Какие параметры цели определяют в радионавигации

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Возможности практической реализации радиотехнических средств навигации и их назначение определяются совокупностью тактических и технических характеристик. Тактическими характеристиками системы называются такие, которые определяют ее функциональные возможности при применении. Технические характеристики РНС отражают инженерные решения, обеспечивающие выполнение заданных тактических характеристик.

К основным тактическим характеристикам относятся: точность определения навигационных параметров, рабочая зона (зона действия), дальность действия, доступность, целостность, непрерывность обслуживания, дискретность определения навигационного параметра, пропускная и разрешающая способность и др.

Точность определения навигационного параметра характеризует степень соответствия значения навигационного параметра, определенного в данный момент времени с помощью навигационной системы, его истинному значению. Количественной мерой точности являются абсолютное значение разности между определенным (измеренным) и истинным значением навигационного параметра (мгновенное значение погрешности) или среднеквадратическая погрешность (СКП). Требования к точности определения навигационных параметров зависят от характера решаемых ВС задач.

Рабочая зона (зона действия) — замкнутая область пространства (замкнутая поверхность), в пределах которой навигационная система позволяет потребителю определять местоположение с точностью не менее заданной и в пределах которой обеспечивается устойчивый прием сигналов. В связи с ростом интенсивности и плотности воздушного движения, увеличением скоростей, высот и протяженности маршрутов полета современных ВС предъявляются все более высокие требования к навигационному обеспечению. Для точного место- определения в любой точке Земли и околоземного пространства должны выполняться требования глобальной рабочей зоны.

Дальность действия — максимальное расстояние Z)_max, на котором принимаемый сигнал достигает минимально допустимого (порогового) уровня Р_с = Р_с min, еще достаточного для выполнения РНС основных функций с качественными показателями не хуже заданных. Дальность действия РНС зависит от используемого диапазона радиоволн, мощности передающего и чувствительности приемного устройств, а также от направленных свойств антенных систем.

Доступность (эксплуатационная готовность) — способность радионавигационной системы обеспечить измерение навигационных параметров в заданный момент времени в определенной зоне нахождения ВС. Доступность характеризуется вероятностью получения в пределах рабочей зоны РНС достоверной навигационно-временной информации в определенный период времени и с требуемой точностью.

Требования к доступности изменяются в зависимости от этапов полета и задач, решаемых ВС. Исходя из обеспечения безопасности полетов ВС наиболее высокие требования, при которых доступность должна равняться практически единице, предъявляются при заходе на посадку и посадке по категориям ICAO (International Civil Aviation Organization).

Целостность — способность РНС выдавать потребителю своевременное и достоверное предупреждение в тех случаях, когда какие- либо сигналы нельзя использовать для определения навигационных параметров из-за существенного снижения точности. Целостность характеризуется соответствующей вероятностью за определенный период или определенную продолжительность этапа полета.

Требования к целостности РНС для воздушных потребителей наиболее высоки из-за значительных скоростей движения ВС и недопустимости больших интервалов обновления информации.

Непрерывность обслуживания (функционирования) — способность РНС обеспечивать навигационное обслуживание потребителей в течение заданного временного интервала без отказов и перерывов. Непрерывность обслуживания характеризуется соответствующей вероятностью.

Дискретность определения навигационного параметра определяется временным интервалом, через который возможно новое определение навигационного параметра с использованием одной и той же РНС.

Пропускная способность — количество пользователей радионавигационной системы, которые могут обслуживаться одновременно или в единицу времени. Так как своевременное получение навигационной информации имеет важное значение для обеспечения безопасности полетов, пропускная способность РНС должна быть неограниченной, а непрерывность, т.е. надежность обслуживания, — соответствовать заданной величине.

Разрешающая способность характеризует возможность раздельного обнаружения и измерения навигационных параметров близко расположенных объектов. Различают разрешающую способность по дальности, угловым координатам, скорости.

Помехозащищенность — способность надежного выполнения РНС заданных функций в условиях воздействия помех естественного и искусственного происхождения. Помехозащищенность определяется скрытностью работы системы и ее помехоустойчивостью. Скрытность системы характеризует трудность обнаружения ее работы и измерения параметров излучаемого сигнала, а следовательно, и создания специально организованных помех.

Надежность — свойство РНС сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, определяющих способность выполнения требуемых функций в заданных режимах и условиях применения, хранения и транспортировки.

К основным техническим характеристикам можно отнести метод измерения навигационных параметров, рабочие частоты и их стабильность, мощность излучения, вид модуляции сигнала, ширину спектра излучаемых колебаний, форму, ширину диаграммы направленности, коэффициент направленного действия антенны, чувствительность и полосу пропускания приемного устройства, характеристики устройств отображения и съема информации, габариты, массу оборудования, потребляемую от источников питания энергию.

Совокупность технических характеристик обеспечивает тактические и эксплуатационные требования, предъявляемые к системе. Поскольку взаимосвязь между эксплуатационными и техническими параметрами неоднозначна, в процессе разработки РНС отыскиваются наиболее рациональные и экономичные решения задачи определения этой взаимосвязи.

