Методы определения местоположения источника радиосигнала

Размещено на http://allbest.ru

Казань 2016г

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему «Методы определения местоположения источника радиосигнала»

Содержание

1. Амплитудные радиопеленгаторы

1.1 Принцип действия РП, реализующих метод максимума

1.2 Принцип действия РП, реализующего равносигнальный метод

2. Фазовые радиопеленгаторы

2.1 Принцип действия фазового радиопеленгатора (РП)

2.2 Принцип действия следящего фазового РП

2.4 Точность фазовых РП

3. Точность пеленгации

3.1 Радиопеленгатор, реализующих метод максимума

3.2 Радиопеленгатор, реализующий равносигнальный метод

3.3 Фазовый радиопеленгатор

3.4 Конструктивные особенности

Заключение

Список литературы



1. Амплитудные радиопеленгаторы

В амплитудных РП для определения направления на источник радиоволн используют направленные свойства антенн. Наиболее часто применяют метод максимума и равносигнапьный метод. Амплитудные РП измеряют угол рассогласования (в горизонтальной и вертикальной плоскостях равный б₀ или в₀) между направлением на цель и опорным направлением (ОН).

Отсчет и₀ осуществляется по углу поворота антенны в момент совпадения с направлением на цель максимума диаграммы направленности антенны (ДНА) или равносигнального направления.

1.1 Принцип действия РП, реализующих метод максимума

Рис.1.1 Схема амплитудного радиопеленгатора, реализующего метод максимума (а), и его пеленгационная характеристика (б)

В рассматриваемых РП направление на цель и₀ отсчитывается по углу поворота ДНА антенны (рис. 1.1, а) в момент максимума напряжения отраженного сигнала на выходе приемника, когда максимум главного лепестка ДНА совпадает с направлением на источник излучения (точка M).

Зависимость амплитуды выходного напряжения приемника U_вых от угла поворота антенны называется пеленгационной характеристикой. При линейной амплитудной характеристике приемника пеленгационная характеристика по форме совпадает с ДНА f_a(и). Следует отметить, что в зависимости от того работает ли антенна только на прием или и на прием и передачу, форма пеленгационной характеристики меняется.

Рис. 1.2. Огибающая пачки импульсов (а), структурная схема устройства фиксации начала и конца пачки (б) и сигналы в ее характерных точках (в)

радиопеленгация фазометр азимут антенна

Пеленгация методом максимума осуществляется в режиме обзора пространства ("на проходе"), когда луч антенны сканирует. Например, можно зафиксировать начало и конец пачки (или ее огибающей), а затем вычислить положение (координату и₀) ее середины (максимума).

В этом случае с выхода приемника пачка видеоимпульсов с огибающей U(и) (рис. 1.2, а) поступает на квантователь (рис. 1.2, б), состоящий из порогового устройства (ПУ) и генератора стандартных импульсов (ГСтИ).

Последний вырабатывает стандартный по форме и амплитуде импульс каждый раз, когда видеосигнал превышает пороговое напряжение U_пор.

Полученная таким образом прямоугольная пачка импульсов (рис. 1.2, в) подается на схемы запрета непосредственно и через устройство задержки на период повторения T_n.

При этом на выходе верхней схемы запрета (рис. 1.2, б) выделяется первый импульс, а на нижней - последний. Положение максимума определяется соотношением:

Где и_н и и_к координаты начала и конца пачки, отсчитанные на уровне U_пор; ?_ск -угловая скорость сканирования антенны.

Можно зафиксировать момент совпадения максимума пачки с направлением на цель по переходу через нуль производной ее огибающей.

Отсчет и = и₀ производится при выполнении равенства

.

Сигналы с выхода приемника проходят через квантователь стандартные импульсы с которого поступают на устройство фиксации центра пачки (рис. 1.3, а).

Весовые коэффициенты выбирают в соответствии с формой огибающей пачки U(и) и ее первой производной, как показано на рис. 1.3, б. Схема запрета пропускает сигнал обнаружения с выхода порогового устройства только тогда, когда на запрещающем входе отсутствует сигнал.



Рис. 1.3. Схема устройства фиксации максимума огибающей пачки импульсов (а) и принцип выбора весовых коэффициентов (б)

Это возможно при симметричном расположении импульсов пачки на отводах когда на нижнем сумматоре обеспечивается выполнение условия:

при этом на верхнем сумматоре

Отсчет и₀ производится в момент окончания пачки. При этом возникает систематическая погрешность

где ф_n -- длительность пачки. Эта погрешность учитывается при градуировке РП.

При фиксации момента максимума угловую координату цели можно отсчитывать в цифровом коде по сигналам датчиков угла поворота, установленных на валу антенны.

