н-каналах нужно предварительно выбрать Н-канал, в котором модуль сигнала больше. При этом необходимо устранить возникающую неоднозначность измерения угла расфазирования, связанную с тем, что сигнал в магнитном канале, относительно которого измеряют угол расфазирования, может иметь знак «+» или «-» в зависимости от направления прихода электромагнитной волны (см. фиг.5).

Как сказано выше, значение угла расфазирования лежит в пределах значений ϕ=0...90° и, следовательно, никогда не выходит за пределы первого квадранта. Если оказывается, что измеренный угол расфазирования ϕ_изм>90°, то это означает, что измерение осуществляется относительно вектора магнитного сигнала, развернутого на 180°, и этот угол, следовательно, нужно вычесть из результата измерения, чтобы получить истинное значение угла расфазирования как угла между векторами Е- и Н-сигналов, лежащих в первом квадранте, т.е.:

ϕ=ϕ_изм при 0<ϕ_изм≤90° и

ϕ=ϕ_изм-180° при ϕ_изм>90° (см. фиг.7).

С учетом сказанного решение поставленной задачи достигают тем, что в комбинированный пеленгатор-прототип вводят следующие новые существенные признаки:

- схему выбора большего сигнала, т.е. выбора магнитного канала, в котором амплитуда сигнала имеет большее значение. Обозначим этот сигнал как ;

- измеритель угла расфазирования ЭМП ϕ как фазового сдвига между вектором сигнала в Е-канале и вектором сигнала в том Н-канале, в котором амплитуда сигнала имеет большее значение, т.е. устраняя в этом измерителе и неоднозначность измерения угла расфазирования ϕ в соответствии с логикой:

ϕ=ϕ_изм при 0<ϕ_изм≤90°,

ϕ=ϕ_изм-180° при ϕ_изм>90°;

- уточняют угол пеленга θ г, измеренный грубым ЕН-пеленгатором, суммируя его значение с углом расфазирования (ϕ), и полученный суммарный угол (обозначим его θ_гϕ=θ_г+ϕ) для устранения неоднозначности точного НН-пеленгатора выдают в схему логики (13). Угол θ_гϕ=θ, т.е. не содержит ошибки расфазирования, следовательно, определение угла пеленга грубым, но однозначным ЕН-пеленгатором осуществляется уже точно и поэтому же точный, но неоднозначный НН-пеленгатор приобретает однозначность во всем диапазоне углов, включая и диапазон θ=π±ϕ.

Предлагаются три варианта кругового пеленгатора, отличающиеся тем, что при едином изобретательском замысле измерения и учета угла расфазирования электромагнитного поля в ближней зоне однозначное измерение угла пеленга осуществляют с различным набором элементов схем и связей, причем в варианте 1.1 вместо сигнала однозначного грубого ЕН-пеленгатора на входе схемы логики используют его уточненное значение, количественно наибольший набор схем (вариант 1.2) обеспечивает наибольшую точность за счет усреднения точных значений измеренного пеленга в двух (НН- и ЕН-) пеленгаторах, имея в виду слабую коррелированность ошибок измерения в этих пеленгаторах в связи с использованием разных принципов измерения (амплитудно-фазовый НН и фазовый ЕН), а в независимом варианте 2, наиболее простом, используется только грубый ЕН-пеленгатор с уточненным значением угла пеленга.

Изобретение представлено чертежами:

фиг.1 - схема кругового пеленгатора. Прототип;

фиг.2 - схема кругового пеленгатора. Вариант 1.1;

фиг.3 - схема кругового пеленгатора. Вариант 1.2;

фиг.4 - схема кругового пеленгатора. Вариант 2;

фиг.5 - диаграммы направленности антенн для очень низких частот (ОНЧ);

фиг.6 - векторная диаграмма пеленгации для случаев 0<θ<π;

фиг.7 - векторная диаграмма расфазирования электромагнитного поля в ближней зоне.

