FI85427B - Foerfarande och anordning foer ett objekts azimut- och elevationsmaetning. - Google Patents

Description

85427

Laitteisto ja menetelmä kohteen atsimuutin ja elevaation mittaamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto kohteen atsimuutin ja elevaation mittaamiseksi.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä atsimuutin ja elevaation mittaamiseksi.

Keksinnöllä mitataan merkkisignaalia säteilevän, heijastavan tai releoivan kohteen suuntakulmat (atsimuutti ja elevaatio) laajassa avaruuskulmassa (tyypillisesti puolipallon alueelta) suurella tarkkuudella. Menetelmä mahdollistaa kohteen suunnan jatkuvan seuraamisen.

Suuntimoita, eli tietyn kohteen tarkan suunnan ilmoittavia laitteita, on kehitetty kauan. Stereofoninen kuulokin on eräs suuntimo. Kaksiulotteisen suuntimon ilmoittamia suuntakulmia on tapana nimittää atsimuutiksi (suunta horisontissa) ja elevaatioksi (suunta horisontin ylä- tai alapuolella). Suuntimon "horisontin" asento on sopimuskysymys, eikä sen tarvitse olla vaakasuorassa. Suuntimolle on oleellista, että se antaa tarkan suunnan todelliseen kohteeseen, toisin kuin esimerkiksi suunnatut vastaanottimet, jotka yrittävät ottaa vastaan mahdollisimman puhtaan signaalin. Suunnattu vastaanotin voi hyödyntää myös ympäristön muodostamat kuvajaiset, mutta suuntimolle ne ovat virheitä.

Suuntimoita toteutetaan yleensä joko sähkömagneettisten tai mekaanisten värähtelyjen paikantamiseen. Sähkömagneettiset sovellukset ovat näistä yleisempiä.

Radiotekniikassa on yleisesti käytetty ratkaisu vahvasti suuntaava antenni, jota voidaan kääntää kahdessa suunnassa, ja jolla etsitään kohde. Suuntaavuus toteutetaan tyypilli-sesti parabolisella heijastimella.

2 85427

Kohteen suunnan mittaamiseksi ja liikkuvan kohteen seuraamiseksi tutkitaan sen ympäristöä sekä atsimuutti- että elevaa-tiosuunnassa. Milloin havaitaan signaalin olevan jossain suunnassa vahvemman, käännetään anturia siihen suuntaan. Tutkiminen toteutetaan liikuttamalla pääkeilaa joko elektronisesti tai mekaanisesti. Seurantamenetelmiä kuvataan useissa alan oppikirjoissa, esim. Richard C. Johnson ja Henry Jasik: Antenna Engineering Handbook, MacGraw-Hill Book Co., New York, (2. laitos 1984) kappale 40-4.

Käännettävä anturi vaatii tarkan mekaniikan. Koska koko ele-vaatiokoneisto liikkuu atsimuuttia käännettäessä, muodostuu mekaniikka raskaaksi, joten se vaatii suuritehoisia moottoreita ja järeitä tukirakenteita.

Suunta-anturin suuntaustarkkuus on suoraan verrannollinen sen apertuuriin ja kääntäen verrannollinen käytetyn signaalin jaksonpituuteen. Tarkan anturin toteuttaminen johtaa siten suureen tuulikuormaan ja yhä vain järeämpään mekaniikkaan. Suuntaustarkkuus vaikuttaa niin ratkaisevasti muun järjestelmän toteutukseen, että se on valittava jo järjestelmän suunnitteluvaiheessa.

Sekä atsimuutin että elevaation seuranta toteutetaan samalla pääkeilan huojutusmenettelyllä, joka käytännössä aina johtaa ylikuulumiseen eri suuntien havaintojen välillä. Ylikuuluminen johtuu esimerkiksi ajoitusepätarkkuuksista, kohteen liikkeestä mittauksen aikana, tai (etenkin radiotekniikassa) lähettimen polarisaatiotason liikkeistä, jonka aiheuttaman jännitepoikkeaman säätöalgoritmi tulkitsee väärin.

Säätöalgoritmin luonteeseen kuuluu, että kohde ei koskaan ole suuntakeilan eniten vahvistavassa osassa. Keilan huoju-tus aiheuttaa vastaanotettuun signaaliin amplitudimodulatio-ta huojunnan taajuudella.

3 85427

Vahvasti suuntaava anturi ei pysty seuraamaan kohteen äkkinäisiä liikkeitä, sillä anturin suuntakeila on kapea ja sitä ohjaava mekaaninen rakenne raskas. Säätöalgoritmin epäideaalisuuden vuoksi suuri poikkeama yhteen suuntaan voi johtaa toisenkin suuntakulman aiheettomaan liikkeeseen, jolloin kohde poistuu keilasta.

