книги из ГПНТБ / Пелюхов П.И. Основы радиолокации учебное пособие

Г л а в а IV

МЕТОДЫ И ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ

§ 19. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАКЛОННОЙ ДАЛЬНОСТИ

При рассмотрении методов радиолокации (глава I) уже было отмечено, что измерение дальности в конечном итоге сво­ дится к измерению времени распространения радиоволн до объекта и в обратном направлении.

В зависимости от метода измерения интервала времени раз­ личают следующие методы измерения дальности: и м п у л ь с ­ ный, ч а с т о т н ы й и ф а з о в ы й. Возможны также и ком­ бинированные методы измерения: частотно-импульсный, фазо­ во-импульсный и др.

При импульсном методе дальность до объекта опреде­ ляют путем измерения запаздывания отраженного (ретрансли­ рованного) сигнала относительно излученного.

При частотном методе дальность до объекта определяют по частоте биений между прямым и отраженным сигналами.

Фазовый метод основан на измерении разности фаз излу­ чаемых и принимаемых отраженных колебаний.

Содержание импульсного и частотного методов измерения

дальности было изложено выше.

Блок-схема одного из радиодальномеров, в котором реализуется фазовый метод измерения дальности, показа­ на на рис. 103. В составе передатчика дальномера имеют­ ся два генератора высокочастотных колебаний, работаю-

Рис. ЮЗ

151

«1 = Dmi sin(2 ^ — ?i);

и2= t/m2sin(£V — ?г).

где

2D •

Разность фаз ср измеряется фазометром.

Рассмотренный принцип измерения дальности допускает, к сожалению, наблюдение только за одной целью, т. е. не обла­ дает разрешающей способностью по дальности, и для его реа­ лизации в составе передающего устройства должно быть два высокостабильных генератора высокочастотных колебаний.

152

§ 20. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ НАКЛОННОЙ ДАЛЬНОСТИ

О б щ и е с в ед ен и я об о ш и б к а х и зм е р е н и я к о о р д и н а т

Под ошибкой измерения любой координаты объекта, в том числе и дальности, понимают разность между измеренной ве­ личиной ХцЗМи истинным его значением X ист .

Величины ошибок (точность) измерения координат имеют первостепенное значение при боевом применении любой РЛС.

Точность определения координат объектов характеризуется величинами систематических и случайных ошибок, возникаю­ щих при измерении дальности, азимута и угла места.

Систематические ошибки могут быть определены расчет­ ным путем или экспериментально и, следовательно, могут быть либо устранены, либо учтены при измерении соответ­ ствующей координаты.

Случайные ошибки вызываются большим числом различ­ ных причин, не поддающихся точному учету и действующих в каждом отдельном измерении различным образом.

Следовательно, случайная ошибка измерения X l — X imu—

_~х

лИЗМ *

Для характеристики случайных ошибок измерения коорди­ нат РЛС пользуются такими числовыми характеристиками, как средняя или среднеарифметическая г), срединная или вероят­ ная г, среднеквадратическая а и максимальная ошибка р.

Средняя ошибка т] представляет собой математическое ожидание абсолютной ошибки:

—СО

где f(x ) — плотность распределения вероятностей. Экспери­ ментально среднюю ошибку определяют по формуле:

153

Срединной, или вероятной ошибкой г, называют ошибкой вероятность превышения абсолютной величины которой состав­

ляет 50%.

Чтобы определить срединную ошибку по данным из п изме­ рений, нужно все ошибки в порядке возрастания абсолютных значений расставить в ряд. Та из них, которая находится по­ середине этого ряда, принимается за серединную.

Среднеквадратическая ошибка определяется по следующей формуле:

(IV-4)

Ошибку, равную трем средним квадратическим (или четы­ рем срединным), называют максимальной.

Для нормального закона распределения ошибок связь между числовыми характеристиками устанавливается следую­ щим соотношением:

г = 0,67 а = 0,84'/) = 0,25/?.

Ошибки меньше среднеквадратической встречаются в 68% измерений, а меньше максимальной — в 99,7%.

На практике точность измерения координат очень часто характеризуют величиной срединной ошибки.

Т очн ость и зм е р е н и я д а л ь н о с т и

Задача измерения дальности импульсными радиодально-

Первое слагаемое ошибки AD зависит от точности измере­ ния скорости распространения радиоволн, второе определяется

154

степенью технического совершенства радиодальномера и отно-

сигнал

Шепнем ---- — -, т. е. точностью измерения времени между мо-

помеха

Ментами излучения и приема импульсных сигналов.

Скорость распространения радиоволн определяется свой­ ствами среды:

где со — скорость распространения в свободном пространстве; п — коэффициент преломления.

Свойства среды, особенно при оаспространении волн в околоземном пространстве, с течением времени не остаются постоянными, а подвергаются регулярным и нерегулярным измерениям.

