CC BY
38
УДК 621.396.983.6
И.И.Турулин, В.И.Мартиросян
ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА С АДРЕСНЫМ ОПРОСОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАССТОЯНИЙ
Введение. Радионавигационные системы широко используются в различных областях: судоходстве, авиации, геологии, геодезии, картографии, а также в технике и приборах, применяемых в армии, спецслужбах и спецподразделениях. Это далеко не полный перечень. Так, в последнее время наблюдается возрастание интереса к таким системам со стороны специалистов по спортивной медицине для контроля перемещений каждого игрока команды во время матча.
Предлагаемая система предназначена для определения местоположения каждого игрока футбольной команды во время матча или тренировки и записи этой информации на жесткий диск компьютера. Разумеется, система может применяться там, где требуется измерять относительно малые (до единиц километров) расстояния, если существующие навигационные системы (например, система GPS) применять нельзя вследствие недостаточной точности, экранировки сигналов или иных причин.
Следует отметить, что методы радионавигации и структуры радионавигационных систем в основном были разработаны к концу 60-х годов прошлого века [1,2]. Однако в настоящее время наблюдается интенсивное развитие компьютерных технологий и телекоммуникаций, благодаря чему появилась масса дешевых микросхем микроконтроллеров, радиомодемов, а также мощные и дешевые компьютеры. Малость расстояний дает возможность использовать недорогие радиомодемы и осуществить адресный опрос объектов, что позволяет использовать одинаковую аппаратуру для всех объектов независимо от их количества.
Таким образом, для оптимизации систем по аппаратным затратам и стоимости необходим пересмотр структурных решений с учетом новой элементной базы, поскольку многие оптимальные для новой элементной базы структурные решения ранее не прорабатывались как неоптимальные.
Структура системы. Считается, что подвижные объекты находятся внутри некоторой двумерной прямоугольной области (рис.1). На каждом объекте закреплен радиоответчик, далее по тексту - ответчик. Вне этой области рядом с ее границами, на максимальном расстоянии друг от друга находятся приемопередатчики ПП1, ПП2 с координатами (x1 ,y1) и (x2 ,y2) соответственно. На рисунке показан только один объект (точнее, ответчик) с координатами (x ,y), расстояния от которого до ПП1 и ПП2 составляют соответственно г1 и г2. Приемопередатчик (ПП) и ответчик содержат радиомодемы и контроллеры, а также аналоговые радиоприемники и радиопередатчики. Надпись возле стрелки, идущей вниз, обозначает частоту принимаемого сигнала, возле стрелки, идущей вверх - передаваемого. Каждый ответчик принимает радиоимпульс с частотой f1 и переизлучает его на частоте k1f1 . Центральный
пост (рис.2) содержит управляющую ЭВМ и радиомодем. Приемопередатчики ПП1 и ПП2 (рис.3) идентичны по структуре, но имеют разные адреса, записанные в энергонезависимую память микроконтроллера (флэш-память). ПП содержит радиомодем, контроллер, генератор качающейся частоты ГКЧ, умножитель частоты УЧ, радиопередающее устройство РПУ, преобразователь фаза-код, преобразователь частоты ПЧ, радиоприемное устройство РПрУ. Преобразование фаза-код частично или полностью осуществляется в контроллере.
Рис.2
Ответчик (рис.4), находящийся на объекте, также содержит РПрУ, ПЧ, РПУ, контроллер, радиомодем. Адрес ответчика также записан во флэш-память микроконтроллера.
Работа системы. ЭВМ центрального поста выдает команду активации ПП1. По этой команде включается измерительный тракт ПП1 (все устройства кроме контроллера и радиомодема, которые включены постоянно). Далее ЭВМ передает команду активации ответчика с заданным адресом - включается измерительный тракт ответчика (также все устройства кроме контроллера и радиомодема, которые включены постоянно). В процессе определения координат объекта блок ГКЧ приемопередатчика вырабатывает сигнал с частотой Г, изменяющейся от Го - АГ / 2 до Го + АГ / 2 с частотой качания Гк . АГ -
девиация частоты. Частота Г умножается на к в блоке УЧ, где к - целое положительное число, и сигнал с частотой Г = кГ излучается. Этот сигнал принимается ответчиком, частота его умножается на кі в блоке ПЧ, причем кі -вещественное и выбирается исходя из разрешенных рабочих частот. Сигнал с частотой кГ излучается антенной ответчика, после чего принимается блоком РПрУ приемопередатчика ПП1. После этого его частота преобразуется в первоначальную (Г) блоком ПЧ. Этот сигнал совместно с сигналом ГКЧ подается на преобразователь фаза-код, с выхода которого код разности фаз Дфо є [-п, п] поступает в контроллер. Контроллер также подсчитывает число М полных циклов изменения фазы при изменении Г от Го - ДГ / 2 до Г + ДГ / 2, рассчитывает с точностью до постоянного коэффициента значение полной фазы Дф = Дф0 + 2пМ и передает его на центральный пост. Далее ЭВМ дезактивирует ПП1, активирует ПП2 и описанный процесс повторяется.
