Патент на изобретение №2335781

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ С ПРОГРАММНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ (ППРЧ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в разностно-дальномерных и других системах определения местоположения источников, использующих в качестве координатно-информативного параметра взаимную задержку принятых радиоизлучений. Технический результат: повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ ОВЧ-диапазона за счет восстановления взаимного фазового спектра до нуля. Суть способа измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты ОВЧ-диапазона состоит в том, что используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем на первом этапе – в пределах адресной группы сигнала и определения по нему времени задержки, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала. 7 ил.

Область применения

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в разностно-дальномерных и других системах определения местоположения источников, использующих в качестве координатно-информативного параметра взаимную задержку принятых радиоизлучений.

Уровень техники

Известен способ [2, с.48], [3, с.253] измерения взаимной задержки дискретных частотных широкополосных сигналов (ДЧ ШПС или ППРЧ), реализованный в фазовых радионавигационных системах и фазовых методах пеленгования. Погрешность определения навигационного параметра в радионавигационных системах определяется как

где с – скорость света;

– погрешность определения разности фаз (набега фазы);

f₀ – несущая частота излучения,

или погрешность измерения взаимной задержки , с учетом _рнп=с· [4, с.234]:

Погрешность определения взаимной задержки обратно пропорциональна несущей частоте сигнала. Однако при фазовом способе измерение разности фаз однозначно связано с радионавигационным параметром только в том случае, когда набег фазы между точками приема радиосигнала менее 2. В частности, в радиопеленгаторах для этого вводится ограничение на базу. При невыполнении этого условия разность фаз включает неизвестное число N полных фазовых циклов [4, с.282]. Для одновременного удовлетворения требований по точности и однозначности фазовых измерений требуется применение одного из известных способов устранения неоднозначности измерений [4, с.285], [5, с.19-28]. Наибольшее распространение при этом получил многошкальный способ. Для его реализации необходимо, чтобы сигналы излучались на нескольких частотах, находящихся между собой в определенном целочисленном соотношении. Многошкальный измеритель позволяет получить однозначное измерение в пределах длины волны самой низкой разностной частоты с точностью шкалы на основной частоте. Данный способ с успехом реализуется в радионавигационных системах сверхдлинноволнового и длинноволнового диапазона. Но использовать сигналы с ППРЧ для формирования многошкальных измерений в ОВЧ-диапазоне в условиях априорной параметрической неопределенности вряд ли возможно.

Наиболее близким к изобретению является способ (выбран в качестве прототипа), который предложен в [6].

Его суть заключается в следующем: разделение рабочего диапазона частот на полосы, соответствующие ширине спектра единичных излучений; обнаружение и прием единичных излучений сигналов с ППРЧ в пространственно-разнесенных пунктах приема (ПРПП); вычисление взаимных корреляционных функций (ВКФ) соответствующих радиоимпульсов, принятых в разных ПРПП; определение комплексных взаимных спектров радиоимпульсов и их аргументов; интерполяция взаимного фазового спектра (ВФС) между принятыми радиоимпульсами; оценка взаимной задержки по наклону всего ВФС.

Интерполяция, сопряжение или устранение неоднозначности взаимного фазового спектра обеспечивается путем определения целого числа переходов через 2 между составляющими ВФС.

Многочастотная обработка характеризуется показателем сопряжения ВФС единичных радиоизлучений, принятых на разных частотах.

На частотах f_k и f_i (причем f_k>f_i и Ф_k-i=f_k-f_i) в двух ПРПП приняты два единичных радиоизлучения сигнала с ППРЧ, принадлежащего одному ИРИ S₁(t,f_k), S₁(t,f_i), S₂(t+,f_k) и S₂(t+,f_i), где – их взаимная задержка.

Сигналы ретранслированы на единый пункт обработки, где определены их ВКФ: () и B_fi(), и затем аргументы их комплексных взаимных спектров: (f) и _fi(f) (фиг.1). Аргументы комплексных взаимных спектров и есть взаимные фазовые спектры.

ВФС каждого единичного радиоизлучения определяется:

– начальными фазами _k и _i;

– оценками взаимной задержки _k и _i.

