RU2485538C1 - Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation - Google Patents
Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2485538C1 RU2485538C1 RU2011141232A RU2011141232A RU2485538C1 RU 2485538 C1 RU2485538 C1 RU 2485538C1 RU 2011141232 A RU2011141232 A RU 2011141232A RU 2011141232 A RU2011141232 A RU 2011141232A RU 2485538 C1 RU2485538 C1 RU 2485538C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plane
- polarization
- moving object
- output
- input
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000003595 spectral Effects 0.000 claims abstract description 13
- 210000000474 Heel Anatomy 0.000 claims description 13
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 claims description 10
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 4
- 210000003284 Horns Anatomy 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 210000002832 Shoulder Anatomy 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радионавигации и может использоваться, например, в пилотажно-навигационных системах ориентации летательного аппарата (ЛА) при его заходе на посадку по приборам.The invention relates to radio navigation and can be used, for example, in flight navigation systems for aircraft orientation (LA) when it approaches the instrument.
Известные способы и устройства измерения угла крена подвижного объекта основаны на использовании инерциальных систем навигации, в частности гироскопических систем ориентации [1-4]. Применительно к ЛА, таким инерциальным системам навигации присущ ряд недостатков. Во-первых, с течением времени происходит постоянное накапливание ошибки измерений и за один час полета она составляет величину единицы градусов [2, 3]. Во-вторых, если ЛА развивает значительные перегрузки, то происходит увеличение собственной скорости прецессии гироскопа, что в ряде случаев может привести к полной потере его работоспособности [2].Known methods and devices for measuring the roll angle of a moving object are based on the use of inertial navigation systems, in particular gyroscopic orientation systems [1-4]. With regard to aircraft, such inertial navigation systems have a number of disadvantages. First, over time, there is a constant accumulation of measurement errors and for one hour of flight it is a unit of degrees [2, 3]. Secondly, if the aircraft develops significant overloads, then there is an increase in the gyroscope’s own precession rate, which in some cases can lead to a complete loss of its operability [2].
Поскольку известные инерциальные средства измерения угла крена подвижного объекта основаны на другом физическом принципе, по сравнению с заявляемым, то они не могут рассматриваться в качестве аналогов, так как не имеют общих признаков.Since the known inertial means of measuring the roll angle of a moving object are based on a different physical principle, compared with the claimed one, they cannot be considered as analogues, since they do not have common features.
Известны способ измерения пеленга подвижного объекта и устройство для его реализации (патент СССР №1251003, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 29.01.85) [5].A known method of measuring the bearing of a moving object and a device for its implementation (USSR patent No. 1251003, Mcl 4 G01S, 3/02, priority from 01/29/85) [5].
Способ измерения пеленга подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами, расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На подвижном объекте принимают ортогонально поляризованные электромагнитные волны и измеряют разность фаз Δφ между ними. После чего определяют пеленг β подвижного объекта относительно нормали к середине линии, соединяющей точки излучений электромагнитных волн, по формуле:A method of measuring the bearing of a moving object is that from two points with known coordinates located in the measurement plane at a distance d from each other, orthogonally polarized electromagnetic waves with equal amplitudes, phases and wavelengths are emitted. Orthogonally polarized electromagnetic waves are received at a moving object and the phase difference Δφ between them is measured. After that, the bearing β of the moving object is determined relative to the normal to the middle of the line connecting the emission points of electromagnetic waves, according to the formula:
где λ - длина волны излучаемых ортгонально поляризованных электромагнитных волн.where λ is the wavelength of the radiated orthogonally polarized electromagnetic waves.
Недостатком этого способа является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в измерении только одного навигационного элемента - пеленга подвижного объекта и не измеряет его угол крена.The disadvantage of this method is its limited functionality, which consists in measuring only one navigation element - bearing of a moving object and does not measure its roll angle.
