Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПЕЛЕНГАТОР
ПЕЛЕНГАТОР

ПЕЛЕНГАТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для определения направления подвижного объекта в области навигации. Сущность изобретения: для повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей путем автоматического определения работоспособности пеленгатор содержит антенны 1 3, пять переключателей 4, 5, 12, 31, 38, усилитель высокой частоты 6, преобразователь частоты 7, ограничитель 8, перемножающий блок 9, считывающий блок 10, счетчик 11, управляющий генератор 13, делитель частоты на два 14, накопитель 15, тактовый генератор 16, каналы фазовой регулировки 17, 18, 19, перемножители 20, 21, 24, сумматоры 22, 23, 30, фильтр 25, генератор преобразованной частоты 26, блок фазового сдвига 27, квадраторы 28, 29, фильтры нижних частот 32, 33, эталонный генератор 35, умножитель частоты 36, делитель частоты 37, решающий блок 39, фазоизмеритель 40, К излучателей 41 (1) 41 (К), К фотоприемников 42(1) 42(К). 1-4-5-6-7-8-9- 10-11-12-17-28-30-33-32-34-13-14-15-9, 2-4, 3-4, 12-18-40-39-5, 12-19-38-40, 39-38, 37-38, 35-36-41(1), 36-41(2), 36-41(К), 41(1)-42(1)-5, 41(2)-42(2)-5, 41(К)-42(К)-5, 13-10, 16-4, 16-12, 17-29-30, 33-31-34. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

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: 2042145
Класс(ы) патента: G01S3/26
Номер заявки: 5022006/09
Дата подачи заявки: 10.01.1992
Дата публикации: 20.08.1995
Заявитель(и): Научно-производственное объединение "Сибцветметавтоматика"
Автор(ы): Кокорин В.И.
Патентообладатель(и): Научно-производственное объединение "Сибцветметавтоматика"
Описание изобретения: Изобретение относится к навигации и может быть использовано для определения направления подвижного объекта в пространстве.
Известно устройство, обеспечивающее информацией по ориентированию объекта, состоящее из антенного блока, включающего ряд антенн, управляемого переключателя, сумматора и приемника, причем приемник состоит из блока преобразования псевдошумовой модуляции, блока фазовой синхронизации и слежения за несущей, блока измерения фазы, решающего блока, блока управления антенным блоком. Данное устройство обеспечивает ориентирование объекта в пространстве за счет измерения информации о фазовом сдвиге сигналов, принимаемых от спутников навигационной системы.
Недостатком устройства является низкая точность и отсутствие возможности автоматического определения работоспособности пеленгатора.
Известен пеленгатор, содержащий не менее двух антенн.
Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей путем автоматического определения работоспособности пеленгатора.
На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вариант расположения антенн, излучателей и фотоприемников на объекте.
Пеленгатор содержит антенны 1-3, первый переключатель 4, четвертый переключатель 5, усилитель высокой частоты 6, преобразователь частоты 7, ограничитель 8, перемножающий блок 9, считывающий блок 10, счетчик 11, второй переключатель 12, управляемый генератор 13, делитель частоты на 2 14, накопитель 15, тактовый генератор 16, первый 17, второй 18 и третий 19 каналы фазовой регулировки, первый канал 17 фазовой регулировки содержи первый 20 и второй 21 перемножители, первый 22 и второй 23 сумматоры, третий перемножитель 24, фильтр 25, генератор преобразованной частоты 26, блок фазового сдвига 27, квадраторы 28 и 29, третий сумматор 30, третий переключатель 31, первый 32 и второй 33 фильтры нижних частот, блок управления генератором 34, эталонный генератор 35, умножитель частоты 36, делитель частоты 37, пятый переключатель 38, решающий блок 39, фазоизмеритель 40, К излучателей 411-41к, К фотоприемников 421-42к.
Второй канал 18 фазовой регулировки содержит перемножители 20 и 21', сумматоры 22' и 23', перемножитель 24', фильтр 25', генератор преобразованной частоты 26', блок фазового сдвига 27'. Третий канал фазовой регулировки 19 выполнен аналогично.
Работает устройство следующим образом.
Сигнал, излучаемый спутником, например, сигналы "Навстар", принимается антенной 1 и через переключатели 4, 5 и усилитель 6 высокой частоты подается на преобразователь частоты 7.
В преобразователе частоты 7 осуществляется преобразование выходного сигнала, например, частотой 1575 мГц в сигнал 5 кГц. Преобразованная частота (5 кГц) выбирается так, чтобы не достигать нулевого значения при максимально ожидаемом доплеровском сдвиге частоты, например, для практически реализуемых доплеровских частот, преобразованная частота изменяется от 500 Гц до 9,5 кГц.