Общие сведения о системах радиолокации и радионавигации

Радиолокацией называют область науки и техники, охватывающую методы и средства решения задач обнаружения, определения местоположения и выявления свойств движущихся и неподвижных объектов с использованием радиоволн, отраженных или излученных этими объектами. Объекты радиолокации называются радиолокационными целями; их можно подразделить на аэродинамические (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты); баллистические и космические (боеголовки, спутники); наземные и надводные (автомашины, корабли); природного происхождения (планеты, молнии, облака, дождь, ориентиры на местности и т.д.). Технические средства получения информации о радиолокационных целях – радиолокационной информации – называются радиолокационными станциями или радиолокаторами. Совокупность радиолокационных станций и вспомогательных технических средств, взаимосвязанных между собой и предназначенных для решения какой-либо тактической задачи радиолокации, называют радиолокационной системой (РЛС). Отметим, что этот термин применяется также и к одной радиолокационной станции, если она состоит из нескольких взаимосвязанных радиоустройств, способных решать радиолокационную задачу.

Задачами радионавигации являются определение местоположения объектов и обеспечение их движения по заданным траекториям с помощью радиосредств. Объектами радионавигации являются управляемые летательные аппараты (воздушные и космические), морские корабли и др. Совокупность взаимодействующих радиоустройств к вспомогательных технических средств, расположенных на подвижном объекте и вне его, предназначенных для решения тактической задачи радионавигации, называют радионавигационной системой (РНС).

Радиолокационные и радионавигационные системы, осуществляющие обработку радиолокационной и радионавигационной информации, относятся к широкому классу информационных радиосистем. При этом большинство РЛС и РНС составляют его важный подкласс, являясь радиосистемами извлечения информации. Эти радиосистемы из принимаемых радиосигналов извлекают полезную информацию о радиолокационных и радионавигационных объектах. Обрабатывая получаемую информацию, указанные радиосистемы решают радиолокационные и радионавигационные задачи, основными из которых являются: обнаружение объектов, измерение координат и параметров движения, разрешение объектов, распознавание объектов.

Обнаружение состоит в принятии решения о наличии или отсутствии объекта в заданной области пространства. Измерение координат и параметров движения сводится к получению оценок координат объектов и их производных (скорости, ускорения). Число и вид измеряемых координат определяются назначением РЛС и РНС и выбранной системой координат, в которой определяется местоположение объекта. Разрешение сводится к обнаружению и измерению координат и параметров движения объекта при наличии в исследуемом участке пространства других объектов. Распознавание состоит в установлении принадлежности объекта к определенному классу.

Радиосистемы извлечения информации, и прежде всего радиолокационные, в зависимости от происхождения принимаемого радиосигнала подразделяют на активные и пассивные. В активных радиосистемах информация выделяется из радиосигналов, полученных в результате облучения объекта зондирующим электромагнитным колебанием – зондирующим сигналом – и приема отраженной от объекта энергии. Поэтому активная радиосистема состоит из радиопередающего устройства РПдУ (передатчика), передающей и приемной антенн и радиоприемного устройств РПрУ (приемника) (рис. 9.1,а). Наличие двух антенн у активной радиосистемы не обязательно. Можно ограничиться и одной антенной, если обеспечить необходимую развязку приемного и передающего каналов; при импульсном зондирующем сигнале это осуществляется с помощью антенного переключателя АП (рис. 9.1,б).

В пассивной радиосистеме извлечение информации осуществляется без облучения объекта электромагнитными колебаниями. Объект сам является источником излучения. Поэтому пассивная система состоит из приемной антенны и радиоприемного устройства (рис. 9.1,в).

По степени автономности РНС подразделяют на автономные и неавтономные. Неавтономная РНС включает в себя радиолинию, состоящую из РПдУ, передающей антенны, трассы распространения радиоволн, приемной антенны и РПрУ (рис. 9.1,г). Радиопередающее устройство РПдУ устанавливается в пункте с известными координатами – радионавигационной точке (РНТ). Таких точек обычно несколько, и они могут располагаться на Земле, либо на движущихся объектах – искусственных спутниках Земли и других летательных аппаратах (ЛА). Радиоприемное устройство РПрУ находится на подвижном объекте, местоположение которого требуется определить. Автономная РНС не нуждается в радиоаппаратуре, устанавливаемой в РНТ; она определяет местоположение подвижного объекта с помощью только бортовых радиоустройств и представляет собой по существу активную РЛС (рис. 9.1,а), при этом отражающим объектом обычно является земная поверхность.

Рекомендуемые материалы

В радиолокации и радионавигации используются также активные радиосистемы с активным ответом (рис. 9.1,д). В таких системах на объекте устанавливается ответчик – приемопередающее устройство, отвечающее на сигналы активной системы – запросчика. Активная система с активным ответом содержит две радиолинии – запроса и ответа, при этом в системе наряду с извлечением информации может осуществляться и ее передача. Поэтому такую систему относят к классу комбинированных информационных радиосистем.