Kohteen hukkaaminen muodostuu suureksi ongelmaksi, jos anturi on itse sijoitettu liikkuvalle alustalle. Kohteen näennäiset liikkeet ovat todellisuudessa anturin omia liikkeitä, joihin sen kääntömekanismi ei ole ehtinyt vastata.

Suuntimo voidaan toteuttaa ilman liikkuvia osia interfero-metrillä, eli anturiryhmällä, jonka kunkin anturin signaali rekisteröidään erikseen. Kohteen suunta ratkaistaan vertailemalla anturien mittaamien signaalien välisiä kulkuaikaero-ja niiden välisiin fyysisiin etäisyyksiin. Interferometreis-ta on julkaistu useita kattavia oppikirjoja, esimerkiksi S. Haykin (ed.): Array Signal Processing, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1985).

Koska kukin anturi käsitellään erikseen, on niiden oltava kyllin laajakulmaisia kattaakseen koko kiinnostavan avaruus-kulman. Radiotekniikassa tyypillisin anturi on maatasoanten-ni, joka näkee lähes koko puolipallon.

Interferometrin kantama on heikko, sillä anturit eivät anna suuntavahvistusta. Suuntaavia antureitahan ei voi käyttää, jos aikoo seurata samoilla antureilla laajaa avaruuskulmaa. Vahvistusta ei voida hankkia lisäämällä antureita, sillä aikaeroa ei voi mitata liikaa kohisevasta anturista, joten anturien signaaleja ei enää kyetä summaamaan koherentisti.

Jos käytetään suuntaavia antureita kantaman lisäämiseen, on ne suunnattava eri osiin kiinnostavaa avaruuskulmaa sen kattamiseksi kokonaan. Anturin suuntakeilan leveys on kääntäen 4 85427 verrannollinen sen vahvistukseen, joten järjestelmään joudutaan lisäämään antureita suorassa suhteessa haluttuun vahvistukseen.

Anturielementtien suuntakuviot ovat yleensä elevaatiosta riippuvaisia. Maatasoantenni ei anna vahvistusta pienillä elevaatioilla eikä zeniitissä.

Anturikentällä on aina jokin suunta, johon sen dimensio on pieni. Tyypillisesti anturit ovat keskinäisten varjostusten välttämiseksi samassa tasossa, joka on alustan suuntainen.

Jos kohde lähestyy tätä samaa tasoa, menettää anturikenttä suunnanmääritystarkkuutensa, koska sen kyseiseen suuntaan näkyvä koko (tehollinen apertuuri) on olematon.

Koska interferometrin anturit eivät ole suuntaavia, ne eivät vaimenna ympäristön häiriöitä edes silloin, kun häiriöt ovat eri suunnassa kuin mitattava kohde.

Lentokoneissa ja pientaajuisilla maa-asemilla on käytetty myös menetelmää, jossa on useita suuntakuvioltaan erilaisia antureita. Niiden vastaanottamien signaalien keskinäisistä suuruussuhteista voidaan suunta päätellä (Johnson ja Jasik, kappale 40-3).

Amplitudivertailua käytetään pääasiassa siksi, että sen käyttämät anturikentät voidaan rakentaa erittäin pieniko-kokoisiksi. Niiden apertuurit ovat pieniä, ja sitä kautta suuntaustarkkuus on heikko.

Amplitudivertailu vaatii onnistuakseen hyvää signaali/kohina-suhdetta. Anturien suuntakuviot joudutaan valitsemaan suun-tausmenetelmän eikä suuntavahvistuksen mukaan, joten sitä kautta ei vahvistusta tai häiriövaimennusta ole saatavana.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden- 5 85427 tyyppinen menetelmä ja laitteisto kohteen atsimuutin ja elevaation mittaamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että suuntimossa käytetään inter-ferometria, jota käännetään mekaanisesti vain atsimuutti-suunnassa. Elevaatio mitataan täysin interferometriperiaat-teen mukaisesti, mutta atsimuutti saadaan interferometrin ja mekaanisen suuntauksen yhdistelmänä.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa .

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Liikkuvaan suunta-anturiin nähden keksinnön mukainen suunti-mo ei vaadi lainkaan liikettä elevaatiosuunnassa, joten raskas moottori jää pois. Atsimuuttisuunnan mekaniikkaa voidaan siten keventää huomattavasti. Anturiryhmä ei käytä suurta heijastinta, joten sen tuulikuorma on pieni.

Keksinnön mukaisen järjestelmän atsimuutin ei tarvitse olla suunnattu suoraan kohteeseen, koska atsimuutille saadaan mitatuksi tarkka poikkeama. Summaamalla poikkeama ja anturin todellinen atsimuutti saadaan tarkka oikea suunta. Mekaniikan ei siten tarvitse olla hienosäätöinen.

Järjestelmän suuntaustarkkuus riippuu sen apertuurista. Apertuuri ei ole sidoksissa heijastimeen vaan anturielement-tien keskinäiseen sijoitteluun, joten sen valinta voidaan lykätä jopa asennusvaiheeseen asti.

