СИСТЕМЫ ВТОРИЧНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ.

Общие сведения и эксплуатационно-технические характеристики.

Системы вторичной радиолокации СВРЛ входят в состав аппаратуры управления воздушным движением (УВД). К ним относится комплекс технических средств для определения координат ВС, их индивидуального опознавания и автоматического получения некоторых других данных о состоянии ВС.

Система содержит наземный комплекс технических средств – вторичный радиолокатор и бортовой ответчик, предназначенный для приёма сигналов запроса, декодирования их содержания, формирования ответных сигналов на основе информации ботовых датчиков и излучения сигналов ответа.

На основе данных СВРЛ служба УВД получает и обрабатывает информацию о ВС, находящихся в контролируемой области воздушного пространства, определяет координаты ВС, оборудованных ответчиками, высоту полёта, запас топлива, оперативные данные в случае нештатных ситуаций.

Вторичный радиолокатор (ВРЛ) выполняет функцию запросчика и формирует кодированный сигнал, содержащий тип запрашиваемой информации. Сформированный сигнал излучается антенной с узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Ответный сигнал, поступающий на ВРЛ, позволяет определить азимут и наклонную дальность до ВС, а декодирование дополнительной информации – высоту полёта, бортовой номер, запас топлива и другие данные.

Трассовые ВРЛ обеспечивают дальность действия 400 км, а аэродромные – 100 км.

Таким образом, ВРЛ является радиолокатором с активным ответом, что позволяет увеличить дальность действия при данной мощности, излучаемой передатчиком, и данной чувствительности приёмника.

Мощность сигнала, принимаемого на борту ВС, определяется зависимостью:

Р_прм = П₁А_б, (1.1)

где П₁ – плотность потока излучения в точке нахождения ВС; А_б – эффективная площадь бортовой антенны.

Для обеспечения надёжной работы СВРЛ необходимо, чтобы мощность принимаемого сигнала в k раз превышала чувствительность бортового приёмника Р_{прм min б} или:

Р_прм = kР_{прм min} . (1.2)

Для запросного канала можно получить следующие энергетические условия работы:

Р_прм = kР_{прм min} = Р_{прд З}G_ЗА_б/(4D²), (1.3)

где Р_{прд З} – мощность, излучаемая наземным передатчиком; G – коэффициент направленного действия наземной антенны; D – дальность распространения излученного сигнала от ВРЛ до ВС.

Из выражения (1.3) можно определить дальность действия ВРЛС:

D = Р_{прд З}G_ЗА_б/4kР_{прм min б}. (1.4)

- 2 -

Данное соотношение показывает, что требуемая мощность излучения пропорциональна квадрату расстояния до ВС, в то время как для первичных РЛС требуемая мощность излучения пропорциональна четвёртой степени дальности.

Соотношение между мощностью передатчика и чувствительностью приёмника имеет вид:

Р_{прд З}/Р_{прм min б} = 4kDG_ЗА_б. (1.5)

Коэффициент направленного действия наземной антенны связан с эффективной площадью антенны соотношением:

G_З = 4А_З/², (1.6)

где  - длина волны излучаемого сигнала.

После подстановки в (1.5) получим:

Р_{прд З}/Р_{прм min б} = kD²²/А_ЗА_б. (1.7)

Индекс «З» обозначает «земля», а «б» - борт.

Для радиоканала бортовой ответчик – наземный приёмник справедлива аналогичная формула:

Р_{прд б}/Р_{прм min З} = kD²²/А_бА_З, (1.8)

где Р_{прд б} – мощность излучения бортового передатчика, а Р_{прм min З} – чувствительность наземного приёмника.

Приведённые выражения являются упрощёнными, поскольку они не учитывают отражающих свойств земной поверхности и местных предметов при распространении сигнала и направленных свойств наземной антенны в вертикальной плоскости.

Обобщённая структурная схема ВРЛ приведена на рис. 1.1.

Шифратор

Передатчик

Развязывающее устройство

Антенная

система

Устройство управления и синхронизации

Аппаратура декодирования и преобразования

Приёмник

От командно- На аппаратуру

диспетчерского первичной обработки

пункта информации УВД

Рис. 1.1. Обобщённая структурная схема ВРЛ.

