RU2514197C1 - Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude - Google Patents
Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude Download PDFInfo
- Publication number
- RU2514197C1 RU2514197C1 RU2012152664/07A RU2012152664A RU2514197C1 RU 2514197 C1 RU2514197 C1 RU 2514197C1 RU 2012152664/07 A RU2012152664/07 A RU 2012152664/07A RU 2012152664 A RU2012152664 A RU 2012152664A RU 2514197 C1 RU2514197 C1 RU 2514197C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inputs
- groups
- information
- group
- blocks
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Заявляемые объекты объединены одним изобретательским замыслом, относятся к радиотехнике и могут быть использованы для определения угловой ориентации летательных аппаратов (объектов) в пространстве и на плоскости.The inventive objects are united by one inventive concept, relate to radio engineering and can be used to determine the angular orientation of aircraft (objects) in space and on the plane.
Известен способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам КА (варианты) (Пат. РФ №2122217, МПК6 G01S 5/02, опубл. в бюл. №32, 1998 г.). Способ основан на приеме сигналов от S КА двумя или более антенно-приемными устройствами, расположенными параллельно одной или двум осям объекта, выделении сигнала с частотой Доплера, определении набега фаз за интервал времени измерения и определении углового положения объекта, в течение интервала времени измерения производят m измерений фазовых сдвигов между парами антенно-приемных устройств, а угловое положение объекта определяют путем решения системы уравнений.The known method of angular orientation of the object on the radio navigation signals of the spacecraft (options) (Pat. RF №2122217, IPC6
Недостатками способа-аналога и его вариантов являются необходимость обеспечения неподвижности летательного аппарата (объекта) во время проведения измерений и значительные временные затраты. Кроме того, аналоги при измерении путевого угла (азимута) не учитывают угол сноса объекта.The disadvantages of the analogue method and its variants are the need to ensure the immobility of the aircraft (object) during the measurement and significant time costs. In addition, analogues when measuring the path angle (azimuth) do not take into account the drift angle of the object.
Известен способ угловой ориентации объектов по сигналам КА глобальных навигационных спутниковых систем (Пат. РФ №2105319, МПК6 G01S 5/00, опубл. 20.02.98, бюл. №5). Способ основан на приеме сигналов от КА глобальных навигационных спутниковых систем на антенную решетку (АР) из M, M≥4, пространственно разнесенных антенных элементов (АЭ), расположенных в одной плоскости параллельно двум осям симметрии объекта, измерении фазового сдвига между принятыми в АЭ сигналами от каждого КА, однократном изменении углового положения плоскости антенной решетки и повторном измерении фазового сдвига между принятыми в АЭ сигналами, определении углового положения осей измеряемого объекта путем решения основной системы уравнений и дополнительной системы уравнений.There is a method of angular orientation of objects according to the signals of the spacecraft of global navigation satellite systems (Pat. RF №2105319, IPC6
Способ-аналог позволяет по сигналам КА глобальных навигационных спутниковых систем достаточно точно измерять ориентацию объектов (азимут и крен).The analogue method allows one to accurately measure the orientation of objects (azimuth and roll) using the signals of the spacecraft of global navigation satellite systems.
Недостатком аналога являются большие временные затраты на решение основной и дополнительной системы уравнений, последняя из которых является нелинейной. Кроме того, для определения углового положения объекта (АР) необходимо изменить угловое положение АР на произвольный угол, после чего вернуть антенны в исходное состояние (для обеспечения формирования дополнительной системы уравнений). Выполнение этого условия требует наличия на борту объекта устройства поворота АР или маневров самого объекта, что не всегда осуществимо. Другими недостатками аналога являются:The disadvantage of the analogue is the large time required to solve the main and additional system of equations, the last of which is non-linear. In addition, to determine the angular position of an object (AR), it is necessary to change the angular position of the AR by an arbitrary angle, and then return the antennas to their original state (to ensure the formation of an additional system of equations). Fulfillment of this condition requires the presence of an AR turn device or maneuvers of the object on board the object, which is not always possible. Other disadvantages of the analogue are:
отсутствие возможности измерения угла тангажа;inability to measure pitch angle;
при измерении путевого угла не учитывается (не измеряется) угол сноса объекта.when measuring the path angle, the drift angle of the object is not taken into account (not measured).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения угловой ориентации летательных аппаратов (Пат. РФ №2374659, МПК G01/S 5/00, опубл. 27.11.2009 г., бюл. №33). Способ основан на том, что на подготовительном этапе или в процессе полета ЛА сферу над антенной решеткой равномерно разбивают на N=D/D0 элементарных зон привязки, где D и D0 - соответственно площади сферы на удалении нескольких тысяч километров от центра АР и элементарной зоны привязки, каждой зоне привязки присваивают порядковый номер bn, n=1, 2, …, N, определяют координаты местоположения центров элементарных зон привязки, АР выполняют из M, M≥4, пространственно разнесенных антенных элементов, расположенных в одной плоскости параллельно двум осям симметрии ЛА, для каждой пары АЭ Am0, m=1, 2, …, M-1 рассчитывают эталонные значения разностей фаз прихода сигналов относительно координат местоположения центров каждой элементарной зоны привязки ∆φэт.m0(α0,β0,θ0)n, где αi,βj,θl - соответственно значения углов тангажа, крена и азимута АР, последовательно дискретно изменяют ориентацию АР на заданные значения углов ∆α, ∆β, ∆θ в предварительно заданных интервалах {αmin,αmax}, {βmin,βmax} и {θmin,θmax}, (αmax-αmin)/∆α=I, (βmax-βmin)/∆β=J, (θmax-θmin)/∆θ=L координат центра АР относительно центра элементарных зон привязки, для каждого положения АР (αi,βj,θl) и для каждого центра элементарных зон привязки рассчитывают и запоминают эталонные значения разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n в процессе работы принимают сигналы от первого обнаруженного космического аппарата (КА) глобальной навигационной спутниковой системы, измеряют разности фаз принимаемых сигналов в антенных элементах АР ∆φизм.m0(α,β,θ), вычисляют разность между эталонными разностями фаз, соответствующими углами АР α0,β0,θ0 для bn-й элементарной зоны привязки, и измеренными разностями фаз сигналов первого КА с априорно известным местоположением
Способ-прототип позволяет сократить временные затраты на измерение углов крена и азимута с учетом угла сноса и обеспечивает дополнительное измерение угла тангажа.The prototype method allows to reduce the time spent on the measurement of the roll and azimuth angles taking into account the drift angle and provides an additional measurement of the pitch angle.
В качестве недостатка следует отметить следующее. Известные аналоги и прототип не отслеживают изменения в набеге фазы φкан в аналоговой части приемных трактов, который входит в состав измеренной фазы сигнала. Последнее с течением времени приводит к некорректным результатам. В следствии этого возникает необходимость в регулярном выполнении операции калибровки аналоговых трактов.As a disadvantage, the following should be noted. Known analogues and prototype do not track changes in the phase incursion φ kan in the analog part of the receiving paths, which is part of the measured phase of the signal. The latter over time leads to incorrect results. As a result of this, there is a need for regular calibration of analog paths.
Известно устройство угловой ориентации объектов по сигналам КА глобальных навигационных спутниковых систем по Пат. РФ №2185637, МПК7 G01S 5/00, 5/02, опубл. 20.07.2002, бюл. №20.A device for the angular orientation of objects according to the signals of the spacecraft global navigation satellite systems according to Pat. RF №2185637, IPC7
Устройство-аналог содержит M, M≥, идентичных приемных каналов из последовательно соединенных: антенного элемента, малошумящего усилителя, радиотракта и блока цифровой обработки, блок формирования опорных сигналов, первая группа выходов которого соединена со вторыми входами радиотрактов приемных каналов, вторая группа выходов соединена со вторыми входами блоков цифровой обработки приемных каналов, тактовый генератор, первый выход которого соединен со входом формирователя опорных сигналов, а второй выход подключен ко входу синхронизации вычислительного процессора, группы информационных входов которого соединены с соответствующими группами информационных выходов блоков цифровой обработки приемных каналов.The analog device contains M, M≥, identical receiving channels from series-connected: an antenna element, a low-noise amplifier, a radio path and a digital processing unit, a reference signal generating unit, the first group of outputs of which is connected to the second inputs of the radio paths of the receiving channels, the second group of outputs is connected to the second inputs of the digital processing blocks of the receiving channels, a clock, the first output of which is connected to the input of the driver of the reference signals, and the second output is connected to the synchronization input and a computing processor, the groups of information inputs of which are connected to the corresponding groups of information outputs of the digital processing blocks of the receiving channels.
