Глава 4. Навигационные характеристики рлс.

Навигационные характеристики морских РЛС определяют возможности их применения для решения навигационных задач как самостоятельно, так и во взаимодействии с другими радиоэлектрон­ными средствами. К навигационным характеристикам, прежде всего, относятся:

-радиолокационное определение места судна;

-максимальная дальность действия;

-минимальная дальность действия;

-разрешающая способность по определяемым координатам;

-точность измерения определяемых координат;

-частота поступления информации;

-электромагнитная совместимость и др.

Рассмотрим основные из вышеприведенных характеристик

.1. Радиолокационное определение места судна.

В отличие от других радионавигационных систем, включая спутниковые радионавигационные системы, судовая РЛС - автономный прибор, обычно не требующий каких-либо дополнительных береговых устройств или околоземных спутников. Однако это ни в коем случае не дает права считать РЛС прибором, заменяющим другие радио­технические средства определения координат судна, т.к. РЛС является навигационным уст­ройством исключительно ближнего радиуса действия.

РЛС, воспроизводя на экране план местности, позволяет объек­тивно и с высокой точностью оценить положение судна относительно берегов или отдельно лежащих надводных опасностей. Она позволяет определять место судна, как по пеленгам отметок наблюдаемых объектов, так и по расстояниям до них, а также в совмещенном варианте - по пеленгу и расстоянию. Однако пользоваться радиолокационными пеленгами не рекомендуется: способ пеленга и расстояния всегда будет точнее, чем способ двух или даже трех пеленгов. Когда отметка пригодна для пеленгования, то до нее всегда можно из­мерить расстояние. В то же время отметки объектов, годные для измерения рас­стояния до них, часто оказываются непригодными для пеленгования. Поэтому из большего числа возможных методов радиолокационных определений места суд­на можно рекомендовать лишь следующие:

• по двум или трем расстояниям;

• по визуальному пеленгу и радиолокационному расстоянию;

• по крюйс - расстоянию;

• по нескольким радиолокационным пеленгам и расстояниям (для дальних наблюдений в качестве ориентации, но не определения места).

Любые другие варианты использования визирного и дальномерного устройства радиолокатора не имеют практической ценности и ус­тупают в точности перечисленным.

.2.Максимальная дальность действия Dmax.

В соответствии с требованиями Международной Морской Организации

(1МО), Резолюция ИМО.MSC.192(79), п.5., при нормальных условиях распространения радиоволн, высоте установки антенны РЛС 15м над уровнем воды и при отсутствии помех от моря, РЛС должна обеспечивать четкую индикацию:

1. Береговой черты: при высоте берега до 60 м — на расстоянии до 20 морских миль; при высоте берега до 6 м — на расстоянии до 8 морских миль и высоте 3 м – на расстоянии 6 морских миль ( в обоих частотных диапазонах);

2. Надводных объектов:

- судов валовой вместимостью > 5000 т— на расстоянии 11 морских миль независимо от ракурса (в обоих диапазонах);

- валовой вместимостью >500 т – на расстоянии 8 морских миль (для обоих диапазонов);

- небольшого судна длиной 10м - на расстоянии ,3,4 морских миль для X-band и 3,0 для S-band;

- малые суда с радиолокационным отражателем – 5,0 морских миль для X-band и 3,7 для S-band;

3.Навигационные буи:

- типовой навигационный буй – на расстоянии 4,6 морских миль для X-band и 3,0 – для S-band;

- навигационный буй с уголковым отражателем – 4,9 морских миль для X-band и 3,6 – для S-band.

Способность определять дальность, измеряя время распространения сигнала до цели и обратно является основной и наиболее важной характеристикой РЛС.

Максимальная дальность действия (Dmax) определяется наибольшим рас­стоянием, на котором возможно обна­ружение объектов и измерение их ко­ординат. Обнаружение конкретных объектов (берега, судов, буев и т. д.) происходит на различных расстояниях, величина которых указывается для данной РЛС в её паспортных данных с учетом высоты установ­ки антенны и вероятности обнару­жения объекта (обычно равной 0,5).

Зависимость дальности от технических параметров РЛС и отражающих свойств объектов выражается через уравнение максимальной энергетической дальности при условии, что атмосфера однородна и отсутствует затухание электромагнитных волн:

, (1.7)

где Ри –импульсная мощность, Вт;

Рпр – предельная чувствительность приемника, Вт;

SA - эффективная площадь антенны, кв.м.;

SЭ - эффективная отражающая площадь объекта, кв.м.;

λ - длина волны, м.

