Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы радиолокации и радионавигации. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
С. Н. Данилов, А. В. Иванов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАДИОЛОКАЦИИ
И РАДИОНАВИГАЦИИ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению 11.03.01 «Радиотехника»
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2017
1
УДК 621.37(075.8)
Á844я73
ББК
Д18
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных
и микропроцессорных систем» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
В. И. Павлов
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
директор компании «Системы Безопасности» (ИП Топников А. И.)
А. И. Топников
Данилов, С. Н.
Д18 Теоретические основы радиолокации и радионавигации [Элект-
ронный ресурс] : учебное пособие для студентов, обучающихся по
направлению 11.03.01 «Радиотехника» / С. Н. Данилов, А. В. Иванов. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО «ТГ
ТУ», 201
7. – 1 электрон.
опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 27,1 Mb ;
XP ; мышь. – Загл. с экрана.
95/98/
ISBN 978-5-8265-1693-5
Рассмотрены особенности построения и функционирования радиолокационных и радионавигационных систем, формирования и обработки
сигналов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению
11.03.01 «Радиотехника».
RAM ; Windows
УДК 621.37(075.8)
Á844я73
ББК
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1693-5
2
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………........................... 5
В.1. Предмет радиолокации. Общая характеристика радиолокации
как отрасли радиоэлектроники ……………...................................... 5
В.2. Радиолокационное наблюдение как средство получения
информации о целях ………………………………………………… 6
Раздел I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ …........ 7
Глава 1. Физические основы радиолокационного наблюдения ….. 7
1.1. Задачи и виды радиолокации ……………………………………….. 7
1.2. Принципы радиолокационного обнаружения целей,
измерения их координат и параметров движения ……..................... 10
1.2.1. Обнаружение целей …………………………………………… 10
1.2.2. Методы определения местоположения объектов …………… 10
1.2.3. Методы измерения дальности …………………....................... 10
1.2.4. Методы измерения угловых координат ………........................ 13
1.2.5. Методы измерения скорости целей.
Эффект Доплера в радиолокации ……………………………. 16
1.3. Методы обзора …………………………………….............................. 18
1.4. Устройства радиолокационного наблюдения и их обобщённая
структурная схема ……………………………………………………19
Глава 2. Объекты радиолокационного наблюдения
и характеристики отражённых сигналов …………………. 20
2.1. Формирование отражённых радиолокационных сигналов ……….. 20
2.2. Классификация радиолокационных целей …………………………. 21
2.3. Эффективная поверхность отражения цели ……………………….. 22
2.3.1. Сложные точечные цели ……………………………………….23
Глава 3. Основы теории оптимального обнаружения
радиолокационных сигналов ……………………………….. 25
3.1. Общие сведения ……………………………………………………… 25
3.1.1. Задача обнаружения цели …………………………………….. 25
3.1.2. Статистические методы в задачах обнаружения целей …….. 25
3.1.3. Критерии оптимального обнаружения радиолокационного
сигнала …………………………………………………………. 29
3.2. Оптимальное обнаружение сигнала с полностью известными
параметрами ………………………………………………………….. 30
3.3. Характеристики обнаружения ………………………………………. 32
Глава 4. Дальность радиолокационного обнаружения целей …….. 34
4.1. Дальность действия РЛС в свободном пространстве.
Энергетические соотношения и дальность действия РЛС
при обзоре пространства ……………………………………………. 34
3
Глава 5. Основы теории разрешения радиолокационных сигналов
…
.
38
5.1. Понятие о разрешении целей в радиолокации …………………….. 38
5.2. Влияние на разрешающую способность характеристик
основных устройств РЛС ……………………………………………. 40
Глава 6. Основы теории измерения параметров
радиолокационных сигналов ………………………………. 43
6.1. Теория измерения координат целей как задача оценки
параметров радиолокационных сигналов …………......................... 43
6.2. Точность измерения дальности до цели ……………………………. 46
6.3. Точность измерения скорости движения ……………………………47
6.4. Точность измерения угловых координат цели ….............................. 47
6.5. Реальная точность измерения координат ……………………………48
Раздел II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ……………………50
Глава 1. Сущность и задачи воздушной навигации …………………50
1.1. Общие сведения ……………………………………………………… 50
1.2. Навигационные системы координат ………………………………
1.3. Методы определения местоположения летательного аппарата …..
