Радиовысотомер

 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для определения высоты полета ИСЗ, параметров гравитационного поля Земли, определения фигуры геоида, рельефа поверхности суши, топографии ледовых полей и океана, в частности высоты океанических волн. Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном радиовысотомере используется два вида ЛЧМ зондирующего сигнала и две дополнительные измерительные шкалы, что позволяет получить расширенную зону однозначного измерения высоты полета в реальном масштабе времени на борту носителя без потери точности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения высоты полета искусственного спутника Земли (ИСЗ), параметров гравитационного поля Земли, определения фигуры геоида, рельефа поверхности суши, топографии ледовых полей и океана, в частности высоты океанических волн.

Изобретение также может быть использовано при построении прецизионных дальномеров с существенно расширенной зоной однозначного измерения дальности.

Известен спутниковый радиовысотомер (РВ) [1], работающий в режиме импульсного измерения высоты по времени задержки отраженного подстилающей поверхностью сигнала относительно зондирующих.

Известный радиовысотомер содержит передающее устройство, приемное устройство, временной модулятор, временной дискриминатор, сглаживающие цепи, индикатор и приемопередающие антенны, причем информация о высоте вырабатывается в индикаторе и пропорциональна разности временного положения стробирующих и зондирующих импульсов.

Схема построения известного РВ за счет сравнения временного положения огибающих радиоимпульсов имеет принципиально невысокую точность измерений.

Известен спутниковый радиовысотомер [2], работающий в режиме излучения радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), в котором измерение высоты сводится к определению положения инвариантной к высоте полета ИСЗ характерной точки половинной мощности на нижнем крае энергетического спектра преобразованного отраженного сигнала, образующегося в результате гетеродинирования принимаемого отраженного сигнала копией зондирующего ЛЧМ радиоимпульса, но смещенной относительно него по частоте на величину первой промежуточной частоты приемного тракта и совмещенной по времени с отраженным сигналом, а оценка высоты волн подстилающей водной поверхности производится методом определения крутизны нижнего края этого спектра.

Известный РВ содержит дисперсионную линию задержки, передатчик, два гетеродина, блок разделения каналов, приемопередающую антенну, два смесителя, усилитель промежуточной частоты, аналого-цифровой преобразователь, блок цифровой автоматической регулировки, блок цифровых фильтров, причем его выход является одним из выходов устройства, выдающим в цифровой форме информацию о высоте волн, и адаптивное устройство слежения за высотой полета, выдающее в цифровой форме информацию о высоте полета ИСЗ.

Схема построения известного РВ, предусматривающая измерение высоты полета в реальном масштабе времени на борту носителя над океанической поверхностью, за счет ограниченности зоны однозначного отсчета высоты не позволяет получить таких измерений над ледовыми полями и материком.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является океанографический радиовысотомер [3].

Задачей настоящего изобретения является создание радиовысотомера с расширенной зоной однозначности измерения высоты полета в реальном масштабе времени на борту носителя без потери точности измерений, работающего в режиме пакетного излучения радиоимпульсов с двойной ЛЧМ и имеющего двухшкальную измерительную систему, причем каждая из шкал построена на основе обработки своего вида ЛЧМ (далее по тексту ответов).

На фиг. 1 изображена схема предложенного радиовысотомера, на фиг. 2 - циклограммы.

Суммарно-разностная схема обработки, реализованная в приемном тракте предложенного радиовысотомера, позволяет легко разделить грубую и точную составляющие отраженного сигнала. Поданные с выхода приемника 7 и с выхода генератора 1 двойной ЛЧМ импульсов через вторую линию задержки 14 и первый перестраиваемый гетеродин 15 сигналы (см. фиг.2 а) на вход второго смесителя 10 позволяют выделить на его выходе сигнал с разностной частотой [f₁(t)+f₂(t)]-[f₁(t-)+f₂(t-)] (см. фиг.2 б). Аналогично, поданные с выхода приемника 7 через первую линию задержки 11 и с выхода генератора 1 двойной ЛЧМ импульсов через вторую 14 и третью 16 линии задержки и второй перестраиваемый гетеродин 17 сигналы (см. фиг. 2 в) на вход третьего смесителя 12 позволяют выделить на его выходе сигнал с разностной частотой [-f₁(t)+f₂(t)]-[-f₁(t-)+f₂(t-)] (см. фиг. 2 г). Эти сигналы поступают на вход четвертого смесителя 13, тогда на его выходе получаем разностную частоту 2[f₁(t)-f₁(t-)] и суммарную частоту колебаний 2[f₂(t)-f₂(t-)] , выделяемые соответственно полосовыми фильтрами 18 и 19, далее в каждой из измерительных шкал используются схемы обработки дальномерной информации, заданной в частотной форме. Для грубой измерительной шкалы предусмотрено исключение "слепых" дальностей посредством введения стандартной дополнительной задержки опорного сигнала с выхода второго полосового фильтра 19 по времени на T_о2 в четвертой линии задержки 54 на входе первого сумматора 53, выход которого ' соединен с входом седьмого смесителя 55.