В зависимости от расположения РПдУ и РПрУ в пространстве РЛС подразделяют на однопозиционные (совмещенные), когда РПдУ и РПрУ размещены в одном пункте (рис. 9.1,а,б), разнесенные (бистатические), когда РПдУ и РПрУ расположены в двух пунктах, достаточно удаленных друг от друга, и многопозиционные. Расстояние между передающей и приемной позициями разнесенной РЛС может быть постоянным и переменным. Примером системы, иллюстрирующим второй случай, служит разнесенная РЛС, обеспечивающая самонаведение ракеты на цель (рис. 9.1,е).

Многопозиционная радиолокационная система (МПРЛС) состоит из нескольких разнесенных в пространстве передающих, приемных или приемопередающих позиций, в которых осуществляется совместная обработка радиолокационной информации. Простейшая МПРЛС включает в себя две разнесенные приемные позиции при одной передающей, которая может быть совмещена с одной из приемных. К. простейшим относится также МПРЛС, включающая две разнесенные передающие позиции при одной приемной, которая может быть совмещена с одной из передающих. Многопозиционные РЛС могут быть активными (обслуживают неизлучающие объекты и поэтому содержат хотя бы одну передающую позицию), пассивными, состоящими только из приемных позиций, и активно-пассивными, обслуживающими как неизлучающие, так и излучающие объекты.

9.2 Диапазоны радиоволн, используемых РЛС и РНС

Проблема радиообнаружения объекта сводится к обнаружению сигнала, излучаемого или переизлучаемого этим объектом на фоне различного рода помех. Активное радиообнаружение основано на явлении отражения или рассеивания радиоволн, если на пути их распространения встречается объект с электрическими параметрами, отличными от параметров среды. Такой объект, облученный электромагнитным колебанием, становится источником отраженного, т. е, вторичного, электромагнитного поля. Мощность вторичного излучения зависит от интенсивности первичного поля около объекта, параметров объекта (габаритов, формы, электрических свойств), положения объекта относительно источника зондирующего сигнала, поляризации первичного поля, длины волны λ. Зависимость мощности вторичного излучения от λ особенно важна, так как ее характер определяет диапазон радиоволн, пригодный для радиообнаружения.

Если линейные размеры объекта l таковы, что l>>λ, то мощность вторичного излучения от λ практически не зависит. Если l<<λ, то мощность вторичного излучения обратно пропорциональна λ 4 . При этом с увеличением длины волны мощность вторичного излучения резко падает, что приводит к соответствующему уменьшению дальности обнаружения.

Поэтому в радиолокации, для которой задача обнаружения объектов является важнейшей, используют в основном такие радиоволны, длина которых удовлетворяет соотношению l>>λ. Следовательно, для радиолокационного наблюдения целей типа самолетов, автомашин и т. п. нужно использовать диапазон метровых и более коротких волн (10 … 10 -3 м).

Необходимость укорочения длины волны обусловлена также стремлением создать более узкий радиолуч, чтобы обеспечить разрешение (разделение) целей по угловым координатам, более высокую точность их измерения и более экономное расходование энергии передатчика. Дело в том, что угловая ширина радиолуча или ширина диаграммы направленности (ДН) антенны

где – линейный размер апертуры антенны; k – коэффициент пропорциональности, зависящий от распределения электромагнитного поля по апертуре. Следовательно, при заданном размере антенны сужение луча достигается путем уменьшения длины волны λ.

Необходимо, однако, учитывать и фактор, ограничивающий укорочение волны – затухание радиоволн в атмосфере, которое в сантиметровом и миллиметровом диапазонах может оказаться значительным.

Для обнаружения целей, лежащих далеко за линией горизонта, т.е. для загоризонтной радиолокации, диапазон 10 . 10 -3 м не пригоден, так как волны этого диапазона распространяются по законам, близким к оптическим, т.е. в пределах прямой видимости. Способностью проникать далеко за линию горизонта обладают радиоволны с большей длиной волны. В загоризонтной радиолокации используется прежде всего диапазон декаметровых волн 10. 100 м. Эти волны способны отражаться от верхних слоев атмосферы и позволяют обнаруживать различные объекты, скрытые за линией горизонта (самолеты, стартующие баллистические ракеты и др.).

Обнаружение объектов возможно при импульсном и непрерывном зондирующих сигналах. В первом случае объект облучается короткими импульсами, длительность которых обычно значительно меньше паузы между ними. При этом используется временная развязка приемного и передающего каналов, реализуемая антенным переключателем АП (см. рис. 9.1,б). При непрерывном сигнале влияние передающего канала на приемный ослабляется с помощью частотной, пространственной или поляризационной развязки.

Пассивное обнаружение основано на использовании собственного, в частности, теплового излучения объекта. Так как любое физическое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные колебания, то имеется принципиальная возможность обнаруживать любые объекты без предварительного облучения. Максимум теплового излучения земной поверхности и многих других объектов лежит в области инфракрасного диапазона волн. Для обнаружения может использоваться также радиоизлучение, вызванное работой различных радиоустройств, имеющихся на объекте, запуском ракет и т.п.

