книги / Физические основы получения информации

заданных точек (фокусов) (рис. 3.41) есть величина по­ стоянная: R2 - R\ = const. На рисунке F]9 F2 - фокусы.

Каноническое уравне­ ние гиперболы имеет вид

где

Рис. 3.41. Ветви гиперболы

F2M -F ^ M = 2а.

Наземные станции принимаются за фокусы семейства ги­ пербол. Наземные радиостанции А, В и С (рис. 3.42) образуют две базы: АВ и АС.

Рис. 3.42. Геометрические соотношения в РСДН (ЛП - линия положения)

Станция А называется ведущей, а станции В и С - ведо­ мыми. Работа всех этих станций строго синхронизована во вре­ мени. Бортовое оборудование самолета, находящееся в точке М, измеряет время между приходами сигналов радиостанций.

Чтобы понять работу гиперболической системы, допус­ тим, что ведущая и ведомая станции излучают импульсы одно­ временно.

Если временная разность между приходом сигналов от них равна нулю, то это значит, что самолет находится на равном удалении от этих станций, т.е. на линии, перпендикулярной к середине базы наземных станций. Если же между моментами

71

прихода сигналов от двух наземных станций имеется некоторая разность, то самолет находится в стороне от этой линии.

Зная временную разность между сигналами, можно по за­ ранее подготовленной карте найти гиперболу, соответствую­ щую полученной временной разности. Ведущая станция А излу­ чает импульсы с периодом Т. Ведомая станция В, принимая им­ пульсы ведущей станции, переизлучает их. Сигналы от этих станций приходят на объект, соответственно, через время

AM ВМ

По измеряемой разности времени x = tA- t H определяется

разность расстояний A M - ВМ, а по ней - линия положения, на которой находится точка с координатами самолета.

Аналогичные измерения производятся и для сигналов другой пары станций: А и С. Местоположение самолета (точки М ) определяется по пересечению линий положения.

Для того чтобы приемник на борту объекта мог различать, от какой передающей станции пришел сигнал, их разделяют по несущей частоте. Радиолокационные системы (РНС) называют системами с частотной селекцией сигналов.

Разность времени прихода импульсов на объект определя­ ет линию положения - гиперболу с фокусами в местах располо­ жения наземных станций, для всех точек которой разность рас­ стояний от фокусов есть величина постоянная.

Из разностно-дальномерных РСДН широкое применение получили системы LORAN-A и LORAN-C, работающие в средневолновом и длинноволновом диапазонах радиоволн. LORAN-A излучает одиночные импульсы на частотах около 2 МГц. Опорные станции LORAN-C работают на несущей час­ тоте 100 кГц и излучают сразу по 8 или 9 (пачку) радиоимпуль­ сов, что способствует увеличению средней мощности сигнала. Когерентность колебаний несущей частоты всех импульсов обеспечивает возможность фазовых измерений.

Введена в эксплуатацию глобальная межконтинентальная РСДН «OMEGA», работающая в диапазоне сверхдлинных волн. Наземная часть системы состоит из восьми передающих стан­

72

ций, излучающих колебания на частотах 10,2-13,6 кГц. Расстоя­ ния между станциями 9200-11 000 км.

Опорные станции РСДН «OMEGA» размещаются: А - в Норвегии; В - на юге острова Тринидад; С - на Гавайских ост­ ровах; D - в США; Е - на острове Реюньон; F - в Аргентине; G - в Австралии; Я - на острове Цусима в Японии.

Для разделения сигналов опорных станций используется частотно-временной принцип. Все станции излучают колебания указанных частот в определенной последовательности циклами по 10 секунд (рис. 3.43). Начало первого цикла станции А долж­ но точно совпадать с началом суток по Гринвичу. Каждая стан­ ция излучает четыре сигнала длительностью около 1 секунды на четырех различных частотах (см. рис. 3.43).

/ = 10,2 /= 13,6 / = 11,33 / = 11,05 кГц Рис. 3.43. Распределение радиочастот в цикле

Бортовое оборудование РСДН «OMEGA» обеспечивает ав­ томатизированный поиск и синхронизацию с сигналами опорных станций, измерение разности фаз и определение координат ЛА.

