Особенности измерения доплеровской частоты в системе ДИСС

2.2.1. Особенности измерения доплеровской частоты

При ра­боте ДИСС доплеровский спектр отраженного сигнала даже при непрерывном излучении передатчика не является монохроматическим. Действительно, в реальной системе луч ДНА имеет конечную ширину, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. В связи с этим на местности освещается участок П_осв, содержащий множество хаотически рас­пределенных отражателей (см. рис.2.5). Участки, облучаемые под одним и тем же углом В_i к вектору скорости , будут иметь одну и ту же доплеровскую частоту согласно формуле (2.1).

Из этой же формулы видно, что геометрическим местом рас-сеивателей, сигналы от которых имеют одинаковую f_д, является линия пересечения с земной поверхностью конуса, ось которого совпадает с направлением вектора , а угол при вершине равен 2 В. Такая линия называется изочастотной. При горизонтальном полете это гипербола с осью симметрии, совпадающей с линией пути.

Облучаемая площадка, как видно из рис. 2.5, содержит мно­жество изочастотных линий, каждой из которых соответствует свое значение угла В_i. Тогда заданному постоянному значению горизон­тальной скорости объекта должен соответствовать спектр частот отраженного сигнала, определяемый выражением

Чтобы определить характер распределения мощности такого спектра, сделаем ряд упрощающих предположений: считаем диаграм­мы направленности передающей и приемной антенн симметричными и одинаковыми; в пределах малых углов раствора антен­ного луча можно не учитывать различие энергий элементарных отраженных сигналов, связанное с различием расстояний до соответствующих участков отражающей площадки; будем считать коэффициенты обратного рассеяния всех участков отражающей площадки одинаковыми.

 

Рис. 2.5. Образование доплеровского спектра

 

При этих условиях энергия отраженного сигнала будет определяться только усилением антенны, т.е. ее полярной диаграммой направленности. В тех случаях, когда отражающий участок П_осв (обычно имеющий удлиненную форму) находится под каким-либо углом к изочастотным линиям, форма спектра S_д (f) определяется раскрывом ДНА в двух плоскостях. Если участок П_осв расположен вдоль изочастотных линий, как это представлено на рис. 2.5, то форма спектра определяется диаграммой направленности луча антенны в плоскости углов В (проходящей через ось луча и вектор путевой скорости). Такая ДНА может быть аппроксимирована кривой Гаусса

 

, (2.18)

где В₀ – угол, соответствующий оси симметрии луча антенны в плоскости x0y, а - эффективная ширина ДНА. Тогда спектр отраженного сигнала может быть записан

, (2.19)

где S_{f до} - значение спектра на средней частоте ; Δf_д – эффективная ширина спектра.

Ширина доплеровского спектра по уровню половинной мощности в случае непрерывного излучения определяется приближенно

 

, (2.20)

 

где - ширина луча антенны в плоскости углов В.

При полете объекта над сушей максимум огибающей доплеровского спектра практически совпадает с частотой , соответствующей осевому углу В₀. (см. рис.2.5). Спектр можно считать симметричным, так как отражательная способность всех участков облучаемой площадки П_осв одинакова.

При полете над морем картина изменяется. Как видно из рис. 2.6, отражательная способность σ₀ морской поверхности резко убывает при уменьшении угла падения В. Поэтому в пределах облучаемой площадки она будет уменьшаться с уменьшением угла В.

Соответственно при полете над морем кривая распределения энергии доплеровского спектра деформируется, как показано на рис. 2.7. При этом центр тяжести огибающей смещается относительно час­тоты в сторону более низкой частоты .

При определении скорости по средней частоте доплеровского спектра это дает ошибку (f_д0 - f ^/_д0) за счет "морского эффекта".

 

дБ

10 lg σ0

Море, волнение 7-8 баллов; волнение 1 балл; лес трава

 

-20   -25

 

 

В

50 60 70 80 90

 

Рис. 2.6. Зависимость σ₀ (удельной ЭПР) от угла визирования и степени морского волнения

 

 

Рис. 2.7. Искажения доплеровского спектра при полете над морем при волнении 4 балла

 

При практически применяемых в доплеровских системах углах падения В =60°... 70° ошибка за счет "морского эффекта" имеет величину около 1%, уменьшить ее можно путем сужения ДНА в плоскости, перпендикулярной изочастотным линиям. Однако, в ДИСС использован более практичный метод, заключающийся в измерении σ₀ и автоматическом учете поправки при вычислении .

 

2.2.2. Способы определения доплеровской частоты

Рассмотрим подробнее процесс определения . Так как доплеровский спектр отраженного сигнала формируется путем наложения сигналов от множества элементарных отражателей в преде­лах облучаемого антенной пятна, то очевидно, что этот спектр бу­дет иметь шумоподобный характер с флюктуациями по амплитуде и час­тоте. Задача сводится к определению с заданной точностью положе­ния центральной частоты спектра сигнала на оси частот и может быть решена двумя способами. Первый основан на подсчете числа пересе­чений напряжением сигнала нулевой оси амплитуд за единицу времени (счетчик числа "нулей"). Второй состоит в слежении за средней частотой спектра с помощью системы ФАПЧ.