Суточные колебания температуры воздуха, атмосферного давления и парциального давления е о д я н ы х паров в атмосфере вызывают изменение скорости распространения радиоволн порядка 10~4,

В настоящее время скорость распространения радиоволн известна с точностью порядка Ю- -’. Такая точность обеспечи­

вается при наиболее тщательно проведенных измерениях.

А с

В обычных условиях Ас~10~4с. Тогда AD'—D— =£>• 10~4,что

с

соответствует 10 м на 100 км дальности.

Неопределенность истинной величины скорости распростра­ нения радиоволн ставит предел для повышения точности из­ мерения дальности радиолокационными методами.

Перейдем к изложению факторов, определяющих величину второго слагаемого в выражении (IV, 5), определяющего так называемую инструментальную точность импульсного дально­ мера.

Ошибки измерения временного интервала (инструменталь­ ная ошибка) включают:

— ошибки, обусловленные запаздыванием сигналов в це­ пях дальномера и неточностью синхронизации индикатора и передатчика;

— ошибки, возникающие вследствие искажения формы развертывающих напряжений, непостоянства параметров схем развертки, ошибок отсчета.

155-

Уменьшение ошибки, обусловленное отклонением от ли­ нейного закона нарастания напряжения (тока) развертки в индикаторе, достигается путем выбора наиболее совершенных схем генераторов развертки и использованием электронной шкалы дальности, создаваемой масштабными отметками даль­ ности на экранах индикаторов.

Ошибки отсчета возникают вследствие неточного определе­ ния истинного положения переднего фронта отраженного сигнала от цели на линии развертки и зависят от многих фак­ торов: стабильности электронной шкалы, уровня шумов, формы импульса, размеров светового пятна, точности интерполяции.

Ошибку за счет нестабильности электронной шкалы умень­ шают, используя ламповые генераторы масштабных импуль­ сов с большой степенью стабилизации частоты (10_6—10-8)- На экране индикатора дальности с прямолинейной разверт­ кой отсчет расстояния осуществляется по точке пересечения переднего края импульса с верхней кромкой полосы шумов. Точка отсчета расстояния до цели занимает неопределенное положение, так как верхняя кромка полосы шумов непрерывно изменяется и наблюдаемый отраженный импульс имеет не прямоугольную, а, как правило, колоколообразную форму с

непрерывно изменяющейся амплитудой.

Ошибку измерения дальности, обусловленную уровнем шу­ мов, можно оценить по приближенной формуле:

Ошибка в отсчете дальности ЛD n по индикатору с ампли­ тудной отметкой за счет конечных размеров светового пятна и формы импульса зависит от отношения диаметра светового пятна d„ к геометрической длине развертки / р , масштаба раз­ вертки Dр и угла наклона переднего фронта видеоимпульса цели и относительно липни развертки:

мечено в главе II, § i2, степень искажения формы импульса зависит от полосы пропускания приемника: чем шире полоса, тем меньше искажения.

15(5

Ошибка Л£>п за счет диаметра светового п'ятна при яркост­ ной индикации может быть определена по формуле:

Точность отсчета дальности до цели можно существенно Увеличить, если вместо непосредственного отсчета по механя-

-ческой или электронной шкале применить методы косвенного отсчета дальности.

Общий принцип методов косвенного отсчета дальности со­ стоит в том, что непосредственное наблюдение положения; отраженного сигнала относительно шкалы дальности заменяет­ ся совмещением специальной измерительной метки с сигналом Нели, либо совмещением сигнала цели с измерительной меткой при отсчете дальности на счетчиках или стрелочных указате­ лях, связанных с механизмом совмещения.

Повышение точности отсчета в этом случае достигается, Ео-первых, за счет того, что исключается необходимость при ьтом методе наблюдать на одной линии развертки начальный импульс и сигнал цели, а значит, появляется возможность просматривать сигнал цели при малых значениях масштаба развертки Dp. Во-вторых, совмещение сигнала цели с измери­ тельной меткой или наоборот можно выполнить значительно­ точнее, чем непосредственное наблюдение сигнала. И, наконец, путем использования нескольких счетчиков, последовательно Уточняющих результат измерения, почти полностью исклю­ чаются ошибки интерполяции.

§21. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

В большинстве случаев определение угловых координат (радиопеленгование) сводится к определению направления

на объект, причем угловые координаты отсчитываются по по­ ложению антенны относительно направления, принятого за начало отсчета угловой координаты.

Различают следующие методы радиопеленгования: ампли­ тудные, амплитудно-фазовые и фазовые.

Амплитудные методы радиопеленгации основаны на исполь­ зовании направленных свойств антенн, фазовые методы радио­ пеленгации — на использовании фазовых соотношений напря­ жений двух разнесенных антенн, амплитудно-фазовые — на использовании как амплитудных, так и фазовых соотношений напряжений двух разнесенных в пространстве антенн.

