RU2018864C1 - Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов - Google Patents
Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2018864C1 RU2018864C1 SU5051602A RU2018864C1 RU 2018864 C1 RU2018864 C1 RU 2018864C1 SU 5051602 A SU5051602 A SU 5051602A RU 2018864 C1 RU2018864 C1 RU 2018864C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- phase
- frequency
- modulation
- range
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Использование: радиолокационные устройства одновременного измерения составляющих вектора скорости и высоты для вертолетов и космических аппаратов. Сущность изобретения: цель облучают частотно-модулированным (ЧМ) сигналом, при этом модуляцию сигнала осуществляют сигналом, непрерывно изменяющимся по частоте по ступенчато-пилообразному закону с заданной величиной скачка частоты на ступеньку, и длительностью ступеньки с возможностью измерения фазы на ней. По измеренным значениям фазы и скачкам фазы от ступеньки к ступеньке определяют дальность, при этом обеспечивается ликвидация высотных провалов, возникающих при использовании ЧМ с высокой частотой модуляции. 1 ил.
Description
Изобретение относится к автономным навигационным устройствам для летательных аппаратов, в частности к радиолокационным устройствам одновременного измерения составляющих вектора скорости и высоты для вертолетов и космических аппаратов.
Известны доплеровские измерители скорости (ДИСС) со встроенными различного типа каналами измерения дальности по лучам антенны, высоты и местной вертикали. Journal of the Institute of Navigation (G.B.) 1960, 1, V.13, N 1, р.96-98; Journal of the Institute of Navigation (G.B.) 1966, 1, V.29, N 1, р.75-77.
К недостаткам известных систем следует отнести ограниченность измерения дальности и высоты, а также необходимость внешнего сигнала для переключения режима "с вобуляцией" или "без вобуляции", т.е. необходим отдельный высотомер.
Известен способ определения дальности в доплеровских измерителях скорости, высоты и местной вертикали ДИССВ, обеспечивающий выполнение всех указанных функций в ограниченном диапазоне высот (порядка до 1000 м), а измерение скоростей - до высот, определяемых энергетическим потенциалом.
К недостаткам такого способа относится необходимость на борту летательного аппарата отдельного высотомера для работы на больших высотах и для переключения режима работы (включение-выключение) "вобуляции"), что делает устройство неавтономным, усложняет взаимодействие аппаратуры, увеличивает общий вес аппаратуры и усложняет взаимодействие при перевозке грузов на внешней подвеске на больших высотах.
Целью изобретения является обеспечение высокой точности измерения углов наклона местной вертикали (дальностей по лучам антенны) на малых высотах с одновременным обеспечением измерения дальностей в лучах антенны, высоты и других данных на больших высотах, в том числе и при полетах с грузом на подвеске, с сохранением энергетических характеристик по измерению скоростей на уровне ДИСС с ЧМ, не имеющих измерителей дальностей.
Предлагаемое техническое решение - вобуляция частоты модулирующего сигнала по ступенчато-пилообразному закону, обеспечивает ликвидацию так называемых высотных провалов, возникающих при использовании ЧМ с высокой частотой модуляции для получения точности при измерении дальностей по лучам антенны на малых высотах, а также позволяет измерять большие дальности, превышающие 1/2 ТмС (где С - скорость света, Тм - период модулирующей частоты) с достаточно высокой точностью, а также ликвидировать отдельный высотомер.
Появление фазовой ошибки в тракте приемника на разных модулирующих частотах предлагается компенсировать либо с помощью специального фильтра, имеющего частотно-фазовые характеристики, аналогичные приемнику, либо введением сигнала калибровки для всего набора модулирующих частот.
На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа.
СВЧ-генератор 1 является источником излучаемой мощности. Фидерный тракт 2 обеспечивает канализацию СВЧ-мощности к антенне, распределение ее по лучам, а также канализацию отраженной мощности к приемнику. Антенна 3 обеспечивает излучение и прием по 3-4 лучам сигналов в направлении к земной поверхности. Генератор синусоидального модулирующего сигнала 4 обеспечивает частотную модуляцию сигнала СВЧ-генератора с одновременным созданием опорного сигнала для приемника.
