Выбор структуры ДИС

Исходными предпосылками при выборе структуры ДИС являются: число лучей ДИС; число каналов обработки сигналов; вид модуляции зондирующего сигнала и способ усиления и преобразования отраженно­го сигнала в приемном тракте ДИС. Считается, что ДИС работает в ре­жиме непрерывного излучения (см. раздел 2.1).

Число и расположение лучей ДHA. Сигналы, необходимые для опре­деления вектора скорости или его составляющих, в ДИС получают от многолучевой антенной системы (АС), состоящей из двух идентичных (передающей и приемной) волноводно-щелевых ФАР, жестко связанных с корпусом ЛА. Применяют четырехлучевые или трехлучевые АС (рис. 3.2). В последнем случае один из показанных на рис. 3.2,а лучей отсутствует. Предпочтение отдают более простым трехлучевым АС. Четырехлучевую АС используют в некоторых типах ДИС, в которых отсутствует стабилизация выходных данных и влияние угловых колебаний ЛА на точность измерения скорости снижают путем совместной обра­ботки сигналов, принятых по двум лучам ДНА ([З], с.353). В вер­толетных ДИС находит применение треугольное расположение лучей (рис.3.2,б), при котором основными источниками информации о сос­тавляющих скорости V_x, V_z и V_y служат сигналы, принимаемые по лучам 1, 2 и 3 соответственно.

Рис. 3.2

Ориентация лучей в связанной с ЛА системе координат XYZ оп­ределяется установочными углами B₀ и Г_ο (рис. 3.2,в). Первый из них - угол между плоскостью ХOZ и линией ОМ, соответствующей максимуму луча ДНА, а второй - угол между продольной осью ЛА (ось X) и проекцией ОМ на плоскость ХОZ. Величины B_ο и Г₀ однозначно определяют установочные углы – g₀ и n₀, измеряемые в плоскостях ХOM и ZОМ соответственно (точка Μ является центром отражающей площадки ОП на земной поверхности).

Углы B₀ и Г₀ - основные, так как от них зависят масштабные коэффициенты M_x, M_z и М_y, связывающие средние квадратичеcкие погрешности s_x, s_zи sy определения составляющих вектора скорости ЛА с соответствующими погрешностями s_Fк измерения доплеровского сдвига F_дк по сигналам, принятым по к -му лучу ДНА. В рассматриваемом РТУ соотношение (1.22) имеет вид

,

где i соответствует определенной координате (x, y или z).

На ЛА часто используют ⋌-образное расположение лучей АС (луч 4 на рис. 3.2,а отсутствует). При такой конфигурации лучей ДНА связь определяемых составляющих скорости V_i с F_дк описывает­ся соотношениями, приведенными в табл. 3.1. Из этих соотношений, используя известную методику ([l], с.246), можно получить фор­мулы для расчета масштабных коэффициентов M_i. Такие формулы при равной точности измерения всех F_дк имеют вид, показанный в табл. 3.2.

Таблица 3.1

Vx	Vz	Vy

Таблица 3.2

Mx	Mz	My

Углы В_ok для всех лучей обычно одинаковые и равны B₀. Исклю­чение составляет только треугольная схема расположения лучей, при которой B₀₁ = B₀₂ = B₀, а B₀₃ = 90°. При выборе угла B₀ следует учитывать, что уменьшение B₀ способствует росту радиальной ско­рости в направлении луча ДНА и доплеровского сдвига частоты при­нимаемого сигнала. Это приводит к снижению масштабного коэффици­ента, а следовательно и повышению точности ДИС. С другой стороны, уменьшение B₀ сопровождается ростом как дальности до точки отраже­ния радиоволны, так и угла ее падения. Оба этих фактора вызывают уменьшение мощности принимаемого сигнала. Поэтому для сохранения заданной рабочей высоты (аналог максимальной измеряемой дальности в радиолокаторе) приходится увеличивать мощность передатчика ДИС и повышать чувствительность его приемника. Из компромиссных сооб­ражений значение B₀ выбирают обычно в диапазоне от 60° до 75°.

