ДонНТУ   Портал магистров

Нестругин Александр Владимирович

Факультет радиотехники и специальной подготовки

Кафедра радиотехники и защиты информации

Специальность «Радиоэлектронные устройства, системы и комплексы»

Исследование одноканального Доплеровского радиопеленгатора для гражданской авиации

Научный руководитель: д.т.н., проф. Сорочан Анатолий Григорьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы «Исследование одноканального Доплеровского радиопеленгатора для гражданской авиации»

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Краткий обзор широко используемых методов пеленгования целей
• 3.1 Амплитудный метод
• 3.2 Фазовый метод с невращающимися антеннами
• 3.3 Фазовый метод с вращающимися антеннами
• 4. Описание принципов работы доплеровского и квазидоплеровского пеленгатора
• Выводы
• Список источников

Введение

Пеленгация – это определение направления на какой-либо объект, его угловых координат. Она может осуществляться оптическими, радиотехническими, акустическими и другими методами. Пеленгация при помощи радиосредств, т.е. определение направления на источник излучения, называется радиопеленгацией. [1]

1. Актуальность темы

Современный этап  развития авиации характеризуется количественным и качественным изменением авиационной техники, увеличением интенсивности и скорости полетов,  что требует повышения эффективности функционирования радиотехнических систем обеспечения полетов.

Разработка сложных радиотехнических систем требует сопоставления различных вариантов реализации для выбора оптимального  из них. [2]

В то время как пеленгование навигационных целей становится менее важным в связи с наличием спутниковых навигационных систем, существует растущая потребность для определения расположения источников радиоизоилучения (ИРИ), т.к. существует стремительный рост числа и разнообразия коммуникационного оборудования в таких сферах как:

• радиомониторинг:

- поиск источников помех;

- локализация несанкционированных передатчиков;

• службы безопасности:

- разведка и обнаружение радиосвязи преступных организаций;

• военная разведка:

- обнаружение активности потенциальных врагов;

- получение информации о построении систем связи

противника;

• интеллектуальные системы связи:

- космические станции множественного доступа с кодовым

разделением (SDMA), требующие знания направления прихода

волны;

• исследования:

-  радиоастрономия;

-  дистанционное зондирование Земли;

Еще одна причина важности пеленгации заключается в том, что технологии с расширением спектра все чаще используется для беспроводной связи. Это означает, что спектральные составляющие могут быть выделены для конкретных ИРИ только если известно направление прихода сигнала. Радиопеленгация остается необходимым первым шагом в радиообнаружении и радиоэлектронной борьбе (РЭБ), особенно  часто из-за того, что извлечение информации из сигналов многих ИРИ, как правило, невозможно или затруднительно.

Определение положения ИРИ часто есть многоступенчатый процесс. Пеленгаторы, распределенные по стране, позволяют располагать ИРИ в пределах нескольких километров (обычно примерно 3% от расстояния между РП) с помощью триангуляции. Дислокация ИРИ может быть определена более точно с помощью пеленгаторов установленных на транспортных средствах. Портативные пеленгаторы кроме того позволяют находить ИРИ в пределах 100м, например, в зданиях. Основное преимущество радиопеленгаторов над радиолокаторами заключается в отсутствии излучающей системы, а, следовательно, в большей скрытности. [3]

2. Цель и задачи исследования

Цель работы – исследование одноканального доплеровского (квазидоплеровского) пеленгатора. Необходимо произвести анализ существующих методов радиопеленгации, раскрыть сущность выбранного метода, определить основные параметры и характеристики пеленгатора, основанного на данном методе и привести его преимущества и недостатки. В заключении нужно произвести комплексный анализ полученных данных и оценить эффективность метода.

