Результат интеллектуальной деятельности: ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ДЛЯ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ

Изобретение относится к навигации, в частности для измерения скорости подвижных объектов.

Известные устройства для измерения скорости (доплеровские измерители скорости), содержат антенну, генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель, усилитель, вычислитель и индикатор (авторское свидетельство SU №1341594, 1987 [1]) или генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, приемопередающую антенну, смеситель, усилитель доплеровского сигнала, измеритель частоты, формирователь строб-импульсов в моменты запирания доплеровского сигнала и фазовращатель (патент US №4527160, 1985 [2]).

В отличие от устройства [1] в устройство [2] для повышения точности введены формирователь строб-импульсов в моменты запирания доплеровского сигнала и фазовращатель. Данное устройство действительно повышает точность измерения за счет изменения фазы сигнала гетеродина в момент пропадания сигнала (в большинстве известных устройств используется схема запоминания предыдущего сигнала, т.е. они переходят в режим работы "память").

Однако в известных устройствах присутствует погрешность, обусловленная влиянием вибрации антенно-фидерных элементов.

Известны также измерители скорости (патенты GB №1494582, №1499371, №1499388, 2122834 [2-6]; патенты US №4231039, №4608568, №4527160, №4414348 [7-10]; патенты DE № OS 3322304, №2800074, №2802968 [11-13]; патенты ЕР №0124173, №0123870 [14, 15]; патенты JP №5842434, №5736552, №6027385 [16-18]; патенты FR №2384268, №2592959 [19, 20]; авторские свидетельства SU №1617393, №1517393, №271612 [21-23]), которые содержат одну или несколько антенн, генератор СВЧ колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель фазометр или блок определения знака, вычислитель или измеритель доплеровской частоты, индикаторы.

Основными недостатками известных устройств является наличие вибрационных шумов, обусловленных влиянием антенно-фидерного тракта, что увеличивает погрешность измерения скорости транспортных средств.

Известно также устройство (патент GB №148701, 05.10.77 [24]), которое состоит из n антенн (рупоров), СВЧ генератора, смесителей, детектора, измерителя доплеровской частоты, в котором обеспечивается частичное уменьшение помех, обусловленных влиянием антенно-фридерного тракта, путем использования в качестве генератора СВЧ-колебаний диода Ганна, являющегося одновременно гетеродином для смесителей.

Уменьшение влияния указанных помех предусмотрено также в известных технических решениях (патенты RU №2038614, 27.05.1995, №2080620 27.05.1997 [25, 26]).

Так, измеритель скорости [25] состоит из генератора СВЧ-колебаний, циркулятора, приемопередающей антенны, смесителя, усилителя, фазовращателя и измерителя доплеровской частоты, СВЧ-фильтра, блока автоматической подстройки зоны генерации и следящего частотно-цифрового преобразователя, два входа которого соединены с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, первый вход фазовращателя соединен с выходом смесителя, второй вход соединен с выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, а выход соединен с вторым входом измерителя доплеровской частоты, второй вход блока автоматической подстройки зоны регенерации соединен с выходом усилителя, а второй выход - с первым входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, выход которого соединен с входом сверхвысокочастотного фильтра, а второй вход - с выходом модулятора, выход сверхвысокочастотного фильтра соединен с другим плечом циркулятора, а сверхвысокочастотный фильтр выполнен в форме волновода сечением 13×6,5 мм и снабжен двумя индуктивными штыревыми решетками и подстроечным винтом посередине, что при нестабильном СВЧ-генераторе позволяет уменьшить температурную ошибку доплеровской частоты при одновременном изменении несущей частоты генератора.

Измеритель скорости [26] содержит антенну, смеситель, генератор сверхвысокочастотных колебаний, детектор, измеритель доплеровской частоты и фазометр, выход генератора сверхвысокочастотных колебании соединен с входом смесителя, соединенным входом-выходом с антенной, выход детектора соединен с одним входом измерителя доплеровской частоты, другой вход которого соединен с выходом фазометра, модулятор, демодулятор, широкополосный усилитель, усилитель промежуточной частоты и генератор, первый выход которого соединен с входом модулятора, второй выход соединен с третьим входом измерителя доплеровской частоты, выходы модулятора соединены соответственно с входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, входом детектора и входом демодулятора, два выхода которого соединены с входами фазометра, а другой вход соединен с выходом широкополосного усилителя, вход которого соединен с выходом смесителя, другой выход широкополосного усилителя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом детектора, что позволяет уменьшить вибрационную помеху антенного тракта.