На фигурах использованы обозначения:

ϕ_изм - измеренный угол расфазирования электромагнитного поля в ближней зоне;

Е - круговая диаграмма направленности электрической антенны;

H1, H2 - косинусоидальные (восьмерочные) диаграммы направленности магнитных антенн (осевой и траверсной);

θ - угол пеленга молниевого разряда;

ϕ - угол расфазирования электромагнитного поля в ближней зоне;

- сигнал на выходе второй магнитной антенны, сдвинутый по фазе на π/2 радиан;

- суммарный вектор;

- разностный вектор.

Вариант 1.1. Круговой пеленгатор с учетом связей в соответствии со схемой фиг.2 содержит:

- антенны для приема магнитной составляющей ЭМП H1 (1) и развернутую на 90° в горизонтальной плоскости по отношению к ней Н2 (2), а для приема электрической составляющей ЭМП-Е (3);

- усилители с фильтрами сигналов с выходов антенн соответственно (4), (5), (6);

- фазовращатель π/2 (7), причем его вход соединен с выходом усилителя (5);

- ограничитель (8), вход которого соединен с выходом усилителя (6), а выход с вторым входом фазометра грубого ЕН-пеленгатора θ_r (12);

- сумматор (9) и вычитатель (10) векторов сигналов магнитных каналов, причем выход усилителя (4) соединен с первыми входами сумматора (9) и вычитателя (10), а выход фазовращателя π/2 (7) соединен с вторыми входами сумматора (9) и вычитателя (10);

- фазометр точного НН-пеленгатора θ_изм (11), первый вход которого соединен с выходом сумматора (9), второй вход соединен с выходом вычитателя (10), а выход соединен с первым входом узла логики (13);

- фазометр грубого ЕН-пеленгатора (12), первый вход которого соединен с выходом сумматора (9), а выход соединен с первым входом схемы уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16);

- устройство выбора бóльшего сигнала (14), первый и второй входы которого соединены с выходами усилителей (4) и (5) соответственно, а выход соединен с вторым входом однозначного измерителя угла расфазирования ЭМП ϕ (15);

- однозначный измеритель угла расфазирования ЭМП ϕ (15), первый вход которого соединен с выходом усилителя (6), а выход соединен с вторым входом схемы уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16);

- схему уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16), выход которой соединен с вторым входом схемы логики (13), выход которой соединен с потребителем угла пеленга (θ).

Работа кругового пеленгатора вариант 1.1 осуществляется следующим образом.

Принимают магнитную составляющую ЭМП пеленгуемого источника излучения на две магнитные H1- и H2-антенны, а электрическую составляющую ЭМП принимают на электрическую Е-антенну (3). Сигналы с выходов всех трех антенн фильтруют и усиливают в соответствующих усилителях (4), (5), (6), получая на их выходах векторы сигналов Вектор сигнала поворачивают на угол 90° в фазовращателе π/2 (7) - обозначим повернутый вектор сигнала . Векторы сигналов на выходах двух магнитных каналов ( и ) суммируют в сумматоре (9), получая на его выходе суммарный вектор и вычитают в вычитателе (10), получая на его выходе вектор разности (см. векторную диаграмму фиг.6). Определяют в фазометре точного НН-пеленгатора θ_изм (11) фазовый сдвиг между векторами и который равен удвоенному углу пеленга 2θ. Делением на «2» в схеме логики (13) получают, как и в прототипе, точное, но неоднозначное значение угла пеленга θ. Измеряют в фазометре грубого ЕН-пеленгатора θ_г (12) угол между суммарным вектором и вектором сигнала в электрическом канале т.е. угол который грубо, но однозначно соответствует углу пеленга, из сигналов в магнитных каналах и выбирают бóльший сигнал (14), однозначно измеряют угол расфазирования ЭМП ϕ (15) как фазовый угол между выбранным бóльшим сигналом и вектором сигнала в Е-канале , т.е. угол Возможную при этом неоднозначность устраняют, используя в измерителе угла расфазирования ЭМП ϕ (15) логику:

ϕ=ϕ_изм при 0<ϕ_изм≤90°,

ϕ=ϕ_изм-180° при ϕ_изм>90°.