Блок управления частотой модулирующего сигнала 5 предназначен для обеспечения изменения частоты модуляции в соответствии с принятым законом вобуляции в виде ступенчато-пилообразной функции либо "без вобуляции" по сигналу из вычислителя высоты. Синхронизатор 6 предназначен для привязки сигналов модуляции, вобуляции с точностью до фазы и выдачи синхросигналов в устройство обработки и вычислитель. Приемник 7 на промежуточной частоте, соответствующей первой гармонике частоты модуляции, выполнен по схеме, обеспечивающей с помощью квадратурных преобразований сигнала выделение сигналов доплеровской частоты с учетом знака и выделения запаздывания фазы отраженного сигнала на частоте модуляции.
Измеритель доплеровских частот 8 обеспечивает фильтрацию доплеровского сигнала и преобразование значения частоты в код. Измеритель фазы 9 задержанного сигнала обеспечивает измерение фазы отраженного сигнала на интервале длительностью одной ступеньки (интервала постоянства частоты модуляции) и выдает ее значение в виде кода. Вычислитель 10 выполнен на основе ЭВМ и обеспечивает вычисление составляющих скорости по частотам в лучах антенны, вычисление дальностей по измеренным запаздываниям фазы как в режиме "без вобуляции" для малых высот, так и для режима "с вобуляцией" для работы на больших высотах.
На основе измеренных значений дальностей в лучах антенны определяется высота и углы местной вертикали. Фильтр 11 опорного сигнала модуляции обеспечивает сдвиг фазы опорного сигнала в соответствии с запаздыванием фазы отраженного сигнала в тракте приемника на разных частотах модуляции с целью компенсации фазовой ошибки в приемнике.
Предлагаемый ДИССВ работает следующим образом.
Сигнал СВЧ-ЧМ генератора 1 через фидерное устройство 2 поступает в антенну 3 и излучается по направлению к земле по трем (четырем) лучам.
Отраженный от земной поверхности сигнал в каждом из лучей антенны через фидерный тракт направляется в приемник 7. Отраженный сигнал вследствие наличия скорости смещен по частоте, а также задержан за счет времени распространения по отношению к излученному сигналу.
В качестве гетеродинного сигнала используется часть мощности передатчика, которая предварительно преобразуется в два сигнала, сдвинутые по фазе на π/2.
Отраженный сигнал преобразуется в два сигнала на первой гармонике частоты модуляции.
В приемнике 7 осуществляется предварительная обработка сигнала, обеспечивающая разделение положительных и отрицательных доплеровских частот при сохранении фазы отраженного сигнала на первой гармонике частоты модуляции, сравнением с фазой опорного модулирующего сигнала, подаваемого через фильтр 11 от генератора модулирующего сигнала, выделение доплеровской частоты для измерения скорости и фазы отраженного сигнала на частоте модуляции, перенесенной на низкую частоту, как фазовую задержку очень низкой частоты относительно сигнала той же частоты, жестко связанной синхросигналами от синхронизатора 6 с модулирующим сигналом и ступеньками "вобуляции" частоты модулирующего сигнала.
Выходные сигналы по доплеровской частоте с учетом знака ее поступают в измеритель доплеровской частоты 8, обеспечивающий измерение доплеровской частоты и выдачу ее значения в виде кода в вычислитель 10, в котором вычисляются составляющие вектора скорости полета.
В свою очередь, выходной сигнал приемника на низкой частоте, сдвинутый по фазе относительно опорного низкочастотного сигнала, поступает в измеритель фазы задержанного сигнала 9, в котором осуществляется измерение фазы задержанного сигнала цифровым методом с фильтрацией при работе "без вобуляции" и с обеспечением измерения величины запаздывания фазы для каждой из значений модулирующей частоты при "вобуляции".
Измеренные значения фазы задержанного сигнала поступают в вычислитель 10, в котором на основании измеренных значений запаздывания фазы отраженного сигнала происходит вычисление значений дальностей земной поверхности по лучам антенны, высоты и местной вертикали.
Вычисление значений дальностей на основе измерения фазы задержанного сигнала в предложенном ДИССВ происходит следующим образом.
Выходной сигнал приемника для определения фазы отраженного сигнала определяется выражением
U(t)=A cos[Ω t- ωм(tотр+tг), (1) где А - амплитуда сигнала;
Ω - круговая частота сигнала на выходе приемника;
tотр - время задержки сигнала за счет распространения до земли и обратно;
tг - время задержки сигнала гетеродина;
ωм - круговая частота модулирующего сигнала.
U(t)=A cos[Ω t- ωм(tотр+tг), (1) где А - амплитуда сигнала;
Ω - круговая частота сигнала на выходе приемника;
tотр - время задержки сигнала за счет распространения до земли и обратно;
tг - время задержки сигнала гетеродина;
ωм - круговая частота модулирующего сигнала.