Недостатками устройства-аналога являются значительные временные затраты на измерение углов крена и азимута, не учитывается угол сноса ЛА и требуется дополнительное измерение угла тангажа.The disadvantages of the analog device are significant time costs for measuring the roll and azimuth angles, the drift angle of the aircraft is not taken into account, and an additional measurement of the pitch angle is required.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству определения угловой ориентации летательных аппаратов является устройство по Пат. РФ №2374659, МПК G01S 5/00, опубл. 27.11.2009.The closest in technical essence to the claimed device for determining the angular orientation of aircraft is the device according to Pat. RF №2374659, IPC
Устройство определения угловой ориентации летательных аппаратов включает M, M≥4, идентичных приемных каналов из последовательно соединенных антенного элемента, малошумящего усилителя, радиотракта и блока цифровой обработки, предназначенного для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и разложения его на квадратуры, две группы выходов которого являются первой и второй группами информационных выходов соответствующего канала приема, блок формирования опорных сигналов, выход которого соединен со вторыми входами радиотрактов приемных каналов, тактовый генератор, S корреляторов, S блоков анализа, предназначенных для оценки качества принимаемых от космических аппаратов сигналов, S+1 коммутатор, блок начальной установки корреляторов, S блоков вычисления разности фаз, S блоков вычитания, блок памяти, вычислитель-формирователь, предназначенный для формирования трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ), блок принятия решения, предназначенный для нахождения элемента трехмерной матрицы измерений с минимальным значением, блок управления, предназначенный для хранения координат центров элементарных зон привязки и сравнения этих координат с координатами обнаруженного космического аппарата, блок индикации, первую, вторую и третью входные установочные шины, радионавигатор и M+1-й антенный элемент, выход которого подключен ко входу радионавигатора, первый информационный выход которого соединен со входом управления блока начальной установки корреляторов, группы информационных входов которого объединены с соответствующими группами информационных входов корреляторов и соответствующими группами информационных выходов приемных каналов, тактовые входы которых объединены и соединены с тактовыми входами блоков цифровой обработки приемных каналов, выходом тактового генератора, входами синхронизации корреляторов, тактовыми входами блока управления, блоков вычисления разности фаз, блока памяти, блоков вычитания, вычислителя-формирователя, блока принятия решения, блока начальной установки корреляторов, S+1-го коммутатора, блоков анализа, вторые группы информационных выходов которых соединены с группами информационных входов соответствующих блоков вычисления разности фаз, первые выходы блоков анализа соединены со входами управления соответствующих коммутаторов, третьи группы выходов блоков анализа соединены с первыми группами информационных входов соответствующих коммутаторов, группы информационных входов блоков анализа соединены с группами информационных выходов соответствующих корреляторов, первые группы входов управления которых соединены с соответствующими первыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов, вторые группы входов управления корреляторов соединены с группами выходов соответствующих коммутаторов, вторые группы информационных входов которых соединены с соответствующими вторыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов, группы информационных выходов блоков вычисления разности фаз соединены с соответствующими группами входов S+1-го коммутатора, группа адресных входов которого соединена с группой адресных выходов блока начальной установки корреляторов, a S групп информационных выходов соединены с группами входов вычитаемого соответствующих блоков вычитания, группы входов уменьшаемого которых объединены и соединены с группой информационных выходов блока памяти, группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, а группа адресных входов соединена с группой информационных выходов блока управления, вторая группа информационных входов которого является первой входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, первая группа информационных входов блока управления соединена со второй группой информационных выходов радионавигатора, S групп информационных входов вычислителя-формирователя соединены с группами информационных выходов соответствующих блоков вычитания, а группа информационных выходов вычислителя-формирователя соединена с первой группой информационных входов блока принятия решения, вторая группа информационных входов которого соединена с третьей входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов блока индикации.The device for determining the angular orientation of aircraft includes M, M≥4, identical receiving channels from a series-connected antenna element, low-noise amplifier, radio path and digital processing unit, designed to convert an analog signal into digital form and decompose it into quadratures, the two groups of outputs of which are the first and second groups of information outputs of the corresponding reception channel, a block for generating reference signals, the output of which is connected to the second inputs of the radio path in receiving channels, clock, S correlators, S analysis units for evaluating the quality of signals received from spacecraft, S + 1 switch, initial installation of correlators, S phase difference calculation blocks, S subtraction blocks, memory block, calculator designed to form a three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ), a decision block designed to find an element of a three-dimensional measurement matrix with a minimum value, a control unit designed to store the number of centers of elementary zones of binding and comparing these coordinates with the coordinates of the detected spacecraft, an indication unit, the first, second and third input installation buses, a radio navigator and the M + 1 antenna element, the output of which is connected to the input of the radio navigator, the first information output of which is connected to the control input of the initial installation block of the correlators, the groups of information inputs of which are combined with the corresponding groups of information inputs of the correlators and the corresponding information groups of the output channels of the receiving channels, the clock inputs of which are combined and connected to the clock inputs of the digital processing units of the receiving channels, the output of the clock generator, synchronization inputs of the correlators, clock inputs of the control unit, phase difference calculation blocks, memory block, subtraction blocks, calculator-shaper, acceptance block solutions, correlators initial installation unit, S + 1 switch, analysis units, the second groups of information outputs of which are connected to groups of information inputs of the corresponding phase difference calculation blocks, the first outputs of the analysis blocks are connected to the control inputs of the respective switches, the third groups of outputs of the analysis blocks are connected to the first groups of information inputs of the corresponding switches, the groups of information inputs of the analysis blocks are connected to the information outputs of the corresponding correlators, the first groups of control inputs of which are connected to the corresponding first groups of information outputs of the initial installation block of the correlators, the second groups of inputs correlators are connected to the output groups of the respective switches, the second information input groups of which are connected to the corresponding second information output groups of the correlators initialization unit, the information outputs of the phase difference calculation blocks are connected to the corresponding input groups of the S + 1 switch, the address input group of which is connected with a group of address outputs of the initial installation block of the correlators, a S groups of information outputs are connected to groups of inputs the corresponding corresponding subtraction blocks, the groups of inputs of which are reduced are combined and connected to the group of information outputs of the memory block, the group of information inputs of which is the second input installation bus of the device for determining the angular orientation of aircraft, and the group of address inputs is connected to the group of information outputs of the control unit, the second group of information the inputs of which is the first input installation bus device for determining the angular orientation of the aircraft, p the first group of information inputs of the control unit is connected to the second group of information outputs of the radio navigator, S groups of information inputs of the calculator-shaper are connected to groups of information outputs of the corresponding subtraction units, and the group of information outputs of the calculator-shaper is connected to the first group of information inputs of the decision block, the second group of information the inputs of which are connected to the third input installation bus of the device for determining the angular orientation of the aircraft pparatov, and the group of information outputs connected with the group of information inputs of the indication unit.
Устройство-прототип обеспечивает сокращение временных затрат на измерение углов крена и азимута с учетом угла сноса и дополнительное измерения угла тангажа. Однако прототипу также присущ недостаток. Для обеспечения заданных точностных характеристик требуется периодическое выполнение калибровки аналоговой части приемных трактов.The prototype device provides a reduction in time spent on the measurement of heel and azimuth angles taking into account the drift angle and additional measurement of the pitch angle. However, the prototype also has a disadvantage. To ensure the specified accuracy characteristics, periodic calibration of the analog part of the receiving paths is required.
Целью заявляемых технических решений является разработка способа и устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, обеспечивающих повышение точности оценивания пространственных углов объекта за счет исключения влияния набегах фазы в аналоговых трактах измерителя.The purpose of the claimed technical solutions is to develop a method and device for determining the angular orientation of aircraft, providing increased accuracy in estimating the spatial angles of an object by eliminating the influence of phase incursions in the analog paths of the meter.
В заявляемом способе представленная цель достигается тем, что в известном способе определения угловой ориентации летательных аппаратов, включающем на подготовительном этапе или в процессе полета ЛА равномерное разбивание сферы над АР на N=D/D0 элементарных зон привязки, где D и D0 - соответственно площади сферы на удалении нескольких тысяч километров от центра АР и элементарной зоны привязки, присвоение каждой зоне привязки порядкового номера bn, n=1, 2, …, N, определение координат местоположения центров элементарных зон привязки, выполнение АР из M, M≥4, пространственно разнесенных антенных элементов, расположенных в одной плоскости параллельно двум осям симметрии ЛА, расчет для каждой пары АЭ Am0, m=1, 2, …, M-1, эталонных значений разностей фаз прихода сигналов относительно координат местоположения центров каждой элементарной зоны привязки ∆φэт.m0(α0,β0,θ0)n, где αi,βj,θl - соответственно значения углов тангажа, крена и азимута АР, последовательное дискретное изменение ориентации АР на заданные значения углов ∆α,∆β,∆θ в предварительно заданных интервалах {αmin,αmax}, {βmin,βmax} и {θmin,θmax}, (αmax-αmin)/∆α=I, (βmax-βmin)/∆β=J, (θmax-θmin)/∆θ=L без изменения координат центра АР относительно центра элементарных зон привязки, расчет и запоминание эталонных значений разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl) для каждого положения АР (αi,βj,θl) и для каждого центра элементарных зон привязки, в процессе работы прием сигналов от первого обнаруженного космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы, измерение разности фаз принимаемых сигналов в антенных элементах АР
Благодаря новой совокупности признаков в заявляемом способе устраняется набег фазы, возникающий в аналоговых трактах измерителя, что позволяет повысить точность оценивания пространственной ориентации летательного аппарата.Thanks to the new combination of features in the claimed method, the phase incursion occurring in the analog paths of the meter is eliminated, which improves the accuracy of estimating the spatial orientation of the aircraft.
В заявляемом устройстве определения угловой ориентации летательных аппаратов поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из M, M≥4, идентичных приемных каналов из последовательно соединенных антенного элемента, малошумящего усилителя, радиотракта и блока цифровой обработки, предназначенного для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и разложения его на квадратуры, две группы выходов которого являются первой и второй группами информационных выходов соответствующего канала приема, блока формирования опорных сигналов, выход которого соединен со вторыми входами радиотрактов приемных каналов, тактового генератора, S корреляторов, S блоков анализа, предназначенных для оценки качества принимаемых от космических аппаратов сигналов, S+1 коммутаторов, блока начальной установки корреляторов, S блоков вычисления разности фаз, S первых блоков вычитания, первого блока памяти, вычислителя-формирователя, предназначенного для формирования трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ), блока принятия решения, предназначенного для нахождения элемента трехмерной матрицы измерений с минимальным значением, блока управления, предназначенного для хранения координат центров элементарных зон привязки и сравнения этих координат с координатами обнаруженного космического аппарата, блока индикации, первой, второй и третьей входных установочных шин, радионавигатора и M+1-го антенного элемента, выход которого подключен ко входу радионавигатора, первый информационный выход которого соединен со входом управления блока начальной установки корреляторов, группы информационных входов которого объединены с соответствующими группами информационных входов корреляторов и соответствующими группами информационных выходов приемных каналов, тактовые входы которых объединены и соединены с тактовыми входами блоков цифровой обработки приемных каналов, выходом тактового генератора, входами синхронизации корреляторов, тактовыми входами блока управления, блоков вычисления разности фаз, первого блока памяти, первых блоков вычитания, вычислителя-формирователя, блока принятия решения, блока начальной установки корреляторов, S+1-го коммутатора, блоков анализа, вторые группы информационных выходов которых соединены с группами информационных входов соответствующих блоков вычисления разности фаз, первые выходы блоков анализа соединены со входами управления соответствующих коммутаторов, третьи группы выходов блоков анализа соединены с первыми группами информационных входов соответствующих коммутаторов, группы информационных входов блоков анализа соединены с группами информационных выходов соответствующих корреляторов, первые группы входов управления которых соединены с соответствующими первыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов, вторые группы входов управления корреляторов соединены с группами выходов соответствующих коммутаторов, вторые группы информационных входов которых соединены с соответствующими вторыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов, группы информационных выходов блоков вычисления разности фаз соединены с соответствующими группами входов S+1-го коммутатора, группа адресных входов которого соединена с группой адресных выходов блока начальной установки корреляторов, a S групп информационных выходов соединены с группами входов вычитаемого соответствующих первых блоков вычитания, группы входов уменьшаемого которых объединены и соединены с группой информационных выходов первого блока памяти, группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, а группа адресных входов соединена с группой информационных выходов блока управления, вторая группа информационных входов которого является первой входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, первая группа информационных входов блока управления соединена со второй группой информационных выходов радионавигатора, группа информационных выходов вычислителя-формирователя соединена с первой группой информационных входов блока принятия решения, вторая группа информационных входов которого соединена с третьей входной установочной шиной устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов блока индикации, дополнительно введены последовательно соединенные дешифратор, второй блок памяти и S вторых блоков вычитания. Группы входов уменьшаемого вторых блоков вычитания соединены с группами информационных выходов соответствующих S первых блоков вычитания. Группа информационных входов дешифратора соединена с группой адресных выходов блока начальной установки корреляторов. Сумматор, группы информационных входов которого соединены с группами информационных выходов соответствующих S первых блоков вычитания, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов второго блока памяти, группа информационных выходов которого соединена с группой входов вычитаемого вторых блоков вычитания. Тактовые входы вторых блоков вычитания объединены с тактовыми входами второго блока памяти и S первых блоков вычитания. Группы информационных выходов вторых блоков вычитания соединены с соответствующими группами информационных входов вычислителя-формирователя.In the claimed device for determining the angular orientation of aircraft, the goal is achieved by the fact that in the known device, consisting of M, M≥4, identical receiving channels from a series-connected antenna element, low-noise amplifier, radio path and digital processing unit designed to convert an analog signal into digital form and its decomposition into quadratures, the two groups of outputs of which are the first and second groups of information outputs of the corresponding receive channel, block of formation reference signals, the output of which is connected to the second inputs of the radio paths of the receiving channels, a clock generator, S correlators, S analysis units, designed to assess the quality of signals received from spacecraft, S + 1 switches, the initial installation of correlators, S phase difference calculation units, S of the first subtraction blocks, the first memory block, the calculator-shaper, designed to form a three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ), the decision block, designed to find the element a three-dimensional measurement matrix with a minimum value, a control unit designed to store the coordinates of the centers of the elementary binding zones and compare these coordinates with the coordinates of the detected spacecraft, display unit, first, second and third input mounting buses, a radio navigator and the M + 1 antenna element, the output of which is connected to the input of the radio navigator, the first information output of which is connected to the control input of the initial installation block of the correlators, the group of information inputs of which combined with the corresponding groups of information inputs of the correlators and the corresponding groups of information outputs of the receiving channels, the clock inputs of which are combined and connected to the clock inputs of the digital processing blocks of the receiving channels, the output of the clock generator, synchronization inputs of the correlators, clock inputs of the control unit, phase difference calculation blocks, the first block memory, first subtraction blocks, calculator-shaper, decision-making block, correlators initial installation block, S + 1-st commute torus, analysis blocks, the second groups of information outputs of which are connected to groups of information inputs of the corresponding phase difference calculation blocks, the first outputs of analysis blocks are connected to the control inputs of the corresponding switches, the third groups of outputs of analysis blocks are connected to the first groups of information inputs of the corresponding switches, groups of information inputs of blocks analysis are connected to groups of information outputs of the corresponding correlators, the first groups of control inputs of which are connected with the corresponding first groups of information outputs of the initial installation block of the correlators, the second groups of inputs of the control of the correlators are connected to the output groups of the corresponding switches, the second groups of information inputs of which are connected to the corresponding second groups of the information outputs of the initial installation of the correlators, the groups of information outputs of the blocks for calculating the phase difference are connected to corresponding groups of inputs of the S + 1-th switch, the group of address inputs of which is connected to the path of the address outputs of the correlators initial installation unit, a S groups of information outputs are connected to the groups of inputs of the subtracted corresponding first subtraction blocks, the groups of inputs of which are reduced are combined and connected to the group of information outputs of the first memory block, the group of information inputs of which is the second input installation bus of the device for determining the angular aircraft orientation, and the group of address inputs is connected to the group of information outputs of the control unit, the second group of the information inputs of which is the first input installation bus of the device for determining the angular orientation of aircraft, the first group of information inputs of the control unit is connected to the second group of information outputs of the radio navigator, the group of information outputs of the calculator-shaper is connected to the first group of information inputs of the decision block, the second group of information inputs of which connected to the third input mounting bus of the device for determining the angular orientation of the aircraft units, and the group of information outputs is connected to the group of information inputs of the display unit, a decryptor, a second memory block and S second subtraction blocks are additionally connected in series. The input groups of the reduced second subtraction blocks are connected to the information output groups of the corresponding S first subtraction blocks. The group of information inputs of the decoder is connected to the group of address outputs of the initial installation block of the correlators. An adder, the group of information inputs of which are connected to the group of information outputs of the corresponding S first subtraction blocks, and the group of information outputs is connected to the group of information inputs of the second memory block, the group of information outputs of which is connected to the group of inputs of the subtracted second subtraction blocks. The clock inputs of the second subtraction blocks are combined with the clock inputs of the second memory block and S of the first subtraction blocks. Groups of information outputs of the second subtraction blocks are connected to the corresponding groups of information inputs of the calculator-shaper.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводятся новые элементы и связи позволяет достичь цели изобретения: обеспечить повышение точности оценивания пространственной ориентации ЛА.The listed new set of essential features due to the fact that new elements and connections are introduced allows to achieve the purpose of the invention: to increase the accuracy of estimating the spatial orientation of the aircraft.