Полученное значение угла расфазирования ϕ и сигнал с выхода фазометра грубого ЕН-пеленгатора θ_г (12) алгебраически суммируют в схеме уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16) и полученное уточненное значение грубо измеренного пеленга θ_гϕ используют в схеме логики (13) для определения момента, когда угол пеленга достигает значения π радиан, и добавления после этого к измеренному точному, но неоднозначному углу пеленга θ_изм величины π радиан, устраняя тем самым неоднозначность точного НН-пеленгатора.

В зависимом варианте 1.2 (фиг.3) дополнительно к полностью использованному варианту 1.1 введено устройство усреднения результатов измерения пеленга с выхода схемы логики (13) и после схемы уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16), для чего выход схемы логики (13) и ее второй вход соединены соответственно с первым и вторым входами схемы усреднения результатов измерения пеленга (17).

В независимом варианте 2 (фиг.4) используют только однозначный грубый ЕН-пеленгатор, результаты измерения которого уточнены на угол расфазирования, т.е. в качестве точного значения угла пеленга, выдаваемого потребителю, используют значение пеленга, определенное грубым ЕН-пеленгатором θ_г после исключения из него в схеме уточнения грубо измеренного пеленга θ_гϕ (16) измеренного угла расфазирования ЭМП ϕ (15), при этом вычитатель (10), точный НН-пеленгатор θ_изм (11), схема логики (13) и усреднение результатов измерения пеленга (17) с соответствующими связями исключают.

Применение кругового пеленгатора (варианты) позволяет:

в варианте 1.1 устранить неоднозначность точного измерения пеленга, остающуюся в прототипе в зоне углов пеленга π±ϕ, где ϕ - угол расфазирования ЭМП в ближней зоне;

в зависимом варианте 1.2 повысить точность и надежность пеленгации при некотором усложнении схемы за счет введения устройства усреднения результатов одновременного измерения пеленга двумя точными пеленгаторами (НН и ЕН), использующими разные способы пеленгования, т.е. имеющими слабо коррелированные ошибки измерения пеленга;

в независимом варианте 2 осуществить измерение пеленга только одним грубым ЕН-пеленгатором при учете в нем измеренного угла расфазирования (ϕ) и благодаря этому исключить устройства, относящиеся к точному НН-пеленгатору. Точность измерения пеленга при этом может оказаться несколько ниже, чем в варианте 1.2, но схема значительно проще для реализации, чем в вариантах 1.1 и 1.2.

Предлагаемый круговой пеленгатор (варианты) реализуется с использованием широко применяемых магнитных рамочных (на ферритах) и электрических вибраторных или емкостных антенн, электронных схем, фазовращателей, фазометров, сумматоров как в аналоговом, так и в цифровом вариантах. Вся элементная база, позволяющая реализовать предложенные устройства, выпускается отечественной промышленностью.