Углы Г_οκ, как следует из рис. 3.2, а, связаны с установочным углом Г₀₁ = Г₀ луча 1. От значения Г_0K зависят возможность использования доплеровского сдвига F_дк по к -му лучу для измерения той или иной составляющей вектора скорости и точность такого измерения. Сказанное объясняется тем, что изменение Г₀ по-разному влияет на масштабные коэффициенты Μ_x и M_z. Об этом свидетельствуют формулы табл. 3.2 и график рис. 3. 3. На этом рисунке показана за­висимость функции DМ_zx=M_z/М_x от угла Г₀. При Г₀ < 45° точ­ность измерения составляющей V_z хуже точности измерения V_x, так как М_z>М_x. При Г₀ = 45° масштабные коэффициенты М_x и М_z равны и зависящие от этих коэффициентов флуктуационные погрешно­сти измерения \/_x и \/_z одинаковые. Таким образом, увеличение Г₀ сопровождается ростом точности измерения V_z и снижением точ­ности измерения V_x. Обычно выбирают Г₀ >a_{c max}, где a_{с max} -максимальный угол сноса, возможный в самом неблагоприятном режиме (при минимальной воздушной скорости и максимальной силе ветра).

Рис. 3.3

Число каналов обработки сигналов. Принятые сигналы могут об­рабатываться в одном канале, на который поочередно подаются сигналы, поступающие по каждому из лучей ДНА, или одновременно в нес­кольких каналах, число которых равно числу лучей ДНА. Первые из указанных ДИС называют одноканальными, а вторые - многоканальными.

Одноканальные ДИС имеют более простую структурную схему, но им присущи по крайней мере два недостатка. Первый из них - огра­ничение времени наблюдения Т_н (а следовательно и времени усред­нения) сигнала, что приводит к увеличению флуктуационной состав­ляющей общей погрешности ДИС. Этот недостаток связан с необходи­мостью практически одновременного получения информации по всем лучам ДНА, что требует быстрого переключения лучей антенной систе­мы. Поэтому период коммутации лучей составляет несколько секунд, а интервал Т_н <1 с. Второй недостаток - ухудшение шумовых пара­метров приемного тракта из-за шумов коммутации и снижение надеж­ности ДИС - также является следствием коммутации сигналов на радиочастоте. Достоинством одноканальных ДИС можно считать то, что по каждому из лучей ДНА излучается вся вырабатываемая передат­чиком мощность. Кроме того рассматриваемые ДИС проще многоканаль­ных.

Многоканальные ДИС лишены указанных недостатков и могут в си­лу этого обеспечить большую точность. Основным недостатком таких ДИС является деление мощности между несколькими лучами ДНА, что должно компенсироваться увеличением мощности передатчика, необ­ходимой для сохранения заданной максимальной высоты, на которой может использоваться ДИС. Кроме того структурная схема ДИС услож­няется из-за наличия нескольких каналов обработки сигналов. Одна­ко последнее не имеет существенного значения при выполнении ап­паратуры на современной элементной базе.

Вид зондирующего сигнала. Для измерения скорости в ДИС при­меняют непрерывные немодулированные сигналы (ДИС НМ) или частотно-модулированные сигналы (ДИС ЧМ). Наиболее перспективны ДИС НМ, так как в них хорошо используются энергетические возможности ДИС: вся мощность преобразованного в ДИС отраженного сигнала сосредоточе­на в узкой (ограниченной шириной доплеровского спектра) области частот вблизи F_дк. Возможность применения ДИС НМ ограничена только требуемой развязкой передающего и приемного трактов. Тща­тельное конструирование антенно-волноводного тракта ДИС позволяет реализовать коэффициент развязки K_p» -80дБ, т.е. снизить мощность просачивающегося сигнала передатчика в 10⁸ раз по отношению к мощ­ности излучаемого сигнала. Если требуется K_p<-80 дБ, то нужно ис­пользовать частотно-модулированный зондирующий сигнал.

Отличительной особенностью ДИС ЧМ является возможность сни­зить требования к развязке на 25...30 дБ и соответственно упрос­тить антенно-волноводную систему ДИС. Кроме того при частотной модуляции зондирующего сигнала можно измерять не только, скорость, но и дальность по лучу ДНА, а также высоту полета ЛА. Подобного рода дополнительная информация требуется в некоторых радионавига­ционных системах. При выборе типа ДИС следует иметь в виду, что ДИС ЧМ отличается от ДИС НМ худшим использованием энергии сигна­ла. Энергия преобразованного сигнала в ДИС ЧМ сосредоточена в спектральных полосах вблизи частот nF_м ± F_д, а используются только составляющие спектра на определенных частотах, соответст­вующих выбранному номеру n гармоники частоты модуляции F_м. На энергетические параметры ДИС ЧМ отрицательно влияет также поя­вление слепых высот при периодическом модулирующем сигнале. Энер­гетические потери, вызываемые только первым из указанных факто­ров, составляют примерно 6 дБ по сравнению с ДИС НМ.