Заявляемые объекты поясняются чертежами, на которых показаны:The inventive objects are illustrated by drawings, which show:
на фиг.1 - структурная схема двухканального аналогового тракта;figure 1 is a structural diagram of a two-channel analog path;
на фиг.2 - порядок выполнения операций:figure 2 - order of operations:
а, б) - формирование элементарных зон привязки и присвоение им порядкового номера;a, b) - the formation of elementary binding zones and the assignment of a serial number to them;
в) - определение координат центра элементарных зон привязки;c) - determination of the coordinates of the center of elementary binding zones;
на фиг.3 - вариант формирования массива эталонных значений раразностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n;figure 3 is a variant of the formation of an array of reference values of phase differences Δφ et.m0 (α i , β j , θ l ) n ;
на фиг.4 - вариант формирования массива измеренных значений разностей фаз
на фиг.5 - очередность вычисления ∆φ(α0,β0,θ0) элемента r(1,1,1) матрицы измерений R(α,β,θ) для соответствующего значения углов (αi,βj,θl);figure 5 - the sequence of calculation ∆φ (α 0 , β 0 , θ 0 ) of the element r (1,1,1) of the measurement matrix R (α, β, θ) for the corresponding value of the angles (α i , β j , θ l );
на фиг.6 - вариант формирования трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ);figure 6 is a variant of the formation of a three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ);
на фиг.7 - структурная схема заявляемого устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов;7 is a structural diagram of the inventive device for determining the angular orientation of aircraft;
на фиг.8 - алгоритм расчета эталонных значений разностей фаз прихода сигналов;on Fig - algorithm for calculating the reference values of the phase differences of the arrival of signals;
на фиг.9 - алгоритм работы блока анализа 8.s;figure 9 - algorithm of the analysis unit 8.s;
на фиг.10 - алгоритм работы блока начальной установки корреляторов;figure 10 - algorithm of the initial installation of the correlators;
на фиг.11 - алгоритм формирования матрицы измерений R(α,β,θ);figure 11 is an algorithm for forming a measurement matrix R (α, β, θ);
на фиг.12 - алгоритм работы блока принятия решения;on Fig - algorithm of the decision block;
на фиг.13 - приведены результаты моделирования точности оценивания пространственного параметра для различных вариантов искажения фазовых параметров в трактах приема измерителя:in Fig.13 - shows the results of modeling the accuracy of estimating the spatial parameter for various variants of the distortion of the phase parameters in the paths of the meter:
а) при отсутствии набега фазы в аналоговых трактах каналов приема;a) in the absence of phase incursion in the analog paths of the reception channels;
б) при наличии незначительного набега фазы в каналах приема;b) in the presence of a slight phase incursion in the reception channels;
в) при большом набеге фазы в каналах приема;c) with a large phase incursion in the reception channels;
г) при большом набеге фазы в каналах приема и реализации заявляемых способе и устройстве.g) with a large phase incursion in the reception and implementation channels of the inventive method and device.
В приведенных выше способах определения пространственной ориентации ЛА основной операцией является нахождения отклонения между измеренной разностью фаз и эталонной. Однако ни в одном из них не акцентируется внимание на набеге фазы φкан, который входит в состав измеренной фазы.In the above methods for determining the spatial orientation of an aircraft, the main operation is to find the deviation between the measured phase difference and the reference. However, none of them focuses on the incursion of the phase φ channel , which is part of the measured phase.
На фиг.1 приведена структурная схема двухканального аналогового тракта. Пусть на входе нулевого (опорного) приемного канала регистрируется фаза сигнала φ0, а первого канала φ1. Несмотря на наличие общего опорного генератора, в каждом из них происходит уникальный набег фазы φкан0 и φкан1 соответственно. Последнее вызвано разбросом параметров комплектующих элементов и особенностями их установки. Характеристики аналоговых трактов со временем претерпевают изменения. Кроме того, ремонт трактов приема или их замена в процессе эксплуатации (последнее часто имеет место в измерителях на беспилотных летательных аппаратах) также усложняет ситуацию. Все это влечет за собой ошибки оценивания пространственных параметров ЛА. В настоящее время в качестве основного средства борьбы с ними выступает калибровка каналов, которую необходимо выполнять регулярно.Figure 1 shows the structural diagram of a two-channel analog path. Let the phase of the signal φ 0 and the first channel φ 1 be recorded at the input of the zero (reference) receiving channel. Despite the presence of a common reference generator, a unique phase incursion φ kan0 and φ kan1, respectively, occurs in each of them. The latter is caused by the scatter of the parameters of component parts and the features of their installation. The characteristics of analog paths undergo changes over time. In addition, repair of the receiving paths or their replacement during operation (the latter often takes place in meters on unmanned aerial vehicles) also complicates the situation. All this entails the estimation of the spatial parameters of the aircraft. Currently, the main means of dealing with them is channel calibration, which must be performed regularly.
Предлагаемый способ позволяет исключить влияние набега фазы φкан. Суть его состоит в том, что для определения пространственной ориентации объекта используются сигналы от нескольких источников. Все они принимаются одними и теми же каналами, набег фазы в которых будет одинаковым.The proposed method eliminates the influence of the phase incursion φ channel . Its essence is that to determine the spatial orientation of an object, signals from several sources are used. All of them are received by the same channels, the phase incursion in which will be the same.
В общем виде разность фаз сигнала первого КА между первым и нулевым (опорным) каналами имеет видIn general, the phase difference of the signal of the first spacecraft between the first and zero (reference) channels has the form
Для сигналов второго КА
При выполнении операции вычитания
Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом. На подготовительном этапе выполняются следующие операции. Сферу над антенной решеткой равномерно разбивают на N=D/D0 элементарных зон привязки (см. фиг.1а). Размеры элементарной зоны привязки соответствуют предварительно заданной точности измерения угловой ориентации объекта (точности измерения углов тангажа α1, крена βj и азимута θl антенной решетки). Сфера над АР рассчитывается на удалении ~20 тыс. км (высоте полета КА глобальных навигационных спутниковых систем). Далее находятся географические координаты центров элементарных зон привязки {X, Y, Z}n и каждой из них присваивается порядковый номер bn(αi,βj,θl) (см. фиг.1б, в) из набора n=1, 2, …, N.The implementation of the proposed method is illustrated as follows. At the preparatory stage, the following operations are performed. The sphere above the antenna array is evenly divided into N = D / D 0 elementary snap zones (see figa). The dimensions of the elementary binding zone correspond to a predetermined accuracy of measuring the angular orientation of the object (accuracy of measuring pitch angles α 1 , roll β j and azimuth θ l of the antenna array). The sphere above the AR is calculated at a distance of ~ 20 thousand km (the altitude of the spacecraft of global navigation satellite systems). Next are the geographical coordinates of the centers of the elementary binding zones {X, Y, Z} n and each of them is assigned a serial number b n (α i , β j , θ l ) (see fig. 1b, c) from the set n = 1, 2, ..., N.
На следующем этапе рассчитываются эталонные значения разностей фаз прихода сигналов (см. фиг.8) для каждой пары антенных элементов Am0, m=1, 2, …, M-1, относительно координат местоположения центров каждой элементарной зоны привязки.At the next stage, the reference values of the phase differences of the signal arrival are calculated (see Fig. 8) for each pair of antenna elements A m0 , m = 1, 2, ..., M-1, relative to the coordinates of the location of the centers of each elementary binding zone.
