Радиотехнические системы
..pdf31
параметрам, p1 + p1, p2 + p2 . Расстояние между точками 1 и 2 представляет на рисунке погрешность места, отрезки нормалей 1-5, 1-6 - погрешности линий положения.
Отрезки пересекающихся линий положения образуют па- раллелограмм, его стороны обозначены как a и b . Рассматри- вая треугольник 1, 2, 3 и используя теорему косинусов, получим
M = |
|
a2 + b2 + 2abcosγ |
|
|
|
(1.13) |
||||||||
Стороны параллелограмма a и b выразим через погреш- |
||||||||||||||
ности линий положения U1 |
и U2 , рассматривая прямоуголь- |
|||||||||||||
ные треугольники 1, 3, 5 и 1, 4, 6, |
|
|
|
|
|
|
||||||||
a = |
U1 |
, |
b = |
|
U2 |
. |
|
|
(1.14) |
|||||
sinγ |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
sinγ |
|
|
|
|||||||
Подставляя (1.14) в (1.13), получаем формулу для расчета |
||||||||||||||
погрешности места |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M = |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
U 2 |
+U 2 |
+ 2U U |
|
cosγ |
(1.15) |
||||||
sinγ |
2 |
|||||||||||||
|
1 |
2 |
1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Формула (1.15) показывает, что погрешность места зави- сит не только от погрешностей линий положения, но и от угла, под которым они пересекаются: чем острее угол, тем больше ошибка места.
Погрешности линий положения Ui в формуле (1.15) - слу-
чайные величины. Поэтому и погрешность места M также случайная величина, и корректное описание точности систем
местоопределения возможно только с применением аппарата теории вероятностей. Основой такого расчета служит совмест- ная плотность распределения вероятностей погрешностей по- верхностей положения. Ранее было показано, что каждую из погрешностей поверхностей положения можно считать распре- деленной нормально. Предположим также, что они статисти- чески независимы. Тогда для двумерного случая совместную
плотность распределения вероятностей погрешностей линий положения запишем в виде
32
|
|
|
|
|
1 |
æ u2 |
|
u2 |
ö |
|
|
|
|
|
1 |
- |
|
ç |
1 |
+ |
2 |
÷ |
|
w (u u ) = |
2 |
σ1 |
|
|
|||||||
e |
è |
|
σ2 ø |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
ç |
2 |
|
2 |
÷ |
(1.16) |
2 |
1, |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2πσ1σ2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если приравнять показатель степени экспоненты некото-
рой константе λ2 , получим уравнение линии, на которой со- вместная плотность распределения вероятностей постоянна,
u2 |
u2 |
|
||
1 |
+ |
2 |
= λ2 |
(1.17) |
2 |
2 |
|||
σ1 |
σ2 |
|
Формула (1.17) представляет собой уравнение эллипса в косоугольной системе координат, центр которой находится в точке расположения объекта наблюдения, а оси нормальны к поверхностям положения. Данный эллипс называется эллип- сом погрешностей или эллипсом рассеяния. Он ограничивает область пространства, в которую с заданной вероятностью P попадают измеренные координаты объекта. Вероятность P свя- зана с параметром λ2 , а следовательно и с размерами эллипса рассеяния, формулой
P(λ) = 1− exp(−λ2 ). |
(1.18) |
Эллипс рассеяния можно представить в прямоугольной системе координат, в которой находится местоположение объек- та. Соотношение его главных осей и ориентация относительно
осей координат зависят от погрешностей линий положения и угла, под которым они пересекаются. Совокупность эллипсов рассеяния, построенных для разных точек пространства, дает наиболее ясное представление о точности системы местоопре- деления.
На рисунке 1.10 представлены для примера эллипсы рас- сеяния для дальномерно-пеленгационной и дальномерной си- стем местоопределения.
33
а) |
б) |
Рисунок 1.10. Эллипсы рассеяния для дальномерно-пеленгационной (а)
идальномерной (б) систем местоопределения
1.5.Виды радиолокации. Радиолокационный канал
В радиолокации информация об объектах наблюдения (ра- диолокационных целях) переносится сигналами. Последние могут быть сформированы различными путями. В зависимости от того, как образуются радиолокационные сигналы, различа- ют четыре вида радиолокационного наблюдения.
1. Активная радиолокация. РЛС содержит приемник и пе- редатчик, расположенные в одном месте, используется сигнал, отражённый от цели. Такой метод радиолокации называется также однопозиционным.
Структурная схема активного локатора приведена на ри- сунке 1.11. На схеме обозначено: СУА - система управления ан- тенной системой, ОУ - оконечное устройство. Характерной осо-
бенностью объектов наблюдения активных локаторов является отличие их отражающих свойств от окружающей среды. Важ- нейшее достоинство этого вида радиолокации состоит в том, что он позволяет обнаруживать объекты, которые не являются источниками радиоизлучения. Поэтому он получил самое ши-
рокое распространение для решения различных задач военного и мирного характера.