В основу работы счетчика "нулей" положен тот факт, что по­ложение спектра сигнала на оси частот характеризуется среднеквадратичной частотой

, (2.21)

где S_д(f) – спектральная плотность сигнала; P_c – мощность сиг­нала. При нормальном распределении значений амплитуд сигнала среднеквадратичная частота совпадает со средним числом пересе­чений сигналом нулевой оси амплитуд за секунду в одном направлении при бесконечном времени усреднения. При ограниченном времени усреднения среднеквадратическая частота определяется с некото­рой погрешностью. Число нулей N(T_у) за время T_у флюктуирует около средней величины , при этом – мощность флюктуаций числа нулей за время Т_у. В свою очередь и зависят также от ширины спектра мощности сигнала .

Интервал корреляции узкополосного случайного сигнала связан с шириной его спектра приближенным соотношением τ_корр ≈1/∆f. Это означает, что значения мгновенной частоты, разделенные интервалом t>τ_корр , независимы одно от другого. При интегрирова­нии показаний частотомера за время Т_у имеет место усреднение вcex независимых замеров частоты f_д за это время. Полное число таких замеров N за время Т_у определяется формулой

N ≈ Т_у / τ_корр = Т_у ∆f_д.

 

Из теории ошибок известно, что при усреднении результатов независимых равноточных замеров некоторой заданной величины результирующая среднеквадратичная погрешность замеров в раз меньше погрешности единичного замера.

Следовательно, результирующая среднеквадратичная погрешность измерения частоты за время Т_у определяется соотношением

Тогда относительную среднеквадратичную погрешность измерения путевой скорости σ_w определяем, как

, (2.22)

а среднеквадратичную флуктуационную погрешность измерения угла сноса определяем из следующей формулы

 

. (2.23)

Недостаток способа подсчета "нулей" состоит в том, что полоса пропускания фильтра доплеровских частот приемного устройства ДИСС определяется диапазоном измеряемых доплеровских частот ∆f_д и много шире текущего обрабатываемого спектра (см. рис. 2.8.а). Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и к увеличению требуемой рабочей мощности передатчика. От этого недостатка свободен метод измерения, используемый в ДИСС-7 и состоящий в слежении за средней частотой доплеровского спектра сигнала.

 

Sд(f)

 

 

fд

 

а)

 

Δ Fизм

fд

 

Δ Fизм

Δ Fизм

б)

 

fд

 

Рис. 2.8. Доплеровский спектр и полоса пропускания измерителя частоты: а – при методе счета "нулей", б – при методе слежения за средней частотой

 

Как видно из рис. 2.8 б, полоса пропускания измерителя в режиме слежения за средней частотой существенно уже, что позволяет снизить минимально необходимое входное значение сигнал/шум. Так, при относительной погрешности измерения 0,2%, метод слежения за средней частотой позволяет иметь на входе соотношение сигнал/шум на 8-12 дБ ниже, чем метод счета "нулей".

 

Структурная схема ДИСС-7

2.3.1. Доплеровский измеритель скорости и угла сноса

Доплеровский измеритель скорости и угла сноса ДИСС-7 предназначен для работы в составе навигационно-пилотажных комплексов и обеспечивает непрерывное автоматическое вычисление составляющих полной скорости самолета (путевой скорости) и угла сноса. Работа измерителя ДИСС-7 основана на использовании эффекта Доплера в режиме непрерывного излучения при последовательной коммутации сигнала передатчика по четырем лучам антенны.

Для решения уравнений (2.13), (2.14), (2.15) и определения всех составляющих полной скорости (W_x, W_y, W_z) станция имеет антенную систему с тремя некомпланарными лучами. Четвертый луч служит для получения информации о характеристиках отражающей поверхности, необходимой при автоматическом вычислении поправки на "морской эффект". Угол падения этого луча (84°) отличается от углов падения первых трех (74°). Из сравнения мощностей отраженных сигналов, принимаемых по первому и четвертому лучам, оценивается смещение доплеровского спектра и по результатам оценки в вычислительное устройство автоматически вводится поправка.

 

2.3.2. Блок-схема ДИСС-7

На рис. 2.9 приведена блок-схема ДИСС-7. Высокочастотный сигнал, генерируемый магнетронным передатчиком, поступает на ответвитель и через переключатель лучей на вход передающей антенны, где излучается в направлении земной поверхности последовательно во времени по четырем лучам с частотой коммутации F_к =2,5 Гц. Отраженные от земной поверхности сигналы принимаются приемной антенной так же последовательно по четырем лучам и через переключатель лучей поступают затем на вход приемника. Приемник осуществляет двойное преобразование частоты и усиление принятого сигнала. С выхода приемника спектры доплеровских частот со средними частотами поступают на вход блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). ФАПЧ выделяет частоту по каждому из каналов (номер канала соответствует номеру луча). Выходные сигналы системы ФАПЧ подаются в бортовое вычислительное устройство и систему индикации. В целях повышения надежности в станции ДИСС-7 применено резервирование наиболее ответственных блоков: блока ФАПЧ и блока передатчика. .