Устройство для измерения пеленга подвижного объекта содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными поляризациями, расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга и расположенным на подвижном объекте приемную всеполяризованную антенну, линейный поляризационный разделитель, амплитудно-фазовый дискриминатор и вычислитель. При этом вход линейного поляризационного разделителя подключен к выходу приемной всеполяризованной антенны, два его выхода подключены к двум входам амплитудно-фазового дискриминатора, а его выход подключен к входу вычислителя. Причем линейный поляризационный разделитель ориентирован так, что его орты собственной системы координат совпадают с осями плеч прямоугольных волноводов и составляют угол 45° с плоскостью измерений. Работа устройства заключается в том, что передатчик через подключенные к нему двумя передающими антеннами излучает ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны. На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна принимается всеполяризованной антенной и поступает на линейный поляризационный разделитель, где происходит разделение поступающей, на вход суммарной электромагнитной волны на две линейные ортогональные по поляризации электромагнитные волны. В амплитудно-фазовом дискриминаторе происходит измерение амплитуд ортогонально линейно поляризованных сигналов, формируется их отношение и измеряется разность фаз Δφ, в соответствии с (1) рассчитывает пеленг подвижного объекта.A device for measuring the bearing of a moving object contains a transmitter with two transmitting antennas connected to it with orthogonal linear polarizations, located at points with known coordinates in the measurement plane at a distance d from each other and located on the moving object, a receiving all-polarized antenna, a linear polarizing separator, amplitude phase discriminator and calculator. The input of the linear polarizing separator is connected to the output of the receiving all-polarized antenna, its two outputs are connected to two inputs of the amplitude-phase discriminator, and its output is connected to the input of the computer. Moreover, the linear polarizing separator is oriented so that its unit coordinates of the coordinate system coincide with the axes of the shoulders of the rectangular waveguides and make an angle of 45 ° with the measurement plane. The operation of the device lies in the fact that the transmitter emits orthogonally linearly polarized electromagnetic waves through two transmitting antennas connected to it. On a moving object, the total electromagnetic wave is received by an all-polarized antenna and is fed to a linear polarizing separator, where the incoming, at the input of the total electromagnetic wave, is divided into two linear electromagnetic waves orthogonal in polarization. In the amplitude-phase discriminator, the amplitudes of the orthogonally linearly polarized signals are measured, their ratio is formed and the phase difference Δφ is measured, in accordance with (1) the bearing of the moving object is calculated.
Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что измеряется только пеленг подвижного объекта и не возможно измерить его угол крена.The disadvantage of this device is the limited functionality due to the fact that only the bearing of a moving object is measured and it is not possible to measure its roll angle.
Известна навигационная система для измерения пеленга подвижного объекта (А.с. №1355955, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 9.12.85) [6], в которой устраняется влияние угла крена подвижного объекта на точность измерения его пеленга. Эта навигационная система содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными линейными поляризациями, расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга. Причем излучаемые ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны имеют равные амплитуды, фазы и длины волн. На подвижном объекте навигационная система содержит приемную всеполяризованную антенну, секцию круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной, вход которой подключен к выходу приемной всеполярпзованной антенны, линейный поляризационный разделитель, вход которого подключен к выходу секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной, амплитудный дискриминатор, два входа которого подключены к двум выходам линейного поляризационного разделителя и вычислитель, вход которого подключен к выходу амплитудного дискриминатора. Причем четвертьволновая фазовая пластина ориентирована под углом 45° к одной из стенок прямоугольного волновода линейного поляризационного разделителя.A known navigation system for measuring the bearing of a moving object (A.S. No. 1355955, M.cl. 4 G01S, 3/02, priority from 9.12.85) [6], which eliminates the influence of the angle of heel of a moving object on the accuracy of measuring its bearing . This navigation system contains a transmitter with two transmitting antennas connected to it with orthogonal linear polarizations located at points with known coordinates in the measurement plane at a distance d from each other. Moreover, emitted orthogonally linearly polarized electromagnetic waves have equal amplitudes, phases and wavelengths. On a moving object, the navigation system contains an all-polarized receiving antenna, a round waveguide section with an integrated quarter-wave phase plate, the input of which is connected to the output of the all-polarized receiving antenna, a linear polarizing separator, the input of which is connected to the output of the circular waveguide section with an integrated quarter-wave phase plate, two amplitude discriminator, two the input of which is connected to two outputs of the linear polarizing separator and the computer, the input of which is connected to the output do amplitude discriminator. Moreover, the quarter-wave phase plate is oriented at an angle of 45 ° to one of the walls of a rectangular waveguide of a linear polarizing separator.
Особенность работы этой навигационной системы заключается в том, что сочетание секции круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластиной с линейным поляризационным разделителем позволяет организовать на подвижном объекте прием ортогонально линейно поляризованных электромагнитных волн в круговом поляризационном базисе. Поэтому отношение амплитуд ортогонально поляризованных сигналов, формируемое на выходе амплитудного дискриминатора, определяется только разностью фаз Δφ между излучаемыми электромагнитными волнами и не зависит от угла крена подвижного объекта.The peculiarity of the operation of this navigation system is that the combination of a circular waveguide section with an integrated quarter-wave phase plate with a linear polarizing separator allows the reception of orthogonally linearly polarized electromagnetic waves in a circular polarizing base on a moving object. Therefore, the ratio of amplitudes of orthogonally polarized signals generated at the output of the amplitude discriminator is determined only by the phase difference Δφ between the emitted electromagnetic waves and does not depend on the angle of heel of the moving object.
Недостатком этой навигационной системы является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что измеряется только пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.The disadvantage of this navigation system is the limited functionality, namely, that only the bearing of a moving object is measured and its roll angle is not measured.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу измерения угла крена подвижного объекта и устройству для его реализации является радионавигационная система для определения направления, реализующая поляризационно-модуляционный способ измерения (А.с. №1438449, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 25.03.87) [7].The closest set of features to the claimed method of measuring the angle of heel of a moving object and a device for its implementation is a radio navigation system for determining the direction, which implements a polarization-modulation method of measurement (AS No. 1438449, M.cl. 4 G01S, 3/02, priority from 03.25.87) [7].
