30. Сущность методов пеленгования источников излучений (фазовый, амплитудный, частотный).

Информативными признаками источника радиосигналов яв­ляются его координаты. Для определения координат применя­ется радиоприемник с поворачиваемой или переключаемой антенной системой, антенной, диаграмма на­правленности которой имеет острый максимум или минимум. Поворачивая антенну в направление достижения максимума (ми­нимума) сигнала на выходе антенны, определяют направление на источник радиосигнала. Этот процесс называют пеленгованием, значения углов между направлениями на север и источник — пе­ленгами, а средство для пеленгования -— радиопеленгатором, или пеленгатором.

Координаты источника радиоизлучений на местности рассчи­тываются по двум или более пеленгам из разных точек или по од­ному пеленгу и дальности от пеленгатора до источника. Для расче­та координат источника радиоизлучений необходимы также координаты пеленгаторов.

Принципы пеленгования источника радиосигналов двумя пеленгаторами или одним подвижным из двух точек А и В иллюстрируются схемой на рис. 17.8.

Рис. 17,8. Принципы пеленгования

Расстояние между двумя точками, из которых определяются углы, называется базой пеленгования. Координаты источника соответствуют точке пересечения пеленгов на топографическое карте или рассчитываются в результате решения триангуляционной задачи.

Инструментальные ошибки пеленгаторов, изменения условий распространения радиоволн, влияние объектов вблизи источников радиосигналов, отражения от которых искажают электромагнитное поле у антенн пеленгаторов, погрешности считыва­ния пеленгов вызывают систематические и случайные ошибки пе­ленгования. Угловые ошибки пеленгования образуют эллипс оши­бок (см. рис. 17.8), очерчивающий границы площади на местности внутри которых находится источник радиоизлучений.

Для повышения точности координат применяют антенны пе­ленгаторов с большей крутизной изменения диаграммы направ­ленности от угла поворота антенны, уменьшают систематичес­кие ошибки пеленгаторов и погрешности измерений, при расче­тах учитывают условия распространения радиоволн от источни­ка до пеленгаторов, увеличивают количество пеленгов. Более высокую точность пеленгования обеспечивают фазовые методы пе­ленгования на основе сравнения фаз, приходящихся от источники радиоволн на разнесенные в пространстве антенны пеленгаторов Ошибки пеленгования измеряют в градусах, точность пеленгова­ния — в процентах от дальности. Точность пеленгования в УКВ диапазонах на открытой местности составляет доли градусов: 0,1 , 0,2°; точность определения координат в этих диапазонах — доля процентов, в КВ-диапазоне — 3-5% от дальности. В городских ус­ловиях точность пеленгования ниже из-за влияния радиоволн, от­раженных от зданий и автомобилей.

Процессы перехвата включают также регистрацию (запись, за­поминание) сигналов с добытой информацией. Регистрация сигналов производится путем аудио- и видеозаписи, записи на магнитные ленту и диски, на оптические диски, на обычной, элект­рохимической, термочувствительной и светочувствительной бума­ге, запоминания в устройствах полупроводниковой и других ви­дов памяти, фотографирования изображений на экранах монито­ров ПЭВМ, телевизионных приемников, осциллографов и спектроанализаторов.

В амплитудных системах пеленгования для измерения углов используется пропорциональность между амплитудой выходного сигнала антенны Um и ее диаграммой направленности G(α,β):

Um(α,β)= Um0G(α−α0,β−β0),

где Um0 − амплитуда сигнала, принимаемого из направления максимума диаграммы направленности (α0,β0). Одновременно с измерением обеспечивается пространственная селекция сигналов − разрешение по угловым координатам.

Однако по одному отсчету амплитуды выходного сигнала антенны еще нельзя однозначно судить о направлении его прихода. Во-первых, в отсчете содержится неизвестный амплитудный множитель Um0, который зависит от дальности цели, интенсивности отраженного или излученного целью сигнала, затухания в атмосфере и т. п. Во-вторых, одному и тому же уровню отсчета сигнала соответствуют два направления относительно максимума диаграммы направленности: истинное и ложное, симметричное истинному. Для устранения неоднозначности измерений в амплитудных системах пеленгования применяются два метода: метод максимума и метод сравнения.

Метод сравнения, как следует из его названия, основан на сравнении амплитуд сигналов, соответствующих двум одинаковым по форме диаграммам направленности, максимумы которых смещены симметрично относительно опорного (равносигнального) направления. При равенстве амплитуд сравниваемых сигналов точно фиксируется направление на цель по положению опорного (равносигнального) направления антенны в этот момент. При смещении цели относительно опорного направления вырабатывается сигнал рассогласования, амплитуда которого указывает величину, а полярность (знак) – направление смещения. Метод сравнения особенно широко применяется в следящих измерителях направления.

Существует два вида амплитудных пеленгаторов, использующих метод сравнения: одноканальный (последовательный) и многоканальный (моноимпульсный).

