CN1013062B - 无线电经纬仪天线和接收系统中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

无线电经纬仪的天线和接收系统中的方法和装置，其中，用天线域(AK)中的至少三个天线(1…n-1)及一个参考天线(n)来接收待测目标的，来源于发射机的无线电信号，并使用了一个不属于天线域(AK)本身的外参考天线(n+1)，可以测得属于天线域本身的天线(1…n-1)和内参考天线(n)相对于参考信号的相位，该参考信号是从所述外参考天线(n+1)和与之连接的接收机(12)得到的，因此，在测量支路和参考支路之间无需校准。

Description

本发明涉及无线电经纬仪中天线和接收系统的一个方法。被测目标发射机发出的无线电信号不仅被参考天线接收，而且被天线区域中至少三个（多于三个更好）天线接收。从所述天线接收到的信号被送到接收系统，并被天线选择开关控制和选择。通过所述接收系统，检测出不同天线接收的信号间的相位差。根据这些相位差和天线域中各天线的位置坐标，用三角学原理可以算出信号的入射角度。

此外，本发明还涉及实现上述方法的无线电经纬仪。该仪器包括：含有内参考天线和天线选择开关的天线域、接收装置、相位测量装置、幅度测量装置、控制和测量装置以及对测量结果进行计算的装置。

众所周知，已有无线电经纬仪是一种测量装置，通过测量无线电信号（通常假设为平面波）的方向，也即定出所选坐标系中的方位角和仰角，从而定出无线电发射机的位置。适于无线电经纬仪的各种方法在文献〔1〕中有所描述。〔1〕Rohde    and    Schwartz    News，“方向探测和无线电定位”，78-82页。

接着，阐述已有的干涉仪的工作原理。干涉仪是由至少三个天线（实际上常多于三个）组成的天线域和无线电接收机，以及一个测量相位差的装置组成的。在已知天线的准确位置时，通过测量不 同天线接收信号间的相位差，可用简单的三角学运算求出信号的入射角（假设信号为平面波）。这种工作原理在上面的文献〔1〕中有所叙述。

已有干涉仪存在着如下缺点。天线附近的障碍和地面的反射造成所说的信号干扰被测电磁场，引起方向的测量误差。在已有的方法中，克服这个问题的尝试是用大量的天线（大大多于必要的三个），除了测量天线信号的相位外，还测量幅度。由于干涉的结果，各种反射造成了信号幅度的变化。观察这些变化，选择那些不受干扰的天线，在每个特定时刻，可以用不受反射影响的信号来计算方向。

用已有装置，定向的精度受到天线域的大小，即，三角基线的限制。所以，当其它因素，如相位差的测量精度保持不变时，天线间的距离增加，定向精度也提高。然而，当天线间的距离大于半个波长时，清晰性将丧失，即，对这个信号可得到的几个入射方向。除了用大天线群外，甚至用一个大基线天线域及较小的天线组（借此能得到清晰的方向图）也能测得正确的入射方向。

天线信号间相位差的测量需要至少两个超外差接收机。通过它们，接收的信号被转变成足够低的频率，以便能够精确地测量它们的相位差和幅度。

已有的无线电经纬仪天线信号测量系统包含着某些限制和缺陷，上面已经提到一部分。本发明的主要目的就是要克服所说的限制和缺陷。

考虑到要达到上述目的和下面要说的其它目的，本发明方法的主要特点在于：在方法上使用了一个不属于天线域本身的外参考天线，并且，由于天线域中天线相位和内参考天线的相位都被与来自 所说的外参考天线和与之相联接的接收机的参考信号相关检测，所以，在测量支路与参考支路之间不需要校准。

另一方面，本发明涉及的装置的主要特点是：对于装置的天线系统，一个不属于天线域本身的参考天线与相关的接收机连接起来。因此，可以测量属于天线域本身的所有天线接收信号的、与在所述接收机中得到的参考信号有关的相位。

本发明方法的最主要的新颖性是增加和使用了一个不属于天线域本身的外参考天线。从这个参考天线可以获得一个参考信号。由于有了参考信号，可以用二极管开关来替代已有方法中必需的标准信号发生器。所有属于天线域本身的天线的相位（包括内参考天线）都可以与来自外参考天线和相连接收机的参考信号相比较而被测量。天线域本身的所有信号从天线开关向前传送相同的路程，因此，在测量支路与参考支路之间不需要校准。

