ДОПЛЕРОВСКИЙ  ПЕЛЕНГАТОР  С  ОДНОЙ  ВРАЩАЮЩЕЙСЯ  АНТЕННОЙ

Сорочан  Анатолий  Григорьевич

д-р  техн.  наук,  профессор  Донецкого  национального

технического  университета,  г.  Донецк

E-mail: 

Добряк  Дмитрий  Александрович

канд.физ.-мат.  наук,  ведущий  инженер,  Samsung  центр  управления  и  развития  в  Украине  (SRK)  г.  Киев

E-mail: 

Добряк  Оксана  Анатольевна

канд.физ.-мат.  наук,  инженер,  Samsung  центр  управления  и  развития  в  Украине  (SRK)  г.  Киев

E-mail: 

Нестругин  Александр  Владимирович

магистрант  Донецкого  национального  технического  университета,  г.  Донецк

E-mail: 

A  DOPPLER  DIRECTION  FINDER  WITH  ONE  ROTATING  ANTENNA

Sorochan  Anatoliy

dr.  Sci.  Tech.,  Professor  of  Donetsk  National  Technical  University,  Donetsk

Dobryak  Dmitriy

candidate  of  Physics  and  Mathematical  Sciences,  chief  engineer,

Samsung  Ukraine  Research  &  Development  Centre,  Kiev

Dobryak  Oksana

candidate  of  Physics  and  Mathematical  Sciences,  engineer,

Samsung  Ukraine  Research  &  Development  Centre,  Kiev

Nestrugin  Aleksandr

master  of  Donetsk  National  Technical  University,  Donetsk

АННОТАЦИЯ

Исследуется  одноканальный  доплеровский  пеленгатор  с  целью  раскрытия  важных  особенностей  его  работы.  В  основу  исследований  положен  спектральный  метод  анализа,  теория  функций  Бесселя,  теория  радиоприемных  устройств  и  систем.  Уточнено  выражение  выходного  напряжения  пеленгатора.  Определение  углового  положения  цели  может  производиться  как  на  нечетных,  так  и  четных  гармониках  частоты  вращения  антенны.  Даются  рекомендации  по  максимизации  уровня  выходного  сигнала.  Доказано,  что  нестабильность  фазовой  характеристики,  коэффициента  усиления  линейного  тракта,  не  влияют  на  результат  измерений.

ABSTRACT

A  Doppler  single-channel  direction  finder  is  researched  t  reveal  important  features  of  its  work.  The  research  is  based  on  spectral  analysis  methods,  the  Bessel  functions,  theory  of  radio  devices  and  systems.  The  output  voltage  expression  of  the  finder  is  clarified.  Determination  of  target  angular  position  can  be  conducted  both  on  the  even  and  odd  harmonics  of  antenna  rotating  frequency.  Recommendations  for  maximizing  output  level  are  given.  It  is  proved  that  amplification  factor  and  phase  characteristic  instability  of  linear  tract  do  not  influence  on  the  measurement  results.

Ключевые  слова:  пеленгатор;  доплеровская  частота;  индекс  модуляции;  задержка;  фаза;  функция  Бесселя;  полосовой  фильтр;  модулирующая  частота.

Keywords:  direction  finder;  Doppler  frequency;  deviation  ratio;  dwell  time;  phase;  Bessel  function;  band  pass  filter;  modulation  frequency.

Структурная  схема,  реализующая  одноканальный  доплеровский  метод  пеленгации  [1,  2],  приведена  на  рис.  1.

Рисунок  1.  Структурная  схема  одноканального  доплеровского  пеленгатора

где  Ан  —  антенна;  ЛТ  —  линейный  тракт  приемника;  Г  —  гетеродин;  ОГ  —  опорный  генератор;  СМ  —  смеситель;  КГ  —  кварцевый  генератор;  ЛЗ1—ЛЗ3  —  первая-третья  линии  задержки;  ФОС  —  формирователь  ортогональных  сигналов;  ПФ1  и  ПФ2  —  первый  и  второй  полосовые  фильтры;  Х1  и  Х2  —  первый  и  второй  перемножители;  УПФ  —  узкополосный  фильтр;  ИФ  —  измеритель  фазы.

Полагаем,  что  объект  пеленгации  излучает  немодулированное  гармоническое  колебание,  которое  описывается  выражением 

,

где:  ,    и    —  амплитуда,  несущая  частота  и  начальная  фаза  сигнала.

Антенна  Ан.  вращается  по  кругу  радиусом    с  угловой  скоростью  .  Частота  вращения    задается  опорным  генератором  (ОГ),  с  выходным  напряжением

,

где:    и    —  соответственно,  амплитуда  и  начальная  фаза  напряжения  ОГ,  которую  полагаем  равной  .

На  практике  вместо  вращающейся  антенны  применяют  неподвижные  антенны,  расположенные  по  окружности,  которые  последовательно  и  поочередно  подключаются  к  входу  приемника  с  частотой  .

В  работе  [3]  показано,  что  выходное  напряжение  вращающейся  антенны

,

где:    —  амплитуда  сигнала; 

  —  индекс  модуляции; 

  —  угловое  положение  цели; 

  —  начальная  фаза; 

  —  некоторая  фаза,  определяемая  исходным  положением  антенны.

Входной  сигнал  ЛТ    с  помощью  гетеродина  Г  смещается  вниз  по  частоте  и  на  выходе  ЛТ  будет  определен  в  виде

,

где:    —  коэффициент  учитывающий  непостоянство  усилительных  свойств  ЛТ; 

  —  несущая  частота  выходного  сигнала  ЛТ; 

  —  результирующая  начальная  фаза  сигнала; 

  —  фаза  модулирующего  сигнала,  вызванная  задержкой  сигнала  в  ЛТ; 

  —  фаза  сигнала,  вызванная  его  задержкой  в  ЛТ,  нестабильностью  ЛТ  и  начальной  фазой  гетеродина  Г.

Преобразованный  с  помощью  генератора  КГ  с  частотой    и  начальной  фазой    выходной  сигнал  смесителя  СМ 

,

в  котором    —  временная  задержка  ПФ1.

Выходной  сигнал  второй  линии  задержки  ЛЗ2  с  временной  задержкой 

.

Сигнал,  выделенный  фильтром  ПФ2  с  временной  задержкой  ,  из  результата  перемножения  сигналов  в  Х1  определится  выражением 

,

в  котором    —  вновь  сформированный  индексом  модуляции,  ,  а  .

Полученное  выражение  характеризуется  отсутствием  фаз    и  .  Кроме  того,  несущая  частота  сигнала  и  ее  стабильность  определяются  параметрами  КГ.  Каждая  спектральная  составляющая    сигнала    содержит  информацию  об  угловом  положении  цели.  Для  выделения  пеленга  сигнал  подается  на  корреляционный  детектор,  состоящий  из  перемножителя  Х2  и  линии  задержки  ЛЗ3  с  временной  задержкой  .  Поэтому  выделенная  на  выходе  Х2  низкочастотная  составляющая  сигнала  определится  равенством

,

где:    —  преобразованный  индекс  модуляции.

Начальная  фаза    сигнала    определяет  вид  спектра.  Так  при  выполнении  равенства  ,  где    напряжение    запишется

,

а  его  разложение  будет  иметь  вид

.

Энергия  сигнала    распределена  только  между  четными  составляющими  спектра.  Поэтому  ИФ  пеленгатора  может  работать  на  одной  из  четных  гармоник  частоты  модуляции  .  Знак  минус  указывает  на  то,  что  фазы  всех  спектральных  составляющих  имеют  дополнительный  сдвиг  равный  .

При  выборе  в    начальной  фазы  из  условия    (здесь  ),  исходное  выражение  запишется 

,

а  его  разложение  примет  вид

.

В  этом  случае  энергия  сигнала  будет  распределена  только  между  нечетными  составляющими  спектра,  поэтому  ИФ  пеленгатора  может  работать  на  одной  из  нечетных  гармоник  частоты  модуляции.

Одно  из  назначений  линии  ЛЗ3  —  формирование  на  выходе  детектора  требуемой  гармонической  составляющей  с  максимальным  уровнем,  чем  обеспечивается  максимальное  выходное  отношение  сигнал/шум.  Для  ее  выделения  на  выходе  Х2  включен  УПФ  фильтр  со  средней  частотой  равной  частоте  выделяемой  спектральной  составляющей  . 

Установление  уровня  выбранной  гармонической  составляющей  производится  в  два  этапа.  На  первом  этапе  —  изменением  отношения    или  временной  задержки    или  же  изменением  как  одного,  так  и  другого  параметра,  чем  задается  индекс  модуляции  ,  при  котором  значение  функции  Бесселя    будет  максимально.  Для  разных  гармоникзначения  индекса  модуляции  будет  иметь  свое  значение,  т.е.  ,  где    —  номер  выбранной  гармоники.  Так  для  первой  гармонии  максимум  достигается  при  ,  для  второй  —    и  т.д.  На  втором  этапе,  благодаря  выполнению  условия  ,  незначительным  уточнением    добиваются  установления  начальной  фазы    равной    или  .  На  этом  этапе  незначительные  изменения  τ₃  не  окажут  заметного  отклонения  значения  функции  Бесселя    от  максимального  .

Таким  образом,  задержка  в  ЛЗ3  определяется  выбором  гармоники  модулирующего  колебания.  Если  выделенная  гармоника  ,  то  индекс  модуляции    будет  обеспечен  при  временной  задержке 

.

Выделенная  фильтром  УПФ  из  выходного  сигнала  перемножителя  Х2  рабочая  гармоника,  с  учетом  временной  задержки    в  фильтре,  запишется  как 

.

Выбор  рабочей  гармонической  составляющей  выше  первого  порядка,  т.  е.  при    определяется,  как  указывается  в  [1,  2,  3],  требуемой  точностью  измерений.  Точность  измерительного  устройства  определяется  крутизной  его  характеристики.  Для  фазового  детектора  (ИФ)  крутизна  характеристики  определяется  значением  частоты  входного  сигнала.  Однако  выбор  за  рабочую  гармоническую  составляющей  частотой    при    приводит  к  неоднозначности  измерений  углового  положения  цели  [1,  2].

При  однозначном  отсчете  углового  положения  цели  работа  ИФ  ведется  на  первой  гармонике  напряжения  .  Поэтому  из  последнего  выражения  выходное  напряжение  УПФ  определится,  положив  ,  равенством

.

Для  определения  углового  положения  источника  излучения  используется  ортогональная  система  сигналов,  представляющая  собой  пару  гармонических  колебаний  ,  .  Такая  пара  колебаний  формируется  в  устройстве  формирования  ортогональных  сигналов  ФОС  из  колебания  ОГ.  Для  устранения  фазового  сдвига    на  результат  измерений  на  выходе  ОГ  включена  линия  ЛЗ1  с  задержкой  на  время  .  Тогда  выходные  колебания  ФОС  запишутся  как

;  .

В  ИФ  вычисляются  проекции  координат  входного  сигнала    на  координатные  оси,  в  качестве  которых  выступает  ортогональная  пара  колебаний    и  .  Поскольку  уровень  ортогональных  составляющих  ,  то  проекции  сигнала    определятся  равенствами

;  .

Отсюда  угловое  положение  цели  определится  как

.

При  необходимости  повышения  точности  измерения  пеленга  в  [1,  2]  рекомендуется  работать  на  более  высокой  гармонике    частоты  вращения  антенны.  В  этом  случае  необходимо  учитывать  увеличение  фазового  сдвига  в  число  раз  соответствующее  номеру  гармоники  ,  что  повлияет  на  выбор  значений  временных  задержек  в  ЛЗ1    и  ЛЗ3  .

Список  литературы:

1.Астафьев  Г.Л.,  Шебшаевич  В.С.,  Юрков  Ю.А.  Радиотехнические  средства  навигации  летательных  аппаратов.  М.:  Советское  радио,  1962.  —  952  с.

2.Кукес  И.С.  Основы  радиопеленгации  /  И.С.  Кукес,  М.Е.  Старик.  М.:  Советское  радио,  1964.  —  640  с.

3.Сорочан  А.Г.,  Добряк  Д.А.,  Добряк  О.А.  Двухканальный  доплеровский  пеленгатор  //  Восточно-Европейский  журнал.  —  2013.  —  №  2/9  (62)  —  С.  34—38.