Суть поляризационно-модуляционного способа измерения пеленга подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами, расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На борту подвижного объекта принимают суммарную электромагнитную волну всеполяризованной приемной антенной и осуществляют вращение ее плоскости поляризации с частотой Ω. После чего, в линейном ортогональном поляризационном базисе, выделяют из принятой суммарной электромагнитной волны линейно поляризованную компоненту. В результате вращения плоскости поляризации, принятый сигнал на выходе приемника становится модулированным по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. Затем из принятого сигнала выделяют спектральную составляющую на частоте 2Ω, измеряют ее амплитуду и по измеренной амплитуде определяют разность фаз Δφ между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, после чего рассчитывают пеленг подвижного объекта β по формуле (1).The essence of the polarization-modulation method for measuring the bearing of a moving object is that from two points with known coordinates located in the measurement plane at a distance d from each other, orthogonally linearly polarized electromagnetic waves with equal amplitudes, phases and wavelengths are emitted. On board the moving object, the total electromagnetic wave is received by the all-polarized receiving antenna and its polarization plane is rotated with a frequency of Ω. Then, in a linear orthogonal polarization basis, a linearly polarized component is extracted from the received total electromagnetic wave. As a result of rotation of the plane of polarization, the received signal at the output of the receiver becomes amplitude modulated by twice the rotation frequency of the plane of polarization 2Ω. Then, the spectral component at a frequency of 2Ω is extracted from the received signal, its amplitude is measured, and the phase difference Δφ between the orthogonally linearly polarized electromagnetic waves is determined from the measured amplitude, after which the bearing of the moving object β is calculated by the formula (1).
Недостатком данного способа является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что измеряется только один навигационный элемент - пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.The disadvantage of this method is the limited functionality, consisting in the fact that only one navigation element is measured - the bearing of a moving object and its roll angle is not measured.
Радионавигационная система для измерения пеленга подвижного объекта содержит передатчик с подключенными к нему двумя передающими антеннами с ортогональными собственными линейными поляризациями и расположенными в точках с известными координатами в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга и расположенные на подвижном объекте приемную всеполяризованную антенну, вращатель плоскости поляризации, задающий генератор, поляризатор, логарифмический приемник, полосовой фильтр, амплитудный детектор и индикатор, при этом выход приемной всеполяризованной антенны подключен к сигнальному входу вращателя плоскости поляризации, а его управляющий вход подключен к выходу задающего генератора, выход вращателя плоскости поляризации подключен к входу поляризатора со стороны круглого волновода, а его выход со стороны прямоугольного волновода подключен к последовательно соединенным логарифмическому приемнику, полосовому фильтру, амплитудному детектору и индикатору.The radionavigation system for measuring the bearing of a moving object contains a transmitter with two transmitting antennas connected to it with their own orthogonal linear polarizations and located at points with known coordinates in the measurement plane at a distance d from each other and a receiving all-polarized antenna located on a moving object, a polarization plane rotator, master oscillator, polarizer, logarithmic receiver, band-pass filter, amplitude detector and indicator, while the output of the receiver The second all-polarized antenna is connected to the signal input of the rotator of the polarization plane, and its control input is connected to the output of the master oscillator, the output of the rotator of the polarization plane is connected to the input of the polarizer from the side of the circular waveguide, and its output from the side of the rectangular waveguide is connected to a series-connected logarithmic receiver, a bandpass filter amplitude detector and indicator.
Работа радионавигационной системы заключается в следующем.The operation of the radio navigation system is as follows.
Передатчик, через подключенные к нему двумя передающими антеннами с ортгональными собственными линейными поляризациями, излучает ортогонально, линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн. На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна принимается всеполяризованной приемной антенной и поступает на вход вращателя плоскости поляризации. Частота вращения плоскости поляризации равна Ω и задается частотой задающего генератора. С выхода вращателя плоскости поляризации суммарная электромагнитная волна поступает на вход-поляризатора, представляющего собой переход с волновода круглого сечения на прямоугольный, где происходит выделение ее линейно поляризованной компоненты. За счет вращения плоскости поляризации на выходе логарифмического приемника формируется сигнал, модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. При этом глубина подуляции определяется разностью фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, излучаемыми передающими антеннами. Полосовой фильтр выделяет из принятого сигнала спектральную составляющую на частоте 2Ω, после чего в амплитудном детекторе осуществляется ее детектирование. С выхода амплитудного детектора сигнал поступает на индикатор, шкала которого прокалибрована в градусах пеленга подвижного объекта.The transmitter, through two transmitting antennas connected to it with orthogonal intrinsic linear polarizations, emits orthogonally, linearly polarized electromagnetic waves with equal amplitudes, phases and wavelengths. On a moving object, the total electromagnetic wave is received by the all-polarized receiving antenna and fed to the input of the rotator of the plane of polarization. The frequency of rotation of the plane of polarization is equal to Ω and is set by the frequency of the master oscillator. From the output of the rotator of the plane of polarization, the total electromagnetic wave is fed to the input of the polarizer, which is a transition from a circular to rectangular waveguide, where its linearly polarized component is extracted. Due to the rotation of the plane of polarization at the output of the logarithmic receiver, a signal is generated that is modulated in amplitude by twice the speed of rotation of the plane of polarization 2Ω. At the same time, the depth of submission is determined by the phase difference Δφ between the orthogonally linearly polarized electromagnetic waves emitted by the transmitting antennas. The band-pass filter extracts a spectral component from the received signal at a frequency of 2Ω, after which it is detected in the amplitude detector. From the output of the amplitude detector, the signal goes to an indicator whose scale is calibrated in degrees of the bearing of a moving object.