Фаза ωмtотр определяет дальность, которая может быть однозначно определена лишь при
ωмtотр<2π (2)
На интервале высот, соответствующих дальностям по лучам антенны, удовлетворяющим выражению (2) с 20-30%-ным запасом, ДИССВ работает без вобуляции модулирующей частоты.
ωмtотр<2π (2)
На интервале высот, соответствующих дальностям по лучам антенны, удовлетворяющим выражению (2) с 20-30%-ным запасом, ДИССВ работает без вобуляции модулирующей частоты.
При этом измеритель фазы работает тактами длительностью 2-4 периода низкой частоты Ω, в которых сравнивается опорная фаза сигнала, запомненная в цифровом фазовращателе, с фазой сигнала на входе измерителя.
По достижении установленной высоты включается режим "вобуляции", при котором устройство управления частотой модулирующего сигнала начинает менять частоту модуляции по ступенчато-пилообразному закону.
При этом имеется место следующее: на каждой из ступенек осуществляется измерение приращения фазы относительно фазы, измеренной в предыдущем цикле (на предыдущей ступеньке).
На интервале дальностей, удовлетворяющих выражению (2), приращения фазы, вызванные переходом к другой частоте модуляции, пропорциональны приращению частоты модулирующего сигнала, т.е., если при ступенчатой вобуляции приращение частоты от ступеньки к ступеньке происходит на 10%, то и приращение фазы от ступеньки к ступеньке в этой зоне дальностей будет также на 10%.
На дальностях, соответствующих ωмtотр<2π (зона неоднозначности дальности от фазы), приращение фазы при измерении на разных частотах модуляции (в режиме "с вобуляцией") в основном определяется числом периодов модулирующей частоты, укладывающихся на интервале времени распространения сигнала
Δφi= K2Π+Δαi, (3) где - отношение приращения частоты модуляции к частоте модуляции;
К - количество целых периодов частоты ωмi, укладывающихся на интервале времени распространения;
Δαi - приращение фазы, пропорциональное приращению частоты, на интервале дальностей зависимости (2).
Δφi= K2Π+Δαi, (3) где - отношение приращения частоты модуляции к частоте модуляции;
К - количество целых периодов частоты ωмi, укладывающихся на интервале времени распространения;
Δαi - приращение фазы, пропорциональное приращению частоты, на интервале дальностей зависимости (2).
Поскольку значения Δ ωi и ωмi от ступеньки к ступеньке известны, то по скачкам фазы вычислитель легко определяет величину К как целое выражение
K= , (4) где Δ φi+1 - приращение фазы от одной ступеньки к другой;
2Π - скачок приращения фазы на величину дальности, соответствующей одному периоду частоты модуляции.
K= , (4) где Δ φi+1 - приращение фазы от одной ступеньки к другой;
2Π - скачок приращения фазы на величину дальности, соответствующей одному периоду частоты модуляции.
При этом при наличии так называемых высотных провалов и потерях сигнала возможно измерение приращений фазы относительно любых ступенек, не расположенных рядом.
Вычисление дальности происходит по формуле
R= + KC, (5) где φмi - фаза, измеренная на частоте i-й ступеньки;
ωмi - круговая частота модулирующего сигнала для i-й ступеньки;
С - скорость света.
R= + KC, (5) где φмi - фаза, измеренная на частоте i-й ступеньки;
ωмi - круговая частота модулирующего сигнала для i-й ступеньки;
С - скорость света.
По полученным значениям дальностей по лучам антенны легко вычисляется высота полета либо по данным от всех лучей, либо для режима с грузом на подвеске только по двум лучам.
Использование изобретения позволяет при сохранении общей схемы построения ДИСС с ЧМ для вертолетов обеспечить измерение высоты в широком диапазоне высот с сохранением высокой точности измерения местной вертикали для осуществления слепой посадки любых летательных аппаратов, а также измерение высоты при наличии подвески груза.
