18 Фазовые и фазо – разностные методы измерения дальности. Неоднозначность измерения. Принципы работы фрнс «Омега» и «Лоран-с»

[казаринов, 289,283]

Фазовые методы измерения дальности

Фазовые методы определения дальности основаны на измерении разности фаз зондирующего и эхо-сигнала в РЛС или измерении разности фаз сигналов, принятых от двух радиомаяков, в РНС.

Сущность фазового метода заключается в следующем. Передатчик излучает незатухающие колебания вида

U₁(t)=A₁Cos(ω₀t+φ);

приемник принимает отраженный эхо-сигнал

U₂(t)=A₂Cos[ω₀(t+τ)+φ+ψ], (2.36)

где ψ – изменение фазы колебания при отражении объекта.

Колебания U₁(t) и U₂(t) сравниваются в измерителе по фазе:

определяется разность фаз ∆φ= ω₀τ+ψ и время задержки τ=(∆φ- ψ)/ ω₀.

Тогда дальность определяется выражением

. (2.37)

В общем случае разность фаз ∆φ может принимать значения

∆φ=2kπ+Ѳ, k=0,1,2,… (2.38)

где Ѳ – разность фаз, измеряемая схемой фазометра.

Число k вносит неоднозначность в измерение дальности, а изменение начальной фазы ψ вносит ошибку в измерения. Для устранения этих явлений измерения проводят на двух близких частотах ω₁ и ω₂. Получается два значения ∆φ:

,

.

Если , то k = n и _.

Тогда разность двух измерений

. (2.39)

Однозначно определяет дальность до объекта

. (2.40)

Кроме рассмотренного выше в РНС используются и другие методы устранения неоднозначности измерения дальности:

- в простейших фазовых РНС неоднозначность измерений устраняется путем непрерывного подсчета целого числа полных фазовых циклов в показаниях фазометра при движении приемника (содержащего фазометр) от точки с известными координатами;

- для устранения неоднозначности измерения в фазовых РНС исполь­зуется амплитудная модуляция несущего колебания гармонической или другой функцией, строго синхронизированной с фазой несущего колебания (рис.2.18).

Рис. 2.18- Модулированное несущее колебание фазовой РНС

Измерение фазы несущего колебания проводится в характерных точках огибающей несущего колебания (например, в точках максимальной амплитуды А1 и А2). В принципе этот метод не отличается от 2-х частотного метода устранения неоднозначности, так как амплитудно-модулированное колебание состо­ит из нескольких близких по частоте гармонических колебаний. Однако, практически в этом случае нет необходимости измерения раз­ности фаз 2-х частот. В дальнейшем зтот метод будет рассмотрен более подробно на примере широко применяемой РНС типа «Лоран-С».

Инструментальная погрешность измерения дальности фазовым мето­дом является наименьшей и может быть определена по формуле

, (2.41)

где - среднеквадратическая погрешность измерения фазы;

σD - убывает с увеличением частоты несущего колебания, в то же время чем выше ,тем в большей степени увеличивается неопределен­ность вычисления дальности из-за неоднозначности измерения фазы.

Рассмотрим фазовые методы измерения дальности и координат объекта на примерах фазовой РНС (ФРНС) типа "Омега" и импульсно-фазовой РНС (ИФРНС) типа "Лоран-С".

В этих системах для определения координат объекта используются дальномерные, квазидальномерные, разностно-дальномерные методы. При дальномерных измерениях бортовая шкала совмещается со шкалой времени опорных РМ (надо знать точное время); при квазидальномерных измерениях имеется постоянное (но априори неизвестное) распо­ложение шкал времени, которое определяется в процессе измерений; при разностно-дальномерном методе измерений расхождение шкал времени опорных РМ и бортовой шкалы также неизменно в течении сеанса измерений и компенсируется в процессе измерений за счет вычисления разности дальностей (разности запаздывания сигналов).