К недостаткам данной радионавигационной системы относятся ограниченные функциональные возможности, проявляющиеся в том, что измеряется только один навигационный элемент - пеленг подвижного объекта и не измеряется его угол крена.The disadvantages of this radio navigation system include limited functionality, which is manifested in the fact that only one navigation element is measured - the bearing of a moving object and its roll angle is not measured.
Способ измерения угла крена подвижного объекта заключается в том, что из двух точек с известными координатами расположенных в плоскости измерений на расстоянии d друг от друга, излучают ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны с равными амплитудами, фазами и длинами волн, на борту подвижного объекта принимают суммарную электромагнитную волну всеполяризованной приемной антенной и осуществляют вращение плоскости поляризации суммарной электромагнитной волны с частотой Ω, выделяют в линейном ортогональном поляризационном базисе из принятой суммарной электромагнитной волны линейно поляризованную компоненту, после чего из принятого сигнала выделяют спектральную составляющую на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω, отличается от прототипа тем, что из принятой суммарной электромагнитной волны выделяют горизонтально линейно поляризованную компоненту и измеряют фазу φ2Ω спектральной составляющей на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации принятой суммарной электромагнитной волны, при этом точки излучения расположены в горизонтальной плоскости, излучаемые электромагнитные волны имеют горизонтальную и вертикальную ориентации плоскости поляризации, совпадающие с горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к этой плоскости соответственно, а единичные орты линейного ортогонального поляризационного базиса, в котором принимаются электромагнитные волны, совпадают с поперечной и вертикальной осями подвижного объекта и совместно с его продольной осью образуют в пространстве, связанную с корпусом подвижного объекта, нормальную систему прямоугольных координат и определяют угол крена γ подвижного объекта между его поперечной осью и горизонтальной плоскостью.The method of measuring the roll angle of a moving object is that from two points with known coordinates located in the measurement plane at a distance d from each other, orthogonally linearly polarized electromagnetic waves with equal amplitudes, phases and wavelengths are emitted, the total electromagnetic the wave of the all-polarized receiving antenna and carry out the rotation of the plane of polarization of the total electromagnetic wave with a frequency Ω, emit in a linear orthogonal polarization nnom basis of the received total electromagnetic wave linearly polarized component, and then from the received signal is isolated spectral component at twice the frequency of rotation of plane 2Ω polarization differs from the prototype in that from the received total electromagnetic wave isolated horizontally linearly polarized component and the measured phase φ 2Ω spectral component at doubled frequency of rotation of the plane of polarization 2Ω relative to twice the angular position of the plane of polarization of the received total of the electromagnetic wave, while the emission points are located in a horizontal plane, the emitted electromagnetic waves have horizontal and vertical orientations of the plane of polarization, coinciding with the horizontal plane and perpendicular to this plane, respectively, and the unit vectors of the linear orthogonal polarizing base in which the electromagnetic waves are received coincide with the transverse and vertical axes of the moving object and together with its longitudinal axis form in space associated with orpusom movable object, a normal rectangular coordinate system and determining the roll angle γ of the mobile object between its transverse axis and the horizontal plane.
Установим связь спектральных характеристик принятого сигнала с углом крена подвижного объекта γ, используя известный формализм векторов и матриц Джонса [8].We establish the relationship between the spectral characteristics of the received signal and the angle of heel of the moving object γ, using the well-known formalism of vectors and Jones matrices [8].
Тогда суммарная электромагнитная волна, принимаемая на подвижном объекте всеполяризованной приемной антенной, может быть представлена в векторной форме с учетом (1) в виде:Then the total electromagnetic wave received at the moving object by the all-polarized receiving antenna can be represented in vector form taking into account (1) in the form:
где - вектор Джонса горизонтально линейно поляризованной излучаемой электромагнитной волны, представленный в линейном ортогональном поляризационном базисе,Where - the Jones vector of a horizontally linearly polarized radiated electromagnetic wave, presented in a linear orthogonal polarizing basis,
- вектор Джонса вертикально линейно поляризованной излучаемой электромагнитной волны, представленный в линейном ортогональном поляризационном базисе, - the Jones vector of a vertically linearly polarized radiated electromagnetic wave, presented in a linear orthogonal polarization basis,
- фазовый сдвиг между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами в направлении β, - phase shift between radiated orthogonally linearly polarized electromagnetic waves in the direction β,
- вектор Джонса суммарной электромагнитной волны, представленный в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают с горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к этой плоскости соответственно. - Jones vector of the total electromagnetic wave, represented in its own linear orthogonal polarization basis, the unit vectors of which coincide with the horizontal plane and the perpendicular to this plane, respectively.
