ES2926498T3 - Sistema radioeléctrico con redes de múltiples antenas y formas de onda adaptativas - Google Patents
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Abstract
- El sistema radioeléctrico (10) comprende un generador de forma de onda (1) que genera, alternativamente, una onda FMCW que representa una onda continua modulada linealmente en frecuencia para la imagen de radar y una onda CW que representa una onda continua a una frecuencia determinada para la medición de un vector de velocidad, una cadena de amplificación (2), un juego (4) de antenas transmisoras (41, 42, 43), un juego (5) de antenas receptoras (51, 52, 531, 532), un juego (7) de receptores (71 -2, 731, 732), y un procesador de señal (9) que implementa el procesamiento de señales FMCW recibidas desde la(s) antena(s) lateral(es) (51, 52) del conjunto (5) de antenas de recepción (51, 52, 531, 532) y un análisis espectral de las señales CW recibidas de la(s) antena(s) lateral(es) (51, 52) y de la(s) antena(s) de vientre (531, 532) del conjunto (5) de antenas receptoras (51, 52, 531, 532) para proporcionar imágenes SAR y componentes del vector velocidad de dicho vehículo volador (20). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema radioeléctrico con redes de múltiples antenas y formas de onda adaptativas
SECTOR TÉCNICO
La presente invención se refiere a un sistema radioeléctrico con redes de múltiples antenas y formas de onda adaptativas, integrado en un vehículo volador.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los vehículos (u objetos) de tamaño reducido destinados a volar largas distancias (varias decenas de kilómetros, o incluso más) deben poder disponer de una navegación autónoma. En efecto, la navegación por satélite, del tipo de GNSS (“Global Navigation Satellite System” en inglés), puede ser interferida (“GNSS-denied” en inglés) y, paralelamente, el transporte de una unidad de medición inercial suficientemente precisa (de algunos metros) resulta incompatible por razones de peso, volumen y coste.
La navegación autónoma, en cualquier situación climática y en cualquier tipo de terreno, requiere, por consiguiente, un sistema independiente, que no puede ser óptico o infrarrojo debido a la escasa visibilidad en cualquier situación climática a distancias de varios kilómetros.
Una solución radioeléctrica que aprovecha la reflectividad del terreno sigue siendo la única solución que puede ser suficientemente precisa, ligera y permanente. El documento de Patente FR2879753 da a conocer un misil equipado con un dispositivo autodirector que comprende una antena de radar de apertura sintética que presenta una dirección principal de detección.
La navegación por radar de apertura sintética de tipo SAR (“Synthetic Aperture Radar” en inglés) parece adecuada: el reposicionamiento de la navegación se realiza identificando las características del terreno que sirve de referencia (carreteras, cursos de agua, edificios, ...). Sin embargo, los puntos de referencia pueden ser escasos o incluso estar ausentes en la totalidad o en una parte de la trayectoria de vuelo. Este es el caso, especialmente, sobre el mar, el desierto o un gran bosque.
Además, en tales vehículos voladores pequeños, la velocidad es poco conocida. Sin embargo, el conocimiento de la velocidad es fundamental para la construcción de la imagen del SAR. En efecto, el filtrado adaptado que realiza la resolución azimutal corresponde a una demodulación de una onda modulada linealmente en frecuencia f en el tiempo t utilizando la fórmula F1 siguiente: f = -2V2t / AR, bien conocida por el experto en la materia, en la que V es el módulo de la velocidad (es decir, el módulo del vector de velocidad), A es la longitud de onda y R es la distancia de observación.
Asimismo, la obtención de una resolución de algunos metros requiere un conocimiento de la velocidad del orden del 1 %. Los radares SAR habituales, destinados al análisis del terreno, disponen de un módulo de la velocidad mediante la unidad de medición inercial del portador o mediante su navegación por satélite (y, a menudo, mediante una hibridación de los dos medios). Cuando este módulo de la velocidad no es lo suficientemente preciso, la imagen se desenfoca. Se puede implementar un proceso de enfoque: se aplican varios filtros adecuados, y se mantiene el que presenta el mejor contraste sobre la imagen del terreno. En el presente caso, la imprecisión inicial es tal que este proceso puede resultar muy engorroso pero, sobre todo, puede no funcionar si el contraste es demasiado bajo (caso de un terreno uniforme).
De ello se deduce que, para remediar, por un lado, la posible escasez de los puntos de referencia y, por otro lado, la demanda de precisión de velocidad necesaria para obtener buenas imágenes, es necesario medir el vector de velocidad junto con las imágenes del SAR.
Si bien la teoría y los desarrollos de un radar SAR son bien conocidos y están descritos en la bibliografía especializada, la medición del vector de velocidad no es objeto de equipos en el mercado.
