Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Применение: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многочастотных системах радионавигации, радиолокации и телеметрии для измерения интервалов времени между импульсами при наличии отраженного от ионосферы сигнала. Сущность изобретения: согласно способу определяют задержки огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов, определяют поправки к этим задержкам, причем при определении поправки к задержке огибающей поверхностного радиоимпульса в синтезированном радиосигнале компенсируют отраженный радиоимпульс, при определении поправки к задержке огибающей отраженного радиоимпульса компенсируют поверхностный радиоимпульс, точные задержки поверхностного и отраженного радиоимпульсов получают посредством сложения соответствующих задержек огибающих и поправок. 6 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2012026
Класс(ы) патента: G04F10/04
Номер заявки: 4920098/21
Дата подачи заявки: 25.01.1991
Дата публикации: 30.04.1994
Заявитель(и): Российский институт радионавигации и времени
Автор(ы): Конаржевский И.К.; Лутченко А.Е.; Полякова Л.В.
Патентообладатель(и): Российский институт радионавигации и времени
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многочастотных системах радионавигации, радиолокации и телеметрии для измерения интервалов времени между импульсами при наличии отраженного от ионосферы сигнала.
Известен способ измерения временной задержки принимаемых радиоимпульсов относительно местного опорного сигнала или временного интервала между принимаемыми радиоимпульсами от двух источников излучения, включающий измерение фазы ВЧ заполнения радиоимпульсов и разрешение многозначности фазового отсчета (РМФ). Поскольку на поверхностные радиоимпульсы, используемые для измерений, накладываются отраженные от ионосферы радиосигналы, измерения фазы производят в пределах непораженных фронтов радиоимпульсов. После измерения фазы производят синхронное выделение огибающей и формирование из нее сигнала с характерной точкой, где он меняет знак и за которой осуществляют слежение. Характерную точку формируют также на непораженном участке фронта поверхностного сигнала.
Таким образом, измерение фазы и временного положения огибающей (для РМФ) производят на фронте радиоимпульсов, то есть используют незначительную часть энергии, сосредоточенной в непораженной части фронта поверхностного радиосигнала. Это приводит к низкой помехоустойчивости, то есть к большой погрешности измерений.
Описан способ измерения, в котором фазу измеряют также в пределах фронта радиоимпульсов, однако временную задержку огибающих поверхностного и отраженного сигналов измеряют оптимальным образом с использованием всей энергии обоих сигналов. Этот способ по техническому решению и достигаемому положительному эффекту наиболее близок к заявляемому способу и принят в качестве прототипа.
В способе измерения при реализации алгоритма необходимо иметь точную форму огибающей A(t) радиоимпульсов. Такая возможность обеспечивается в многочастотных радиосистемах, в которых частотные компоненты (составляющие спектра) периодической последовательности радиоимпульсов излучают одновременно или последовательно во времени, а в измерителе из них формируют (синтезируют) радиосигнал с заданной огибающей согласно теории рядов Фурье.
Предположим, что многочастотная система излучает периодическую последовательность пачек по 2m+1 прямоугольных радиоимпульсов (частотных посылок) с одинаковыми амплитудами и различными частотами заполнения fi= fo + iF, где fо - средняя (несущая) частота спектра; F - интервал между смежными частотными компонентами; -m ≅ i≅ m. Применительно к такой системе сущность прототипа заключается в следующем.
Берут отсчеты синусной y и косинусной x составляющих каждого i-го радиоимпульса в к-м цикле Тц излучения радиосигнала. Отсчеты производят, например, посредством преобразования частот fi к одной и той же промежуточной частоте fп, на которой производят квадратурное детектирование (выделение синусной и косинусной составляющих радиосигнала). Затем в пределах каждого видеосигнала берут отсчеты соответствующих составляющих.