Принятый сигнал на входе приемника может быть представлен в собственном линейном ортогональном поляризационном базисе, единичные орты которого совпадают соответственно с поперечной и вертикальной осями подвижного объекта, с учетом (2), в виде:The received signal at the input of the receiver can be represented in its own linear orthogonal polarization basis, the unit vectors of which coincide respectively with the transverse and vertical axes of the moving object, taking into account (2), in the form:
гдеWhere
- матрица Джонса оператора поворота по часовой стрелке относительно горизонтали на угол крена +γ, - the Jones matrix of the rotation operator clockwise relative to the horizontal angle of heel + γ,
- матрица Джонса оператора поворота по часовой стрелке относительно горизонтали на угол крена -γ, - the Jones matrix of the rotation operator clockwise relative to the horizontal angle of angle -γ,
- матрица Джонса вращателя плоскости поляризации на угол α=Ωt(Ω - частота вращения), - the Jones matrix of the rotator of the plane of polarization at an angle α = Ωt (Ω is the rotation frequency),
- оператор поляризатора (переход с круглого волновода на прямоугольный), с горизонтальной собственной поляризацией. - polarizer operator (transition from a circular to a rectangular waveguide), with horizontal intrinsic polarization.
Проделав в (3) необходимые матричные преобразования, получим:Having done the necessary matrix transformations in (3), we obtain:
Амплитуда сигнала на выходе приемника, имеющего логарифмическую амплитудную характеристику и линейный детектор с учетом равенства α=Ωt, будет равна:The amplitude of the signal at the output of the receiver having a logarithmic amplitude characteristic and a linear detector, taking into account the equality α = Ωt, will be equal to:
Из анализа (5) видим, что в спектре огибающей выходного сигнала логарифмического приемника присутствует только спектральная составляющая на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω. Причем амплитуда этой составляющей определяется разностью фаз Δφ между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, что полностью согласуется с прототипом [7]. В то же время фаза этой спектральной составляющей φ2Ω частоте 2Ω определяется только углом крена подвижного объекта γ и в соответствии с (5), связаны между собой соотношением:From analysis (5), we see that in the envelope spectrum of the output signal of the logarithmic receiver, there is only the spectral component at the doubled rotation frequency of the polarization plane 2Ω. Moreover, the amplitude of this component is determined by the phase difference Δφ between the emitted orthogonally linearly polarized electromagnetic waves, which is fully consistent with the prototype [7]. At the same time, the phase of this spectral component φ 2Ω, the frequency 2Ω is determined only by the roll angle γ of the moving object and, in accordance with (5), are interconnected by the relation:
где φ2Ω - фаза спектральной составляющей на частоте 2Ω (в радианах),where φ 2Ω is the phase of the spectral component at a frequency of 2Ω (in radians),
+γ - соответствует положительному углу крена, когда поперечная ось подвижного объекта (или его правое крыло в случае ЛА) находится ниже горизонтальной плоскости,+ γ - corresponds to a positive roll angle when the transverse axis of the moving object (or its right wing in the case of an aircraft) is below the horizontal plane,
-γ - соответствует отрицательному углу крена, когда поперечная ось подвижного объекта (или его правое крыло в случае ЛА) находится выше горизонтальной плоскости.-γ - corresponds to a negative roll angle when the transverse axis of the moving object (or its right wing in the case of an aircraft) is above the horizontal plane.
Использование заявляемой совокупности признаков для измерения угла крена подвижного объекта в известных решениях автором не обнаружено.The use of the claimed combination of features for measuring the roll angle of a moving object in known solutions by the author was not found.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ измерения угла крена подвижного объекта.Figure 1 presents the structural electrical diagram of a device that implements the proposed method for measuring the roll angle of a moving object.