Por lo tanto, la situación actual no es completamente satisfactoria.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema radioeléctrico integrado en un vehículo volador, cuyo objetivo es remediar este inconveniente.
Según la invención, dicho sistema radioeléctrico comprende, como mínimo, los siguientes elementos:
- un generador de forma de onda, que genera, alternativamente, una onda FMCW (siendo “FMCW” “Onda continua modulada en frecuencia”, “Frequency Modulated Continuous Wave”, en inglés), que representa una onda
continua modulada linealmente en frecuencia para imágenes de radar, y una onda CW (siendo “CW” “Onda continua”, “Continuous Wave”, en inglés) que representa una onda continua a una frecuencia determinada para la medición de un vector de velocidad;
- una cadena de amplificación conmutada hacia un conjunto de antenas de transmisión;
- el conjunto de antenas de transmisión, que comprende, como mínimo, una antena lateral y una antena ventral; - un conjunto de antenas de recepción, que comprende, como mínimo, una antena lateral y una antena ventral; - un conjunto de receptores, vinculados al conjunto de antenas de recepción; y
- un procesador de señal (o unidad central de procesamiento), que implementa los procesamientos de las señales de FMCW recibidas de la una o varias antenas laterales del conjunto de antenas de recepción y un análisis espectral de señales de CW recibidas de la una o varias antenas laterales y de la una o varias antenas ventrales del conjunto de antenas de recepción, de modo que se proporcionen imágenes de SAR y las componentes del vector de velocidad de dicho vehículo volador.
Ventajosamente, dicho sistema radioeléctrico está configurado para realizar, a partir de puntos destacados de las imágenes de SAR asociadas a una predicción de posición obtenida a partir del vector de velocidad, un reposicionamiento del vehículo volador con respecto al terreno.
Dicho sistema radioeléctrico es, por lo tanto, un sistema de tipo radar, integrado en un objeto volador (o portador), y que utiliza la retrodispersión del terreno para extraer la medida del vector de velocidad, así como imágenes del terreno. Este sistema está destinado, en especial, a la navegación de objetos voladores, permitiéndoles localizar su posición con respecto al terreno de manera autónoma, es decir, liberándose de la navegación por satélite de GNSS o por unidad de medición inercial.
Ventajosamente:
- el conjunto de antenas de transmisión comprende dos antenas laterales, orientadas, aproximadamente, a /-30° con respecto a la vertical del vehículo volador, y el conjunto de antenas de recepción comprende dos antenas laterales, orientadas, aproximadamente, a /-30° con respecto a la vertical del vehículo volador; y/o
- el conjunto de antenas de recepción comprende una doble antena ventral, dispuesta verticalmente con respecto al vehículo volador.
En una realización preferente, el conjunto de antenas de transmisión y el conjunto de antenas de recepción son redes de antenas de parche que se adaptan a la forma del vehículo volador. Además, ventajosamente:
- las redes de antenas de transmisión y de recepción están desacopladas, y se asocian mediante conmutación a las formas de onda FMCW para realizar la formación de imágenes de SAR, y a la forma de onda CW para medir el efecto Doppler según los ejes de las antenas;
- la red de antena ventral de recepción se divide en dos subredes, que forman dos lóbulos de modo que se construyan vías 1 y A cuyo procesamiento proporciona la incidencia del vehículo volador; y
- las redes de parches presentan un diagrama de niveles bajos de lóbulos secundarios, para resistir las interferencias en direcciones de amenaza.
Por otra parte, ventajosamente, dicho sistema radioeléctrico está configurado para funcionar en secuencia según la naturaleza del terreno.
Además, ventajosamente, dicho sistema radioeléctrico está configurado para funcionar, como mínimo, en una parte del intervalo de hiperfrecuencias, SHF (Special High Frequency, en inglés) y, preferentemente, en las bandas C, X y Ku.
Por otra parte, ventajosamente, los módulos de hiperfrecuencia de transmisión y de recepción están fabricados utilizando componentes monolíticos o circuitos integrados monolíticos de hiperfrecuencia, MMIC, de arseniuro de galio (AsGa) o de nitruro de galio (GaN).
Además, ventajosamente, los algoritmos de procesamiento del procesador de señal se implementan sobre un circuito lógico programable, de tipo FPGA (“Field Programmable Gate Array”, en inglés).
Por otra parte, ventajosamente, dicho sistema radioeléctrico comprende:
- un generador de relojes, configurado para sincronizar, como mínimo, las formas de onda, la digitalización y el procesamiento de las señales del procesador de señal; y/o
- un microcontrolador, configurado para realizar, como mínimo, algunas de las funciones siguientes: como mínimo, una configuración, como mínimo, un control y, como mínimo, una supervisión de elementos de dicho sistema.