Формируют синусный (ССН) и косинусный (КСН) сигналы накоплений путем сложения одноименных отсчетов в пределах n циклов излучения по правилу:
Yi= Yik , Xi= Xik. (1)
Формируют i-е частотные синусные (СС) и косинусные (КС) составляющие синтезированного радиоимпульса (СРИ) посредством вычитания из сигнала произведения КСН на нормирующий коэффициент ai и sinωit сигнала произведения ССН на ai и cos ωi t и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на ai и cos ωi t и ССН на ai и sin ωi t по правилу:
(2) где ai = a-i - нормирующие коэффициенты, которые приводят i-е компоненты одинаковой величины к i-м спектральным составляющим СРИ: ωi= ωo+iΩ, ωo= 2πfo, - fo - частота заполнения (средняя частота) синтезируемого радиоимпульса; Ω= 2πF .
Формируют СС и КС СРИ сложением соответствующих i-х частотных составляющих
Rs(t)= Rsi(t), (3)
Rci(t). (4)
Формируют огибающую синтезированного радиосигнала с помощью его составляющих
V(t)= . (5) Синтезированный сигнал состоит из поверхностного и отраженного от ионосферы радиоимпульсов, огибающие которых V(t) и Vo(t) показаны на фиг. 1. Цикл повторения радиоимпульсов Тр = 1/F.
Определяют момент tm, где огибающая суммы поверхностного и отраженного радиоимпульсов VΣ (tm) принимает максимальное значение.
Определяют момент времени tфг, где огибающая суммарного радиосигнала достигает уровня CVΣ (tm). Величину С выбирают таким образом, чтобы точка tфг попадала на участок фронта поверхностного радиоимпульса, не пораженного отраженным сигналом.
Определяют с помощью слежения за фазой ВЧ заполнения синтезированного радиоимпульса положение ближайшей к tфг, точки tфпересечения нулевого уровня сверху вниз поверхностным радиоимпульсом Rп(t). При этом в качестве сигнала рассогласования используют синусную составляющую (ЗП), а за начальное значение сигнала рассогласования принимают величину Rs(tфг).
Образуют i-е низкочастотные СС и КС огибающей СРИ путем вычитания из сигнала произведения КСН на ai и sini Ω t сигнала произведения ССН на ai и cosiΩ t и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на ai и cosiΩ t и ССН на ai и sini Ω t:
(6)
Формируют вспомогательные НЧ сигналы Y, Y1, E и E1 посредством суммирования сигналов произведений нормирующих коэффициентов ai соответственно на i-е низкочастотные КС СРИ, на номер составляющей i и СС СРИ, на ai cosi Ωτ и iaisini Ωτ согласно выражениям:
(7) В (7) параметр t имеет смысл задержек tп или tо огибающих поверхностного и отраженного СРИ соответственно, τ - их разности, причем t и τ изменяются в пределах цикла Тр повторения СРИ. Так как при измерениях задержки и неизвестны, то заменяют их статистическими оценками и .
Формируют сигналы рассогласования по оценкам и задержек tп и tо соответственно: + [E(O)Y()-E(-)Y()] Yʹ(), , S()= [E2(O)-E2(to-<>)] Yʹ(to)+[E(O)Y()-E(-)] Eʹ(-). (8)
Измеряют оценки и задержек огибающих поверхностного и отраженного сигналов посредством двухканального слежения с помощью сигналов рассогласования (8). При этом в качестве начальных принимают значения = tm-τ , tо = tт, где τ - прогнозируемая задержка отраженного сигнала относительно поверхностного.
Прогнозируемая задержка определяется следующим образом. Географические координаты излучателя ϕ1, λ1 и приемника ϕ2λ2по крайней мере приближенно известны. С помощью обратной геодезической задачи определяют расстояние σ в КМ между приемником и излучателем, затем по формуле геометрической оптики - прогнозируемую задержку.
Корректируют результат измерения по фазе tф по правилу: если ->To/2, ; если - To/2, то tф: = tф, где τп - интервал между максимумом огибающей и выбранной для слежения точкой (фиг. 1).
