Материал: Устройства локации и навигации

Так как электромагнитная энергия распространяется со скоростью света (с = 8·10⁸ м/с), то дальность r равна

R = 0,5cDt.                             (5)

Следует помнить, что распространение сигнала в течение 1 мкс в прямом и обратном направлениях соответствует расстоянию 150 м (что составляет 0,08095 морской мили, или 0,093226 сухопутной мили). За единицу дальности в Европе принят 1 км (в США, Англии и др. - сухопутная миля, равная 1 609 м, на море - морская миля, равная 1 853 м).

После излучения РЛС зондирующего импульса должен пройти промежуток времени, достаточный для того, чтобы до излучения следующего импульса отраженные сигналы вернулись и были обнаружены. Поэтому частота повторения зондирующих импульсов определяется наибольшей предполагаемой дальностью цели. При слишком высокой частоте повторения импульсов отраженные от нескольких целей сигналы могут прийти после излучения следующего импульса, вследствие чего появится неоднозначность в измерении дальности (такие сигналы, приходящие после передачи следующего импульса, называются двузначными или неоднозначными). Величина дальности, за пределами которой цель определяется двузначными отраженными сигналами, называется максимальной однозначно измеряемой дальностью или просто максимальной однозначной дальностью, равной

r_одн = 0,5с/f_п,                                    (6)

где f_п - частота повторения импульсов (имп/с). На рис. 16 приведен в логарифмическом масштабе график зависимости r_одн = f(f_п), построенный по приведенному уравнению.

Большинство РЛС излучают импульсно-модулированные колебания, но существуют и другие виды модуляции, которые можно использовать при обнаружении цели и определении местоположения.

В РЛС, работающей в режиме немодулированных непрерывных колебаний, для обнаружения движущихся целей используется эффект Доплера, благодаря которому происходит сдвиг частоты отраженного движущейся целью сигнала на величину

f_д = 2V_r/l,                     (7)

где f_д - доплеровская частота, V_r - радиальная скорость цели (V_r = =Vcosq) относительно РЛС, м/с; l - длина волны, соответствующая несущей частоте, м (при V_r = 1 м/с и длине волны 1 м получим доплеровское смещение частоты 2 Гц).

Рис. 16

Если мощность РЛС в схеме на рис. 11 обозначить через P_t, то для изотропной антенны мощность на единицу площади (S_пад), перпендикулярную направлению распространения, можно записать как

S_пад = 0,25P_t/pr².                     (8)

Используя направленную антенну с коэффициентом усиления G_t (мера увеличения мощности, излучаемой в направлении цели, по сравнению с мощностью, излучаемой изотропной антенной), получим в такое же количество раз возрастание S_пад:

S_падG = 0,25P_tG_t/pr².                         (9)

Подставляя значение S_падG в S_отр = 0,25s_цS_пад/pr², получим величину плотности потока мощности, переизлученную в направлении РЛС антенны в виде

S_отр = s_цP_tG_t/(4pr²)².                         (10)

Учитывая, что антенна РЛС улавливает часть мощности отраженного сигнала, получим, при значении эффективной площади антенны А_t мощность отраженного сигнала на входе радиолокатора

P_r = s_цP₀G_tA_t/(4pr²)².                       (11)

Это выражение представляет собой основной вид уравнения дальности радиолокации.

Согласно теории антенн, взаимосвязь между коэффициентом усиления антенны (G) и эффективной площадью (А) определяется для приемной (r) и передающей (t) антенн выражениями:

G_r = 4pA_r/l²;       G_t = 4pA_t/l².                           (12)

Поскольку в РЛС передающая антенна обычно используется и в режиме приема, то на основании теоремы взаимности имеем: G_r = G_t = = G, A_t = A_r = A_e. При этом выражение для дальности принимает вид

P_r = s_цP_tA²_e/4pl²r⁴        или  P_r = s_цP_tG²l²/(4p)³r⁴.   (13)

Учитывая полученные выражения, максимальная дальность радиолокационного обнаружения (расстояние, за пределами которого цель не может быть найдена, или другими словами, при этой дальности R_макс мощность принятого отраженного сигнала Р_r равна мощности минимально обнаруживаемого сигнала S_мин, называемого пороговым сигналом)

, или . (14)

Выражения (14) представляют собой две формы записи уравнения дальности радиолокации. Полученные упрощенные варианты уравнения дальности не учитывают ряд важных факторов, влияющих на R_макс и поэтому неадекватно описывают характеристики реальных РЛС.

Пример. Пусть тракт радиосвязи характеризуется Р = 10 Вт,_m = 100 (или 20 дБ), A = 1 м²,s_ц = 100 м²,

l = 0,1 м, S _мин = 10^-12 Вт, антенны направлены друг на друга.

Получаем R_макс = 10 000 км.