3. Краткий обзор широко используемых методов пеленгования целей

3.1 Амплитудный метод

Амплитудные методы пеленгации осно­ваны на использовании направленных свойств антенн. Если ис­пользуются направленные свойства только приемной антенны, ДН которой равна , то пеленгационная характеристика радио­пеленгатора , где к – коэффициент пропорциональ­ности. При использовании направленных свойств, как приемной, так и передающей антенны , где  – ДН передающей антенны. Если на передачу и прием работает одна антенна, то 

Среди амплитудных методов пеленгации различают методы максимума, минимума и сравнения. Пеленгация методом макси­мума (рис. 1,а) осуществляется путем совмещения направления максимума пеленгационной характеристики  с направлением на пеленгуемый объект  в результате плавного вращения ДН ан­тенны; пеленг отсчитывается в тот момент, когда напряжение на выходе приемника становится максимальным. Достоинства мето­да максимума: простота технической реализации, получение на­ибольшего отношения сигнал-шум в момент отсчета пеленга. Не­достатки метода: низкая пеленгационная чувствительность и, как следствие, низкая точность пеленгации. [9]

Пеленгационная чувствительность – это способность радио­пеленгатора изменять напряжение на выходе приемника при из­менении положения ДН антенны относительно направления на объект. Чем больше изменение напряжения при заданном изме­нении угла, тем выше пеленгационная чувствительность. Количественной  мерой   пеленгационной  чувствительности  является кру­тизна пеленгационной характеристики

 

Так как максимум ДН антенны обычно «тупой» то пеленгационная чувствительность при пеленгации методом максимума мала и, следовательно, погрешность измерения высока.

Рисунок 1. Диаграммы, иллюстрирующие пеленгацию методом максимума (а), минимума (б) и сравнения (в)

Пеленгация методом минимума (рис 1,б) осуществляется путем плавного вращения ДН с резким провалом. Угол отсчиты­вается в тот момент, когда направление минимума пеленгационной характеристики, а совпадает с направлением на объект , при этом напряжение на выходе приемника минимально. Крутиз­на пеленгационной характеристики в этом случае выше, чем при методе максимума, поэтому выше и точность пеленгации. Однако амплитуда принимаемого сигнала вблизи направления на объект мала, что затрудняет дальнометрию и. следовательно, использо­вание метода минимума в активной радиолокации. Этот метод применяется главным образом в радионавигации при пеленгации источников мощного собственного излучения,

При пеленгации методом сравнения (рис. 1,в) угол опреде­ляется по соотношению амплитуд двух принимаемых сигналов, соответствующих двум пересекающимся диаграммам направлен­ности .

При равносигнальном методе ДН антенной системы поворачивает­ся до тех пор, пока объект не окажется на равносигнальном на­правлении РСН (рис, 1,в), когда . Дос­тоинство равносигнального метода – сравнительно высокая точ­ность пеленгации, так как при измерении используется та часть ДН, которая обладает большой крутизной. Одноканальные радиопеленгаторы проще многоканальных, однако, менее помехозащищены и обес­печивают меньшую точность.[8]        

Таким образом, достоинства метода амплитудной пеленгации:

• простота и дешевизна технической реализации (требуется только один приемный тракт)

• получение хорошего отношения сигнала к шуму в момент отсчета пеленга (метод минимума)

• габариты системы определяются габаритами самой антенны.

    Недостатки метода:

• низкая пеленгационная чувствительность и, как следствие, низкая точность пеленгации;

• Возможность захвата зависит от направленности антенны;

• Метод не позволяет работать с сигналами малой длительности (длительность напрямую зависит от времени поворота антенной системы);

   

3.2 Фазовый метод с невращающимися антеннами

            

Радиопеленгаторы, базирующиеся на фазовом методе пеленгования, получают необходимую информацию из пространственного расположения линии или поверхности равных фаз. При этом выделяют два основных метода:

Рассмотрим фазовые радиопеленгаторы с неподвижными антеннами. В случае, когда нужно определить только азимут, применяются две  разнесенные антенны.

