The modulation method for determining the bearing of a movable object with use of orthogonal polarized signals of the ra.pdf Введение Для определения пеленга подвижного объекта (ПО) в современных угломерных радиомаячных системах (РМС) используются амплитудные, фазовые, частотные или временные характеристики принимаемых на борту ПО сигналов радиомаяка, т.е. используются некоторые скалярные величины сигналов [1]. Векторная же природа сигналов или их поляризационные характеристики как «носители» угловой информации в практической навигации не используются [2, 3]. В работах [4, 5] рассматривались поляризационные методы измерения пеленга ПО по ортогонально-поляризованным сигналам радиомаяка, излучаемым одновременно из двух пространственно разнесенных точек. Однако их техническая реализация требует использования двухканального бортового оборудования, что сдерживает их практическое применение. Поэтому в работах [6-8] были исследованы поляризационно-модуляционные методы определения пеленга ПО. Эти методы предполагают использование в одноканальном приемном тракте поляризационного модулятора, выполненного в виде вращающейся полуволновой фазовой пластины. Суть этих методов заключается в том, что радиомаяк из двух точек, пространственно разнесенных в горизонтальной плоскости на расстоянии d, одновременно излучает ортогонально линейно поляризованные [6] или поляризованные по левому и правому кругу [7], или ортогонально эллиптически поляризованные сигналы [8] с равными амплитудами, длинами волн и известными начальными фазами. Пеленг определяется как угол между нормалью к середине базы d, соединяющей точки излучений, и направлением на ПО по формуле [4-8] , (1) где ; - высокочастотная разность фаз между ортогонально-поляризованными сигналами в точке приема на ПО. На борту ПО результирующие векторные сигналы принимаются бортовой антенной, в приемный тракт которой установлен поляризационный модулятор. Модулятор выполнен в виде вращающейся с частотой полуволновой фазовой пластины. Установлено, что для определения пеленга ПО высокочастотную разность фаз , входящую в (1), можно косвенным способом оценить на выходе одноканального приемника по амплитуде четвертой гармоники частоты вращения полуволновой фазовой пластины [6] или по фазе этой гармоники [7, 8]. Использование векторных свойств излучаемых радиомаяком сигналов, поляризованных определенным образом, требует их рассмотрения с точки зрения правильного выбора типа поляризационного модулятора, который осуществляет поляризационно-модуляционную обработку принятых сигналов в определенных поляризационных базисах. В настоящей работе исследуется модуляционный метод определения пеленга ПО, в котором радиомаяк излучает ортогонально-поляризованные по кругу сигналы, а поляризационный модулятор выполнен в виде вращающейся с частотой четвертьволновой фазовой пластины. Модуляционный метод определения пеленга ПО Предположим, что радиомаяк из двух точек, пространственно разнесенных в горизонтальной плоскости, одновременно излучает ортогонально-поляризованные по левому и правому кругу сигналы с равными амплитудами, длинами волн и известными начальными фазами. Используем представление плоской однородной электромагнитной волны вектором Джонса [9]. Тогда излучаемые электромагнитные волны на нулевом направлении, совпадающем с нормалью к середине базы , могут быть представлены в векторной форме в линейном поляризационном базисе (без учета временной зависимости) в виде [9] , . (2) Предположим, что расстояние от радиомаяка до ПО велико и фазовый фронт волны в районе ПО можно считать плоским. Тогда на направлении векторы Джонса излучаемых волн имеют вид , , (3) где - фазовый сдвиг ортогонально-поляризованных по кругу волн в точке приема на ПО. Вектор Джонса результирующей волны в точке приема на ПО с учетом (3) может быть представлен в виде . (4) Наличие множителя в выражении (4) обусловлено принятой для удобства единичной интенсивностью волны. Предполагая, что фазовый сдвиг между волнами круговой поляризации равен , то результирующий вектор Джонса в линейном поляризационном базисе, разделив для удобства фазовый сдвиг пополам между суммируемыми волнами, запишем в виде [5, 7] . (5) Из анализа (5) следует, что суперпозиция ортогонально-поляризованных по левому и правому кругу волн с одинаковой амплитудой (2), но с разным фазовым сдвигом (3) приводит в общем случае к линейно поляризованной результирующей волне с азимутом, равным половине сдвига фаз между абсолютными фазами слагаемых волн. Для описания взаимодействия результирующей волны (5) с элементами приемного тракта бортовой антенны с поляризационным модулятором в виде вращающейся четвертьволновой фазовой пластиной воспользуемся оператором Джонса [10]. Тогда вектор Джонса сигнала на выходе линейного поляризатора можно записать в линейном поляризационном базисе как результат преобразования: . (6) где - оператор Джонса поляризационного модулятора в виде вращающейся с частотой четвертьволновой фазовой пластины, записанный в линейном поляризационном базисе [10]; - угол