34
Рисунок 1.11. Структурная схема активного радиолокатора
2. Активная радиолокация с активным ответом. РЛС со- держит приемник и передатчик, расположенные в одном мес- те. Цель переизлучает сигнал, падающий на неё, с помощью спе- циального передатчика. РЛС называют в данном случае зап- росчиком, а аппаратуру, установленную на объекте наблюдения - ответчиком.
РЛС- |
Пр. |
|
Запросчик |
|
Кодирующее |
|
|
|
|
Пер. |
устройство |
Ответчик
Рисунок 1.12. Структурная схема активного радиолокатора с активным
ответом
Такая система позволяет значительно повысить дальность действия радиолокатора по своим объектам и получить о них дополнительную информацию. Используется, например, в во- енной технике для определения государственной принадлеж- ности самолетов, в диспечерских системах аэропортов для по- лучения служебной информации с борта снижающегося само- лета. Дополнительная информация кодируется в ответном сиг- нале.
3. Полуактивная радиолокация. Радиолокационная систе- ма содержит приемник и передатчик, разнесённые в простран- стве (двухпозиционный метод радиолокации). Используется, например, в полуактивных системах самонаведения зенитных
35
управляемых реактивных снарядов.
Структурная схема полуактивного самонаведения пред- ставлена на рисунке 1.13. РЛС подсвета цели облучает её узким лучом ДНА. Отраженный от цели сигнал принимается носо- вым приемником аппаратуры, установленной на ракете, и ис- пользуется для её наведения на цель. Для того, чтобы убедить- ся, что осуществляется наведение на выбранную цель, в соста- ве бортовой аппаратуры имеется хвостовой приемник. Он при- нимает сигналы, излученные слабонаправленной антенной РЛС подсвета, которые и используются для выделения отражений от выбранной цели.
|
Цель |
|
|
РЛС |
|
|
|
подсветка |
|
Устройство |
|
цели |
Пр. |
сравнения |
Пр. |
|
носовой |
хвостовой |
Координатор
Рисунок 1.13. Структурная схема полуактивного самонаведения
Разнесенные радиолокационные системы используют не только для самонаведения ракет. В последнее время развива- ются многопозиционные радиолокационные системы, в состав которых могут входить несколько передающих и приемных пун- ктов, разнесенных в пространстве и связанных между собой линией синхронизации и управления. Такие системы имеют преимущества перед однопозиционными при работе по слабо- отражающим целям и менее уязвимы средствами радиоэлект- ронной борьбы.
4. Пассивная радиолокация - локация по собственному из- лучению объектов. Пассивный локатор не имеет передатчика, а состоит из приемника и устройства обработки сигналов (см.
36
рисунок 1.14).
собственное
РЛС |
объект |
радиоизлучение
Рисунок 1.14. Структурная схема пассивной локации
Важные частные случаи пассивной радиолокации:
-радиотеплолокация - локация объектов по их тепловому излучению в радиодиапазоне;
-радиотехническая разведка, то есть обнаружение, опре-
деление координат и параметров излучения работающих РЛС противника в целях радиоэлектронной борьбы и планирова- ния операций.
Установим терминологию, принятую при изучении радио- локационных систем, рассматривая радиолокационный канал.
Под радиолокационным каналом понимают собственно радиолокатор, объект наблюдения, среду, в которой они находят- ся, и все другие объекты, влияющие на работулокатора. Радиоло- кационный канал схематически изображен на рисунке 1.15.
37
|
|
|
Источник |
|
|
Зондиру |
активных |
|
|
ющий |
помех |
ГТИ |
Пер. |
сигнал. |
Активная помеха |
|
|
||
|
|
|
Цель |
ОУ |
Пр. |
Сигнал. |
|
|
|
||
ОУ – оконечное |
|
|
|
устройство |
Внутренние |
|
|
|
шумы |
Пассивная |
|
|
|
помеха |
Местный предмет |
|
|
|
Рисунок 1.15. Радиолокационный канал
Передатчик активной РЛС излучает зондирующий сигнал. Часть его энергии отражается от цели и попадает на вход при- емника РЛС. На входе приемника имеем сигнал - носитель ин- формации о цели. Сигнал искажается внутренними шумами приемных устройств и внешними помехами. Внутренние шумы определяют предельную чувствительность приемных устройств, от них зависит вероятность обнаружения объектов и предель- ная точность измерения их координат. Источник внутренних шумов показан на схеме отдельным элементом в знак обязатель- ности их учета. Внешние помехи могут быть активными и пас- сивными. Активными называют помехи, генерируемые источ- никами электромагнитной энергии. Обычно это организован- ные помехи, предназначенные для уменьшения эффективности работы РЛС.
Пассивной называют помеху, возникающую вследствие отражений зондирующего сигнала от земной поверхности, ме- стных предметов, искусственных отражателей. Искусственные
отражатели могут представлять собой облака полуволновых вибраторов в виде полосок фольги, либо отрезков металлизи- рованного стекловолокна. Пассивные помехи могут многократ-
38
но превышать по мощности полезные сигналы. В радиолока-
ции применяют специальные меры для выделения полезных сигналов на фоне пассивных помех, используя разницу в ско- рости перемещения их источников.
