книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]

Рис. 72. Упрощенная структурная схема допплеровской системы контроля траектории полета ИС З

назначенной для контроля траектории полета ИСЗ [31]. Излученный наземной станцией непрерывный сигнал ча­ стотой fi на борту спутника умножается на дробное число р (для развязки приемного и передающего каналов бор­ товой и наземной аппаратуры) и ретранслируется на частоте f2 = pf\.

140

Принятый наземной аппаратурой сигнал, содержащий допплеровскую составляющую частоты, дважды преобра­ зуется по частоте с помощью смесителей / и 2. С выхода смесителя 2 напряжение постоянной частоты f подается на узкополосный усилитель промежуточной частоты для фильтрации принятого сигнала от помех. С выхода УПЧ сигнал поступает на схему фазовой автоподстройки гене­

жение генератора /. С выхода смесителя 3 напряжение

Допплера fK, который поступает в цифровой блок изме­

усилитель и далее на вход схемы формирования импуль­ сов. Эти импульсы поступают на блок измерения и запи­ си данных.

Работой схемы измерения управляет эталонный гене­ ратор, в который входит делитель частоты и синхрони­ затор фазы колебаний сигналами точного времени. Вы­ рабатываемые этимгенератором синхронизирующие импульсы с периодом 2 сек открывают через триггер 1 вен­ тиль /. В результате через вентиль / начинают проходить импульсы измеряемой разностной частоты и первый из них открывает с помощью триггера 2 вентиль 2. В счетчи­ ке / через п периодов разностной частоты вырабатывает­ ся импульс, закрывающий вентили 1 и 2.

Когда вентиль 2 открывается, через него на счетчик 2 начинают проходить импульсы эталонного генератора частоты / э = 1 Мгц. Подсчет этих импульсов позволяет определить число т — длительность интервала времени,

п

равного М = пТ'~Г.

/д

чение частоты / ' за интервал времени At. Оно будет рав-

141

. J

но /'дер = ~ / э - В конце интервала времени At показания

т

счетчика 2 записываются на перфоленту в виде 11-раз­ рядного двоичного кода. Момент считывания определяет­ ся синхронизирующими импульсами эталонного генера­ тора. Первые пять разрядов обозначают время в секун­ дах, а последующие шесть — число т.

5. БОРТОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ВЫСОТЫ [35]

В США разработана и испытана бортовая радиолока­ ционная станция измерения скорости и высоты [35]. При­ чем информация о скорости и высоте выдается и при­ нимается в одно и то же время одной приемопередаю­ щей антенной, используя тот же самый принятый сигнал и одни и те же блоки. Это дает значительную экономию в весе, размерах и стоимости аппаратуры. Кроме того, эта система, как указывается в зарубежной печати, позволяет измерять с большой точностью три составля­ ющие скорости от нулевого значения без потери на­ правления, что необходимо для вертолета, самолета с вертикальным взлетом и посадкой, космического кораб­ ля, предназначенного для посадки на поверхности пла­ неты.

В настоящее время в литературе [35] описаны три вида систем, обеспечивающих измерение трех составля­ ющих скорости объекта: с непрерывным излучением (без модуляции), когерентно-импульсные и непрерывного из­ лучения с частотной модуляцией.

Системы с непрерывным излучением (без модуляции) непригодны, так как не позволяют одновременно изме­ рять скорость и высоту. Кроме того, они предусматри­ вают применение раздельных передающих и приемной антенн, что не позволяет выполнить их малогабарит­ ными.

Когерентно-импульсная система непригодна из-за трудности эксплуатации ее на малых высотах, особенно при антеннах с узким лучом, которые в свою очередь необходимы на вертолетах, имеющих большой угол сно­ са. Если для улучшения характеристики на малых высо­ тах используется метод наложения импульсов передат­ чика на принимаемый сигнал, то создаются трудности

143

в обеспечении развязки передатчика и приемника. Кро­ ме того, совмещение функции точного высотомера с ко­ герентной импульсной допплеровской системой представ­ ляет собой трудную задачу.

Единственно приемлемой системой для решения по­ ставленной задачи, по мнению зарубежных специалис­ тов, является система непрерывного излучения с часто­ тной модуляцией. Возможны две разновидности таких си­ стем: с высокой частотой модуляции (длина волны мо­ дулирующего сигнала много меньше максимальной из­

Система с высокой частотой модуляции имеет мно­ гочисленные области «слепых» высот, в которых точность измерений резко снижается. ЧМ система непрерывного излучения с низкой частотой модуляции может быть так выбрана, что первая «слепая» высота окажется выше максимальной рабочей высоты системы. Это значит, что система не имеет «слепой» высоты.