55
59
1.4. Практическая реализация радиотехнических систем навигации …65
1.5. Краткая характеристика погрешностей радионавигационных
измерений …………………………………………………………….. 65
Глава 2. Методы и системы определения местоположения
летательного аппарата ……………………………………….
68
2.1. Угломерно-дальномерные радионавигационные системы ……….. 68
2.1.1. Общие сведения об угломерно-дальномерных РНС
и области их боевого применения ……………………………. 68
2.1.2. Принципы построения систем РСБН при ненаправленном
режиме работы ………………………………………………… 70
2.1.3. Принципы построения систем РСБН при направленном
режиме работы ………………………………………………… 77
2.2. Разностно-дальномерные радионавигационные системы ………… 81
2.2.1. Общие сведения о разностно-дальномерных системах …….. 81
2.2.2. Фазовые разностно-дальномерные системы ………………… 82
2.2.3. Им
пульсные разностно-дальномерные системы ……………. 83
2.2.4. Импульсно-фазовые разностно-дальномерные системы …… 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..………………………………………………………….. 86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………….. 88
4
ВВЕДЕНИЕ
В.1. ПРЕДМЕТ РАДИОЛОКАЦИИ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАДИОЛОКАЦИИ КАК ОТРАСЛИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Радиолокация – область радиоэлектроники, занимающаяся применением электромагнитных волн для обнаружения, измерения координат и
параметров движения объектов, а также для оценки их свойств.
Термин «радиолокация» составлен из двух латинских слов: locatio
(расположение, размещение) и radiare (излучать). Первое слово кратко
характеризует одну из основных задач радиолокации – определение местоположения объекта, второе – указывает на сп
ванный на использовании радиоволн.
Все объекты наблюдения в радиолокации называются целями. К ним
относятся, например: самолёты, корабли, танки, машины, поверхность
земли, планеты, кометы, искусственные спутники Земли и др.
Совокупность сведений о целях, получаемых средствами радиолокации, называют радиолокационной информацией.
Техническая реализация средства получения радиолокационной информации в виде совокупн
ости блоков или узлов называется радиолока-
ционной станцией (РЛС) или радиолокатором.
Обычно РЛС входят в радиолокационные или радиотехнические системы, предназначенные для решения какой-либо боевой задачи, например
обеспечения перехвата воздушных целей, контроля и управления воздушным движением (УВД) на трассах и в районе аэродрома, обеспечения посадки летательных аппар
атов и др. Выполнение боевой задачи предполагает решение частных задач радиолокации, которые решаются радиолокационными устройствами (РЛУ), такими как измерители дальности, угловых координат, устройства селекции движущихся целей (СДЦ).
Систему РЛС–цель можно рассматривать как радиолокационный канал, наподобие радиоканалов связи, навигации и телеметрии. Источником
радиолокационной информации является радиолокационный сигнал.
В обще
м случае радиосигналы, излучаемые передатчиком РЛС, не содержат радиолокационной информации. Она появляется в радиолокационном
канале, параметры электромагнитного поля которого модулируются в результате изменения протяжённости и ориентации целей в пространстве,
скорости взаимного перемещения приёмника и передатчика РЛС и цели,
изменения структуры сигналов, обусловленного физическими свойствами
цели. Поэтому РЛС, в отл
ичие от систем радиосвязи, формирующих информацию (сообщение) в передатчике путём внутренней модуляции колебаний, называют системами с внешней модуляцией.
особ её решения, осно-
5
Радиолокационный сигнал обычно содержит помехи и является
функцией ряда параметров, каждый из которых несёт информацию о цели. В общем случае для её извлечения следует осуществлять многомерную обработку принимаемых сигналов.