Наземная часть СВРЛ.

Устройство управления и синхронизации управляется от командно-диспетчерского пункта таким образом, чтобы запуск ВРЛС происходил синхрон-

- 3 -

но с некоторым опережением, учитывая задержку сигнала при его кодировании и декодировании. Кодирование производится в шифраторе, формирующем последовательности видеоимпульсов с заданными временными интервалами между ними.

Полученные импульсы подаются на модулятор передатчика, формирующего радиоимпульсы, поступающие через устройство, развязывающее приёмную и передающие цепи, в антенную систему. Применение ответчика на борту ВС позволяет уменьшить мощность передатчика ВРЛС во много раз по сравнению с мощностью ПРЛС аналогичной дальности действия.

Ответный сигнал с борта ВС принимается наземной антенной системой и через развязывающее устройство поступает в приёмник, где производится его фильтрация, усиление, преобразование и детектирование. С выхода приёмника видеоимпульсы поступают на аппаратуру декодирования и преобразования информации. Преобразованный цифровой код, содержащий информацию о ВС, транслируется на аппаратуру первичной обработки информации. Дальность до ВС

определяется по времени задержки между излучаемым ВРЛС сигналом и принимаемым сигналом ответчика, а азимут – угловым положением главного лепестка ДН приёмно-передающей антенны системы в момент приёма сигнала ответа.

Бортовая часть СВРЛ.

Бортовая часть СВРЛ содержит ответчик, содержащий приёмопередатчик, приёмник которого настроен на рабочую частоту ВРЛ. Принятый сигнал декодируется и из его содержания определяется состав запрашиваемой информации, которая формируется на основе данных, получаемых от бортовых систем ВС. Ответный сигнал кодируется и поступает на передающее устройство, несущая частота которого отличается от частоты наземного передатчика.

Сигналы систем вторичной радиолокации формируются в соответствии со стандартами ИКАО (Код RBS) или с национальным стандартом России (Код УВД). Они представляют собой кодированные группы импульсов определённой длительности. Временная расстановка и количество импульсов в группе определяют характер запрашиваемой информации. Дополнительный импульс, включённый в кодовую, последовательность служит для подавления ложных сигналов, приняты по боковым лепесткам ДН антенны ВРЛ.

Ответный сигнал состоит из координатного и информационного кодов.

Временная задержка информационного кода используется для измерения дальности до ВС. Информационный код содержит ключевые импульсы, определяющие вид передаваемой информации и кодовую последовательность, содержащую информацию о ВС (бортовой номер, запас топлива, высоты полёта и т.д.).

Параметры и эксплуатационно-технические характеристики СВРЛ определяются типом ВРЛ. Эксплуатируемая в гражданской авиации России ВРЛС «Корень-АС» имеет следующие параметры:

Дальность действия, км,

при высоте полёта 20 км . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

- 4 -

Сектор обзора, градус:

в горизонтальной плоскости . . . . . . . . . . . . . . 360

в вертикальной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5…45

Погрешность измерения ():

дальности, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

азимута, угл. мин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Разрешающая способность:

по дальности, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650

по азимуту, градус . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,5

Вероятность получения информации:

правильной, не менее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,9

ложной, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10^-3

Поляризация сигналов:

запроса на частоте:

1030 Мгц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . вертикальная

ответа на частоте:

1090 МГц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . вертикальная

740 Мгц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . горизонтальная

Частота повторения сигналов

запроса, Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150… 500

Система ВРЛ состоит из сети станций, работающих в режиме кругового обзора и имеющих узкую в горизонтальной области ДН антенны, что обеспечивает высокое разрешение и точность определения азимута ВС. Радиолокатор периодически излучает кодированные сигналы запроса. Ответные сигналы поступают, в пределах ДН антенны радиолокатора, от всех ВС, которые содержат ответчики и находятся на одном азимуте,

По рабочим частотам различают два диапазона – международный (диапазон I) и российский (диапазон II), которым соответствуют частоты (Мгц):

Диапазон I: запрос – 1030  0,2; ответ – 1090  3.