En consecuencia, el sistema radioeléctrico, descrito anteriormente, es un sistema integrado, que aprovecha la retrodispersión del terreno, siendo medida esta última en varias direcciones gracias a unas redes de antenas y por
medio de varias formas de onda que permiten medir conjuntamente el vector de velocidad del vehículo volador, además de construir una imagen del terreno.
Este sistema radioeléctrico puede proporcionar, gracias a sus redes de antenas y a sus formas de onda, imágenes de SAR a derechas o izquierdas, y las componentes del vector de velocidad del vehículo volador a partir de las cuales los puntos destacados de las imágenes asociadas con la predicción de posición obtenida por el vector de velocidad permiten reposicionar el vehículo volador con respecto al terreno.
Este sistema radioeléctrico da a conocer, por lo tanto, una solución que permite actualizar la navegación en cualquier situación climática, cualquiera que sea la naturaleza del terreno.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Otras características y ventajas del sistema según la invención resultarán más evidentes con la lectura de la descripción siguiente de un ejemplo de realización adjunto, proporcionado a título ilustrativo y en absoluto limitativo, a partir de las figuras siguientes.
La figura 1 es un diagrama sinóptico de una realización concreta de un sistema radioeléctrico.
La figura 2 es un diagrama sinóptico de un generador de forma de onda del sistema radioeléctrico.
La figura 3 es un ejemplo de secuenciación de formas de onda.
La figura 4 muestra un ejemplo de disposición de antenas de transmisión en un portador.
La figura 5 muestra un ejemplo de realización de antenas de transmisión en forma de redes de parches. La figura 6 muestra un ejemplo de disposición de antenas de recepción en un portador.
La figura 7 muestra un ejemplo de realización de antenas de recepción en forma de redes de parches. Las figuras 8A, 8B y 8C son diferentes vistas que permiten mostrar un ejemplo de disposición de antenas de transmisión en un portador.
Las figuras 9A y 9B son diferentes vistas que permiten mostrar un ejemplo de disposición de antenas de recepción en un portador.
La figura 10 muestra aperturas en elevación y en acimut, de una red de n x m parches.
La figura 11 es una vista frontal de lóbulos de antenas ventrales.
La figura 12 es una vista lateral de los lóbulos de antenas ventrales.
La figura 13 es una representación esquemática que muestra la velocidad relativa y la frecuencia Doppler sobre uno de los lóbulos de antena.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La siguiente descripción, proporcionada a título ilustrativo y en modo alguno limitativo, se refiere a un sistema radioeléctrico (en adelante "sistema 10") integrado en un vehículo (u objeto) volador, por ejemplo de tamaño reducido, denominado posteriormente “portador 20”. Dicho sistema 10 puede corresponder a un sistema radioeléctrico de navegación autónomo o a un radar de navegación de velocidad e imágenes (NAVSAR).
El principio del sistema 10 está basado, principalmente, en el diseño de redes de antenas cuyos haces se adaptan, por un lado, a la cobertura del terreno para el que se van a realizar las imágenes y, por otro lado, a la medición del efecto Doppler en diversas direcciones, para extraer las componentes del vector de velocidad. Conjuntamente, las formas de onda aplicadas a los haces de las antenas son, por un lado, una onda FMCW, es decir, una onda continua modulada linealmente en frecuencia (siendo “FMCW” “Frequency Modulated Continuous Wave” en inglés), para formar una imagen del terreno según el conocido principio de un radar SAR (radar de antena sintética) y, por otro lado, una onda CW, es decir, una onda continua (siendo “CW”, “Continuous Wave” en inglés) de amplitud y frecuencia constantes, utilizada para medir el efecto Doppler de la velocidad relativa del portador 20 en las direcciones de los haces de las antenas. A partir de esta información, un especialista en navegación puede localizar la posición del portador con respecto al terreno.
Tal como se representa en la figura 1, el sistema 10 comprende un generador de formas de onda 1 (o sintetizador), una cadena de amplificación 2, una conmutador 3 (o “switch” en inglés), una red 4 de antenas de transmisión, una
red 5 de antenas de recepción, un conmutador 6 (o “switch”, en inglés), un conjunto de receptores 7, un convertidor múltiple de analógico a digital 8 (CAN) y un procesador de señal 9.
El generador de forma de onda 1 (o sintetizador) suministra, alternativamente, una onda FMCW y una onda CW a la frecuencia deseada.
La elección de esta frecuencia debe ser realizada entre los intervalos C, X, Ku, sobre la base de los siguientes datos:
- la tabla de frecuencias del regulador nacional;
- el espacio disponible en el portador;
- el alcance y la precisión en el vector de velocidad solicitados;
- la resolución deseada de la imagen; y
- la zona de empleo (lluvia).
