Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

В чем достоинства цифровых фильтров подавления пассив­ ных помех?

Как определить требуемое число разрядов при создании цифрового фильтра ЧПК?

Каким требованиям должны удовлетворять параметры ос­ новных узлов когерентно-импульсной системы СДЦ? Каково влияние флуктуаций амплитуды сигналов, а также собственной скорости РЛС на эффективность СДЦ? Укажите возможные способы адаптивной компенсации по­

мех и их преимущества.

Определите значения «слепых» скоростей для РЛС с СДЦ, работающей на волне 3 см с периодом повторения импуль­

сов 1 мс.

ГЛАВА 13

ФАЗОВЫЕ И ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

§ 13.1. ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ. ФАЗОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Принцип действия фазовых радионавигационных систем (ФРНС), так же как и импульсных РНС, основан на измерении дальностей или разностей дальностей до нес­ кольких РМ. Наиболее широкое распространение получили ФРНС без ответчика, структура которых во многом напоминает структуру импульсных РНС. Опорные РМ излучают колебания, когерентность которых поддержи­ вается специальной системой синхронизации. На борту потребителя производится прием и идентификация сигна­ лов нескольких РМ. Для определения координат потреби­ теля в ФРНС, как и в других РНС без ответчика, могут быть использованы дальномерные, квазидальномерные и разностно-дальномериые измерения. При даль­

номерных измерениях бортовая шкала времени совмещена со шкалой времени опорных РМ. При квазидальномерных измерениях имеется постоянное, но априори неизвестное расхождение шкал времени, которое измеряется в процессе

281

навигационных определений. При разностно-дальномерных

в РНП, определяемом как разность фазовых запаздываний сигналов.

Принципиальное отличие ФРНС от импульсных РНС заключается в том, что измерение дальности или разностей дальностей производится фазовым методом. Показания бортового фазометра А<рф однозначно связаны с оценкой РНП лишь в том случае, когда сдвиг фаз между подаваемыми на него колебаниями А(р < 2л. При невыпол­ нении этого условия разность фаз А(р включает неизвестное

РНП фазовым методом неоднозначно. Одному и тому же значению А(рф отвечает семейство линий положения. Если измеренное фазометром значение А(рф = 0, то выносит­ ся решение о том, что потребитель находится на одной из таких линий положения, но на какой именно — неизвестно. Неопределенность выбора истинной линии положения возрастает с повышением частоты сигнального колебания f0, в то время как среднеквадратическая погреш­ ность измерения РНП, обусловленная шумовой помехой,

где оф — среднеквадратическая погрешность показаний фа­ зометра, уменьшается.

Для одновременного удовлетворения требований к точ­ ности и однозначности измерений в ФРНС применяют методы устранения многозначности фазового отсчета.

В простейших ФРНС многозначность фазовых измере­ ний устраняется путем непрерывного подсчета целого числа полных фазовых циклов в показаниях фазометра при перемещении потребителя от точки с известными координатами. Однако этот метод устранения многознач­ ности ненадежен, так как даже кратковременный сбой в синхронизаторе бортового измерителя приводит к потере фазовых соотношений.

Наибольшее распространение получил многошкальный метод устранения многозначности (см. § 13.3). Для его реализации нужно, чтобы сигналы излучались на несколь­ ких частотах, находящихся между собой в определенном

282

целочисленном соотношении. Используют также метод устранения многозначности, основанный на привлечении информации о функции, модулирующей несущие колебания по амплитуде. Это может быть гармоническая модулирующая функция или какая-либо другая, например функция в виде видеоимпульса определенной формы. Необходимым условием при этом является поддержание строгого синхронизма между модулирующей функцией и фазой несущего колебания.

Так в ИФРНС (см. § 13.5) применяют метод устранения многозначности, основанный на использовании результатов измерения РНП по огибающим сигнальных радиоимпуль­ сов, форма которых близка к колоколообразной, а несущее колебание жестко синхронизовано с некоторой характерной точкой огибающей.

§ 13.2. МНОГОЧАСТОТНЫЕ ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Классическим примером многочастотных ФРНС являются сверхдлинноволновые (СДВ) системы, работающие в диа­ пазоне очень низких частот (10—15 кГц). Особенностью радиоволн этого диапазона является слабая зависимость затухания напряженности поля от расстояния. Например, действующая в настоящее время СДВ ФРНС «Омега» [13] при наличии восьми опорных РМ обеспечивает падежное местоопределение потребителей практически

влюбом районе Земного шара.