ад
Рис.3
Рис.4
В результате ЭВМ получает значения полной фазы Аф1 и Аф2 для ПП1 и ПП2 соответственно, на основе которых рассчитываются расстояния г1 и г2 от объектов (точнее, ответчиков) до ПП1 и ПП2 соответственно (рис.1).
Как известно, фазочастотная характеристика линии задержки ф(ю) = -2пГтз, где тз - время задержки. Очевидно, что при изменении частоты на АГ набег разности фаз Аф между входным и выходным сигналами линии задержки составит -2пАГт радиан. Следовательно, для ПП1 Аф1 = -2пАГтз1, где тз1 = 2г1/е, с - скорость света. Коэффициент «2» в формуле для тз1 учитывает распространение радиосигнала от ПП до объекта и обратно. Отсюда г1 = тз1с / 2 = -Аф1с / (4пАГ). Аналогично для ПП2 г2 = тз2с / 2 = -Аф2с / (4пАГ). Координаты объекта находятся путем элементарных расчетов.
Особенности реализации. Очевидно, что для обеспечения мобильности системы желательно, чтобы блоки ПП1 и ПП2 имели батарейное питание. Ответчики же принципиально должны иметь такое питание. В связи с этим необходимо предпринять меры по снижению энергопотребления. В современных контроллерах, например, серии АТ90, имеется один или несколько режимов малого энергопотребления, один из которых реализуется на основе экономичного дежурного таймера. Этот таймер программируется в данном случае так, чтобы контроллер и все остальные блоки были выключены. Периодически таймер запускает контроллер, который включает радиомодем и проверяет наличие сигнала центрального поста. Причем время режима малого энергопотребления меняется адаптивно - в зависимости от частоты опроса объекта или ПП по команде из центрального поста.
В ПП и ответчиках использовано разделение диапазона принимаемых и излучаемых частот (^ и к^), что позволяет осуществить их разделение простыми средствами типа колебательного контура и использовать общую антенну. По этой же причине диапазон частот радиомодема должен существенно отличаться от ^ и к1Г1.
В простейшем случае, если есть кратные разрешенные частоты, в качестве преобразователя частоты в ПП можно использовать делитель частоты в целое число раз, а в ответчике - умножитель в целое число раз. В случае необходимости реализации дробных коэффициентов умножения и деления в качестве преобразователя частоты можно использовать синтезатор частот. При этом входной сигнал подают на синтезатор вместо сигнала эталонной частоты.
Преобразователь фаза-код целесообразно реализовать в контроллере программно, если позволяет быстродействие. В противном случае часть преобразователя (преобразователь фаза-напряжение) реализуют аппаратно.
Варианты построения системы. Возможна модификация, при которой система реализуется как чисто фазовая. Частотная модуляция служит лишь для ликвидации неоднозначности по фазе, т.е. идентификации фазовой дорожки. В случае такой модификации повышается точность, поскольку при прочих равных условиях набег фазы будет в Г0 /М раз выше по сравнению с описанной выше системой Для данной структуры системы блок ГКЧ можно заменить синтезатором частот и работать на нескольких (в пределе - на двух) частотах. При этом может оказаться достаточным одной частоты, тогда система
вырождается в чисто фазовую. Другая модификация - фазо-временная. Здесь ликвидация неоднозначности по фазе осуществляется программным способом путем оценки времени прохождения сигнала от ПП к ответчику и обратно в радиомодемном тракте с помощью таймера контроллера. Однако данную модификацию можно применять только в случае, если максимальная погрешность измерения расстояния временным методом не превышает размеров фазовой дорожки. В противном случае необходимо снижать рабочую частоту фазоизмерительного тракта. Это ведет к росту погрешности и не всегда возможно из-за неизбежного увеличения размеров антенны ПП, а главное, ответчика, поскольку размеры антенны должны быть пропорциональны длине волны.
Выводы. Макетирование системы подтвердило возможность построения дешевых навигационных систем для малых расстояний. В макете использованы микросхемы приемников и передатчиков диапазонов частот 300 и 1000 МГц и двухчастотный генератор вместо ГКЧ.
1. Белавин О.В. Основы радионавигации. М.: Советское радио, 1967. 471с.
2. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М.Казаринова. М.: Высшая школа, 1999. 495с.
