книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

объединяет смеситель и детектор ведомой станции, а смеситель A / \ — аналогичные узлы ведущей станции.

Схема (см. рис. 94) представляет собой по существу преобразо­ ватель частоты (см. рис. 60), отличаясь от него только наличием линий фазовых задержек, вызывающих сдвиги фаз, измеряемых фазометром. Отсюда следует, что измеряемая на частоте AF разность фаз относится к колебаниям частоты і^, т. е. измерение расстояний выполняется на частоте модуляции ведущей станции. Генератор модулирующей частоты F2 ведомой станции является в сущности гетеродином, колебания которого на смеситель ведомой станции подаются непосредственно, а на смеситель ведущей станции через линию фазовой задержки (2) или, другими словами, через генератор несущей частоты ведомой станции и приемник ведущей станции.

Для уточнения фазовых соотношений рассмотрим, в самых об­ щих чертах, особенности устройства и функционирования основных узлов радиодальномера.

В качестве несущих в геодезических радиодальномерах исполь­ зуются колебания СВЧ диапазона. Чаще всего частота несущих

носительно простые антенные устройства (излучатель и рефлектор) приемлемых размеров, удается получать сравнительно узкие диа­

Генераторы колебаний несущей частоты радиодальномеров соби­ рают на отражательных клистронах, важным достоинством которых является простота управления частотой генерируемых колебаний. Средняя частота такого генератора легко перестраивается путем изменения собственной частоты колебательной системы генератора — объемного резонатора. Частотная модуляция колебаний клистронного генератора осуществляется изменением напряжения на отра­ жателе клистрона, для чего на отражатель кроме постоянного отри­ цательного напряжения подают переменное модулирующее напря­ жение с амплитудой порядка 10 В.

Масштабной частотой в некогерентных геодезических радио­ дальномерах является, как было показано выше, частота модуляции

частоты, собранные но наиболее совершенным схемам с электронной обратной связью. В случае необходимости кварцевые резонаторы генераторов герметизируют и термостатируют. Значение основной масштабной частоты определяется необходимой точностью измере­ ний и обычно ее выбирают равной 10 МГц. Кроме колебаний основ­ ной частоты генераторы вырабатывают и колебания других масштаб­ ных частот, необходимых для разрешения неоднозначности.

170

К генераторам модулирующих колебаний ведомых станций, которые являются гетеродинами преобразователя частоты, предъ­ являют менее жесткие требования. Но так как во время измерений частота колебаний гетеродина должна оставаться неизменной, то и на ведомой станции в качестве генераторов модулирующих коле­ баний используют кварцевые генераторы, однотипные с генераторами ведущих станций.

В преобразователе низкочастотный сигнал, сформированный на ведомой станции, преобразуется по форме, частоте или другому признаку. В настоящее время чаще всего гармонические низкоча­ стотные колебания преобразуются в импульсы малой длительности той же частоты следования. В некоторых конструкциях дальномеров последнего времени («Дистомат», «Луч» и др.) преобразователем является генератор вспомогательной («поднесущей») частоты, зна­ чение которой много больше разностной частоты кварцевых гене­ раторов и много меньше масштабной частоты. Колебания «подне­ сущей» частоты модулируются низкочастотным сигналом разност­ ной частоты кварцевых генераторов. Тип преобразователя определяет и тип детекторов ведущей станции.

Перейдем к выводу фазовых соотношений в некогерентном радио­ дальномере.

В современных радиодальномерах используется частотная моду­ ляция несущих колебаний. Мгновенное значение напряжения ча­

и ее заменяют другой, основанной на использовании очевидных со­

оо

где начальная фаза ф0 рассматривается в качестве постоянной ин­ тегрирования.

Пусть модулирующее напряжение имеет гармонический характер. Тогда и частота несущего колебания будет меняться по гармониче­ скому закону

со (t) = сов + Асо cos (Qt - f Фв ),

171

где со0 — среднее значение несущей частоты; Аи — максимальное отклонение (девиация) частоты от ее среднего значения; Q — круго­ вая частота модуляции; Ф 0 — начальная фаза модулирующего напряжения. Фазовый угол частотно-модулированного колебания, согласно (230), будет

равноценного (229) и отличающегося от него только формой записи фазового угла.

