Распределение каналов между РМ VOR и КРМ осуществляется следующим образом. Курсовые РМ работают в диапазоне 108 … 112 МГц, который совпадает с диапазоном частот, отводимым РМ типа VOR. Поэтому в диапазоне 108 … 112 МГц для VOR отводятся частоты с четными значениями цифр, соответствующими десятым долям мегагерц, для КРМ - с нечетными. Дальность действия РМ зависит от их целевого назначения и высоты полета. Трассовые ВРМ оснащаются передатчиками мощностью 200 Вт и обеспечивают дальность действия до 370 км (на высотах, обеспечивающих прием сигналов в пределах прямой видимости), мощность излучения передатчиков аэродромных ВРМ составляет 50 Вт, дальность действия таких РМ 50 км. Согласно нормам ИКАО погрешности определения азимута, вносимые аппаратурой РМ, не должны превышать 2, а погрешности вследствие несовершенства бортовой аппаратуры не более 3, результирующая погрешность при этом не превысит 3,6.

При приеме сигналов ВРМ VOR основной вклад в погрешность измерений вносят погрешности, обусловленные влиянием отражений от неровностей рельефа и местных предметов. Средняя квадратическая погрешность определения азимута по ВРМ 0,5 … 1. В системе обеспечивается опознавание ВРМ. Для этого излучаемый сигнал модулируется низкочастотными колебаниями кода Морзе или речевыми позывными, выдаваемыми с магнитной ленты.

3.7.1 Принцип функционирования ВРМ

В настоящее время наибольшее распространение получили ВРМ VOR доплеровского типа (DVOR) и его разновидность - маяки повышенной точности их называют еще прецизионными (PDVOR). По принципу действия они одинаковы и аналогичны принципу действия наземных пеленгаторов доплеровского типа.

На рис.49 представлена схема антенной системы фазового радиомаяка.

Рис.33. Антенная система фазового радиомаяка

Она состоит из неподвижной центральной антенны А₀ и подвижной антенны А₁, которая вращается по окружности радиуса R c постоянной скоростью Щ. Если антенна А₁ излучает сигнал е_{1 =} Е_m1·sin₀t , то в точке приема на ВС этот сигнал будет иметь вид:

е_вс = Е_m·sin₀(t - t_з),

где - t_з = r/c - время запаздывания сигнала при прохождении им расстояния r между ВРМ и ВС.

При вращении антенны А₁ расстояние r изменяется по закону

r = r₀ - R· сos (Щt - А_вс),

где: R - радиус окружности вращения антенны А₁;

А_вс - азимут ВС;

Щ - угловая скорость вращения антенны А₁ (Щ = 2рF).

Таким образом, принятый на ВС сигнал будет иметь переменную фазу и, как следствие, частоту, которая равна щ = dц/dt.

Cигнал, принимаемый на ВС, окончательно будет иметь вид

е_вс = E_m· sin { щ₀t - (щ₀/c) ·[r₀ - R· cos (Щt - А_вс)]}.

Частота этого сигнала будет равна

щ=щ₀ - (2р/ л) ·Щ·R· sin (Щt- А_вс).

Таким образом, сигнал, принимаемый на ВС, представляет частотно-модулированное колебание, причем начальная фаза модуляции частоты равна азимуту ВС. Измеряя фазу модуляции можно определить азимут ВС. Поскольку изменение частоты сигналов, принимаемых на ВС, обусловлено доплеровским сдвигом, возникающим из-за движения антенны А₁ относительно ВС, радиомаяки получили название доплеровских.

Неподвижная антенна А₀ служит для излучения опорного сигнала частоты Щ, фаза которого не зависит от азимута ВС относительно маяка.

На борту ВС после приема и преобразования выделяются два сигнала: - опорный U_{оп =} U_m· cos Щt и “рабочий ” - U_р = U_m·cos(Щt- А_вс). При А_вс = 0⁰ фазы этих сигналов равны, в любом другом направлении они будут различны. Таким образом, процесс измерения азимута на борту заключается в сравнении фаз двух сигналов - “рабочего” и опорного

А_вс = ц_р - ц_оп.

В реальных маяках механическое вращение боковой антенны А₁ заменяется последовательным подключением вибраторов, расположенных на окружности заданного радиуса R (рис.50). Радиус окружности R = 6,6м, количество вибраторов N = 39. Вибраторы работают попарно (1-21;2-22; …12-32;19-39).