Рисунок 2. Диаграмма, иллюстрирующая фазовый метод пеленгации

Рисунок 3. Пеленгационные характеристики фазовых пеленгаторов

Пусть в точках А и В, расстояние между которыми d (рис. 2), расположены приемные антенны. Разность фаз принимаемых колебаний – расстояния от антенн до объекта. При  имеем 

где  – угол между нормалью к базе и направлением на объект. Измерив разность фаз , найдем

                                                          

По фазовому принципу осуществляется секторное пеленгование в круговой антенной системе и в системе антенн, расположенных по прямой линии. При пеленгации объекта не на плоскости, а в пространстве, когда требуется определять две угловые координаты, нужна вторая па­ра антенн, база которых пересекается с базой первой пары.

В качестве фазочувствительного элемента можно использовать фазовый детектор. Напряжение на его выходе пропорционально косинусу разности фаз . Пеленгационная характеристика . При малых углах , поэтому   (1 на рис. 3). Так как в ок­рестности  крутизна пеленгацнонной характеристики мала, то и точность пеленгации будет низкой. Кроме того, поскольку рассматриваемая пеленгационная характеристика является четной функцией угла, то его определение будет двузначным, т. е. нельзя будет определить направление смещения объекта от пер­пендикуляра к базе.

Рисунок 4. Структурная схема фазового пеленгатора

Эти недостатки устраняются, если ввести в один из приемных каналов после резонансного усилители РУ фазовращатель ФВ па  (рис. 4), Напряжение на выходе фазового детектора ФД из­меряется вольтметром В. Благодаря смещению фазы сигнала в одном из каналов на , пеленгационная характеристика стано­вится нечетной функцией (2 на рис. 3)

при этом ее крутизна . Как видим, пеленгационная чув­ствительность, следовательно, точность пеленгации растет с уве­личением отношения Однако при этом будет уменьшаться диапазон однозначного измерения угла . Действительно, поскольку для од­нозначного измерения разности фаз с помощью фазового детектора необходи­мо, чтобы , а при малых  соглас­но (19) 

Для обеспечения высокой точности и в то же время однозначности измерений можно применить многошкальный метод  (подобно фазовой  дальнометрии). При двухшкальном методе вводят третью антенну и создают большую и малую базы.[5]

Для разрешения многозначности применяют одну или несколько дополнительных антенных систем с меньшим разносом с фазовым или другим методом отсчета. Пара антенн с ма­лой базой обеспечивает грубое, но однозначное измерение уг­ла (в диапазоне ). 

Неоднозначность пеленгации можно устранить также, приме­нив антенны с достаточно узкими ДН: их ширина  не должна превышать диапазон однозначной пеленгации, т. е . Кроме того, остронаправленные антенны обеспечивают разреше­ние объектов по угловым координатам [4].

3.3 Фазовый метод с вращающимися антеннами

Рассмотрим применение фазовых методов в радиопеленгаторах с вращаемыми антеннами. Пусть одна из них (неподвижная) расположена в начале координат, а вторая (вращающаяся) – на расстоянии r от первой антенны под углом  к начальной линии отсчета.

Напряженности поля и пропорциональные им напря­жения в рассматриваемых двух антеннах будут

Разность фаз напряжений U₁  и U₂ равна

 

В пеленгаторах данного тина используется зависи­мость фазы от угла пеленга. Для выявления этой зави­симости вторая антенна вращается по радиусу r с угло­вой частотой  так что

Фаза напряжения  U₂ относительно напряжения U₁

оказывается изменяющейся во времени. Следовательно, разностное напряжение модулировано по фазе. Извест­но, что фазовую модуляцию можно рассматривать так же, как частотную. Девиация частоты равна

   

Фаза как фазовой, так и частотной модуляции соответ­ствует пеленгу. Приемное устройство (рис. 5 долж­но содержать усилитель высокой частоты, фазовый либо частотный   детектор, выделяющий НЧ напряжение, пропорциональное изменениям фазы, УНЧ и фазовый индикатор, по показаниям которого отсчитывается фаза выходного напряжения, соответствующая пеленгу. Пеленгаторы данного типа называются пеленгаторами с циклическим измерением фазы по высокой частоте. Вместо вращаемой антенны могут применяться и неподвижные переключаемые антенны.[11]

Рисунок 5. Схема Радиопеленгатора с циклическим измерением фазы

В случае неподвижных антенн можно использовать расположение антенн в соответствии с  рис. 2.11.