Порядок расчета эталонных значений разностей фаз ∆φэт.m0(α0,β0,θ0) следующий. Вводят топологию антенной решетки объекта. Последняя включает взаимные расстояния между антенными элементами АР и ее ориентацию. При проведении моделирования АР целесообразно условно размещать в центре исследуемого района на высоте предстоящих измерений, например 2-3 км. В процессе расчета значений ∆φэт.m0(α0,β0,θ0)n моделируют размещение эталонного источника поочередно в центрах всех элементарных зон привязки bn, n=1, 2, …, N. Последовательно дискретно изменяют ориентацию АР на заданные значения углов ∆α, ∆β, ∆θ в предварительно определенных пределах {αmin, αmax}, {βmin, βmax} и {θmin, θmax}, {αmax-αmin)/∆α=I, (βmax-βmin)/∆β=J, (θmax-θmin)/∆θ=L без изменения координат центра АР относительно центров элементарных зон привязки. Следует отметить, что значения ∆α, ∆β, ∆θ находятся в соответствии с количеством элементарных зон привязки N=(I+1)·(J+1)·(L+1) и определяются заданной точностью выполняемых измерений. При этом полагается, что фронт приходящей к АР волны плоский. Для используемых комбинаций пар антенных элементов АР и всех возможных углов αi, βj, θl вычисляются значения разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n для каждой элементарной зоны привязки bn:The procedure for calculating the reference values of the phase differences ∆φ et.m0 (α 0 , β 0 , θ 0 ) is as follows. The topology of the antenna array of the object is introduced. The latter includes the mutual distances between the antenna elements of the AR and its orientation. When conducting the simulation, it is advisable to conditionally place them in the center of the study area at the height of upcoming measurements, for example, 2-3 km. In the process of calculating the values of ∆φ et.m0 (α 0 , β 0 , θ 0 ) n, model the placement of the reference source alternately in the centers of all elementary binding zones b n , n = 1, 2, ..., N. The AR orientation is successively discrete set values of the angles Δα, Δβ, Δθ in the predefined limits {α min , α max }, {β min , β max } and {θ min , θ max }, {α max- α min ) / Δα = I, (β max- β min ) / Δβ = J, (θ max -θ min ) / Δθ = L without changing the coordinates of the center of the AR relative to the centers of the elementary binding zones. It should be noted that the values Δα, Δβ, Δθ are in accordance with the number of elementary binding zones N = (I + 1) · (J + 1) · (L + 1) and are determined by the specified accuracy of the measurements. It is assumed that the front of the wave arriving at the AR is flat. For the combinations of pairs of antenna elements AR and all possible angles α i , β j , θ l used, the values of the phase differences ∆φ et.m0 (α i , β j , θ l ) n are calculated for each elementary binding zone b n :
где
расстояние между плоскими фронтами волн в m-м и нулевом антенных элементах, пришедших из bn-й элементарной зоны привязки к решетке под углами γn в азимутальной и µn в вертикальной плоскостях, m≠0; xm,ym,zm и x0,y0,z0 - координаты m-го и нулевого антенных элементов решетки, C - скорость света, fs - частота сигнала s-го спутника (см. фиг.2).the distance between the planar wave front in the m-th antenna elements and zero coming from b n-th unit lattice anchor zone to the angles in the azimuth γ n μ n and vertical planes, m ≠ 0; x m , y m , z m and x 0 , y 0 , z 0 are the coordinates of the mth and zero antenna elements of the array, C is the speed of light, f s is the frequency of the signal of the s-th satellite (see figure 2).
Координаты местоположения АЭ для различных значений углов антенной решетки определяются следующим образом:The coordinates of the AE location for various values of the angles of the antenna array are determined as follows:
xm=(cos(β)cos(θ)-sin(α)sin(β)sin(θ))xm0-cos(α)sin(θ)ym0+(sin(β)sin(θ)-sin(α)cos(β)cos(θ))zm0;x m = (cos (β) cos (θ) -sin (α) sin (β) sin (θ)) x m0 -cos (α) sin (θ) y m0 + (sin (β) sin (θ) - sin (α) cos (β) cos (θ)) z m0 ;
ym=(cos(β)sin(θ)+sin(α)sin(β)sin(θ))xm0+cos(α)sin(θ)ym0+(sin(β)sin(θ)-sin(α)cos(β)cos(θ))zm0;y m = (cos (β) sin (θ) + sin (α) sin (β) sin (θ)) x m0 + cos (α) sin (θ) y m0 + (sin (β) sin (θ) - sin (α) cos (β) cos (θ)) z m0 ;
zm=-cos(α) sin(β)xm0+sin(α)ym0+cos(α)cos(β)zm0,z m = -cos (α) sin (β) x m0 + sin (α) y m0 + cos (α) cos (β) z m0 ,
где xm0, ym0, zm0 - координаты антенных элементов решетки при α=0, β=0 и θ=0, m=0, 1, …, M-1.where x m0 , y m0 , z m0 are the coordinates of the antenna elements of the array at α = 0, β = 0 and θ = 0, m = 0, 1, ..., M-1.
Полученные в результате вычислений значения разностей фаз ∆φэт.m0(αi, βj, θl)n оформляют в виде эталонного массива данных, вариант представления информации в котором показан на фиг.3.The resulting values of the phase differences Δφ et.m0 (α i , β j , θ l ) n are calculated as a reference data array, the embodiment of which is shown in FIG. 3.
В процессе работы при обнаружении сигналов от КА глобальной навигационной спутниковой системы формируют массив измеренных разностей фаз
В рамках заявляемого способа достоверность информации о поле сигнала достигается:In the framework of the proposed method, the reliability of information about the signal field is achieved:
габаритными характеристиками (разносом между антенными элементами АР);overall characteristics (spacing between antenna elements of the AR);
размерностью (количеством антенных элементов М) АР;dimension (the number of antenna elements M) AR;
характеристиками антенных элементов и их взаимной ориентацией.characteristics of antenna elements and their relative orientation.
Осуществление этих требований рассматривается ниже в рамках реализации устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов.The implementation of these requirements is discussed below as part of the implementation of the device for determining the angular orientation of aircraft.
На следующем этапе реализации заявляемого способа вычисляют разность между эталонными разностями фаз, соответствующими углам АР α0, β0, θ0 для bn-й элементарной зоны привязки (для зоны, где обнаружен первый из КА глобальной навигационной спутниковой системы с известными координатами {x,y,z}n) и измеренными разностями фаз
Информация о местоположении КА поступает с его борта на частоте fs. На основе последней принимают решение о текущем номере элементарной зоны привязки, в которой находится КА.Information about the location of the spacecraft comes from its board at a frequency f s . Based on the latter, a decision is made on the current number of the elementary binding zone in which the spacecraft is located.
Аналогичные операции выполняют с сигналами всех S используемых в работе КА. В качестве опорных выбирают измерения разности фаз сигналов одного из КА, например первого обнаруженного.Similar operations are performed with signals of all S used in the operation of the spacecraft. As reference, measurements of the phase difference of the signals of one of the spacecraft, for example, the first detected, are selected.
Далее для все M каналов и S-1 КА рассчитывают разность разности фаз
Выполнение этой операции позволяет устранить набег фазы φкан во всех используемых приемных каналах.Performing this operation eliminates the incursion of the phase φ kan in all used receiving channels.
На следующем этапе значения
На фиг.5 иллюстрируется порядок вычисления сумм ∆φ(α0,β0,θ0) для исходного положения АР. Операция возведения в квадрат (5) необходима для того, чтобы полученные в выражении (3) разности, имеющие разный знак, не компенсировали друг друга в результате выполнения операции сложения. Полученное значение ∆φ(α0,β0,θ0) запоминается в элементе r(1,1,1) трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ).Figure 5 illustrates the procedure for calculating the sums Δφ (α 0 , β 0 , θ 0 ) for the initial position of the AP. The operation of squaring (5) is necessary so that the differences obtained in expression (3) having a different sign do not cancel each other as a result of the addition operation. The obtained value ∆φ (α 0 , β 0 , θ 0 ) is stored in the element r (1,1,1) of the three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ).
Аналогичные операции (выражения 3-5) выполняются для всех возможных углов (αi,βj,θl) ориентации АР, i=0, 1, 2, …, I; j=0, 1, 2, …, J, l=0, 1, 2, …, L. На основе полученных значений ∆φ(αi,βj,θl) формируют трехмерную матрицу измерений R(α,β,θ), размерность которой определяется выражением (I+1)×(J+1)×(L+1). Данную операцию реализуют путем записи в элементы r{i+1,j+1,l+1} матрицы измерений R(α,β,θ) соответствующих значений ∆φ(αi,βj,θl) (см. фиг.6). За измеренную ориентацию АР и объекта принимают значения углов (αi,βj,θl), соответствующие элементу r{i+1,j+1,l+1} матрицы измерений R(α,β,θ), имеющему минимальное значение.Similar operations (expressions 3-5) are performed for all possible angles (α i , β j , θ l ) of the AP orientation, i = 0, 1, 2, ..., I; j = 0, 1, 2, ..., J, l = 0, 1, 2, ..., L. Based on the obtained values of Δφ (α i , β j , θ l ), a three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ), the dimension of which is determined by the expression (I + 1) × (J + 1) × (L + 1). This operation is realized by writing into the elements r {i + 1, j + 1, l + 1} of the measurement matrix R (α, β, θ) the corresponding values of Δφ (α i , β j , θ l ) (see Fig. 6). The angles (α i , β j , θ l ) corresponding to the element r {i + 1, j + 1, l + 1} of the measurement matrix R (α, β, θ) having the minimum value .
Таким образом, в предлагаемом способе повышение точности оценивания пространственной ориентации ЛА достигается благодаря устранению погрешностей измерения фазы сигнала из-за ее искажения (набега) в аналоговых трактах.Thus, in the proposed method, improving the accuracy of estimating the spatial orientation of the aircraft is achieved by eliminating errors in the measurement of the phase of the signal due to its distortion (incursion) in the analog paths.