ФРНС "Омега" является классическим примером многочастотной ФРНС работающей в диапазоне очень низких рабочих частот (10+ 5)кГц, что позволяет с помощью восьми радиомаяков обеспечить возможность определения местоположения объекта(потребителя) в любом районе земного шара, так как затухание СДВ слабо зависит от расстояния.

В ФРНС "Омега" используется частотно-временное разделение сиг­налов (рис.2.19). Наземные опорные РМ (A,B,C,D,E,F,G,H) синхронизировано излучают радиоимпульсы большой" длительности (0,9+1,2)с на частотах 10,2; 13,6; 11,ЗЗ кГц (одновременно работают три радио­маяка). Сигналы 10,2кГц используются для формирования шкалы высо­кой точности (∆DT=14,7км). Для создания грубой шкалы (устранение неоднозначности измерения фазы частоты 10,2кГц) используются биения частот 13,6 и 10,2кГц и сврехгрубой – биения 11,33 и 10,2 кГц (предполагается, что с точностью до сверхгрубой шкалы местоположение потребителя известно):

F2,0 = f2 – f0 = 13.6 – 10.2 = 3.4кГц (грубая шкала ∆DГ = 44км); (2.42)

F1,0 = f1 – f0 = 11.33 – 10.2 = 1.13кГц (сверхгрубая шкала ∆DГ = 132км).

Рис.2.19 Временная диаграмма работы маяков ФРНС "Омега"

Результат измерения РНП уточняется последовательно: сверхгрубая оценка, грубая, точная, для чего используется многоступенчатый ал­горитм обработки сигналов. При этом определяется либо РНП (например, дальность), а затем по карте линий положения определя­ются координаты, либо результаты измерений вводятся в бортовую ЭВМ и рассчитываются координаты и другие характеристики положения объекта (рис.2.20).

Рис.2.20 Бортовой комплекс ФРНС «Омега»

БСА – блок согласования с антенной (А); ЦАП – цифровая АРУ для согласования динамического диапазона сигнала с АУП; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство для хранения данных об условиях распространения радиоволн, координат и характеристик радиомаяков и других констант.

Бортовая ЭВМ выполняет операции над числами, поступающими в АЦП в соответствии с алгоритмами обработки сигналов во всех режимах измерения: идентификация сигналов, приходящих от различных РМ, синхронизация измерителя с диаграммой излучения (рис.2.19), слеже­ние за фазой сигналов и измерение фаз, устранение многозначности, оценка отношения сигнал/шум и отбраковка ненадежных измерений, преобразование РНП в географические координаты с учетом поправок распространения радиоволн. Пульт управления и индикации служит для ввода исходных данных и отображения данных параметрах движения и координатах объекта.

ИФРНС типа "Лоран-С" получили широкое распространение в длинноволнового диапазона (f0 ~ 100кГц). Дальность действия этих систем достигает 2000км. Опорные РМ объединены в группы по 3÷6 наземных станций, одна из которых является ведущей. Измерение дальности производится импульсно-фазовым методом: грубое измерение разности дальностей производится по оценке времени запаздывания огибающей импульсов ведущей и ведо­мых станций, а точное - по оценке разности фаз несущих колебаний этих же импульсов. Поэтому в ИФРНС сочетаются положительные качест­ва фазовых и импульсных методов измерения: высокая точность и однозначность измерения.

Ведущая станция излучает восьмиимпульсные качки радиоимпульсов с дискретной фазовой модуляцией (рис.2.21).

Рис.2.21 Временные диаграммы излучения ведущей и ведомой станций

T_u=1000мкс, T_n=(40÷100)мс, T_k=2T_n.

Период повторения пачек импульсов T_n одинаковый для станций одной группы и отличается от других групп, что позволяет приемника идентифицировать конкретную группу станций. Ведомые станции группы синхронизируются от ведущей и излучают импульсы такой же последо­вательности, но сдвинутые по времени на фиксированный интервал, ведомые станции имеют отличный от ведущих закон модуляции импуль­сов внутри пачек. На временной диаграмме фазы импульсов, отмечен­ные знаками «+» и «-» отличаются на 180°.