需要说明，用本发明的方法和装置不能测量距离，只能测量方向。如果必须测量距离，可以用其它方法，例如在无线电探空仪中根据探测气球发出的压力信息来测量。本发明方法能用于几个不同的方面，如无线电探测，或卫星监测，或飞机进场装置。

本发明应用到气象探测，为测风提供了一种方法和装置。这种测量不依赖Omega和Loran系统。与雷达相比，本发明（例如，在军事应用方面）的一个重要优势是：由于装置是无源的，即，非发射装置，所以保密性高。

例如，要精确监视卫星位置时，使用几个本发明所说的无线电经纬仪或相应的其它装置，可以非常精确地测定卫星位置。

利用这一发明，同时具有几个方面的优点，下面将简单说明这 些优点，并将列成如下的条文：

所有基本信号的路径相同，从而，由设备漂移引起的相位误差得到补偿。外参考和测量通道之间的相位变化是没有影响的，因为，它们通常比取样慢。

射频应用更简单。

无需校准信号发生器（频率跟踪接收到的频率）。

无需校准开关。

无需校准信号所要的分路装置。

电缆布线更简单和存在很少的对相位漂移敏感的元器件。

设备中，只有天线连接器置于室外，在已有方法中，400MHz输入端、校准开关和分路元件只得置于室外。

对参考支路，可以利用属于系统本身的近乎相同的接收机。

接着，先叙述与本发明最相关的已有方法，然后，参考附图详述本发明的最佳实施例。

图A是说明已有测量方法的框图。

图1按图A的形式说明本发明的方法。

图2说明利用干涉仪确定探测气球的几何位置。

图3标出了干涉仪的天线域。

图4更详细说明干涉仪的结构和操作。

首先，根据图A，我们叙述与本发明关系最密切的已有方法。

在由几个天线组成的天线域中，天线的信号可以通过每次两个天线一对一对地测量，如文献〔2〕所述。（〔2〕，“Final    Report    for    the    Minitrack    Tracking    Function    Description”Vol.2    pp.39-41， Goddard    Space    Flight    Center，Greenbelt，Maryland）。在这种情况下，需要一个含有多个并联接收机的设备。简单的办法是用两个接收机和一个高速转换开关，可以一个接一个地快速测量几个天线信号与被选为参考的天线信号的比较结果。这种方法如图A所示。图A中的天线选择开关是由装置10a控制的，后者用于确定测量的时间。所以，待测天线1……（n-1）中每个天线可以短时间接到接收机11，以这种方式，天线1……（n-1）的每个天线信号与参考天线n的信号相比的相位差和幅度均可被读出。

当来自天线i的信号为u_i（t）＝

_iSin（w_t+φ_i′）时，和来自参考天线n的信号为u_n（t）＝ _nS_in（ωt+φn′）时，天线i与天线n的信号间相位差为φ_i＝φ_i′-φ_n′。

符号：

i-1…n-1，天线编号

n-参考天线的编号

φi′-天线i的信号的相对相位

φn′-天线n的信号的相对相位

φm-相位测量值

Δφ-测量分支间的相位差

ω-到达天线的信号的角频率

t-时间

u-信号的瞬时电压

-电压的峰值

相位测量装置17的测量结果就是所说的测量结果，为 φmi＝φi′-φn′+Δφ，其中含有由两个测量分支的传输时间差引起的相位差△φ。这个相位差必须利用校准的仪器单独确定，以便可以从结果中减去而得到真正的φi。

接收器11和12是同步工作的，所以它们的本地振荡器13是共用的或相互锁相的。来自参考天线n和其它天线i…n-1的信号进入两个完全分离的分支（分支包含大量电缆和接收机），传到信号相位检测装置17。温度和其它环境条件的变化引起传送时间的变化，同时，引起这些分路中相位的变化，当然要带来测量误差，除非分支是等长的。因此，制作两个尽可能相同的分支是很重要的，特别是相应的电缆必须严格等长。