A modo de ilustración, cabe señalar que la mayoría de los radares SAR de aviones funcionan en la banda X (aproximadamente 9,3 GHz). Sin embargo, si el portador es pequeño, es ventajoso aumentar la frecuencia, para tener antenas más pequeñas con las mismas directividades, teniendo en cuenta la lluvia, que podrá limitar el alcance. De hecho, si la frecuencia es demasiado alta (por ejemplo, en la banda K, aproximadamente de 20 GHz), el alcance se reduce a algunos kilómetros con tiempo lluvioso. Asimismo, los parámetros del espectro de potencia y el tamaño de las redes de antenas 4 y 5 dependen del portador y de su misión.
El sistema 10 comprende, asimismo, un generador de relojes 11 y un microcontrolador 12.
Tal como se representa en la figura 2, el generador de formas de onda 1 (o sintetizador) comprende un componente central de síntesis 13 VCO-PLL (“Voltage Control Oscillator - Phase Lock Loop” en inglés), varios de los cuales existen en el mercado en las frecuencias elegidas. La forma de onda es controlada por un generador de tensión 14, en “diente de sierra”, que controla el componente central de síntesis 13 en FMCW (dientes de sierra) o en CW (tensión continua). El generador de tensión 14 en dientes de sierra está controlado por el generador de relojes 11 (preferentemente, un componente comercial) por lo que respecta a la secuenciación, ilustrada en la figura 3, y por el microcontrolador 12 por lo que respecta a parámetros tales como frecuencia y desviación de frecuencia.
Cabe señalar que la desviación de frecuencia (Af, según la figura 3) determina la resolución en distancia del sistema 10 (SAR). La estabilidad de frecuencia del conjunto está garantizada por un cristal 15 del tipo TCXO (oscilador estable en temperatura, del que existen muchos ejemplos en el mercado), representado en la figura 2. Además, tal como está representado en la figura 3, la secuenciación de tiempo y frecuencia se realiza alternativamente en CW y, a continuación en FMCW. Se proporcionan, a modo de ejemplo, valores habituales de esta cadencia (t1 está comprendido, por ejemplo, entre 10 y 20 segundos, y t2 está comprendido, por ejemplo, entre 0,1 y 1 segundo) que se optimizan en función del terreno sobrevolado durante la misión. Puesto que el reposicionamiento de la navegación no requiere mediciones permanentes de funciones de SAR (FMCW) y efecto Doppler (CW), la alternancia ahorra una cadena de transmisión y de recepción, además de filtrados que evitan las interferencias. Esto hace posible obtener un sistema 10 compacto y económico.
La cadena de amplificación 2 puede incluir un amplificador comercial, cuya potencia de algunos vatios depende del intervalo deseado. Le sigue el conmutador 3, cuya misión es dirigir la señal de CW a una antena ventral 43 y la señal de FM/CW a una de las dos antenas laterales 41 y 42 que se especifican a continuación, del conjunto 4 de antenas de transmisión.
El modo de realización preferente con dos antenas laterales 41 y 42 permite buscar las imágenes del terreno más significativas con respecto a la traza en tierra del vuelo. Este modo de realización preferente no es obligatorio, pero proporciona más posibilidades al sistema 10.
El conjunto 4 de antenas de transmisión 41, 42 y 43 se muestra en la figura 4. El conjunto 4 está situado en el cuerpo 21 del portador 20. La antena ventral 43 está centrada longitudinalmente en X y perpendicular al eje -Z. X es el eje longitudinal del portador 21, Z es el eje vertical e Y es el eje transversal (ortogonal a los ejes X y Z). A cada lado de la antena ventral 43, están dispuestas las antenas de transmisión 41 y 42, respectivamente a la izquierda y a la derecha. Cada una de las antenas 41, 42 y 43 está formada por una red de parches 45, tal como se muestra en la figura 5. Los requisitos de las aperturas o directividades se muestran en la figura 10 y en cortes verticales en las figuras 11 y 12. Según la figura 12, los diagramas de las antenas laterales deben abarcar en el terreno la distancia en Y especificada por la misión.
En la figura 11 se han representado los lóbulos L41, L42 y L43 de las antenas de transmisión 41, 42 y 43. En esta figura 11 los lóbulos de las antenas de recepción están ocultos.
La figura 10 muestra aperturas en elevación y en acimut de una red de n parches x m parches. La figura 10 muestra aperturas del tipo para parches 45, 55 separados A/2. Por ejemplo, sabiendo que un grado abarca de 17 m a 1000
m, la apertura en elevación (0s en la figura 10) para abarcar de 1700 m a 5000 m requiere una apertura de 20°. Según la figura 10, se necesitarán 90/20, es decir, m=5 parches, aproximadamente. Por lo que respecta a la apertura en acimut (0g en la figura 10) de todas las redes de antenas (apertura perpendicular al eje X, figura 12), la directividad o apertura debe ser lo más fina posible, tanto para el equilibrio de radar y para la precisión de las medidas Doppler, como para el control de los lóbulos secundarios. A este respecto, una ventaja de las redes de parches es que los lóbulos secundarios están controlados en fase por la distancia entre parches y en amplitud por el tamaño diferenciado de los parches. Esta propiedad permite, en especial, proteger mejor el sistema 10 de posibles perturbadores.