6 35427

Atsimuutin ja elevaation säätö tapahtuu toisistaan riippumatta, joten ylikuulumista ei voi esiintyä. Koko elevaatio-säätöhän jää mekaniikasta pois, sitä simuloidaan numeerisesti.

Keksinnön mukainen suuntimo ei helposti hukkaa kohdettaan, koska sen anturit ovat elevaation suhteen laajakulmaisia. Hukkaaminen voi tapahtua vain atsimuuttisuunnassa, jossa kohteen hakeminen uudelleen on helppoa, koska haku tapahtuu vain yhden parametrin suunnassa. Kohteen etsintä voidaan jopa automatisoida.

Liikkuvalla alustalla vain atsimuuttisuunnan äkkinäiset liikkeet aiheuttavat vaikeuksia. Esimerkiksi laivassa aallokon aiheuttama keinunta vaikuttaa pääasiassa vain elevaation suunnassa.

Paikalleen asetettuun, toistensa kaltaisista antureista koostuvaan interferometriin nähden keksinnöllä saavutetaan selviä etuja. Keksinnön mukaisen järjestelmän anturit ovat suuntaavia ja siten vahvistavia. Koko puolipallon kattava järjestelmä voidaan toteuttaa vain puolet elevaatiosta kattavilla antureilla, mikä jo antaa noin 3dB vahvistuksen. Suurin vahvistus saadaan atsimuuttisuunnasta, jossa voidaan käyttää lähes mielivaltaisen kapeaa keilaa.

Anturien suuntakuvio voidaan räätälöidä siten, että sillä on maksimi sekä horisontissa että zeniitissä. Radiotekniikassa se onnistuu helposti esimerkiksi sopivasti kallistetulla kulmaheij astinantennilla.

Matala todellinen elevaatio ei ole matala keksinnön mukaiselle järjestelmälle. Anturiryhmän näkemää horisonttia voidaan kallistaa, koska suunta-anturien taakse voidaan tehdä tukirakennelmia. Anturiryhmän näkemän elevaation ei puolipallossakaan tarvitse olla alle 45°.

7 85427 Järjestelmän anturit ovat fyysisesti suuntaavia, joten ne vaimentavat ulkoisia häiriöitä, jotka eivät ole samassa βίε imuuttisuunnassa kuin kohde.

Amplitudivertailuun nähden keksinnön mukaisen järjestelmän apertuuri on suuri, joten sen tarkkuus on oleellisesti parempi kuin amplitudivertailulla. Kohinan amplitudi ei määrää suuntaustarkkuutta, joten keksinnön mukainen laite on huomattavasti kohinakestoisempi. Häiriöt vaimenevat anturien suuntaavuuden ansiosta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio l esittää perpektiivikuvantona yhtä keksinnön mukaista suuntimolaitteistoa.

Kuvio 2a esittää sivukuvantona toisen keksinnön mukaisen suuntimon antureita.

Kuvio 2b esittää etukuvantona kuvion 2a mukaisia antureita.

Kuvio 3a esittää sivukuvantona kolmannen keksinnön mukaisen suuntimon antureita.

Kuvio 3b esittää sivukuvantona kuvion 3a mukaisten antureiden suuntakuvioita ja näiden suuntauksia.

Kuvio 4 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista suuntimoa.

Kuvio 5 esittää mallia tunnetun tekniikan mukaisesta inter-ferometristä.

Kuvio 6a esittää etukuvantona yhtä atsimuutin suhteen symmetristä keksinnön mukaista antenniryhmää.

8 65427

Kuvio 6b esittää sivukuvantona kuvion 6a mukaista antenni-ryhmää .

Kuvio 7 esittää kuvion 6b mukaista antenniryhmää täydennettynä matemaattisilla määritelmillä.

Kuvio 8 esittää kuvioiden 6a ja 6b mukaista anturia yhäältä katsottuna ja täydennettynä matemaattisilla määritelmillä.

Kuvio 9 esittää matemaattista mallia antennikentän kallistuksesta.

Kuvio 10 esittää yksityiskohtaisena lohkokaaviona kuvion 4 mukaista suuntimoa.

Kuvio 11 esittää perspektiivikuvantona keksinnön mukaiseen ratkaisuun soveltuvaa, tunnettuun tekniikkaan kuuluvaa kulma-heijastusantennia ja sen koordinaattisysteemiä.

Kuvio 12 esittää taulukkona kuvion 11 mukaisen antennin suuntakuvioita.