Датчик I (рис. 1.4) вырабатывает импульс и_on каждый раз, когда максимум ДНА проходит через опорное направление (например, северное направление меридиана). Этот импульс сбрасывает показания счетчика и запускает триггер Схема «И» открывается, и импульсы с датчика 2, период повторения которых соответствует, например, одному градусу поворота ДНА, поступают на счетчик. Триггер возвращается в исходное состояние. Поэтому число поступивших на счетчик импульсов N=(и₀- и_on)/ и_сч. Точность пеленгаторов, реализующих метод максимума, определяется шириной главного лепестка ДНА. Погрешность пеленгации тем меньше, чем умже ДНА и чем острее ее максимум. Если в РП угловая координата определяется "на проходе", т.е. без остановки антенны, то при импульсном сигнале и постоянной угловой скорости сканирования ДНА пеленгация методом максимума

Рис. 1.4. Структурная схема цифрового измерителя пеленга, использующего метод максимума

сводится к фиксации времени запаздывания максимума огибающей пачки сигналов, поэтому оценка пеленга цели при ?_ск = const равна ?_скф_оц, где ф_оц --оценка времени запаздывания максимума пачки относительно опорного импульса и₀. Погрешность у₀=?_ску_t, где у₀ и у_t потенциальные точности измерения пеленга и запаздывания огибающей пачки соответственно. Если аппроксимировать ДНА выражением , где ц_а ширина главного лепестка на уровне 0,46, то огибающая пачки имеет колоколообразную форму:

здесь t - текущее время, отсчитываемое от момента пересечения максимумом ДНА опорного направления; ф - запаздывание максимума огибающей отраженного сигнала; ф_or= ц_а / ?_ск длительность огибающей на уровне 0,46. Для колоколообразного импульса ,откуда .

Выражение для потенциальной точности оценки времени запаздывания в рассматриваемом случае принимает вид:

Отсюда минимальное значение погрешности пеленгации:

(1.1)

Учитывая, что ширина главного лепестка, где k_a - коэффициент использования площади антенны, d_a - диаметр (апертура) антенны, получаем:

(1.2)



При переходе к реальной форме ДНА необходимо учесть уменьшение отношения мощностей сигнала и помехи, введя коэффициент потерь. Тогда, объединяя с коэффициентом учета потерь из-за аппроксимации ДНА, получаем относительное значение пеленгационной погрешности:

(1.3)

Последнее соотношение может быть использовано для приближенной оценки точности пеленгации и при других аппроксимациях формы ДНА.

Количественной мерой пеленгационной чувствительности является крутизна пеленгационной характеристики:

(1.4)

1.2 Принцип действия РП, реализующего равносигнальный метод

Определение угловых координат равносигнальным методом основано на сравнении амплитуд сигналов, полученных от одного и того же источника излучения двумя антеннами, ДНА которых пересекаются в пространстве, образуя равносигнальное направление (РСН).

Антенны с диаграммами поочередно с периодом Т_к подключаются к приемнику. Одновременно выход подсоединяется то к одной, то к другой отклоняющей пластине ЭЛТ.

Напряжение развертки по вертикали формируется генератором запускаемым импульсом синхронизатора (Синх). Равенство отклонений луча вправо и влево от линии развертки свидетельствует о нахождении цели на РСН. В момент достижения этого равенства с индикатора считывается значение угловой координаты источника излучения.

Если РП работает в составе импульсного радиолокатора, то по положению отметки сигнала на экране ЭЛТ относительно начала развертки определяется дальность цели.

Рис. 1.5. Структурная схема радиопеленгатора, реализующего равносигнальный метод в декартовых координатах (б) и форма сигнала на входе приемника (в)

Напряжение на входе (рис. 1.5, в) из-за коммутации ДНА модулируется по амплитуде. Глубина AM при идентичных и симметричных ДНА:

(1.5)

Разложение функции f_в(и₀±и_p) в степенной ряд по степеням и_p в окрестности точки и₀, соответствующей РСН, имеет вид



и подстановка полученных рядов в формулу (1.4) при пренебрежении высшими членами ряда ввиду их малости дает

(1.6)

где пеленгационная чувствительность (способность), измеряемая в единицах глубины модуляции на градус углового отклонения.

Таким образом, напряжение U_вх содержит необходимую для определения углового отклонения цели от РСН информацию: глубина амплитудной модуляции пропорциональна и_p1, а фаза огибающей U_вх изменяется на обратную при изменении знака и_р.

Точность РП, реализующих равносигнальный метод, зависит от формы ДНА и уровня пересечения ДНА на равносигнальном направлении (т.е. от угла отклонения максимума ДНА от РСН)

Из формулы (1.5) следует:

и_p=m/П_a.