Физической основой определения местоположения объектов является то, что в однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью м/с. Это позволяет определить направление на излучатель радиоволн и пройденный ими путь (дальность) , измерив время распространения τ между излучателем и приемником. Однако реальная среда в общем случае не является однородной. Поэтому траектория распространения радиоволн, вообще говоря, отличается от прямой линии, а скорость их распространения меняется на пути распространения. Это приводит к соответствующим ошибкам в определении местоположения объекта.

В некоторых РЛС и РНС для определения местоположения объекта наряду с перечисленными свойствами радиоволн используется эффект Доплера – изменение частоты принимаемых электромагнитных колебаний при изменении расстояния R между приемником и излучателем радиоволн.

Диапазон радиоволн, используемый в радионавигации, значительно шире, чем в радиолокации. Дело в том, что в неавтономных РНС отражающие свойства объекта не используются и поэтому условие l>>λ не ограничивает выбора диапазона радиоволн. В радионавигации он обусловлен особенностями распространения радиоволн в реальной среде, которые существенно зависят от длины волны. Кроме того, учитывается регламент радиосвязи, т.е. свод правил, которые регулируют порядок использования диапазонов радиоволн разными странами в различных радиосистемах.

В неавтономных РНС, обеспечивающих определение местоположения объекта на больших расстояниях (порядка 8 . 10 тыс. км), используются мириаметровые волны (λ=10 . 100 км); при меньших расстояниях (3 . 1 тыс. км) – километровые (λ=1 . 10 км) и гектометровые (λ=0,1 . 1 км) волны. В автономных РНС, например, в радиовысотомерах, доплеровских измерителях скорости и угла сноса (ДИСС), а также в неавтономных РНС, например, в радиомаячных системах посадки, в которых требуется сформировать достаточно узкий радиолуч, нужно учитывать соотношение ; поэтому такие системы работают на метровых и более коротких волнах.

9.3 Методы определения местоположения объектов

Проблема определения местоположения объекта, или, короче, проблема местоопределения, сводится к определению (измерению) некоторых геометрических величин, однозначно характеризующих место объекта в пространстве. К ним относятся прежде всего длина траектории распространения радиоволн или дальность и направление на излучатель радиоволн. Определение этих величин, называемое радиодальнометрией и радиопеленгацией соответственно, осуществляется с помощью радиоустройств – радиодальномеров и радиопеленгаторов. Угол между начальным направлением и искомым называется пеленгом. При пеленгации в горизонтальной плоскости в качестве начального принимают северное направление географического меридиана. За положительное направление отсчета пеленга выбирают направление вращения часовой стрелки. Обобщенно можно сказать, что РЛС и РНС представляют собой метрологические комплексы линейно-угловых измерений с помощью радиосредств. При помощи радиоустройств можно определить следующие геометрические величины: 1) пеленг искомой точки М из фиксированной точки А (рисунок 9.2,а); 2) пеленг фиксированной точки А из искомой точки М (рис. 9.2,б); 3) расстояние R от искомой точки М до фиксированной точки А (рис. 9.2,в); 4) разность расстояний от искомой точки М до двух фиксированных точек А и В (рис. 9.2,г); 5) сумму расстояний от искомой точки М до двух фиксированных точек А и В (рис.9.2,д). Каждому измеренному значению какой-либо из перечисленных величин соответствует линия положения – геометрическое место точек, для которых измеряемая геометрическая величина, определяющая местоположение объекта, постоянна. При постоянном пеленге искомой точки из фиксированной (рис. 9.2,а), как и при постоянном пеленге фиксированной точки из искомой (рис. 9.2,б), линии положения являются прямыми. При постоянном расстоянии от искомой точки до фиксированной линия положения представляет собой окружность с центром в точке А и проходящую через точку М (рис. 9.2,в). При постоянной разности расстояний от искомой точки до двух фиксированных линия положения является гиперболой, проходящей через точку М (рис. 9.2,г); фиксированные точки А и В – фокусы гиперболы. При постоянной сумме расстояний от искомой точки до двух фиксированных линия положения является эллипсом, проходящим через точку М (рис. 9.2,д); точки А и В – фокусы эллипса.

Различным постоянным значениям каждой из перечисленных геометрических величин соответствует семейство линий положения.

В первом и во втором случаях семейство линий положения представляет собой семейство радиальных прямых, в третьем – семейство концентрических окружностей, в четвертом – семейство софокусных гипербол, в пятом – семейство софокусных эллипсов.

Для определения местоположения объекта на плоскости надо найти две пересекающиеся линии положения. Точка пересечения этих линий даст искомое местоположение. Такой метод местоопределения называется позиционным. В зависимости от видов используемых линий положения различают следующие позиционные методы: пеленгационный, при котором местоположение объекта определяется как точка пересечения двух прямых (рис. 9.3,а); дальномерный, при котором местоположение объекта – точка пересечения двух окружностей (рис. 9.3,б); разностно-дальномерный, при котором местоположение объекта – точка пересечения двух гипербол (рис. 9.3,в); суммарно-дальномерный, при котором местоположение объекта – точка пересечения двух эллипсов (рис. 9.3,г); дальномерно-пеленгационный, при котором местоположение объекта – точка пересечения прямой с окружностью (рис. 9.3,д).