Недостаток прототипа заключается в том, что измерение задержки осуществляют слежением за фазой ВЧ заполнения на фронте, а не на максимуме радиоимпульса, так как последний поражен отраженным сигналом. При этом используют небольшую часть энергии сигнала, что ведет к снижению помехоустойчивости и, как следствие, к увеличению погрешности измерений.
Цель изобретения - повышение точности измерения.
Цель достигается тем, что формируют сигнал оценок задержек огибающих, поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов относительно начала цикла местного опорного сигнала, находят его максимум, определяют по максимуму оценки задержек огибающих, формируют сигналы оценок амплитуд поверхностного и отраженного радиоимпульсов в моменты полученных задержек, с помощью сигналов оценок амплитуд и сигналов накоплений отсчетов образуют две пары компенсированных синусных и косинусных составляющих радиосигнала, в одной из пар которых скомпенсирован отраженный, а в другой - поверхностный радиоимпульс. С помощью этих составляющих определяют поправки к оценкам задержек огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов соответственно. Получают точные задержки поверхностного и отраженного радиоимпульсов посредством сложения соответствующих задержек огибающих и поправок.
Суть изобретения в том, что сначала определяют задержки огибающих поверхностного и отраженного радиоимпульсов, затем поправки к этим задержкам, причем при определении поправки к задержке огибающей поверхностного радиоимпульса в синтезированном радиосигнале компенсируют отраженный радиоимпульс, при определении поправки к задержке огибающей отраженного радиоимпульса компенсируют поверхностный радиоимпульс.
Новые признаки с указанной целью в известных источниках не обнаружены, что свидетельствует о существенности отличий предложенного технического решения.
На фиг. 1 приведены временные диаграммы огибающих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов; на фиг. 2 - структурная схема устройства - пример реализации заявляемого способа; на фиг. 3-6 - граф-схема алгоритма работы вычислителя устройства.
Сущность способа состоит в следующем.
Пусть многочастотная система излучает периодическую последовательность (с периодом Тц) пачек по 2m+1 прямоугольных радиоимпульсов (частотных посылок( с одинаковыми амплитудами и различными частотами заполнения fi = fo + iF, где fo - средняя частота спектра; F - интервал между смежными частотными компонентами; -m ≅ i ≅ m. Если частотные посылки каждой пачки совместимость во времени, пронормировать и сложить, то получим периодическую (с периодом Тр= 1/F) последовательность синтезированных радиоимпульсов (СРИ). Поскольку в измерителе принимают поверхностные сигналы, распределяющиеся вдоль трассы от излучателя, и отраженные от ионосферы сигналы, на поверхностные радиоимпульсы, синтезированные указанным выше способом, накладываются отраженные радиомпульсы, существенно затрудняющие измерение времени задержки поверхностного радиоимпульса относительно начала цикла Тр местного опорного сигнала.
В способе реализуют следующие операции.
Берут отсчеты косинусной x и синусной y составляющих каждого i= го принимаемого прямоугольного радиоимпульса в к-м цикле Тц излучения радиосигнала. Измерения производят, например, посредством преобразования fi к одной и той же промежуточной частоте fп, на которой осуществляют квадратурное детектирование (выделение видеосигналов синусной и косинусной составляющих радиосигнала), затем в пределах каждого i-го видеосигнала берут отсчеты соответствующих составляющих.
Формируют синусный (ССН) и косинусный (КСН) сигналы накоплений путем сложения одноименных отсчетов в пределах n циклов излучения Тц по правилу:
Yi= Yik , Xi= Xik (1)
Формируют i-е частотные синусные (СС) и косинусные (КС) составляющие СРИ посредством вычитания из сигнала произведения КСН на нормирующий коэффициент ai и sin ωit сигнала произведения ССН на ai и cos ωit и, соответственно, сложения сигналов произведений КСН на ai и cos ωit и ССН на ai и sin ωit по правилу:
(2) где ai = a-i - нормирующие коэффициенты, которые приводят i-е компоненты одинаковой величины к i-м спектральным составляющим СРИ; ωi= ωo+iΩ, ωo= 2πfo, fo - частота заполнения (средняя частота) СРИ, Ω= 2πF.