Устройство обработки сигналов содержит цифровую ЭВМ, определяющую взаимно-корреляционную функцию при­ нятого сигнала. и его аппаратурного сигнала, их синхронизацию, и измеряет разность фаз.

РСДН «OMEGA» является глобальной всепогодной сис­ темой, пригодной для использования самолетами, кораблями и

73

подвижными объектами на суше. Система использует фазовый принцип определения гиперболических линий положения.

4. РАДИОЛОКАЦИЯ

Радиолокацией называется область радиоэлектроники, на­ значением которой является использование отражения радио­ волн различными объектами для обнаружения целей, определе­ ния их координат и параметров движения. Объектами радиоло­ кационного наблюдения могут быть отдельные цели (самолеты, вертолеты, корабли, танки и пр.), а также участки земной поверхности. Этот процесс называется радиолокационным на­ блюдением, а технические средства получения информации о цели - радиолокационными станциями (РЛС) или радиолока­ торами.

К основным преимуществам радиолокационных методов получения информации об объектах наблюдения относятся: возможность наблюдения в любое время суток, при любой по­ годе (облака, туман, дождь); возможность измерения больших расстояний; точность; возможность автоматизации процессов поиска и сопровождения целей.

4.1. Панорамные радиолокационные станции

Панорамные радиолокаторы (ПРЛ) применяются для по­ лучения радиолокационного изображения земной поверхности, над которой пролетает самолет. С помощью этого изображения решается ряд задач, в том числе и навигационных.

ПРЛ содержит импульсный передатчик. Отраженные от земной поверхности сигналы зависят от свойств этой поверхно­ сти и от всего того, что на ней расположено.

Направление приема отраженной электромагнитной вол­ ны позволяет получить информацию об угловых координатах объекта относительно продольной оси самолета, а время запаз­ дывания отраженного сигнала относительно момента излучения зондирующего импульса передатчика характеризует дальность.

В ПРЛ используются сверхвысокие частоты несущих ко­ лебаний. Чем короче волна, тем интенсивнее ее отражение, тем

74

лучше формируемое радиолокационное изображение. Кроме то­ го, более короткие волны проще сконцентрировать в узкий луч - обеспечить высокую разрешающую способность радиоло­ кационного изображения. Чем короче волна, тем меньше габа­ ритные размеры приемопередающей аппаратуры.

Однако с укорочением длины волны резко возрастают по­ тери энергии радиоволн в атмосфере и отражающих поверх­ ностях.

Для волн короче 2 см облачность, туман или дождь стано­ вятся «непрозрачными».

ВПРЛ используются радиоволны с частотой 10 ГГц, что соответствует длине волны 3 см.

Всамолетных ПРЛ применяется импульсный метод обзо­ ра земли. Импульсный режим работы позволяет применять одну антенну и для излучения зондирующих импульсов, и для приема отраженного сигнала.

Зондирующие импульсы имеют длительность 2-3 мкс. После излучения импульса антенна находится в режиме

приема отраженного сигнала в течение периода повторения им­ пульсов (1000-2500 мкс). Промежутки времени между излучае­

мыми импульсами выбирают исходя из разрешающей способно­ сти ПРЛ по дальности, чтобы до начала очередного цикла «пе­ редача - прием» зондирующий сигнал успел отразиться от само­ го дальнего объекта.

При обзоре поверхности земли в панорамных РЛС ис­ пользуется антенна с веерной ДН, которая исключает зависи­ мость мощности отраженного сигнала от расстояния до точки отражения.

ДН имеет угод раствора 40-60°, в горизонтальном сечении она представляет собой узкий луч с углом раствора 3°.

В самолетных ПРЛ обычно применяется радиально­ круговая развертка изображения. При этом электронный луч в трубке индикатора отклоняется по радиусу - от центра к краю экрана и одновременно по кругу.

Движение луча по радиусу происходит за счет пилообраз­ ных импульсов тока в отклоняющих катушках. Они создают ли­ нейно нарастающее магнитное поле, которое и отклоняет элек­ тронный луч.