Как информационные системы, радиолокационные средства (так же,
как и радионавигационные) относят к классу систем извлечения информации. Для их анализа и синтеза испо
льзуют современный аппарат теории
информации и статистической теории анализа и синтеза радиотехнических устройств.
В.2. РАДИОЛОКАЦИОННОЕ НАБЛЮДЕНИЕ
КАК СРЕДСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ЦЕЛЯХ
Операции, выполняемые для обнаружения, разрешения и распознавания целей, измерения их координат и параметров движения, называются радиолокационным наблюдением.
Обнаружение целей заключается в установлении факта наличия или
отсутствия цели в зоне радиолокационного наблюдения. Измерение координат целей и параметров их движения состоит в определении местопо-
ложения цели и её параметров движения. Ра
зрешением называется раздельное обнаружение или измерение координат нескольких целей. Распо-
знавание заключается в установлении принадлежности цели к определённому классу.
Радиолокационное наблюдение позволяет получить информацию
о целях, по качеству превосходящую возможности человеческого глаза.
Оно даёт возможность наблюдения объектов в любое время года, суток
независимо от метеоусловий, обладает большой дальностью действия и
зволяет достигнуть высокой точности измерения координат и парамет-
по
ров движения целей. Эти преимущества выявились и получили своё дальнейшее развитие по мере изучения и разработки теории радиолокации и
воплощения её в практику.
6
Р а з д е л I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Источником информации в радиолокации являются цели. Переносчиком информации о целях является радиолокационный сигнал. Измерение координат целей и скорости их движения основано на определении
параметров радиолокационных сигналов. Широкое применение радиоволн для обнаружения целей и измерения координат обусловлено следующими свойствами электромагнитных колебаний:
– скорость распространения радиоволн в однородной среде является постоянной величиной и равна скорости света (с ≈ 3⋅108 м/с);
– радиоволны обладают свойством отражения от различных объектов, которые встречаются на пути их распространения (это обусловлено
неоднородностями среды распространения, участками с различными
электрическими проводимостями, электрической или магнитной проницаемостью);
– радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно, что позволяет использовать их как для определения угловых координат целей, так и расстояний до них;
– радиоволны способны концентрироваться в узкие лучи для осуществления направленного излучения и приёма радиоволн;
– частота излучённого сигнала отличается от частоты сигнала, отражённого от движущейся цели. При этом изменение частоты отражённого сигнала пропорционально скорости сближения цели и РЛС.
Использование указанных свойств определяет принципы построения
РЛС и их возможности.
Первая задача заключается в выяснении наличия отражённого сигнала
от цели в принимаемом колебании. Эта задача носит название задачи обнаружения. При её решении фиксируется факт наличия или отсутствия цели.
Другой важной для радиолокации является задача разрешения сигна-
лов, т.е. задача раздельного обнаружения нескольких одновременно действующих отражённых сигналов с малоразличающимися параметрами.
В результате разрешения сигналов определяется количество целей.
Третья задача состоит в измерении (оценке) параметров отражённого сигнала, искажённого случайными помехами. Такими параметрами
РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
1.1. ЗАДАЧИ И ВИДЫ РАДИОЛОКАЦИИ
7
чаще всего являются: время запаздывания, доплеровское смещение частоты и направление прихода сигнала. Решение задачи даёт ответ, где находится цель (координаты цели) и каковы параметры её движения.
Четвёртой задачей является задача распознавания. Распознавание даёт возможность установить некоторые характерные признаки цели: точечная она или распределённая, движущаяся или неподвижная и т.д.
По этим признакам определяется тип цели: самолёт, вертолёт, крылатая
ракета, истребитель или бомбардировщик, метеообразования и др.
По характеру принимаемого сигнала радиолокацию делят на три ви-
да: активная с пассивным ответом; активная с активным ответом;
пассивная.
