CC BY
80
ДОПЛЕРОВСКИЙ ПЕЛЕНГАТОР С ОДНОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ
АНТЕННОЙ
Сорочан Анатолий Григорьевич
д-р техн. наук, профессор Донецкого национального технического университета, г.Донецк E-mail: sorochan kpm@mail. ru Добряк Дмитрий Александрови ч канд.физ.-мат. наук, ведущий инженер, Samsung центр управления и развития в
Украине (SRK) г. Киев E-mail: dima dba@mail. ru Добряк Оксана Анатольевна канд.физ.-мат. наук, инженер, Samsung центр управления и развития в Украине
(SRK) г. Киев E-mail: d im ad ba@m ail. ru Нестругин Александр Владимирович магистрант Донецкого национального технического университета, г.Донецк
E-mail: oleksandr. nestrugin@gmail. com
A DOPPLER DIRECTION FINDER WITH ONE ROTATING ANTENNA
Sorochan Anatoliy
dr. Sci. Tech., Professor of Donetsk National Technical University, Donetsk
Dobryak Dmitriy
candidate of Physics and Mathematical Sciences, chief engineer, Samsung Ukraine Research & Development Centre, Kiev
Dobryak Oksana
candidate of Physics and Mathematical Sciences, engineer, Samsung Ukraine Research & Development Centre, Kiev
Nestrugin Aleksandr master of Donetsk National Technical University, Donetsk
АННОТАЦИЯ
Исследуется одноканальный доплеровский пеленгатор с целью раскрытия важных особенностей его работы. В основу исследований положен спектральный метод анализа, теория функций Бесселя, теория радиоприемных устройств и систем. Уточнено выражение выходного напряжения пеленгатора. Определение углового положения цели может производиться как на нечетных, так и четных гармониках частоты вращения антенны. Даются рекомендации по максимизации уровня выходного сигнала. Доказано, что нестабильность фазовой характеристики, коэффициента усиления линейного тракта, не влияют на результат измерений.
ABSTRACT
A Doppler single-channel direction finder is researched t reveal important features of its work. The research is based on spectral analysis methods, the Bessel functions, theory of radio devices and systems. The output voltage expression of the finder is clarified. Determination of target angular position can be conducted both on the even and odd harmonics of antenna rotating frequency. Recommendations for maximizing output level are given. It is proved that amplification factor and phase characteristic instability of linear tract do not influence on the measurement results.
Ключевые слова: пеленгатор; доплеровская частота; индекс модуляции; задержка; фаза; функция Бесселя; полосовой фильтр; модулирующая частота.
Keywords: direction finder; Doppler frequency; deviation ratio; dwell time; phase; Bessel function; band pass filter; modulation frequency.
Структурная схема, реализующая одноканальный доплеровский метод пеленгации [1, 2], приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Структурная схема одноканального доплеровского пеленгатора
где Ан — антенна; ЛТ—линейный тракт приемника; Г — гетеродин; ОГ — опорный генератор; СМ — смеситель; КГ — кварцевый генератор; ЛЗ1— ЛЗЗ — первая-третъя линии задержки; ФОС — формирователь ортогональных сигналов; ПФ1 и ПФ2 — первый и второй полосовые фильтры; Х1 и Х2 — первый и второй перемножители; УПФ — узкополосный фильтр; ИФ — измеритель фазы.
Полагаем, что объект пеленгации излучает смодулированное
гармоническое колебание, которое описывается выражением
щ £ =и§со$ + >
где: [/0, ч>о и щ — амплитуда, несущая частота и начальная фаза сигнала.
Антенна Ан. вращается по кругу радиусом г с угловой скоростью О. Частота вращения О задается опорным генератором (ОГ), с выходным напряжением
Щ а ' =^1асо§ ^ + ,
где: [/^и — соответственно, амплитуда и начальная фаза напряжения ОГ, которую полагаем равной щ а = 0.
На практике вместо вращающейся антенны применяют неподвижные антенны, расположенные по окружности, которые последовательно и поочередно подключаются к входу приемника с частотой □.
В работе [3] показано, что выходное напряжение вращающейся антенны
Щ ? = £7^08
2жг . ^ .