Kuvion 1 mukaisesti keksinnön mukainen suuntimo käsittää rungon 1, joka prototyyppiasteella on ollut tavarankulje-tuskontti. Runkona 1 voi myös toimia paketti- tai kuorma-auton lavalle asennettu rakennelma tai mahdollisesti vesillä liikkuva alus. Antennirakennelma on kiinnitetty oleellisesti horisontaalitasossa pyörivään levyyn 2. Antennirakennelman runko 3 on V-kirjaimen muotoinen. Runko 3 on alaosastaan jäykästi kiinnitetty levyn 2 pyörimiskeskipisteeseen. Runko ; . : 3 on myös kallistettu taaksepäin n. 45°. Pitkät yläantennit 5 on asennettu V-sakaroiden kärkiin rungon 3 yläpinnalle. V-sakaroiden yhtymäpisteeseen on asennettu yksi lyhyt ala-] antenni 6 ja tämän yläpuolelle molempiin v-sakaroihin toiset ala-antennit 4. Yläantennit 5 ovat suuntaavampia kuin ala-antennit 4 ja 6 ja suunnatut lähemmäksi horisonttia kuin ala-antennit. Kaikki antennit ovat rungon 3 yläpinnalla.

9 85427

Tarkka suunta sondiin voidaan määrätä kolmella antennilla. Määritys toimii, jos kunkin antennin suuntakuvio kattaa tutkittavan avaruuskulman. Interferometrin antennit ovat liikkumattomia, joten vaihtoehdoksi jää vain maatasoantenni.

Jos antenniryhmästä tehdään käännettävä, se voi olla suuntaava. Suuntaavuudesta on hyötyä häiriöiden vähentämisen kannalta. Lisäksi prototyypin käyttämällä 1680 MHz:n kaistalla GP-antennin sieppauspinta-ala on liian pieni, sillä antennivahvistusta tarvitaan yli lOdB.

Jos vaadittavat kolme antennielementtiä asetetaan mittaamaan suoraan vaaka- ja pystysuuntaisia vaihe-eroja L-muotoiseen ryhmään, joudutaan rakenteellisiin vaikeuksiin epäsymmetri-syyden takia. Ryhmään voidaan lisätä neljäs antenni (ylösalainen T-muoto), jolloin siitä tulee symmetrinen, mutta tämä nostaa hintaa. V-muotoinen ryhmä ei sisällä ylimääräisiä elementtejä, mutta on silti symmetrinen. Lisäksi pystysuunnassa mittaavat antennit ovat eri tasossa polarisaatio-suunnassa, joten ne eivät häiritse toisiaan yhtä paljon, kuin L-muodossa. V voi olla myös ylösalaisin.

Suuntaus tehdään keksinnön mukaisesti siten, että vain atsi-muuttisuunnassa tapahtuu mekaanista liikettä, elevaatio mitataan antennielementtien keskinäisistä vaihe-eroista. Tarkoitusta varten antennielementtien kiinnitystasoa kallistetaan esim. kuvion 2a mukaisesti 45°, joten vaihe-eroa säätämällä voidaan peittää koko tarvittava elevaatio-alue. Elementtien väli voi kuvion 2b mukaisesti olla yli puoli aallonpituutta, sillä elevaation yksikäsitteisyys hoidetaan laskennallisesti.

Antennielementin on otettava vastaan signaalia ±30“ keskiviivan molemmin puolin. Zeniitissä sondi on sen verran lähellä, että suuntavahvistusta ei juuri tarvita ja horisontissa tulee muitakin ongelmia kuin kuuluvuus. Suuntavahvis- 10 8 5 427 tuksen tulisi olla yli lOdB. Etu/takasuhde ei ole kovin tärkeä, koska antennit on kallistettu siten, että takasuunta on maahan päin.

Nämä vaatimukset voidaan toteuttaa esimerkiksi yagi-antennilla, jossa on 5 - 7 sauvaa. Impedanssikin on sovitettavissa 50 ohmiin.

Anturin suuntakuviolta vaaditaan laajaa keilaa sähköisesti ohjattavassa suunnassa (elevaatio), keilan on katettava koko kiinnostava alue. Keila saa olla kapea mekaanisesti käännettävässä suunnassa (atsimuutti), jossa rajan asettavat vain mekaniikan tarkkuus ja kohteen kulmaliikkeen nopeus.

Paras tapa toteuttaa suuntakuvio radioantennilla on kulma-heijastinantenni (corner reflector), jollainen koordinaatti-systeemeineen on esitetty kuviossa 11, joka samoin kuin kuvio 12 ovat peräisin kirjasta Johnson-Jasik: Antenna Engineering Handbook. Tällaisella antennilla on säännöllinen pääkeila ja vain vähäiset sivukeilat. Kuviosta 12 havaitaan käyttökelpoisiksi etenkin 60° heijastin, jossa elementti on 0,8 aallonpituuden etäisyydellä heijastimen nurkasta, jolloin suuntakuviolla on maksimi sekä matalilla (sondi kaukana) että korkeilla (sondin suuntakuvio huono) elevaatioilla. Antennielementtejähän on kallistettu 45°. Pystypolaroidulla lähetteellä sähkökenttä (E-taso) on elevaation ja magneetti-: kenttä (H-taso) atsimuutin suunnassa.