На фиг.13 приведены результаты моделирования одномерного оценивания пространственных параметров (определения одного из трех пространственных углов ЛА) с помощью способа-прототипа и предлагаемым способом. В эксперименте задействована АР из четырех АЭ и пять КА. Расстояние между антенными элементами составило 1 метр. При отсутствии набега фазы в аналоговых трактах φкан.1=φкан.2=φкан.3=φкан.4=0° график отклонений для всех возможных направлений 0°-360° представлен на фиг.13а. Из его рассмотрения следует, что минимум функции отклонений приходится на направление 30° и совпадает с истинным направлением.Figure 13 shows the results of modeling one-dimensional estimation of spatial parameters (determining one of the three spatial angles of the aircraft) using the prototype method and the proposed method. The experiment involved AR of four AEs and five spacecraft. The distance between the antenna elements was 1 meter. In the absence of phase incursion in the analog paths φ channel 1 = φ channel 2 = φ channel 3 = φ channel 4 = 0 °, the deviation graph for all
При внесении набега фазы в трактах приема φкан.1=0°, φкан.2=30°, φкан.3=40°, φкан.4=40° минимум функции находится на направлении 31,29°, что соответствует ошибке определения направления 1,29° (см. фиг.13б).When introducing a phase incursion in the receiving paths,
Увеличение набега фазы в трактах приема до значений φкан.1=0°, φкан.2=80°, φкан.3=90°, φкан.4=-70° (см. фиг.13в) приводит к смещению минимума функции на направление 140° (ошибка составляет 110°). Следовательно, при больших набегах фазы устройство теряет свою работоспособность. Использование в этих условиях предлагаемых способа и устройства, базирующихся на использовании
Заявляемое устройство (см. фиг.7) содержит M, M≥4, идентичных приемных каналов из последовательно соединенных антенного элемента 1.0-1.М-1, малошумящего усилителя 2.1-2.М, радиотракта 3.1-3.М и блока цифровой обработки 5.0-5.М-1, предназначенного для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и разложения его на квадратуры, две группы выходов блоков 5.0-5.М-1,являющихся первой и второй группами информационных выходов соответствующего канала приема, блок формирования опорных сигналов 4, выход которого соединен со вторыми входами радиотрактов 3.1-3.М-1 приемных каналов, тактовый генератор 6, S корреляторов 7.1-7.5, S блоков анализа 8.1-8.S, предназначенных для оценки качества принимаемых от космических аппаратов (КА) сигналов, S+1 коммутаторов 9.1-9.S и 11, блок начальной установки корреляторов 10, S блоков вычисления разности фаз 15.1-15.S, S первых блоков вычитания 16, первый блок памяти 22, вычислитель-формирователь 18, предназначенный для формирования трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ), блок принятия решения 25, предназначенный для нахождения элемента трехмерной матрицы измерений с минимальным значением, блок управления 14, предназначенный для хранения координат центров элементарных зон привязки и сравнения этих координат с координатами обнаруженного космического аппарата, блок индикации 26, первую 19, вторую 20 и третью 24 входные установочные шины, радионавигатор 12 и М+1-й антенный элемент 13, выход которого подключен ко входу радионавигатора 12. Первый информационный выход блока 12 соединен со входом управления блока начальной установки корреляторов 10. Группы информационных входов блока 10 объединены с соответствующими группами информационных входов корреляторов 7.1-7.S и соответствующими группами информационных выходов приемных каналов. Тактовые входы приемных каналов объединены и соединены с тактовыми входами блоков цифровой обработки приемных каналов 5.1-5.М-1, выходом тактового генератора 6, входами синхронизации корреляторов 7.1-7.S, тактовыми входами блока управления 14, блоков вычисления разности фаз 15.1-15.S, первого блока памяти 22, первых блоков вычитания 16, вычислителя-формирователя 18, блока принятия решения 25, блока начальной установки корреляторов 10, S+1-го коммутатора 11, блоков анализа 8.1-8.S. Вторые группы информационных выходов блоков 8.1-8.S соединены с группами информационных входов соответствующих блоков вычисления разности фаз 15.1-15.S. Первые выходы блоков анализа 8.1-8.S соединены со входами управления соответствующих коммутаторов 9.1-9.S, третьи группы выходов блоков анализа 8.1-8.S соединены с первыми группами информационных входов соответствующих коммутаторов 9.1-9.S. Группы информационных входов блоков анализа 8.1-8.S соединены с группами информационных выходов соответствующих корреляторов 7.1-7.S, первые группы входов управления блоков 7.1-7.S соединены с соответствующими первыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов 10. Вторые группы входов управления корреляторов 7.1-7.S соединены с группами выходов соответствующих коммутаторов 9.1-9.S, вторые группы информационных входов блоков 9.1-9.S соединены с соответствующими вторыми группами информационных выходов блока начальной установки корреляторов 10. Группы информационных выходов блоков вычисления разности фаз 15.1-15.S соединены с соответствующими группами входов S+1-го коммутатора 11. Группа адресных входов блока 11 соединена с группой адресных выходов блока начальной установки корреляторов 10, а S групп информационных выходов соединены с группами входов вычитаемого соответствующих первых блоков вычитания 16. Группы входов уменьшаемого блока 16 объединены и соединены с группой информационных выходов первого блока памяти 22. Группа информационных входов блока 22 является второй входной установочной шиной 20 устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов, а группа адресных входов соединена с группой информационных выходов блока управления 14. Вторая группа информационных входов блока 14 является первой входной установочной шиной 19 устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов. Первая группа информационных входов блока управления 14 соединена со второй группой информационных выходов радионавигатора 12. Группа информационных выходов вычислителя-формирователя 18 соединена с первой группой информационных входов блока принятия решения 25, вторая группа информационных входов которого соединена с третьей входной установочной шиной 24 устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов. Группа информационных выходов блока 25 соединена с группой информационных входов блока индикации 26.The inventive device (see Fig.7) contains M, M≥4, identical receiving channels from the series-connected antenna element 1.0-1.M-1, low-noise amplifier 2.1-2.M, radio path 3.1-3.M and digital processing unit 5.0-5.M-1, designed to convert an analog signal into digital form and its decomposition into quadratures, two groups of outputs of blocks 5.0-5.M-1, which are the first and second groups of information outputs of the corresponding reception channel, block for generating reference signals 4 the output of which is connected to the second inputs of the radio paths 3.1-3. M-1 receiving channels,
Для повышения точности измерения пространственных углов объекта за счет исключения влияния набега фазы в аналоговых трактах измерителя дополнительно введены последовательно соединенные дешифратор 21, второй блок памяти 23 и 5 вторых блоков вычитания 17, группы входов уменьшаемого которых соединены с группами информационных выходов соответствующих 5 первых блоков вычитания 16. Группа информационных входов дешифратора 21 соединена с группой адресных выходов блока начальной установки корреляторов 10. Сумматор 27, группы информационных входов которого соединены с группами информационных выходов соответствующих S первых блоков вычитания 16, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов второго блока памяти 23. Тактовые входы блока 16 объединены с тактовыми входами второго блока памяти 23 и S вторых блоков вычитания 17. Группы информационных выходов блока 17 соединены с соответствующими группами информационных входов вычислителя-формирователя 18.To increase the accuracy of measuring the spatial angles of the object by eliminating the influence of phase incursion in the analog paths of the meter, sequentially connected decoder 21, a
Работа заявляемого устройства определения угловой ориентации летательных аппаратов (см. фиг.7) осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе по аналогии с прототипом сфера над антенной решеткой, находящаяся на удалении ~20 тысяч километров, равномерно разбивается на N элементарных зон привязки (см. фиг.2). Площадь элементарной зоны привязки D0 определяется заданной точностью измерения углов тангажа ∆α, крена ∆β и азимута ∆θ. Вычисляются координаты местоположения центров элементарных зон привязки {X,Y,Z}n. Каждой элементарной зоне присваивают порядковый номер n, n=1, 2, …, N (см. фиг.2).The operation of the claimed device for determining the angular orientation of aircraft (see Fig.7) is as follows. At the preparatory stage, by analogy with the prototype, the sphere above the antenna array, located at a distance of ~ 20 thousand kilometers, is evenly divided into N elementary snap zones (see figure 2). The area of the elementary binding zone D 0 is determined by the given accuracy of measuring the pitch angles ∆α, roll ∆β and azimuth ∆θ. The coordinates of the location of the centers of the elementary binding zones {X, Y, Z} n are calculated. Each elementary zone is assigned a serial number n, n = 1, 2, ..., N (see figure 2).
На следующем этапе рассчитывают эталонные значения разностей фаз прихода сигналов для каждой пары антенных элементов Am0, m=0, 1, 2, …, М-1, относительно координат местоположения центров каждой элементарной зоны привязки ∆φэт.m0(α0,β0,θ0)n. Для этого предварительно осуществляют описание пространственных характеристик АР 1.0-1.М-1, Последовательно дискретно изменяют ориентацию АР на заданные значения углов ∆α, ∆β, ∆θ в предварительно определенных пределах {αmin, αmax}, {βmin, βmax} и {θmin, θmax} без изменения координат центра АР относительно центров элементарных зон привязки. Для каждого положения АР (αi,βj,θl) и для каждого центра элементарных зон привязки в соответствии с (1) и (2) рассчитывают эталонные значения разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n. Данные операции легко реализуются на специализированной микропроцессорной сборке и в рамках представленных материалов рассмотрению не подлежат. Результаты выполнения названных операций (а именно номера и координаты центров элементарных зон привязки) поступают на первую входную установочную шину 19 устройства, а соответствующие им эталонные значения разностей фаз ∆φ(αi,βj,θl)n - на вторую входную установочную шину 20.At the next stage, the reference values of the phase differences of the signal arrival are calculated for each pair of antenna elements A m0 , m = 0, 1, 2, ..., M-1, relative to the coordinates of the location of the centers of each elementary binding zone ∆φ et.m0 (α 0 , β 0 , θ 0 ) n . For this, the spatial characteristics of AR 1.0-1 are preliminarily described. M-1. The orientation of the AR is sequentially discretely changed to given angles Δα, Δβ, Δθ in predetermined limits {α min , α max }, {β min , β max } and {θ min , θ max } without changing the coordinates of the center of the AP relative to the centers of the elementary binding zones. For each position of the AR (α i , β j , θ l ) and for each center of the elementary binding zones, in accordance with (1) and (2), the reference values of the phase differences Δφ et.m0 (α i , β j , θ l ) n . These operations are easily implemented on a specialized microprocessor assembly and are not subject to consideration within the framework of the materials presented. The results of the above operations (namely, the numbers and coordinates of the centers of the elementary binding zones) are sent to the first input installation bus 19 of the device, and the corresponding reference values of the phase differences Δφ (α i , β j , θ l ) n are sent to the second input installation bus twenty.
В основе предлагаемого устройства угловой ориентации объектов по сигналам КА глобальных навигационных спутниковых систем лежит фазовый интерферометр (см. Torrieri D.J. Principles of military communications systems. Dedham, Massachusetts. Artech House, inc., 1981. - 298 р.) с дополнениями, связанными с измерением
Принятые антенными элементами 1.0-1.М-1 высокочастотные сигналы от первого обнаруженного КА на частоте fs=1575,42 МГц усиливают в соответствующих малошумящих усилителях 2.0-2.М-1 (см. фиг.7). Далее они поступают на входы соответствующих радиотрактов 3.0-3.М-1 каналов приема. В блоках 3.0-3.М-1 обеспечивают преобразование принятых сигналов в электрические сигналы промежуточной частоты, их усиление на 20 дБ, а также избирательность по соседним каналам приема. Следует отметить, что полоса пропускания блоков 3.0-3.М-1 согласована с максимально возможным доплеровским сдвигом частоты сигнала КА. Значение промежуточной частоты определяется характеристиками аналого-цифровых преобразователей блоков 5.0-5.М-1 и составляет, например, 90,42 МГц.The high-frequency signals received by the antenna elements 1.0-1.M-1 from the first detected spacecraft at a frequency f s = 1575.42 MHz are amplified in the corresponding low-noise amplifiers 2.0-2.M-1 (see Fig. 7). Then they enter the inputs of the corresponding radio paths 3.0-3.M-1 of the reception channels. In blocks 3.0-3.M-1 provide the conversion of the received signals into electrical signals of intermediate frequency, their amplification by 20 dB, as well as selectivity for adjacent reception channels. It should be noted that the bandwidth of blocks 3.0-3.M-1 is consistent with the maximum possible Doppler frequency shift of the spacecraft signal. The value of the intermediate frequency is determined by the characteristics of the analog-to-digital converters blocks 5.0-5.M-1 and is, for example, 90.42 MHz.
Сигналы промежуточной частоты дискретизируют и квантуют в блоках цифровой обработки сигналов 5.0-5.М-1. Интервал дискретизации выбирают в соответствии с теоремой отсчетов (см. Введение в цифровую фильтрацию. Под. ред. Р.Богнера и А.Константидиса. - М.: Мир, 1976, стр.26-27).The intermediate frequency signals are sampled and quantized in digital signal processing units 5.0-5.M-1. The sampling interval is chosen in accordance with the sampling theorem (see Introduction to Digital Filtering. Edited by R. Bogner and A. Konstantidis. - M .: Mir, 1976, pp. 26-27).
Большинство алгоритмов обработки сигналов рассчитаны на работу с комплексными сигналами. Для перехода от действительных к комплексным сигналам применяют квадратурные преобразования сигналов. В результате на выходах каждого из М приемных каналов формируют две последовательности отсчетов Im и Qm, описывающих принимаемые сигналы КА, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Синхронизацию работы элементов блоков цифровой обработки 5.0-5.М-1 приемных каналов осуществляют сигналами тактового генератора 6. Аналогично принимают, оцифровывают и раскладывают на квадратуры сигналы от всех S спутников.Most signal processing algorithms are designed to work with complex signals. To transition from real to complex signals, quadrature signal transformations are used. As a result, at the outputs of each of the M receiving channels, two sequences of samples I m and Q m are formed that describe the received signals of the
Космические аппараты глобальных навигационных спутниковых систем используют сигналы фазовой манипуляции, например BPSK, которые могут приниматься лишь когерентно (см. Григорьев В.А. Передача сообщений по зарубежным информационным сетям. - Л.: ВАС, 1989. стр.98-102). Когерентное детектирование заключается в сравнении фазоманипулированного сигнала с опорным напряжением Uоп(t), которое синхронно и синфазно с несущей и получается обычно путем обработки самого принимаемого сигнала.The spacecraft of global navigation satellite systems use phase-shift keying signals, for example BPSK, which can only be received coherently (see V. Grigoriev, Messaging overseas information networks. - L .: VAS, 1989. pp. 98-102). Coherent detection consists in comparing a phase-shifted signal with a reference voltage U op (t), which is synchronously and in phase with the carrier and is usually obtained by processing the received signal itself.