除了上述的工作原理，在图A的系统中还存在引起相位漂移的因素，设法通过反复校准来消除所述因素的影响。信号发生器15是所需的标准，它的频率和功率与每种特定情况下的待测信号一致。发生器发出的信号15被分路器14分为两个分支，并经过天线选择开关10a和一个特别校准的开关16进入两个接收机11和12。用这种方法，在假定分路装置14和与之相连的电缆相同不变的情况下，可以测出每种特定情况下与零相位对应的误差。实际电缆的长度相当长（几个波长），并且除了别的因素外，由于太阳辐射的影响，它们的温度随时间是不同的。所以，上面的假设不完全正确，上述的校准也不是特别准确和可靠。

下面将参照图1-4，说明本发明的主要原理和作为例子的最佳实施例。

利用图1所示的本发明的最佳实施例，可将引起测量支路间的相位差漂移的因素减小到最低程度。将图1与图A所示的已有系统相比 较，可以看出，系统中多了一个外参考天线n+1。虽然它紧靠天线域，但它不属于天线域AK本身。天线域中包括内参考天线n的所有天线1…n的信号，从天线选择开关10a沿同一电缆传到同一接收机11。可以测量包括内参考天线n的天线域AK的所有天线1…n的信号相对于外参考天线n+1的信号的相位。

根据图A描述的方法，由相位检测装置17得到的测量结果是φmi＝φi′-φ^′ _n+1+Δφ，此外，对于域中的内参考天线

φmn＝φn′-φ^′ _n+1+Δφ

利用关系：

φmi-φmn＝φ′i-φ^′ _n+1+Δφ-（φ^′ _n-φ^′ _n+1+Δφ）

＝φ′_i-φ′_n

可得到要测量的相位差φ_i＝φ^′ _i-φ^′ _n。

从上述关系可看出，只要测量期间外参考天线n+1的信号的相位φ^′ _n+1和测量支路间的相位差Δφ保持不变，则它们可以从上述关系中消去。实际上，由温度等引起的Δφ的变化和由来波方向的变化引起的φ^′ _n+1的变化非常缓慢，在几毫秒的测量周期内其变化是微不足道的。

根据图1到图4描述的发明方法，可避免使用连续校准，因而，所需的仪器（信号发生器、分路装置、标准开关和n条电缆）是不必要的了。而且可以减少除了天线、电缆和选择开关中传送时间变化外的所有其它误差因素。

参照图2、3、4，接着描述本发明的一个最佳实施例。利用 本发明设计的无线电探空仪和干涉仪测量风。

按照图2，用气球30升空的无线电探空仪31来测量风。30和31的结合体随着气流漂移。不时确定探测气球的位置可得到风向，而风速可根据位移来计算。为了确定探测气球的位置，已有多种方式，如光经纬仪、雷达、无线电导航系统和无线电经纬仪。所有这些都各有优、缺点。

图2描述了利用本发明设计的干涉型无线电经纬仪对探测器定位的原理。通过测量来自探测气球31的无线电信号的幅度和相位，（假设信号是平面波），已知n个天线1…10（n＝9）的精确位置关系，可以计算出入射信号的方位角（α）和仰角（ε）。而且，借助于探测气球发出的气压信号，当探测气球的高度h已知时，根据这些数据可以计算出探测气球在每个特定时刻的位置。

下面描述一个根据本发明完成的风干涉仪。这种干涉仪通过观察无线电探测器的位移，专门用来测定风。这种干涉仪稍作改变可以用于任何无线电发射机的定位并观察其移动情况。

图3描述了一个由待测天线域本身1…9和外参考天线10组成的天线域AK。天线域本身由放置在两条相互垂直的直线上的9个天线1…9组成。中间的一个天线是内参考天线。由最里面的天线1…4和内参考天线9组成一组，可获得一个明确的方向图。外面的天线5…8和内参考天线9组成一组，由于它们的基线长，测量的精度提高了。图3所示的与波长有关的天线排列空间只显示出许多可能性中的一个有利的实施例。当需要提高定向的精度时，可以增加外面天线5…8间的距离;相反，当精度要求不高时，外面的天线可以省去。