На практике обычно оказывается, что R_макс отличаются от рассчитанных по приведенным формулам (R_{макс экспер} < R_{макс теор}). Однако при наличии аномального распространения (положительной рефракции ЭМВ) возможно R_{макс экспер} >> R_{макс теор}.

. Задачи определения трех групп навигационных параметров

навигационный электромагнитный радиолокатор навигация

Как РНС, так и РЛС решают задачи определения трех групп навигационных параметров (НП) облучаемых объектов: дальности, угловых координат, относительной скорости движения. Решение этих задач, как правило, будет тем более точным, чем острее удается получить диаграмму направленности антенны, то есть, чем выше будет частота излучаемых и принимаемых антенной колебаний. Поэтому повышение частоты СВЧ-волн обычно является одной из наиболее актуальных проблем.

Простейшая навигационная задача, состоящая в определении местоположения судна на плоскости по известным расстояниям до двух радионавигационных точек (РНТ) и известным координатам этих точек, решается путем определения места пересечения двух окружностей с центрами в РНТ и радиусами, равными расстоянию от РНТ до судна. Большинство радионавигационных задач является тем или иным усложненным и объемным вариантом этой простейшей задачи, причем число РНТ может при этом варьироваться в больших пределах. Таким образом, РНТ является необходимой частью РНС, использующих основной, так называемый позиционный метод радионавигации. В конце прошлого столетия получили широкое распространение сетевые спутниковые радионавигационные системы (ССРНС), с помощью которых решается большинство задач радионавигационного обслуживания летательных аппаратов и судов.

Обычно ССРНС содержит до 24 навигацинных искусственных спутников Земли (НИСЗ), так что над горизонтом потребителям доступны от 5 до 11 НИСЗ, из которых выбирается рабочее созвездие, состоящее из четырех НИСЗ (один в зените и три над горизонтом, на значительном расстоянии один от другого), а затем определяются их навигационные параметры и решается навигационная задача.

Таким образом, определение навигационных параметров является основной задачей РЛС и РНС, в том числе и при использовании НИСЗ.

Рассмотрим основные методы решения этой задачи. Определение дальности может осуществляться амплитудными, частотными и фазовыми методами.

Амплитудные методы основаны на определении времени распространения t₃ модулированных радиоволн до объекта и обратно путем регистрации моментов характерных изменений параметров излученных и принимаемых сигналов. При этом может использоваться импульсная модуляция СВЧ, внутриимпульсная линейная частотная модуляция (ВЛчм), фазовая модуляция и манипуляция (ФМ), причем в случае оптимальной обработки принятых сигналов с ВЛЧМ и ФМ удается повысить разрешающую способность РЛС.

Для типовой схемы амплитудной импульсной РЛС (рис. 11) дальность определяется выражением

r = 0,5×c×t₃,

где c - скорость света.

Следует отметить, что в приемнике такой РЛС (состоящем из смесителя, УПЧ и собственно детектора) весьма перспективным является использование асинхронного детектора, который реализует метод приема, по ряду показателей, превосходящий супергетеродинный.

Амплитудные методы могут применяться и при непрерывном излучении, а амплитуда при этом может модулироваться, например, шумоподобным сигналом (такие системы, требующие сравнительно малой мощности передатчика, используются в радиовзрывателях). На рис. 17 показана схема такого дальномера, в котором время задержки t_з, создаваемое линией задержки, может плавно меняться.

Рис. 17

Когда t_з подобрано так, что t_з = t, на экране индикатора наблюдается всплеск напряжений U_и.

Частотные дальномеры используют периодическую линейную частотную модуляцию непрерывных колебаний, когда зависимости частоты f излученных и принятых после отражения колебаний от времени имеет вид, показанный на рис. 18, б.

Метод основан на принципе измерения частоты биений колебаний зондирующего и эхо-сигналов. В таких системах зондирующий сигнал представляет собой непрерывный ЧМ-сигнал. Наиболее распространенные законы модуляции частоты - синусоидальный и пилообразный (см. рис. 18, б). Схема такого дальномера изображена на рис. 18, а.

Простые расчеты показывают, что для случая

t << Т_м и f_р >> f_м = 1/Т_м

дальность r равна                 r = cf_pT_м/(4Df_м),            (15)

при однозначной дальности r_одн = сТ_м/8, так, что измерив анализатором частоты величину f_p, можно определить дальность. Частотные дальномеры нашли применение в системах ближней радиолокации.

а                                             б

Рис. 18

Метод определения дальности основан на том, что разность фаз зондирующего и эхо-сигнала пропорционален времени запаздывания. Такие системы используются в РНС, где объект наблюдения, как правило, имеет на борту ретранслятор, дающий фиксированный сдвиг фаз.

