Лекция1 експлоатационни и технически характеристики на радиолокационните станции за управление на въздушното движение



Дата22.12.2018
Размер0.5 Mb.
#109299


Лекция1

ЕКСПЛОАТАЦИОННИ И ТЕХНИЧЕСКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАДИОЛОКАЦИОННИТЕ СТАНЦИИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ВЪЗДУШНОТО ДВИЖЕНИЕ.

Ц.С.Карагьозов


Увод

Управлението на въздушното движение в съвременните условия е свързано с използването на сложно радиоелектронно оборудване, предназначено за получаване, предаване, обработка и изобразяване на координатна и допълнителна информация за въздухоплавателните средства в контролираното пространство.

Сред радиотехническите средства, използвани за управление на въздушното движение (УВД), важно място заемат радиолокационните средства, в това число и радиолокационните станции (РЛС) и комплекси.

Радиолокационните методи за наблюдение на въздушните обекти (цели) се базират на използването на следните физически явления:



  • отразяване или преизлъчване на радиовълните от облъчваните обекти;

  • постоянство на скоростта на разпространение на радиовълните в еднородна среда;

  • ефект на Доплер, заключаващ се в това, че честотата на отразения сигнал се различава от честотата на сондиращия сигнал; при това големината и знака на тази разлика зависи от скоростта и направлението на движение на облъчвания обект, относно положението на РЛС.

Процесът на радиолокационното наблюдение включва:

  • откриване на целта – вземане на решение за наличие на сигнал от целта;

  • измерване – оценка на текущите координати и параметрите на движение;

  • разпознаване, опознаване и получаване на друга, допълнителна информация – определяне на вида на целта по характеристиките на отразения сигнал, определяне на държавната принадлежност и номера на полета, получаване на информация за наличието на гориво и др.

В радиотехническите средства за УВД се използват два вида радиолокация – с пасивен и активен отговор.

При радиолокацията с пасивен отговор, радиолокационните сигнали, носещи координатна информация, се формират в резултат от отразяване от обекта на излъчените от РЛС сондиращи високочестотни (ВЧ) сигнали. РЛС, използващи този вид радиолокация, се наричат първични РЛС (ПРЛС).

При радиолокацията с активен отговор, радиолокационните сигнали, носещи координатна и допълнителна информация, се формират като отговор от обекта на запитване, излъчено от наземната РЛС. РЛС, използващи този вид радиолокация, се наричат вторични РЛС (ВРЛС).

Експлоатационните и техническите характеристики представляват съвкупност от величини, характеризиращи качеството на РЛС.



1. ЕКСПЛОАТАЦИОННИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РЛС

Експлоатационните характеристики определят предназначението и възможностите на РЛС. Най - важните от тях са:

- област на обзора (работна област);

-разрешаваща способност;

-точност;

-шумоустойчивост;

-пропускателна способност;

-надеждност;

-експлоатационна ефективност.
1.1.Област на обзора

Това е област от пространството, в пределите на която цел с определени отразяващи свойства може да бъде открита с вероятности за правилно откриване и лъжлива тревога, не по – лоши от зададените. Този най – важен параметър на РЛС се характеризира с максимално и минимално разстояние на откриване и с големина на секторите на откриване по азимут и ъгъл на място (понякога тази област се нарича още област на откриване). Тук също така може да се използва понятието работна област, т.е. област от пространството, в която грешката на определяне на местоположението на целта с РЛС с известна вероятност, не превишава зададената такава.


1.2.Разрешаваща способност

С този параметър се оценява възможността за разделно определяне на координатите на близко разположени обекти (цели). Мярка за разрешаваща способност по разстояние е минималното разстояние δR между два обекта O1 и O2 с еднакви ъглови координати α, β, при което са възможни разделно откриване и измерване на разстоянието до тези обекти (фиг.1).



Фиг.1.Разрешаваща способност по разстояние и азимут


Мярката за разрешаваща способност по ъглова координата е минималната разлика в ъгловите координати δα (δβ) на обектите O2 и O3 с еднакви R,α (R,β), при което са възможни разделно откриване и измерване на другата ъглова координата. В този смисъл може да се говори за разрешаваща способност по азимут или по ъгъл на място.

