CC BY
134
Радиоэлектроника и системы связи
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАДИОПЕЛЕНГАТОРА
И.А. Зеленин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, С.М. Фёдоров
В работе исследуется эффективность трех различных способов повышения точности радиопеленгатора. В результате проведенного натурного численного эксперимента получены значения погрешности пеленга для каждого метода
Ключевые слова: пеленгатор, погрешность пеленгования, точность пеленгования
В настоящее время устройства радиопеленгации широко применяются на различных носителях: на летательных и космических аппаратах, автомобилях, морских судах гражданского и военного назначения. Одной из важнейших характеристик пеленгатора является погрешность пеленгования. Решению задачи повышения точности пеленгования и посвящена эта статья.
Для описания предложенных методик использовалась низкочастотная литера существующей стационарной пеленгаторной двухлитерной антенной решетки (АР), представленной на рис. 1 и описанной в [1].
Габаритные размеры исследуемой АР: высота мачты - 4000 мм, диаметр - 50 мм, элементы низкочастотной литеры расположены на высоте 3000 мм от основания АР, общая высота антенных элементов нижней и верхней литеры составляла 1070 мм и 650 мм соответственно. Элементы низкочастотной литеры установлены на штангах длиной 590 мм, высокочастотной -320 мм. Антенные элементы представляют собой симметричнее вибраторы, радиусом 10 мм, с нагрузкой с сопротивлением 50 Ом [1]. Проект антенной системы выполнен в пакете программ Solid Works, при моделировании малозначимые детали не учитывались (мелкие по размерам относительно длины волны, диэлектрический кожух, диэлектрические стойки). Материал всех частей, учитывающихся при моделировании - сталь.
Зеленин Иван Александрович - ВГТУ, доцент, тел. (473) 243-77-29
Негробов Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (903) 653-21-64
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (904) 210-05-35
Исследуемый диапазон частот был выбран от 100 до 140 МГц, как диапазон, в котором работает исследуемая нижняя литера АР. Для имитации наличия земли под антенной решеткой при математическом моделировании использовалась бесконечная плоскость с удельной
проводимостью о = 0.1------ (земля с высокой
м
проводимостью) [1].
тенной решетки
В расчетах использовался стандартный, амплитудно-фазовый метод пеленгования в приближении радиопрозрачной антенной решетки [2]:
n • exp
- j 1~(xn cos(j)+ Уп sinj))
n =1
где N - общее число антенных элементов решетки.
Максимальная погрешность пеленгования соответствует направлениям максимальной асимметрии антенной решетки относительно направления падения волны. При падении волны в азимутальной плоскости одним из 10 таких направлений является азимутальный угол 18 градусов.
При численном эксперименте были получены зависимости измеренного пеленга, и погрешности пеленгования при истинном азимутальном угле ИРИ 18 градусов (рис. 2 и 3). Не учитывались погрешности измерения фаз и амплитуд - и те, и другие полагались нулевыми.
Рис. 2. Зависимость измеренного пеленга при истинном азимутальном угле источника радиоизлучения, равном 18 градусов
тальном угле наибольшей асимметрии падения волны относительно антенной системы - 18 градусов
Как видно из графиков, максимальная погрешность пеленгования составляет 2,4 градуса. Оценка пеленга смещается в сторону больших значений азимутальных углов, отсчитываемых от 1-го вибратора ко 2-му.
На рис. 4 представлены зависимости напряжения от частоты для сигналов с выходов нагрузок (50 Ом) резонансных вибраторов (длина 1070 мм).
Рис. 4. Сигналы с выходов нагрузок (50 Ом) резонансных вибраторов, дБ, в полосе частот от 100 до 140 МГц
В качестве одного из способов минимизации погрешности пеленгования предлагается уменьшить длину вибраторов исследуемой АР на 20%, с 1070 мм до 856 мм. Таким образом, мы получим укороченные нерезонансные вибраторы с увеличенной точностью пеленгования.
На рисунках ниже представлены следующие характеристики АР: зависимость измеренного пеленга при истинном азимутальном угле источника радиоизлучения, равном 18 градусов (рис. 5), погрешность пеленгования (рис. 6), сигнал на выходе нагрузок пеленгатора с укороченными вибраторами (рис. 7).
Рис. 5. Зависимость измеренного пеленга при истинном азимутальном угле источника радиоизлучения, равном 18 градусов для укороченных на 20% вибраторов
погрешность 1.1 град.
-0.1
-о.:
- 0.3 -::и
-0.6
-0.7
-0.8
г
/
/
/
/
1 1
Чт 1
Рис. 6. Погрешность пеленгования при азимутальном угле падения волны относительно антенной системы, равном 18 градусов для укороченных на 20% вибраторов
погрешность 0..4 град. 03
Рис. 7. Сигналы с выходов нагрузок (50 Ом) укороченных вибраторов, дБ, в полосе частот от 100 до 140 МГц
Как видно из рисунков, максимальная погрешность пеленгования для укороченных на 20% вибраторов снижается более чем в 2 раза -с 2,4 градуса до 1 градуса ценой падения максимального уровня сигнала, от -8 дБ на 118 МГц, до -2 дБ на частоте 138 МГц. При этом в АР с укороченными вибраторами более монотонные зависимости сигналов от частоты, и меньше их разброс между вибраторами.