Рис. 50. Схема коммутации вибраторов антенны ВРМ

Прием сигналов РМ VOR на борту осуществляется навигационно-посадочным оборудованием системы "Курс-МП", в котором имеется два независимых канала, позволяющих одновременно измерять МПС по двум РМ. Результаты измерения отображаются с помощью двухстрелочного радиомагнитного индикатора РМИ-2Б или индикаторов аналогичного типа.

В таблице 9 приведены основные эксплуатационно-технические характеристики типовых ВРМ.

Таблица 9

ВРМ	VOR	DVOR	PVOR	PDVOR	РМА-90
Погрешность измерения азимута (2), град	3,6 (до 5) (20-РМ;30-БО)	1…2	-	1…2	1
Дальность действия, км:
трассовые ВРМ при Нэш = 10000м	370	300
аэродромные	50	150
Число рабочих каналов	160	200



3.8 Спутниковые радионавигационные системы

3.8.1 Глобальная навигационная спутниковая система GNCC (Global Navigation Satellite System)

Рекомендации по использованию спутниковой технологии для авиационной навигации были разработаны специальным комитетом ИКАО по контролю и координации разработки и планирования перехода к будущей системе аэронавигации (FANS). Комитет разработал стратегию современных технологий в области спутников, связи и вычислительной техники с целью совершенствования организации воздушного движения и извлечения выгод для эксплуатантов ВС во всем мире.

Комитет ИКАО рекомендовал приступить как можно раньше к использованию системы GNSS на основе глобальной системы определения местоположения (GPS), глобальной орбитальной навигационной спутниковой системы (GLONASS), дополнительных систем, оверлейных систем, наземного функционального дополнения и т.д.

Система GNSS имеет значительные преимущества по сравнению с обычными средствами радионавигации. Она характеризуется более высокой точностью, которая обеспечивается в любом месте земного шара и определяет стандартное всемирное время. В сочетании с другими датчиками на борту ВС, вычислителями воздушных данных, спутниковой связью по линии передачи данных "диспетчер-пилот", автоматическим зависимым наблюдением (ADS) и методами организации воздушного движения (ATM) система GNSS позволяет производить полеты, отвечающие более жестким стандартам на требуемые навигационные характеристики (RNP), и увеличить пропускную способность воздушной транспортной системы, снизив при этом общую стоимость полетов и повысив уровень их безопасности.

Для начала разработки GNSS США и Россия предложили ИКАО использовать системы GPS и GLONASS соответственно в качестве средств, обеспечивающих эволюционное развитие GNSS. ИКАО принял предложение США, о чем сообщил всем Договаривающимся сторонам - членам ИКАО в письме 4/49.1-94/84 от 13.12.94

Российская система GLONASS предлагает сообществу ГА обслуживание по определению местоположения, известное как канал стандартной точности.

Система GNSS коренным образом отличается от традиционных средств навигации. Наиболее важной ее особенностью является возможность обеспечения всех этапов полета: от полета по маршруту до точного захода на посадку по категории III, а также наведение при движении на Земле. Это исключает необходимость создания специализированных систем, предназначенных для решения отдельных прикладных задач.

Внедрение системы GNSS обеспечивает ряд видимых преимуществ:

- повышение безопасности полетов за счет уменьшения риска, связанного с неточностью информации о местоположении, и более точного наведения;

- увеличение гибкости и эффективности полетов за счет сокращения полетного времени и экономии топлива;

- возможность выполнения полетов по воздушным трассам, на которых невозможно установить наземные средства навигации по географическим причинам или из соображений, связанных с большими материальными затратами.

Уже в настоящее время многие государства используют GNSS в качестве дополнительного средства обеспечения полетов по маршруту и неточных заходов на посадку и в качестве основного средства обеспечения полетов по океаническим или проложенным в отдельных районах маршрутам, а также точных заходов на посадку в условиях полета по особой категории I.



3.8.2 Характеристика спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS

Глобальные системы навигации GPS и GLONASS разработаны в интересах министерств обороны США и России, а также могут использоваться гражданскими потребителями.