WQt +-бш 1М-ао +ф$+(ро
Л
где: — амплитуда сигнала;
^ЛГ/х = $ — индекс модуляции;
а0 — угловое положение цели;
— начальная фаза; ^о — некоторая фаза, определяемая исходным положением антенны. Входной сигнал ЛТ щ t с помощью гетеродина Г смещается вниз по частоте и на выходе ЛТ будет определен в виде
U2 t = kUi cos wct + /? sin Ш - aQ + cq + ф^ + ^
где: & — коэффициент учитывающий непостоянство усилительных свойств ЛТ;
wc — несущая частота выходного сигнала ЛТ;
Фо =Фо + <Ро — результирующая начальная фаза сигнала;
а\ — фаза модулирующего сигнала, вызванная задержкой сигнала в JIT;
^ — фаза сигнала, вызванная его задержкой в JIT, нестабильностью JIT и начальной фазой гетеродина Г.
Преобразованный с помощью генератора КГ с частотой и начальной фазой щ выходной сигнал смесителя СМ
и2 t + To\ =kUxcos t + T^i + Рsin Q t + Tfri -aQ+a\ + +
в котором Г51 — временная задержка ПФ1.
Выходной сигнал второй линии задержки Л32 с временной задержкой Т2
и<2 t + T2 =kUi cos
wr
t + 2*2 + /?sin[Q i + r2 -ccq +
Сигнал, выделенный фильтром ПФ2 с временной задержкой Г52, из результата перемножения сигналов в Х1 определится выражением
щ t =0,5 kU\ 2cos[wai + /?'cos
в котором Р' = 2/? sin5Q r2 - tq j — вновь сформированный индексом модуляции, щ = WCT2 + Wa~wc 41-^ + waT62> a^=0,5Q r2+r61+ 2r62 .
Полученное выражение характеризуется отсутствием фаз ф^ и ^. Кроме того, несущая частота сигнала и ее стабильность определяются параметрами КГ. Каждая спектральная составляющая w%±nQ сигнала и3 t содержит информацию об угловом положении цели. Для выделения пеленга сигнал подается на корреляционный детектор, состоящий из перемножителя Х2 и линии задержки JI33 с временной задержкой т^ • Поэтому выделенная на выходе Х2 низкочастотная составляющая сигнала определится равенством
щ t =0,5 kU\ cos[-/?"sin Q.t-ctQ +в\ + 0,5Пгз +^агз]'
где: /?" = 2/?'sin 0,5Qr3 —преобразованный индекс модуляции.
Начальная фаза w%t3 сигнала щ t определяет вид спектра. Так при выполнении равенства war3 = nm, где m = 1,2,3... напряжение и4 t запишется
t =+0,5 Ш\ cos[/Tsin Q.t-aQ +a\ + 0,5Qr3 ], а его разложение будет иметь вид
t =+0,5 kU\ 2[J0 P" +2J2 P" cos 2ОГ-2а0+2<91+2а1+Ог3 + +2J4 p" cos AQ.t-Accq +Щ+ Aa\ + 2QГ3 +....].
Энергия сигнала t распределена только между четными
составляющими спектра. Поэтому ИФ пеленгатора может работать на одной из четных гармоник частоты модуляции О. Знак минус указывает на то, что фазы
всех спектральных составляющих имеют дополнительный сдвиг равный л.
При выборе в щ г начальной фазы из условия ^атз=0,5шл" (здесь т = 1,2,5...), исходное выражение запишется
M4i t =±0,5 Ш\ sin[/?"sin Q.t-aQ +6\ +щ +0,5Qr3 ], а его разложение примет вид
u4i t =±0,5 kUi [2Ji f3" cos Ot-a0 +6X + ax +0,5Qr3 + +2J3 /3" cos 3Qi-3a0+36'l+ 3^+1,5Qr3 +2J5 ft" cos 5Qi-5a0 +5^ +5щ +2,5Qr3 +....]
В этом случае энергия сигнала будет распределена только между нечетными составляющими спектра, поэтому ИФ пеленгатора может работать на одной из нечетных гармоник частоты модуляции.
Одно из назначений линии ЛЗЭ — формирование на выходе детектора требуемой гармонической составляющей с максимальным уровнем, чем обеспечивается максимальное выходное отношение сигнал/шум. Для ее выделения на выходе Х2 включен УПФ фильтр со средней частотой равной частоте выделяемой спектральной составляющей пО..