Общим недостатком известных измерителей скорости является то, что при измерении доплеровской частоты, а соответственно, и определении скорости по изменению доплеровской частоты из алгоритмов обработки исключают вертикальную составляющую скорости, полагая, что вертикальная составляющая скорости V_z=0.

Кроме того, в известных измерителях скорости, основанных на доплеровском эффекте, определение скорости V₀ и ее составляющих V_x, V_y выполняют путем вычислений по зависимостям, не учитывающих текущих углов крена и дифферента, предполагая при этом отсутствие крена и дифферента судна, а также то, что движение судна происходит строго в горизонтальной плоскости (Судовые измерители скорости / Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В, - Л.: Судостроение, 1978, с.76).

Однако, как показывает опыт эксплуатации судов на подводных крыльях и воздушной подушке (Басков А.С., Самоненко С.С. и др. Перспективные типы судов. Труды ЦНИИМФ. Вып. 265. Л.: Транспорт, 1981), вертикальная составляющая скорости может достигать величины 2,94 м/с, что для принятой шкалы измерения, исходя из того, что 16.6 Гц = 1 уз, например для измерителя скорости типа РДЛ-1 (Радиодоплеровский лаг РДЛ-1 / Харитонов Ю.П., Перепелицын О.В., Чернявец В.В. и др. // Судостроение, №11, 1982, с.31-33) погрешность измерений может составлять 2,3 Гц/уз.

Кроме того, при измерении скорости относительно водной поверхности на показания данных измерителей скорости оказывает влияние движение поверхностного слоя воды (поверхностной пленки), обусловленное ветром и волнением, что вызывает дополнительную погрешность в определении скорости (Судовые измерители скорости / Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В. - Л.: Судостроение, 1978, с.98-99.).

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности определения скорости посредством измерителей скорости, основанных на облучении подстилающей поверхности электромагнитной энергией.

Поставленная задача решается за счет того, что в измеритель скорости, содержащий антенну, смеситель, генератор сверхвысокочастотных колебаний, детектор, измеритель доплеровской частоты и фазометр, выход генератора сверхвысокочастотных колебании соединен с входом смесителя, соединенным входом-выходом с антенной, выход детектора соединен с одним входом измерителя доплеровской частоты, другой вход которого соединен с выходом фазометра, модулятор, демодулятор, широкополосный усилитель, усилитель промежуточной частоты и генератор, первый выход которого соединен с входом модулятора, второй выход соединен с третьим входом измерителя доплеровской частоты, выходы модулятора соединены соответственно с входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, входом детектора и входом демодулятора, два выхода которого соединены с входами фазометра, а другой вход соединен с выходом широкополосного усилителя, вход которого соединен с выходом смесителя, другой выход широкополосного усилителя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом детектора, измеритель доплеровской частоты своими выходами соединен с вычислителем, который соединен с индикатором, дополнительно введен блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, соединенный двумя входами с выходом судового гидрометеорологического комплекса и ещё двумя выходами - с двумя входами измерителя доплеровской частоты, а своим входом-выходом с вычислителем, приемопередающая антенна снабжена датчиками угловых ускорений и линейной скорости, которые своими выходами соединены с входом вычислителя.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в измеритель скорости введен блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, соединенный своими входами с выходами судового гидрометеорологического комплекса, своими выходами соединенный с измерителем доплеровской частоты, а своим входом-выходом - с вычислителем, каждая приемопередающая антенна снабжена датчиками угловых ускорений и линейной скорости, которые своими выходами соединены с входом вычислителя, позволяют исключить погрешность измерения скорости за счет учета влияния подстилающей поверхности и вертикальной составляющей доплеровской частоты при определении скорости движения подвижных морских объектов.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1).

Фиг.1. Блок-схема измерителя скорости. Измеритель скорости содержит антенну 1, смеситель 2, генератор-СВЧ 3, модулятор 4, широкополосный усилитель 5, демодулятор 6, усилитель промежуточной частоты 7, детектор 8, фазометр 9, измеритель доплеровской частоты 10, генератор 11, вычислитель 12, индикатор 13, блок 14 определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, датчики 15 угловых ускорений и линейной скорости, судовой гидрометеорологический комплекс 16.

Фиг.2. Блок-схем блока определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра. Блок 14 определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, содержит блоки ввода скорости и направления течения 17, скорости и направления ветра 18, два преобразователя 19 и 20 скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя 21 и 22 импульсов прямоугольной формы, формирователь импульсов 23 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, две схемы 24 и 25 вычитания частот с выходными каскадами 26, 27, 28 и 29, делитель 30, судовой гидрометеорологический комплекс 16.