Поскольку,

и

(см. рис. 1.5), то

(1.7)



Можно показать, что при любой аппроксимации ДНА пеленгационная чувствительность с учетом потерь аппроксимации и обработки равна тогда

(1.8)

При оптимальной обработке:

(1.9)

Это минимальная относительная погрешность, соответствующая потенциальной точности измерения угловой координаты.

2. Фазовые радиопеленгаторы

2.1 Принцип действия фазового радиопеленгатора (РП)

Информация о направлении на цель извлекается из фазовых соотношений сигналов, принятых в разных точках пространства.

Рис.2.1. Взаимное положение антенн и источника излучения в фазовом радиопеленгаторе

При определении одной угловой координаты, например азимута б, сигналы, принятые антеннами (рис.2.1), разнесенными на расстояние Б, называемое базой, из-за разности хода волн имеют разность фаз . Так как , то

(2.1)

Следовательно, информацию об азимуте цели можно получить, измерив разность фаз и используя соотношение



(2.2)

Рис.2.2. Структурная схема фазового радиопеленгатора

Измерение б по разности фаз ц выполняют с помощью измерителя фазы -- фазометра на выходе двухканального приемника (рис. 2.2).

Нелинейная шкала ИФ проградуирована в значениях угла б в соответствии с (2.2) фазовых РП могут быть использованы как обычные зеркальные антенны (рис.2,3,а), так и ФАР (рис 2.3).

При пеленгации в одной плоскости ФАР разделяются на две группы излучателей А_1…А₃ и А_2…А₆, формирующие отдельные диаграммы направленности (рис.2.3,в). Сама ФАР строится по схеме пространственного оптимального фильтра (или коррелятора).

Выходные сигналы u₁ и u₂ сдвинуты по фазе на угол ц связанный с направлением на точку излучения сигнала выражением ц=2р(Б/л)sin б. Пеленгация в пространстве выполняется трехканальным РП с базами, повернутыми друг относительно друга на 90°.



Рис. 2.3. Примеры антенн фазового РП

Рис. 2.4 Диаграмма, поясняющая пеленгацию в пространстве фазовым методом



При необходимости обе базы можно расположить на земной поверхности (рис.2.4).

На этих базах образуются разности фаз:

. (2.3)

Пеленги целей в горизонтальной б и вертикальной в плоскостях определяются из решения системы уравнений (2,3).

2.2 Принцип действия следящего фазового РП

Автоматическое сопровождение по направлению в фазовых РП может осуществляться двумя способами.

При первом сигнал ошибки с выхода фазового детектора (переключатель на рис. 2.4 в положении I) через схему управления (СУ) (экстраполятор) подается на управляемый фазовращатель, компенсирующий пространственный сдвиг фазы.

Измеряемый угол и (б или в) отсчитывается по шкале фазовращателя. При переводе переключателя в положение 2 реализуется вторая схема следящего РП. В этой схеме функцию интегратора экстраполятора выполняет электродвигатель привода антенны который поворачивает антенную платформу до совмещения перпендикуляра к базе с направлением на источник излучения.

На рис. 2.5 показана структурная схема следящего фазового РП, реализующего метод скрытого конического сканирования путем периодического дополнительного сдвига фаз в одном из каналов приемника на ±р/2.



Рис. 2.4. Структурная схема следящего фазового РП

Рис. 2.5. Следящий фазовый РП со скрытым коническим сканированием

На входе приемника суммируются сигналы, у которых кроме сдвига фаз из-за разности хода сигналов в пространстве периодически (с периодом Т_ск) добавляется фазовый сдвиг ?ц=±р/2. Поэтому, как показано на рис. 2.6,а, б, в зависимости от знака или, что то же самое, от знака и на входе приемника образуется амплитудно-модулированный сигнал, фаза огибающей которого зависит от знака ц или и. Разность фаз сигнала ошибки с выхода УСО и опорного сигнала ГОН служит для определения знака и.



Рис. 2.6. Векторные диаграммы (а) для случая и>0 ; для случая и<0 (б); формирование огибающей в различных точках РП (см. рис. 2.5) (в)

На выходе ФД возникает сигнал разной полярности в соответствии со знаком и, управляющий через схему управления фазовращателем.

2.4 Точность фазовых РП

Погрешность измерения угла и (равного б или в) в соответствии с

ц=2р(Б/л)sin б:

у₀= у_ц/2р(Б/л)cosи (2.4)

где погрешность измерителя фазы, зависящая от типа измерителя (коэффициент неоптимальности обработки сигнала в измерителе k_но) и от отношения мощностей сигнала и шума q на его входе.