ориентации четвертьволновой фазовой пластины; - оператор Джонса линейного поляризатора (переход с круглого волновода на прямоугольный) с горизонтальной собственной поляризацией; С - постоянная, учитывающая потенциал радиомаяка и расстояние от него до ПО. Проделав в (6) необходимые матричные преобразования, получим вектор Джонса выходной волны линейного поляризатора в виде . (7) Тогда сигнал на входе приемника, как функция угла четвертьволновой фазовой пластины, с учетом (7) после преобразований можно записать в виде . (8) Амплитуда сигнала на выходе приемника, имеющего логарифмическую амплитудную характеристику и линейный детектор, будет иметь вид . (9) После преобразований (9) получим . (10) Подставляя в (10) и учитывая, что уровень сигнала при наличии логарифмического приемника обычно измеряют в децибелах, получим амплитуду сигнала на его выходе в виде . (11) Из анализа (11) следует, что амплитуда сигнала на выходе логарифмического приемника промодулирована учетверенной частотой вращения четвертьволновой фазовой пластиной. Поэтому с физической точки зрения в спектре огибающей выходного сигнала приемника будет присутствовать только спектральная составляющая на частоте . Причем ее амплитуда постоянна и не зависит от углового положения фазовой пластины, а ее фаза зависит только от искомой разности фаз и в соответствии с (11) связана с ней соотношением , (12) что совпадает с результатами исследований, полученных в [7, 8] при использовании поляризационного модулятора в виде вращающейся полуволновой фазовой пластины. При этом необходимо отметить, что фаза отсчитывается от фазы опорного сигнала, определяемой угловым положением четвертьволновой фазовой пластины. Энергетические параметры определяют постоянную составляющую выходного сигнала приемника. Необходимо также отметить, что слагаемое в выражении (11) является четной функцией относительно нулевого направления . Чтобы определить знак отклонения ПО от этого направления, необходимо излучать в этом направлении ортогонально-поляризованные по кругу волны с равными амплитудами, длинами волн, но с начальной разностью фаз равной или . Тогда, подставляя в (11), например, начальную разность фаз , выражение (11) преобразуется к виду . (13) Применив преобразование Фурье к выражению (13), амплитуда спектральной составляющей на частоте может быть найдена как . (14) При этом достигает своего максимального значения при . Следует отметить, если , то амплитуду необходимо определять по найденным значениям амплитуд косинусной и синусной квадратурных составляющих на частоте с помощью соотношения , (15) где ; (16) . (17) Из (12) следует, что эта зависимость линейная и ее наклон или крутизна будет определяться базой . Таким образом, пеленг ПО с учетом (1) и (12) может быть найден так: . (18) Так как однозначно измеряется в пределах от до , т.е. диапазон однозначного измерения составляет , сектор однозначного измерения угла будет определяться как . (19) Следует отметить, что фаза с учетом (13) отсчитывается относительно фазы опорного сигнала, определяемой угловым положением четвертьволновой фазовой пластины. Заключение По результатам исследований можно сформулировать следующие выводы: 1. Установлена математическая форма соотношений, связывающих пеленг ПО с параметрами спектральных составляющих выходного сигнала приемника для поляризационного модулятора, выполненного в виде вращающейся четвертьволновой фазовой пластины. 2. При излучении радиомаяком ортогонально-поляризованных по левому и правому кругу сигналов независимо от типа поляризационного модулятора, выполненного либо в виде вращающейся с частотой четвертьволновой фазовой пластины, либо в виде вращающейся полуволновой фазовой пластины, в спектре огибающей принятого сигнала присутствует только информативная спектральная составляющая на частоте , фаза которой содержит информацию о пеленге ПО. 3. Зависимость фазы спектральной составляющей на частоте от разности фаз по сути является пеленгационной характеристикой угломерной поляризационно-модуляционной РМС. 4. При использовании поляризационного модулятора в виде вращающейся четвертьволновой фазовой пластины искомую разность фаз , как следует из (13), можно оценить не только по фазе спектральной составляющей на частоте , но и по уровню составляющей сигнала в области нулевых частот. 5. Крутизна пеленгационной характеристики и, следовательно, потенциальная точность определения пеленга ПО определяются пространственным разносом точек излучений, а не направленными свойствами бортовой приемной антенной. 6. В случае, если источники излучений ортогонально-поляризованных по кругу волн будут расположены в вертикальной плоскости, то пеленг ПО будет определяться соответственно в этой плоскости. 7. Предложенный метод определения пеленга ПО отличается простотой технической реализации, так как бортовое приемное оборудование является одноканальным и может использоваться при радиолокационной проводке судов в акватории порта или в системах посадки летательных аппаратов.

Скачать электронную версию публикации