Мярката за разрешаваща способност по скорост δV е минималната разлика в скоростите на обекти с еднакви координати R,α, β, при което е възможно разделно откриване и измерване на скоростите на тези обекти.

Желаната разрешаваща способност се постига чрез подходящ избор на параметрите на сондиращия сигнал и на антенната система.
1.3.Точност

Този параметър отразява близостта на резултата от измерването към истинското значение на измерваната величина и се характеризира с големината на систематическите и случайните грешки. Систематическите грешки се обуславят от закономерни фактори и, следователно, могат да бъдат оценени и отстранени или компенсирани. Случайните грешки се предизвикват от голям брой фактори , които не се поддават на точно отчитане и въздействат на всяко отделно измерване по различен начин. Затова обикновено се счита, че те са разпределени по гаусов (нормален) закон (фиг.2):



(1)

където σ2 е дисперсията на случайната величина на грешката x.

В качеството на мярка за точност може да бъде приета средноквадратическата σ, срединната (вероятната) δ, или максималната xmax грешка (фиг.3).

Фиг.2. Плътност на разпределение на вероятностите на случайните грешки на измерванията



Средноквадратическата грешка се изчислява като корен квадратен от дисперсията на резултатите от измерванията. Вероятността за това, че вероятността за грешка няма да превиши σ при гаусово разпределение, е равна на 0,683. В международната практика често се използва удвоеното значение на средноквадратическата грешка 2σ. При това 95% от всички измервания имат грешка, непревишаваща 2σ. За системи с повишена точност обикновено се приема максималната грешка 3σ. В този случай 99.7% от всички измервания имат грешка, не по-голяма от 3σ.

Срединната (вероятната) грешка е свързана със средноквадратическата грешка при гаусово разпределение на грешките със съотношението δ = 0,67449σ. Вероятността за това,че грешката от измерванията по абсолютна величина ще бъде по-малка или по – голяма от δ, е равна на 0,5.
1.4.Шумоустойчивост

Това е способността на РЛС да открива сигналите и да получава информация за местоположението на обектите (целите) с необходимата вероятност и точност при въздействие на изкуствени или естествени радиосмущения от определен тип. Мярката за шумоустойчивост е пределното значение на един от параметрите на смущението (напр., мощността) при постоянство на останалите му характерисрики , при което РЛС запазва своята работоспособност.



1.5.Пропускателна способност

Това е способността на РЛС да осигурява едновременна работа с определен брой обекти. Например, като мярка за пропускателна способност може да се използва количеството едновременно съпровождани или едновременно управлявани обекти.


1.6.Надеждност

Това е способността на РЛС да поддържа тактическите си параметри в зададени граници при зададени условия на експлоатация в течение на необходим интервал от време. Изменението на състоянието на системата, което се съпровожда със загуба на тази способност(загуба на работоспособност), се нарича отказ. Често използвани показатели на надеждността са вероятността за безотказна работа (в зададен интервал от време) и наработката до отказ.


1.7.Експлоатационна ефективност

Този параметър се дефинира като отношение на времето,през което РЛС се използва по назначение Тизп към сумарното изгубено време за регулировки Трег, настройки Тнастр, обслужване Тобсл и ремонт Трем:



Еф = Тизп / (Трег+ Тнастр+ Тобсл+ Трем.) (2)

2.ТЕХНИЧЕСКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ПАРАМЕТРИ) НА РЛС
Техническите характеристики (параметри) на РЛС характеризират техническите средства, необходими за осигуряване на зададените тактически параметри.По - важните от тях са:

  • вид на излъчваните колебания и тяхната модулация;

  • параметри на сигналите (дължина на вълната, период и честота на повторение, мощност, форма и продължителност на импулсите);

  • форма и ъглови размери на диаграмата на насоченост, коефициент на насочено действие (КНД) на антената;

  • методи на оглеждане (обзор) на контролираното пространство;

  • методи на измерване на координатите;

  • скорост на обзора и време за обновяване на информацията;

  • чувствителност на приемното устройство;

  • вид на изходната информация и изходните устройства за изобразяване и представяне на информацията.

