Материал: Устройства локации и навигации

Устройства локации и навигации

Устройства локации и навигации

1. Основные определения и положения

Локацией называется область техники, использующая явления отражения и излучения электромагнитных волн различными объектами для обнаружения этих объектов, определения их пространственного положения (измерения координат) и выявления некоторых физических свойств.

Объекты локационного наблюдения весьма разнообразны. Это и движущийся человек или животное, самолеты, корабли, гидрометеоры (дождь, снег, град, грозовые облака и т.п.), различные газы и биологически вредные элементы, элементы земной и водной поверхностей, космические тела, а также радиомаяки и прочие излучающие устройства (объекты радиолокации (РЛ) обычно называют целями).

Радиотехнические устройства (РТУ), предназначенные для решения указанных задач, называются радиолокационными устройствами (РЛУ) или станциями (РЛС), оптические - лидарами.

РЛУ позволяют определять не только координаты целей, но и измерять производные этих координат, находить траектории движения и предсказывать последующие положения целей по их предыдущим положениям. РЛУ используются для определения государственной принадлежности обнаруживаемых целей. С помощью РЛУ удалось получить целый ряд важных сведений о планетах солнечной системы, спутниках планет, кометах и проч.

РЛУ работают на длинах волн l = n×1 мм - n×1 м, при средней мощности излучения Р_ср = n×1 Вт - n×1000 кВт, при дальностях D = = n×1 м - n×10⁶ км. Оптическая локация использует диапазоны частот в окнах прозрачности атмосферы - это видимый и инфракрасный диапазоны.

Навигацией называется область техники, охватывающая методы и средства, которые позволяют использовать электромагнитные колебания для ориентирования самолетов, подвижных объектов, определения их координат на местности.

Радиотехнические аппараты, используемые для этой цели, называются радионавигационными устройствами (РНУ) или радионавигационными системами (РНС).

Навигация обеспечивает возможность передвижения плавающих и летающих объектов по заданным маршрутам и траекториям. При этом с помощью взаимодействующих бортовых и наземных РНУ измеряются навигационные данные движущихся объектов (курс, абсолютная и относительная скорости, угол ветра, угол сноса), а также определяется местоположение этих объектов относительно наземных РНУ. РНУ позволяют автоматизировать процесс управления движущимся по заданной траектории летающим или плавающим объектом.

В радионавигации (РН) используется радиодиапазон от ультракоротких до средних волн, при этом ошибки определения местоположения движущихся объектов с помощью РНУ лежат в пределах от единиц метров до нескольких десятков километров. Дальность действия РНС составляет от сотен метров до тысяч километров.

В локации и навигации обмен информацией осуществляется посредством электромагнитных волн, которая может быть получена одним из трех путей:

- при облучении объекта наблюдения электромагнитной энергией и приеме отраженных (рассеянных) этим объектом волн (прямая и разнесенная полуактивная) (рис. 1, а, б);

- облучением волнами, воздействующими на специальное приемопередающее устройство (ответчик или ретранслятор), установленное на объекте наблюдения, и приемом ретранслированных ими ответных сигналов (с активным ответом) (рис. 1, в);

- приемом собственного излучения наблюдаемого объекта (пассивная локация) (рис. 1, г).

Пассивная локация применима либо при наличии на объекте наблюдения работающего передатчика, либо при наличии контрастного теплового излучения от цели на окружающем фоне. Этот метод дает наименьшую информацию о цели и, как правило, не позволяет определить ни дальности цели, ни ее радиальной скорости.

В радиоволновом диапазоне способы слежения за целью определяются задачами, стоящими перед наблюдателем, и характеристиками целей, главной из которых является эффективная отражающая площадь (s_ц). Под s_ц понимают размеры фиктивной площадки, которая, будучи расположена на месте цели перпендикулярно направлению падающей волны, переизлучая принятую мощность равномерно во все стороны, создает в точке приема ту же плотность потока мощности отраженного сигнала, что и реальная цель.

Рис. 1

Если плотность потока мощности падающей волны у цели равна S_пад, а s_ц ее эффективная отражающая площадь, то полная мощность облучения цели

Р_обл = s_ц×S_пад.                                    (1)

Плотность потока мощности отраженной волны (при расстоянии r между целью и РЛС) в точке приема, где реально имеющиеся потери энергии при отражении учитываются выбором значения s_ц, определяется выражением

S_отр = 0,25s_цS_пад/pr².                        (2)

Следует отметить, что s_ц - величина случайная, зависящая от: угла падения радиоволны на цель (в общем виде s_ц = 4S_падpr²/S_отр, которая для уголкового отражателя при размере грани а равна s_ц = =4pа²/(3l²)); свойств различных элементов цели и пространственного расположения элементов цели; мгновенного значения частоты и др.

