Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

может определить лишь направление (пеленг) на объект, т. е. осуществить радиопеленгование последнего. Поэтому пассивная радиолокация тесно связана с радиопеленгацией—

отраслью радионавигации, основанной на использовании методов и средств определения направления на объекты, имеющие источники радиоизлучения.

Таким образом, основой радиолокационного обна­ ружения, определения координат и их производных, а воз­ можно, и некоторых других характеристик (размеров, формы, физических свойств) объектов является радио­ сигнал, отраженный, переизлученный или. излученный объ­ ектами наблюдения. В активной радиолокации источник электромагнитных колебаний — передающее устройство РЛС. Но электромагнитные колебания зондирующего сиг­ нала становятся носителем информации об объекте, т. е. радиолокационным сигналом, лишь после их отражения (рассеяния) объектом наблюдения. Однако от вида и па­ раметров зондирующего сигнала (энергии, несущей час­ тоты, длительности и ширины спектра) зависят основные характеристики РЛС: дальность действия, точность опреде­ ления координат и скорости объектов, разрешающая способность, т. е. тот объем информации, который может быть получен при обработке радиолокационного сигнала. В общем случае напряжение модулированного сигнала можно записать в комплексной форме (см. § 1.3):

5(z)=Re5(z)exp [у(2л/0 z + y(z) + (p] =

где 5(z), y(z) — законы амплитудной и угловой модуляции,

ральная (несущая) частота; ф— начальная фаза. Под зонди­ рующим обычно понимают сигнал, излучаемый антенной, поэтому его модуляция оказывается связанной также с параметрами антенной системы и ее движением. Так, при повороте оси диаграммы направленности антенны (ДНА) относительно направления на объект амплитуда сигнала изменяется, т. е. появляется дополнительная ам­ плитудная модуляция, параметры которой зависят от ширины и формы ДНА, а также скорости ее поворота.

Антенная система определяет также поляризацию зон­ дирующего сигнала. В современных РЛС применяют линейную и круговую поляризацию. Если отражающий объект попадает в зону облучения РЛС (в пределы ширины

180

ДНА), то создается отраженный сигнал, несущий информа­ цию об объекте. Факт приема сигнала свидетельствует об обнаружении объекта, а амплитуда, фаза, частота, вид поляризации, время задержки относительно зондирующего сигнала и направление прихода сигнала к приемной антенне позволяют оценить координаты объекта, параметры его движения, а при наличии нескольких объектов — разделить их, выделить объект с требуемыми свойствами и т. д.

§ 7.2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

В общем случае мгновенное положение объекта в прост­ ранстве определяется тремя координатами xf (/=1, 2, 3) в той или иной системе координат. Для характеристики движения объекта необходимы также производные коорди­ нат ,т;п), число которых зависит от сложности траектории движения объекта. На практике чаще всего используют производные не выше второго порядка, т. е. скорость объекта у^х} и ускорение a.— .v,. При этом обычно имеют в виду координаты и их производные для центра тяжести объекта. Часто измеряют лишь координаты, а их производные получают путем дифференцирования. Воз­ можно также непосредственно оценить составляющую относительной скорости объекта, перпендикулярную фрон­ ту приходящей к антенне электромагнитной волны, путем измерения доплеровского смещения частоты. Интегрирова­ нием скорости объекта можно получить соответствующую координату, а ее дифференцированием — ускорение.

При активной радиолокации с учетом двустороннего распространения сигнала (от РЛС до цели и обратно) частота отраженного сигнала вследствие эффекта Доплера

ляющей относительной скорости Vr, которая может быть

мерено значение доплеровского смещения частоты Fv. Следует заметить, что формула (7.2) точна лишь при значениях скорости V„ много меньших скорости распрост­ ранения радиоволн с, когда можно не учитывать реляти­ вистский эффект.