Таким образом, оптимальным методом для измере­ ния скорости таких объектов, как вертолеты и самолеты с вертикальным взлетом, для которых необходимо изме­ рение до нулевой высоты и зависание на постоянной высоте, является ЧМ допплеровская система непрерыв­ ного излучения с низкой частотой модуляции и исполь­ зованием боковой полосы. Последнее эксплуатационное требование обусловливает отсутствие «слепых» высот.

При выборе метода измерения высоты необходимо исходить из следующих соображений.

Если спектр сигнала, который получается в резуль­ тате биений между переданным и принятым сигналами ЧМ РЛС с непрерывным излучением, разложить в ряд Фурье, то окажется, что относительная фаза каждой из боковых полос этого сигнала является функцией отно­ сительной задержки, а значит, и высоты объекта. Следо­ вательно, если выбрать одну из этих боковых полос, то, сравнивая ее фазу с фазой опорной частоты, можно из­ мерять высоту. Результаты измерений не зависят от изменения амплитуды, формы модулирующего сигнала или коэффициента модуляции, а только от фазы колеба­ ний. При пропускании сигнала через устройство с квад-

144

3,

146

Рис. 77. Характеристика режекторного фильтра

Рис. 78. Спектр принятого сигнала на второй промежуточной ча­ стоте

Спектральное изображение излученного сигнала, при­ нятого сигнала, сигнала местного гетеродина и сигнала промежуточной частоты дается на рис. 74—78.

Измерение скорости

В спектрах сигналов, изображенных на рис. 75 и 77, гармонические боковые полосы смещены на частоту Допплера fR, обусловленную движением объекта. Кроме того, они не являются дискретными частотами, а имеют конечную ширину, шумовую структуру и почти гауссову огибающую, что сзязано с конечной шириной луча ан­ тенны и природой рассеяния радиоволн.

Важно также указать, что для вертолетных систем, в которых должны с высокой точностью измеряться от­ рицательные скорости, необходимо преобразовывать при­

сигнала в промежуточную частоту fn,^, чтобы не поте­ рять чувствительность к направлению движения.

Для измерения скорости необходимо отфильтровать желаемую боковую полосу по частоте fm + nFM, где п — порядок боковой полосы, или по второй промежуточной частоте fU42 + nFM и подать результирующий сигнал на цепь слежения за частотой, которая будет измерять сред­ нее смещение или положение центра спектра fn относи­ тельно опорной частоты. Это смещение средней доппле­ ровской частоты / д будет мерой составляющей скорости объекта по направлению луча антенны на основании из­ вестного допплеровского равенства

где V—скорость объекта;

%— длина волны;

у— угол между вектором скорости и направле­

нием оси луча антенны.

Если использовать антенну, формирующую три луча,

то три ортогональные составляющие скорости (VU — ско­ рость направления, Vq — боковую скорость и УЬ — верти­ кальную скорость) можно получить простым алгебраиче­

длины волны излученного сигнала и взаимного положе­ ния лучей. В частности,

(наименьший угол между проекциями про­ дольной оси самолета и луча антенны на гори­ зонтальную плоскость).

148

Измерение высоты

Из формул (137) видно, что фаза боковых полос по­ лученного спектра является функцией времени задерж­ ки т и, следовательно, расстояния до земной поверхно­ сти. В частности, фаза каждой из принятых боковых

полос составляет , где п — порядок боковой по­ лосы. Таким образом, можно выбрать одну из боковых полос и сравнить ее фазу с' фазой модулирующего сиг­ нала генератора передатчика. Такое сравнение позволит

определить угол, эквивалентный Тогда наклонная

тс

дальность до земли равна г и = — . где с — скорость света. Абсолютная высота равна произведению наклонной

Однако боковые полосы принятого сигнала расположе­ ны не на частотах F M , 2FU и т. д., а смещены относитель­ но их на величину / д из-за движения объекта. Матема­ тически это показывается в формулах (137) членами

sin2jt[/n4 — fn+FK(t — и т. д., а графически — изобра­

жением спектра на рис. 77 и 78.

Чтобы сместить сигналы в область частот nF^, при­ менен так называемый способ свертывания спектра, устраняющий одновременно влияние шума на информа­ цию о высоте, который возникает вследствие «размы­ тия» составляющей боковой полосы допплеровским спектром, имеющим шумовую природу. При этом исполь­ зуются обе полосы частот любого выбранного порядка. В прежних допплеровских системах измерения скорости такое свертывание недопустимо, так как оно приводит к резкому снижению чувствительности.

Подробный анализ процесса свертывания спектра вы­ ходит за рамки данной книги.

Выбор параметров системы

М о ж н о показать, что отношение сигнал/шум при работе радио­ локатора по протяженной цели (заполняющей все сечение луча

149