Применение того или иного метода связано с назначением радиолокационной станции, требованиями к ее конструкции,

157

используемым диапазоном волн, а также требуемой точностью

измерения.

В наземных и самолетных РЛС наибольшее распростране­ ние получили такие амплитудные методы радиопеленгования, как методы пеленгования по максимуму («метод максимума»)

В импульсной РЛС при вращении диаграммы направлен­ ности по азимуту сигналы, отраженные целью, будут представ­ лять собой пачку импульсов, модулированных по амплитуде.

При симметричной диаграмме линия ООх' будет энергетиче­ ским центром пачки импульсов.

Вслучае применения амплитудных индикаторов, например индикатора типа «А», определение азимута сводится к тому, что оператор, установив максимальную амплитуду отражен­ ного сигнала на экране индикатора, отсчитывает азимут по стрелочному прибору, связанному с датчиком угла поворота антенны в азимутальной плоскости.

Виндикаторах кругового обзора процесс определения азимута сводится к определению середины яркостной отметки це­ ли, соответствующей центру пачки отраженных импульсов, и отсчету этого положения по шкале азимутов.

Основными достоинствами метода максимума являются: простота пеленгации и возможность пеленгации при макси­ мальной дальности радиолокационного обнаружения, так как угловая координата отсчитывается по максимальной величине сигнала цели. Эти достоинства обусловили этому методу наибо­ лее широкое распространение в наземных и самолетных РЛС,

вкоторых достижение предельно возможной дальности обна­

ружения является основным требованием.

Ошибка в определении угловой координаты зависит ог крутизны диаграммы направленности вблизи максимума, т. е.

158

Метод равносигнальной зоны. Этот метод может быть ис­ пользован для определения одной или одновременно двух угловых координат. Рассмотрим этот метод на примере опре­ деления одной координаты — азимута цели.

Для определения азимута можно использовать две прием­ ные антенны А и В (рис. 105), жестко связанные с осью вра­

щения, причем максимумы диаграммы направленности сдви­ нуты на некоторый постоянный угол относительно оси ОСУ. Вход приемника с помощью специального коммутатора пооче­ редно подключается то к одной, то к другой антенне. Синхрон­ но с этим за счет кратковременной подачи дополнительной разности потенциалов на горизонтально отклоняющие пласти­ ны осуществляется небольшое смещение развертки на экране Индикатора с амплитудной отметкой.

Пусть цель находится в точке Ао, тогда величина отражен­ ного сигнала, принятого антенной А, не будет оавна величине отраженного сигнала, принятого антенной В (векторы Оа и Об не равны друг другу), и импульсы цели на индикаторе будут различными по амплитуде.

Если ось антенной системы повернуть так, чтобы она совпа­ ла с направлением на цель, то отраженные сигналы, принятые антеннами А и В, будут равны друг другу. Линия 0 0 ' назы­ вается равносигнальным направлением. В этом случае импуль­ сы на индикаторе будут иметь равные амплитуды.

Таким образом, при пеленгации равносигнальным методом направление на цель определяют по равносигнальному на­ правлению, когда амплитуды сигналов пеленгуемой цели, со­ ответствующие каждой из диаграмм направленности, равны Между собой, т. е. в момент, когда равносигнальное направле­ ние совпадает с направлением на цель.

Основными достоинствами равносигнального метода пелен­ гации по сравнению с методом максимума являются более

159

высокая точность и возможность определения стороны откло­ нения цели от равпосигналы-юго направления. Поэтому равно­ сигнальный метод пеленгации имеет широкое распространение в практике радиолокации, особенно в режиме автоматического сопровождения (см. главу V).

Более высокая точность пеленгации равносигнальным ме­

пересечения диаграмм направленности — так, чтобы крутизна диаграммы направленности в этой точке была бы большой, что обеспечивает достаточную разницу в амплитудах сигналов цели при малой угловой ошибке по направлению (рис. 105). Обычно точку k выбирают на уровне 0,7 —0,8 диаграммы на­ правленности по напряжению. Выбор точки k на более низком уровне приводит к заметному снижению дальности радиоло­ кационного обнаружения.

Рис. 106

К недостаткам равносигпального метода следует отнести: уменьшение дальности обнаружения в момент пеленгации и трудность сочетания определения направления на цель с круго­ вым обзором пространства.

Фазовый метод пеленгования. Сущность этого метода пе­ ленгования для одной плоскости сводится к следующему. Пусть пеленгуемая цель находится в точке А (рис. 106) и для ее пеленгования используется двухканальное приемное устрой­ ство с разнесенными антеннами В и С.

Сигналы, принятые обеими антеннами, приходят с раз­ ностью хода d sin а (предполагается, что цель достаточно уда­

мощи фазометра, можно определить направление на цель:

а = arcsin

2 n d

160