Обычно s_ц характеризуют в радиолокации средним значением s₀, причем порядок этой величины для различных объектов имеет значительный диапазон, так:

- пассажирский теплоэлектроход - 14 000 м²;

- подводная лодка в надводном положении - 37 -140 м²;

- транспортный самолет до 50 м²;

- металлизированная лента (1000 лент на 1 м³) ~ 50 м²;

- самолет истребитель - 5-15 м²;

- снаряд орудия калибра 75 мм ~ 1 м²;

- человек ~ 0,5-1 м²;

- 1 м² земли, покрытый мелким лесом - 10^-3 - 10^-2 м²;

- 1 м² водной поверхности при Ða_пад<30^о - 2·10^-4-2·10^-3 м²;

- 1 м³ дождя интенсивностью 5 мм/час - 10^-9-10^-7 м³.

Таким образом, для РЛС важнейшее значение имеет энергия, переизлучаемая в обратном направлении. Приемная антенна улавливает поступающую обратно энергию и направляет ее к приемнику, где она подвергается обработке, в результате которой определяется наличие цели, ее местоположение и относительная скорость.

Направление или угловое положение цели устанавливается по направлению прихода отраженного сигнала. Обычный метод определения направления прихода сигнала основан на использовании узких антенных лучей.

Если цель (объект) и РЛС движутся относительно друг друга, то в качестве меры относительной (радиальной) скорости цели может служить сдвиг несущей частоты отраженного сигнала (эффект Допплера), который используется для выделения движущихся целей на фоне неподвижных объектов. В РЛС, осуществляющих непрерывное сопровождение движущихся целей, можно непрерывно определять скорость изменения положения цели.

Наиболее широко применяемый радиолокационный сигнал представляет собой серию узких импульсов, модулирующих синусоидальную несущую. Обычно импульс имеет прямоугольную форму, но это не обязательно.

К основным характеристикам РЛУ и РНУ кроме рассмотренной дальности относятся:

- зоны обзора (для наземной РЛС рис. 2, бортовой РЛС рис. 3, наземной РНС рис. 4) - определяются тем, что в их пределах вероятность правильного обнаружения цели не меньше, а вероятность ложной тревоги не больше заданных значений (параметры зоны: R_макс, секторы обзора в горизонтальной Ф_обз и вертикальной q_обз плоскостях);

Рис. 2

Рис. 3                                     Рис. 4

- рабочая зона РНУ - это та область пространства, в пределах которой навигационные измерения осуществляются с необходимой точностью, при этом дальность оказывается жестко связанной с точностью. Так, если допустимое значение линейной ошибки положения самолета равно DR_доп, а реальная ошибка измерения угловой координаты навигационным устройством составляет Dj_изм (в радианах), то максимальная дальность действия определится соотношением R_макс= =DR_доп,/Dj_изм;

- точность измерения (как и прочих физических величин) характеризуют среднеквадратичным значением случайной составляющей ошибки. Можно считать, что в РЛ и РН результирующая среднеквадратичная ошибка измерения величины Х складывается из трех составляющих:

,

где s_расп - составляющая ошибки из-за искривления траектории распространения радиоволн; s_пот - потенциальная составляющая ошибки, определяемая видом используемого радиосигнала и соотношением сигнал/шум на входе приемника; s_ап - аппаратурная составляющая ошибки, возникающая вследствие несовершенства измерительной аппаратуры и методов отсчета.

Величина s_пот используется в оптимальном приемнике при измерении дальности, причем функция s(r)_пот обратно пропорциональна эффективной ширине спектра сигнала и корню квадратному из удвоенного отношения сигнал/шум

s(r)_пот = с/[2Df_э(2E_c/N₀)^0,5],

где Е_с/N₀ - отношение энергии сигнала (за время накопления) к спектральной плотности шума, Df_э - зависимая от вида модуляции излучаемых колебаний эффективная ширина спектра сигнала (которая для импульсных сигналов без внутренней модуляции равна Df_э = k/t_и, где k » 1 - для прямоугольных импульсов или k = p^0,5 - для импульсов колокольной формы).

Среднеквадратичное значение потенциальной составляющей ошибки измерения угловых координат обратно пропорционально чувствительности S_пор и корню квадратному из удвоенного отношения сигнал/шум

(s_j)_пот = 1/[S_пор (2E_c/N₀)],

где крутизна пеленгационной характеристики S_пор численно равна относительному раскрыву антенны а/l или обратно пропорциональна ширине диаграммы направленности на уровне половинной мощности q в радианах, т.е.