1. Круговой пеленгатор, содержащий амплитудно-фазовый точный, но неоднозначный НН-пеленгатор, далее именуемый как точный НН-пеленгатор, и фазовый однозначный, но грубый ЕН-пеленгатор, далее именуемый как грубый ЕН-пеленгатор, а также схему логики, представляющую собой схему деления, при этом точный НН-пеленгатор включает в себя один и другой магнитные Н-каналы, включающие соответственно две магнитные рамочные Н-антенны, одна из которых развернута в пространстве на 90°, усилители с фильтрами в одном и другом магнитных Н-каналах, фазовращатель π/2, сумматор, вычитатель, фазометр точного НН-пеленгатора, грубый ЕН-пеленгатор включает в себя электрический Е-канал, содержащий всенаправленную электрическую Е-антенну, усилитель с фильтром, ограничитель, фазометр грубого ЕН-пеленгатора, причем выходы указанных антенн соединены с входами соответствующих усилителей с фильтрами, выход усилителя с фильтром в одном магнитном Н-канале соединен с первыми входами сумматора и вычитателя, выход усилителя с фильтром в другом магнитном Н-канале соединен с входом фазовращателя π/2, выход которого соединен с вторыми входами сумматора и вычитателя, выход усилителя с фильтром в электрическом Е-канале через ограничитель соединен с вторым входом фазометра грубого ЕН-пеленгатора, выход сумматора соединен с первыми входами фазометра точного НН-пеленгатора и фазометра грубого ЕН-пеленгатора, выход которого соединен с вторым входом указанной схемы логики, выход вычитателя соединен с вторым входом фазометра точного НН-пеленгатора, выход которого соединен с первым входом указанной схемы логики, выход которой соединен с потребителем измеренного значения угла пеленга, отличающийся тем, что введены устройство выбора сигнала с амплитудой большего значения, однозначный измеритель угла расфазирования электромагнитного поля как сдвига между вектором сигнала в электрическом Е-канале и вектором сигнала в том магнитном Н-канале, в котором амплитуда сигнала имеет большее значение, устройство уточнения угла пеленга, измеренного грубым ЕН-пеленгатором, на угол расфазирования электромагнитного поля с обеспечением устранения неопределенности измерения угла пеленга точным НН-пеленгатором при переходе величины пеленга через значение π радиан, при этом первый и второй входы устройства выбора сигнала с амплитудой большего значения соединены соответственно с выходами усилителей с фильтрами в магнитных Н-каналах, выход устройства выбора сигнала с амплитудой большего значения соединен с вторым входом указанного однозначного измерителя угла расфазирования электромагнитного поля, первый вход которого соединен с выходом усилителя с фильтром электрического Е-канала, а выход соединен с вторым входом устройства уточнения угла пеленга, измеренного грубым ЕН-пеленгатором, первый вход которого соединен с выходом фазометра грубого ЕН-пеленгатора, а выход соединен с вторым входом схемы логики.

2. Круговой пеленгатор по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введено устройство усреднения результатов измерения пеленга, при этом выход указанной схемы логики и ее второй вход соединены соответственно с первым и вторым входами устройства усреднения результатов измерения пеленга, выход которого также соединен с потребителем значения угла пеленга.

3. Круговой пеленгатор, содержащий однозначный, но грубый ЕН-пеленгатор, далее именуемый как грубый ЕН-пеленгатор, включающий в себя две магнитные рамочные Н-антенны, одна из которых развернута в пространстве на 90°, усилители с фильтрами, фазовращатель на π/2, сумматор, образующие один и другой магнитные Н-каналы, всенаправленную электрическую Е-антенну, усилитель с фильтром, ограничитель, фазометр грубого ЕН-пеленгатора, образующие электрический Е-канал, причем выходы антенн соединены с входами соответствующих усилителей с фильтрами, выход усилителя с фильтром в одном магнитном Н-канале соединен с первым входом сумматора, выход усилителя с фильтром в другом магнитном Н-канале соединен с входом фазовращателя на π/2, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход усилителя с фильтром в электрическом Е-канале через ограничитель соединен с вторым входом фазометра грубого ЕН-пеленгатора, выход сумматора соединен с первым входом фазометра грубого ЕН-пеленгатора, отличающийся тем, что введены устройство выбора сигнала с амплитудой большего значения, однозначный измеритель угла расфазирования электромагнитного поля как сдвига между вектором сигнала в электрическом Е-канале и вектором сигнала в том магнитном Н-канале, в котором амплитуда сигнала имеет большее значение, устройство уточнения угла пеленга, измеренного грубым ЕН-пеленгатором, на угол расфазирования электромагнитного поля и выдачи полученного точного и однозначного значения пеленга потребителю, при этом первый и второй входы устройства выбора сигнала с амплитудой большего значения соединены соответственно с выходами усилителей с фильтрами в магнитных Н-каналах, выход устройства выбора сигнала с амплитудой большего значения соединен с вторым входом указанного однозначного измерителя угла расфазирования электромагнитного поля, первый вход которого соединен с выходом усилителя с фильтром в электрическом Е-канале, а выход соединен с вторым входом устройства уточнения угла пеленга, измеренного грубым ЕН-пеленгатором, первый вход которого соединен с выходом фазометра грубого ЕН-пеленгатора, сигнал точного однозначно измеренного пеленга выдают потребителю с выхода устройства уточнения угла пеленга, измеренного грубым ЕН-пеленгатором.