Этот метод дает наименьшую инструментальную (аппаратную) погрешность измерения s_r = 0,25s_jl/p, но с его помощью можно измерить дальность только до одной цели. Поэтому чаще используются фазовые дальномеры, в которых непрерывные СВЧ-колебания модулируются низкой частотой и фазовый детектор фиксирует получившийся сдвиг фазы огибающей у отраженного сигнала. При этом устраняется неоднозначность в определении дальности, которая присуща предыдущему типу дальномеров.

Для определения дальности положим, что излучается сигнал u₁(t)=A₁cos(w₀t + j), а эхо-сигнал соответственно u₂(t) = A₂cos[w₀(t + +t) + j + y], где y - изменение фазы колебания при отражении. Сравнивая в ФД эти два сигнала, имеем Dj = w₀t + y, откуда время задержки t = (Dj - y)/w₀ и, следовательно

r = 0,5 (Dj - y) с/w₀,                       (16)

так как в общем случае Dj может принимать значения Dj = 2kp + Dq, где k = 0, 1, 2,…, а Dq - разность фаз, измеряемая схемой оценки дальности. Неоднозначность по k и изменение y при отражении вносят ошибку в измерение дальности, которая устраняется в двухчастотном методе, когда имеется два измерения

Dj₁ = 2kp + Dq₁ = 2r w₁/c + y₁;

Dj₂ = 2np + Dq₂ = 2r w₂/c + y_2.

Считая равными частоты w₁ = w₂ и величины k = n, y₁ = y₂, разность набега фаз определится как

Dj =2r(w₂ - w₁)/c.                           (17)

Последнее выражение однозначно определяет дальность до цели

r = cDj/2Dw,                                    (18)

где Dw = (w₂ - w₁) = 2pс/l, откуда и имеем записанное выше равенство r= 0,25 Djl/p, при этом шкалу измерителя Dj можно просто отградуировать непосредственно в единицах дальности.

Из сказанного выше следует, что наиболее перспективным в радиолокации считается двухчастотный фазовый дальномер, схема которого приведена на рис. 19.

Дальномер состоит из 2-х генераторов СВЧ, работающих в непрерывном режиме на частотах f₁ и f₂, колебания которых суммируются и поступают в антенну, а с другой стороны из смесителя 2 разностная частота (f₁ - f₂) поступает на один из входов фазового детектора. На второй вход этого детектора попадает та же разностная частота со смесителя приемника, полученная за счет усиления в приемниках колебаний на частотах f₁ и f₂, отраженных от облучаемого объекта. На выход фазового детектора поступает напряжение, пропорциональное разности фаз между обеими промежуточными частотами, которая определяется дальностью до объекта.

Такие системы используются и в РНС, где объект наблюдения, как правило, имеет на борту ретранслятор, дающий фиксированный сдвиг фазы.

Необходимо добавить, что при определении дальности до подвижной цели следует учитывать влияние частоты Доплера на измерение дальности. Чем больше радиальная составляющая скорости цели V_r, тем на большую дальность переместится цель за время запаздывания ответного сигнала t. Тогда с учетом радиальной составляющей V_r дальность определится r = Dj(c - V_r)/2Dw, если V_r << c, то ясно, что им можно пренебречь.

Рис. 19

Обычно дальномеры строятся так, что они имеют устройства автоматического сопровождения по дальности.

Одной из важных разновидностей дальномерных систем являются системы, в которых устройство должно срабатывать лишь при достижении РЛС, излучающей СВЧ-колебания, определенного малого расстояния до объекта облучения, соизмеримого с длиной волны СВЧ (системы посадки, стыковки космических кораблей и др.). Такие системы, как известно, называются системами ближней радиолокации (БРЛС).

Наряду с обычными гетеродинными методами приема широкое применение нашел автодинный прием, когда автогенератор передатчика одновременно выполняет функцию приемника отраженного сигнала, который в случае БРЛС по мощности может достигать заметной доли от мощности сигнала передатчика и который воздействует на передатчик либо как внешний синхронизующий сигнал (режим захватывания), либо как асинхронный сигнал на частоте, близкой к частоте генерации (режим биений). В последнем случае автогенератор работает как асинхронный детектор с самонакачкой, то есть как смеситель с нулевой промежуточной частотой, в котором функцию гетеродина выполняет сам передатчик.

4. Пеленгационные устройства

Отыскание угловых координат объекта основано на приеме от радиомаяка «окрашенного сигнала», параметры которого позволяют судить о направлении распространения волны, либо на использовании направленных антенн, в частности фазированных антенных решеток (ФАР). В последнем случае, простейшее угломерное (пеленгационное) устройство содержит антенну, приемник и измеритель, позволяющий определять угловые координаты источника по положению антенны. В случае использования ФАР такие измерения проводит специальный вычислительный комплекс.