При радиолокационном определении координат в осно­

ву положено свойство радиоволн распространяться

181

в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Скорость распространения радиоволн зависит

Там, где это не вызывает существенных погрешностей,

Свойство прямолинейности распространения радиоволн является основой радиотехнических методов измерения угловых координат по направлению прихода сигнала от объекта. При этом используются направленные свойства антенны.

Радиотехнические методы позволяют также непосредст­ венно найти разность дальностей от объекта до двух разнесенных передатчиков путем измерения разности вре­ мени приема их радиосигналов на объекте, определяющем свое местоположение.

В радионавигации при нахождении местоположения объекта вводят понятия радионавигационного параметра, поверхностей и линий положения.

Радионавигационным параметром (РНП) называют фи­ зическую величину, непосредственно измеряемую РНС (расстояние, разность или сумма расстояний, угол).

Поверхностью положения считают геометрическое мес­

Линия положения есть линия пересечения-двух поверх­ ностей положения. Местоположение объекта задается пере­ сечением трех поверхностей положения или поверхности

илинии положения.

Всоответствии с видом непосредственно измеряемых координат различают три основных метода определения

местоположения объекта: угломерный, дальномерный и разностно-дальномерный. Широко применяют также комбинированный угломерно-дальномерный метод.

Угломерный метод. Этот метод является самым старым, поскольку возможность определения направления прихода радиоволн была установлена А. С. Поповым еще в 1897 г. при проведении опытов по радиосвязи па Балтийском

182

море. При этом используются направленные свойства антенны при передаче или приеме радиосигнала. Суще­ ствует два варианта построения угломерных систем: радиопеленгаторный и радиомаячный. В радиопеленгаторной системе направленной является антенна приемника (ра­ диопеленгатора), а передатчик (радиомаяк) имеет ненап­ равленную антенну. При расположении радиопеленгатора (РП) и радиомаяка (РМ) в одной плоскости, например на поверхности Земли, направление на маяк характеризу­ ется пеленгом а (рис. 7.1, а). Если пеленг отсчитывают от географического меридиана (направление север—юг), то его называют истинным пеленгом или азимутом. Часто азимутом считают угол в горизонтальной плоскости, отсчитанный от любого направления, принятого за нулевое. Определение направления производят в месте расположения приемника, который может быть как на Земле, так и на объекте. В первом случае пеленгование объекта осущест­ вляют с Земли и при необходимости измеренное значение пеленга передают на объект (борт) по каналу связи. При расположении радиопеленгатора на объекте пеленг на радиомаяк измеряют непосредственно на борту.

В радиомаячной системе (рис. 7.1,6) используют радио­ маяк с направленной антенной и ненаправленный приемник. В этом случае в месте расположения приемника измеряют обратный пеленг а0 относительно пулевого направления, проходящего через точку, в которой расположен радио­ маяк. Часто применяют маяк с вращающейся ДНА. В момент совпадения оси ДНА с нулевым направлением (например, северным) вторая, ненаправленная, антенна РМ излучает специальный нулевой (северный) сигнал, который принимается приемником системы и является началом отсчета углов. Фиксируя момент совпадения оси вращаю­ щейся ДНА маяка с направлением на приемник (например,

Рис. 7.1

183

пропорционален промежутку времени между приемом нулевого сигнала и сигнала в момент пеленга. В этом случае приемник упрощается, что важно при его рас­ положении на борту. Поверхностью положения угломерной РНС является вертикальная плоскость, проходящая через линию пеленга.

При использовании наземных РП и РМ линией положения будет ортодромия — jpfra. большого круга, про­ ходящего через пункты расположения РП и РМ. Она является линией пересечения поверхности положения с по­ верхностью Земли. Истинный пеленг (ИП) — угол между меридианом и ортодромией. При расстояниях, малых по сравнению с радиусом Земли, ортодромия аппроксимирует­ ся отрезком прямой .линии. Для определения местополо­

точку пересечения двух линий положения (двух ортодромий на земной поверхности). Если система расположена в про­ странстве, то для определения местоположения РП необ­ ходим третий радиомаяк. Каждая пара (РП — РМ) позволя­ ет найти лишь поверхность положения, которая будет в данном случае плоскостью. При определении местопо­ ложения приемника предполагают, что координаты РМ известны.