Пеленгационный и разностно-дальномерный метод широко применяют в радионавигации для определения собственного положения подвижного объекта относительно радиомаяков (РПдУ), устанавливаемых в РНТ. Эти методы используют также в радиолокации – в пассивных МПРЛС. Дальномерный метод применяют в радионавигации. Кроме того, дальномерный, а также суммарно-дальномерный методы используют в радиолокации – в активных МПРЛС. Дальномерно-пеленгационный метод – основной в однопозиционной радиолокации, так как он единственный из рассмотренных методов позволяет определить местоположение объекта из одной точки.

При местоопределении объекта в пространстве постоянному значению каждой из перечисленных геометрических величин соответствует поверхность возможных местоположений объекта, которая называется поверхностью положения. Постоянному значению расстояния от фиксированной точки до искомой соответствует поверхность положения в виде сферы. При постоянном значении суммы расстояний от искомой точки до двух фиксированных поверхностью положения является эллипсоид. При постоянном значении пеленга в горизонтальной плоскости искомой точки из фиксированной поверхностью положения будет вертикальная плоскость, проходящая через эти точки.

Пересечение двух поверхностей положения дает линию положения в пространстве. Точка пересечения линии положения и третьей поверхности положения определяет местоположение объекта в пространстве. Если, например, использовать дальномерно-пеленгационный метод, то местоположение объекта дает точка пересечения прямой со сферой. В этом случае для однозначного определения направления на объект необходимо осуществить пеленгацию в двух пересекающихся плоскостях, как правило – горизонтальной и вертикальной (рис. 9.3,е). Угол α между северным направлением географического меридиана и проекцией направления на объект на горизонтальную плоскость называется азимутом. Угол β между направлением на объект и горизонтальной плоскостью называется углом места. Расстояние R от радиолокатора до объекта называется наклонной дальностью. Как видим, задача местоопределения объекта в пространстве дальномерно-пеленгационным методом сводится к измерению трех координат: наклонной дальности, азимута и угла места. Помимо позиционных методов, широко применяемых в радиолокации и радионавигации, в последней используют и другие методы местоопределения: счисления пути и обзорно-сравнительный.

9.4 Основные тактико-технические характеристики РЛС и РНС

Характеристики радиолокационных и радионавигационных систем можно разделить на тактические, определяющие назначение и возможности практического использования систем, и технические, определяющие основные устройства систем (передатчик, антенну, приемник, выходные устройства).

Основными тактическими характеристиками РЛС и РНС являются: место установки, число и характер измеряемых координат и параметров движения, точность действия, зона и дальность действия, время обзора, разрешающая способность, пропускная способность, помехозащищенность, электромагнитная совместимость, надежность, масса и габариты, экономическая эффективность. Рассмотрим кратко эти характеристики.

1 По месту установки РЛС можно подразделить на наземные и бортовые; последние, в свою очередь, подразделяются на корабельные, самолетные, космические и др. Автономные РНС всегда бортовые. Место установки радиоустройств неавтономной РНС определяется ее назначением.

2 Число и характер измеряемых координат и параметров движения определяется назначением РЛС и РНС. Системы могут быть однокоординатными (радиовысотомер), двухкоординатными (при определении местоположения наземных и надводных объектов), трехкоординатными (при определении местоположения объектов в воздушном и космическом пространстве). Если решается, например, задача управления беспилотными объектами, то кроме их координат обычно требуется измерять скорости и ускорения объектов.

3 Точность действия РЛС и РНС характеризуется рядом показателей качества, которые в разных режимах работы систем разные. В режиме обнаружения объекта это прежде всего вероятности двух видов ошибок обнаружения: вероятность ложной тревоги F – вероятность принятия решения о наличии объекта в исследуемом пространстве при условии, что он отсутствует, и вероятность пропуска цели – вероятность принятия решения об отсутствии объекта в исследуемом пространстве при условии, что он в нем присутствует.

При работе РЛС и РНС в режиме измерения координат и параметров движения объекта точность действия характеризуется погрешностями измерения. Если – измеряемая величина, а – результат измерения или оценка величины , то разность есть абсолютная погрешность измерения или ошибка оценивания. Отношение – относительная погрешность измерения.

Погрешности и ошибки имеют случайные и неслучайные составляющие. Случайные составляющие или просто случайные ошибки (погрешности) вызываются множеством причин, не поддающихся точному учету. Значения этих ошибок изменяются от одного измерения к другому случайным образом. Неслучайные составляющие или систематические ошибки в отличие от случайных остаются постоянными или закономерно изменяются при проведении серии однотипных измерений.

4 Зона действия (рабочая зона) – область пространства, в пределах которого точность действия системы не хуже заданной. Как правило, зона действия определяется секторами обзора по азимуту и углу места и дальностью действия . Для активной РЛС

где и – мощность передатчика и коэффициент усиления антенны РПД, и – эффективная площадь антенны РПрУ и цели (объекта); – минимальная мощность сигнала на входе РПрУ, при которой обеспечивается: а) заданная точность (погрешность) измерения; б) вероятность ложного обнаружения F; в) вероятность ложной тревоги .