Спектр преображенного отраженного сигнала, поступающий с выхода первого полосового фильтра 18, переносится двумя смесителями 20 и 27 в область промежуточной частоты далее четырьмя полосовыми фильтрами 21, 24 и 28, 31, частоты настройки которых соответственно равны f₁, f₁₀ и f₂, f₂₀, осуществляется одновременное стробирование трех участков спектра в окрестности нижнего края энергетического спектра преобразованного отраженного сигнала. Для оценки энергии стробируемых спектральных составляющих на выходе полосовых фильтров соответственно включены квадраторы 22,25 и 29,32 и осредняющие устройства 23,26 и 30, 33 - фильтры нижних частот (ФНЧ). С выходов первого 23 и третьего 30 ФНЧ сигналы, определяющие энергию спектральных составляющих первого и второго стробируемых участков, расположенных симметрично относительно точки половинной мощности и на нижнем крае энергетического спектра, поступают на входы второго сумматора 34, последовательно соединенного с первым вычитателем 35, на второй вход которого с выхода первого аттенюатора 51 подается опорный сигнал, сформированный как сумма сигналов с выходов второго 26 и четвертого 33 ФНЧ в четвертом сумматоре 50, ослабленный в два раза в первом аттенюаторе 51 и соответствующий энергии спектральной составляющей третьего стробируемого участка. Полученный разностный сигнал поступает на первый вход третьего сумматора 36, обеспечивая управление средним значением частот f_гет1 и f_гет2 перестраиваемых гетеродинов 39 и 44, подстраивая их таким образом, чтобы первый и второй стробируемые участки, расположенные симметрично относительно характерной точки половинной мощности на нижнем крае спектра, смещались одинаково и синхронно. К выходу третьего сумматора 36 подключены два канала, формирующие низкочастотные сигналы управления и состоящие соответственно из последовательно соединенных первого амплитудного детектора 37, пятого ФНЧ 38, выход которого соединен с управляющим входом третьего перестраиваемого гетеродина 39, и второго амплитудного детектора 42, шестого ФНЧ 43, выход которого соединен с управляющим входом четвертого перестраиваемого гетеродина 44. При этом точное значение частоты характерной точки f_Ho, соответствующее высоте полета ИСЗ H_о , пропорционально полусумме частот f_гет1 первого 39 и f_гет2 второго 44 перестраиваемых гетеродинов. Для получения цифрового значения добавки сигналы с выходов этих гетеродинов подаются на вход осредняющих счетчиков 40 и 45. С выхода первого 40 и второго 45 счетчиков значение добавки поступает соответственно на второй и третий входы цифрового сумматора 41, где складывается со значением кода временной подставки с третьего выхода блока 9 синхронизации и формирования временной подставки.

Спектр преобразованного отраженного сигнала, поступающий с выхода второго полосового фильтра 19 через первый сумматор 53, переносится седьмым смесителем 55 в область промежуточной частоты характерной для работы грубой шкалы отсчета высоты, и двумя полосовыми фильтрами 56 и 63, частоты настройки которых соответственно равны f_Ho и f_о, осуществляется одновременное стробирование двух участков этого энергетического спектра в окрестности его нижнего края. Для повышения точности оценки энергии стробируемых участков спектра на выходе этих полосовых фильтров соответственно последовательно включены квадраторы 57 и 64 и ФНЧ 58 и 65. С выхода седьмого ФНЧ 58 сигнал, определяющий энергию спектральной составляющей опорного сигнала, поступает на вход третьего аттенюатора 59, последовательно соединенного с четвертым вычитателем 60, второй вход которого соединен с выходом восьмого ФНЧ 65. Полученный в результате сравнения сигнал рассогласования , характеризующий величину грубого уточнения высоты H_о, определяется интегратором 61, накапливается и поступает на управляющий вход пятого перестраиваемого гетеродина 62, выход которого соединен с вторым входом седьмого смесителя 55, отслеживая тем самым происходящие за время измерения высоты изменения. Это обеспечивает необходимое положение нижнего края спектра, подстраивая его таким образом, чтобы значение промежуточной частоты с заданной точностью совпало со значением частоты f_Ho характерной точки, соответствующей высоте полета H_о. Для получения численного значения добавки сигнал с выхода пятого перестраиваемого гетеродина 62 подается на третий осредняющий счетчик 66, с выхода которого значение полученной добавки в виде цифрового кода поступает на четвертый вход цифрового сумматора 41. Таким образом, выходной информацией цифрового сумматора 41 является полное прецизионное значение измеряемой высоты полета ИСЗ H_о в виде многоразрядного цифрового кода, которое в дальнейшем передается на Землю.