Известно, что с помощью устройства GPS U-blox (в заявляемом устройстве блок 12) принимают сигналы КА глобальных навигационных спутниковых систем с интервалом в 1 секунду, которые содержат следующие параметры:It is known that using the GPS U-blox device (block 12 in the inventive device), the satellite signals of global navigation satellite systems are received with an interval of 1 second, which contain the following parameters:
текущее положение объекта {X,Y,Z};the current position of the object {X, Y, Z};
время GPS (TOW);GPS time (TOW);
эфемериды (для каждого обнаруженного спутника).ephemeris (for each satellite detected).
По этим данным для каждого спутника определяют его номер, положение в пространстве и доплеровское смещение частоты Fдопл. Последнее связано с тем, что спутник и объект находится в движении. Практические испытания показали, что изменение Fдопл составляет примерно 1 Гц за 1 с. Само изменение происходит монотонно, но скорость этого изменения зависит от положения спутника (чем меньше угол места, тем больше скорость "ухода"). Опытным путем было определено, что параметр Fдопл необходимо обновлять не реже, чем 1 раз в 20 мс, а с борта КА значение Fдопл поступает лишь 1 раз в секунду. Данная задача в предлагаемом устройстве (по аналогии с прототипом) решается следующим образом. С помощью блоков 12 и 13 принимаются сигналы КА. Радионавигатор 12 определяет номер обнаруженного спутника s, вычисляет значение доплеровского смещения частоты
С первого выхода блока 12 (стык RS232) на вход управления блока начальной установки корреляторов 10 последовательно поступает информация о номерах обнаруженных спутников s и соответствующих им доплеровских сдвигах частоты Fдопл. В функции блока 10 входит определение позиции максимума функции корреляции между опорным и оцениваемым сигналами всех обнаруженных КА. В качестве опорного сигнала используют выборку ПСПs длиной в один период (2046 точек), формируемую блоком 10 в соответствии с номером s обнаруженного спутника. В качестве оцениваемого сигнала используется выборка точек длиной в два периода ПСПs (4092 точек), принятая одним из приемных каналов и записанная в блок 10. Одновременно с вычислением корреляционной функции осуществляют поиск позиции ее максимального значения Ks. Следует отметить, что операции записи оцениваемого сигнала в блоке 10 предшествует уточнение частоты сигнала fs s-го спутника на значении
Назначение корреляторов 7.1-7.S состоит в постоянном вычислении корреляционных функций сигналов соответствующих спутников s=1, 2, 3, …, S. Количество корреляторов как правило соответствует числу наблюдаемых спутников S. Каждый коррелятор содержит М идентичных каналов обработки по числу каналов приема и настраивается на сигналы "своего" КА. В общем случае чем больше количество наблюдаемых КА, а соответственно и корреляторов, тем точнее оцениваются угловые параметры объекта α, β и θ. Однако при этом возрастает сложность реализации устройства и временные затраты на выполняемые операции.The purpose of correlators 7.1-7.S is to constantly calculate the correlation functions of the signals of the respective satellites s = 1, 2, 3, ..., S. The number of correlators usually corresponds to the number of satellites S. Each correlator contains M identical processing channels by the number of reception channels and tuned to the signals of "their" spacecraft. In the general case, the larger the number of observed spacecraft, and accordingly the correlators, the more accurately the angular parameters of the object α, β, and θ are estimated. However, this increases the complexity of the implementation of the device and the time spent on operations.
В корреляторах 7.1-7.S предварительно осуществляют комплексное понижение частоты сигнала fs на соответствующее значение
и далее определяют максимальные значения
Если имеет место невыполнение пороговых условий
Блоки 15.1-15.S обеспечивают вычисление разности фаз между сигналами, принятыми в нулевом (блоки 1.0, 2.0, 3.0 и 5.0) и других М-1 каналах приемаBlocks 15.1-15.S provide the calculation of the phase difference between the signals received in the zero (blocks 1.0, 2.0, 3.0 and 5.0) and other M-1 reception channels
Результаты вычислений с выходов блоков 15.1-15.S поступают на соответствующие группы входов S+1-го коммутатора 11 и далее на соответствующие входы вычитаемого блоков вычитания 16.1-16.S. Здесь очередным тактовым импульсом блока 6 их записывают в соответствующие буферные регистры (см. фиг.4). Одновременно в блоке управления 14 выполняют операцию сравнения хранящихся в его перепрограммируемой памяти координат центров элементарных зон привязки {X,Y,Z}n и поступивших на его первую группу информационных входов координат КА (со второй группы информационных выходов радионавигатора 12). В результате на выходах блока управления 14 формируют код числа n (соответствующий номеру элементарной зоны привязки, в которой в данный момент времени находится s-й КА) поступающий на адресные входы первого блока памяти 22 (см. фиг.7). С приходом очередного тактового импульса блока 6 значения эталонных разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n для n-й элементарной зоны привязки поступают на группы входов уменьшаемого блоков вычитания 16.1-16.S. В функции S+1-го коммутатора 11 входит обеспечение прохождения измеренной разности фаз (7) только от блока 15.s. Последние соответствуют сигналам s-го KA, находящегося в данный момент времени в n-й элементарной зоне привязки. Текущая информация о номере спутника s на группу адресных входов блока 11 поступает с адресных выходов блока 10. Аналогичные операции с помощью блоков 12, 10, 14, 11, 15.1-15.S, 14 и 16.1-16.S выполняются по всем S обнаруженным спутникам. Результаты вычислений (выражение 3, фиг.5) поступают на соответствующие группы информационных входов S вторых блоков вычитания 17.The results of the calculations from the outputs of blocks 15.1-15.S go to the corresponding input groups of S + 1 of the
Одновременно номер KA S с группы адресных выходов блока начальной установки корреляторов 10 поступает на группу информационных входов дешифратора 21. На подготовительном этапе в блоке 21 задается номер KA S, выбранного в качестве опорного. Пусть в качестве последнего выбран KA с S=1. При возникновении в ходе работы устройства данной ситуации на выходе блока 21 формируется управляющий сигнал, реализующий запись значений
При переходе первого KA в n+1-ю элементарную зону содержимое блока 23 обновляется в соответствии с выше описанным алгоритмом. Далее результаты вычислений с S-1 групп информационных выходов блока 17 поступают на соответствующие группы информационных выходов вычислителя-формирователя 18.When the first KA moves to the n + 1st elementary zone, the contents of block 23 are updated in accordance with the algorithm described above. Further, the results of calculations from S-1 of the groups of information outputs of block 17 are supplied to the corresponding groups of information outputs of the calculator-
Основной задачей вычислителя-формирователя 18 является формирование трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ). С этой цельюThe main task of the calculator-
полученные в блоках 17.1-17.S-1 разности разностей фаз возводят в квадрат и суммируются (выражение 5). Аналогичные операции выполняют над сигналами всех используемых в работе КА. Полученные результаты (см. фиг.5 и 6) запоминают в качестве элемента трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ). В функции блока принятия решения 25 входит нахождение элемента r{i+1,j+1,l+1} трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ) с минимальными значениями, которому однозначно соответствуют оцениваемые угловые параметры объекта αi, βj и θl. Результаты измерений в заданной форме отображаются в блоке 26.the phase differences obtained in blocks 17.1-17.S-1 are squared and summed (expression 5). Similar operations are performed on the signals of all spacecraft used in the work. The results obtained (see FIGS. 5 and 6) are stored as an element of the three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ). The functions of decision block 25 include finding the element r {i + 1, j + 1, l + 1} of the three-dimensional measurement matrix R (α, β, θ) with minimal values, which uniquely corresponds to the estimated angular parameters of the object α i , β j and θ l . The measurement results in a given form are displayed in block 26.
В устройстве, реализующем предложенный способ, используются известные элементы и блоки, описанные в научно-технической литературе. Блоки с 1 по 16, 18, 22, 25 и 26 реализуются аналогично соответствующим блокам прототипа. Варианты реализации антенных элементов 1.0-1.М-1, а также 13 широко рассмотрены в литературе (см. Саидов А.С. и др. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов. - М.: Радио и связь, 1997).The device that implements the proposed method uses known elements and blocks described in the scientific and technical literature.
Антенная решетка 1.0-1.М-1 и АЭ 13 могут быть реализованы на антеннах С576 (см. E-mail: support@novatel.com. Web: www.novatel.com US&Canada). Антенные элементы настроены на частоту 1575,42 МГц. В случае использования антенной решетки из четырех АЭ, расположенных в одной плоскости в углах квадрата, расстояние между соседними элементами может составлять 1 м. В общем случае плоскость антенной решетки 1.0-1.М-1 может быть произвольно ориентирована относительно осей симметрии объекта. В данном случае вносится склонение по углам α, β и θ в эталонные значения (блок 22) или в блоке принятия решения 25.Antenna array 1.0-1. M-1 and AE 13 can be implemented on C576 antennas (see E-mail: support@novatel.com. Web: www.novatel.com US & Canada). Antenna elements are tuned to a frequency of 1575.42 MHz. In the case of using an antenna array of four AEs located in the same plane at the corners of the square, the distance between adjacent elements can be 1 m. In the general case, the plane of the antenna array 1.0-1. M-1 can be arbitrarily oriented relative to the symmetry axes of the object. In this case, the declination at angles α, β, and θ is introduced into the reference values (block 22) or in decision block 25.
Малошумящие усилители 2.0-2.М-1 выполняют функции предварительной избирательности по соседним каналам приема и усиления. Могут быть реализованы из последовательно подключенных PAW-фильтра 801-RF1575.42M-D и усилителя на базе MGL453543. Полоса пропускания фильтра около 1 МГц.Low-noise amplifiers 2.0-2.M-1 perform the functions of pre-selectivity on adjacent channels of reception and amplification. They can be realized from a series-connected PAW filter 801-RF1575.42M-D and an amplifier based on MGL453543. The filter passband is about 1 MHz.
Радиотракты 3.0-3.М-1 предназначены для обеспечения основной избирательности по соседним каналам приема, усиления и преобразования частоты сигнала 1575,42 МГц в частоту 90,42 МГц. Каждый из радиотрактов содержит последовательно соединенные первый PAW-фильтр, усилитель, второй PAW-фильтр, смеситель и усилитель промежуточной частоты. Первый и второй PAW- фильтры соответственно могут быть реализованы на элементах 801-RF1575.42M-G. Усилитель реализуют на микросхеме MGA53543. Смеситель может быть реализован по трансформаторной схеме. Усилитель промежуточной частоты может быть реализован из последовательно подключенных двух усилителей на базе элементов 2SC5551, в нагрузке которых находятся LC-фильтры.Radio paths 3.0-3.M-1 are designed to provide basic selectivity on adjacent channels for receiving, amplifying and converting the frequency of the signal 1575.42 MHz to a frequency of 90.42 MHz. Each of the radio paths contains in series a first PAW filter, an amplifier, a second PAW filter, a mixer, and an intermediate frequency amplifier. The first and second PAW filters, respectively, can be implemented on elements 801-RF1575.42M-G. The amplifier is implemented on an MGA53543 chip. The mixer can be implemented according to a transformer circuit. The intermediate frequency amplifier can be realized from two amplifiers connected in series based on 2SC5551 elements, in the load of which there are LC filters.