Дальность действия неавтономной РНС определятся из выражения

где и – параметры радиомаяка РНТ;

и – параметры приёмника РНС.

Аналогично рассчитывают для активной системы с активным ответом (рис.9.1,д), при этом выбирают наименьшее из двух значений для системы “запросчик – ответчик” (РНТ – РНС) и “ ответчик – запросчик” (РНС – РНТ). Так как для режима измерения и обнаружения – разная, то, соответственно, разные и зоны действия в каждом режиме (в режиме измерения, очевидно, меньше).

5 Время обзора – время, необходимое для однократного обзора заданной зоны действия системы.

6 Метод обзора рабочей зоны.

В общем случае обзор осуществляется по угловым координатам, дальности и скорости. Различают одновременный (параллельный), последовательный и смешанный обзор. Обзор по угловым координатам является одновременным, если луч (ДН антенны) или несколько лучей в статическом положении полностью перекрывают рабочую зону (заданный сектор). Достоинство этого метода – наименьшее время обзора рабочей зоны, недостаток – сложность построения системы (обусловлена сложностью антенны, формирующей требуемое число лучей, и необходимостью использования многоканального приемника, число каналов которого должно равняться числу лучей). Последовательный обзор по угловым координатам осуществляется путем перемещения (сканирования) одного луча в пределах всей рабочей зоны. В зависимости от траектории движения луча возможны различные виды последовательного обзора: круговой, винтовой, строчный, спиральный и др. Достоинство последовательного метода – простота системы, недостаток – проигрыш во времени обзора (по сравнению с одновременным обзором). Смешанный или параллельно-последовательный обзор производится с помощью нескольких лучей, перекрывающих только часть рабочей зоны и поэтому сканирующих с целью просмотра всей зоны. Например, лучи могут перекрывать весь сектор обзора по углу места и сканировать только по азимуту. Сканирование лучей может быть механическим, т.е. осуществляться механическим поворотом антенны или какой-то ее части, либо электрическим, когда изменяется распределение амплитуд и фаз поля в раскрыве антенны. Электрическое сканирование позволяет избежать перемещения громоздких механических конструкций и тем самым резко повысить скорость перемещения луча. Электрическое сканирование обычно реализуется с помощью фазированных антенных решеток (ФАР), представляющих собой системы излучателей с электрически управляемым фазовым распределением. Фазированные антенные решетки формируют одновременно несколько лучей, обеспечивают гибкое управление их перемещением и позволяют реализовать наиболее совершенные методы обработки сигналов.

Обзор рабочей зоны по дальности происходит естественным образом – в процессе распространения радиоволн и, строго говоря, является последовательным. Однако из-за высокой скорости распространения радиоволн весь заданный диапазон дальности просматривается в течение очень короткого отрезка времени – почти «одновременно » . Для одновременной обработки сигналов, приходящих с различных участков диапазона дальности, требуется многоканальное (по дальности) устройство. Что касается обзора по радиальной скорости, то он может быть последовательным, реализуемым с помощью перестраиваемого по частоте фильтра, и параллельным, реализуемым многоканальной системой фильтров, перекрывающих весь диапазон изменения частоты Доплера (см. раздел 10).

Обзор рабочей зоны может быть детерминированным либо адаптивным. При детерминированном обзоре процедура осмотра рабочей зоны выбирается заранее и не меняется в процессе наблюдения, иначе говоря, обзор осуществляется по жесткой программе. При адаптивном обзоре процедура осмотра элементов разрешения рабочей зоны в некоторые моменты может изменяться в зависимости от результатов предшествующих осмотров (наблюдений) – обзор по гибкой программе. В процессе адаптивного обзора может меняться, например, порядок осмотра элементов разрешения, время осмотра одного элемента, мощность зондирующих сигналов.

7 Разрешающей способностью называют способность системы раздельно обнаруживать и определять координаты и параметры движения близко расположенных объектов. Количественно разрешающая способность системы по той или иной координате (или по параметру движения) характеризуется минимальной разностью значений измеряемой координаты (или параметра движения) двух близко расположенных объектов с одинаковыми значениями остальных координат и параметров движения, при которой возможно раздельное обнаружение объектов и измерение координат и с показателями качества не хуже заданных. Мера разрешающей способности определяет размер элемента разрешения по параметру . Число элементов разрешения в рабочей зоне зависит от ее размера, количества определяемых координат и значений . В общем случае при обзоре рабочей зоны по дальности и радиальной скорости в диапазонах и , по азимуту и углу места в пределах секторов и число элементов разрешения

; ; ; ,

где – меры разрешающей способности или просто разрешающие способности по дальности, радиальной скорости, азимуту и углу места соответственно (здесь полная аналогия с выбором числа строк разложения в телевизионных системах).

8 Пропускная способность определяется максимальным числом объектов, обслуживаемых системой в течение заданного времени с заданной точностью действия.