75

Движение луча по кругу осуществляется за счет вращения этого отклоняющего поля вокруг оси трубки. Для этого пилооб­ разные импульсы развертки подаются на отклоняющие катушки через вращающий трансформатор (ВТ). Ротор ВТ вращается азимутальным приводом антенны. Таким путем обеспечивается синхронность вращения антенны, облучающей поверхность земли, и радиальной линии развертки, рисующей изображение облучаемой полосы земли на экране ЭЛТ.

Типовая структурная схема ПРЛ приведена на рис. 4.1 (БУА - блок управления антенной, УПЧ - усилитель промежу­ точной частоты, ФМД - формирователь меток дальности, КТО и КВО - соответственно катушка горизонтального и вертикально­ го отклонения). Она включает в себя передатчик, приемник, ан­ тенну с приводом и индикатор.

Рис. 4.1. Структурная схема радиолокатора

76

Передатчик РЛС формирует и излучает в направлении уз­ кой полоски земли (радиально от самолета) мощный радиоим­ пульс колебаний СВЧ.

Устройством, обеспечивающим согласованную во време­ ни работу всех элементов РЛС, является синхронизатор, со­ стоящий из высокостабильного опорного генератора (ОГ), коле­ бания которого заданной частоты и формы (обычно синусои­ дальной) являются исходными для формирования пусковых им­ пульсов (ФПИ) с необходимой длительностью и частотой по­ вторения, в том числе импульсов запуска модулятора, генерато­ ра развертки (ГР) дальности, ключевых каскадов устройства, обеспечивающего синхронное и синфазное вращение линии развертки на экране визуального индикатора с антенной РЛС.

Импульсы модулятора определяют длительность и часто­ ту повторения высокочастотных импульсов, генерируемых ге­ нератором сверхвысокой частоты (ГСВЧ), обычно мегатронного типа. Через антенный переключатель (АП), блокирующий вход приемника на время излучения, высокочастотные колебания по­ ступают на антенну и излучаются. После окончания излучения импульса и восстановления чувствительности приемного тракта РЛС готова к приему отраженных сигналов с помощью той же антенны. Таким образом, длительность зондирующего импульса и время восстановления чувствительности приемного тракта ог­ раничивают минимальную дальность действия (мертвую зо­ ну) РЛС.

По мере распространения радиоволны отражаются от встречных объектов и образуют непрерывно действующий (в интервале между импульсами передатчика) отраженный радио­ сигнал.

Приемник принимает высокочастотный сигнал, последо­ вательно отраженный от всех точек облучаемой поверхности земли, преобразует частоту несущих колебаний, усиливает и де­ тектирует его. Образуется видеосигнал изображения с амплиту­ дой, пропорциональной коэффициенту отражения того или ино­ го объекта. Далее видеосигнал подается на модулирующие элек­ троды (управляющую сетку) и управляет током электронного луча. Это приводит к изменению яркости движущейся точки на экране ЭЛТ, которая рисует изображение.

77

Момент излучения зондирующего импульса антенной со­ ответствует началу линии развертки дальности, а ее азимуталь­ ное положение совпадает с положением оси диаграммы направ­ ленности антенны (ДНА).

Канал развертки обеспечивает отклонение электронного луча в трубке индикатора в радиальном и круговом направлени­ ях для получения разнояркостного следа от движущейся светя­ щейся точки на экране и последовательного преобразования вы­ ходного сигнала приемника в разнояркостное изображение.

В конце прямого хода луча импульс развертки заканчива­ ется и ЭЛТ закрывается - ток развертки исчезает (обратный ход луча). Схема готова к следующему циклу локации.

Канал масштабных меток формирует кратковременные видеоимпульсы. Период их повторения реализуют исходя из желаемого масштаба дальности.

Видеоимпульсы масштабных меток смешиваются (скла­ дываются) с видеосигналом, получаемым на выходе приемника, и вместе с ним управляют яркостью светящейся точки, рисую­ щей на экране изображение.

При радиальной развертке на каждой строке, через задан­ ные интервалы времени, образуются яркие масштабные метки с одинаковыми для данного масштаба n-километровыми интерва­ лами. При круговой развертке масштабные метки образуют масштабные кольца дальности (рис. 4.2).