В одноканальном пеленгаторе на зеркальных антеннах производится либо попеременное подключение одного из двух симметрично вынесенных из фокуса зеркала облучателей к общему приемному тракту, либо перемещение единственного облучателя из одного смещенного положения в противоположное. Принятые сигналы с выхода приемника поочередно подаются на противоположные входы схемы сравнения синхронно с коммутацией антенны. В схеме сравнения производится запоминание и вычитание сигналов, принятых за оба полупериода коммутации. Схема АРУ изменяет коэффициент усиления приемника обратно пропорционально среднему значению (полусумме) сигналов обоих полупериодов.

В многоканальном амплитудном пеленгаторе одновременно сравниваются сигналы, поступающие через раздельные приемные каналы, усиление которых изменяется схемой АРУ обратно про­порционально сумме сравниваемых сигналов. В многоканальных системах пеленгования, использующих импульсные сигналы, сравнение и нормировка в принципе выполнимы за время приема каждого импульса, ввиду чего амплитудные пеленгаторы этого типа получили название моноимпульсных, хотя они успешно работают и при сигналах непрерывного излучения.

Достоинством одноканальных пеленгаторов является простота аппаратуры и сравнительно низкие требования к ней. Даже при пеленговании цели в двух плоскостях требуется всего один приемный канал. При этом обычно смещенный из фокуса облучатель быстро вращают вокруг опорного (равносигнального) направления, совпадающего с геометрической осью зеркала антенны, и антенный луч описывает в пространстве коническую поверхность, последовательно занимая правое, верхнее, левое и нижнее положения. Такой способ, получивший название конического сканирования луча, используют в следящих измерителях направления.

Основным недостатком одноканального амплитудного пеленгатора является наличие модуляционных ошибок. Изменение интенсивности сигнала с частотой коммутации приводит к образованию ложного сигнала рассогласования даже при нахождении цели на опорном направлении. Поскольку сигналы цели обычно флюктуируют по интенсивности и в спектре флюктуации содержатся гармоники частоты коммутации, ложный сигнал рассогласования дает дополнительную ошибку пеленгования. Достаточно сильная умышленная модулирующая помеха, амплитуда которой изменяется с частотой коммутации, полностью нарушает работу системы.

В фазовых системах пеленгования для определения направления α

измеряется разность фаз сигналов, принимаемых от цели в двух точках, разнесенных на расстояние b (база):

где α − угол между нормалью к базе и направлением на цель.

Разность фаз − периодическая функция, поэтому для однозначного и точного определении угловой координаты α необходимо использовать многошкальную (многобазовую) антенную систему (рис. 10.5). Малая база bг обеспечивает грубый однозначный отсчет, большая база bт — заданную точность измерений, а средняя база bс (их может быть несколько) служит для исключения неоднозначности точной шкалы.

Грубая база, на которой можно обеспечить однозначное измерение разности фаз, а отсюда и однозначное определение угловой координаты, равна длине волны λ. Обычно не удается разместить две антенны на столь малом расстоянии. Поэтому размещают по обе стороны от опорной антенны две антенны, образующие достаточно большие базы b1

и b2, причем разность этих баз выбирают равной грубой базе, т.е. . Обычным образом измеряют ∆φ1

и ∆φ2 и получают ∆φГ = ∆φ2 − ∆φ1, что равносильно измерению разности фаз по грубой базе.

Для представления данных измерений в цифровой форме используются цифровые фазометры с предварительным преобразованием разности фаз сравниваемых сигналов во временной интервал, как и при измерении фазовым методом дальности. Для этого сигналы подвергают глубокому ограничению и дифференцированию. Временной интервал между полученными после дифференцирования сравниваемых сигналов короткими импульсами, пропорциональный разности фаз, заполняется счетными импульсами. Полученные в счетчике числа после раскрытия неоднозначности позволяют выполнить определение угловой координаты. Чтобы сделать заполняемый счетными импульсами временной интервал достаточно большим, измеряемая разность фаз переносится, в результате преобразования частоты сравниваемых сигналов с использованием напряжения общего гетеродина, на колебания низкой частоты.