El número de parches se optimiza según la capacidad del portador 20 para recibirlos. Cabe señalar, a este respecto, que el aumento de frecuencia permite aumentar la ganancia y la directividad. Sin embargo, se debe llegar a un compromiso con la atenuación de la lluvia, que se vuelve significativa más allá de la banda X (entre 9 y 10 GHz). Los parámetros de la antena serán optimizados en función del portador 20 y de su misión, teniendo el sistema 10 un amplio campo de aplicación. A modo de ejemplo de realización, la red del conjunto 4 de antenas de transmisión puede ser realizada en un solo circuito impreso 46, soldado a una placa metálica 47 preformada, tal como se muestra en las figuras 8A, 8B y 8C. Esta placa metálica 47 se atornilla al cuerpo 21 del portador 20 (mediante los tornillos 48), atravesando los tres conectores 49A, 49B y 49C (relativos a las tres redes) el cuerpo 21 del portador 20.
El conjunto 5 de antenas de recepción 51, 52, 531 y 532 está representado en la figura 6. El conjunto 5 está implantado sobre el cuerpo 21 del portador 20. La antena ventral está constituida por dos subredes contiguas 531 y 532, de ejes longitudinalmente en X y perpendicular al eje -Z. Los dos subconjuntos 531 y 532 producen, respectivamente, un lóbulo frontal L531 y un lóbulo posterior L532, tal como se muestra en la figura 12, que están desviados un ángulo £ (figuras 12 y 13) con respecto a la perpendicular en el portador, tal como se muestra en la figura 13. La suma de estos dos subconjuntos 531 y 532 proporciona un lóbulo de suma vertical L53 (figura 12), denominado I . Realizando la resta entre los lóbulos L531 y L532, denominada diferencia A, es posible producir en el procesador de señal 9 un “monopulso de amplitud”. Este procesamiento permite medir la dirección de la vertical del terreno, es decir el ángulo a de incidencia del portador 21, tal como se representa en la figura 13. Según la teoría del “monopulso”, se tiene a = Arctan (A/I) (fórmula F2). Dicha medida es a veces necesaria para obtener las componentes del vector de velocidad en la referencia del terreno. De hecho, los lóbulos de las antenas miden los efectos Doppler, por lo tanto, las velocidades relativas en los ejes de las antenas en la referencia del portador. Queda por proyectar estos valores sobre la referencia del terreno, según una operación matemática convencional realizada por el procesador de señal 9.
En la figura 12 se han representado los lóbulos L532, L531 y L43 de las antenas ventrales 532, 531 y 43 en línea continua, y los lóbulos L51, L52, L41 y L42 de las antenas laterales 51,52, 41 y 42 en línea discontinua.
A cada lado de la antena ventral 531, 532, están dispuestas las antenas de recepción 51 y 52, respectivamente izquierda y derecha. Los diagramas de las antenas cumplen los mismos criterios y consideraciones que los expuestos anteriormente para las antenas de transmisión.
A modo de ejemplo, se puede realizar la misma realización que para la transmisión, tal como se muestra en las figuras 9A y 9B. A diferencia con las redes de transmisión, se dispone, en recepción, de cuatro conectores 59A, 59B, 59C y 59D, correspondientes a las cuatro redes de antenas (en lugar de tres), puesto que, en transmisión, existen dos subredes de antenas ventrales en lugar de una sola. De manera más precisa, la red del conjunto 5 de antenas de recepción puede estar constituida por un solo circuito impreso 56 soldado a una placa metálica 57 preformada, tal como se muestra en las figuras 9A y 9B. Esta placa metálica 57 está atornillada sobre el cuerpo 21 del portador 20 (mediante tornillos 58), atravesando los cuatro conectores 59A, 59B, 59C y 49D (relativos a las cuatro redes) el cuerpo 21 del portador 20.
Para una buena sensibilidad, los conjuntos de antenas de transmisión y de recepción deben estar lo suficientemente separados para estar lo suficientemente desacoplados. Además, lo más cerca posible de los conectores de salida de las antenas, se asocian amplificadores de bajo ruido (LNA), o incluso filtros de paso de banda, si el entorno radioeléctrico así lo requiere.