Tarkkuus jolla elevaatio mitataan on riippuvainen signaa-li/kohinasuhteesta ja mittauskannan tehollisesta pituudesta. Jos SNR (Signal to Noise Ratio) 20dB (eli 1/100), voidaan antennielementtien välinen vaihe-ero mitata 360"/100 * 7? = 5,1" tarkkuudella. Yhden aallonpituuden mittaisella kannalla saadaan suuntaustarkkuudeksi 5,le/360e = 0,014 rad = 0,81°.

Jos vaaditaan vähintään 0,1* tarkkuutta elevaatiolle, on kannan pituuden oltava vähintään 8,1 aallonpituutta, eli li 6 5427 l,45m. Kun antennit on asennettu 45° kallistukseen ja tasa-sivuisen kolmion muotoon, saadaan kolmion sivun pituudeksi 15° elevaatiolla 1,45 m * (4/3) = 1,93 m.

SNR:ää voidaan parantaa laskennallisin keinoin tekemällä useita mittauksia, joista lasketaan keskiarvo. Mikäli SNR on esimerkiksi 30 dB, saadaan kahden metrin sarvilla tarkkuudeksi 0,01°.

Käytännössä ei antennielementtejä voi asentaa kahden metrin päähän toisistaan, sillä elevaation yksikäsitteisyys jää ratkaisematta. Voidaan kuitenkin käyttää useita antenneja kuvion 1 mukaisesti siten, että antennikolmion alimmassa kärjessä on kolme laajakulmaisempaa yagia parin aallonpituuden päässä toisistaan ja sarvien päässä on kaksi kapeakei-laista yagia.

Kapeakeilaisten yagien käyttö tuo mukanaan pari lisäetua, ensinnäkin niiden suuntakuvio on erilainen leveäkeilaisiin nähden, joten eri elementtien vastaanottamien amplitudien suhteesta voidaan päätellä karkea elevaatio. Ylempien yagien 5 keila B suunnataan esimerkiksi 30° horisontin yläpuolelle kuvioiden 3a ja 3b mukaisesti, joten amplitudisuhteet ovat yksikäsitteisiä. Alempien yagien 6 keila B suuntautuu korkeammalle, n. 45° horisontin yläpuolelle. Alemmat yagit 4,6 ovat antennirunkoon 3 nähden kohtisuorassa suunnassa.

Toinen saavutettava etu on parantunut antennivahvistus. Kapeat yagit voivat kuunnella n. ±20e kulmaa, joten ne ovat ainakin 15 sauvan antenneja. Antennivahvistus lähentelee 20dB:ä. Antennin pituus jää alle metrin vielä 22 sauvallakin, joten elementtien suuntaavuutta rajoittaa vain tarvittava kaistanleveys. Kolmas etu on maaheijastusten vaimeneminen .

Sondin suunta selviää esimerkiksi kuvion 1 mukaisella laitteistolla seuraavien vaiheiden kautta: i2 85427

Atsimuutti: - pyöräytä antennia koko ympyrä ja seuraa kentänvoimakkuutta nolla-antennilla, joksi voidaan määritellä esim. antenni 6, - säädä antenniryhmä suurimman kentän suuntaan karkean at-simuutin määrittämiseksi, - säädä antenniryhmää, kunnes lähiantennit 4 vastaanottavat saman vaiheen, - samat menetelmävaiheet kaukoantenneille 5 Elevaatio: - mittaa lähi- 4 ja kaukoantennien 5 kentänvoimakkuuksien suhde, - katso taulukosta karkea elevaatio, - mittaa vaihe-ero pystysuunnassa lähiantenneista 4, 6 ja laske siitä elevaatio, - samat menetelmävaiheet kaukoantenneille 5.

Lohkokaavio, joka toteuttaa edellämainitut operaatiot on esitetty kuviossa 4. Lohkokaaviota selitetään täsmällisemmin kuvion 10 yhteydessä.

Suuntakulman laskenta kuvion 5 mukaisella laitteistolla tapahtuu seuraavasti:

Oletetaan, että kohde on niin kaukana, että siitä antenneihin tuleva aaltorintama on tasomainen, eli etäisyydelle R pätee i3 8 5427 (1) R > D2/L = 22,5m missä D = 2m on antennin apertuuri ja L = 0,178 m on signaalin aallonpituus. Käytännössä R on useita kilometrejä, joten ehto (1) toteutuu varmasti.