Эффективная площадь антенны SA и коэффициент направленности антенны GA взаимосвязаны между собой:

GA = 4π∙SA/λ², (1.8)

поскольку коэффициент направленности антенны определяется её эффективной площадью.

Из уравнения максимальной энергетической дальности видно, что даль­ность действия РЛС может быть уве­личена только при значительном уве­личении импульсной мощности пере­датчика или чувствительности прием­ника, так как связана с этими величина­ми через корень четвертой степени. Эффективная площадь отражающего объекта оказывает незначительное влияние, т. е. дальность изменяется не­существенно при обнаружении малых и больших объектов. Наиболее суще­ственными факторами, позволяющими увеличить дальность действия РЛС, являются эффективная площадь антен­ны SA и длина волны λ.

При постоянной длине волны уве­личение эффективной площади антен­ны увеличивает усиление антенны (су­жается ее ширина луча) и, следова­тельно, возрастает дальность действия РЛС. При сохранении размеров антен­ны укорочение длины волны также увеличивает концентрацию энергии антенной, а в результате и «дально­бойность» РЛС (при условии, что вол­ны данной длины поглощаются атмо­сферой еще незначительно).

Увеличение импульсной мощности излучения или повышение чувствитель­ности приемника, как это видно из уравнения равноценно. В реаль­ных же условиях следует иметь в ви­ду, что при уменьшении импульсной мощности передатчика повышать чув­ствительность приемника можно до определенного уровня. В противном случае при сохранении максимальной дальности РЛС она будет подвержена в большей степени помехам, особен­но — от соседних РЛС с нормальной мощностью излучения. Повышать им­пульсную мощность при уменьшении длительности импульсов и сохранении средней мощности излучения также нецелесообразно из-за необходимости расширения при этом полосы пропус­кания приемника, т. е. из-за возраста­ния уровня его шумов. Максимальная дальность РЛС связана также с часто­той повторения импульсов.

Чем больше Dmax тем ниже долж­на быть частота повторения, т. е. реже должны излучаться импульсы передат­чиком. Если отраженные импульсы от самых удаленных объектов будут воз­вращаться до посылки следующего зондирующего импульса, то измерение расстояния до этих объектов будет осуществляться нормально. При задан­ной частоте повторения импульсов максимальная дальность будет опреде­лять и частоту вращения антенны. В РЛС с большей дальностью антенна должна вращаться медленнее, так как в противном случае возможны будут пропуски в обнаружении дальних объ­ектов.

В реальных условиях на дальность действия оказывают влияние от­ражения радиоволн от водной поверх­ности и условия их распространения в атмосфере. От РЛС к объекту (и об­ратно) радиоволны распространяются двумя путями: непосредственно по прямой и путем промежуточного отра­жения от водной поверхности. В ре­зультате сложения двух волн с произ­вольными относительно друг друга фазами суммарный сигнал может по­лучаться различной амплитуды. В ито­ге диаграмма направленности в верти­кальной плоскости, имеющая один сплошной лепесток, превращается в многолепестковую. Поэтому в отдель­ных вертикальных направлениях уро­вень сигнала падает до нуля и объек­ты, оказывающиеся в этих секторах, не обнаруживаются. Это явление при­водит к тому, что на сантиметровых волнах при высоте установки антенны до 15...20 м на ближних расстояниях происходит более резкое уменьшение дальности обнаружения низкорасполо­женных объектов по сравнению с ука­занным в уравнении дальности.

Кроме того, на дальность оказывает влияние сферичность (кривизна) Земли Влияние на дальность действия РЛС кривизны Земли оцени­вается дальностью видимости (оптическим горизонтом), равной при­менительно к РЛС

Dг=3,7 (√ h1 +√ h2) , (1.9)

где Dг – максимальная геометрическая дальность или дальность радиолокационного наблюдения, км;

h. — высота антенны РЛС, м;

h2 — высота объекта, м

В связи с прямолинейным распространением радиоволн влияние кривизны Земли эквивалентно уменьшению высоты антенны РЛС и объекта. Отражение электромагнитных волн происходит не от плос­кой, а от выпуклой поверхности, поэтому наблюдается рассеяние отраженных лучей. Все это ведет к ослаблению мощности прини­маемых отраженных сигналов.