Реализация блока формирования опорных напряжений 4 широко известна и трудностей не вызывает. Его назначение - сформировать гармоническое колебание с частотой, например 1485, 42 МГц. Блок 4 может быть реализован на основе генератора управляемого напряжения UMS-1000 и синтезатора LMX23Q6.The implementation of the block forming the reference stress 4 is widely known and does not cause difficulties. Its purpose is to form a harmonic oscillation with a frequency, for example, 1485, 42 MHz. Block 4 can be implemented on the basis of the UMS-1000 controlled voltage generator and the LMX23Q6 synthesizer.
Реализация блока цифровой обработки 5 известна и трудностей не вызывает. Блок 5.m предназначен для преобразования аналогового сигнала, поступающего с выхода блока 3.m, в цифровую форму и разложение его на квадратуры. На фиг.9 описания устройства-прототипа (см. Пат. РФ №2374659) приведен вариант реализации блока цифровой обработки, который содержит аналого-цифровой преобразователь, цифровой генератор, первый и второй умножители соответственно, фазовращатель, первый и второй фильтры нижних частот.The implementation of the
В случае использования в заявляемом устройстве четырех каналов приема блоки цифровой обработки могут быть реализованы с помощью двух комплектов стандартных плат: субмодуля цифрового приема ADMDDC2WB и ADP60PCI v.3.2 на процессоре Sharc ADSP-21062 (см. Руководство пользователя. E-mail: insys@arc.ru www-сервер www.insys.ru). Наиболее предпочтительным является вариант реализации блоков 5 на базе ADC микросхем LTC2208 (аналого-цифровой преобразователь) в совокупности с использованием программируемой логической интегральной схемой FPGA фирмы Xilinx Virtex4SX35 (см. FPGA-Virtex4: http://www.xilinx.com/products/silicon_solutions/fpgas/virtex/virtex4/index/htm).If you use four receive channels in the inventive device, the digital processing units can be implemented using two sets of standard boards: the digital reception submodule ADMDDC2WB and ADP60PCI v.3.2 on the Sharc ADSP-21062 processor (see User Guide. E-mail: insys @ arc .ru www-server www.insys.ru). Most preferred is the implementation of
Построение тактового генератора 6, обеспечивающего генерацию сигналов с частотой 120 МГц, известно и широко освещено в литературе (Радиоприемные устройства: учебное пособие по радиотехнике. Спец. ВУЗов / Ю.Т.Давыдов и др.; - М.: Высшая школа, 1989. - 342 с.; Функциональные узлы адаптивных компенсаторов помех: Часть 2. В.В.Никитченко. - Л.: ВАС. - 1990. - 176 с.; Вениаминов Д.Р. и др. Микросхемы и их применение. - М.: Радио с связь, 1989 - 240 с.).The construction of a
Реализация корреляторов 7.1-7.S известна и широко освещена в научно-технической литературе (см. B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под. ред. B.C.Шебшаевича - М.: Радио и связь 1993; Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990. - 256 с.).The implementation of correlators 7.1-7.S is known and widely covered in the scientific and technical literature (see BC Shebshaevich, P.P.Dmitriev, N.V. Ivantsevich and others. Network satellite radio navigation systems. Under the editorship of BC Shebshaevich - M. : Radio and communications 1993; Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50 ohm technology: Translated from German.- M .: Mir, 1990. - 256 p.).
Известно, что сигналы КА BPSK модулируются индивидуальными ПСП, называемые дальномерными кодами. Поэтому для измерения разности фаз сигналов предварительно необходимо снять априорно известную модуляцию ПСП, учесть доплеровский сдвиг частоты и задержку сигнала при его распространении. Эти задачи решаются с помощью блоков 7.1-7.S в совокупности с блоками 8.1-8.S и 10. В функции блоков 7.1-7.S входит учет (смещение) частоты принятого сигнала на значение
Все блоки корреляторов 7.1-7.S выполнены идентично и содержат цифровой генератор, генератор ПСП, M трактов обработки. Каждый тракт обработки содержит два смесителя, два умножителя соответственно, фазовращатель, два блока памяти.All 7.1-7.S correlator blocks are identical and contain a digital generator, a bandwidth generator, M processing paths. Each processing path contains two mixers, two multipliers, respectively, a phase shifter, two memory blocks.
Работа корреляторов подробно рассмотрена в Пат. РФ №2374659. Целесообразно блоки 7.1-7.S реализовывать на программируемой логической интегральной схеме фирмы Xilinx типа Virtex 4SX35. На базе одной FPGA возможно реализовать до 16 корреляторов (см. FPGA-Virtex4: http://www.xilinx.com/products/silicon_solutions/fpgas/virtex/virtex4/index/htm). Алгоритм работы корреляторов приведен на фиг.12.The work of correlators is discussed in detail in Pat. RF №2374659. It is advisable to implement 7.1-7.S blocks on a Xilinx programmable logic integrated circuit of the Virtex 4SX35 type. Based on one FPGA, it is possible to implement up to 16 correlators (see FPGA-Virtex4: http://www.xilinx.com/products/silicon_solutions/fpgas/virtex/virtex4/index/htm). The algorithm of the correlators is shown in Fig.12.
Блоки 8.1-8.S предназначены для анализа качества принимаемых от КА сигналов и на его основе принимают решение о трансляции квадратур сигналов (соответствующих позициям Ks) на входы блоков вычисления разности фаз 15.1-15.S. Блоки анализа 8.1-8.S выполняют идентично, а вариант реализации одного из них приведен на фиг.13 описания устройства-прототипа (см. Пат. РФ №2374659).Blocks 8.1-8.S are intended for analysis of the quality of signals received from the spacecraft and on its basis decide on the translation of the quadrature signals (corresponding to positions K s ) to the inputs of the blocks for calculating the phase difference 15.1-15.S. The analysis blocks 8.1-8.S are performed identically, and an embodiment of one of them is shown in FIG. 13 of the description of the prototype device (see Pat. RF No. 2374659).
Блоки анализа могут быть реализованы с использованием сигнального процессора TMS320c6416 (см. TMS320c6416: http://focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). Алгоритм работы блока анализа 8.s приведен на фиг.9.Analysis blocks can be implemented using the TMS320c6416 signal processor (see TMS320c6416: http: //focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). The operation algorithm of the analysis unit 8.s is shown in Fig.9.
Реализация коммутаторов 9.1-9.S широко известна и трудностей не вызывает (см. Справочник по интегральным микросхемам / Б.В.Тарабкин, С.В.Якубовский, Н.А.Барканов и др.; Под ред. Б.В.Тарабкина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 816 с.). Они имеют два устойчивых состояния и обеспечивают коммутацию выходных сигналов со значениями Ks блока 10 (вторая группа входов) и блоков 8.1-8.S (первая группа входов) соответствующей разрядности. Управляются сигналами с первого выхода блоков 8.1-8.S (потенциалами ТТЛ-го уровня).The implementation of switches 9.1-9.S is widely known and does not cause difficulties (see the Handbook of Integrated Circuits / B.V. Tarabkin, S.V. Yakubovsky, N.A. Barkanov and others; Edited by B.V. Tarabkin . - 2nd ed., Revised and enlarged. - M.: Energy, 1980. - 816 p.). They have two stable states and provide switching of output signals with K s values of block 10 (second group of inputs) and blocks 8.1-8.S (first group of inputs) of the corresponding bit depth. They are controlled by signals from the first output of 8.1-8.S blocks (TTL level potentials).
Блок 10 предназначен для поочередной настройки корреляторов 7.1-7.S на сигналы обнаруженных КА. Блок начальной настройки корреляторов 10 содержит два дешифратора, блок сравнения, счетчик импульсов, S идентичных трактов анализа в составе двух блоков элементов И, цифрового генератора, генератора псевдослучайной последовательности, двух смесителей, фазовращателя, четырех умножителей, сумматора, блока извлечения квадратного корня и блока поиска максимума (см. фиг.15 описания устройства-прототипа, Пат. РФ №2374659). Работа блока 10 подробно освещена там же (стр.33-34).Block 10 is intended for sequential adjustment of correlators 7.1-7.S to the signals of detected spacecraft. The initial setting block of the correlators 10 contains two decoders, a comparison unit, a pulse counter, S identical analysis paths consisting of two blocks of AND elements, a digital generator, a pseudo-random sequence generator, two mixers, a phase shifter, four multipliers, an adder, a square root extractor, and a search block maximum (see Fig.15 description of the prototype device, Pat. RF №2374659). The operation of unit 10 is described in detail in the same place (p. 33-34).
Целесообразно блок начальной установки корреляторов 10 выполнить на сигнальном процессоре TMS320c6416 (см. TMS320c6416: http://focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). Алгоритм работы блока 10 приведен на фиг.10.It is advisable to perform the initial installation of correlators 10 on the signal processor TMS320c6416 (see TMS320c6416: http: //focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). The operation algorithm of block 10 is shown in Fig.10.
Блок 11 (S+1-й коммутатор) предназначен для поочередного (по командам блока 10) подключения выходов блоков 15.1-15.S с результатами вычислений (7) ко входам вычитаемого соответствующих первых блоков вычитания 16.1-16.S. Может быть выполнен с помощью S блоков элементов И. Первые входы поблочно объединяют и соединяют с соответствующим адресным выходом блока 10. На вторые входы блоков подают значения
Реализация радионавигатора 12 известна и широко освещена в литературе (см. U-blox: http://www.u-blox.com/customersupport/antaris4_doc.html).The implementation of the radio navigator 12 is known and widely reported in the literature (see U-blox: http://www.u-blox.com/customersupport/antaris4_doc.html).
Блок управления 14 выполняет две основные функции:The control unit 14 performs two main functions:
хранение координат центров элементарных зон привязки {X,Y,Z}n;storing the coordinates of the centers of the elementary binding zones {X, Y, Z} n ;
сравнение значений {X,Y,Z}n с координатами обнаруженного КА {X,Y,Z}s . comparing the values of {X, Y, Z} n with the coordinates of the detected spacecraft {X, Y, Z} s .
Реализация первой функции осуществляют с помощью перепрограммируемого блока памяти, в который на подготовительном этапе записывают значения {X,Y,Z}n. Адреса размещения {X,Y,Z}n соответствуют номерам "n" элементарных зон привязки, n=1, 2, …, N.The implementation of the first function is carried out using a reprogrammable memory unit, in which at the preparatory stage the values {X, Y, Z} n are written. The location addresses {X, Y, Z} n correspond to the numbers "n" of the elementary binding zones, n = 1, 2, ..., N.
Реализация блока 14 известна и широко освещена в литературе (см. Пат. РФ №2374659, фиг.16). Легко реализуется на дискретных элементах, например на микросхемах с ТТЛ-уровнями сигналов 555, 1533 и др. серий.The implementation of block 14 is known and widely covered in the literature (see Pat. RF No. 2374659, Fig.16). It is easily implemented on discrete elements, for example, on microcircuits with TTL signal levels of 555, 1533 and other series.
Блоки измерения разности фаз 15.1-15.S обеспечивают вычисление разности фаз (7) между сигналами, принятыми в нулевом (блоки 1.0, 2.0, 3.0 и 5.0) и других М-1 каналах приема. Все S блоков измерения разности фаз 15.1-15.S выполняются идентично. Реализация блоков 15.1-15.S известна и трудностей не вызывает (см. Pat. RU №2283505, МПК6 G01S 13/46, опубл. 10.09.2006 г. бюл. №25).The phase difference measurement blocks 15.1-15.S provide the calculation of the phase difference (7) between the signals received in the zero (blocks 1.0, 2.0, 3.0 and 5.0) and other M-1 reception channels. All S phase difference measurement blocks 15.1-15.S are identical. The implementation of blocks 15.1-15.S is known and does not cause difficulties (see Pat. RU No. 2283505, IPC6 G01S 13/46, published on September 10, 2006, Bulletin No. 25).