Второй способ повышения точности пеленгования заключается в увеличении сопротивления нагрузок резонансных вибраторов до 1000 Ом. Это сделает элементы антенной решетки разомкнутыми, что должно уменьшить сопротивление излучения и искажения падающей волны.
На рисунках 8, 9, 10 изображены зависимость измеренного пеленга, погрешность пеленгования и сигнал на выходе нагрузок пеленгатора для резонансных вибраторов с нагрузкой 1000 Ом.
—г-"1 . Г
_н 1
ь J
Рис. 8. Зависимость измеренного пеленга при истинном азимутальном угле источника радиоизлучения, равном 18 градусов для вибраторов с нагрузкой 1000 Ом
■Чш
а
и
Рис. 9. Погрешность пеленгования при азимутальном угле падения волны относительно антенной системы, равном 18 градусов для вибраторов с нагрузкой 1000 Ом
Рис. 10. Сигналы с выходов нагрузок (1000 Ом) резонансных вибраторов, дБ, в полосе частот от 100 до 140 МГц
Из представленных зависимостей видно, что максимальная погрешность пеленгования уменьшилась до 0,7 градуса. Причем максимальный уровень сигнала вырос до 5 дБ на частоте 118 МГц и до 3,7 дБ на частоте 138 МГц.
Последний способ улучшения точности пеленгования основан на использовании амплитудных и фазовых диаграмм направленности для вибраторов исследуемой АР. Он заключается в нахождении максимального коэффициента корреляции кг (ф,9) (зависящего, при
фиксированной частоте поля, от расположения источника радиоизлучения, определяемого
азимутом р и углом места 9 ) для и иим' и
опорного и°ппорнХ (ф,9) амплитудных (АДН) и
фазовых (ФДН) диаграмм направленности [2]
X иг -и°оПорн^(ф,в)
X \иг\2 -Е\иопорнЪ(Ф,'
->шах(уаг: ф,9)
К (Ф,9,Р) =
и для только фазовых диаграмм направленности
К (ф,9, Ь) = X иг -и:порнХ(ф,9) ® шах (уаг: ф,9)
п=1
2
п=1
п=1
п=1
где N - общее число антенных элементов решетки; р є [0;2р ] - текущее значение азимута; в є [0; р ] - текущее значение угла места;
Также, для сравнения, представлен результат расчета пеленга фазовым методом [2], проведенный по следующей формуле
Ё eXP(] * ar§(U n ))* exP
] 2p(^n cos(
На рисунках 11, 12 изображены зависимости измеренного пеленга и погрешность пеленгования для резонансных вибраторов с нагрузкой 50 Ом полученные с учетом АДН и ФДН.
Рис. 11. Зависимость измеренного пеленга полученная: 1 - фазовым методом; 2 - амплитудно-фазовым методом; 3 - с учетом АДН и ФДН; 4 - с учетом только ФДН
Как видно из представленных графиков, наилучшую точность на исследуемой полосе частот обеспечивает процедура пеленгования, учитывающая АДН и ФДН, ее максимальная погрешность составляет 1 градус. Учет только ФДН позволяет получить хорошую точность на низких частотах, но с ростом частоты погрешность увеличивается и на 138 МГц принимает значение 6 градусов. Также из полученных результатов видно двукратное преимущество в точности амплитудно-фазового метода над фазовым методом пеленгования.
Таким образом, из полученных результатов можно сделать вывод, что все представленные способы позволяют повысить точность пеленгования более чем в 2 раза. Причем при увеличении сопротивления нагрузки до 1000 Ом, повышается уровень принимаемого сигнала с -1 дБ до 5 дБ на частоте 118 МГ ц.
Литература
1. Негробов В.В. Проектирование сверхширокопо-лосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений структуры измеряемого поля. - Автореф. канд. дисс. Воронеж. 2011.
2. Рембовский Ю.А. Теория и методы проектирования сверширокополосных антенных систем аппаратуры радиопеленгации стационарного и мобильного базирования. - Автореф. докт. дисс. Москва. 2011.
3. Антипов С. А. Использование гибридных печатных антенн для построения линейных приемных антенных решеток / С. А. Антипов, В.В. Негробов С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 12.1. С. 119-122.
Рис. 12. . Погрешность пеленгования полученная: 1 - фазовым методом; 2 - амплитудно-азовым методом; 3 - с учетом АДН и ФДН; 4 -с учетом только ФДН
Воронежский государственный технический университет
RESEARCH OF EFFECTIVE WAYS TO IMPROVE ACCURACY OF RADIOGONIOMETER I.A. Zelenin, V.V. Negrobov, Yu.G. Pasternak, S.M. Fedorov
This paper studies the effectiveness of three different ways to improve the accuracy of radio direction finder. As a result of the full-scale numerical experiments, the accuracy of each method for bearing is given
D
ф
0
Key words: radiogoniometer, direction finding error, bearing accuracy