Диапазон II: запрос – (835; 837,5; 840)  0,3;

ответ – (730, 740, 750)  1,8.

Зарубежные системы стандарта ИКАО работают только на частотах диапазона I и имеют несколько меньшее информативное содержание кодов.

Следует отметить некоторые недостатки систем вторичной радиолокации. К ним относятся возможные перегрузки ответчиков и потери запросных сигналов, если ВС оказывается в зоне действия нескольких наземных станций. Если ВС находятся близко друг от друга, то происходит наложение ответных сигналов от нескольких ВС. Большая длительность ответных сигналов снижает разрешающую способность ВРЛС по дальности. Автоматизированный информационный обмен по каналу «борт – земля» используется не в полной мере, а по каналу «земля – борт» отсутствует.

Усовершенствованием системы ВРЛС является принцип дискретно-адресного запроса.

- 5 -

Такие системы ВРЛС получили название дискретно-адресных (ДАС) ВРЛ. В них каждому ВС присваивается свой индивидуальный адресный код и ВС отвечает только на запрос, обращённый к нему. В этом случае снижается загрузка ответчика, уменьшается поток ответных излучений и уровень взаимных помех.

В ДАС ВРЛ используется пространственная селекция сигналов в азимутальной плоскости путём применения направленных антенн типа фазированных антенных решёток (ФАР), работают прямой и обратный каналы автоматического обмена информацией с ВС.

В системе используются более сложные коды запроса и ответа, однако предусматривается, чтобы станции ДАС ВРЛ обеспечивали опрос ВС, оборудованных обычными ответчиками, а ответчик ДАС ВРЛ отвечает запросчикам системы RBS.

Помехи в системах вторичной радиолокации.

Преимуществом СВРЛ является отсутствие помех, связанных с отражением от земной поверхности, местных предметов, гидрометеообразований. Однако возникают специфические помехи, обусловленные используемым принципом «Запрос-ответ», при котором на запрос отвечают все ВС, принявшие этот сигнал.

В результате создаются синхронные и асинхронные помехи, перегружающие канал связи и нарушающие работу самой системы. Особенностью СВРЛ являются помехи, обусловленные передачей и приёмом сигналом по боковым лепесткам ДН антенны ВРЛ.

Синхронные помехи возникают в случае, когда два или несколько ВС имеют близкие значения азимута и дальности. Ответные сигналы, передаваемые каждым из них на одной и той же частоте, накладываются, что снижает эффективность СВРЛ в условиях интенсивного воздушного движения. Для уменьшения синхронных помех в ответчике имеется делитель частоты запуска, который на порядок уменьшает частоту ответных сигналов по сравнению с частотой повторения сигналов запроса. При этом ответные коды близко расположенных ВС оказываются статистически распределёнными во времени, что уменьшает вероятность их взаимного наложения.

Асинхронные помехи проявляются при приёме сигналов, излучаемых данным ВС в ответ на запросы нескольких запросчиков, что приводит к перегрузке и уменьшению вероятности получения на запросный сигнал основного ВРЛ данной зоны, который наиболее нуждается в информации о данном ВС. Для устранения перегрузки ответчика в его аппаратуре используется ограничитель загрузки, закрывающий канал ответа, если число запросов превысит заданный уровень.

Наиболее эффективным средством борьбы с синхронными и асинхронными помехами является применение упомянутых выше дискретно-адресных систем.

Помехи, обусловленные излучением и приёмом сигнала по боковым лепесткам ДН антенны ВРЛ, приводят к искажению угломерной информации и созданию ложных отметок о ВС на индикаторе кругового обзора (ИКО). Эта серьёзная

- 6 -

проблема решается специальными методами подавления ложных сигналов, основанными на учёте формы ДН антенны, применении дополнительной приёмно-излучающей антенны с круговой ДН в горизонтальной плоскости.