ВСДВ ФРНС опорные РМ излучают последовательно во времени основную и дополнительные частоты. Дополни­

тельные частоты предназначены для реализации много­ шкального метода устранения многозначности. Для опреде­ ления РНП, как правило, используют основную частоту, но не исключается возможность повышения точности местоопределения за счет привлечения к фазовым измере­ ниям сигналов дополнительных частот. В рассматривае­ мых многочастотных ФРНС осуществляют частотно-вре­ менное разделение сигналов. Диаграмма излучения сигналов ФРНС «Омега» представлена на рис. 13.1. На­ земные опорные РМ синхронизованно излучают импульс­ ные радиосигналы большой длительности (0,9—1,2 с) на частотах 10,2; 13,6; 11,33 кГц. Период излучаемых сигналов 10 с. Сигналы частотой 10,2 кГц применяют для форми­ рования шкалы высокой точности. Для создания грубой

283

и 10,2 кГц. Предполагается, что с точностью до сверхгру­ бой шкалы местоположение потребителя априори известно.

Как и в других РНС без ответчика, выбор типа измерений для решения радионавигационной задачи в зна­ чительной мере определяется стабильностью бортового эталона частоты и точностью априорных сведений о сдвиге временной шкалы потребителя относительно шкалы опор­ ных РМ. Применение дальномерных измерений оправдано лишь в тех случаях, когда сдвиг отсутствует или заранее известен. При невыполнении этого условия используются квазидальномерные или разностно-дальномерные измере­ ния, которые дают одинаковые погрешности местоопределения координат потребителя при полной априорной неопределенности о сдвиге временных шкал.

Наибольший вклад в погрешность местоопределения в СДВ ФРНС системах вносит изменчивость фазовой скорости распространения радиоволн на трассе радиома­ як— потребитель. Погрешность, обусловленная изменчи­ востью условий распространения радиоволн, может быть представлена как функция регулярной и случайной состав­ ляющих фазового сдвига. Регулярная составляющая фазо­ вого сдвига зависит от времени года и суток, типа подстилающей поверхности и т. п. Она рассчитывается для различных районов Земного шара и должна учитывать­ ся при радионавигационных измерениях. Случайная со­

284

ставляющая, если не осуществляются специальные меры (дифференциальный режим, комплексирование [13]), пол­ ностью входит в результирующую погрешность местоопределения. Поэтому точность СДВ ФРНС невелика: среднеквадратическая погрешность местоопределения до­ стигает нескольких километров. Несмотря на низкую точность, СДВ ФРНС находят широкое применение, так как обладают практически глобальной зоной действия, неограниченной пропускной способностью и сравнительно невысокой стоимостью бортового оборудования потре­ бителей.

§ 13.3. УСТРАНЕНИЕ МНОГОЗНАЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В МНОГОЧАСТОТНЫХ ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Устранение многозначности, как это следует из (13.1), заключается в установлении целого числа циклов в фазовом сдвиге Аср, который и определяет оценку РНП. В многочастотных ФРНС отдают предпочтение разностно-дально­ мерным измерениям, что экономически выгодно, так как не требует размещения на борту потребителя дорогосто­ ящего эталона частоты. Колебания дополнительных частот _/] = 11,33 кГц и /2 = 13,6 кГц позволяют получить биения

многозначности результатов измерения на частоте /0. Устранение многозначности может быть осуществлено

раздельно по линиям положения с помощью многоступен­ чатого алгоритма [13]. При этом измерения производятся на частотах Flo (сверхгрубая шкала—132 км), F2 0 (грубая шкала — 44 км) и /0 (точная шкала—14,7 км). Коэффициент сопряжения шкал k = F2 Q/F1 Q = fe/Fl 0 = 3. Последователь­ ное уточнение результатов отсчета РНП от шкалы к шкале позволяет получить однозначный отсчет по точной шкале.