Nollaksi määriteltyyn antennielementtiin verrattuna on kunkin elementin m mittaamalle vaiheelle 0m lausuttavissa (2a) k (A, E) * (Zj^/L) = 0m/2n + Nm missä k on sondiin suunnattu yksikkövektori, elementin sijainti mitattuna nollaelementistä, ja Nm on kokonaisluku, k voidaan ilmaista atsimuutin ja elevaation avulla (2b) k(A,E) = (cosE sinA, cosE cosA, sinE)

Suuntakulmat A ja E voidaan ratkaista yhtälöistä (2), kun yksikäsitteisyysvakiot Nm tunnetaan, mutta ratkaisu on suoritettava numeerisesti.

- : yleistä ratkaisua (2) voidaan helpottaa, jos oletetaan an- ... tenniryhmästä tiettyjä yksinkertaistavia asioita. Ensinnäkin I . oletetaan, että antenni kääntyy sondin suuntaan, ja siinä on elevaatiosuunnassa todelliset tai lasketut elementit, joiden vastaanottama vaihe ei oleellisesti riipu atsimuutis-ta. Elevaatio voidaan silloin ratkaista tietämättä atsimuut-tia.

Oletetaan lisäksi, että antenniryhmä on atsimuutin suhteen symmetrinen, jolloin elevaation vaikutus atsimuuttiin on esitettävissä yksinkertaisesti. Antenniryhmä voidaan toteuttaa esimerkiksi kuvioiden 6a ja 6b mukaisesti.

Antennielementin 21 ja elementtien 22 ja 23 keskiarvon väliseksi vaihe-eroksi saadaan kuviosta 7 I4 85427 (3) «E - (Slnz De/L) 2π - Ν*2π missä "zeniittikulma" Z = 90" - E - K ja N on toistaiseksi tuntematon kokonaisluku. Ratkaisemalla (3) E:n suhteen saadaan

(4) E = arccos( L/Dg (0g/2π + N) ) - K

Atsimuuttisuunnassa antenni on suunnattu sondiin, joten ensimmäisenä approksimaationa suunta saadaan anturilta. Todellisuudessa ei suuntaus ole tarkka, vaan siinä esiintyy kuvion 8 mukainen pieni poikkeama.

Poikkeaman aiheuttama vaihe-ero voidaan kirjoittaa (5) ®A = ®2 “ ®3 + 2π (n2 - n3)

Jos poikkeama oletetaan pieneksi, voidaan merkitä N2 = N3, joten atsimuutin poikkeamalle A saadaan

(6) sinA = 0^/2π L/D

missä D on elementtien 22 ja 23 etäisyys atsimuuttisuunnassa. Kun antenni oletetaan symmetriseksi atsimuutin suunnassa, voidaan D lausua

(7) D = cosE cosZ

Olettamalla A pieneksi voidaan kaavat (6 ja 7) yksinkertaistaa, (8) cosA s 1/(1 + A2/2) ja sinA s A joten A voidaan laskea kahdessa vaiheessa

(9) Ai = 0^/2π L/D^cosZ

A2 = Ai (1 + Ai2/2) is 85427

Jos A halutaan tietää ±0.01° = ±0.000175rad tarkkuudella, voidaan käyttää approksimaatiota A = Ai, jos (10) | Ai3/2 | < 0.000175 = = > | Aj_ | < 4°

Elevaation ratkaisua (4) johdettaessa oletettiin, että at-simuutin suuntaus on tarkka, eli A = 0. Epäideaalisessa tapauksessa voidaan elevaatioon syntynyt virhe laskea kahdessa osassa.

Elevaation laskentaan käytetty kanta D ei olekaan oikean pituinen, jos atsimuutti poikkeaa nollasta. Todellisuudessa näkyvä pituus on (11) D' = DgeosA.

Vastaavasti antennikentän kallistus K on erilainen kuvion 9 mukaisesti.

Kallistusvirheelle voidaan kirjoittaa

(12) tan(K') = tanK/cosA

Poikkeamaa voidaan approksimoida pienellä A arvolla (13) K' - K = A2/4

Elevaation tarkemmaksi lausekkeeksi saadaan siten (14) E = arcCOS( L/DeCOSA (0ε/2τγ + N) ) - K - A2/4 Tämän tarkennus vaikuttaa atsimuuttiin (9), mutta muutos on vähäinen, joten (9) ja (14) toistaminen silmukassa suppenee nopeasti.

Kuvio 10 esittää vastaanotin- ja mittauslaitteiston rakennetta lohkokaaviotasolla. Laitteisto on suunniteltu 1680 MHz:n 16 8 5427 radiosondeille, jolloin tarvittava taajuusalue on 1660...

1700 MHz. Laitteistoon kuuluu kaksi lähes identtistä kaksois-superheterodyne-vastaanotinta, vastaanottimet 11 ja 12 (vrt. kuvio 4). Vastaanottimeen 12 tulee signaali antennikentän ulkoisesta referenssiantennista 10 ja vastaanottimeen 11 vuorotellen kaikista varsinaisen antennikentän AK antenneista valinnan suorittavan antennikytkimen 10a ohjauksen mukaisesti .