Устройство содержит передатчик 1, передающие антенны 2 и 3, расположенные в точках с известными координатами и разнесенные в горизонтальной плоскости на расстоянии d друг от друга, на борту подвижного объекта устройство содержит приемную всеполяризованную антенну 4, вращатель плоскости поляризации 5, поляризатор 6, задающий генератор 7, логарифмический приемник 8, формирователь опорного сигнала 9, полосовой фильтр 10, фазовый детектор 11 и индикатор 12.The device contains a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Передатчик 1, через подключенные к нему двумя передающими антеннами 2 и 3 с ортогональными собственными линейными поляризациями излучает в направлении подвижного объекта, ортогонально линейно поляризованные электромагнитные волны соответственно с горизонтальной и вертикальной ориентацией плоскости поляризации с равными амплитудами, фазами и длинами волн.The
На подвижном объекте суммарная электромагнитная волна, вектор Джонса которой в направлении β имеет вид (2), принимается всеполяризованной приемной антенной 4. С выхода всеполяризованной приемной антенны 4 сигнал поступает на вход вращателя плоскости поляризации 5. Частота вращения плоскости поляризации равна Ω и задается частотой задающего генератора 7. С выхода вращателя плоскости поляризации 5 сигнал поступает на вход поляризатора 6 со стороны круглого волновода, где происходит выделение горизонтально линейно поляризованной компоненты сигнала. Выходной сигнал поляризатора 6 со стороны прямоугольного волновода, представленный в виде (4), поступает на вход логарифмического приемника 8.On a moving object, the total electromagnetic wave, whose Jones vector in the β direction has the form (2), is received by the all-polarized receive antenna 4. From the output of the all-polarized receive antenna 4, the signal is fed to the input of the polarization plane rotator 5. The frequency of rotation of the polarization plane is Ω and is set by the frequency of the reference generator 7. From the output of the rotator of the plane of polarization 5, the signal is fed to the input of the
В результате вращения плоскости поляризации на выходе логарифмического приемника 8 формируется сигнал, представленный в виде (5), модулированный по амплитуде удвоенной частотой вращения плоскости поляризации 2Ω. При этом глубина модуляции определяется разностью фаз Δφ между ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами, излучаемыми передающими антеннами 2 и 3. Полосовой фильтр 10 выделят спектральную составляющую на частоте 2Ω, после чего выделенный сигнал поступает на один из входов фазового детектора 11. В то же время с выхода задающего генератора 7 сигнал с частотой Ω поступает на вход формирователя опорного сигнала 9, где формируется опорный сигнал с удвоенной частотой 2Ω, который поступает на другой вход фазового детектора 11. В фазовом детекторе 11 измеряется фаза φ2Ω спектральной составляющей на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации принятой суммарной электромагнитной волны, представленной в виде (2). С выхода фазового детектора 11 сигнал поступает на индикатор 12, шкала которого может быть прокалибрована, с учетом (6), в градусах угла крена подвижного объекта γ.As a result of rotation of the plane of polarization at the output of the logarithmic receiver 8, a signal is generated, presented in the form (5), modulated in amplitude by twice the frequency of rotation of the plane of polarization 2Ω. In this case, the modulation depth is determined by the phase difference Δφ between the orthogonally linearly polarized electromagnetic waves emitted by the transmitting
В 3-см диапазоне длин волн заявляемое устройство измерения угла крена подвижного объекта может быть выполнено следующим образом.In the 3 cm wavelength range of the inventive device for measuring the roll angle of a moving object can be performed as follows.
В качестве передатчика может использоваться, например, стандартный генератор высокочастотных сигналов типа Г4-83, к выходу которого подключен делитель мощности, выполненный в виде двойного волноводного Т-образного разветвителя (см. [9], с.401). Причем первый выход разветвителя подключен к передающей антенне 2, а его второй выход подключен через отрезок скрученного на 90° прямоугольного волновода к передающей антенне 3.As a transmitter, for example, a standard high-frequency signal generator of the G4-83 type can be used, the output of which is connected to a power divider made in the form of a double waveguide T-shaped splitter (see [9], p.401). Moreover, the first output of the splitter is connected to the transmitting
В качестве передающих антенн 2 и 3 может быть использована рупорная антенна ([10], с.248) и с учетом особенностей их подключения к передатчику будут излучать электромагнитные волны с вертикальной и горизонтальной ориентацией плоскости поляризации соответственно.As the transmitting
Приемная всеполяризованная антенна 4 может быть выполнена в виде круглого рупора (см. [11], с.510).The receiving all-polarized antenna 4 can be made in the form of a round horn (see [11], p.510).
Вращатель плоскости поляризации 5 может быть выполнен в виде фарадеевского вращателя плоскости поляризации (см. [12], с.344).The rotator of the plane of polarization 5 can be made in the form of a Faraday rotator of the plane of polarization (see [12], p. 344).
Поляризатор 6 может быть выполнен в виде перехода с волновода круглого сечения на прямоугольный (см. [12], с.438).
Задающий генератор 7 может быть выполнен в виде стандартного генератора низкочастотных сигналов типа Г3-102.The master oscillator 7 can be made in the form of a standard low-frequency signal generator type G3-102.
Логарифмический приемник 8 совпадает с аналогичным приемником известной амплитудно-амплитудной моноимпульсной системы (см. [13], с.20).The logarithmic receiver 8 coincides with a similar receiver of the known amplitude-amplitude monopulse system (see [13], p.20).