Они имеют примерно одинаковую структуру, основаны на одних и тех же принципах и проходят в настоящее время стадию опытной эксплуатации. Структурно каждая из систем включает в себя три основных сегмента:

- космический сегмент;

- сегмент управления;

- сегмент, представляющий собой пользователя.

Структура космических сегментов представлена на рис.51 и 52, а их характеристики даны в табл.10.

Таблица 10

Основные характеристики	GLONASS	GPS
1. Спутники (космический сегмент) Созвездие Высота Период Наклон Срок службы спутника	24 спутника (8 спутников х 3 орбиты) 19100 км 11 час 15 мин 64,8 градуса Не менее 3 лет (в будущем не менее 5 лет)	24 спутника (4 спутника х 6 орбит) 20 200 км 11 час 56 мин 55 градусов 7,5 лет
2. Наземные станции (сегмент управления) Главная станция управления Загрузочные станции Лазерные станции слежения Контрольные станции	1 4 1 2	1 - - 5	3 наземных антенны линии связи «вверх»
3. Радиочастотный сигнал Код C/A и Р Ширина полосы частот	До 1998 г. возможны 24 несущие частоты в поддиапазоне L 1. Разнос несущих 0,5625 МГц начиная с канала 1 на частоте 1602,5625 МГц (1602,5625 - 1615,5) + 0,5 МГц (L 1)1	1575,42 МГц (L 1)
4. Точность (CSA) Определение местоположения: в горизонтальной плоскости по вертикали Скорость Время	50-70 м (вероятность 99,7%) 70 м (вероятность 99,7%) 15 см.с (вероятность 99,7%) 1 мкс	100 м (вероятность 95%); 300 м (Р = 99,99%( 156 м не > 2 м/с ускорение 8 мм /с2 340 нс
5. Зона действия	Глобальная	Глобальная
6. Количество одновременных пользователей	Не ограничено	Не ограничено
7. Система координат	Параметры Земли 1990 РЕ-90 Неподвижная, с началом в центре Земли	Всемирная геодез. Система 1984 (WGS-84). Неподвижная,с началом в центре Земли

Космический сегмент

Рис. 51. Орбитальная группировка GPS

Космический сегмент GPS и ГЛОНАСС состоит из 24 спутников: 21 рабочий и 3 резервных, расположенных таким образом, что с любой точки Земли обеспечивается постоянное наблюдение одновременно 5…9 спутников с углом возвышения над горизонтом более 15⁰. При этом каждый спутник находится в поле наблюдения до 5 часов. В системе GPS спутники равномерно распределены на 6 орбитах, плоскости которых наклонены под углом 55⁰ к плоскости экватора и на каждой орбите находится по 4 спутника. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 60⁰. В системе ГЛОНАСС спутники расположены на трех орбитах, угол наклона которых 64,8⁰, на каждой орбите находится восемь спутников. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 120⁰.

Сегмент управления

Сегмент управления GPS состоит из пяти контрольных станций (КС) и трех наземных антенн, обслуживающих линию связи "вверх". Для слежения за всеми видимыми спутниками и накопления данных о расстоянии, получаемых по сигналам спутников, на КС используются приемники GPS. Информация от КС обрабатывается на главной станции управления (ГСУ), где определяется состояние эталонов времени (часов) спутников, состояние и характеристики орбит, а также обновляется навигационная информация каждого спутника. Эта информация от ГСУ через наземные антенны передается на спутники.

Сегмент управления GLONASS состоит из ГСУ, а также контролирующих и загрузочных станций и осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные данные, которыми модулируются закодированные спутниковые навигационные сигналы. Данные о результатах измерений, выполненные на контролирующих станциях, обрабатываются на ГСУ и используются для вычисления навигационных данных, которые передаются на спутники через загрузочные станции.

Синхронизация эталонов времени на спутниках обеспечивается ГСУ путем передачи параметров коррекции часов.

Сегмент пользователей

Сегмент пользователей состоит из антенн и приемников-процессоров, которые осуществляют прием сигналов и навигационные расчеты для получения информации о местоположении и точном времени. В июне 1999 года Европейским сообществом принято решение о создании глобальной навигационной спутниковой системы “ Galileo”. Космический сегмент системы будет состоять из 32 спутников, три из которых являются резервными. Спутники будут располагаться на трех орбитах высотой порядка 23600 км, с наклоном к экватору около 55⁰. Кроме среднеорбитальных спутников предполагается запустить девять геостационарных спутников. Система разрабатывается в интересах гражданских пользователей, она дополнит GNSS, и будет иметь ряд отличий и преимуществ по сравнению с GPS. Проектируемая точность определения МС в горизонтальной плоскости не более 10 м, в вертикальной плоскости не более 4 м (при гарантированной вероятности 95%). С учетом локальных дополнений точность определения местоположения планируется не хуже 0,5 м.