Claims (1)
- СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, заключающийся в том, что цель (отражающую поверхность) облучают частотно-модулированным сигналом, принимают отраженный сигнал, измеряют фазу отраженного сигнала на частоте модуляции относительно фазы излученного сигнала, по измеренной величине определяют дальность до цели (отражающей поверхность), отличающийся тем, что частотную модуляцию сигнала, облучающего цель (отражающую поверхность), осуществляют сигналом с изменяющейся по ступенчатопилообразному закону частотой с известной величиной скачка частоты от ступеньки к ступеньке, а в принятом сигнале на каждой ступеньке измеряют сдвиг фазы φмi , отраженного от цели (отражающей поверхности) сигнала на частоте модуляции относительно фазы излученного сигнала и приращение фазы Δ φi+1 от ступеньки к ступеньке, по значению сдвига фазы φмi на интервале ступеньки постоянства частоты модуляции wмi определяют дальность Ri в пределах однозначности дальности от фазы по формуле
Ri = φмi˙c / 2wмi ,
где c - скорость света,
а по величине приращения сдвига фазы от ступеньки к ступеньке Δ φi+1 определяют количество периодов K частоты модуляции wмi , укладывающихся на интервале времени распространения, и определяют дальность R, превышающую интервал однозначности по формуле
R = Ri + π Kc / wмi .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5051602 RU2018864C1 (ru) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5051602 RU2018864C1 (ru) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018864C1 true RU2018864C1 (ru) | 1994-08-30 |
Family
ID=21608947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5051602 RU2018864C1 (ru) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2018864C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550082C1 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и устройство радиовысотомера с непрерывным лчм сигналом, использующего способ |
RU2550081C2 (ru) * | 2013-09-30 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ |
RU2551896C2 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ |
RU2552515C2 (ru) * | 2013-09-30 | 2015-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и радиовысотомер с непрерывным лчм сигналом, использующий способ |
RU2555865C2 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-07-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и радиовысотомер с непрерывным лчм сигналом, использующий способ |
RU2625171C2 (ru) * | 2015-12-07 | 2017-07-12 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Система измерения дальности космического аппарата |
-
1992
- 1992-07-10 RU SU5051602 patent/RU2018864C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Journal of the Institute of Navigation (G.B.), 1966, I, Y.19, N 1, p.75-77. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550081C2 (ru) * | 2013-09-30 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ |
RU2552515C2 (ru) * | 2013-09-30 | 2015-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и радиовысотомер с непрерывным лчм сигналом, использующий способ |
RU2550082C1 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и устройство радиовысотомера с непрерывным лчм сигналом, использующего способ |
RU2551896C2 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ |
RU2555865C2 (ru) * | 2013-10-10 | 2015-07-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Способ измерения высоты и радиовысотомер с непрерывным лчм сигналом, использующий способ |
RU2625171C2 (ru) * | 2015-12-07 | 2017-07-12 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Система измерения дальности космического аппарата |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6111536A (en) | System and method for distance measurement by inphase and quadrature signals in a radio system | |
GB875369A (en) | Improvements in or relating to apparatus for a doppler radar system | |
US4599618A (en) | Nearest return tracking in an FMCW system | |
US4210399A (en) | System for relative motion detection between wave transmitter-receiver and irregular reflecting surface | |
US3838424A (en) | Microwave interference pattern sensor | |
RU2384861C1 (ru) | Устройство измерения параметров волнения | |
US3149330A (en) | Frequency modulated doppler radar system | |
RU2018864C1 (ru) | Способ определения дальности в доплеровских измерителях вектора скорости для летательных аппаратов | |
US3113308A (en) | Apparatus for measuring doppler frequency differences | |
US3713154A (en) | Radar | |
US4301455A (en) | Groundspeed measurement system | |
RU2083998C1 (ru) | Доплеровский измеритель составляющих вектора скорости, высоты и местной вертикали для вертолетов и космических аппаратов вертикальной посадки | |
Jha et al. | Ka-Band FMCW Radar Altimeter for Navigation | |
US2857590A (en) | Aircraft drift angle measuring instrument | |
US3339198A (en) | Terrain clearance measuring system and method | |
RU2662803C1 (ru) | Способ измерения путевой скорости и угла сноса летательного аппарата | |
US3239837A (en) | Frequency modulated range and velocity measuring instrument | |
RU2449311C1 (ru) | Способ дистанционного измерения скорости и направления ветра | |
US2865020A (en) | Aircraft vertical velocity and drift angle measuring system | |
Clegg et al. | Doppler navigation | |
US2923932A (en) | Stavisetal | |
US4151529A (en) | Radio beacon for aerial navigation system | |
RU2147136C1 (ru) | Вертолетная радиолокационная система | |
US3111667A (en) | Frequency modulated altimeter | |
US3898664A (en) | Landing system with variable angular elevation glide path |