Отклонението на който и да е технически параметър от зададеното му значение оказва влияние върху определен тактически параметър (или група тактически параметри), което може да предизвика отказ на РЛС.
2.1. Вид на излъчваните колебания.

В радиолокацията се използва непрекъснато и импулсно излъчване на електромагнитна енергия.

При непрекъснатия метод на излъчване се излъчват незатихващи колебания с висока честота, които могат да бъдат модулирани или немодулирани.

Незатихващи, немодулирани колебания се наричат хармоничните колебания с постоянна амплитуда, честота и фаза.

Незатихващи, модулирани колебания се наричат тези колебания, при които амплитудата, честотата или фазата се изменят по определен закон.

При импулсния метод на излъчване високочестотните колебания се генерират и излъчват в периодически повтарящи се кратки промеждутъци от време, т.е. енергията се излъчва на импулси, ограничени по амплитуда и продължителност. Импулсната модулация на високочестотните колебания се нарича още манипулация. Импулсите, запълнени с колебания в диапазона на радиочестотите, се наричат радиоимпулси (Фиг. 3).


Фиг.3. Радиоимпулси

Аналитически периодичната последователност от радиоимпулси може да бъде представена във вида:

, (3)

където f(t-tk) е функцията, описваща отделния радиоимпулс, а



tk = to + k.T;

f(t) = u(t).sin2.π.fc.t, tk < t < tk +τ.

В крайното устройство на приемника радиоимпулсите се преобразуват във видеоимпулси, повтарящи по форма тяхната обвиваща.

Радиоимпулсите, формирани без вътрешноимпулсна честотна или фазова модулация (манипулация), се наричат радиосигнали с проста форма.

Радиоимпулсите, формирани с използването на вътрешноимпулсна честотна или фазова модулация (манипулация), се наричат радиосигнали със сложна форма.

Използваната честотна модулация най-често е линейна:

fc(t) = fo + k.T, to < t < to +τ, (4)

а k е цяло, положително или отрицателно число, характеризиращо скоростта на изменение на носещата честота в рамките на продължителността на радиосигнала.

Фазовата модулация в радиоимпулсите се извършва чрез дискретно изменение на фазата и затова се нарича манипулация. За тази цел радиосигналът с продължителност τ се разбива на n елементарни временни интервала, като във всеки следващ интервал фазата на носещото колебание се променя по определен закон. По този начин сложният фазовоманипулиран радиосигнал се състои от n прости сигнала. Най-често се използва законът за изменение на фазата на 1800 или 900 (Фиг.4).

Фиг. 4. Фазова вътрешноимпулсна модулация

В радиолокацията се използват кохерентни и некохеретни колебания. Физическият смисъл на понятието кохеретност (от латински – coherentia – сцепление, връзка) се заключава в запазването на постоянно съотношение между фазите на хармоничните колебания във времето.

Две хармонични колебания се наричат кохерентни, ако разликата във фазите им във времето за наблюдение е постоянна:

φ(t1) = ∆φ(t1+TН)

Ясно е, че необходимо и достатъчно условие за кохерентност на две хармонични колебания е те да имат еднаква честота и тази честота да е стабилна във времето.

За кохеретността на едно колебание се съди по стабилността на неговата честота.

За една РЛС, например, сондиращите радиосигнали може да са кохерентни помежду си, но отразените радиосигнали не са такива предвид изменението на честотата им, предизвикано от ефекта на Доплер. При това двата сигнала са некохерентни помежду си.


2.2. Параметри на излъчваните радиосигнали.