Среднее оценок и СКО среднего определяются:

при условии, что ,

Значение взаимной задержки сигналов по двум единичным радиоизлучениям получают, соотнеся приращение фазы ВФС к его ширине, то есть:

где m_k-i – число целых переходов ВФС через 2 между частотами f_k и f_i.

Число целых переходов ВФС через 2 m_k-i определяют как:

где – операция выделения целого числа. СКО числа переходов через 2 определяется:

Вводится доверительный интервал для m_k-i/_m (m_k-i должно быть менее 0,5):

определяется выражение для Ф_k-i, для которого с доверительной вероятностью возможна интерполяция ВФС между радиоимпульсами:

где I_{P дов}(m_k-i/_m) – значение доверительного интервала m_k-i/_m при доверительной вероятности P_дов. Индекс МАХ в выражении (10) означает, что это максимальный разнос по частоте между ЕРИ. Интерполяция ВФС возможна при условии Ф_k-iФ_k-iMAX.

Точность оценки взаимной задержки в случае восстановления ВФС между двумя ЕРИ, согласно выражению (5), будет определяться:

Таким образом, в прототипе погрешность взаимной задержки обратно пропорциональна ширине спектра сигнала с ППРЧ.

В качестве недостатка данного способа необходимо отметить, что при отсутствии неоднозначности измерений сигнала с ППРЧ погрешность взаимной задержки зависит от ширины спектра сигнала, а не от его несущей частоты. Сопоставительный анализ аналогов изобретения показывает, что в условиях априорной неопределенности параметров сигнала повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ возможно за счет снятия в прототипе ограничения на зависимость погрешности измерения от ширины спектра сигнала.

Цель изобретения – повышение точности измерения взаимной задержки сигналов с ППРЧ ОВЧ-диапазона за счет восстановления взаимного фазового спектра до нуля.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан взаимный фазовый спектр ЕРИ на различных частотах;

На фиг.2. показан график восстановления ВФС сигнала с ППРЧ в пределах адресной группы частот Ф_k-i;

На фиг.3. показана зависимость погрешности измерения КИП от ширины адресной группы частот Ф_k-i (q=3, F=25кГц, Т=0,1 с);

На фиг.4. показан перенос восстановленного ВФС сигнала в нулевую область частот;

На фиг.5. показан график восстановление ВФС сигнала до нуля;

На фиг.6. показана зависимость Ф_kMAX от ширины адресной группы частот Ф_k-i восстановленного ВФС для различных соотношений сигнал/шум (F=25 кГц, Т=0,1 с);

На фиг.7 показана блок-схема принципа осуществления способа.

Сущность изобретения

Суть способа измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты ОВЧ-диапазона состоит в том, что используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем на первом этапе – в пределах адресной группы сигнала и определения по нему времени задержки, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала.

На первом этапе выполняется сопряжение взаимного фазового спектра в пределах адресной группы сигнала с использованием аппарата многочастотной обработки.

В результате этой процедуры устраняется неоднозначность количества переходов через 2 в промежутке частот f_k÷f_i (фиг.2). Погрешность измерения времени задержки рассчитывается в соответствии с (11).

График величины ×с для q=3 представлен на фиг.3.

Восстановление ВФС до нуля возможно, если выполняется условие:

Для диапазона ОВЧ (=1 м) условие устранения неоднозначности выполняется с некоторым запасом точности измерений. На основании этого возможно устранение неоднозначности количества переходов через 2 ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷f_i. График величины ×с для q=3 представлен на фиг.3.

На втором этапе метода восстановления ВФС измеряем время задержки прихода радиосигналов в соответствии с формулой

Зная, что время задержки связано с ВФС соотношением

рассчитываем ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷(f_i-f_k).

В результате получаем два одинаковых ВФС, восстановленных в диапазоне частот 0÷f_n и f_i÷f_k (фиг.4).

На третьем этапе используем процедуру многочастотной обработки и устраняем неоднозначность переходов через 2 между двумя ранее восстановленными ВФС.

Среднеквадратическое число переходов через 2 определяется:

Введя доверительный интервал для m_k/_m:

получим выражение, при котором, с доверительной вероятностью , возможна интерполяция между двумя восстановленными ВФС

где I_{P дов}(m_k-i/_m) – значение доверительного интервала m_k-i/_m при доверительной вероятности .

Выражение (17) отличается от ранее полученного (11) (прототип) отсутствием множителя , так как сопрягаемые ВФС полностью коррелированы. Восстановление ВФС возможно (фиг.5), если разнос по частоте между ними удовлетворяет условию Ф_kФ_kMAX (фиг.6).

Определение числа переходов через 2 ВФС сигнала в диапазоне частот 0÷f_i позволяет рассчитать значение взаимной задержки сигналов по формуле (13) с учетом f_k=0, _k=0:

Погрешность расчета задержки составит:

Таким образом, за счет поэтапного восстановления взаимного фазового спектра на различных частотных участках и одновременного устранения неоднозначности переходов через 2 значение взаимной задержки сигналов обратно пропорционально значению несущей частоты радиосигнала, что приводит к повышению точности измерения взаимной задержки.

Способ может быть осуществлен следующим путем.

Сигналы (см. фиг.6) с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) принимаются на штырьевые антенны (1) в разнесенных пунктах приема (2), далее принятый аналоговый сигнал преобразуется в АЦП (3) в цифровой вид, которые в свою очередь синхронизируются подсистемой единого времени (ПСЕВ) (4).

Оцифрованные сигналы, принятые на разнесенных пунктах приема, подаются по каналу связи (5) в устройство обработки (6).

После предварительной обработки сигналов (фильтрация, преобразование частоты вниз, выделение ЕРИ) производится расчет (7) их корреляционной функции и затем проводится преобразование (8) Фурье.

Затем осуществляется выделение (9) аргумента взаимной спектральной плотности сигнала и построение (10) взаимного фазового спектра ЕРИ. Далее производится сопряжение (11) ВФС ЕРИ в пределах адресной группы частот. После чего выполняют определение (12) по наклону сопряженного ВФС взаимной задержки принятых сигналов.

Затем производится проверка выполнения условия <·с (13) восстановления ВФС до нуля.

По известной задержке выполняют построение (14) ВФС в промежутке частот от нуля до частоты, соответствующей ширине адресной группы частот.

Далее производят сопряжение (15) (от 0 до f_n) двух восстановленных ВФС.

И в конце выполняют расчет (16) взаимной задержки по наклону восстановленного ВФС.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. – М.: Радио и связь, 1985.

2. Принципы и методы радиопеленгования. И.А.Бутченко. ВАС, 1977.

3. Ярлыков М.С.Статистическая теория радионавигации. – М.: Радио и связь, 1985.

4. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов и др. – М.: Высш. шк., 1990.

5. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. – М.: Сов. Радио,1979.

6. Тимофеев Е.В., Вагин А.И., Бережных Д.Л., Демичев И.В., Шайдулин З.Ф. Содержание и основные показатели многочастотной обработки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты. – Сборник рефератов депонированных рукописей. Выпуск №76. – М.: ЦВНИ МО РФ, 2006.

Формула изобретения

Способ измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) в полосе адресной группы сигналов в ОВЧ диапазоне с несущей частотой радиосигнала, заключающийся в том, что разделяют рабочий диапазон ППРЧ сигнала на полосы, соответствующие ширине спектра единичных радиоизлучений (ЕРИ), принимают единичные радиоизлучения сигналов ППРЧ в пространственно-разнесенных пунктах приема, вычисляют взаимные корреляционные функции соответствующих единичных радиоизлучений, принятых в пространственно разнесенных пунктах, определяют комплексные взаимные спектры единичных радиоизлучений и их аргументы, осуществляют интерполяцию взаимного фазового спектра (ВФС) между принятыми единичными радиоизлучениями и измеряют взаимную задержку по наклону ВФС, отличающийся тем, что при измерении взаимной задержки между принятыми ЕРИ используют поэтапное восстановление взаимного фазового спектра сигналов, причем восстановление ВФС на первом этапе осуществляют в пределах полосы адресной группы сигнала и по нему определяют время задержки между ЕРИ, на втором этапе осуществляют восстановление взаимного фазового спектра на участке частот 0÷f_n, где f_n ширина адресной группы сигнала, на третьем этапе проводят устранение неоднозначности между двумя ранее восстановленными взаимными фазовыми спектрами, и выполняют расчет значения взаимной задержки сигналов с погрешностью, обратно пропорциональной значению несущей частоты радиосигнала.

РИСУНКИ