Линия развертки

Рис. 4.2. Экран с круговой разверткой

78

Схема образования круговой развертки РЛС включает в себя: ключевые каскады, масштабный дроссель, синусно-коси­ нусный вращающийся трансформатор (СКВТ) - устройство, обеспечивающее синхронное и синфазное вращение линии раз­ вертки на экране визуального индикатора с антенной РЛС, фик­ саторы уровня; обмотки отклоняющих катушек (ОК) вертикаль­ ного отклонения и горизонтального отклонения; ЭЛТ, каскад подсвета развертки; генератор меток дальности, генератор меток азимута, оконечный видеоусилитель (ВУ).

В визуальных индикаторах кругового обзора (ИКО) или секторного обзора (ИСО), как правило, используется полярная система координат. Вращение линии развертки модулируется развертыванием луча по угловой координате, т.е. вращением линии развертки синхронно с вращением антенны.

Синхронизирующий импульс запускает генератор раз­ вертки, открывая ключевые каскады, и линейно нарастающий ток поступает на фазорасщепляющее модулирующее устройство синусно-косинусного вращающегося трансформатора и далее в виде двух линейно изменяющихся сигналов подается в откло­ няющие катушки ЭЛТ.

Ротор СКВТ вращается синхронно и синфазно с валом привода вращения антенны. Последовательно с обмоткой рото­ ра СКВТ включена дополнительная индуктивность - масштаб­ ный дроссель и дифференциальные фазовые мосты - фиксаторы уровня.

Медленное нарастание тока в схеме осуществляется за счет изменения индуктивности катушки ротора и индуктивно­ сти катушки масштабного дросселя, которая секционирована таким образом, что позволяет на каждом масштабе выбрать оп­ ределенную скорость нарастания тока развертки. Для формиро­ вания линейно изменяющегося тока используется начальная часть экспонент. Нарастание тока в цепи происходит в течение промежутка времени между запускаемыми импульсами.

Ток, протекающий в роторе СКВТ, трансформируется в статорных обмотках и далее в обмотках отклоняющих катушек. Электронный луч отклоняется под действием результирующего магнитного поля, определяемого двумя составляющими, одна из которых пропорциональна синусу, а другая косинусу угла от­

79

клонения ротора (антенны). Таким образом, изменение положе­ ния ротора вращающегося трансформатора изменяет соотноше­ ние токов в ортогональных обмотках отклоняющих катушек и поворачивает линию развертки.

Линия развертки подсвечивается импульсами подсвета, поступающими на один из электродов ЭЛТ. В момент прихода сигнала, отраженного от объекта, импульс отрицательной по­ лярности с выхода видеоусилителя подается на катод ЭЛТ, уве­ личивает яркость пятна и воспроизводится на экране в виде яр­ костной отметки.

Таким же образом в виде колец (дуг в ИСО) воспроизво­ дятся метки дальности на экране индикатора, которые форми­ руются в виде коротких импульсов в генераторе меток.

Заметим, что если в какой-то точке излучается мощность электромагнитного поля Р, то поток мощности, проходящий че­ рез единичную площадку, находящуюся на расстоянии R, будет

пропорционален этому расстоянию: P /4 n R 2, т.е. при обычной радиосвязи мощность принимаемого сигнала обратно пропор­ циональна квадрату расстояния. Этот закон (сферической рас­ ходимости пучка энергии) выполняется и для отраженной элек­ тромагнитной волны. В связи с этим возвращающийся к прием­ нику ПРЛ отраженный сигнал ослабляется еще во столько же

раз и становится обратно пропорционален R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в два раза, при прочих равных условиях, мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз.

Ко второй группе панорамных РЛС относятся радиолока­ торы, предназначенные для обеспечения безопасности полета, обхода препятствий в воздухе, обнаружения зон активной гро­ зовой деятельности.

4.1.1.Радиолокационная станция предупреждения от столкновения и навигации (РСПН)

РСПН предназначены для предупреждении экипажа о встречных самолетах, появлении других препятствий, таких как горы, грозовые фронты, и для определения положения самолета относительно наземного радиолокационного маяка.

80