Реализация S первых и вторых блоков вычитания 16.1-16.S и 17.1-17.S соответственно известна и трудностей не вызывает. С помощью блоков 16.1-16.S реализуется вычисление (3), а с помощью блоков 17.1-17.S - выражение (4), порядок выполнения которых приведен на фиг.5. Блоки 16.1-16.S и 17.1-17.S могут быть реализованы на дискретных элементах (элементарной логики) по известным схемам (Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990. - 256 с.). В случае, когда в качестве опорных принимаются сигналы одного и того же КА, например первого обнаруженного, количество вторых блоков вычитания 17 может быть сокращено до S-1.The implementation S of the first and second blocks of subtraction 16.1-16.S and 17.1-17.S, respectively, is known and does not cause difficulties. Using blocks 16.1-16.S, calculation (3) is implemented, and using blocks 17.1-17.S - expression (4), the execution order of which is shown in Fig.5. Blocks 16.1-16.S and 17.1-17.S can be implemented on discrete elements (elementary logic) according to well-known circuits (Red E. Reference manual on high-frequency circuitry: Circuits, blocks, 50 ohm technology: Translated from German - M.: Mir, 1990 .-- 256 p.). In the case when the signals of the same spacecraft, for example, the first detected one, are accepted as reference signals, the number of second subtraction blocks 17 can be reduced to S-1.
Блок 22 предназначен для хранения эталонных значений разностей фаз ∆φэт.m0(αi,βj,θl), которые записываются в него на подготовительном этапе работы устройства (см. фиг.3). Номера ячеек памяти, в которые записаны значения ∆φэт.m0(αi,βj,θl)n и номера элементарных зон привязки n, находятся в строгом соответствии. Емкость P первого блока памяти 22 определяется выражением:Block 22 is designed to store reference values of phase differences ∆φ et.m0 (α i , β j , θ l ), which are written to it at the preparatory stage of the device (see figure 3). The numbers of memory cells in which the values ∆φ et.m0 (α i , β j , θ l ) n and the numbers of elementary binding zones n are written are in strict accordance. The capacity P of the first memory block 22 is determined by the expression:
Р=(I+1)·(J+1)·(L+1)·N·М.P = (I + 1) · (J + 1) · (L + 1) · N · M.
Реализация блока 22 известна и трудностей не вызывает (см. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с.; Большие интегральные микросхемы запоминающих устройств: Справочник / А.Ю.Гордонов и др.; Под ред. А.Ю.Гордонова и Ю.Н.Дьякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.).The implementation of block 22 is known and does not cause difficulties (see Lebedev, O.N. Chips of memory and their application. - M .: Radio and communications, 1990. - 160 s .; Large integrated circuits of memory devices: Reference / A.Yu. Gordonov et al .; Edited by A.Yu. Gordonov and Yu.N. Dyakov. - M.: Radio and Communications, 1990. - 288 p.).
Второй блок памяти 23 предназначен для хранения текущего значения разностей фаз
Вычислитель-формирователь 18 предназначен для формирования трехмерной матрицы измерений R(α,β,θ) размерности (I+1)·(J+1)·(L+1). Предварительно рассчитывают значения элементов ∆φ{αi,βj,θl} матрицы измерений R(α,β,θ). С этой целью измеренные блоками 17.1-17.S разности разностей фаз ∆∆φm0(αi,βj,θl) возводят в квадрат и суммируют в соответствии с (4) и (5) (см. фиг.5). Найденные значения элементов ∆φ{αi,βj,θl} записывают в трехмерный массив матрицы измерений R(α,β,θ) по адресу {i+1,j+1,l+1} (см. фиг.6). В качестве адреса записи выступают значения углов αi, βj, θl, которые хранят в блоке 22 совместно с эталонными разностями фаз и сопровождают их в процессе вычислений в блоках 16.1-16.S, 17.1-17.S. В связи с тем, что на блок 18 приходится значительная часть временных затрат устройства, последний целесообразно реализовать на сигнальном процессоре TMS320c6416 (см. TMS320c6416: http://focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). Алгоритм формирования матрицы измерений R(α,β,θ) приведен на фиг.11.Calculator-
Блок принятия решения 25 предназначен для определения элемента матрицы измерений R(α,β,θ) с адресом r{i+1,j+1,l+1} (ячейки памяти запоминающего устройства из состава блока 18) с минимальной суммой ∆φ{αi,βj,θl}, соответствующей искомым угловым параметрам антенной решетки (объекта) {αi,βj,θl}.Decision block 25 is designed to determine the element of the measurement matrix R (α, β, θ) with the address r {i + 1, j + 1, l + 1} (memory cells of the storage device from block 18) with the minimum amount ∆φ { α i , β j , θ l } corresponding to the desired angular parameters of the antenna array (object) {α i , β j , θ l }.
Структурная схема блока принятия решения 21 приведена на фиг.21 описания устройства прототипа, а описание его работы - на страницах 39-40 (там же). Блок 25 также целесообразно реализовать на сигнальном процессоре TMS320c6416 (см. TMS320c6416: http://focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). Алгоритм работы блока принятия решения приведен на фиг.12.The block diagram of the decision block 21 is shown in Fig.21 description of the device of the prototype, and a description of its operation is on pages 39-40 (ibid.). Block 25 is also advisable to implement on the signal processor TMS320c6416 (see TMS320c6416: http: //focus/ti/com/docs/prod/folders/print/TMS320c6416.html). The operation algorithm of the decision block is shown in Fig. 12.
Реализация блока индикации 22 известна и трудностей не вызывает (см. Быстров А.Ю. и др. Сто схем с индикаторами / Быстров А.Ю. и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 112 с.; Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Знакосинтезирующие индикаторы и их применение: Справочник. - М.: Радио и связь. 1998. - 128 с.).The implementation of the display unit 22 is known and does not cause difficulties (see Bystrov A.Yu. et al. One hundred schemes with indicators / Bystrov A.Yu. et al. - M.: Radio and Communications, 1990. - 112 s .; Password N .V., Kaydalov SA Sign-Synthesizing Indicators and Their Application: Reference Book. - M.: Radio and Communications. 1998. - 128 p.).
Дешифратор 21 выполняет функцию сравнения поступающих на его вход кодовых комбинаций с текущими номерами s KA с номером назначенного опорного KA. При совпадении кодовых комбинаций на выходе блока 21 формируется управляющий сигнал, реализующий запись текущего значения
Сумматор 27 предназначен для объединения потока выходных сигналов S первых блоков вычитания 16.1-16.S для подачи их на группу информационных входов второго блока памяти 23. Реализация блока 27 известна и трудностей не вызывает.The adder 27 is designed to combine the stream of output signals S of the first subtraction blocks 16.1-16.S to feed them to the group of information inputs of the second memory block 23. The implementation of block 27 is known and does not cause difficulties.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012152664/07A RU2514197C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012152664/07A RU2514197C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2514197C1 true RU2514197C1 (en) | 2014-04-27 |
Family
ID=50515564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012152664/07A RU2514197C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2514197C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2567240C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-11-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Method of measuring aircraft bank angle |
RU2578671C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" | Method of determining angular orientation in global radio navigation systems |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4387513A (en) * | 1981-03-11 | 1983-06-14 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Aircraft body-axis rotation measurement system |
US5995043A (en) * | 1996-12-06 | 1999-11-30 | The Boeing Company | Aircraft satellite navigation precision-approach system including CDMA datalink |
US6760664B1 (en) * | 2001-06-25 | 2004-07-06 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Autonomous navigation system based on GPS and magnetometer data |
WO2005045459A2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-05-19 | Northrop Grumman Corporation | Direction finding method and system using digital directional correlators |
RU2331901C1 (en) * | 2007-07-17 | 2008-08-20 | ЗАО "ВНИИРА-Навигатор" | Method of aircrafts landing using satellite navigation system and satellite-based landing systems |
RU2374659C1 (en) * | 2008-03-24 | 2009-11-27 | ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного Министерство Обороны Российской Федерации | Method and device for determining angular orientation of aircraft |
RU2388008C1 (en) * | 2008-10-08 | 2010-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Method of determining angular position of aircraft based on satellite navigation system receiver data |
RU2419106C1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for determining coordinates of radio-frequency radiation source |
-
2012
- 2012-12-06 RU RU2012152664/07A patent/RU2514197C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4387513A (en) * | 1981-03-11 | 1983-06-14 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Aircraft body-axis rotation measurement system |
US5995043A (en) * | 1996-12-06 | 1999-11-30 | The Boeing Company | Aircraft satellite navigation precision-approach system including CDMA datalink |
US6760664B1 (en) * | 2001-06-25 | 2004-07-06 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Autonomous navigation system based on GPS and magnetometer data |
WO2005045459A2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-05-19 | Northrop Grumman Corporation | Direction finding method and system using digital directional correlators |
RU2331901C1 (en) * | 2007-07-17 | 2008-08-20 | ЗАО "ВНИИРА-Навигатор" | Method of aircrafts landing using satellite navigation system and satellite-based landing systems |
RU2374659C1 (en) * | 2008-03-24 | 2009-11-27 | ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного Министерство Обороны Российской Федерации | Method and device for determining angular orientation of aircraft |
RU2388008C1 (en) * | 2008-10-08 | 2010-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Method of determining angular position of aircraft based on satellite navigation system receiver data |
RU2419106C1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for determining coordinates of radio-frequency radiation source |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2567240C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-11-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Method of measuring aircraft bank angle |
RU2578671C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" | Method of determining angular orientation in global radio navigation systems |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2419106C1 (en) | Method and device for determining coordinates of radio-frequency radiation source | |
RU2283505C1 (en) | Method and device for determining coordinates of a radio radiation source | |
RU2510044C1 (en) | Method and apparatus for determining coordinates of radio-frequency radiation sources | |
RU2263328C1 (en) | Method and device for determining coordinates of radio emission source | |
RU2465613C1 (en) | Method and apparatus for determining location of radio source | |
RU2684321C1 (en) | Phase direction finder | |
RU2514197C1 (en) | Method and device for determination of airborne vehicle angular attitude | |
RU2506605C2 (en) | Ranging method and device to determine coordinates of radiation source | |
RU2553270C1 (en) | Method and apparatus for determining angular orientation of aircraft | |
RU2525343C1 (en) | Method for simultaneous determination of six motion parameters of spacecraft when making trajectory measurements and system for realising said method | |
RU2374659C1 (en) | Method and device for determining angular orientation of aircraft | |
RU2594385C1 (en) | Method of processing broadband signals and device of phasing antennae receiving broadband signals, mainly for no-equidistant antenna array | |
RU2659810C1 (en) | Method and apparatus for determining coordinates of radio emission sources | |
RU2296341C1 (en) | Mode of definition of the coordinates of a radiation source | |
RU2371733C1 (en) | Method for detection of angular orientation in aircrafts | |
RU2740606C1 (en) | Method and device for determining angular orientation of aircrafts | |
RU2122217C1 (en) | Method of angular orientation of objects by radio navigation signals of spacecraft | |
RU2536609C1 (en) | Method and device for determining coordinates of radio-frequency source | |
Purdy et al. | Radar signal processing | |
RU2614035C1 (en) | One-stage method of decameter range radiation sources direction finding using phased antenna array consisting of mutually orthogonal symmetric horizontal dipoles | |
RU2231806C2 (en) | Method for estimation of current co-ordinates of source of radio emission | |
RU2327186C1 (en) | Method and device for determining coordinates of radio emission | |
Bouhanna et al. | Relative range estimation using SDR for space traffic management | |
RU2534220C1 (en) | Apparatus for determining motion parameters of object | |
RU2457629C1 (en) | Phase radio-navigation system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20150310 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151207 |