CC BY
79
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010. -\-
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 681.322 О.И. Гасанов
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТРАКТА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ КВАЗИДОПЛЕРОВСКОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО РАДИОПЕЛЕНГАТОРА «ПЛАТАН»
Статья посвящена описанию модели низкочастотного тракта обработки сигнала квазидоплеровского автоматического радиопеленгатора «Платан». Модель разработана в программе Ыа^аЪ и проверена в ОАО НИИ «Сапфир».
Ключевые слова: автоматический радиопеленгатор, пеленг, компьютерная модель.
Автоматические радиопеленгаторы (АРП) - устройства, предназначенные для определения азимута на воздушное судно (ВС) по сигналу, излучаемому бортовой радиостанцией. Точность современных АРП, разработанных по квазидоплеровскому принципу достигает 1 град. [1], что является достаточным для большинства применений. Однако опыт эксплуатации показал, что при несоблюдении условий размещения, а также при воздействии на вход АРП определенных сигналов возникают ошибки пеленгования, в том числе и аномальные, т.е. величина которых превышает трехкратное значение среднеквадратической погрешности [2]. Для дальнейшего усовершенствования АРП, повышения его надежности, точностных параметров и улучшения тактико-технических характеристик необходимо исследование влияния различных сигналов и условий размещения на точность пеленгования. Это может быть выполнено постановкой натурного эксперимента, однако такой подход отличается большими временными и финансовыми затратами, т.к. появление ошибки пеленгования есть случайное событие, зависящее от множества факторов, таких как погодные условия в районе проведения испытаний, характер подстилающей поверхности, нахождение ВС в заданной точке пространства. При проведении эксперимента обеспечить повторение данных условий из раза в раз практически невозможно, что и определяет сложность подобного подхода к изучению ошибок пеленгования.
С другой стороны, разработка адекватных математических и компьютерных моделей процессов функционирования АРП, а также моделей воздействующих на него сигналов позволяет осуществить проверку работоспособности АРП в различных условиях эксплуатации.
Для примера рассмотрим автоматический квазидоплеровский радиопеленгатор «Платан», структура которого изображена на рис. 1.
Устройство работает следующим образом: коммутатор по импульсам коммутации, поступающим с генератора опорных напряжений (ГОН), производит коммутацию вибраторов кольцевой антенной решетки (АР АРП) с частотой 43,4 Гц. При этом пеленгуемый сигнал канала кольцевых вибраторов (КВ) подается на один вход однополосного модулятора (ОМ), сигнал с центрального вибратора (ЦВ) подается на второй вход ОМ. В ОМ производится смещение спектра фазомодулированного (ФМ) сигнала канала кольцевых вибраторов на измерительную частоту, отличающуюся от радиочастоты на 5550 Гц и суммирование перенесенного сигнала с сигналом центрального вибратора. При подаче суммы сигналов на радиоприемное устройство (РПУ) с амплитудным детектором, на выходе, помимо речевых сигналов, выделяется сигнал стабильной частоты 5550 Гц.
-\-
Продетектированный сигнал пропускается через полосовой фильтр (ПФ),
имеющий полосу пропускания 700 Гц в МВ и 1400 Гц в ДМВ диапазонах, и поступает на вход фазового детектора (ФД), на второй вход которого поступает опорный сигнал 5550Гц.
Рис. 1. Структурная схема АРП «Платан»
В фазовом детекторе происходит выделение разности фаз между входными сигналами. Кривая разности фаз, в случае квазидоплеровского АРП с конечным количеством элементов АС имеет вид ступенчатой кривой, которая может быть аппроксимирована гармоническим сигналом. Далее, в фильтре нижних частот (ФНЧ) выделяется плавная огибающая дискретного сигнала, соответствующая доплеровской модуляции. Разность фаз между опорным сигналом и огибающей ступенчатого сигнала, которая измеряется в фазоизмерителе (ФИ) и поступает на индикатор (ИНД), соответствует азимуту (пеленгу) на источник радиоизлучения.
Для моделирования процессов функционирования рассмотренного выше АРП в приложении SimuLink системы MATLAB разработана компьютерная модель изображенная на рис 2.
Данная модель имитирует работу низкочастотного тракта обработки сигнала АРП, т.е. узлов, расположенных на рис. 1 после выхода радиоприемного устройства. Известно, что в квазидоплеровском АРП сдвиг фаз между сигналами, наведенными на кольцевом и центральном вибраторах вычисляется по следующей формуле:
2жЯ ,. 2ж(к -1). , , АГ
( =— cos ßcos(0---Jf^) k=1,...,N (1)
где: R - радиус антенной системы;
X - длина волны принимаемого сигнала; ß - угол места ВС; в - пеленг на ВС;
N - количество вибраторов антенной системы АРП.