天线1…10最好是非定向的，如1/4波长垂直振子与地平面组成的全向天线，并尽可能彼此相同。外参考天线10可以不同，例如可以是一个定向天线，它不会产生任何不利影响。外参考天线的位置可以自由选取，以不是靠近其它天线1…9太近（小于二个波长）和距离域中心太远为原则。外参考天线离中心的距离，即与内参考天线9的距离最好不要比外围天线离中心的距离大得太多。图4是接收和测量装置的结构略图。装置是为400MH_z的无线电探测器而设计的。在这种情况下，频率范围是400-406MH_z。装置是由两个实际上相同的双变频超外差接收机11和12组成的（图1）。接收机接收来自天线场中外参考天线10的信号;通过实现选择的天线选择开关控制，接收机11交替接收来自天线域AK中天线1…9的信号。

接收机11和12的输入端由一个403MHz的带通滤波器（其带宽覆盖了400-406MH_z整个频段）和一个放大器组成。经过放大和滤波的无线电信号被带有第一本振器66的330-336MH_z信号的二极管混频器34和35混频，因此可获得70MHz的第一中频。两个接收机11和12共用同一个本振13a，使用分路器件67，可以由它取出信号。在第一中频级36和37，中频信号被滤波和放大。接收机12收到的第二本振信号来自一个59.3MHz的固定晶体振荡器50。接收机11收到的第二本振信号来自电压控制的晶体振荡器51。这个振荡器的相位相对于另一个振荡器50是锁定的，所以，输出频率可由一个较低级的分离参考振荡器52按Δf＝2.4KH_z的精度测定。由第二混频器38和39得到的10.7MHz中频信号，在第二 中频级42和43被滤波和放大。

接收机12的第二中频信号还包含由探测器31发出的与气压、湿度和温度有关的数据，即所谓的PTU信号，此信号将被送到它自己的检测器作进一步处理。接收机11的第二中频信号被送到输入检测器46（接收机12的第二中频信号送到它的另一个输入端口），并被限幅器44限幅到标准电平。利用带通滤波器，从输入检测器46可获得两接收机第二中频的频差f₃。

图4中频符号的意义如下：

f₀-入射信号频率

f₁-第一中频

f₂₁-接收机11的第二中频

f₂₂-接收机12的第二中频

f₃-检测信号频率

f_L1-第一本振频率

f_L2-第二本振频率

Δf-参考频率

当使用图4中按上述定义的各符号表示时，f₃＝f₂₁-f₂₂，另一方面，f₂₂＝f₀-f_L1-f_L2和f₂₁＝f₀-f_L1-（f_L2-Δf），将后者代入前式得到f₃＝Δf。因此，差频等于参考频率Δf，而与输入信号频率f₀及本振信号频率f_L1和f_L2无关。然而，差频与到达接收机11的信号包含相同的幅度信息，并且在由天线开关10a选择的每一个特定情况下，它与参考频率信号Δf的相差正比于外参考天线和天线1…n的信号之间的相差。因此，测量结果不受本振频率f_L1和f_L2的任何漂移的影响。

接收机12的自动放大控制（AAC）是如此实现的;利用AAC检测器45，从第二中频取样，由所说的检测器45得到的电压调整输入级32和第二中频级42的放大，使中频信号的幅度保持不变。接收机11与上面的不同在于AAC检测器47，它从被检测信号的幅度取样。然而，AAC检测器47是利用一个控制信号自动开关的，从而，只有当天线开关10a选择内参考天线n时才取样。当选择其它天线时，AAC电压保持不变，因此，其它天线的信号强度不影响AAC电压。

控制和测量处理器60负责控制定时操作，并给相位测量和幅度测量电路17和18提供采样指令，从而完成检测信号的测量。相差可利用相对于2.4KHz参考信号的数字关系测得，而利用快速峰值检波可完成幅度测量。

控制天线选择开关10a，使得天线域中的天线1…n顺序通过，且在每一天线信号的测量之间测量出内参考天线的信号，使得在其它每一天线1…n-1的测量之后，尽可能快地从参考天线n的信号取样。在这样情况下，由转换次数的漂移等因素引起的相位误差保持最小。因此，测量顺序是1，n，2，n，3，n，…，n个测量依秩完成，测量序列以周期如1秒重复。用这种方法取几次测量的平均值得到测量结果。一个天线的测量约用2.5ms完成。