Формируют вспомогательные ВЧ сигналы Y(t) и E( τ ) путем суммирования сигналов произведений нормирующих коэффициентов aiсоответственно на i-е частотные КС СРИ и ai cos ωi τ согласно выражениям:
. (3) В (3) t имеет смысл задержек to или tп огибающих отраженного и поверхностного СРИ относительно начала цикла Тр местного опорного сигнала, τ - их разности. При этом t и τ = to - tп, изменяются в пределах цикла Тр повторения СРИ. Так как tп и to при измерениях неизвестны, то их заменяют статистическими оценками и .
Формируют сигнал оценок задержек с помощью вспомогательных сигналов (3) при соответствующих значениях аргументов t и τ:
I(, )= { E(O)[Y2()+Y2()] -2E(-)Y()Y()} /[E2(O)-E2(-to)]
(4)
Определяют значения оценок задержек = и = при которых сигнал оценок задержек (4) принимает максимальное значение.
Формируют сигналы оценок амплитуд с помощью вспомогательных сигналов (3) при значениях задержек t = или и τ = 0 или - по правилу:
(5)
Синтезируют копии (модели) СС и КС поверхностного и отраженного СРИ путем умножения соответствующих сигналов оценок амплитуд (5) на СС и КС нормированных СРИ, задержанных соответственно на и :
(6)
(7)
Формируют СС и КС составляющих СРИ посредством сложения соответствующих i-х частотных составляющих (2):
Rs(t)= Rsi(t), Rс(t)= Rci(t). (8)
Формируют СС и КС скомпенсированных СРИ по отраженному сигналу в момент времени (в максимуме огибающей поверхностного СРИ) посредством вычитания в указанный момент времени из соответствующих составляющих СРИ (8) копий составляющих отраженного сигнала (7), то есть
(9) и аналогично, скомпенсированных СРИ по поверхностному сигналу в момент времени (максимум огибающей отраженного радиоимпульса):
(10)
Определяют поправки к оценкам задержек огибающих поверхностного и отраженного СРИ, например, по правилу:
(11)
Получают точные значения задержек поверхностного и отраженного сигнала путем корректировки задержек огибающих и поправками (11)
t*п= +Δtп, t*o= +Δto. (12)
В качестве примера на фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ. Схема включает антенну 1, которая через полосовой фильтр 2, смеситель 3 и полосовой фильтр 4 подключена к сигнальным входам фазовых детекторов (ФД) 5 и 6, выходы которых соединены с сигнальными входами АЦП 7, генератор 8 опорного сигнала, выход которого через формирователь 9 импульсов местного опорного сигнала, смеситель 10 и полосовой фильтр 11 подключен к управляющему входу ФД 5, соединенного через фазовращатель 12 с управляющим входом ФД 6, через формирователь 13 гетеродинных частот соединен с гетеродинными входами смесителей 3 и 10, а через формирователь 14 стробов подключен к первым управляющим входам АЦП 7 и вычислителя 15, первый командный выход которого через статический регистр 16 соединен с управляющим входом формирователя 13, второй командный выход соединен с индикатором 17 информации, а третий командный выход и второй управляющий вход соединен с АЦП 7.
Устройство работает следующим образом.
На вход фильтра 2 поступают последовательно во времени все 2m+1 частоты fi. Следовательно, полоса фильтра должна составлять величину Δ F2 = (2m+ 1)F. После преобразования частот fi смесителем 3 в промежуточную fп и фильтрации в полосовом фильтре 4 сигнал поступает на сигнальные входы ФД 5 и 6.