Преобразованный сигнал (5 кГц) нормируется по амплитуде в ограничителе 8 так, что его выходной сигнал принимает значения "1", когда превышается пороговая величина, либо имеет значение "0", когда не превышается уровень порога.
В качестве пороговой величины может быть выбрано нулевое значение амплитуды.
На принятый от спутника и модулированный данными сигнал несущей частоты налагается шумовой сигнал (помеха), амплитуда которого значительно (более 20 дБ) превышает амплитуду модулированного сигнала несущей. Нормированный по амплитуде сигнал с выхода ограничителя 8 поступает на перемножающий блок 9, в котором данный сигнал умножается с кодом PRC (прецизионный код), считываемым из накопителя 15 под воздействием сигнала от делителя частоты на два 14. Тогда полученный от перемножения сигнал выбирается в считывающем блоке 10 с удвоенной частотой от генератора 13.
Полученный благодаря выборке в считывающем блоке 10 сигнал подается на счетчик 11. При отсутствии сигнала несущей частоты от спутника результат счета в счетчике 11 возрастает линейно, а при наличии сигнала несущей частоты на входе пеленгатора с модулирующим сигналом или без модуляции временная зависимость результата счета дает линию, нарастание которой попеременно больше и меньше, чем линейное нарастание результата счета при отсутствии сигнала несущей частоты. Полученные результаты счета непрерывно поступают от счетчика 11 через переключатель 12 на два перемножителя 20, 21. На перемножители 20, 21 поступают также сигналы, вырабатываемые генератором 26 преобразованной частоты 26, и которые представляют собой регулярные последовательности из "+1" и "-1". Частота сигнала генератора 26 равна преобразованной частоте (5 кГц) и может содержать доплеровское смещение. Сигнал для перемножителя 21 сдвинут относительно сигнала для перемножителя 20 на четверть периода преобразованной частоты (5 кГц) в блоке фазового сдвига 27. Выходные сигналы перемножителей 20 и 21 соответствуют I и Q составляющих сигналов и используются для получения сигналов регулирования.
В сумматорах 22 и 23 для каждого периода преобразованной частоты (5 кГц), создаваемого в генераторе 26, накапливаются суммарные значения в виде
I -Z(0) 2Z(π) Z(2π)
Q -Z(0)+2Z-2Z+Z(2π) (1) где слагаемые Z (.) являются текущими результатами суммирования для данных моментов времени.
В перемножителе 24 суммарные значения I и Q перемножаются и полученные в результате значения подаются на фильтр 25. Выходной сигнал этого фильтра 25, который может быть выполнен в виде фильтра нижних частот, регулирует частоту и фазу сигнала генератора преобразованной частоты 26 так, что его выходной сигнал равен по частоте и фазе сигналу несущей, перенесенной на преобразованную частоту (5 кГц). Перемножители 20, 21, 23, 24, сумматоры 22, 23, фильтр 25, генератор 26 преобразованной частоты 26 и блок фазового сдвига 27 образуют известную цепь регулирования ФАПЧ. В установившемся состоянии последовательность выдаваемых из сумматора 2 величин 1 воспроизводит модулирующий сигнал, из которого получаются данные, передаваемые посредством модулирующего сигнала от спутника.
Значения I и Q подаются не только на перемножитель 24, но и на квадраторы 28, 29, в которых эти значения возводятся в квадратI2 +Q2| Квадраты значений I и Q суммируются в сумматоре 30 и суммарные значения (I2 + Q2), которые представляют собой отображение амплитуды входного сигнала несущей частоты устройства, подаются попеременно через переключатель 31 на фильтры нижних частот 32, 33. Переключение переключателя 31 осуществляется с тактовой частотой, с которой переключается временное положение выборки кода PRC из накопителя 15 (например, частота 125 Гц). Выходные сигналы фильтров нижних частот 32 и 33 подаются в блок управления генератором 34, в котором рассчитываются суммы и разности этих значений. Полученные величины используются в блоке управления генератором 34 для определения сигнала управления, который регулирует фазу сигнала, генерируемого управляемым генератором 13. Сигнал генератора 13 после деления на два в делителе частоты 14 управляет выборкой кода PRC из накопителя 15 (например, с частотой 125 Гц). Сигнал управляемого генератора 13 является, кроме того, тактовым сигналом для считывающего блока 10. Фазовая регулировка сигнала осуществляется так, что накапливаемый в пеленгаторе код PRC показывает такое же значение фазы, что и код PRC принимаемого сигнала. Временное положение кода PRC относительно опорного времени пеленгатора будет пропорционально расстоянию от пеленгатора до передающей станции (спутника) и передается в устройство оценки.