Устройства 1-10 аналогичны устройствам и принципу работы устройств 1-10 прототипа. Антенна 1 представляет собой однолучевую решетку, формирующую луч перпендикулярно раскрыву и имеющую ширину диаграммы направленности 4,5-5,0 (Колчинский В.Е. Константиновский М.И., Мандуровский И.А. Доплеровские устройства и системы навигации. М.: Сов. радио, 1975, с.157-164).

Смеситель 2 представляет собой диодный смеситель с преселектором на входе и предназначен для смешивания принятого антенной 1 сигнала с частью излучаемого сигнала и подавления помех, создаваемых другими радиоизлучающими устройствами. Генератор-СВЧ 3 представляет собой автодин, аналогом которого является устройство (Хатунцев Ю.Л., Тамарчак Д.Я. Синхронные генераторы и автодины на полупроводниках М.: Радио и связь, 1982, с.160-179).

Модулятор 4 состоит из задающего кварцованного генератора прямоугольных импульсов частотой следования 100 или 74 кГц и непосредственно модулятора, который выдает на модуляционный вход СВЧ-генератора 3 сумму прямоугольного и постоянного напряжений.

Широкополосный усилитель 5 (фиг.2) (Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974, с.58).

Демодулятор 6 выполнен на микросхеме типа 564 КП2.

Усилитель промежуточной частоты 7 представляет собой полосовой усилитель, на котором выделяется первая гармоника сигнала, которая после усиления поступает на блок 8.

Детектор 8 выполнен на микросхеме типа 564 КТЗ, на первый вход которого поступает сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты 7, а на второй вход (управляющий вход) управляющие прямоугольные напряжения.

Фазометр 9 состоит из предварительного усилителя, демодулятора, двух фильтров низких частот, двух усилителей-ограничителей, элемента задержки, схемы И и триггера. В демодуляторе 6 с помощью опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узкополостных низкочастотных, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации и усиления в усилителях-ограничителях эти сигналы (один из которых через элемент задержки и схему И) подаются на триггер, при этом если один сигнал опережает второй (опорный) на величину фазы в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается лог "1", а если отстает по фазе от опорного сигнала в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается лог "0".

Измеритель доплеровской частоты 10 состоит из двух фильтров низкой частоты, двух усилителей-ограничителей, усилителя низкой частоты, интегратора и тактового генератора.

Антенна 1 предназначена для передачи и приема СВЧ радиоволн, поступающих с модулятора 4 через генератор сверхвысокочастотных колебаний 3 и смеситель 2. Излученный антенный сигнал отражается от подстилающей поверхности и после приема этой же антенной через смеситель 2 направляется на широкополосный усилитель 5. Принятый сигнал фильтруется и усиливается усилителем промежуточной частоты 7. Частота его настройки равна частоте модуляции, полоса - удвоенной полосе доплеровского спектра при максимальной скорости.

Сигнал в выхода усилителя промежуточной частоты 7 поступает на детектор 8, конструкция и электрическая схема которого аналогичны описанным в аналогах и прототипе. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Доплера.

В устройстве используется режим частотной манипуляции, основными преимуществами которого при соответствующем построении приемного тракта является значительное ужесточение влияния различных помех (низкочастотного шума смесителя, виброшумов, антенно-волноводного тракта, пульсаций источника питания) и простота осуществления модуляции.

Для реализации частотной манипуляции служит модулятор 4, состоящий из задающего кварцевого генератора и двух формирователей прямоугольных импульсов частотой следования 75 и 100 кГц, который выдает на вход блока 6 сумму прямоугольного и постоянного с выхода дискриминатора блока 10 напряжений.

Ввод новых элементов выгодно отличает изобретение от аналогов и прототипа. Как известно, доплеровские системы непрерывного излучения с частотной модуляцией обладают по сравнению с обычными системами непрерывного излучения более высокой степенью разделения передающего и приемного трактов и возможностью дискриминации отраженных сигналов от близкорасположенных объектов. Это объясняется тем, что при относительном нулевом сдвиге частоты сигнала гетеродина и принимаемого сигналы, амплитуды боковых полос сигнала на выходе смесителя 2 уменьшаются при уменьшении пути принятого сигнала, что объясняется перераспределением мощности в пределах полосы частот этого сигнала. Для частотно-манипулированного сигнала, как частотного случая частотно-модулированного, это уменьшение будет эффективным лишь при равенстве мощностей попеременно излучаемых частот, ибо в противном случае становится амплитудно-частотно-манипулированным, что соответствует добавлению импульсного СВЧ-излучения к частотно-манипулированному; при этом при отражении от близкорасположенных объектов на выходе смесителя 2 появляется напряжение частоты Доплера, величина которого, как и для случая обыкновенного непрерывного излучения, не зависит от электрической пути сигнала.