3.8.3 Принципы функционирования СНС. [ 4,5,6 ]

В основу определения позиции ВС (любого потребителя GPS) положен принцип измерения дальностей до навигационных спутников. Если в любой момент времени известны координаты спутников в околоземном пространстве, то могут быть измерены первичные навигационные параметры - дальности до спутников, видимых из точки наблюдения. Измеренная дальность D₁ до одного спутника определяет поверхность положения ВС в виде сферы с радиусом, равным измеренной дальности (рис.53).



Рис. 53. Поверхности положения НИСЗ

Дальности до двух спутников определяют две поверхности положения, пересечения которых дает линию положения в виде окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника, может иметь пересечение с линией положения, полученной от первых двух спутников, только в двух точках. Таким образом, имея информацию о дальностях до трех спутников, возможное положение ВС можно ограничить двумя возможными точками. Методом логического исключения можно определить, какая из двух точек является истинной позицией ВС. В бортовой аппаратуре потребителей заложены специальные алгоритмы, позволяющие отличать правильную позицию ВС от ложной. В СНС реализуется псевдодальномерный метод определения дальности до спутников, что требует высокоточной синхронизации бортовых и спутниковых эталонов времени. А это требует пеленгования минимум трех-четырех спутников одновременно.

Определение координат спутников и дальности до них

Высокоточное определение места ВС возможно только при условии точного определения координат спутников на момент измерения дальностей до них. Рабочие орбиты спутников выбираются так, чтобы обеспечивалась высокая точность сохранения их параметров и периода обращения относительно центра Земли. Параметры, определяющие положение спутников на орбитах (эфемериды) определяются и уточняются с помощью наземного командно-измерительного комплекса (КИК). Информация об эфемеридах всех спутников в виде так называемого “альманаха” вводится в память компьютера потребителя. Таким образом, потребители обеспечиваются данными для вычисления координат спутников на любой момент времени. Возникающие изменения в параметрах движения спутников фиксируются на КИК и в виде эфемеридных поправок передаются на спутник. В сигналах, передаваемых спутником, содержится информация об эфемеридных поправках данного спутника. Данные об эфемеридах, содержащиеся в альманахе, и информация об эфемеридных поправках обеспечивают высокоточное определение координат спутников на борту потребителя (ВС). В основу определения дальности от спутника до потребителя положен метод высокоточного измерения времени прохождения радиосигналов от спутника до потребителя (ВС). Если в аппаратуре на борту известен момент излучения радиосигнала, то дальность D до спутника может быть определена по формуле:

D = c · t,

где c - скорость распространения радиоволн;

t - время прохождения радиосигнала от спутника до ВС

Для дальностей порядка D=20000 км и скорости с = 300000 км/сек, время прохождения сигнала t = 0,06 сек. Поэтому возникает необходимость измерения весьма малых промежутков времени с очень высокой точностью.

Аппаратура спутников и бортовых приемников синхронизирована с очень высокой точностью. И на спутниках, и на борту ВС генерируются одинаковые последовательности сложных цифровых кодов. Эти коды генерируются в одни и те же моменты времени, поэтому время прохождения сигнала от спутника до ВС определяется по задержке принятого кода Д t (рис.54).



Рис. 54. Псевдослучайные коды, генерируемые в СНС

Генерируемые коды повторяются каждую микросекунду, т. е. через каждые 10^-6 сек. Для высокоточного определения места ВС необходимо чтобы точность синхронизации эталонов времени на спутниках и в бортовой аппаратуре соответствовала точности измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до ВС.

На спутниках устанавливаются атомные эталоны (их четыре) и, кроме того, они корректируются наземными станциями управления. На борту установлены сравнительно неточные кварцевые часы. Погрешность определения момента времени Дt в бортовом приемнике определяется по специальному алгоритму в процессе вычисления. Если предположить, что время прохождения радиосигнала измеряется точно (погрешность дt = 0), то погрешностей в измерения дальностей до пеленгуемых спутников не будет и линии положения будут пересекаться в одной токе (рис.55).