Дължина на вълната. Тя зависи от назначението на РЛС и съществено влияе на нейните експлоатационни характеристики. Обзорните РЛС, имащи за основна задача далечно откриване на целите, работят в дециметровия диапазон (10 – 35 cm). Една от причините за използване на този диапазон в случая е сравнително по-малкото затихване на електромагнитната енергия при овлажняване на атмосферата (облачност, дъжд и др.), отколкото за сантиметровия диапазон. Другата причина за използване на дециметровия диапазон в обзорните РЛС е, че към тях не се предявяват големи изисквания относно разрешаващата им способност по разстояние и азимут. Затова тук няма необходимост от създаване на тесни диаграми на насоченост и излъчване на радиоимпулси с малка продължителност. Споменатите обзорни РЛС имат диаграми на насоченост с широчина 2 – 30 при размер на антената 10 – 18 m в хоризонтална плоскост, а продължителността на излъчваните радиосигнали е 1 – 2 μs.

Сантиметровият диапазон на радиовълните се използва при РЛС за близка навигация и кацане. При тях е задължителна високата разрешаваща способност по ъгъл и разстояние. Затова диаграмите на курсовата (азимуталната) и глисадната (ъгломестната) антени имат ширина на главния лист по-малка от 1 градус, а продължителността на радиоимпулса е по-малка от 1 μs.



Период и честота на повторение на импулсите.

Разчетната величина на периода на повторение на импулсите ТП се определя от сътоношението:



(5)

На практика периодът на повторение се приема да бъде с 25% повече от неговата разчетна стойност. Това е свързано с необходимостта да се осигури време за връщане (обратен ход) на развиващия лъч на електронно-лъчевата тръба на индикатора от периферията към центъра на същия. В противен случай импулсите, отразени от близки цели, няма да бъдат изобразени на индикатора. Отчитайки това изискване:



; (6)

. (7)

Последният израз определя минималната честота на повторение на сондиращите радиоимпулси.



Мощност на импулсните колебания.

Мощността на импулсните високочестотни (носещи) колебания РИ на предавателя на РЛС се определя като количество на излъчената енергия Е за единица време.

РИ = Е / τ, (8)

където τ е продължителността на радиоимпулса. Тя се измерва във ватове.

Пикова импулсна мощност се нарича максималната мощност в импулса с неправилна форма

РПИК = Рmax. (9)

Импулсна (средна) мощност се нарича усреднената за времето на действие на импулса мощност

, (10)

където p(t) е текущата (мигновена) мощност в импулса.

При обвиваща на радиоимпулса u(t) действащото значение на напрежението в пределите на всеки период на колебанията, запълващи импулса, е равно на .

Затова мощността, отделена върху 1 Ω съпротивление, ще бъде



. (11)

Широко се използва още и характеристиката средна мощност на излъчване за един период на повторение на сондиращите импулси



. (12)

Понятията пикова (максимална), импулсна (средна) и средна мощност на излъчване за импулси с неправилна форма на обвиващата са онагледени на фиг. 5.


Фиг. 5. Параметри на импулсите.

За импулси с правоъгълна форма

PИ = Pmax. (13)

Това съотношение може да се разпростре и за импулси с неправилна форма, но при условие, че се въведе понятието еквивалентна продължителност на импулса τЕКВ (вж. фиг.5).

Величината к3 = τ / ТП се нарича коефициент на запълване на импулсите, а реципрочната й стойност Q = 1 / к3скважност (коефициент на разреденост). Очевидно е, че

PСР = PИ . кЗАП = PИ / Q. (14)

Даже при големи импулсни мощности средната мощност на излъчване е значително малка, т.к. обикноивено к3 = 0.04 – 0.0005.

Например, ако Rmax = 600 km, PИ = 1.2 MW и τ = 3 μs, ще имаме:

- период на повторение



;

- средна мощност на излъчване





2.2Форма на импулсите.

Формата на обвиващата на радиоимпулсите се характеризира с три негови параметъра – амплитуда, продължителност на предния фронт и продължителност на задния фронт.