Cada salida de antena (filtrada, amplificada) está dirigida, tal como se representa en la figura 2, hacia uno de los receptores 71-2, 731, 732 del conjunto 7 representado en la figura 2. Las salidas de las antenas laterales 51 y 52 son conmutadas por el conmutador 6 hacia el receptor 71-2 según las imágenes (derecha o izquierda) a realizar. Las salidas de las antenas ventrales 531 y 532 son conectadas a los receptores 731 y 732. Los receptores tienen como función transponer la señal de hiperfrecuencia en frecuencia intermedia (FI) amplificada y filtrada de modo que pueda ser digitalizada y procesada en el procesador de señal 9. Estas cadenas de recepción, en estos intervalos de frecuencia, son bien conocidas. Están constituidas por un amplificador de bajo ruido, LNA (“Low Noise Amplifier”, en inglés), un mezclador (preferentemente I/Q, en fase y en cuadratura), proviniendo el oscilador local de este mezclador del sintetizador (o generador de forma de onda 1). El mezclador es seguido por un filtro de paso bajo y uno o varios amplificadores. Estos diversos componentes están disponibles comercialmente.
Tal como está representado en la figura 1, las salidas del conjunto 7 de receptores son digitalizadas por los codificadores analógicos/digitales 8 de CAN cuya frecuencia de muestreo es más de 2,5 veces la frecuencia intermedia (teorema de Shannon), y cuyo intervalo dinámico abarca el de la reflectividad del terreno (aproximadamente 30 dB) y el de la función de equilibrio de radar, en función del alcance (aproximadamente 30 dB). La cadencia de muestreo está regulada por el generador de relojes 11. A título de ejemplo, un “CAN AD9653 Quad, 16 bits, 125 Msps” puede convenir a numerosas configuraciones, puesto que dispone de una gran dinámica. Presenta, asimismo, la ventaja, para sistemas compactos, de codificar 4 vías en paralelo en un solo componente. Se pueden utilizar otros codificadores de CAN de rendimientos equivalentes o superiores.
A continuación, las señales digitalizadas son introducidas en el procesador de señales 9.
Se aplican y programan dos tipos de procesamiento (secuencia de algoritmos) en el procesador de señal 9, dependiendo de la forma de onda utilizada.
Durante el periodo de transmisión de FMCW (figura 3), el procesador de señal 9 realiza, de manera habitual, un conocido procesamiento de SAR. El procesador de señal 9 extrae una imagen del terreno, compuesta por píxeles con intensidades que dependen de la reflectividad del terreno, y con una resolución del orden de uno o de algunos metros. El tamaño de la imagen es del orden de 2 km x 2 km. Depende de la duración del período de transmisión, de la altitud del portador y de la apertura en elevación de la antena lateral. Esta imagen permite al sistema 10 identificar las referencias de reposicionamiento.
Durante el período de transmisión de CW, el procesador de señal 9 realiza un análisis espectral en cada una de las antenas de recepción. Los efectos Doppler medios, en cada lóbulo de antena L (figura 13), corresponden cada uno a la fórmula F3: fd = -2Vr/A, en la que A es la longitud de onda y Vr es la proyección del vector de velocidad sobre el eje de la antena. Las proyecciones Vr corresponden a las velocidades relativas del portador 20 con respecto al terreno S, en cada dirección del eje de estas antenas.
El módulo V de la velocidad (figura 13) corresponde a la fórmula F4: V = fd*A/2 sin(a+s) en la que fd es la frecuencia Doppler medida, A es la longitud de onda, a es la incidencia (ángulo entre el eje del portador 21 y el vector de velocidad), y £ es la desalineación del eje de la antena considerada con el portador 21.
Según la fórmula F4 y el análisis espectral que proporciona fd (frecuencia Doppler), se obtiene el módulo de la velocidad, así como la incidencia del portador con su trayectoria. La fórmula F3 proporciona tantas velocidades relativas como antenas hay, lo que permite reconstruir el vector de velocidad por sus componentes en los ejes de las antenas. El análisis espectral se puede realizar mediante un algoritmo de transformada rápida de Fourier, FFT (“Fast Fourier Transform”, en inglés), que es una función generalmente programada en las FPGA. La precisión obtenida en cada componente es proporcional al ancho del espectro obtenido por la transformación de FFT. Cuanto más estrecho sea el lóbulo de la antena, menor será la dispersión del espectro y más precisa será la medición de la velocidad. La figura 13 muestra la desviación de un lóbulo según la incidencia del portador y su frecuencia Doppler asociada.
A continuación se indican los parámetros que permiten optimizar los rendimientos relativos a la precisión del sistema 10. Según la teoría de la estimación, la desviación estándar óptima ofd de la medida Doppler sigue la fórmula F5: ofd = k0 / V2S/B donde S/B es la relación de señal a ruido, 0 es el ancho del lóbulo de la antena y k=2Vr/A. La precisión de la medida de V depende, por lo tanto, del espacio disponible longitudinalmente sobre el portador, que permite afinar 0, de la elección de la frecuencia, del equilibrio de radar y del estimador del centro del espectro Doppler. Estos parámetros son elegidos en función del portador y de su misión, así como de las limitaciones impuestas por el portador (dimensiones, potencia, consumo, precio).