Опорные сигналы ФД 5 и 6 образуют посредством формирования в формирователе 9 из опорной частоты fо генератора 8 периодической последовательности коротких импульсов с частотой следования F, которые представляют местный опорный сигнал. Он содержит все гармонические составляющие с частотами fi. Нужные составляющие fi (соответствующие принимаемым частотным посылкам) выбирают гетеродинированием местного опорного сигнала путем установки вычислителем 15 кода частоты fi в регистре 16 формирователя 13 гетеродинных частот. Использование одной и той же гетеродинной частоты для преобразования сигнала и выбора соответствующей частоты опорного сигнала ФД позволяет исключить паразитные фазовые сдвиги компонент в формирователе 13 гетеродинных частот и преобразователе 3.
На выходах ФД 5 И 6 имеют место косинусные xi(t) и синусные yi(t) составляющие i-х частотных посылок в форме видеоимпульсов.
Преобразуют сигналы xi(t) и yi(t) в каждом к-м цикле излучения в цифровые сигналы x, y с помощью АЦП 7, запускаемого периодической последовательностью пачек стробов с, которые генерируют формирователь 14. Отсчеты x и y передают в вычислитель 15 для дальнейших преобразований согласно граф-схеме алгоритма работы вычислителя 15, представленной на фиг. 3.
Первым таким преобразованием является формирование сигналов накоплений (1) (операторы Pj) 1,2,4,6, логические условия (Aj) 3 и 5 на фиг. 3).
Из сигналов накоплений (1) формируют i-е частотные КС СРИ Rci(k) = Rci(kTo/4) согласно второму равенству (2), затем вспомогательные сигналы Y(k) = Y(kTo/4) в интервале Тр = 1/F (Pj, 7, 8, 10, 12 и Aj 9, 11). В Рi8
Yi(k)= alRCl(lTo/4). В Aj 11 М = Тр/(То/4), то есть число четвертей периодов ВЧ заполнения СРИ, укладывающихся в цикле Тр.
Для сокращения времени вычислений, объемов ОЗУ и ПЗУ вычислителя оценки задержек огибающих и определяют в 2 этапа. На 1-м этапе для каждого К = 1 - (М-1) определяют квадраты огибающей вспомогательного сигнала
A2(k)= Y2(kTo/4)+Y2[(k+1)To/4] . .
Находят такое K = N, при котором A2(N) принимает наибольшее значение из всех A(k). Таким образом определяют положение максимума суммарного поверхностного и отраженного сигналов или одного из них(Pj13-15, 17, Aj 16,18). На этом заканчивается 1-й этап.
Для каждого значения = lTo/4 и = λ To/4, где N - q≅l ≅ N + P и N - Q ≅λ≅ N + J, выбирая из массива ОЗУ значения Y(), Y( ) и вычисляя E( , ), формируют сигналы оценок I = ( t, tпl). Величины q, P, Q и J выбирают из таблицы, которая хранится в ПЗУ вычислителя 15, в зависимости от прогнозируемой задержки отраженного синтезируемого радиоимпульса относительно поверхностного. Например, для минимальной прогнозируемой с погрешностью Δτ= ±1,5 То задержки τ = = to-tп = 2Tо и длительности СРИ на уровне 0,1 от максимального значения τ01 = 9То значения q = Q = P = J = ( τ+/Δτ/τo,1/2 ) /(To/4) = 32.
Сравнивают между собой сигналы I( , ) и фиксируют задержки = оm, = , при которых I(, ) принимает максимальное значение (Pj 19. 20, 22, 24, 26, Aj 21, 23, 25).
Формируют сигналы оценок амплитуд (5) (Pj 27) копии СС и КС поверхностного (6) для момента времени t = tоm и отраженного (7) для t = СРИ, СС и КС СРИ для моментов времени t = и t = (Pj 28), СС и СК скомпенсированных СРИ (9) и (10), определяют поправки Δ tп и Δ tок задержкам огибающих (11) и точные задержки СРИ tп* и tо* (12) (Pj29). На граф-схеме приведен обобщенный оператор 28, который состоит из отдельных ветвей (по числу элементов оператора) типа Pj 2 - Aj 3 - Pj 4 - Pj 2.