Рисунок 6. Расположение антенн

Напряжение каждой из антенн и в отдельности усили­вается в самостоятельных приемно-усилительных каналах, с точно одинаковыми фазовыми характеристиками. Производится измерение разности фаз напряжений па выходе первого и второго каналов  и па выходе треть­его и четвертого каналов . Отсюда сле­дует, что

По этим данным может быть найден угол  (а также и угол )_. Пусть, например, в схеме вырабатываются напряжения, пропорциональные фазам  и .

Подведем эти напряжения к пластинам X и Y электронно-лучевой трубки. Угловое положение светящейся точки определяется углом  причем

Следовательно, угол  непосредственно опреде­ляет пеленг. Может быть разработана схема, с помощью которой определяется также и угол . [5]

4. Описание принципов работы доплеровского и квазидоплеровского пеленгатора

В последние годы успешно применяются широкобазисные фа­зовые радиопеленгаторы с использованием обусловленной эффек­том Доплера фазовой модуляции, возникающей при круговом вращении приемной антенны.

Сущность эффекта Доплера заключается в том, что относи­тельное (взаимное) перемещение приемника и передатчика приводит к изменению фазы (а, следовательно, и частоты) принимаемых колебаний. Частота принимаемых колебаний становится отличной от частоты излучаемых.

Пусть ненаправленная в гори­зонтальной плоскости приемная антенна (например, вертикальный вибратор) вращается с угловой ча­стотой  по окружности радиусом R в поле, создаваемом удаленным передатчиком электромагнитных ко­лебаний частоты .

Рисунок 7. Характер приращения фазы в радиопеленгаторе с использованием эффекта Доплера

Обусловленное вращением антенны приращение фазы наводимой в ней ЭДС отрицательно в проме­жутки времени, когда антенна уда­ляется от передатчика. В этом слу­чае проекция вектора скорости движения антенны на линию ОО^/ совпадает с направлением распро­странения радиоволны (рис. 7). Приращение фазы положительно, когда антенна приближается к передатчику, и равно нулю, когда антенна движется перпендикулярно направлению распространения.[10]

Фазу ЭДС, наводимой в антенне, расположенной в центре окружности (точка О), примем за начальную и равную 

При вращении антенны мгновенное значение фазы, наводимой ЭДС, отличается от  на величину

 

 т. е. ЭДС в антенне модулирована по фазе частотой , причем фаза модулирующего колебания соответствует азимуту на пелен­гуемую радиостанцию.

Величина , называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы  (от­носительно ), происходящего при вращении антенны.

Если принятые колебания усилить и подать на фазовый де­тектор, то при малых значениях  на выходе детектора можно получить колебания модулирующей частоты , фаза которых со­ответствует азимуту  на пеленгуемую радиостанцию» т. е.

Для выявления фазы этих колебаний  и, следовательно, опре­деления  азимута  на передатчик они  подаются  на  фазометр, где сравниваются по фазе с опорным напряжением. В качестве опор­ного используется напряжение частоты  от местного генератора , фаза которого равна нулю в моменты прохож­дения вращающейся антенной северного направления.

Опорное напряжение может быть, в частности, получено от небольшого генератора переменного тока, ротор которого закреп­лен соответствующим образом на оси двигателя, вращающего антенну. При этом величина измеренной фазометром разности фаз между выходными колебаниями сигнала и опорным напряжением (в электрических градусах) равна значению измеряемого пеленга в угловых градусах.

На практике вместо вращающихся антенн применяют системы расположенных по окружности неподвижных антенн, которые с по­мощью механических или электронных коммутаторов поочередно с частотой  подключаются соответствующим образом к входу приемника.