Vastaanottimien 11 ja 12 etuasteet 32 ja 33 muodostuvat 1680 MHz:n kaistanpäästösuodattimesta, jonka kaistanleveys kattaa koko taajuusalueeen 1660...1700 MHZ, ja vahvistimesta. Vahvistettu ja suodatettu radiotaajuussignaali sekoitetaan dio-disekoittajalla 34 ja 35 ensimmäisen paikallisoskillaattorin 66 ja signaalin 1590...1630 MHz kanssa, jolloin saadaan 70 MHz:n ensimmäinen välitaajuus. Molemmat vastaanottimet 11 ja 12 käyttävät yhteistä paikallisoskillaattoria 13a, josta signaali otetaan haaroittimella 67. Ensimmäinen välitaajuus suodatetaan ja vahvistetaan ensimmäisessä välitaajuusastees-sa 36 ja 37 ja viedään toiseen sekoittajaan 38 ja 39. Vastaanottimen 11 toinen paikallisoskillaattorisignaali tulee kiinteästä 59,3 MHz:n kideoskillaattorista 50. Vastaanottimen 11 toinen paikallisoskillaattorisignaali saadaan jänni-teohjatusta kideoskillaattorista 51, joka on vaihelukittu toisen oskillaattorin 50 signaaliin siten, että lähtötaajuus on tarkasti erillisen referenssioskillaattorin 52 määräämän taajuuden Af = 2,4 kHz verran pienempi. Toisesta sekoittajasta 38, 39 saatava 10,7 MHz:n välitaajuussignaali suodatetaan ja vahvistetaan toisessa välitaajuusasteessa 42 ja 43.

Vastaanottimen 12 toinen välitaajuussignaali sisältää myös sondin 31 lähettimen tiedot ilmanpaineesta, kosteudesta ja lämpötilasta eli ns. PTU-signaalin, joka viedään omaan ilmaisimeensa edelleen käsiteltäväksi. Vastaanottimen 11 toinen välitaajuussignaali viedään tuloilmaisimeen 46, jonka toiseen tuloon tulee vastaanottimen 12 toinen välitaajuus- i7 85427 signaali rajoittajan 44 avulla vakiotasoiseksi leikattuna. Tulollmaisimesta 46 saadaan vastaanottimien toisten välitaa-juuksien erotus £3 kaistanpäästösuodattimella.

Kuviossa 10 esitetyt taajuusmerkinnät tarkoittavat seuraa-vaa: fo = tulevan signaalin taajuus fl = ensimmäinen välitaajuus f2i = toinen välitaajuus vastaanottimessa 11 f22 = toinen välitaajuus vastaanottimessa 12 f3 = ilmaistun signaalin taajuus fLl = ensimmäisen paikallisoskillaattorin taajuus ^L2 = toisen paikallisoskillaattorin taajuus

Af = referenssitaajuus

Kuvion 4 edellä määriteltyjä merkintöjä käyttäen on £3 = f21 - f22' toisaalta f22 = fo ~ fLl ~ fL2 Da f21 = f0 - fLl “ (fL2 - Af). Sijoittamalla jälkimmäiset edelliseen saadaan £3 = Af. Erotustaajuus on siis referenssitaajuuden Af suuruinen riippumatta tulosignaalin taajuudesta fo ja paikallisoskillaattorisignaalien taajuuksista f^i ja f£2· Erotustaajuus sisältää kuitenkin saman amplitudi-informaation kuin vastaanottimeen 11 tuleva signaali ja sen vaihe-ero re-ferenssitaajuussignaaliin Af on suoraan verrannollinen vaihe-eroon ulkoisen referenssiantennin ja kulloinkin antennikyt-kimellä 10a valitun antennin l...n signaalien välillä. Näin mittaustulokseen ei vaikuta paikallisoskillaattorien taajuuksien fLi ja fL2 ryömintä.

Vastaanottimen 12 automaattinen vahvistuksen säätö (AVS) on toteutettu siten, että sen toisesta välitaajuussignaalista otetaan näyte AVS-ilmaisimella 45, josta saatava jännite säätää etuasteen 32 ja toisen välitaajuusasteen 42 vahvistusta pitäen välitaajuussignaalin amplitudin vakiona. Vastaanotin 11 poikkeaa edellisestä AVS-ilmaisimen 47 osalta, 18 85427 joka ottaa näytteen ilmaistun signaalin amplitudista. AVS-ilmaisin 47 on lisäksi avainnettu ohjaussignaalin avulla siten, että näyte otetaan vain kun antennikytkimellä 10a on valittu sisäinen referenssiantenni n ja AVS-jännite pidetään samana muiden antennien ollessa valittuna. Muiden antennien signaalien voimakkuus ei siten vaikuta AVS-jännitteeseen.