2.3.3. Антенная система

Антенная система состоит из двух антенн: приемной А_прм и передающей А_прд, каждая из которых выполнена по схеме двухзеркальной антенны с поворотом плоскости поляризации. Диаме­тры зеркал 320 мм, ширина луча около 4°. Это дает возможность расположить облучатели в плоскости зеркала, а линии подвода высо­кочастотного сигнала разместить за пределами рабочей поверхности. Такое конструктивное решение устраняет затенение рабочей поверх­ности зеркала облучателя. Антенная система, формируется луч с диаграммой направленности "кара­ндашного" типа. Требуемый наклон луча обеспечивается выносом соответствующего рупора-излучателя из фокуса антенны. Всего рупоров-излучателей четыре, по числу формируемых лучей.

 

2.3.4. Передатчик

Передатчик выполнен на магнетроне, имеющем два высо­кочастотных вывода. Один из них служит для подключения нагрузки, второй – для подключения узла стабилизации частоты в виде высокодобротного объемного резонатора. Частота генерации f₀ =13325 МГц, относительная нестабильность примерно 10^-3.

 

2.3.5. Приемник

Приемник выполнен по схеме двойного преобразования частоты. На балансный модулятор (рис.2.9) поступает с ответвителя часть мощности передатчика и сигнал от генератора опорной частоты f_{г оч}. На выходе смесителя формируется спектр частот mf₀ ± nf_{г оч} (m, n = 1, 2...), из которого с помощью фильтра выделяется сигнал разностной частоты f₀ - f_{г оч} и поступает на балансный смеситель. На него же поступает сигнал со средней час­тотой f₀ ± от приемной антенны. Отфильтрованный выходной сигнал смесителя со средней частотой f_{г оч} ± усиливается в УПЧ и поступает на смеситель. Отфильтрованный разностный сигнал со средней частотой через УНЧ поступает на вход четырехкана­льной системы ФАПЧ. Для увеличения динамического диапазона прием­ника цепью автоматической регулировки усиления от блока АРУ ох­вачены УПЧ и УНЧ.

 

2.3.6. Блок ФАПЧ

Блок предназначен для измерения сигнала со средней частотой на фоне шумов и для слежения за частотой обнаруженного сигнала по четырем каналам. Блок состоит из следующих функциональных частей: фазового дискриминатора, четы­рех перестраиваемых генераторов и схемы управления. Так как ка­налы блока ФАПЧ идентичны, рассмотрим работу одного из них.

Имеется два режима работы: "Поиск" и "Слежение". Канал работает в режиме "Поиск" в следующих случаях: при отсутствии сигнала по данному каналу; при малом отношении сигнал/шум, не превышающем заданное пороговое значение (q_с/ш <1); при выходе сигнала за полосу пропускания дискриминатора. Схема управления работает в этом случае таким образом, что частота перестраиваемого генератора начинает изменяться от ниж­ней границы диапазона 1,5 кГц до верхней 30 кГц. При дости­жении последней частота начинает изменяться к нижней границе диапазона. Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока на вход дискриминатора и автомата захвата не поступит доплеровский сигнал в указанном диапазоне. Скорость изменения частоты перестраиваемого генератора в этом режиме постоянна.

 

 

Рис. 2.9. Структурная схема ДИСС-7

В режиме "Слежение" направление изменения частоты перестраиваемого генератора определяется сигналом "Знак ошибки" (+) и "Знак ошибки" (−) на выходе блока управления. Знак изменения частоты перестраиваемого генератора зависит в данный момент времени от знака ошибки.

Для согласования полосы пропускания дискриминатора в соот­ветствии с принимаемым спектром частот доплеровского сигнала она может изменяться. "Узкая" полоса соответствует нижним часто­там диапазона ( ≤ 4кГц). "Широкая" - верхним ( ≥ 4кГц). Переключение полосы осуществляется по сигналу схемы управления.

В блоке ФАПЧ также имеется режим "Память", в который сис­тема автоматически переходит на время не более 3 … 5 с в следующих случаях: при от­сутствии доплеровской информации хотя бы по одному из каналов; при величине напряжения поправки на характер отражающей поверх­ности U_{х оп}, не соответствующей реальной величине.

 

2.3.7. Блок коммутации

Обеспечивает электрическое соедине­ние всех блоков системы, подключение резервных блоков ФАПЧ и передатчика, а также выдачу сигналов, обеспечивающих синхронную работу каналов измерителя и его встроенный штатный контроль.

2.3.8. Вычислитель

Вычислитель осуществляет расчет поправки на характер отражающей поверхности, используя логарифмический усилитель и производит вычисле­ние величины U_{х оп} по формуле U_{х оп}=k ln(U₄/U₁), где U₄, U₁ – эффективные значения напряжения доплеровского сиг­нала на входе вычислителя поправки при работе четвер­того и первого каналов соответственно; k – коэффициент пропорциональности; U_{х оп} – постоянное напряжение, пропорциональное величине поправки на характер отражающей поверхности.