Для выравнивания излучаемых частот, а значит и подавления паразитных сигналов, в цепь СВЧ тракта включен элемент с "колоколообразной" амплитудной частотной характеристикой, например генератор СВЧ 3, представляющий собой авто дин, а выравнивание мощностей производится следящей системой, образованной генератором СВЧ 3, усилителем промежуточной частоты 7 и дискриминатором блока 10 напряжений. Усиление же сигнала производится на частоте манипуляции, где существует упомянутая зависимость величины сигнала от длины его пути. В отличие от известных устройств на выходе детектора 8 в общем случае присутствуют две составляющие: напряжение частоты Доплера и постоянное напряжение, пропорциональное величине амплитудной модуляции.

Измерение направления движения основано на применении частотной модуляции излучаемого сигнала по прямоугольному закону частотной манипуляции.

Применение частотной модуляции позволяет существенно уменьшать влияние вибрационных помех на работу измерителя параметра движения, ввиду того что для сигналов вибрационной помехи, обусловленных паразитными отражателями от антенно-волноводного тракта, расстояние до подстилающей поверхности ничтожно мало и сигнал вибрационной помехи существенно подавляется.

При измерении скорости судов на воздушной подушке посредством измерителей скорости, основанных на облучении подстилающей поверхности электромагнитной энергией, принята 4-х лучевая Х-образная схема ориентации лучей в горизонтальной плоскости путем разнесения антенны по двум бортам судна. При этом каждая антенна формирует по два луча - передний и задний. При обработке доплеровских частот, полученных по каждому из 4-х лучей и последующего вычисления горизонтальных (V_x) и вертикальных (V_y) составляющих скорости используют доплеровские частоты накрест лежащих лучей:

где γ_o - угол отклонения луча антенны от вертикали, β₁, β₂ - угол между осью Х (продольное направление скорости движения в горизонтальной плоскости) и проекцией направления главного излучения на отражающую горизонтальную плоскость соответственно для переднего и заднего лучей, при этом полагая, что при такой ориентации лучей влияние углов качки на показания скорости практически не влияют. Однако, как показывает опыт эксплуатации данных измерителей скорости, ориентация приемоизлучающих лучей при наличии как бортовой, так и килевой качки изменяется. При этом происходит изменение ориентации лучей в основном в вертикальной плоскости, т.е. при этом изменяется угол γ падения электромагнитной энергии в направлении максимального излучения. Изменение скорости, вызванное изменением угла γ при качке, например, от 5 до 10 градусов может составлять 4-18,6% от показаний измеренной скорости.

Для исключения данного недостатка в измерителе скорости каждая приемопередающая антенна снабжена датчиками угловых ускорений и линейной скорости, которые своими выходами соединены с входом вычислителя. В вычислителе по измеренным величинам датчиками угловых ускорений и линейной скорости рассчитываются углы дифферента Өк и углы крена ψк. По измеренным доплеровским частотам по каждому лучу (F_д1-F_д4) в измерителе доплеровской частоты 10, в вычислителе 12 рассчитывают составляющие скорости в географической системе координат:

где V_x, V_y, V_z - составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости соответственно в антенной системе координат;

Ө_к - угол дифферента (за положительное направление принято отклонение носовой части судна вверх);

ψ_к - угол крена (положительное направление - наклон вправо).

В измеритель скорости введен блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, соединенный своими входами с выходами судового гидрометеорологического комплекса, своими выходами соединенный с измерителем доплеровской частоты, а своим входом-выходом - с вычислителем.

Блок 14 определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения (фиг.2) содержит блоки ввода скорости и направления течения 17, скорости и направления ветра 18, два преобразователя 19 и 20 скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя 21 и 22 импульсов прямоугольной формы, формирователя импульсов 23 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, делитель частоты 30, две схемы 24 и 25 вычитания частот с выходными каскадами 26, 27, 28 и 29.

Входными параметрами блока 13 являются скорость и направление течения, скорость и направление ветра, которые могут быть установлены вручную, посредством соответствующих тумблеров, установленных на панели блока 13 или поступать автоматически от судового гидрометеорологического комплекса, например типа «Косметео - К».

Блоки ввода скорости и направления течения 17, скорости и направления ветра 18 собраны на ЛВТ2,5 ВТ, СКВТ2,5 ВТ и масштабных трансформаторах и вырабатывают величины коэффициентов трансформации, которые изменяются пропорционально вводимым величинам скорости и направления ветра и скорости и направления течения и которые преобразуются из системы географических координат в сигналы в системе координат судна и в виде входного напряжения поступают на преобразователи 19 и 20.