Источники информации 1. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И. и Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. /Под ред. А. П. Жуковского.М.: Советское радио, 1979, с. 228.

2. Виницкий F. С. Автономные радиосистемы. М.: Радио и связь, 1986, с. 297 - 299.

3. Mac Arthur L.Z. Design of the "Seasat - A" Radar Altimeter, - Ocean's - 76 Second Annual Combined Conference MTS - IEEE, 13 - 15 sept., 1976, p. 10B-1 - 10B-8.

4. Сузуки Т. Принцип действия и расчет РЛС с верньерной частотной модуляцией. Ж. Зарубежная радиоэлектроника, 1967, N 7.

Формула изобретения

Радиовысотомер, содержащий последовательно соединенные генератор двойной линейно-частотной модуляции импульсов, формирователь зондирующего и гетеродинного сигналов, усилитель, развязывающий блок, антенну и последовательно соединенные парный смеситель, приемник, блок поиска по дальности, блок синхронизации и формирования временной подставки, первый выход которого подключен к входу генератора двойной линейно-частотной модуляции импульсов, а вхорой выход соединен с вторым входом формирователя зондирующего и гетеродинного сигналов, второй выход которого соединен с одним из входов первого смесителя, второй вход которого подключен к второму выходу развязывающего блока, отличающийся тем, что к выходу приемника параллельно подключены второй смеситель и последовательное соединение первой линии задержки и третьего смесителя, причем выходы обоих смесителей соответственно соединены с первым и вторым входами четвертого смесителя, к выходу генератора двойной линейно-частотной модуляции импульсов последовательно подключены вторая линия задержки и управляющий вход первого перестраиваемого гетеродина, выход которого соединен с вторым входом второго смесителя, к выходу второй линии задержки последовательно подключены третья линия задержки и управляющий вход второго перестраиваемого гетеродина, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя, к выходу четвертого смесителя параллельно подключены два полосовых фильтра, причем к выходу первого полосового фильтра параллельно подключены пятый и шестой смесители, а к выходу второго полосового фильтра параллельно подключены первый сумматор и четвертая линия задержки, выход которой соединен с вторым входом первого сумматора, пятый смеситель, к выходу которого параллельно подключены два канала, соответственно состоящие из третьего полосового фильтра, первого квадратора, первого фильтра нижних частот и четвертого полосового фильтра, второго квадратора, второго фильтра нижних частот, шестой смеситель, к выходу которого параллельно подключены два канала, соответственно состоящие из пятого полосового фильтра, третьего квадратора, третьего фильтра нижних частот и шестого полосового фильтра, четвертого квадратора, четвертого фильтра нижних частот, к выходу первого фильтра нижних частот последовательно подключены второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего фильтра нижних частот, первый вычитатель, третий сумматор, к выходу которого параллельно подключены два канала, соответственно состоящие из первого амплитудного детектора, пятого фильтра нижних частот, подключенного к управляющему входу третьего перестраиваемого гетеродина, выход которого соединен как с вторым входом пятого смесителя, так и с входом первого осредняющего счетчика, выход которого соединен с вторым входом цифрового сумматора, первый вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации и формирования временной подставки, и второго амплитудного детектора, шестого фильтра нижних частот, подключенного к управляющему входу четвертого перестраиваемого гетеродина, выход которого соединен как с вторым входом шестого смесителя, так и с входом второго осредняющего счетчика, выход которого соединен с третьим входом цифрового сумматора, к выходу третьего фильтра нижних частот последовательно подключены второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, третий вычитатель, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а выход соединен с вторым входом третьего сумматора, к выходу второго фильтра нижних частот последовательно подключены четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом четвертого фильтра нижних частот, первый аттенюатор, выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, и второй аттенюатор, выход которого соединен с вторым входом третьего вычитателя, причем выход третьего вычитателя является выходом сигнала, соответствующего высоте шероховатости подстилающей поверхности, первый сумматор, выход которого соединен с входом седьмого смесителя, к выходу которого параллельно подключены два канала, соответственно состоящие из последовательно соединенных седьмого полосового фильтра, пятого квадратора, седьмого фильтра нижних частот, третьего аттенюатора, четвертого вычитателя и восьмого полосового фильтра, шестого квадратора, восьмого фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом четвертого вычитателя, интегратора, пятого перестраиваемого гетеродина, выход которого соединен как с вторым входом седьмого смесителя, так и с входом третьего осредняющего счетчика, выход которого соединен с четвертым входом цифрового сумматора, причем выход цифрового сумматора является выходом сигнала, соответствующего высоте полета носителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2