При оптимальной обработке сигнала k_но=1 и погрешность по фазе , что соответствует обработке сигнала с неизвестной начальной фазой. Тогда погрешность измерения угла б, характеризующая потенциальную точность пеленгации,

(2.5)

Для повышения точности целесообразно увеличивать отношение Б/л, что противоречит условию однозначности отсчета угла и, требующему Б/л>0,5.

Для обеспечения и требуемой точности, и однозначности используют многобазовые РП, у которых самую большую базу выбирают из условия требуемой точности, а наименьшую - из условия однозначности.

Следует иметь в виду, что переход от грубой базы к более точной требует выполнения условия сопряжения шкал: погрешность на грубой, но однозначной шкале должна быть меньше диапазона однозначного отсчета на более точной шкале.

Поскольку в (2.5) -- эффективное значение базы;

,

относительное значение пеленгационной погрешности

3. Точность пеленгации

3.1 Радиопеленгатор, реализующих метод максимума

Низкая точность пеленгации в амплитудном радиопеленгаторе, реализующий методом максимума, связано с низкой пеленгационной чувствительностью. Если ?U - минимальное изменение выходного напряжения приёмника, которое может зафиксировать измеритель, то согласно (1.4) абсолютная погрешность измерения угловой координаты ?б ? ?U / Kп .

Таким образом, чем больше крутизна пеленгационной характеристики, тем выше пеленгационная чувствительность и тем меньше погрешность измерения угла. Так как форма максимума диаграммы направленности антенны обычно «тупой», то пеленгационная чувствительность при пеленгации методом максимума мала и, следовательно, погрешность измерения высока.

Малая точность определения запаздывания диаграммы направленности в режиме сканирования приводит к ложным показаниям направления источника сигнала.

3.2 Радиопеленгатор, реализующий равносигнальный метод

Учитывая формулы (1.6) - (1.9) следует, что точность радиопеленгатора, реализующий равносигнальный метод, зависит от отношениеия мощностей сигнала и шума и значением пеленгационной чувствительности.

Исходя из формулы 1.6,чтобы увеличить пеленгационную чувствительность, необходимо увеличивать f_a'(и₀) и уменьшать f_a(и₀), что достигается увеличением и₀ и уменьшением уровня пересечения, однако при уменьшении f_a(и₀) падает q.

Поэтому и₀ надо стремится брать таким, чтобы пересечение диаграмм направленности по мощности происходило на уровне примерно 0,5.

3.3 Фазовый радиопеленгатор

Точность фазового радиопеленгатора зависит от отношения Б/л и значение угла и. Исходя из формулы (2.5) целесообразно увеличивать отношение Б/л, но это может привести к большому сдвигу фаз (2.1), что, в свою очередь, приводит к неоднозначности отчета угла б. Это связано с цикличностью фазы.

Для обеспечения однозначности пеленгации в пределах сектора ±90°, когда -1 ? sin б ? +1, необходимо чтобы разность фаз не превышала ±180°. Из формулы (2.1) следует, что условие однозначности выполняется только при Б/л ? 0,5. По формуле (2.5) ясно, что при и>±90⁰ , точность пеленгации резко падает. Поэтому целесообразно радиопеленгатору работать в секторе вблизи перпендикуляра к базе антенн, где cosи ? 1, а все остальное пространство сканировать, например, с помощью поворотной базы.

3.4 Конструктивные особенности

Конструктивно амплитудный радиопеленгатор, реализующий метод максимума, проектировать и реализовать легче, по сравнению с фазовым радиопеленгатором, так как при сравнении по количеству элементов в структурных схемах, в амплитудном радиопеленгаторе значительно меньше, а значит проще. Фазовый и равносигнальный радиопеленгаторы являются многоканальными, то есть используется несколько антенн, поэтому конструктивно они сложнее.

Список литературы

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. -- М.: Радиотехника, 2004, - 320 с

2. Радиопеленгация [Электронный ресурс] //Википедия : свободная энцикл. - электро. дан. - [Б. м.], 2016 - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиопеленгация

3. Фазовые радиопеленгаторы: Монография [Электронный ресурс]- Электрон. текстовые данные (6.54 Мб)/ сост. Денисов В.П, Дубинин Д.В., - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 251 с //Электронная библиотека - URL: http://umup.ru/книга/фазовые-радиопеленгаторы-денисов -2002

4. Методы пеленгации [Электронный ресурс]//Студопедия - электро. дан. - [Б.м], 2013 - URL: http://studopedia.ru/1_54110_metodi-pelengatsii.html

5. Основы радиотехнических систем: учебное пособие [Электронный ресурс]-Электрон. текстовые данные (5.44 Мб)/ сост. Ю.Т.Зырянов, О.А.Белоусов, П.А Федюнин. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011 - 144с // Электронная библиотека - URL: http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/2011/zyryanov.pdf

Размещено на Allbest.ru

...