Ohjaus- ja mittausprosessori 60 huolehtii toiminnan ajoituksesta ja antaa vaiheen ja amplitudin mittauspiireille 17 ja 18 näytteenottokomennot, jolloin ne suorittavat ilmaistun signaalin mittauksen. Vaihe-ero mitataan 2,4 kHz:n referenssi-signaaliin nähden digitaalisella kytkennällä ja amplitudin mittaus tapahtuu nopealla huippuarvotasasuuntaajalla.

Antennin valintakytkintä 10a ohjataan siten, että varsinaisen antennikentän antennit l...n kierretään järjestyksessä läpi ja jokaisen antennin mittauksen välillä mitataan sisäisen referenssiantennin signaali, jotta referenssiantennin n signaalista saadaan näyte mahdollisimman pian kunkin muun antennin l...n-l mittauksen jälkeen. Tällöin kulkuaikojen yms. tekijöiden ryöminnästä aiheutuva vaihevirhe jää mahdollisimman vähäiseksi. Mittaussekvenssi on siis l,n, 2,n, 3,n... ja mittauksia suoritetaan useita kertoja peräkkäin. Mittaussarja toistetaan aina esim. sekunnin välein ja tulos saadaan näin usean mittauksen keskiarvona. Yhden antennin mittaus tapahtuu n. 2,5 ms:n aikana.

Ohjaus- ja mittausprossessori 60 muuttaa vaiheen ja amplitudin mittaustulokset digitaalisiksi ja syöttää ne sarjakana-van 62 kautta kulmienlaskentaprosessorille 61, joka laskee niistä atsimuutin ja elevaation.

Claims (7)

1. Laitteisto kohteen atsimuutin ja elevaation määrittämiseksi, joka laitteisto käsittää - alustarakenteen (1), - alustarakenteeseen (1) sovitetun, oleellisesti horisontaalitasossa kierrettävissä olevan alusta-levyn (2), - alustalevyyn (2) yhdistetyn anturirungon (3), - vähintään kolme anturirunkoon kiinnitettyä anturielementtiä (4, 5, 6), ja - anturielementtejä (4, 5, 6) ohjaavan elektro-niikkayksikön, jolla anturien vastaanottamat signaalit ovat käsiteltävissä, tunnettu siitä, että - anturirunko (3) on jäykästi kiinnitetty alusta-levyyn (2), ja - anturielementtien (4, 5, 6) suuntakuvio on sellainen, että se kattaa elevaatiosuunnassa koko tutkittavan kulman ja atsimuuttisuunnassa oleellisesti kapeamman kulman.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnet-t u siitä, että anturirunko (3) on kallistettu taaksepäin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, t u n - n e t t u siitä, että anturirunko (3) on kallistettu taaksepäin 40® - 50®, sopivimmin n. 45®. 20 8 5 427

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että anturielementit (4, 5, 6) ovat suuntakuvioiltaan selvästi kahta eri tyyppiä.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että anturirunko (3) on v-muotoinen ja symmetrinen atsimuutin suhteen ja suuntakuvioiltaan kapeimmat anturielementit (5) on kiinnitetty anturirungon (3) yläpäähän ja suuntakuvioltaan leveimmät anturielementit (4, 6. on kiinnitetty anturirungon (3) alapäähän siten, että ka-peakeilaiset anturielementit (5) on suunnattu lähemmäksi horisonttia kuin leveäkeilaiset elementit (4, 6).

6. Menetelmä atsimuutin ja elevaation määrittämiseksi ainakin kolme anturielementtiä (4, 5, 6) käsittävällä suuntimol-la, jossa menetelmässä - anturielementtejä (4, 5, 6) pyöritetään atsi-muuttisuunnassa, - mitataan antureilla (4, 5, 6) kentänvoimakkuut- ·· ta, ja ·.: - säädetään anturit (4, 5, 6) suurimman kentänvoi makkuuden suuntaan atsimuutin alustavaksi määrittämiseksi, tunnettu siitä, että - atsimuutin tarkka arvo määritetään vaihe-eromittauksen avulla, - elevaatiosuunnassa käytetään ainakin kahta suuntakuvioiltaan selvästi poikkeavaa anturityyppiä (4, 6 ja 5), 2i 85427 - mitataan eri anturityyppien (4, 6 ja 5) kentänvoimakkuuksien suhde, jonka perusteella määritetään karkea elevaatio, ja - mitataan anturien vaihe-ero pystysuunnassa ja lasketaan siitä tarkempi elevaatio.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että elevaatiosuunnassa tapahtuvaa mittausta varten käytetään suuntakuvioiltaan kapeita anturielementtejä (5) anturirungon (3) yläpäässä ja suuntakuvioltaan leveitä anturielementtejä (4, 6) anturirungon (3) alapäässä siten, että kapeakeilaiset anturielementit (5) suunnataan lähemmäksi horisonttia kuin leveäkeilaiset elementit (4, 6). 22. b 4 2 7