Многошкальные фазовые пеленгаторы даже в неоптимальном исполнении позволяют получать очень высокую точность измерений при больших базах. Однако рассмотренные системы не обладают угловым разрешением и имеют сравнительно небольшую дальность действия, поскольку используют ненаправленные или слабонаправленные антенны, диаграммы направленности которых перекрывают зону обзора. Существует способ, позволяющий обеспечить разрешение по направлению и повысить дальность действия, а также значительно снизить неоднозначность измерений благодаря использованию в многошкальной фазовой системе поворотных остронаправленных антенн, диаграммы направленности которых непрерывно сопровождают цель. Для сопровождения обычно используется специальный следящий измеритель малой точности, который автоматически следит за целью по направлению, а антенны многошкальной системы повторяют его повороты с помощью сельсинно-следящей системы. Благодаря использованию направленных антенн обеспечивается пространственная селекция сигналов и повышается дальность действия. Кроме того, неоднозначность точного отсчета углов фазовым пеленгатором сохраняется только в пределах ширины диаграммы направленности вращающихся антенн . В фазовых многошкальных системах пеленгования оптимальность нарушается. Во-первых, вместо фазирования и суммирования всех сигналов раздельно измеряют разность фаз принимаемых по каждой базе сигналов, а затем результаты измерений объединяют для раскрытия неоднозначности. При таком способе измерения требование большого отношения сигнал/шум должно быть выполнено не для совокупного принимаемого сигнала, как при оптимальном приеме, а для частных сигналов по каждой базе. Чувствительность приемного устройства снижается. Во-вторых, отказываются от симметричной антенной системы, используя в качестве опорного сигнал общей для всех баз опорной антенны 0, при сохранении размеров баз (рис. 10.5). Антенная система упрощается, а несимметричность функции раскрыва при раздельном измерении по каждой базе существенной роли не играет.

Для измерения обеих угловых координат используют две многобазовые антенные системы, расположенные под прямым углом, у которых опорная антенна общая.

Фазовые пеленгаторы обычно выполняются в стационарном варианте, обладают низкой пропускной способностью, предъявляют жесткие требования к стабильности и идентичности фазовых характеристик разветвленного фидерного тракта, что усложняет их техническое обслуживание. Кроме того, наиболее приемлемыми для них являются сигналы непрерывного излучения. Ввиду этого многошкальные фазовые пеленгаторы применяются в основном в системах специального назначения, например при пеленговании космических объектов, где основным требованием является высокая точность измерений, реализуемая при очень больших базах.

Для поддержания высокой точности радиопеленгаторов с большими базами необходимы специальные меры по обеспечению идентичности фазовых характеристик в каналах элементов антенной системы (включение схем компенсации, периодические проверки и регулировки), а также контроль и стабилизация частоты сигнала. Смещение частоты сигнала относительно резонансной частоты узкополосных фильтров вызывает паразитные фазовые сдвиги. Кроме того, с изменением частоты колеблются относительные размеры базы. Абсолютные размеры базы также изменяются в процессе эксплуатации под влиянием климатических условий и деформаций грунта. Основания антенн обычно бетонируют, однако и при этом колебания размеров больших баз достигают нескольких единиц или десятков сантиметров, ввиду чего периодически повторяется топографическая привязка и юстировка антенн.

Многоканальные (моноимпульсные) системы пеленгования (ам­плитудные и фазовые) постепенно вытесняют одноканальные пелен­гаторы с последовательным сравнением сигналов ввиду их недостаточной точности и низкой помехозащищенности.. На моноимпульсные пеленгаторы не действует модулирующая помеха, так как любое изменение интенсивности входного сигнала в одинаковой степени проявляется во всех каналах и в принципе возможна идеальная нормировка, выполняемая с помощью мгновенной АРУ или глубокого ограничения. Моноимпульсные системы пеленгования не подвержены помехам, создаваемым из одной точки пространства. Однако эти системы отличаются сложностью аппаратуры и высокими требованиями к идентичности и стабильности характеристик всех каналов.

При частотном методе измерения дальности излучается непрерывный сигнал, частота которого изменяется по пилообразному закону. Если цель неподвижна (R=const) , то частота принимаемого сигнала изменяется по тому же закону, но с запаздыванием на t=2R/c.

Разность частот принимаемого и излучаемого сигналов Fб (частота биений) на линейных участках изменения частоты излучения и частоты принимаемого сигнала определяется равенством , − скорость изменения частоты излучаемого сигнала. Если цель неподвижна, то разность частот на линейных участках изменения частот излучаемого и принимаемого сигналов будет постоянной и одинаковой для обоих полупериодов модуляции. Однако, вследствие периодичности излучаемых и принимаемых колебаний, сигнал биений, выделяемый на выходе смесителя, также является периодическим с периодом повторения Основными достоинствами частотного метода измерения дальности являются высокая точность измерения и разрешающая способности по дальности, а также возможность измерения очень малых дальностей при малой пиковой мощности излучаемого сигнала по сравнению с мощностью, необходимой при импульсном методе.

К недостаткам частотного метода измерения дальности следует отнести сложность аппаратуры для измерения дальности многих объектов, трудность развязки приемного и передающего трактов, а также высокие требования к линейности изменения частоты излучаемых колебаний при измерении дальности многих объектов.

Отмеченные достоинства и недостатки частотного метода измерения дальности предопределили его использование в радиовысотомерах малых высот. При этом измеряется дальность до единственного объекта (поверхности суши или воды) и вместо частотного анализатора используется простой счетчик числа выбросов напряжения биений в единицу времени.