Управляемый генератор 13, делитель частоты 14, накопитель 15, считывающий блок 10, счетчик 11, перемножители 20, 21, сумматоры 22, 23, квадраторы 28, 29, сумматоры 30, фильтры нижних частот 32, 33 и блок управления генератором 34 образуют цепь регулирования. Для реализации этой цепи регулирования дополнительно к описанному сигнал, выдаваемый из управляемого генератора 13, периодически (тактовая частота 125 Гц) перестраивается на один такт вперед и возвращается назад под управлением блока управления генератором 34.
В системе "Навстар" каждому спутнику присвоен специальный прецизионный код (PRC). Для навигации необходимо измерять расстояние до нескольких спутников одновременно. В описываемом устройстве это осуществляется благодаря временному уплотнению следующим образом. В устройстве должны храниться коды PRC для соответствующих спутников. Через временные интервалы, равные, например, одной миллисекунде, происходит переключение от одного кода PRC к следующему и в течение данных временных интервалов осуществляются регулирования в цепях слежения. Синфазность цепей регулирования со всеми выбранными спутниками сохраняется и демодуляция данных сигналов, применяемых от всех спутников, возможна непрерывно.
В данном устройстве для определения направления применяется известный интерферометрический принцип. Для его реализации фаза принимаемого сигнала измеряется в двух пространственно удаленных друг от друга местах. Поэтому в пеленгаторе предусмотрены антенны 1, 2, 3. Расстояние между антеннами зависит от желаемой точности измерения, при увеличении этого расстояния точность повышается. Переключатель 4 подключает к усилителю высокой частоты 6 антенны 1 либо 2, либо 3, которые принимают сигналы от спутников системы "Навстар". Переключатель 12 коммутирует выходной сигнал счетчика 11 к описанной цепи регулирования ФАПЧ 17 либо к цепи регулирования ФАПЧ 18. Оба переключателя 4 и 12 управляются синхронно от тактового генератора 16. Таким образом, выходной сигнал от антенны 1 поступает к первой цепи регулирования 17, выходной сигнал от антенны 2 к второй цепи регулирования 18, а выходной сигнал от антенны 3 к третьей цепи регулирования 19. Последовательность переключений выбирается так, что сигнал каналов регулирования 7, 8 и 19 с выходов генераторов преобразованной частоты 26, 26', 26" остаются в фазе с подаваемыми к ним сигналами системы "Навстар". Незначительные отклонения в течение отключенного состояния корректируются в течение включенного интервала времени. Причинами таких отклонений могут быть движения спутников и объекта, нестабильность частоты генератора пеленгатора.
Построение пеленгатора, при котором сигналы от разных антенн 1-3 проходит через одни и те же блоки устройства (4-12) последовательно во времени, обеспечивает высокую точность измерения фазы принимаемых сигналов, поскольку фазовые сдвиги в блоках 4-12 одинаковы для всех каналов (17, 18, 19) устройства.
Поскольку выходной сигнал генератора преобразованной частоты 26 находится в фазе с принимаемым антенной 1 и преобразовательным сигналом (5 кГц) системы "Навстар", а выходной сигнал генератора преобразованной частоты 26' находится в фазе с принимаемым антенной 2 сигналом системы "Навстар", то по разности фаз ϕ выходных сигналов генераторов 26 и 26' определяется по интерферометрическому принципу направление в пространстве. Разность фаз измеряется в фазоизмерителе 40 и оценивается затем в решающем блоке 39. В зависимости от того, какое направление должно измеряться (угол между рядом антенн и прямой линией от антенного ряда до спутника; направление в системе координат и т.д.), на решающий блок 39 подаются дополнительные спутниковые данные и собственное положение. Эти данные всегда имеются в аппаратуре потребителя системы "Навстар".
Если необходимо определить направления в трехмерном пространстве, тогда предусматривается, по крайней мере, еще один линейный ряд антенн, который предпочтительно расположить под углом 90о к первому ряду антенн. Причем одна антенна может быть общей для обоих рядов антенн (см.фиг.2). В зависимости от числа приемных антенн 1, 2 и т.д. выбирается число каналов регулирования ФАПЧ (1, 2 и т.д.). На соответствующее число коммутаций выбираются переключатели 4 и 12.