В морской и воздушной навигации вводят понятие курса — утла между продольной осью корабля (проекцией продольной оси самолета на поверхность Земли) и направ­ лением начала отсчета углов, в качестве которого выби­ рают географический или магнитный меридиан, а также линию ортодромии. Соответственно такому выбору разли­ чают истинный, магнитный и ортодромический курсы. Для летательного аппарата (ЛА) в качестве третьей координаты при нахождении местоположения используют высоту полета Н—абсолютную (отсчитываемую от уровня Балтийского моря), барометрическую (отсчитываемую по барометрическому высотомеру относительно уровня, при­ нятого за нулевой) и истинную (кратчайшее расстояние по вертикали до поверхности под ЛА, измеряемое ра­ диовысотомером). При применении радиовысотомера ме­ стоположение ЛА определяется уже комбинацией угломер­ ного и дальномерного методов измерения координат.

Дальномерный метод. Этот метод основан на измере­ нии расстояния D между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками. В радионавигации дальномеры работают с актив­

184

ным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчи­ ка ответчика (рис. 7.2, а) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса т3 и ответа т0 одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запрос­ чиком (радиодальномером) дальность D = c (^ + го)/2- В ка­ честве ответного может быть использован также и от­ раженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы явля­ ется поверхность шара радиусом D. Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми. При этом местоположение объекта определяется как точка пересече­ ния двух линий положения. Так как окружности пересека­ ются в двух точках (рис. 7.2, б), то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнитель­ ные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти ко­ ординаты с высокой точностью. Радиодальномерные ме­ тоды начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых из­ мерениях временной задержки, были разработаны в СССР

измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936—1937 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод. С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: А и В. Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхрони­ зация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигна­ лов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую

M) = Db—Da позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с AD = const. Для

185

Запрос

Ответ

а)

двух станций можно построить семейство гипербол с фо­ кусами в точках расположения станций А и. В. Расстояние между станциями называют базой. Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранее'и оцифровы­ вают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. 7.3), база которой d2 должна быть расположена под углом к базе dt первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций Bt и В2. Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местополо­ жение приемоиндикатора (ПИ), расположенного на борту объекта.

Точность разностно-дальномерной системы выше точ­ ности угломерной и приближается к точности дальномер­ ной. Но основным ее преимуществом является неограничен­ ная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, прохо­ дящие через центр базы каждой пары станций системы. Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превы­ шающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная

и метода измерения временного сдвига сигналов принимае-

186

мых ПИ различают им­ пульсные, фазовые и импу­ льсно-фазовые разностно­ дальномерные РНС.

распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Пе­ рвая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Комбинированный угломерно-дальномерный метод. Этот

метод позволяет найти местоположение объекта из одной точки. Комбинированный метод обычно применяют в РЛС, которые измеряют наклонную дальность D, азимут а и угол места 0 (рис. 7.4). Углом места называют угол между направлением на объект и горизонтальной плос­ костью (поверхностью Земли). Азимут отсчитывают от направления север — юг или другого направления, приня­ того за начальное. Путем пересчета основных координат D, а и 0 можно найти также высоту Н, горизонтальную дальность Dr и ее проекции на направление север — юг и запад — восток.

Определение местоположения объекта из одной точки

ис помощью одной станции является большим преимуще­ ством комбинированного метода, который широко исполь­ зуется также в радиосистемах ближней навигации.

Рассмотренные методы определения местоположения объекта относительно точек с известными координатами (радионавигационные точки РНТ) с помощью поверхностей

илиний положения называют позиционными.