Применение многоступенчатого алгоритма дает пра­ вильное однозначное решение при условии, что погреш­ ность сверхгрубой шкалы не выходит за пределы грубой шкалы, а погрешность грубой — за пределы точной шкалы. При действии помех это условие может быть нарушено, что приводит к принятию ошибочного решения. Вероят­ ность такого события зависит от ряда факторов (уровня помех, коэффициента к и др.) и может быть определена как

285

где Рпр—вероятность правильного завершения процедуры устранения многозначности; Р10Ш = 1 -Р1ир', ^2ош=1-р2пр — вероятности ошибочных решений на первой и второй ступенях алгоритма; Р1пр, Р2пр— вероятности правильных решений на тех же ступенях.

Широкое распространение многоступенчатого алгорит­ ма устранения многозначности в бортовых приемоиндикаторах ФРНС объясняется простотой его реализации, а так­ же традициями, которые сформировались на ранних этапах создания ФРНС, когда применение бортовых ЭВМ было проблематичным. В настоящее время внедрение ЭВМ в аппаратуру потребителей позволяет перейти от рассмот­ ренного алгоритма к более сложным, в основу которых положены правила оптимального оценивания, и задача устранения многозначности решается одновременно с опре­ делением координат потребителя.

§ 13.4. ПОСТРОЕНИЕ ПРИЕМОИНДИКАТОРОВ МНОГОЧАСТОТНЫХ ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Приемоиндикаторы (ПИ) многочастотных ФРНС можно разбить на два класса: ПИ, вырабатывающие значения РНП, и ПИ, осуществляющие оценку координат потреби­ теля. В первом случае оценка координат производится оператором с помощью радионавигационных карт на основании измеренных РНП, во втором — алгоритм оценки координат заложен в программу бортовой ЭВМ. В послед­ нем случае находят применение специализированные ЭВМ, предназначенные для решения радионавигационных задач, или ЭВМ общего назначения. В связи с широким внедре­ нием ЭВМ в аппаратуру потребителей все большее рас­ пространение получает второй класс ПИ. Появление быст­ родействующей микропроцессорной элементной базы по­ зволяет создать малогабаритные экономически' выгодные ПИ, обработка сигналов в которых производится програм­ мными средствами в реальном масштабе времени. Упро­ щенная структурная схема такого ПИ представлена на рис. 13.2.

Блок согласования с антенной (БСА) служит для усиления и предварительной частотной фильтрации сигна­ лов в полосе, определяемой диапазоном частот данной РНС. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобра-

286

Рис. 13.2

зует отсчеты снимаемых с БСА колебаний в цифровой код. Для согласования амплитудного диапазона посту­ пающих от БСА колебаний с апертурой АЦП применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ). Для этого код АРУ поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где вырабатывается напряжение, управляющее коэффициентом усиления БСА. Синтезатор частот син­ хронизируется бортовым эталоном частоты и выраба­ тывает тактовые импульсы для АЦП и бортового вычислителя. Бортовой вычислитель выполняет ариф­ метические и логические операции над кодами чисел, поступающими с АЦП в соответствии с алгоритмами обработки сигналов во всех режимах ПИ: идентификация сигналов, приходящих от различных РМ; синхронизация

и измерение фаз (разностей фаз); устранение много­ значности фазовых отсчетов; оценка отношения сигнал/помеха и отбраковка ненадежных измерений; пре­ образование РНП в географические координаты с учетом поправок на распространение радиоволн. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для хра­ нения ряда констант, необходимых при выполнении вычислительных операций (координаты опорных РМ, сезонные и суточные поправки на распространение ра­ диоволн и др.). Пульт управления и индикации служит для ввода — вывода исходных данных и отображения информации о координатах и параметрах движения объекта.

287

§ 13.5. ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Широкое распространение получили импульсно-фазовые радионавигационные системы (ЙФРНС) длинноволнового диапазона (/0= 100 кГц), дальность действия которых до­ стигает 1800 — 2000 км. Опорные РМ ИФРНС объединены в группы (цепочки) из 3 — 6 наземных станций. В каждой цепочке одна из станций является ведущей, остальные — ве­ домыми. Для определения координат потребителей исполь­ зуются, как правило, разностно-дальномерные измерения, хотя не исключается возможность применения дально­ мерных и квазидальномерных измерений. Измерение РНП производится импульсно-фазовым методом: грубое измере­ ние разности дальностей основано на оценке интервала времени между огибающими импульсов ведущей и ведомых станций, а точное— на оценке разности фаз несущих колебаний тех же импульсов. Поэтому в ИФРНС сочета­ ются положительные качества фазовых и импульсных систем — высокая точность и однозначность измерений.