控制和测量处理器60将相位和幅度测量结果转换成数字形式，并通过串联通道62馈到风计算处理器61。它根据探测气球31的高度h和馈入的信号，以1秒的周期计算风向和风速。

接着，给出本专利的专利要求书。本发明的各种细节将在那里 显示出在所述的发明构思范围内的变化，并且，这些细节不同于上面所述的具体例子的细节。

Claims (8)

1、一种在无线电经纬仪的天线和接收系统中的方法，其中，来自目标发射机的待测无线电信号不仅被内参考天线(n)，而且被天线域(AK)中至少三个天线(1…n-1)接收，从所述天线接收到的信号被传到接收系统，并且被天线选择开关(10a)控制和选择，由所述接收系统可以检测不同天线信号间的相位差，根据天线域(AK)中天线的位置坐标和所述相位差，用三角变换可计算信号入射角度(α，ε)，

其特征在于：使用了一个不属于天线域(AK)本身的外参考天线(n+1)，而且，属于天线域本身的天线(1…n-1)和内参考天线(n)的相位是相对于来自外参考天线和与其相连的接收机(12)的参考信号而测量的，所以，在测量支路和参考支路间不需要校准；

天线域的内参考天线(n)以及属于天线域本身的所有天线(1…n-1)的信号由天线选择开关(10a)选择和控制，这些信号经过同一电缆(20)到达同一个接收机(11)；

外参考天线信号传送到单独的接收机(12)；以及

来自接收机(11、12)的测量信号和参考信号分别送到相位测量装置(17)。

2、权利要求1中的方法，其特征在于：不仅外参考天线（n+1）的单独的接收机（12）的信号，而且天线域本身（AK）的天线（1……n-1）和内参考天线（n）的共用接收机（11）的信号都与本机振荡器的信号混频。

3、权利要求1中的方法，其特征在于：控制天线选择开关（10a），使天线域本身的天线（1……n）的信号顺序通过;

在对每一天线的各次测量之间，测量内参考天线（n）的信号，要使得在测量了每个天线后，能尽快地从参考天线（n）的信号上取样，这样，可使由转换时间和相应的扰动因素的漂移引起的相位误差最小;并且

为了提高测量精度，可相继进行几次测量，测量结果例如以几次测量的平均值计。

4、权利要求1中的方法，其特征在于：在该方法中使用一个控制和测量处理器（60），用该处理器把相位测量结果转换成数字形式，并且

这些结果最好经由串联通道（62）传到计算处理器（61）。

5、权利要求1中的方法，其特征在于：该方法用已精确知道彼此的相对位置的多个天线（1……n+1），测量从探测气球（31）发出的无线电信号的幅度和相位，从而确定探测气球的位置，这里假设所说的信号为平面波;

在该方法中，可以计算出由信号入射方向指示的方位角和仰角（α，ε）;

利用根据探测气球（31）发出的气压信息计算出高度（h），可求得探测气球（31）在每一特定时刻的位置;以及

计算出使自由飞行的探测气球运动的风速和风向。

6、用来实现权利要求1-6中任一项所要求方法的无线电经纬仪包括：包含内参考天线（n）及天线选择器（10a）的天线域（AK）、接收装置（11）、相位测量装置（17），其特征在于：对于天线系统而言，不属于天线域（AK）本身的参考天线（n+1）和相应的接收机（12）相连，从而，可以测量属于天线域本身的所有天线（1……n）的信号与在接收机中得到的参考信号的相对相位;以及

外参考天线（n+1）位于离最靠近的其它天线（1……n）的距离大于两个波长（A）之处。

7、权利要求6中的装置，其特征在于：接收设备包括两台最好是基本相同的双变频超外差接收机（11、12），其中一个上述接收机（12）接收来自天线域（AK）以外的参考天线（n+1）的信号，另一个接收机（11）受包含在设备中的天线开关（10a）的控制和选择，交替接收从天线域（AK）中的所有天线来的信号。

8、权利要求6或7中的装置，其特征在于：该设备包括控制和测量处理器（60），它将相位和幅度的测量结果变换成数字形式，

从所说的处理器（60）将测量结果经由串联通道（62）馈送到包含在系统中的运算处理器（61），后者根据探测气球（31）的位置变化计算出测量结果，诸如风速和风向。

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