Преобразователи 19 и 20 скорости вращения в частоту импульсов состоят из двигателя-генератора типа АДТ25 В, усилителя двух лампочек и двух фотодиодов. Напряжение с двигателя-генератора сравнивается с входным напряжением и на усилитель поступает разностное напряжение. Сигнал с выхода усилителя поступает на управление двигателем-генератором и изменяет скорость вращения таким образом, чтобы напряжение рассогласования было равно нулю. На валу исполнительного двигателя каждого преобразователя 19 и 20 установлены диски с прорезями. Таким образом, скорость вращения диска пропорциональна вводимым величинам для компенсации ошибок, вызванных воздействием ветра и течения.

Через прорези в дисках свет от лампочек попадает на светодиоды, с выходов которых снимаются импульсы, частоты которых пропорциональны скорости вращения дисков и которые поступают на формирователи 21 и 22 импульсов прямоугольной формы, состоящих из транзистора, триггера Шмита и мультивибратора.

Импульсы со светодиодов усиливаются на транзисторах и запускают триггеры Шмита, которые в свою очередь запускают мультивибраторы, с выхода которых снимаются прямоугольные импульсы отрицательной полярности длительностью около 2 мкс, равные по частоте входным импульсам и пропорциональные вводимым величинам сигналов (поправки ΔV_x и ΔV_y) о скорости и направления ветра и скорости и направления течения.

Для определения знака поправок в блоках 17 и 18 последовательно с выходными обмотками СКВТ включены масштабные трансформаторы таким образом, чтобы при нулевых значениях вводимых величин сигналов значения, снимаемые с фотодиодов, были равны 100 Гц. С СКВТ напряжение 5 В частоты 400 Гц поступает на формирователь импульсов 23 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, делитель частоты 30. Сравнение входных частот и опорной частоты 100 Гц происходит на схемах 24 и 25 вычитания частот. При этом если значение входной частоты больше значения опорной частоты, то разностная частота поступает в канал «+ΔV_x» («+ΔV_y») и наоборот.

При частоте входных сигналов, большей частоты опорных сигналов, на выходе выходного каскада 26 схемы 24 вычитания частот выделяется разностная частота «ΔF_x», а на на выходе выходного каскада 27 импульсы будут отсутствовать. При изменении фазы поправки по «ΔV_x» на противоположную частота импульсов на фотодиоде преобразователя 17 скорости вращения в частоту импульсов будет меньше опорной частоты (F_оп=100 Гц), на выходе выходного каскада 26 импульсы будут отсутствовать, а на выходе выходного каскада 27 частота импульсов будет равна разности между опорной и входной частотой. Аналогично работает и схема канала выработки частот поправки по «ΔV_y», состоящая из схемы 25 вычитания частот и выходных каскадов 28 и 29.

Выработанные частотные поправки, обусловленные влиянием водной подстилающей поверхности, поступают на вычислитель 12, где вычисляются значения продольной и вертикальной составляющих скорости, путевой скорости и угла дрейфа.

Технический эффект заключается в уменьшении погрешности, обусловленной влиянием перемещения поверхностной пленки в зависимости от скорости и направления ветра и течения.

Ввод новых элементов и соответствующие электрические связи выгодно отличают предлагаемое устройство от аналогов и прототипа, так как предлагаемое устройство позволяет не только подавить вибрационную помеху, но и исключить влияние перемещений судна и влияние поверхностного ветрового течения на измеряемые параметры.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство SU №1341594, 1987.

2. Патент US №4527160, 1985.

3. Патент GB №1494582.

4. Патент GB №1499371.

5. Патент GB №1499388.

6. Патент GB №2122834.

7. Патент US №4231039.

8. Патент US №4608568.

9. Патент US №4527160.

10. Патент US №4414348.

11. Патент DE № OS 3322304.

12. Патент DE №2800074.

13. Патент DE №2802968.

14. Патент ЕР №0124173.

15. Патент ЕР №0123870.

16. Патент JP №5842434.

17. Патент JP №5736552.

18. Патент JP №6027385.

19. Патент FR №2384268.

20. Патент FR №2592959.

21. Авторское свидетельство SU №1617393.

22. Авторское свидетельство SU №1517393.

23. Авторское свидетельство SU №271612.

24. Патент GB №148701, 05.10.1977.

25. Патент RU №2038614, 27.05.1995.

26. Патент RU №2080620, 27.05.1997.