Както вече бе споменато, амплитудата на обвиващата определя пиковата импулсна мощност. Продължителността на предния фронт на импулса влияе на точността на определяне на разстоянието до целта. Колкото е по-стръмен предният фронт, толкова по-точно ще бъде определен момента на пристигане на отразения сигнал. Това обаче е свързано задължително с разширяване на честотната лента на приемника, т.к. импулсите със стръмен преден фронт и малка продължителност имат по-широк честотен спектър.
2.3. Форма и размери на диаграмата на насоченост на антената (ДНА)

Формата на ДНА се избира при проектирането на РЛС.

Обикновено формата на ДНА в хоризонтална плоскост е игловидна и симетрична. Тясната ДНА е необходима за по-висока разрешаваща способност по азимут, а така също за концентрация на енергията с цел увеличаване на далечината на действие при ограничена мощност на предавателнто устройство.

Във вертикална плоскост обзорните РЛС за гражданска авиация имат несиметрични ДНА. Това е свързано със специфичните условия за наблюдение – продължително наблюдение на цели, летящи хоризонтално (на постоянна височина). При тези условия е необходимо вероятността за откриване да бъде сравнително неизменна за времето за наблюдение. Това изискване се удовлетворява, ако ДНА има хоризонтална горна площадка, а мощността на приетия отразен сигнал РПР да не зависи от разстоянието до целта. ДНА, удовлетворяваща тези изисквания, е показана на фиг.6.


Фиг. 6. Косекансквадратна ДНА

За този вид ДН

FE(ε) = k . cosec ε; (15)

FP(ε) = k . cosec2 ε. (16)
2.4. Методи за измерване на координатите

За измерване на разстоянието съществуват три основни метода:



  • импулсен;

  • честотен;

  • фазов.

Импулсният метод за измерване на разстоянието до целта се заключава в измерването на времето (закъснението) между момента на излъчване на сондиращия радиоимпулс и момента на пристигане на отразения радиоимпулс:

tЗ = 2 . R / с;

R = 1/2 . tЗ . c

Приемайки с = 3 . 108 m/s, ще получим:



R = 150 . tЗ (17)

където R се измерва в метри, а tЗ – в μs.

При непрекъснато излъчване, разстоянието се определя по честотния или фазовия метод.

При честотния метод разстоянието се определя чрез косвено измерване на времето за задръжка. За целта излъчваното хармонично колебание се подлага на линейна честотна модулация. Ако честотата на излъчване се изменя на величина ±∆f от средната честота f0 със скорост Vf, то излъченият в момента t непрекъснат сигнал има честота



fИЗЛ = f0 ± Vf . t, (18)

а в момента на приемането отразеният, непрекъснат сигнал има честота



fПР = f0 ± Vf . (t + tЗАК). (19)

Ако двата сигнала се смесят, полученият резултиращ сигнал е с честота на биене



fб = | fИЗЛ - fПР |, (20)

зависеща от закъснението на отразения сигнал, т.е. от разстоянието до целта, което се определя от израза:



, (21)

където ТМ е периодът на линейна честотна модулация.

Фазовият метод за определяне на разстоянието е възможно да се използва както при импулсното, така и при непрекъснатото излъчване. Този метод се основава на това, че фазата на приетия сигнал се различава от фазата на излъчения:

φ = φПР – φИЗЛ;

φ = 2 . π . f0 . (tПРtИЗЛ) = 2 . π . f0 . tз. (22)

В гражданската авиация са намерили приложение временният и честотният методи за измерване на разстояние. Първият – в наземните и бордовите РЛС, вторият – в бордовите радиовисотомери (измерители на височина.

В обзорните РЛС на гражданската авиация се измерва само една ъглова координата – азимут. Направлението към целта в азимуталната (равнинната) плоскост може да бъде определено по амплитудния и фазовия метод.

Амплитудните методи за пеленгация са широко известни, затова тук само ще бъдат споменати:



  • метод на максимума:

  • метод на минимума;

  • метод на сравняването.

При фазовия метод на пеленгация се измерва разликата между фазите на отразените сигнали, приемани от две приемни антени, разположени в точки А и Б (фиг. 7).

Фиг. 7. Фазов метод на пеленгация.