В активной РЛС с пассивным ответом (рис. 1.1, а) принимается
сигнал, который образуется в результате отражения или рассеяния, созданных при излучении зондирующего сигнала данной системы радиоволн, когда на пути их распространения встречается какое-либо физическое тело, электрические и магнитные характеристики которого отличаются от соответствующих характеристик среды распространения. Так как
практически все объекты радиолокационного наблюдения (летательные
аппараты, наземные подвижные объекты, строения, сооружения, детали
земной поверхности и т.п.) удовлетворяют указанному условию, то любой
из них является источником отражённого электромагнитного поля, которое
воспринимается приёмной антенной А2, расположенной как, например, на
рис. 1.1, а, в непосредственной близости от передающей антенны А1.
В активной РЛС с активным ответом (рис. 1.1, б) на объекте (летательном аппарате и т.п.) устанавливается ответчик (ввиду чего РЛС называется системой «запросчик-ответчик»), т.е. приёмопередающее устройство, которое принимает сигнал и переизлучает его обратно в направлении РЛС. Работа запросного и ответного каналов обычно осуществляется
на разных частотах fзп и f
. Активная РЛС с активным ответом широко
отв
применяется для увеличения дальности действия, повышения помехозащищённости, точности определения координат и для получения дополнительной информации (параметры движения, высота, остаток топлива и
т.п.), которой кодируется ответный сигнал. Эта информация необходима
для нормального функционирования автоматизированных систем управления воздушным движением.
Активные РЛС могут быть совмещёнными и разнесёнными.
В совмещённой РЛС радиопередающее устройство ПРД с передающей антенной А1 размещается вблизи радиоприёмного устройства ПРМ с
приёмной антенной А2 (рис. 1.1, а и б). Для импульсных РЛС характерно
использование одной антенны, которая подключается к приёмнику ПРМ
или к передатчику ПРД через антенный переключатель.
В разнесённой (многопозиционной) РЛС (рис. 1.1, в) радиопередающее и одно или несколько радиоприёмных устройств разнесены в про-
8
странстве. Например, первое из них размещено на поверхности земли или
на самолёте, а второе – на ракете. Это делается для уменьшения массы и
габаритных размеров аппаратуры, а также для повышения помехозащищённости и живучести РЛС.
В пассивной РЛС (рис. 1.1, г) зондирующий сигнал не излучается,
а ведётся приём лишь собственного радиоизлучения исследуемого объекта. Такие РЛС широко применяются при обнаружении целей по их тепловому излучению.
Рис. 1.1
9
1.2. ПРИНЦИПЫ
РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ,
ИЗМЕРЕНИЯ ИХ КООРДИНАТ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
1.2.1. Обнаружение целей
Обнаружением целей с помощью РЛС называется процесс принятия
решения о наличии или отсутствии цели в данной области пространства
в результате приёма и обработки радиолокационных сигналов.
Практически речь идёт об обнаружении радиолокационных сигналов, порождаемых целями, которые находятся в зоне обзора РЛС.
Приём сигналов всегда происходит на фоне помех того или иного
вида. Например, внутренние шумы приёмника, шумы космического пространства, отражённые радиолокационные сигналы от земли, строений,
поверхности моря, преднамеренно созданные противником помехи.
Входной сигнал приёмного устройства может быть представлен как
y(t) = s(t) + n(t),
где s(t) – сигнал цели; n(t) – шум.
В этом случае возможно возникновение ошибок: при отсутствии
сигнала цели помеха может быть принята за него, а при наличии сигнала
цели он может быть замаскирован помехой.
Обнаружение сигнала цели на выходе приёмного устройства РЛС
может производиться человеком (оператором) с помощью индикатора или
автоматически.
При обнаружении допустимы только два решения: сигнал цели есть
или сигнала нет. В силу действия помех эти решения принимаются с определённой степенью достоверности, что характеризуется вероятностями,
например, правильного обнаружения и ложной тревоги.
1.2.2. Методы определения местоположения объектов
Положение объекта в пространстве можно характеризовать расстоянием до него и направлением на него.
По виду измеряемой величины каналы подразделяют на угломерные,
дальномерные.
В основе любых методов измерения расстояний в радиолокации лежит возможность определения времени запаздывания tз отражённых сигналов по отношению к излучённым. Постоянство скорости распространения радиоволн служит основой для измерения расстояний до объектов и
других координат.
10