Рис. 55. Погрешность определения места ВС

В тех случаях, когда погрешность дt ? 0, то вычисленные линии положения будут отстоять от истинных на величину c·дt и образуют некоторую область возможного места ВС. Размеры этой области определяются величиной c·дt и углами пересечения линий положения.

Для определения положения ВС в пространстве необходимо одновременное пеленгование четырех спутников. Область возможного положения ВС будет иметь вид тетраэдра (четырехгранник, у которого все грани треугольники).

Таким образом, для высокоточного определения места ВС в реальном масштабе времени необходимо сочетание приемника (минимум четырехканального) и быстродействующего компьютера, вычисляющего погрешности бортового эталона времени дt и положение ВС в выбранной системе координат.

Влияние взаимного положения спутников на точность их пеленгования.

Возможная точность определении дальности до спутника оценивается погрешностью уд = 5…10 м. Точность определения координат ВС определяется не только этой погрешностью, но взаимным расположением спутников относительно ВС. Предположим, что два спутника и ВС расположены в одной плоскости. Обе линии положения определяются с погрешностью ДD. Тогда область возможного положения ВС (площадь “ромба” рис.56) будет значительно меньше при угле пересечения линий положения близким к 90⁰, чем при угле пересечения близком к 180⁰. Погрешность в определении места ВС за счет “геометрического фактора” может возрасти в несколько раз. При пеленговании четырех спутников погрешности ДD также определяют область возможного нахождения ВС и точность определения координат находится в большой зависимости от взаимного расположения спутников.

Но если в поле зрения антенны приемника на борту находится более четырех спутников, то по определенному алгоритму можно выбрать такие спутники, взаимное расположение которых обеспечивает в данный момент наибольшую точность определения места ВС. Для этой оценки выбран критерий DOP (геометрическое снижение точности).

Величина критерия DOP определяется из следующих соображений.

Если позиции четырех спутников и ВС рассматривать как вершины многогранника (рис.57), то, соединив их прямыми линиями, получим некоторый объем V_мнг. Чем лучше взаимное расположение спутников, тем будет больше объем V_мнг такого многогранника. Величина критерия DOP принимается обратно пропорциональной объему V_мнг с учетом некоторого коэффициента пропорциональности k:

Рис. 57. К определению критерия DOP

DOP = k / V_мнг..

Величина DOP, как правило, колеблется от единицы до 10. Считается, что при DOP ? 4 обеспечивается высокая точность определения места ВС. Используя сведения из альманаха, бортовой компьютер непрерывно вычисляет критерий DOP, определяя лучшую четверку спутников из всего наблюдаемого количества на данный момент времени.

Средняя квадратическая радиальная погрешность определения места ВС при этом определится как:

у_r = DOP · у_r^*,



где у_r^* - средняя квадратическая радиальная погрешность при DOP = 1.

За счет оптимального выбора для пеленгования четырех спутников точность определения места ВС повышается в 4…6 раз.

Точность определения координат и скорости ВС

Точность определения координат ВС (позиции антенны GPS-приемника) определяется следующими основными условиями:

- техническими характеристиками GPS при использовании С/А-кода, открытого для гражданских потребителей;

- искусственными погрешностями, введенными для гражданских потребителей в режиме S/A (ограниченного доступа);

- возможным несоответствием геодезических систем координат: WGS-84, принятой в GPS, и используемой на картах или в бортовом навигационном комплексе.

При использовании С/А-кода средние квадратические погрешности в определении позиции антенны GPS-приемника составляют:

- горизонтальных координат _г = 10-15 м;

- абсолютной высоты _н = 15-20 м.

Для оценки точности навигационных вычислений следует принимать средние квадратические погрешности в определении позиции GPS-потребителя, гарантированные Министерством обороны США, при работе в режиме ограниченного доступа:

- горизонтальных координат _г = 50 м;

- абсолютной высоты _н = 70-80 м.

С учетом "геометрического фактора" будем иметь:

_г = DOP * _г^*

_н = DOP * _н ^*

где _г^*, _н ^* - средние квадратические погрешности соответственно в горизонтальных координатах и высоте при DOP = 1,0.