Каждый радиоимпульс пачки имеет длительность 80мкс, его огибаю­щая имеет медленно нарастающий передний фронт с изменением крутиз­ны в средней части высоты импульса (рис.2.22а).

Для измерений используется только поверхностная радиоволна ис­пользуемого длинноволнового диапазона, возможный в точке приема сигнал от пространственного распространения радиоволн является по­мехой и имеет задержку на 35+50мкс, что позволяет отделить его от основного сигнала и не учитывать в процессе измерений.

Форма огибающей радиоимпульсов используется приемником для оп­ределения рабочей точки t0 , в которой производится измерение фазы и благодаря которой устраняется неоднозначность измерения. Положение рабочей точки, должно быть одинаковым для всех стан­ций, поиск этого положения, захват сигнала и сопровождение по фазе осуществляется аналогично показному на рис.2.15. Дискримина­тор следящего измерителя фазы в качестве сигнального напряжения обычно использует вторую производную огибающей радиоимпульса (рис.2.226), которая изменяет знак в рабочей точке. После опреде­ления рабочей точки и устранения неоднозначности вырабатывается команда на разрешение отсчета РНП в виде разности временных положений рабочих точек следящих измерителей.

Рис. 2.22 Формирование рабочей точки в ИФРНС типа "Лоран-С"

Таким образом приемоиндикаторы (ПИ) ИФРНС производят : прием и усиление сигналов, грубый поиск и распознавание сигналов ведущей и ведомых станций, точный поиск, слежение за фазой сигналов, устра­нение неоднозначности измерений фазы, измерение РНП и определение координат потребителя.

При построении ИМ используются последние достижения микроэлект­роники и вычислительной техники для обработки, сигналов. На рис. 2.23 показана структурная схема ПИ в части, относящейся к обработ­ке выходного сигнала до ввода в ЭВМ.

На рис. 2.23 БСА - блок согласования с антенной, ПУ - полосовой усилитель с регулируемой полосой пропускания и АРУ( ∆F в режиме поиска в 5кГц, в режиме слежения и формирования рабочей точки 20-30кГц), ОУ - двухсторонние усилители ограничители, ФРТ - блок формирования рабочей точки по огибающей и устранения неоднознач­ности (работает в комплексе с временным дискриминатором ВД3 и ЗБМ).

Рис. 2.23 Структурная схема приёмоиндикатора ИФРНС

После включения приемника начинается поочередно (или одновре­менно в зависимости от производительности ЭВМ) поиск сигналов ведущей и ведомых станций с помощью временного дискриминатора ВД1. Последующие операции слежения (временной дискриминатор ВД2) .и уст­ранения неоднозначности осуществляется одновременное для ведущей и ведомых станций (на рис.2.23 показан только один канал для одной станции). В ЭВМ производится накопление бинарно-квантованных зна­чений сигнала и сравнение с порогами в соответствии с алгоритмом устранения неоднозначности.

Для обеспечения линейности частотно-избирательного тракта во всем диапазоне рабочих напряжений в ПУ используется АРУ, которая в режиме поиска увеличивает коэффициент усиления до максимума, а в других режимах поддерживает ого на уровне, обеспечивающем линей­ность прохождения сигналов для измерения PHП.

Применение жесткого ограничителя сигналов в ОУ приводит к ухуд­шению отношения сигнал/шум в 1,4 раз, но позволяет минимизировать затраты на согласование выходных сигналов блоков ПУ и ФРТ и вычис­лительные затраты в бортовой ЭВМ.

Дальнейшее совершенствование бортовых ПИ направлено на примене­ние АЦП после ПУ и последующую обработку оцифрованного сигнала на бортовой ЭВМ, в том числе формирование рабочей точки. Если позво­ляет вычислительная мощность бортовой ЭВМ, вместо ПУ также может использоваться цифровой фильтр, что позволяет унифицировать бортовые ПИ всех радионавигационных систем. Их различие проявляется только на уровне программного обеспечения.