По измеренному значению разности фаз ϕ в решающем блоке 39 направление в пространстве можно определить из формулы
ϕ= 2π sinα (2) где λ длина волны принимаемых сигналов несущей частоты, например 1575 мГц;
α угол между направлением на спутник и нормалью к базе d, проходящей через ее середину;
d расстояние между антеннами 1 и 2, 1 и 3, называемое базой.
Из выражения (2) следует, что погрешность определения направления в пространстве α пропорциональна длине волны погрешности измерение разности фаз ϕ и обратно пропорциональна расстоянию между антеннами d. Причем неточное значение длины базы d приводит к погрешности определения направления α.
С целью повышения точности измерения направления на спутник в пеленгаторе предусмотрен режим автоматического измерения расстояния d между антеннами 1, 2, 3 с высокой точностью. Для этого в пеленгаторе предусмотрены излучатели 411-41к и фотоприемники 421-42к, причем излучатели и фотоприемники располагаются на антенном устройстве так, чтобы излучение, например излучателя. 411 принималось соответствующим фотоприемником 421 (см.фиг.2). Например, с целью измерения расстояния d1между антеннами 1 и 2 излучатель 411 располагается у антенны 1, а фотоприемник 421 около антенны 2, для измерения расстояния d2 между антеннами 1 и 3 излучатель 412 располагается у антенны 1, а фотоприемник 422 около антенны 3. При таком расположении излучателей и фотоприемников отсутствует контроль за взаимным изменением положения одного ряда антенн (1 и 2) относительно другого ряда антенн (1 и 3), которые предпочтительно располагать под углом β 90о. Поэтому с целью определения величин d1 и d2, а также контроля за величиной угла β излучатели 411-423 и фотоприемники 411-423 целесообразно располагать на антенном устройстве в соответствии с фиг. 2. Тогда с помощью излучателя 411 и фотоприемника 421 измеряется расстояние r1, излучателя 412 и фотоприемника 422 расстояние r2, а излучателя 413 и фотоприемника 423- расстояние r3.
В режиме автоматического определения расстояний между антеннами 1-3 по сигналу с решающего блока 39 выход делителя частоты 37 подключается переключателем 38 к второму входу фазоизмерителя 40.
Частота выходного сигнала блока 37 равна преобразованной частоте пеленгатора (5 кГц) и формируется из сигнала эталонного генератора 35. Следует отметить, что частота выходного сигнала умножителя частоты 36 выбирается равной частоте сигнала системы "Навстар", например 1575 мГц. Выходной сигнал умножителя частоты 36 поступает на входы излучателей 411-41к и модулирует излучатели 411-41к высокочастотными колебаниями частоты 1575 мГц. Модулированные световые потоки поступают на входы соответствующих фотоприемников 421-42к, пройдя соответствующие расстояния r1-rк от излучателя до фотоприемника. Фотоприемники 421-42кпреобразуют входные модулированные световые потоки в выходные электрические сигналы частотой 1575 мГц, которые поступают на входы переключателя 5. По сигналам от решающего блока 39 выход фотоприемника 421 подключается переключателем 5 к входу усилителя высокой частоты 6, при этом сигнал с выхода фотоприемника 421 частотой 1575 мГц, пройдя через переключатель 5, усилитель высокой частоты 6, подается на преобразователь частоты 7. В преобразователе частоты 7 осуществляется преобразование входного сигнала частотой 1575 мГц в сигнал частотой 5 кГц. Далее устройство работает в соответствии с описанным выше, как при наличии на входе немодулированного сигнала системы "Навстар". При этом выходной сигнал генератора преобразованной частоты 26 (5 кГц) цепи регулирования 17 находится в фазе с сигналом, поступающим от фотоприемника 421 и подается на первый вход фотоизмерителя 40, на второй вход которого поступает сигнал от делителя частоты 37 (5 кГц). Тогда результат измерения фазового сдвига фазоизмерителя 40 определяется расстоянием между излучателем 411 и фотоприемником 421 и связаны формулой
r1 (m+ϕ1/2π) (3) где m целое число длин волн, укладывающееся на расстоянии r1.
Таким образом, измерение ϕ1 в пеленгаторе позволяет определить искомое расстояние r1. Затем по сигналам управления от pешающего блока 39 выход фотоприемника 422 подключается переключателем 5 по входу усилителя высокой частоты 6, при этом выходной сигнал генератора преобразованной частоты 26 (5 кГц) цепи регулирования 17 находится в фазе с сигналом, поступающим от фотоприемника 422 (частота 1575 мГц) и подается на первый вход фазоизмерителя 40. Тогда результат измерения фазового сдвига ϕ2 в фазоизмерителе 40 определяется расстоянием r2между излучателем 412 и фотоприемником 422 в соответствии с формулой (3). Далее по сигналам управления от решающего блока 39 вход фотоприемника 423 подключается к входу усилителя высокой частоты 6.