Формирователь опорного сигнала 9, полосовой фильтр 10, фазовый детектор 11 могут быть выполнены на основе использования известных технических решений [14].The driver of the reference signal 9, a band-
Индикатор 12 может быть выполнен, например, в виде вольтметра постоянного тока типа В2-11, шкала которого прокалибрована в градусах угла крена подвижного объекта.The
Заявляемые способ и устройство измерения угла крена подвижного объекта позволяют расширить функциональные возможности радионавигационной системы определения пеленга подвижного объекта за счет измерения дополнительного навигационного элемента - угла крена подвижного объекта. Кроме того, по сравнению с широко используемыми средствами измерения угла крена подвижного объекта, основанными на применении гироскопических систем ориентации, заявляемые способ и устройство измерения угла крена подвижного объекта позволяют избежать постоянного накапливания с течением времени ошибки измерения.The inventive method and device for measuring the angle of heel of a moving object allows you to expand the functionality of the radio navigation system for determining the bearing of a moving object by measuring an additional navigation element - the angle of heel of a moving object. In addition, compared with the widely used means of measuring the angle of heel of a moving object, based on the use of gyroscopic orientation systems, the inventive method and device for measuring the angle of heel of a moving object can avoid the constant accumulation of measurement errors over time.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:Sources of information used in the preparation of the description of the invention:
1. А.С.Александров, Г.Р.Арно и др. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. - Санкт-Петербург, 1994. - 119 с.1. A.S. Aleksandrov, G.R.Arno and others. The current state and development trends of foreign means and navigation systems of moving objects of military and civil purposes. - St. Petersburg, 1994 .-- 119 p.
2. Д.С.Пельпор, В.В.Ягодкин. Гироскопические системы. - М., Высшая школа, 1977. - 216 с.2. D.S. Pelpor, V.V. Yagodkin. Gyroscopic systems. - M., Higher School, 1977 .-- 216 p.
3. Агаджапов П.А., Воробьев В.Г. и др. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1980. - 357 с.3. Agadzhapov P.A., Vorobev V.G. et al. Automation of aircraft navigation and air traffic control. - M.: Transport, 1980 .-- 357 p.
4. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985. - 344 с.4. Yarlykov M.S. Statistical theory of radio navigation. - M .: Radio and communications, 1985 .-- 344 p.
5. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л. Способ измерения пеленга подвижного объекта и устройство доля его осуществления. - Патент СССР №1251003, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 29.01.85.5. Badulin NN, Gulko V.L. A method for measuring the bearing of a moving object and a device for the share of its implementation. - USSR patent No. 1251003, M.cl. 4 G01S, 3/02, priority from 01.29.85.
6. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л. Навигационная система для определения пеленга. - А.с. СССР №1355955, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 9.12.85.6. Badulin NN, Gulko V.L. Navigation system for bearing detection. - A.S. USSR No. 1355955, M.cl. 4 G01S, 3/02, priority from 9/12/85.
7. Бадулин Н.Н., Гулько В.Л., Петров А.Ф. Радионавигационная система для определения направления. - А.с. СССР №1438449, М.кл. 4 G01S, 3/02, приоритет от 25.03.87.7. Badulin N.N., Gulko V.L., Petrov A.F. Radio navigation system for determining the direction. - A.S. USSR No. 1438449, M.cl. 4 G01S, 3/02, priority from 03.25.87.
8. Аззам Р., Башара П. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М.: Мир, 1981. - 588 с.8. Azzam R., Bashar P. Ellipsometry and polarized light. - M .: Mir, 1981. - 588 p.
9. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых сканирующих широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.9. Zhuk M.S., Molochkov Yu.B. Design of lens scanning wide-range antennas and feeder devices. - M .: Energy, 1973.
10. Дрябкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. - М.: «Советское радио», 1974.10. Dryabkin A.L. and other Antenna-feeder devices. - M .: "Soviet Radio", 1974.
11. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: «Энергия», 1966.11. Zhuk M.S., Molochkov Yu.B. Design of antenna-feeder devices. - M .: "Energy", 1966.
12. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: «Советское радио», 1966.12. Kanareikin D.B., Pavlov N.F., Potekhin V.A. Polarization of radar signals. - M .: "Soviet Radio", 1966.
13. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Советское радио, 1970.13. Leonov A.I., Fomichev K.I. Monopulse radar. - M .: Soviet Radio, 1970.
14. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. - М.: советское радио, 1977.14. Aleksenko A.G. Fundamentals of microcircuitry. - M .: Soviet Radio, 1977.