Чувствительность, а следовательно, и точность пеленгования растут с увеличением отношения . Однако при появляется неоднозначность измерения угла, что следует из выражения:

 Для исключения неоднозначности применяют (так же как в фазовых дальномерных системах) нескольких шкал, т. е. проводят измерения при различных отношениях 

Применение эффекта Доплера возможно и в радио­маячных системах, в которых с помощью вращающейся антенны или ряда неподвижных коммутируемых антенн фаза излучаемого сигнала модулируется, и параметры модуляции несут информацию об обратном пеленге объек­та, извлекаемую при обработке сигнала, принимаемого приемоиндикатором на объекте.

При увеличении радиуса r пропорционально растет девиация частоты излучаемых доплеровским маяком коле­баний, что позволяет повысить помехоустойчивость систе­мы и, в частности, уменьшить влияние на точность пеленгования отражений от местных предметов.[7]

На практике расстояние между отдельными элементами антенной системы обычно выбирают равным 1/3 минимальной длины волны. Если данное условие выполнено, антенны радиопеленгатора на эффекте Доплера могут соответствовать требованиям широкоапертурных антенных систем при низких затратах:

• обеспечивать высокую защищенность при многолучевом распространении за счет пространственной селекции;

• обеспечивать высокую чувствительность.

Недостаток метода Доплера заключается в необходимости затраты некоторого промежутка времени, т.к. для определения пеленга необходимо произвести сканирования всех элементов антенной системы, по крайней мере, один раз. Так при частоте вращения 170 Гц в СВЧ/УКВ диапазонах один цикл сканирования занимает около 6 мс. Но этот недостаток не так значителен, если учесть преимущества метода.[12]

Достоинства:

- наличие всего одного канала

- простота реализации (использование простых антенн и схем построения)

- высокая точность

-  возможно построение системы с высокой рабочей частотой [6]

Выводы

Данная магистерская работа посвящена актуальной научно-технической задаче исследования систем радиопеленгации, применимых в гражданской авиации в ниши дни, в которых основными требованиями являются высокая точность и скорость измерения.

Замечание. При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Современная энциклопедия 2000. [Электронный ресурс] / Режим доступа: \www/ URI: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc1p/36254#sel=4:27,4:32 – 12.05.2013 г. – Загл. С экрана. 
2. Модели и алгоритмы процессов функционирования аэродромных квазидоплеровских автоматических радиопеленгаторов. [Электронный ресурс] / Режим доступа: \www/ URI: http://aid.dstu.ru/fileadmin/template/dstu.ru/files/Dzyba.doc – 12.05.2013 г. – Загл. С экрана.
3. Rohde & Schwarz. Radiomonitoring & Radiolocation [Текст] – Catalog – 2011/2012
4. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: учебное пособие для вузов [Текст] / Ю.Г. Сосулин – М.: Радио и связь, 1992. – 304 с.
5. Кукес И.С. Основы радиопеленгации [Текст] / И.С. Кукес – М.: Сов. Радио, 1964. – 640 с.
6. Вартанесян В.А. Радиопеленгация [Текст] / А.В. Вартанесян – М.: Сов. Радио, 1966. – 248 с.
7. Гришин Ю.П. Радиотехнические системы: учебное пособие для вузов [Текст] / Ю.П. Гришин – М.: Высшая Школа, 1990 – 496 с.
8. Дулевич В. Е. Теоретические основы радиолокации: учебное пособие для вузов [Текст] / В.Е. Дулевич – 2 изд. М.: Сов. Радио, 1978. – 608 с.
9. Белавин О. В. Основы радионавигации [Текст] / О.В. Белавин – М.: Сов. радио, 1977. – 320 с.
10. Лезин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: учебное пособие [Текст] / Ю.С. Лезин – М.: Радио и связь, 1986. – 280 с.
11. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации: Учебник для вузов [Текст] / М.И. Финкельштейн – М.: Радио и связь,1983. – 536 с.
12. Белоцерковский Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства: Учебник для техникумов [Текст] / Г.Б. Белоцерковный – М.: Радио и связь, 1975. – 336 с.