S_пор= а/l = 1/q,

где а - размер антенны в соответствующей плоскости.

Составляющая ошибки s_расп определяется рядом факторов, среди которых основными можно считать:

- зависимость скорости распространения волны вдоль земной поверхности (случайным образом зависит от метеоусловий)

s(V)/V_ср » 5×10^-5,

т.е. среднеквадратичная ошибка определения дальности 5 м на каждые 100 км;

- ошибку измерения дальности вследствие искривления траектории радиоволн в вертикальной плоскости, которая при «нормальных» атмосферных условиях для высот менее 30 км достигает 60 м. Эта ошибка является систематической, однако случайный характер распределения температуры, влажности, давления и прочее приводит к ошибке определения дальности, которую можно принять равномерно распределенной в диапазоне Dr_макс - Dr_мин (где Dr_{макс, мин} - максимальное и минимальное значения ошибки). Для станций разных типов требования к точности определения дальности различны. У станций наведения орудий (артиллерийских РЛС) Dr = 10¸20 м; у станций радиообнаружения разведки и целеуказания Dr = 100¸1000 м. Среднеквадратичное значение ошибки (при Dr_мин = 0) будет равно

s(r) = (Dr_макс - Dr_мин)/2×3^0,5 » 17 м;

- ошибку из-за искривления траектории радиоволн в ионосфере (которая является сложной функцией высоты h, угла места q и частоты излучения f) и др.

Величина s_ап складывается из несовершенства измерительной аппаратуры и методов отсчета. Если первая составляющая может быть определена для конкретного РЛУ экспериментальным способом, то вторая является случайной и зависит от опыта, точности настройки по яркости, остроты зрения оператора и т.п. Это обстоятельство делает эту составляющую непредсказуемой, так как отсчет дальности производится с помощью калибрационных меток, механических или электронных. Наиболее существенными для измерителей на ЭЛТ являются ошибки за счет: неточности синхронизации; задержки сигнала в цепи радиодальномера; способа отсчета дальности и масштаба развертки индикатора.

Разрешающая способность характеризует возможность раздельной индикации сигналов от двух цепей, находящихся в одном и том же направлении, но на разных дальностях. Определяется в основном длительностью зондирующих импульсов, а также типом и масштабом развертки.

Помехоустойчивость - способность выполнять свои функции при воздействии местных помех. Важным проявлением действия внешних помех является уменьшение реальной дальности действия РЛС. Поэтому количественно помехоустойчивость можно оценить уменьшением максимальной дальности действия под воздействием помех.

Для снижения влияния внешних пассивных помех осуществляют селекцию движущейся цели. В случае прицельных активных помех применяют систематическую перестройку по частоте передатчика и приемника РЛС или в канале промежуточной частоты приемника создают логарифмическую АЧХ, устраняющую перегрузку приемника напряжением помехи и вводят различные виды автоматических регулировок усиления.

Рис. 5

Здесь три передатчика работают на одну антенну, и полный цикл излучения состоит из трех импульсов (по одному от каждого передатчика) длительностью по 2 мкс каждый и с интервалом в 1 мкс.

Отраженные от цели сигналы принимаются отдельными приемниками, видеоимпульсы с выходов которых через линии задержки (ЛЗ осуществляют их синхронизацию по времени) поступают в коммутирующее устройство. Результирующий сигнал поступает на индикатор и в систему выработки координат. При отсутствии активных помех производится непосредственное сложение отраженных сигналов и максимальная дальность R_макс возрастает на 35% (т.е. в 3^0,25 = 1,35 раза). При наличии помех можно улучшить отношение сигнал/шум путем использования различных сочетаний сигналов разных каналов (так, сочетания U_S = U_AU_B + U_BU_C + U_CU_А или U_S = (U_A + U_B) (U_B +U_C)´ ´(U_C + U_А) позволяют автоматически выявлять и отсоединять каналы с помехами в устройствах обработки информации). В таких системах (которые называются многоканальными РЛС), кроме того, заметно снижается влияние флуктуации отраженного сигнала, даже при работе с общим передатчиком (т.е. на одной f_н).

Как видно из рассмотрения методов повышения помехоустойчивости, они идентичны методам увеличения максимальной дальности действия РЛС, поэтому относительно большую помехоустойчивость имеют станции с большей энергией импульса, чувствительностью приемника и более узкой диаграммой направленности антенны.

Значительная группа методов повышения помехоустойчивости основана на реализации идеи оптимальной фильтрации, позволяющей предельно снизить требуемый коэффициент отражения. Сущность этих методов сводится к конструированию приемного тракта, представляющего собой оптимальный фильтр, т.е. устройство, обеспечивающее на выходе наибольшее отношение сигнал/шум.