Элементы «5550 Hz Vibl» - «5550 Hz Vib8» представляют собой генераторы гармонического сигнала измерительной частоты 5550 Гц с начальными фазами, вычисленными по выражению (1), для случая приема радиосигнала частотой 100 МГц в АРП с 8-вибраторной АС радиусом 1 м. Элементы «Kommutator» - «Kommutator7» содержат генераторы прямоугольных импульсов с частотой повторения 43,4 Гц (частота сканирования АС АРП), длительностью импульса 1/8 от периода повторения и таким же
-\-
временным сдвигом между соседними импульсами. Также в этих элементах содержатся
умножители, выполняющие перемножение входного сигнала 5550 Гц с сигналом генератора прямоугольных импульсов. Они образуют коммутатор, имитирующий циклический опрос вибраторов АС. Элемент «Add» является сумматором, на выходе которого формируется фазоманипулированный сигнал измерительной частоты 5550 Гц. Выход сумматора является аналогом низкочастотного выхода радиоприемника в схеме АРП. Элемент «BPF 5550 Hz» представляет собой полосовой фильтр Баттерворта со следующими параметрами: порядок - 6; нижняя частота среза - 5000 Гц; верхняя частота среза - 6000 Гц. Он предназначен для выделения фазоманипулированного сигнала измерительной частоты 5550 Гц и отделения его от речевого сигнала, сосредоточенного в спектре от 300 Гц до 3400 Гц. Группы элементов «ФД1» и «ФД2» представляют собой идентичные квадратурные фазовые детекторы для выделения фазы входного сигнала относительно опорного. Наличие двух фазовых детекторов поясняется ниже.
kommutator7
Рис. 2. Модель влияния коммутации элементов АС АРП на точность пеленгования.
На выходах детекторов образуется ступенчатый сигнал, первая гармоника которого соответствует доплеровской модуляции. Частота данного сигнала соответствует частоте опроса АС АРП, и для АРП «Платан» равна 43,4 Гц. На выходе фазовых детекторов используется фильтр нижних частот - элемент «LPF 43.4 Hz» для выделения первой гармоники ступенчатого сигнала. Частота среза данного фильтра составляет 43,4 Гц. Группа элементов ФД3 представляет собой квадратурный фазовый детектор для выделения начальной фазы сигнала частотой 43,4 Гц. Выходной сигнал данного детектора фактически представляет собой пеленг, вычисляемый в АРП (без учета фазовой поправки). Осциллограф «Scopel» используется для отображения данного фазового угла и представляет собой индикатор пеленга.
Данная модель была использована для оценки влияния полосового фильтра в тракте обработки сигнала на точность определения пеленга. Для этого выходной сигнал фильтра был подан на фазовый детектор «ФД1», а также в схему был включен второй фазовый детектор - «ФД2», идентичный первому. На вход второго детектора был подан сигнал, не прошедший фильтрацию. Выходные сигналы обоих детекторов отображены на двухканальном осциллографе «Scope» и изображены на рис 3. В верхней части рисунка
(первый канал) изображен сигнал с выхода фазового детектора ФД1, на входе которого используется полосовой фильтр. Второй канал осциллографа отображает выходной сигнал детектора ФД2. Оси ординат осциллографа откалиброваны в градусах. Из осциллограммы видно, что использование полосового фильтра приводит к появлению переходных процессов и сглаживанию ступенчатой синусоиды.
Рис. 3. Влияние полосового фильтра на формирование ступенчатого гармонического
сигнала на выходе фазового детектора.
Для оценки влияния полосового фильтра на точность пеленгования поочередно подадим сигналы с обоих детекторов в дальнейший тракт обработки. Сигнал с выхода фазового детектора ФД3 подается на осциллограф «Scope 1», который отображает сигнал, соответствующий пеленгу на ВС. На рис. 4 изображена осциллограмма, полученная при обработке сигнала с выхода детектора ФД1 - сигнала, прошедшего через полосовой фильтр.
В верхней части рисунка изображена осциллограмма, получаемая с осциллографа «Scope 1». На ней заметны колебания получаемой фазы. В нижней части изображена та же осциллограмма, в увеличенном масштабе по оси ординат, что позволяет оценить величину колебаний фазы, которые составляют 15 градусов. Всплеск сигнала в начальный момент времени объясняется влиянием постоянной времени фильтра нижних частот.
На рис. 5 изображены те же сигналы, что и на рис. 4, только на вход фильтра нижних частот был подан сигнал с выхода детектора ФД2, т.е. происходит обработка сигнала не прошедшего через полосовой фильтр.
Из рисунка видно, что колебание фазы в данном случае не превышает 1,2 градуса и вызвано неидеальностью фильтров в фазовых детекторах.
В заключение хочется отметить, что данная модель была испытана на различных сигналах и результаты моделирования хорошо коррелируют с теоретическими данными. Также адекватность модели подтверждается самой структурой, которая повторяет структуру тракта обработки сигнала квазидоплеровского АРП «Платан».
Рис. 4. Влияние полосового фильтра на значение пеленга.
Рисунок 5. Вычисление фазы сигнала 43,4 Гц (пеленга) без полосового фильтра
Преимуществом модели является то, что она построена по модульному принципу, что позволяет, изменяя структуру входящих в ее состав модулей, оценить их влияние на работу АРП. Для проведения более полного анализа работы АРП модель может быть дополнена высокочастотной частью, что позволит упростить разработку моделей входных сигналов с одной стороны, и проверять работоспособность АРП при воздействии более сложных сигналов с другой.
Библиографический список:
1. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. М.: «Сов. радио», 1964 г.
2. ГОСТ 23100-78 Радиопеленгаторы автоматические. Методы летных испытаний, М:. Государственный комитет по стандартам СССР
O.I. Gasanov
Model of channel of information processing in automatic direction finder development
This article is dedicated to description of model of information processing channel in automatic direction finder "Platan". Model is developed in Matlab system and is tested in JSC Scientific research institute "Sapfir".
Keywords: automatic direction finder, vector, azimuth, computer model
Гасанов Омар Исрапилович (р. 1983) ведущий инженер ОАО НИИ «САПФИР», старший преподаватель кафедры ЭМПТ Дагестанского государственного технического университета, кандидат технических наук (2010). Окончил Дагестанский государственный технический университет (2004)
Область научных исследований: средства связи, навигация, моделирование систем Автор 18 работ