9 Помехозащищенность системы характеризуется степенью ее работоспособности в условиях воздействия различного рода помех. Помехозащищенность определяется помехоустойчивостью системы и скрытностью ее работы. Под помехоустойчивостью понимают способность системы при воздействии на нее определенной совокупности помех сохранять значения показателей качества в заданных пределах. Помехоустойчивость обусловлена рациональным выбором технических характеристик системы, в частности выбором параметров радиосигнала, и способом построения системы в целом. Различают реальную и потенциальную помехоустойчивость. Потенциальной называется наивысшая помехоустойчивость системы в условиях, когда единственной помехой является собственный шум радиоприемного устройства. Потенциальная помехоустойчивость может быть достигнута лишь при оптимальном, т.е. наилучшем способе обработки радиосигнала. Сравнивая помехоустойчивость реальной системы, т.е. реальную помехоустойчивость, с потенциальной, можно выявить принципиальную возможность и целесообразность дальнейшего повышения помехоустойчивости системы. Скрытность системы характеризуется трудностью обнаружения ее работы, измерения основных характеристик излучаемого сигнала и создания эффективных помех. Чем выше скрытность системы, тем труднее создать для нее помеху и, следовательно, тем выше помехозащищенность системы.

10 Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность систем одновременно работать с требуемыми значениями показателей качества в условиях непреднамеренных помех от различных радиосредств и не создавать помехи недопустимого уровня другим системам.

11 Надежность, понимаемая в широком смысле, есть способность системы выполнять заданные функции в течение требуемого интервала времени. При таком определении понятие «надежность » включает в себя, в частности, и помехозащищенность. Часто надежность определяют при отсутствии внешних помех и характеризуют средним временем безотказной работы системы или вероятностью безотказной работы в течение заданного времени.

12 Масса и габариты системы имеют особую важность для бортовых систем. Существенное уменьшение массы и габаритных размеров радиоаппаратуры достигается путем ее микроминиатюризации на основе применения микроэлектронных компонентов с высокой степенью интеграции.

13 Экономическая эффективность определяется соотношением между полезным экономическим эффектом и затратами на разработку, производство и эксплуатацию систем.

Основными техническими характеристиками РЛС и РНС являются: вид и параметры излучаемого сигнала – непрерывный или импульсный, вид модуляции или манипуляции (частотная, фазовая), несущая частота (длины волны) и ее стабильность, излучаемая мощность; ДН антенны (форма и ширина главного максимума, коэффициент усиления, уровень боковых лепестков); метод обзора рабочей зоны; метод обработки сигналов в РПрУ; число и типы выходных устройств; мощность, потребляемая радиоустройствами от источников питания и др.

В заключение отметим, что при проектировании РЛС и РНС стремятся выбрать технические характеристики так, чтобы тактические характеристики удовлетворяли заданным требованиям.

Основные параметры радионавигационных средств обеспечения полетов

Возможность использования радионавигационных средств для решения задач навигации ВС принято оценивать тактическими и техническими параметрами радионавигационных устройств и систем.

Тактические параметрыпредставляют собой совокупность показателей назначения, характеризующих возможности РНУ и РНС. Общими для большинства РНУ и РНС тактическими параметрами являются: точность, рабочая зона (область) и дальность действия, пропускная способность, быстродействие, надежность, помехоустойчивость, уровень автоматизации, эксплуатационная эффективность, масса и объем бортового оборудования.

Точность отражает близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Наиболее важной характеристикой точности РНУ и РНС является погрешность определения местоположения ВС.

Рабочая область — объем пространства, в пределах которого погрешность определения местоположения ВС не превышает заданную.

Дальность действия — максимальное расстояние в пределах рабочей зоны (области).

Пропускная способность определяется как максимальное число ВС, одновременно обслуживаемых данными устройствами и системами.

Быстродействие определяется временем, которое затрачивается на получение навигационной информации. На дозвуковых ВС время, затрачиваемое на определение местоположения ВС, не должно превышать 1 мин при интервале между измерениями не более 10 мин.

Надежность характеризует свойство радионавигационных систем и устройств сохранять тактические параметры (в первую очередь точность) в заданных пределах при определенных условиях эксплуатации. В качестве показателей надежности используют вероятность и среднее время безотказной работы. Первый из этих параметров характеризует вероятность того, что данное РНУ и РНС в течение заданного времени сохранит свои показатели в пределах допусков. Среднее время безотказной работы есть статистическая характеристика времени между отказами устройства или системы.

Помехоустойчивосгь характеризует возможность радионавигационных устройств и систем работы в условиях радиопомех и характеризуется отношением сигнал-помеха (обычно по напряжению), при котором погрешность навигационного параметра не превышает выбранного значения.

Уровень автоматизации определяет загрузку экипажа навигационными расчетами и пилотированием ВС и зависит от методов обработки информации в системах, входящих в состав навигационнопосадочного комплекса. В зависимости от уровня автоматизации различают комбинированные, командные и автоматические комплексы. В комбинированных комплексах частично автоматизированы процессы обработки информации от нескольких датчиков (РНУ) и в них не вырабатываются команды по управлению ВС.