Claims (2)
Eвых(t)=lg1/2·[1+cosΔφ·sin(2Ωt±2γ)],
где Δφ - разность фаз между излучаемыми ортогонально линейно поляризованными электромагнитными волнами в точке приема,
выделяют спектральную составляющую на удвоенной частоте вращения плоскости поляризации 2Ω, измеряют ее фазу φ2Ω относительно удвоенного углового положения плоскости поляризации принятой суммарной электромагнитной волны, которая определяется углом крена γ подвижного объекта, и определяют угол крена γ подвижного объекта между поперечной осью подвижного объекта и горизонтальной плоскостью по формуле:
где φ2Ω - фаза спектральной составляющей на частоте 2Ω (в радианах),
+γ - положительный угол крена подвижного объекта, когда правая, по ходу движения, поперечная ось находится ниже горизонтальной плоскости,
-γ - отрицательный угол крена подвижного объекта, когда его правая, по ходу движения, поперечная ось находится выше горизонтальной плоскости, при этом точки излучения электромагнитных волн находятся в горизонтальной плоскости, излучаемые электромагнитные волны имеют линейные горизонтальную и вертикальную ориентации плоскости поляризации, совпадающие соответственно с горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к этой плоскости, а единичные орты линейного ортогонального поляризационного базиса, в котором принимается суммарная электромагнитная волна, совпадают с поперечной и вертикальной осями подвижного объекта соответственно.1. The method of measuring the roll angle of a moving object, which consists in the fact that from two points with known coordinates located in the measurement plane at a distance d from each other, orthogonally polarized electromagnetic waves with equal amplitudes, phases and wavelengths are emitted on the moving object receive the total electromagnetic wave, characterized in that they rotate the plane of polarization of the received total electromagnetic wave with a frequency Q, select in a linear orthogonal polarization basis from net total electromagnetic wave horizontally linearly polarized component, determine the output amplitude of the signal
E o (t) = log1 / 2 · [1 + cosΔφ · sin (2Ωt ± 2γ)],
where Δφ is the phase difference between the radiated orthogonally linearly polarized electromagnetic waves at the receiving point,
isolate the spectral component at twice the rotation frequency of the polarization plane 2Ω, measure its phase φ 2Ω relative to the doubled angular position of the polarization plane of the received total electromagnetic wave, which is determined by the angle of heel γ of the moving object, and determine the angle of heel γ of the moving object between the transverse axis of the moving object and the horizontal plane according to the formula:
where φ 2Ω is the phase of the spectral component at a frequency of 2Ω (in radians),
+ γ is the positive angle of the roll of the moving object, when the right, in the direction of travel, the transverse axis is below the horizontal plane,
-γ is the negative roll angle of the moving object when its right, in the direction of travel, transverse axis is above the horizontal plane, while the emission points of electromagnetic waves are in the horizontal plane, the emitted electromagnetic waves have linear horizontal and vertical orientations of the polarization plane, corresponding respectively horizontal plane and perpendicular to this plane, and unit vectors of the linear orthogonal polarization basis, in which the total electron omagnitnaya wave coincide with the transverse and vertical axes of the movable object, respectively.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011141232A RU2485538C1 (en) | 2011-10-07 | Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011141232A RU2485538C1 (en) | 2011-10-07 | Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011141232A RU2011141232A (en) | 2013-04-20 |
RU2485538C1 true RU2485538C1 (en) | 2013-06-20 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537384C1 (en) * | 2013-07-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Polarisation-modulation method of radar measurement of roll angle of airborne vehicle, and device for its implementation |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537384C1 (en) * | 2013-07-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Polarisation-modulation method of radar measurement of roll angle of airborne vehicle, and device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sarabandi et al. | Calibration of polarimetric radar systems with good polarization isolation | |
RU2535661C1 (en) | Method of calibrating radar station based on minisatellite with reference radar cross-section | |
RU2516697C2 (en) | Method of aircraft bank measurement and device to this end | |
RU2475863C1 (en) | Method of measuring banking angle of aircraft and apparatus for realising said method | |
RU2485538C1 (en) | Method to measure roll angle of mobile object and device for its realisation | |
RU2475785C1 (en) | Gravitational wave detector | |
CN106771690B (en) | A kind of fixed quasi-optical Faraday rotator performance measurement method and apparatus | |
US10054667B2 (en) | Obstacle detection radar using a polarization test | |
RU2475862C1 (en) | Method of measuring banking angle of aircraft and apparatus for realising said method | |
RU2528170C1 (en) | Method to measure pitch angle of aircraft and radio navigation system for its implementation | |
RU2537384C1 (en) | Polarisation-modulation method of radar measurement of roll angle of airborne vehicle, and device for its implementation | |
RU2521435C1 (en) | Polarisation-phase method of measuring angle of roll of mobile object and radio navigation system for realising said method | |
RU2567240C1 (en) | Method of measuring aircraft bank angle | |
RU2745836C1 (en) | Polarization-modulating radio washing system for measuring aircraft roll angle | |
RU2521137C1 (en) | Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus for realising said method | |
RU2531065C2 (en) | Method of measuring pitch angle of aircraft and apparatus therefor | |
RU2507529C1 (en) | Radio navigation system for measurement of mobile object bearing | |
Shcherbyna et al. | Accuracy characteristics of radio monitoring antennas | |
Gulko et al. | Polarization Methods of Measuring the Roll Angle of an Object in Motion in Radio Beacon Navigation Systems. | |
RU2534220C1 (en) | Apparatus for determining motion parameters of object | |
Adjemov et al. | Isolation of Interfering Wave Components in a Phased Array | |
Shcherbyna et al. | The antenna array with ring elements | |
Gulko et al. | Radar Method for Determining the Roll Angle of an Aircraft | |
RU2611720C1 (en) | Method for radar target identification (alternatives) | |
RU2265230C2 (en) | Device for measuring non-linear radiolocation characteristics |