Кроме позиционных методов в навигации применяют методы счисления пути интегрированием измеренных скорости (доплеровским или воздушным измерителем) или ускорения (акселерометром), а также обзорно-сра­ внительные методы, основанные на сравнении телеви­ зионных, радиолокационных и других изображений ме­ стности с соответствующими картами. Используют и кор­ реляционно-экстремальные методы навигации, основанные на определении структуры какого-либо физического поля,

187

II

характерного для данной местности (например, рельефа), и сравнении параметров этого поля с соответствующими параметрами, хранящимися в запоминающем устройстве РНС. Преимуществами этих методов являются автоном­ ность, малое влияние помех и отсутствие накапливающихся погрешностей при определении местоположения объекта.

§ 7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ

ИРАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ИХ ТАКТИЧЕСКИЕ

ИТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Радиолокационные станции классифицируют по следующим признакам:

—происхождению радиосигнала, принимаемого при­ емником РЛС,— активные РЛС (с активным и пассивным ответом), полуактивные и пассивные РЛС;

—используемому диапазону радиоволн. (РЛС дека-

метрового, метрового, дециметрового, сантиметрового

имиллиметрового диапазонов);

—виду зондирующего сигнала [РЛС с непрерывным (немодулированным или частотно-модулированным) и им­ пульсным (некогерентным, когерентно-импульсным с боль­ шой и малой скважностью, с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляцией) излучением];

—числу применяемых каналов излучения и приема сигналов (одноканальные и многоканальные с частотным или пространственным разделением каналов);

—числу и виду измеряемых координат (одно-, двух-

итрехкоординатные);

—способу измерения, отображения и съема координат объекта;

—месту установки РЛС (наземные, . корабельные, самолетные, спутниковые);

—функциональному назначению РЛС [от малогаба­ ритных переносных РЛС измерения скорости автомобилей до огромных наземных РЛС систем противовоздушной (ПВО) и противоракетной (ПРО) обороны]. Перечислим основные типы наземных, корабельных и самолетных РЛС

различного назначения.

Основные типы наземных РЛС:

—обнаружения воздушных целей и наведения на них истребителей;

—управления воздушным движением (обзорные и дис­

петчерские);

188

—обнаружения и определения координат баллис­ тических ракет (БР) и искусственных спутников Земли (ИСЗ);

—целеуказания станциям управления зенитной артил­

лерией и наведения зенитных управляемых ракет (ЗУР);

—управления зенитной артиллерией и ЗУР;

—обнаружения минометов;

—метеорологические;

—обзора акватории порта;

—обзора летного поля;

—обнаружения и определения скорости наземных движущихся объектов.

Основные типы корабельных РЛС'.

—обеспечения кораблевождения;

—обнаружения надводных объектов и низколетящих летательных аппаратов, определения их координат;

—обнаружения и определения координат высоколетя­ щих самолетов;

—управления ЗУР и зенитной артиллерией;

—обнаружения и определения координат БР и ИСЗ. Основные типы самолетных РЛС'.

—радиолокационные дальномеры;

—радиовысотомеры;

—доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса самолета;

—РЛС обнаружения самолетов и предотвращения столкновений;

—панорамные РЛС обзора земной поверхности;

—РЛС бокового обзора (в том числе и с синтезиро­ ванным раскрывом антенны);

—РЛС перехвата и прицеливания;

—РЛС наведения управляемых ракет;

—радиолокационные взрыватели.

Приведенная классификация включает далеко не все используемые типы РЛС. Однако и перечисленных типов достаточно для характеристики широты и многообразия применения радиолокационных средств.

Радионавигационные системы классифицируются по следующим признакам:

— способу определения местоположения объекта [позиционные (угломерные, дальномерные, разностно­ дальномерные и комбинированные), использующие счи­ сление пути интегрированием скорости и ускорения, основанные па обзорно-сравнительных методах местоопределения ];

189