В результате в пеленгаторе измеряется фазовый сдвиг ϕ3 по формуле (3) в решающем блоке 39 определяется расстояние r3 между излучателем 413фотоприемником 423.
В случае, если излучатели 411-413 и фотоприемники 421-423 размещены на антенном устройстве в соответствии с фиг.2, тогда по измеренным расстояниям r1-r3 в решающем блоке 39 вычисляются искомые величины d1, d2, β по формулам
d1=; d2=; β1=arctg
β2=arctg β=β12 (4)
Величины d1, d2, β используются в решающем блоке 39 для высокоточного определения ориентации объекта в пространстве с учетом дополнительных спутниковых данных собственного положения.
Описанный режим измерения расстояния d может выполняться перед началом работы пеленгатора, а также повторяется автоматически с заданным циклом.
Кроме описанного расположения излучателей и фотоприемников с целью определения расстояний d1 и d2 можно излучатель и соответствующий фотоприемник устанавливать в одной точке антенного устройства, например у антенны 1, при этом отражателем сигнала может служить поверхность антенны 2. Тогда фазовый сдвиг, измеренный фазоизмерителем 40, будет соответствовать удвоенному расстоянию, например, d1, через которое проходит излучаемый сигнал.
Повышение точности измерения информационных параметров пеленгатора достигается за счет автоматического высокоточного определения расстояний между разнесенными антеннами 1, 2, 3.
Формула изобретения: 1. ПЕЛЕНГАТОР, содержащий три приемные антенны, причем каждые из двух антенн расположены на одной прямой и соединены с соответствующими входами первого переключателя, последовательно соединенные усилитель высокой частоты, преобразователь частоты, ограничитель, перемножающий блок, считывающий блок, счетчик и второй переключатель, последовательно соединенные управляемый генератор, делитель частоты на два и накопитель, выход которого соединен с вторым входом перемножающего блока, выход управляемого генератора соединен с вторым входом считывающего блока, содержащий также фазоизмеритель, выход которого соединен с первым информационным входом решающего блока, второй вход решающего блока является входом информационного сигнала о собственном положении, третий вход решающего входом информационного сигнала спутниковых данных, тактовый генератор, первый выход которого соединен с входом управления первого переключателя, второй выход с управляющим входом второго переключателя, содержащий также по количеству антенн пеленгатора три канала фазовой регулировки, причем каждый канал фазовой регулировки содержит первый и второй перемножители, входы которых соединены между собой и являются первыми входами каждого канала, каждый из которых соединен с соответствующим выходом второго переключателя, выходы первого и второго перемножителей каждого канала фазовой регулировки соединены с входами первого и второго сумматоров соответственно, при этом выходы каждого сумматора соединены с соответствующими входами третьего перемножителя, выход которого подключен к фильтру, выход которого через последовательно соединенные генератор преобразованной частоты и блок фазового сдвига соединен с вторым входом второго перемножителя, выход генератора преобразованной частоты также соединен с вторым входом первого перемножителя, выходы первого и второго сумматоров первого канала фазовой регулировки соединены через соответствующие первый и второй квадраторы с входами третьего сумматора, выход которого соединен с входом третьего переключателя, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй фильтры нижних частот соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления генератором, выход которого соединен с входом управляемого генератора, выход генератора преобразованной частоты первого канала фазовой регулировки соединен с первым входом фазоизмерителя, отличающийся тем, что в него введены четвертый и пятый переключатели, эталонный генератор, умножитель частоты, делитель частоты, K излучателей и K фотоприемников, при этом выходы K фотоприемников соединены с соответствующими K входами четвертого переключателя, (K + 1)-й вход которого соединен с выходом первого переключателя, (K + 2)-й вход с выходом решающего блока, выход с входом усилителя высокой частоты, первый и второй входы пятого переключателя соединены соответственно с выходами генераторов преобразованной частоты второго и третьего каналов фазовой регулировки, третий вход с выходом делителя частоты, четвертый вход с выходом решающего блока, выход с вторым входом фазоизмерителя, выход эталонного генератора соединен с входами делителя частоты и умножителя частоты, выход которого соединен с входами K излучателей, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего фотоприемника.
2. Пеленгатор по п. 1, отличающийся тем, что три приемные антенны расположены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, а излучатели в середине основания треугольника и направлены в сторону соответствующей приемной антенны.