При анализе выражения (232) в случае больших значений ин­ декса модуляции применяют разложение его в ряд Фурье, коэффи­ циентами которого являются функции Бесселя. При малых значе­ ниях индекса модуляции M < 1, имеющих место в геодезических радиодальномерах, частотно-модулированное колебание можно пред­

172

Произведя в (234) замену тригонометрических функций во вто­ рой и третьей степенях тригонометрическими функциями кратных дуг по формулам .

sin2 (Qt + Ф0 ) = Y — у-cos 2 (Qt + Ф0 );

sin3 {Ш - f Ф0 ) = -|- sin (Qi + Ф0 ) - -|- sin 3 (fl* + Ф0 ),

после группирования членов по гармоникам модулирующей частоты,

ства (235) можно не учитывать, и тогда уравнение частотно-модули­

в котором амплитуда Um (t) является периодической (но не гармо­ нической) функцией времени

Vт(t) = ( 1 - j - M*) Um [1 - m i s i n (Qt + Ф0 ) + m, cos 2 (Qt + Ф0)1

173

Обозначив

( \ - \ M * ) ü m = Um,

амплитуду уравнения (238) запишем окончательно

Uт (t) = Umo [ 1 — т1 sin (Ш -f- Ф0 ) -г т2 cos 2 (Ш 4- Ф0 )1. (239 )

Коэффициенты т1 и т2 в выражении (239) определяются форму­ лами (237), а частота несущего колебания со0 в (238) равна среднему значению частоты частотно-модулированного колебания.

Перейдем к выводу фазовых соотношений, используя (238) и (239). Пусть колебание клистронного генератора ведущей станции определяется равенством

Щ = Ѵт1 (t)sin(&01t~(f01),

в котором Co 01 и Фоі — частота и начальная фаза колебаний-клистрон­ ного генератора, а амплитуда Uml (t) определяется выражением (239). На смеситель ведомой станции эти колебания поступают с не­ которой задержкой, так что в момент t на смеситель придут колеба­ ния, сформированные в клистронном генераторе ведущей станции несколько ранее в момент

где т 1 2 — время распространения колебания от клистронного гене­ ратора до передающей антенны ведущей станции и от приемной антенны до приемника ведомой станции; At — время распростра­ нения электромагнитной волны вдоль измеряемой линии; т2 — временные задержки сигнала в цепях приемника ведомой станции.

Поэтому на входе смесителя ведомой станции колебания, пере­ данные с ведущей станции, подчиняются уравнению

"і2 = Uт Х 2 (h) sin (CÖo 1 ^ + ф0 1 ).

Одновременно на тот же смеситель в момент t поступят колеба­ ния клистронного генератора ведомой станции, сформированные в момент

При квадратической вольт-амперной характеристике смеситель­ ного элемента (например, полупроводникового диода) в нашем случае, когда действует сумма напряжений и12 + и22, среди токов комбина­ ционных частот имеется [см. формулу (174)] составляющая разност­ ной частоты Дсо = со01 — со0 2 . Напряжение этой частоты на выходе

174

смесителя выделяется с помощью частотно-избирательного устрой­ ства (например, избирательного усилителя) и равно [см. формулы (174) и (175)]

частоты ведомой станции. Подставив в (242) значения амплитуд из (243), получим

ис = и т 1 2 и т ш s i n (ш0 1 ^ — cù02t2 4- ф 0 1 — ф 0 £ ) {1 — т1 s i n ( Q ^ 4- Ф0 1 ) 4-

— т2 cos 2 (Qx^j - f Ф0 і)} {1 — mi s i n (Q2t2 -^- Ф0 2 ) -f- т2 cos 2 (Q2 f2 -f- Ф0 г)}-

Произведение выражений, заключенных в фигурные скобки, после почленного умножения и приведения подобных членов примет вид

175

или

+ ~ т\ cos ( Й ^ + Q2t2 + Ф 0 1 + Фоа).

Так как последний член полученного выражения имеет частоту порядка 2 Q , то, как уже указывалось, его можно не учитывать. Тогда для колебания на выходе смесителя напишем

Таким образом, в результате смешения двух частотно-модулиро­

амплитудного детектора производится выделение модулирующего

детекторе сигнала низкой частоты пропорциональна высокой мас­

в цепях станции соответствующая фазовая задержка,вообще говоря, невелика. Следствием этого является довольно высокая стабильность фазовых задержек в цепях станций.