1.6. Принципы построения и классификации радионавигационных систем
Основной задачей навигации является вывод корабля в заданную точку пространства с необходимой точностью в оп- ределенный момент времени. Термин «корабль» является об- щим; существуют подводные, надводные, воздушные и косми- ческие корабли. Решение основной задачи выполнимо, если есть
возможность определять текущие координаты корабля в одной из систем координат, пусть географической. Следовательно, ос- новная задача сводится к определению координат корабля, т.е. к его местоопределению. Существует ряд частных навигацион- ных задач, которые обычно сводятся к определению если не абсолютных координат в принятой системе, то относительных.
Основная навигационная задача решается на плоскости, точнее на земной поверхности, т.е. является двумерной. В аэро- навигации третья координата - обычно это высота над земной поверхностью - задается дополнительно и не является опреде- ляющей, поскольку точка вылета и место прибытия, задаются на земной поверхности, и весь маршрут задается проекцией са- молета на земную поверхность.
Наиболее часто в радионавигации реализуется позицион- ный метод местоопределения. Измеряемыми пространственны- ми (навигационными) величинами являются расстояние, угол и разность расстояний. Навигационные величины определяют- ся относительно точек с известными координатами, называе- мыми опорными или навигационными точками. Линии поло- жения строятся относительно этих навигационных точек: ли-
нии положения в виде окружности и прямой требуют по одной опорной точке, в виде гиперболы - двух опорных точек. Сама
39
же измерительная аппаратура частично располагается в нави- гационных точках, частично на борту корабля. Как правило, в опорной точке работает радиопередатчик, а точка называется радиомаяком.
Местом корабля является точка пересечения двух линий положения в произвольном наборе.
Система местоопределения может быть одноточечной. Именно так строятся отечественные и международные систе- мы ближней аэронавигации, в которых на самолете определя- ются расстояние и пеленг относительно одной опорной точки, в которой располагается излучающая аппаратура. Местом са- молета является точка пересечения окружности и прямой. Воз- можная двузначность устраняется на основании дополнитель- ной низкоточной информации: априорной или полученной при измерении. Измерители навигационных систем могут распо- лагаться в двух разнесенных точках. Международная система
ближней навигации предоставляет возможность измерения только расстояний или только азимутов относительно двух раз- ных точек. При этом используется дальномерный либо пелен- гационный метод местоопределения. Увеличивается число опорных точек при местоопределении на основе измерении раз- ностей расстояний. Такая система может иметь четыре опор- ные точки, по две на каждую гиперболу. Число точек сокраща- ется до трех путем совмещения двух точек, по одной от каждой пары.
Существующие системы построены в виде сети опорных точек. Это позволяет производить избыточное число измере- ний. Избыточная информация используется для повышения точ- ности определения координат, устранения многозначности при пересечении линий положения и т.д.
Метод счисления пути для определения текущих коорди- нат также используется достаточно широко. В радионавигации
измеряется вектор путевой скорости с помощью доплеровских автономных систем. Распространены также системы, работаю- щие на базе измерителей воздушной скорости самолетов (по
40
давлению набегающего потока воздуха), на базе измерителей скорости надводных и подводных кораблей относительно мас- сы воды (с помощью лага или акустического доплеровского дат- чика), а также на базе инерциальных измерителей вектора уско- рения (см. раздел 1.3). Недостатками метода является необхо-
димость проведения непрерывных измерений и вычислений за всё время движения корабля, а также нарастающая со време- нем погрешность местоопределения.
Обзорно-сравнительный метод применяется для навига- ции специальных объектов и крайне редко - для навигации ко- раблей. Метод дает очень высокую точность из-за корреляци- онной обработки карт, в которую вовлекается большое число информационных точек. Вспомним, что при реализации мето- да позиционных линий используется одна или несколько то- чек.
В соответствии со степенью решения задачи определения координат навигационная аппаратура подразделяется на устрой- ства, системы и комплексы. Устройство определяет одну про- странственную величину и решает задачу частично. Система полностью решает навигационную задачу. Комплекс также ре- шает задачу, но на основании избыточной информации и с луч- шими характеристиками. Классическое построение комплекса предусматривает получение и обработку первичной информа- ции от измерителей, использующих различные физические принципы построения. Отдельные части комплекса охвачены взаимными и обратными связями. Именно по такому принци- пу строятся современные пилотажно-навигационные комплек- сы самолетов, навигационные комплексы надводных и подвод- ных кораблей.
Навигационные устройства классифицируются либо по измеряемым пространственным величинам (или их производ- ным), либо по параметру радиосигнала, который отобразил про-
странственное положение точек излучения и приема при его распространении. В соответствии с этим устройства могут быть угломерными, дальномерными, разностно-дальномерными, а