La implementación de los algoritmos se realiza, preferentemente, sobre circuitos lógicos programables del tipo FPGA (“Field Programmable Gate Array”, en inglés). Existe una amplia gama de circuitos de FPGA en el mercado. La elección del tipo de circuito de FPGA por parte del especialista en señales se realiza según su familiaridad con las funciones implementadas y las herramientas de programación del fabricante del circuito de FPGA.
Tal como está representado en la figura 1, el sistema 10 está configurado y supervisado por el microcontrolador 12, preferentemente, disponible comercialmente. La configuración consiste en fijar los parámetros óptimos para la misión del portador. Por lo tanto, el microcontrolador 12 fija la secuencia de formas de onda de la figura 3, las duraciones de los modos de FMCW y de CW, las frecuencias de CW y las desviaciones de frecuencia Af del modo de FMCW. Con este propósito, los comandos son enviados al generador de relojes 11 que proporciona la secuenciación de los modos de FMCW y CW, y en paralelo al generador de tensión 14 (figura 2) que proporciona, respectivamente, al componente VCO-PLL 13 una tensión en diente de sierra o una tensión continua. El generador de relojes 11 (preferentemente, disponible comercialmente) proporciona, además, los instantes de control de los conmutadores de manera sincronizada con la secuencia de los modos de forma de onda. El generador de relojes 11 controla, asimismo, el ritmo de muestreo del convertidor 8 y del procesador de señal 9.
El microcontrolador 12 garantiza, además, la supervisión del sistema 10, en concreto, antes de la misión y después de la configuración. La supervisión consiste en verificar que el sistema 10 funciona según su programación. Con este propósito, el microcontrolador 12 realiza una puesta en marcha de secuencias de transmisión y controla el funcionamiento de los distintos subconjuntos (niveles y cadencias). Por ejemplo, se aplica un acoplamiento entre las antenas de transmisión y de recepción, y se prueban las respuestas del procesador de señal 9. Se pueden aplicar otros procedimientos de prueba. Finalmente, el microcontrolador 12 verifica la comunicación del procesador de señal 9 con el sistema de navegación del portador.
Dicho sistema 10 que aprovecha la retrodispersión del terreno para extraer una imagen del terreno así como el vector de velocidad con el objetivo de realizar una actualización de navegación en cualquier situación climática y en cualquier terreno, puede representar un sistema radioeléctrico de navegación autónomo.
El sistema 10, tal como se ha descrito anteriormente, presenta numerosas ventajas.
En primer lugar, en ausencia de la posibilidad de navegación por sistemas de navegación por satélite (tipo GNSS), el sistema 10 permite un posicionamiento del portador con respecto al terreno sobrevolado con una precisión de algunos metros.
En comparación con una unidad de medición inercial de alto rendimiento, el sistema 10 es más preciso, mucho menos pesado y mucho menos costoso. De hecho, una unidad de medición inercial que equipa un avión de pasajeros transoceánico se ve afectada habitualmente por una deriva en su estimación de la posición del orden de NM/h (millas náuticas por hora). El coste de una unidad de medición inercial de este tipo puede ascender a cientos de miles de euros, un sistema 10 es de un orden de magnitud inferior.
Por otra parte, el sistema 10 presenta otras ventajas y, en concreto, las ventajas siguientes:
- precisión: la asociación de imágenes de SAR y vector de velocidad permite una precisión del posicionamiento sobre el terreno del orden de algunos metros;
- disponibilidad: el sistema 10 permite una navegación en cualquier situación climática, y funciona sea cual sea el terreno o el mar y su estado;
- flexibilidad en función de las misiones: la secuencia de tiempo y frecuencia es adaptable en función de la ruta (programada de antemano) del portador. Sobre el mar o el desierto, por ejemplo, se estará en modo de CW, mientras que, sobre un terreno que contiene información, se pasará al modo de FMCW, más preciso;
- compacidad: la sencillez de la electrónica permite una integración en algunos litros y las antenas de parche tienen unos milímetros de grosor sobre el cuerpo del portador, no modificando su aerodinámica;
- consumo: los buenos equilibrios de radar obtenidos gracias a las emisiones continuas, a la ganancia de las antenas y a los tiempos de integración requieren solo algunos vatios de transmisión. La utilización de los últimos circuitos integrados monolíticos de hiperfrecuencia, MMIC (“Microwave Monolithic Integrated Circuits”, en inglés) de nitruro de galio GaN (“Galliun Nitride”, en inglés) proporciona un rendimiento comprendido entre el 20 y el 30 %; - antiinterferencias: la protección contra interferencias está garantizada, en primer lugar, por la dispersión espectral visible en la figura 3 y, conjuntamente, por la directividad de las antenas. De hecho, una ventaja de las redes de parches es que los lóbulos secundarios están controlados en fase por la distancia entre parches, y la amplitud, por el tamaño de los parches;
- tecnología existente en el mercado: todos los componentes mencionados en la descripción detallada existen en las frecuencias en las que se puede aplicar el sistema 10;
- fiabilidad: es bien conocido que el tiempo medio entre fallos, MTBF (“Mean Time Between Failure”, en inglés), de los circuitos de MMIC, es muy elevado; y
- variedad de aplicaciones.