Ведущая станция излучает восьмиимпульсные пачки фазоманипулированных радиоимпульсов. Временной интер­ вал между импульсами пачки равен 1000 мкс. Частота повторения пачек (10 — 25 Гц) одинакова для всех станций одной цепочки и отличается от частоты повторения пачек других цепочек, что позволяет в месте приема идентифици­ ровать сигналы различных цепочек.

Ведомые станции синхронизируются сигналами ведущей станции и излучают радиоимпульсы такой же формы, но с некоторой фиксированной задержкой во времени. Введение задержки обеспечивает временное разделение сигналов веду­ щей и ведомых станций. Законы фазовой манипуляции радиоимпульсов ведомых станций и ведущей станции различ­ ны, что позволяет идентифицировать сигналы в месте приема.

В качестве примера на рис. 13.3. представлены времен­ ные диаграммы излучения сигналов ведущей и ведомой

jiiiiijj.Ведущая -iiiiiiiL__ iiiiiii

288

станций широкораспространенной ИФРНС типа «Лоран-С». Фазы радиоимпульсов, отмеченных знаками « + » и « —», отличаются друг от друга на 180°. Полный период фазового кода соответствует двум пачкам радиоимпульсов и равен удвоенному периоду повторения Тп восьмиимпульсных пачек.

Радиоимпульсы, излучаемые РМ, имеют медленно нарастающий фронт (рис. 13.4, а), длительность которого близка к 80 мкс. В место приема наряду с поверхностной приходит еще и пространственная волна, время запаздывания которой зависит от состояния ионосферы и электро­ проводности подстилающей поверхности на трассе распро­ странения. Поэтому на вход приемника поступает не только поверхностный, но и пространственный сигнал, запаздыва­ ющий относительно первого на 35 — 50 мкс. В режиме точных измерений пространственный сигнал не может использоваться из-за нестабильности его параметров, поэтому измерение РНП производится по свободному от влияния пространствен­ ного сигнала участку фронта сигнала поверхностной волны.

8 13.6. УСТРАНЕНИЕ МНОГОЗНАЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Измерению РНП предшествуют поиск сигнала и грубое измерение (допоиск) временного положения начального

участка фронта сигнала, завершающиеся установкой селек­ торного импульса следящего измерителя фазы на началь­ ный участок фронта. Чувствительным элементом следящего измерителя фазы является дискриминатор, вырабатыва­ ющий сигнал ошибки, пропорциональный сигнальному напряжению в момент появления селекторного импульса. Селекторный импульс под действием сигнала ошибки занимает одно из устойчивых положений, соответствующих изменению знака сигнального напряжения (например, со

ности фазовых измерений РНП необходимо, чтобы селек­ торные импульсы следящих измерителей фазы сигналов ведущей и ведомых станций находились в одинаковых положениях относительно огибающих, т. е. все они должны занимать одно из указанных на рис. 13.4, я трех положений. Для обеспечения наименьшей погрешности фазовых изме­ рений желательно, чтобы они занимали крайнее правое положение (положение 3 на рис. 13.4, я). Таким образом, устранение многозначности измерения РНП в ИФРНС сводится к распознаванию нескольких (в нашем примере трех) дискретных положений огибающей сигнального им­ пульса относительно селекторного мпульса следящей систе­ мы и установке последнего в рабочую точку (точка t0 на рис. 13.4, я).

Для исключения влияния пространственного Сигнала на выбор рабочей точки используют различные способы формирования характерной точки огибающей (рис. 13.4, и). Такой точкой может быть любая точка на огибающей сигнала, лишь бы ее положение во времени относительно сигнального импульса оставалось неизменным при измене­ нии интенсивности сигнала поверхностной волны и не зависело от наличия сигнала пространственной волны. Например, один из способов формирования характерной точки основан на двукратном дифференцировании огиба­ ющей сигнала. При этом образуется напряжение, форма которого соответствует второй производной от огибающей сигнала (рис. 13.4, в). Характерная точка определяется моментом изменения' знака второй производной с плюса на минус, что соответствует точке максимальной крутизны фронта огибающей.

Широкое распространение получили способы формиро­ вания характерной точки, основанные на преобразовании формы сигнального радиоимпульса в линейном тракте приемного устройства. При этом характерная точка огиба-

290