Установление уровня выбранной гармонической составляющей производится в два этапа. На первом этапе — изменением отношения г/Л или временной задержки т3 или же изменением как одного, так и другого параметра, чем задается индекс модуляции /?", при котором значение функции Бесселя Jn ft" будет максимально. Для разных гармоник значения индекса модуляции будет иметь свое значение, т.е. /3" = /Зп, где п = 1,2,3,... — номер выбранной гармоники. Так для первой гармонии максимум достигается при Р" = Pl = 1,9, для второй — /?2=3,1 и т.д. На втором этапе, благодаря
выполнению условия и;/- »О, незначительным уточнением г3 добиваются установления начальной фазы равной и>аг3 = 0,5пт или и;~г3 = пт . На этом этапе незначительные изменения т3 не окажут заметного отклонения значения функции Бесселя Jn ¡3" от максимального .¡п /Зп .
Таким образом, задержка в ЛЗЗ определяется выбором гармоники модулирующего колебания. Если выделенная гармоника пО., то индекс модуляции рп будет обеспечен при временной задержке
Выделенная фильтром УПФ из выходного сигнала перемножителя Х2 рабочая гармоника, с учетом временной задержки г5 в фильтре, запишется как
Выбор рабочей гармонической составляющей выше первого порядка, т. е. при п> 2 определяется, как указывается в [1, 2, 3], требуемой точностью измерений. Точность измерительного устройства определяется крутизной его характеристики. Для фазового детектора (ИФ) крутизна характеристики определяется значением частоты входного сигнала. Однако выбор за рабочую гармоническую составляющей частотой пО. при п> 2 приводит к неоднозначности измерений углового положения цели [1, 2].
При однозначном отсчете углового положения цели работа ИФ ведется на первой гармонике напряжения исп t . Поэтому из последнего выражения выходное напряжение УПФ определится, положив п = 1, равенством
2
= —агсБш О
2/Г
исп I =± кЩ Jn [Зп соб п +&1 + +0,5Ог3 +Г2г5
2
иС1 ? = ки1 2 [3\ соБ^Ш-ао +в\ +а\ +0,5Г2г3 +0^5 J
Для определения углового положения источника излучения используется ортогональная система сигналов, представляющая собой пару гармонических колебаний cos Qí , sin fit . Такая пара колебаний формируется в устройстве формирования ортогональных сигналов ФОС из колебания ОГ. Для устранения фазового сдвига 9\ +0,5Пгз +Qr¿ на результат измерений на выходе ОГ
Ол + ал + 0,5Q r3 + Q га включена линия JI31 с задержкой на время т\ =-—-. Тогда
выходные колебания ФОС запишутся как
щi t =í/0cos[Q t + Ti ]; uq2 t = u0 sin[Q t + zx ].
В ИФ вычисляются проекции координат входного сигнала uci t на координатные оси, в качестве которых выступает ортогональная пара колебаний Mqi t и Mqi t . Поскольку уровень ортогональных составляющих
о
Uq » (kU) Ji(/}[), то проекции сигнала г/с1 t определятся равенствами
их — kU\ 2 J\ cos ; и у = kU\ 2 J\ J3\ sin «g
Отсюда угловое положение цели определится как
а0 = arctg
uy
При необходимости повышения точности измерения пеленга в [1, 2] рекомендуется работать на более высокой гармонике пО. частоты вращения антенны. В этом случае необходимо учитывать увеличение фазового сдвига в число раз соответствующее номеру гармоники п, что повлияет на выбор
значений временных задержек в JI31 ц и JI33 7-3.
Список литературы:
1. Астафьев Г.Л., Шебшаевич В.С., Юрков Ю.А. Радиотехнические средства навигации летательных аппаратов. М.: Советское радио, 1962. — 952 с.
2. Кукес И.С. Основы радиопеленгации / И.С. Кукес, М.Е. Старик. М.: Советское радио, 1964. — 640 с.
3. Сорочан А.Г., Добряк Д.А., Добряк О.А. Двухканальный доплеровский пеленгатор // Восточно-Европейский журнал. — 2013. — № 2/9 (62) — С. 34—38.