Распространение электромагнитных волн радиолокационного диапазона происходит в нижних слоях атмосферы — тропосфере. Влияние тропосферы сказывается на искривлении прямолинейного направления луча, обусловленного влиянием атмосферной рефрак­ции. Кроме того, в тропосфере происходят поглощение и рассея­ние электромагнитной энергии (особенно сантиметровых и милли­метровых волн).

В стандартной атмосфере, как уже указывалось выше, наблю­дается нормальная атмосферная рефракция. При этом дальность радиолокационного горизонта (в км) увеличивается по сравнению с дальностью оптической видимости и определяется как

Dг = 4,12 (√ h1 + √ h2 ) (1.10)

Если с увеличением высоты температура воздуха повышается (температурная инверсия) или резrо убывает влажность, изгиб тра­ектории радиолучей увеличивается. В этом случае радиоволны бу­дут распространяться вдоль Земли — явление сверхрефракции, и дальность действия РЛС значительно возрастает.

Например, в экваториальных широтах возможен прием ложных эхо-сигналов, вызванных отражениями от объектов, находящихся' на расстояниях сотен миль.

Наоборот, при увеличении влажности воздуха с высотой или резком падении температуры может возникнуть субрефракция (по­ниженная рефракция), что вызовет искривление радиолучей в сто­рону от Земли. Субрефракция уменьшает дальность действия РЛС. В частности, дальность обнаружения мелких судов сокраща­ется на 30—40%. Субрефракция возникает при перемещении над теплой поверхностью моря холодной массы воздуха, что часто наб­людается в полярных районах.

На дальность действия РЛС оказывает влияние и затухание радиоволн. Оно происходит из-за поглощения и рассеяния элек­тромагнитной энергии газами атмосферы, гидрометеорами (дождь, туман, снег и т. п.); это особенно ощутимо на волнах короче10см.

Таким образом, дальность действия – это далеко не однозначный параметр, и в реальных условиях дальность обнаружения, например, одних и тех же целей не всегда будет одинаковой.

Максимальная энергетическая дальность определяет по сути всего лишь технические возможности станции и составляет для современных морских РЛС величину порядка 64…96 морских миль.

При нулевой скорости своего судна, высоте антенны равной 15м над уровнем моря и при отсутствии волнения навигационный буй должен обнаруживаться на минимальной горизонтальной дальности 40 м от положения антенны и до дальности 1 морская миля без изменения положения органов управления, кроме переключателя шкалы дальности.

Резолюция ИМО MSC192(79),п.5.4.

3. Минимальная дальность действия Dmin – это минимальное расстояние от антенны РЛС до цели, ближе которого невозможно обнаружить эту цель и определить её координаты. Не следует отождествлять минимальную дальность с так называемой «мертвой зоной» РЛС ( см. рис.2.10). Разница состоит в том, что минимальная дальность определяется лишь техническими параметрами станции, а значение «мертвой зоны» зависит также от установки антенны на конкретном судне, его рейсовой осадки, отражающей площади цели, высоты цели ит.д.

Основным техническим параметром станции, определяющим Dmin, является длительность излучаемого (зондирующего ) импульса τи, от которой зависит, так называемая минимальная потенциальная дальность действия Dmin (пот.)

Dmin(пот.) = c∙τи/2, (1.11)

где: с – скорость распространения радиоволны.

Основными параметрами, определяющими «мертвую зону», являются ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости β и высота установки антенны h1 (см. рис.2.10).

Реальное же значение минимальной дальности РЛС определяется не только вышеуказанными параметрами, а зависит также от факторов, воздействующих на работу приемного устройства. Такими факторами могут являться: а) конечное время восстановления чувствительности приемника после окончания излучения мощного зондирующего импульса, б) согласование волноводного тракта, в) наводки модулятора на приемное устройство, поскольку модулятор и приемник конструктивно размещаются в одном приборе, г) «просачивание» СВЧ энергии через разрядник защиты приемника ит.д. Поэтому величина реальной минимальной дальности оценивается из соотношения

Dmin = (1,5… 2.5) Dmin(пот.) (1.12)

Это значение в метрах обычно указывается в тактико-технических данных на РЛС. Однако реализация этого значения Dmin обусловлена требованиями установки антенны РЛС на судне с тем, чтобы высота установки антенны с учетом ширины её диаграммы направленности в вертикальной плоскости не приводила к увеличению значения Dmin.