Фазовый метод радиодальнометрии.

Основные вопросы, краткое содержание и ключевые слова.

Общая характеристика методов.

При измерении дальности, требуется измерить временную задержку между излучаемым и принимаемым сигналами, которая пропорциональна дальности.

При этом используется непосредственное измерение временного интервала, или фазы и частоты, являющихся функциями времени.

В зависимости от этого различают: временные, фазовые и частотные методы дальнометрии.

Использование амплитудного метода в дальнометрии (по затуханию сигнала) возможно, но не нашло практического применения, т.к. зависит от условий распространения радиоволн, изменения мощности излучения и т.д.

Излучаемые сигналы могут быть немодулированными и модулированными. Измерения, соответственно, могут выполняться на несущей частоте, на частоте модуляции и на частоте биений.

По способу формирования сигнала различают дальномерные системы с отраженным сигналом (автономные) и ретрансляцией сигналов (неавтономные) по принципу «запрос- ответ».

В зависимости от способа построения схем – реализуются измерители неследящего и следящего типа.

Наиболее широкое применение находят следящие измерители дальности (СИД). Следящий измеритель дальности в общем случае состоит из кольца отслеживания дальности, а также схем поиска и захвата.

Фазовый метод радиодальнометрии.

Измерение дальности фазовым методом основывается на определении фазового сдвига между двумя гармоническими колебаниями, одно из которых опорное, а другое несет информацию об измеряемой дальности.

Разность фаз сравниваемых сигналов может измеряться:

- на несущей частоте (тип Н);

- на частоте модуляции (тип М);

- на частоте биений 2-х колебаний, разностная частота которых служит для измерения расстояний.

Фазовые дальномеры используются в двух вариантах:

- системы с ретрансляцией сигнала (запрос-ответ);

- системы с однонаправленным радиоканалом (с хранением начальной фазы сигналов эталлоным генератором).

Важным принципом классификации фазовых измерений является способ сравнения который подразделяется на:

- методы одновременного сравнения;

- методы последовательно сравнения.

При методе одновременного сравнения оба сигнала, фазовый сдвиг между которыми предстоит измерить, одновременно подаются на вход двухканального фазоизмерительного устройства.

При методе последовательного сравнения происходит поочередное сравнение фазы каждого из сигналов с фазой опорного когерентного сигнала.

Существуют методы прямого преобразования и компенсационные методы. По этому признаку разделяют как методы одновременного, так и методы последовательного сравнения.

Фазовый метод дальнометрии, использующий для измерения фазовых сдвигов несущую частоту (однонаправленный радиоканал).

Рис 11.1.

Структурная схема фазового дальномера с измерениями на несущей частоте.

Радиодальномерная система состоит из опорного генератора (ОГ) работающего на частоте ω_о, передающего устройства (ПРД), расположенного в пункте с известными координатами и излучающего сигнал

u(t)=Um cos (ω_оt + φ₀ ) с начальной фазой φ₀

При прохождения расстояния R сигнал запаздывает по фазе (времени) и на входе приемного устройства сигнал примет форму:

Uвх.(t) = gUcos(ω₀ t + φ₀ – ω_о R/c ± ω_о Wt / c )

Где W- составляющая путевой скорости сближения передатчика и приемника: g- коэффицент учитывающий затухание амплитуды.

При этом мы не будем учитывать доплеровский сдвиг частоты (выберем относительно низкий диапазон частот ω_о). На входе фазометра (Фм) получим значение:

φ₂ = φ₁ – ω R/с = ω_о t + φ₀ – ω₀ R/ c

На фазометр также подается сигнал опорной фазы от ГОН (генератора опорного напряжения). Здесь необходимо условие равенства фаз генератора опорного напряжения (ГОН) и опорного генератора (ОГ).

Фаза опорного сигнала ГОН равна фазе ЗГ (задающего генератора) в момент излучения, но при этом возникает так называемая погрешность синхронизации

φ₃ = φ₁ + φ_сх = ω₀ t + φ₀ +φ_сх

Расстояниe между наземным радиомаяком и бортовым приемником R определяется как разность фаз принятого и опорного сигналов и, если не учитывать погрешность синхронизации, то:

φ_д = φ₃ - φ₂ = 2πR / λ_о

R = ( с /ω_о)* φ_д = ( λ₀ /2π) * φ_д

Фазометр измеряет разность фаз лишь в пределах одного фазового цикла, а величина φ_д может включать в себя неизвестное число полных фазовых циклов. При этом, исходя из формулы видим, что изменение фазы на полный цикл произойдет при изменении расстояния до значения: R_max = λ _о

При дальнейшем увеличении расстояния показания фазометра будут повторяться.

Максимальное расстояние, которое может быть измерено однозначно, равно длине волны излучаемых колебаний λ _о

Пространственная зона, в пределах которой фаза сигнала изменяется на 2π при изменении расстояния, называется зоной однозначного отсчета или фазовой дорожкой.

При этом, в зависимости от измеряемого расстояния число фазовых дорожек n₁= R/ λ_о. В пределах каждой фазовой дорожки можно видеть лишь конечное число линий положения, определяемое погрешностью фазовых измерений: n2=360°/Δφ_р

Погрешность измерения дальности определяется выражением

ΔR = (λ₀ / 2π )*Δφ + (Δλ / λ )* ct ,

где Δφ - аппаратная погрешность измерения фазового сдвига,

Δλ - отклонение длины волны колебаний опорного генератора от

номинального значения.

Из соотношения видим, что для уменьшения погрешности измерения дальности мы можем уменьшить длину волны (увеличить частоту), а также повысить стабильность задающего генератора и генератора опорной частоты и повысить синхронизацию их работы.

Увеличение частоты для повышения точности, приводит к снижению максимального измеряемого расстояние. Поэтому такие системы (в частности, американская система типа «Наваро») – работают на длинных волнах.

Устранение многозначности отсчета дальности можно решать следующими способами:

- предварительная «привязка» к местности с помощью других систем;

- излучением двух и более частот, т.е. изменением масштаба дальности.

Рассмотренный вариант измерения фазовых сдвигов на несущей частоте, несмотря на относительную простоту схемы (данный вариант) и его неограниченную пропускную способность, имеет недостаток-многозначность измерения дальности.