Низкочастотный гармонический сигнал (246) в преобразователе изменяется по форме, частоте или другому признаку и только после этого (с задержкой на время т2 ) подается на отражатель клистрона

176

с целью дополнительной модуляции несущих колебаний. Тип пре­ образователя определяет устройство детекторов ведущей станции, в особенности того, который предназначен для выделения низкочастот­ ного сигнала (246) после его передачи с ведомой станции на ведущую. Но при этом частота сигнала до и после его передачи остается неизменной и равной AQ. Поэтому фазовые задержки, обусловлен­ ные временем распространения сигнала: 1) от детектора до клистронного генератора ведомой станции (т2 ); 2) от клистронного генератора до передающей антенны той же станции и от приемной антенны до приемника ведущей станции (т 2 1 ); 3) от ведомой до ведущей станции (At); 4) в цепях приемника ведущей станции (х[), будут пропорцио­ нальны разностной частоте. Таким образом, напряжение на выходе

но не в рассматриваемый момент t, а позже — в момент

Поступающие на смеситель ведущей станции колебания собствен­ ного клистронного генератора сформированы ранее момента t' на время задержки сигнала в приемнике этой станции t[, т. е. в мо­ мент

ных задержек может отличаться от учтенных при выводе формулы (250), а величины задержек могут изменяться в значительных пре­ делах. Однако в любом случае измеренное значение разности фаз будет состоять из трех составляющих:

а) составляющей, обусловленной задержкой сигнала при его распространении вдоль измеряемой линии

гр0 = 2Qj At;

б) низкочастотной составляющей, пропорциональной задержкам сигнала в тех цепях, по которым проходят колебания обеих стан­ ций до или после преобразования частоты

§24. ОСНОВНЫЕ О Ш И Б К И

РА Д И О Д А Л Ь Н О М Е Р Н Ы Х И З М Е Р Е Н И Й

Ошибка радиодальномерных измерений определяется общей фор­ мулой (201), полученной в § 18. Однако, кроме членов, приведен­ ных в этой формуле, измерения геодезическими радиодальномерами сопровождаются рядом погрешностей, обусловленных особенностью устройства рассматриваемых дальномеров и характером распростра­ нения электромагнитных волн СВЧ диапазона в приземном слое атмосферы в непосредственной близости от подстилающей поверх­ ности.

178

Перейдем к рассмотрению конкретных ошибок радиодальномерных измерений.

В качестве генераторов колебаний модулирующей частоты в гео­ дезических радиодальномерах применяются, как уже говорилось, кварцевые генераторы. Поэтому ошибка частоты определяется главным образом погрешностью эталонирования частот кварцевых генераторов и уходом частоты с течением времени. С целью умень­ шения частотной ошибки в качестве резонаторов используются пластины Кварца наиболее выгодных срезов, а резонаторы к тому же герметизируют и термостатируют. Эталонирование частоты про­ изводят с такой периодичностью, чтобы возможный уход частоты между смежными эталонированиями был несущественным. В ре­ зультате этих мер удается снизить величину частотной ошибки до 1^-2 • 10" 6 .

Ошибка собственно измерения разности фаз в геодезических радио­ дальномерах невелика и определяется способом измерения. Практи­ куемое в радиодальномерах понижение частоты позволяет исполь­ зовать относительно простые низкочастотные фазометрические устройства, обеспечивающие точность измерения разности фаз при одной фиксации ее не ниже 1,0 —1,5°. В качестве таких устройств применяются электронно-лучевые трубки (метод яркостной метки), цифровые и индуктивные фазометры. Путем многократного повто­ рения регистрации разности фаз удается уменьшить фазовую ошибку настолько, что погрешность в длине линии, обусловленная собственно ошибкой измерения разности фаз, не превосходит нескольких мил­ лиметров.

Существенным источником ошибок радиодальномерных измере­

за счет этого фактора для расстояний более 6—7 км достигает 30— 40% от общей ошибки измерений и при неблагоприятных условиях моячет превышать 1 : 100 000. Наилучшим способом ослабления этой ошибки является выбор для измерений благоприятных метеорологи­ ческих условий (малая влажность воздуха, температура ниже + 2 0 ° С)

Значительную ошибку в результаты радиодальномерных изме­ рений вносит непостоянство поправки радиодальномера, которая в общем случае складывается из геометрической и электрической составляющих.

Геометрическую часть поправки определяют как расстояние между конструктивным и электрическим центрами радиодальномерной станции. При этом за конструктивный центр принимают точку прибора, по которой осуществляется его центрировка над одним из концов измеряемой линии, а под электрическим центром понимают точку приемного канала станции, через которую в прием­ ную систему поступают колебания собственного передатчика. Из