Для реализации программы вычислительных операций требуется ОЗУ емкостью 1К 16 - разрядных слов, ПЗУ - 4К 16 разрядных слов. Вычислитель реализован на микропроцессорном наборе серии 1810. Другие блоки строятся на основе типовых функциональных узлов.
Положительный эффект сравним для случая ai = 1, F = 1 кГц, fo = 80 кГц (То = 12,5 мкс), m = 11. В этом случае длительность синтезированного радиоимпульса на уровне 0,1 от максимального значения τ0,1- 9То = 8˙12,5 мкс = 100 мкс. Минимальная задержка отраженного сигнала на частоте fо составляет около 30 мкс, то есть немного более 2То. Следовательно, измерение задержки известным способом - можно производить на границе между вторым и третьим периодами То (от уровня 0,1). При указанных исходных данных в этой точке уровень сигнала составляет 0,5 от максимального значения.
С помощью предлагаемого способа измерения производят на максимуме радиоимпульса, то есть при одинаковых помехах, при отношении сигнал-помеха, в 2 раза большем по сравнению с прототипом. Так как погрешность измерений обратно пропорциональна отношению сигнал-помеха, точность измерения задержки заявляемым способом в 2 раза выше по сравнению с известным. Эти аналитические сравнения полностью подтверждены статистическим моделированием способов на ЭВМ.
Формула изобретения: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАДИОИМПУЛЬСА ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА, включающий формирование отсчетов косинусных и синусных составляющих в каждой частотной посылке сигнала, накопление соответствующих отсчетов за n циклов излучения, формирование сигналов частотных синусных и косинусных составляющих синтезированного радиоимпульса, синусной и косинусной составляющих синтезированного радиоимпульса, определение оценок задержек огибающих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при наличии отражений от ионосферы, между операциями формирования частотных составляющих синтезированного радиоимпульса и составляющих синтезированного радиоимпульса формируют вспомогательные высокочастотные сигналы Y (t) и E (τ) путем суммирования произведений нормирующих коэффициентов ai соответственно на одноименные частотные косинусные составляющие синтезированного радиоимпульса и ai cos ωi τ определяют сигнал оценок задержек огибающих поверхностного () и отраженного () сигналов с использованием вспомогательных сигналов по правилу: I(, )= , ,
определяют значения оценок задержек и , при которых сигнал оценок максимален, формируют с помощью вспомогательных сигналов сигналы оценок амплитуд согласно равенствам = [E(O)Y()-E(-)Y()] /[E2(O)-E2(-)] , , = [E(O)Y()-E(-)Y()] /[E2(O)-E2(-)] , ,
синтезируют копии синусных составляющих и косинусных составляющих поверхностного и отраженного синтезированных радиоимпульсов посредством умножения оценок амплитуд и на суммы произведений нормирующих коэффициентов ai на синусы и косинусы аргумента ωi(tом-tпм) соответственно с положительным и отрицательным знакам, а после операции формирования синусной составляющей и косинусной составляющей синтезированного радиоимпульса синтезируют синусную составляющую и косинусную составляющую скомплектованных синтезированных радиоимпульсов по отраженному сигналу в момент времени путем вычитания из соответствующих составляющих синтетического радиоимпульса копий составляющих отраженного сигнала и аналогично по поверхностному сигналу - при вычитании в момент копий составляющих поверхностного сигнала, определяют с помощью скомпенсированных сигналов поправки к оценкам задержек огибающих через арктангенсы отношений синусных составляющих к косинусным составляющим сигналов, деленные на круговую частоту заполнения синтетического радиоимпульса, ωo корректируют значения задержек синтетического радиоимпульса путем сложения оценок задержек синтетического радиоимпульса путем сложения оценок задержек огибающих с соответствующими поправками.