Способ преобразования отраженного сигнала. Находят примене­ние два способа преобразования сигнала в приемном тракте ДИС. Пер­вый из них называют преобразованием на нулевую промежуточную час­тоту. При этом на смеситель приемника подают в качестве опорного зондирующий сигнал, мощность которого предварительно снижается в требуемое число раз. Достоинством такого способа является просто­та построения приемного тракта. Однако спектр доплеровского сигна­ла G_c(f) при этом располагается в области низких частот, где кро­ме шумов приемника G_ш(f) и шума просачивающегося сигнала G_п.с(f) присутствуют и шумы смесителя G_см(f) (рис.3.4,а). Поэтому коэф­фициент шума приемника с нулевой промежуточной частотой превы­шает 20 дБ.

Преобразование сигнала на отличную от нуля промежуточную час­тоту f_пч позволяет за счет переноса спектра доплеровского сигна­ла частоту f_пч³10 МГц уменьшить уровень шума смесителя, попадаю­щего в полосу пропускания выделяющего этот сигнал фильтра и тем самым повысить чувствительность приемника примерно на 10 дБ. Сле­дует обратить внимание на то, что при таком преобразовании умень­шается влияние только шума смесителя G_см(f), а шум просачиваю­щегося сигнала G_п.с(f), как следует из рис. 3.4,б, не уменьшается.

Рис. 3.4

Структурные схемы ДИС. Возможная структурная схема ДИС НМ, содержащего три канала обработки КО принятых сигналов, показана на рис. 3.5. Передающий тракт ДИС содержит генератор радиочасто­ты ГРЧ, делитель мощности ДМ, распределяющий сигналы между тремя входами передающей антенны A-1, и самой передающей антенны A-1, формирующей лучи ДНА с требуемыми установочными углами. Часть мощности ГРЧ подается на балансный модулятор БМ, предназначенный для получения гетеродинного сигнала для балансных смесителей БС всех каналов обработки сигналов. В качестве модулирующего на БМ поступает сигнал с генератора опорной (промежуточной) частоты ГОЧ. Фильтр ФБП выделяет нижнюю боковую частоту f₀-f_пч сигнала, где f₀ - несущая частота. Использование нижней боковой частоты позволяет (при необходимости) сохранить знак F_дпри преобразова­нии сигнала в БС. Усиленный в УПЧ преобразованный сигнал направ­ляется на синхронный детектор СД, куда поступают также колебания с частотой f_пчот ГОЧ. Общий источник (ГОЧ) частоты f_пч, исполь­зуемый как при первом, так и при втором преобразовании частоты, дает возможность избавиться от влияния нестабильности частоты ГОЧ на точность ДИС.

Рис. 3.5

После синхронного детектора СД сигнал проходит через полосо­вой фильтр доплеровских частот ФДЧ, выделяющий полезный сигнал в диапазоне возможных доплеровских частот, и поступает на измери­тель частоты ИЧ. Вычислительное устройство ВУ определяет вектор скорости или его составляющие, а также рассчитывает местопо­ложение (МП) ЛА методом счисления пути. Для этого на ВУ подают сигналы с ИЧ каждого из каналов обработки КО, а также информацию об угловых положениях самолета УПС

Структурная схема ДИС ЧМ с общим каналом обработки сигналов приведена на рис. 3.6. Особенность этого канала - выделение n-ой гармоники основной частоты модуляции F_мпреобразованного сигнала с помощью настроенного на частоту nF_м усилителя промежу­точной частоты УПЧ. Для выделения сигнала доплеровской частоты служит синхронный детектор СД, на который в качестве сигнала гете­родина поступает умноженный в n раз по частоте в УЧ сигнал моду­лятора М передатчика. Полосовой усилитель ПУ выполняет функцию фильтра доплеровских частот и включен на входе измерителя частоты ИЧ. Коммутаторы K-1 … K-3 управляются сигналом с устройства управ­ления УУ, которое одновременно через устройство вобуляции УВ из­меняет частоту модуляции F_м в пределах примерно 0,2F_м. Данная мера направлена на уменьшение влияния слепых высот на точность ДИС ЧМ.

Рис. 3.6

В показанных на рис. 3.5 и 3.6 схемах ДИС целесообразно·при­менить следящие измерители, частоты, аналогичные, или подобные тому, схема которого приведена на рис. 1.4 раздела 1.1.