Рассмотрим особенности излучения и приёма сигналов по боковым лепестком. Пока ВС находится на большом расстоянии, уровень сигнала в приёмнике ответчика, определяемый излучением боковых лепестков ДН антенны ВРЛ, незначителен и происходит приём только тех сигналов, которые излучаются главным лепестком. По мере приближения ВС уровень сигналов, излучаемых боковыми лепестками, возрастает обратно пропорционально квадрату дальности до ВС. Сигналы запроса, излучаемые через боковые лепестки ДН антенны, также принимаются ответчиком, декодируются и в ответ на них могут формироваться ответные сигналы, создающие ложные отметки. При этом на ИКО возникает се-

рия раздельно расположенных отметок сигналов, принятых главным и боковыми лепестками.

Для подавления мешающих излучений в каналах запроса и ответа используют дополнительную антенну с круговой ДН. Через дополнительную антенну излучают специальные импульсы подавления, отстоящие от первого из запросных сигналов на определённое время (рис. 1.2а, импульс 3). Основные импульсы 1,2 излучаются главным лепестком ДН, поэтому их амплитуды значительно превышают амплитуду импульса подавления (более чем на 9дб).

1 2

Е_З()

3 1 2

t

t_к

6

E_П()

4 5

t

1. б)

Рис. 1.2. Временные диаграммы ответных сигналов (а) и форма(б)

ДН антенны запроса (2) и подавления (1).

Если на ответчик поступает сигнал, излученный боковым лепестком антенны, амплитуда основных импульсов 4,5 оказывается ниже амплитуды импульса подавления 6, излученного антенной подавления. В ответчике этот импульс выделяется и используется для получения команды запрета на формирование ответных импульсов. Форма ДН антенны запроса и подавления приведены на рис. 1.2б.

Функциональная схема системы подавления приведена на рис.1.3. Наземная станция содержит передатчик запроса (основной) и передатчик подавления (дополнительный), на которые поступают модулирующие импульсы. Приёмник ответчика принимает, усиливает и детектирует полученные сигналы, после чего они поступают на схему сравнения амплитуд, в которой основные импульсы сравниваются с импульсами подавления. Устройство формирования ответчика запускается, если импульс подавления на 9дб ниже импульса подавления.

Ап А

Аз

Передатчик

подавления

Передатчик

ответчика

Передатчик запроса

Схема

сравнения

амплитуд

От модулятора К устройству формирования

ответа

Рис. 1.3. Функциональная схема системы подавления излучения

боковых лепестков.

К сожалению, защита СВРЛ по каналу запроса не препятствует проникновению в приёмник наземной станции сигналов ответчика на запросы других станций по каналу боковых лепестков ДН антенны в том случае, если зона действия сторонних СВРЛ перекрывается с зоной действия данной станции. Для защиты наземной станции от приёма ответных сигналов ВС на запросы сторонних СВРЛ приём производится не только на направленную, но и на ненаправленную антенну. В случае приёма боковым лепестком ДН направленной антенны оказывается значительно более слабым, чем сигнал, принятый ненаправленной антенной. После сравнения амплитуд сигналов производят бланкирование (подавление) импульсов, принятых по боковым лепесткам.

Обобщённая функциональная схема наземной системы ВРЛ.

Обобщённая функциональная схема СВРЛ приведена на рис. 1.4. Система содержит антенны запроса и подавления А_З и А_П. Управление вращением антенны происходит синхронно с антенной первичной РЛС.

- 8 -

Передающее и приёмное устройства соединены с антенной через разделительный фильтр, обеспечивающий, обеспечивающий разводку между ними. Отдельные приёмники RBS и УВД обеспечивают приём сигналов стандарта УВД и ИКАО. Каждый приёмник выполнен в двухканальном исполнении для приёма сигналов от направленной и ненаправленной антенн, чтобы обеспечить подавление сигналов, принятых по боковым лепесткам ДН направленной антенны. Управление работой передатчика и приёмника производится от генератора режимов, определяющих последовательность формирования кодов запроса. Запуск ге-

нератора режимов производится синхронно с первичной РЛС по поступающим от неё синхросигналам. Зондирующие импульсы вторичной РЛС опережают по времени на 92,5 мкс импульсы первичной РЛС. Это позволяет скомпенсировать задержку сигналов на кодирование, декодирование и ретрансляцию.