Claims (15)
1. Sistema radioeléctrico, estando dicho sistema radioeléctrico (10) integrado en un vehículo volador (20), caracterizado por que comprende, como mínimo, los elementos siguientes:
- un generador de forma de onda (1), que genera, alternativamente, una onda FMCW, que representa una onda continua modulada linealmente en frecuencia para imágenes de radar, y una onda CW, que representa una onda continua a una frecuencia determinada, para la medición de un vector de velocidad;
- una cadena de amplificación (2), conmutada hacia un conjunto (4) de antenas de transmisión (41, 42, 43);
- el conjunto (4) de antenas de transmisión (41, 42, 43), que comprende, como mínimo, una antena lateral (41, 42) y una antena ventral (43);
- un conjunto (5) de antenas de recepción (51, 52, 531, 532), que comprende, como mínimo, una antena lateral (51,52) y una antena ventral (531, 532);
- un conjunto (7) de receptores (71-2, 731, 732), vinculado al conjunto (5) de antenas de recepción (51, 52, 531, 532); y
- un procesador de señal (9), que implementa el procesamiento de señales de FMCW recibidas desde la una o varias antenas laterales (51, 52) del conjunto (5) de antenas de recepción (51, 52, 531, 532), y un análisis espectral de señales de CW recibidas desde la una o varias antenas laterales (51, 52) y de la una o varias antenas ventrales (531, 532) del conjunto (5) de antenas de recepción (51, 52, 531, 532), para proporcionar imágenes de SAR y componentes del vector de velocidad de dicho vehículo volador (20).
2. Sistema, según la reivindicación 1, caracterizado por que el conjunto (4) de antenas de transmisión comprende dos antenas laterales (41, 42), orientadas aproximadamente /-30° con respecto a la vertical (Z) en el vehículo volador (20), y por que el conjunto (5) de antenas de recepción comprende dos antenas laterales (51, 52) orientadas aproximadamente /-30° con respecto a la vertical (Z) en el vehículo volador (20).
3. Sistema, según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que el conjunto (5) de antenas de recepción comprende una antena ventral (531, 532) doble, dispuesta verticalmente con respecto al vehículo volador (20).
4. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el conjunto (4) de antenas de transmisión y el conjunto (5) de antenas de recepción son redes de antenas de parche (45, 55) adaptadas a la forma del vehículo volador (20).
5. Sistema, según la reivindicación 4, caracterizado por que las redes de antenas de transmisión y de recepción están desacopladas, y se asocian por conmutación con las formas de onda FMCW para realizar la formación de imágenes de SAR, y con la forma de onda CW para la medida del efecto Doppler a lo largo de los ejes de las antenas.
6. Sistema, según una de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por que la red de antena ventral de recepción se divide en dos subredes (531,532) que forman dos lóbulos (L531, L532) de tal manera que se construyen vías 1 y A, cuyo procesamiento proporciona la incidencia (a) del vehículo volador (20).
7. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por que las redes de parches presentan un diagrama de niveles bajos de lóbulos secundarios, para resistir las interferencias en direcciones de amenaza.
8. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está configurado para funcionar en secuencia según la naturaleza del terreno.
9. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está configurado para funcionar, como mínimo, en una parte del intervalo de hiperfrecuencia, SHF.
10. Sistema, según la reivindicación 9, caracterizado por que está configurado para funcionar en las bandas C, X y Ku.
11. Sistema, según una de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado por que los módulos de transmisión y recepción de hiperfrecuencia están fabricados utilizando componentes monolíticos o circuitos integrados de hiperfrecuencia monolíticos, MMIC, de arseniuro de galio o nitruro de galio.
12. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los algoritmos de procesamiento del procesador de señal (9) están implementados sobre un circuito lógico programable de tipo FPGA.
13. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un generador de relojes (11), configurado para sincronizar, como mínimo, las formas de onda, la digitalización y el procesamiento de las señales del procesador de señal (9).
14. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un microcontrolador (12), configurado para realizar, como mínimo, alguna de las funciones siguientes: como mínimo, una configuración, como mínimo, un control y como mínimo, una supervisión de elementos de dicho sistema (10).
15. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está configurado para realizar, a partir de puntos destacables de las imágenes de SAR asociadas a una predicción de posición obtenida a partir del vector de velocidad, un reposicionamiento del vehículo volador (20) con respecto al terreno (S).
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