Командными, или полуавтоматическими, называют комплексы, в которых автоматизированы процессы обработки, обобщения и сравнения информации. Они предназначены для получения командных (директорных) сигналов, необходимых для вывода ВС на заданную траекторию. Автоматические комплексы обеспечивают полностью автоматический полет и посадку ВС.

Эксплуатационная эффективность характеризуется средними затратами времени на настройку, регулировку и обслуживание РНУ и РИС по сравнению с временем использования их по назначению.

Масса и габаритные размеры бортовых радионавигационных устройств систем являются параметрами, определяющими рентабельность ВС.

Технические параметрыпредставляют совокупность величин, характеризующих технические средства, необходимые для получения тактических параметров. К числу технических параметров относятся: величина и стабильность несущей частоты, вид и параметры модуляции излучаемых (принимаемых) колебаний, диаграммы направленности антенн, мощность передатчика, чувствительность приемника, надежность аппаратуры и др.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАДИОНАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЛЕТОВ

Радиолокационные и радионавигационные системы. Физические основы радиолокации и радионавигации. Информативный параметр сигнала , страница 2

Как РЛС, так и РНС обычно используются в качестве датчиков информации в более сложных структурных образованиях – комплексах.

Комплекс – предназначенная для решения заданной группы тактических задач, совокупность функционально связанных датчиков, систем и устройств, работающих на различных технических и физических принципах.

Тактическая задача – достижение определенного «положительного» эффекта, например задача определения координат огневой позиции противника; координат наземных движущихся целей; определения координат своего местоположения; обеспечения полета и посадки самолета и т.п.

В состав комплекса (рис. 1) входят следующие основные системы:

система датчиков информации (СДИ), состоящая из радиоэлектронных устройств и систем (в том числе РЛС и РНС), а также из нерадиотехнических датчиков (например, инерциальных систем, курсовых систем и др.);

вычислительная система (ВС), состоящая из одной или нескольких центральных электронных вычислительных машин (ЭВМ) или из специализированных вычислителей, закрепленных за отдельными датчиками или группами датчиков. Эта система обрабатывает информацию датчиков, преобразуя ее в сигналы для внешних систем (например, системы управления объектом) и индикаторов;

система обмена информацией (СОИ), состоящая из кабельных и других устройств связи между элементами комплекса;

система индикации и управления (СИУ), представляющая собой связующее звено между человеком-оператором и комплексом;

система контроля (СК), предназначенная для исключения возможности использования комплекса с неисправными датчиками и системами.

Рис.1. Обобщенная структурная схема комплекса

Применение РЛС и РНС в качестве одного из элементов комплекса требует системного подхода к анализу их характеристик, результатом которого в ряде случаев может быть снижение требований, например, к точности и надежности РЛС и РНС,а следовательно, возможность их упрощения и уменьшения стоимости.

Физические основы радиолокации и радионавигации. Информативный параметр сигнала. Информация о геометрических элементах W, характеризующих положение объекта (цели), в РЛС и РНС закодирована в параметрах принимаемого сигнала, представляющего собой электромагнитное поле. Параметр радиосигнала, в котором содержится информация о W, называется информативным. В общем случае электромагнитное поле в точке приема является одновременно функцией времени и координат пространства. Поэтому информативными параметрами такого сигнала могут быть как его время прихода, частота, начальная фаза или амплитуда, так и направление прихода сигнала (два угла в пространстве) и параметры поляризации поля.

В ряде практически важных ситуаций амплитуда (или мощность) принимаемого сигнала мала, а сам сигнал имеет параметры, измененные случайным образом. Малая мощность сигнала объясняется большим расстоянием до объекта (цели) и поглощением энергии сигнала при его распространении. В РЛС интенсивность сигнала существенно уменьшается при отражении от целей, имеющих размеры соизмеримые с длиной волны излучаемого сигнала. Случайный характер сигнала – следствие случайных изменений амплитуды сигнала при распространении; флуктуации сигнала при отражении от цели; случайного перемещения одних элементов, излучающих или отражающих радиоволны, относительно других элементов; многолучевого распространения радиоволн и других подобных факторов. В результате принимаемый сигнал по характеру и интенсивности становится подобным шумам и помехам в приемном тракте. Поэтому первой задачей большинства РЛУ и РНУ является обнаружение полезного радиосигнала, т.е. вынесение решения о присутствии сигнала в поступающей на вход приемного тракта смеси полезного сигнала с помехами, называемой входной реализацией. Эта статистическая задача решается входящим в РЛУ или РНУ обнаружителем – специальным устройством, которое использует один из алгоритмов, основанных на оптимальном или квазиоптимальном критерии обнаружения. Качество процесса обнаружения характеризуют вероятностью правильного обнаружения D, т.е. вероятностью действительного обнаружения полезного сигнала, присутствующего во входной реализации, и вероятностью ложной тревоги F, когда за полезный сигнал принимается помеха, а сам сигнал отсутствует. Обнаружитель тем лучше, чем большую величину имеет вероятность D, а F– меньшую.