Ако целта се намира под ъгъл 900 спрямо линията на базата d, разстоянията от целта до двете антени R1 и R2 са равни и фазовата разлика между приетите в двете антени сигнали ще бъде равна на нула. В този момент направлението 900 спрямо базата съответства на азимута на целта. В противен случай разликата във фазите на двата сигнала ще зависи от R = |R1R2|:

φ = φ1φ2 = 2 . π . f . ∆t, (23)

където ∆t е разликата във времето на приемане на отразения сигнал в двете антени.Тази разлика е:

.

Известно е, че f = c / λ, затова:



. (24)

Т.к. R = d . sinα, окончателно



;

;

. (25)

РЛС, използващи този принцип, могат да осигурят висока точност, но са сложни по конструкция.


2.5. Скорост на обзора, количество на отразените импулси и време за обновяване на информацията

Ъгловата скорост на обзора на пространството Ω се задава с отчитане на необходимия брой отразени радиоимпулси М, които трябва да бъдат получени от целта за едно преминаване на ДНА за осигуряване на желаната вероятност за откриване.М зависи от честотата на повторение FП и времето за наблюдение (облъчване) на целта tН:



М = FП . tН. (26)

От своя страна



, (27)

където Θ е ширината на ДНА.

Времето за обновяване на информацията е времето между две последователни откривания на целта.

, (28)

където φ е големината на сектора на обзора в градуси или радиани.


2.6.Обобщена техническа характеристика на РЛС

Обобщената техническа характеристика на РЛС е вектор, чиито съставящи са изброените по – горе технически характеристики. Намирането на оптималния в определен смисъл вектор на обобщената техническа характеристика на РЛС е основната задача на проектирането на РЛС.


2.7. Изходни устройства и вид на изходната информация

Изходното устройство извършва преобразуване на видеосигналите от приемника на РЛС във вид, необходим за последващото им използване.

За разлика от радиоприемното устройство, в което се извършва обработка (филтрация) на единични импулси с цел получаване на възможно по-високо отношение на мощността на полезния сигнал, изходните устройства при обработка на сигналите могат да използват признака периодичност на сигналите в пачката отразени импулси. Тази особеност позволява да се извършва натрупване на сигналите за подобряване на характеристиките на търсене на целите, изваждане на сигналите за откриване на движещи се цели и “очистване” на сигналите от хаотични и несинхронни смущения.

Изходните устройства се подразделят на аналогови и цифрови.

В аналоговите изходни устройства видеосигналите от приемника се използват без допълнителни преобразувания. В качеството на такова устройство се използва индикатор, ако е разположен в непосредствена близост до приемника.

При разположение на КПД и системата за изобразяване на голямо разстояние от РЛС видеоинформацията може да бъде пренесена по широколентов кабел или по радиорелейна линия в непреобразуван, т.е. в аналогов вид.

В този случай, обаче, изходните устройства на РЛС са усилватели и устройства за уплътняване на информацията, подготвящи я за предаване по съответния съобщителен канал.

Цифровите изходни устройства са предназначени за преобразуване на видеосигналите в кодирана форма за предаването им към апаратурата за обработка на информацията и индикаторните устройства или в АС за УВД. Цифровите устройства за обработка използват предимно двоична бройна система.Изходното напрежение от видеоусилвателя на приемника се дискретизира във времето и се квантова по амплитуда в устройствата за автоматично снемане на координатите. След откриването на сигнала се приписват съответстващите на момента на откриването разстояние и ъглова координата в двоичен код, които се снемат за предаване от изходното устройство на РЛС. Тази информация се предава на КДП по теснолентови кабелни или телефонни линии в цифров вид.



Литература:

1.П.А.Бакулев. Радиолокационньiе системьi. Учебник для ВУЗов. М., „Радиотехника”, 2004.

2.Н.Т.Тучков,В. Г. Лаптев. Эксплуатационно-технические характеристики РЛС управления воздушным движение. Учебное пособие, 1982 г.

3.М. И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М, Радио и связь, 1983г.





Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Търсене на живот във вселената увод
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница