Методы измерения угловых координат

Измерение угловых координат основано на определении угла при-хода радиоволн, излучённых или отражённых объектом. Для этого ис-пользуют радиопеленгаторы. Важной характеристикой радиопеленга-тора является его пеленгационная характеристика U(a) – зависимость нормированного входного напряжения приёмника от направления при-хода радиоволн. В зависимости от того, какой параметр радиосигнала оказывает основное влияние на формирование пеленгационной характе-ристики, методы углометрии (пеленгации) подразделяют на амплитуд-ные, фазовые, частотные и комбинированные (амплитудно-фазовые). Основными из этих методов, нашедшими распространение на практи-ке, являются амплитудные и фазовые методы пеленгации.

2.19.1. АМПЛИТУДНЫЕ МЕТОДЫ

Амплитудные методы пеленгации основаны на использовании на-правленных свойств антенн. Если используются направленные свойства только приёмной антенны, ДН которой равна f_пр (a), то пеленгационная

характеристика радиопеленгатора U(a) = k f_пр (a), где k – коэффициент

пропорциональности. При использовании направленных свойств как приёмной, так и передающей антенны U(a) = k ¢ f_пр (a) f_прд (a) , где

f_прд(a) –ДН передающей антенны.Если на передачу и приём работаетодна антенна, то f_прд(a) = f_пр(a) = f(a), при этом U(a) = k ¢ f ² (a).

Среди амплитудных методов пеленгации различают методы мак-

симума, минимума и сравнения. Пеленгация методом максимума

(рис. 2.27, а) осуществляется путём совмещения направления макси-мума пеленгационной характеристики a с направлением на пеленгуе-мый объект a₀ в результате плавного вращения ДН антенны; пеленг отсчитывается в тот момент времени, когда напряжение на выходе при-ёмника становится максимальным.

U

а)				a0			a
	U

б)		a0		a

в)

Рис. 2.27. Амплитудные методы пеленгации методом:

а –максимума; б –минимума; в –сравнения

Достоинства метода максимума: простота технической реализа-ции; получение наибольшего отношения сигнал/шум в момент отсчёта пеленга. Недостатки метода: низкая пеленгационная чувствительность и, как следствие, низкая точность пеленгации.

Пеленгационная чувствительность – это способность радиопелен-гатора изменять напряжение на выходе приёмника при изменении по-ложения ДН антенны относительно направления на объект. Чем боль-ше изменение напряжения при заданном изменении угла, тем выше пеленгационная чувствительность. Количественной мерой пеленгаци-онной чувствительности является крутизна пеленгационной характе-ристики

K п=		dU (a) / da		a=a0 .	(2.42)

Если DU – минимальное изменение выходного напряжения при-ёмника, которое может зафиксировать измеритель, то согласно (2.42) абсолютная погрешность измерения угловой координаты Da » DU / K_п . Таким образом, чем больше крутизна пеленгационной характеристики, тем выше пеленгационная чувствительность и тем меньше погреш-ность измерения угла.

Так как максимум ДН антенны обычно «тупой», то пеленгацион-ная чувствительность при пеленгации методом максимума мала и, сле-довательно, погрешность измерения высока.

Пеленгация методом минимума (рис. 2.27, б)осуществляется пу-

тём плавного вращения ДН с резким провалом. Угол отсчитывается в тот момент времени, когда направление минимума пеленгационной характеристики a совпадает с направлением на объект a₀. При этом напряжение на выходе приёмника минимально. Крутизна пеленгаци-онной характеристики в этом случае выше, чем при методе максимума, поэтому выше и точность пеленгации. Однако амплитуда принимаемо-го сигнала вблизи направления на объект мала, что затрудняет опреде-ление дальности до объекта и, следовательно, использование метода минимума в активной радиолокации. Этот метод применяется главным образом в радионавигации при пеленгации источников мощного собст-венного излучения.

При пеленгации методом сравнения (рис. 2.27, в) угол определя-ется по соотношению амплитуд двух принимаемых сигналов, соответ-ствующих двум пересекающимся диаграммам направленности f₁(a)

и f₂(a). Приёмник в этом случае двухканальный, причём напряжения на выходе каналов пропорциональны значениям f₁(a₀) и f₂(a₀):

S₁= k₁ f₁(a₀), S₂= k₂ f₂(a₀).Сравнивая эти сигналы,например путём де-ления, находим

S = S1/ S2= k1 f1(a0) / k2 f2(a0).

(2.43)

Измерив отношение S и решив уравнение (2.43) относительно a₀, найдём искомый угол. Достоинством метода сравнения является воз-можность быстрого определения направления на объект (в течении одного импульса) в пределах сравнительно широкого сектора при не-подвижных антеннах. Однако точность измерения может иногда ока-заться низкой в зависимости от вида и взаимного положения ДН ан-тенн и угла прихода радиоволн.

В том случае, когда отношение сигналов S₁ / S₂ стремятся сделать равным единице, приходим к равносигнальному методу пеленгации.

При этом методе ДН антенной системы поворачивается до тех пор, пока объект не окажется на равносигнальном направлении (РСН), ко-гда S = S₁ / S₂ = 1. Достоинство равносигнального метода – сравнитель-но высокая точность пеленгации, так как при измерении используется та часть ДН, которая обладает большой крутизной. Данный метод при-меняется при автоматическом слежении по угловым координатам за движущимся объектом. В этом случае удобнее формировать не отно-шение сигналов (2.43), а их разность S = S₁ – S₂. Система управления поворачивает антенну (или ДН при неподвижной антенне) в ту или иную сторону (в зависимости от знака величины S), стремясь свести рассогласование S к нулю. При этом равносигнальное направление будет отслеживать изменение направления на объект. Методы сравне-ния, в частности равносигнальный, используют в многоканальных (моноимпульсных) и одноканальных радиопеленгаторах. В первом случае, благодаря многоканальности приёмной системы, сравнение сигналов происходит в один и тот же момент времени. Во втором слу-чае нужно периодически менять положение ДН антенны в пространст-ве, при этом сравниваются между собой сигналы, принятые в разные моменты времени при различных положениях ДН. Одноканальные пеленгаторы проще многоканальных, однако, имеют малую помехоза-щищённость и обеспечивают меньшую точность.

2.19.2. ФАЗОВЫЙ МЕТОД

Фазовый метод пеленгации основан на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых на две разнесённые ан-тенны. Пусть в точках А и В, расстояние (база) между которыми d (рис. 2.28), расположены приёмные антенны. Разность фаз принимае-мых колебаний j_р = 2p / l (R_А – R_В), где R_А, R_В – расстояния от антенн до объекта. При R_А >> d, R_В >> d имеем

jр = (2p / l) d sina,

(2.44)

где a – угол между нормалью к базе и направлением на объект. Изме-рив разность фаз j_р, найдём

a = arcsin [jр / (2pd / l)].

(2.45 )

При пеленгации объекта не на плоскости, а в пространстве, когда требуется получать две угловые координаты, нужна вторая пара ан-тенн, база которых пересекается с базой первой пары антенн.

В качестве фазочувствительного элемента можно использовать фазовый детектор. Напряжение на его выходе пропорционально коси-нусу разности фаз: S = k сosj_р. Согласно (2.44) пеленгационная харак-

теристика U(a) = cos [(2p / l) d sina]. При малых углах sina » a, поэто-

му U(a) = cos [(2p / l) da] (кривая 1 на рис. 2.29). Так как в окрестности a = 0 крутизна пеленгационной характеристики мала, то и точность пеленгационной характеристики будет низкой. Кроме того, поскольку рассматриваемая пеленгационная характеристика является чётной функцией угла, то его определение будет двузначным, т.е. нельзя будет определить направление смещения объекта от перпендикуляра к базе.

Эти недостатки устраняются, если ввести в один из приёмных ка-налов после резонансного усилителя РУ фазовращатель (ФВ) на p/2 (рис. 2.30). Напряжение на выходе фазового детектора (ФД) измеряется вольтметром (В). Благодаря смещению фазы сигнала в одном из кана-лов на p/2 пеленгационная характеристика становится нечётной функ-цией (кривая 2 на рис. 2.29)

U(a) = sin[(2p/l) da] »(2p/l) da.

U

1

2

a

В

А

Рис. 2.28. Расположение

Рис. 2.29. Пеленгационные

приёмных антенн при фазовом методе

характеристики

Рис. 2.30. Приёмный тракт с фазовращателем

При этом её крутизна K_п = (2p / l) da. Как видим, пеленгационная чувствительность, а следовательно, и точность пеленгации растёт с увеличением отношения d / l. Однако при этом будет уменьшаться диапазон однозначного измерения угла Da_max. Действительно, посколь-ку для однозначного измерения разности фаз с помощью ФД необхо-димо, чтобы j_р < p, а при малых a согласно (2.44) j_р » 2p da / l, то

Da_max = l / 2d.

Для обеспечения высокой точности и в то же время однозначно-сти измерений можно применить многоканальный метод (подобно фа-зовой дальнометрии). При двухканальном методе вводят третью ан-тенну и создают большую и малую базы. Пара антенн с малой базой обеспечивает грубое, но однозначное измерение угла (в диапазоне Da_max). Антенны с большой базой дают более точный отсчёт.

Неоднозначность пеленгации можно устранить также, применяя антенны с достаточно узкими ДН: их ширина a_а не должна превышать

диапазон однозначной пеленгации, т.е. a_а < Da_max. Кроме того, остро-

направленные антенны обеспечивают разрешение объектов по угловым координатам.