Величина геометрического фактора, как правило, DOP 6 … 8. Принимая для практической навигации DOP = 5,0, получим средние квадратические погрешности:

- горизонтальных координат _г = 250 м;

- абсолютной высоты _н = 350 … 400 м.

Если в документах аэронавигационной информации (или в бортовом навигационном комплексе) не используется геодезическая система WGS-84, то радиальная погрешность за счет несоответствия систем координат может достигнуть величины 1 км.

В тех случаях, когда аппаратурой потребителя "захвачено" только три спутника и, следовательно, высота GPS-приемника относительно среднего уровня моря вводится вручную, то радиальная ошибка в позиции ВС может в два раза превышать ошибку в высоте. Так, например, если абсолютная высота введена с ошибкой _н = 500 м, то погрешность в позиции ВС может достигнуть величины 1 км.

Фактический путевой угол и путевая скорость могут быть определены только в тех случаях, когда скорость воздушного судна превышает 30 узлов (55,56 км/ч).

Средняя квадратическая погрешность в определении фактической путевой скорости _W = 0,1 узла (0,1852 км/ч).

Точность определения позиции потребителя может быть существенно повышена при применении двухчастотных приемников (при использовании Р-кода) или при использовании дифференциального режима GPS.

Сущность дифференциального режима GPS заключается, в общих чертах, в следующем. В районе радиусом 50 … 100 км, например, для обеспечения захода на посадку, устанавливается контрольная станция, которая принимает сигналы спутников, определяет поправки в координаты для данного района и для текущего момента времени и передает полученные поправки потребителям по специальной линии радиосвязи. Для работы в этом режиме аппаратура потребителя должна иметь приемное устройство для связи с контрольной станцией и специальный дифференциальный режим работы компьютера.

3.9 Радиолокационные средства наблюдения

Для решения задач, стоящих перед службой УВД, требуется обеспечить в пунктах управления полетами сбор разнообразной информации о параметрах движения ВС.

Основным оборудованием группы радиотехнических средств УВД, предназначенных для получения и отображения информации о воздушной обстановке, являются радиолокаторы различного назначения.

3.9.1 Классификация РЛС УВД

Средства наблюдения принято классифицировать по следующим признакам:

а) по принципу взаимодействия с целями различают:

-- первичные РЛС,

-- вторичные РЛС,

-- вторичные РЛС с адресным запросом;

б) по характеру обзора воздушного пространства:

-- кругового обзора,

-- секторного обзора,

-- программированного обзора;

в) по способу сканирования диаграммы направленности антенны:

-- с механическим вращением антенны,

-- с электронным управлением положением, формируемой диаграммы направленности,

-- со смешанным управлением;

г) по количеству измеряемых координат:

-- двухкоординатные,

-- трехкоординатные;

д) по назначению в системе УВД:

-- трассовые,

-- аэродромные,

-- посадочные.

С другой стороны все первичные РЛС иногда объединяют в следующие группы:

ОРЛ-Т -- трассовые обзорные РЛС (Вариант А) с максимальной дальностью обнаружения r_max = 400км;

ОРЛ-ТА -- трассово-аэроузловые (Вариант Б) с r_max = 250км;

ОРЛ-А -- аэродромные обзорные РЛС с r_max= 150км (Вариант В-1), с

r_max = 80км (Вариант В-2), с r_max = 46км (Вариант В-3);

ПРЛ -- посадочные РЛС;

РЛ ОЛП -- РЛС обзора летного поля;

МРЛ -- метеорологические;

ОПРЛ -- комбинированные или обзорно-посадочные.

Следует отметить, что предлагаемое деление в некоторой степени условно. Иногда, в зависимости от особенностей использования, обзорные РЛС могут быть отнесены к аэроузловым или аэродромным или к трассовым или к аэродромным. Тоже можно сказать и о вторичных РЛС (ВРЛ), особенно об их встроенных вариантах, которые в зависимости от назначения первичных каналов РЛС, могут изменять свое на значение.

3.9.2 Первичные РЛС обзора воздушного пространства (ПРЛС)

ПРЛС служат основным источником информации о динамической воздушной обстановке в определенной области пространства. Они предназначены для обнаружения ВС и определения азимутальных углов и дальностей до ВС. ПРЛС производят облучение всех объектов, попадающих в пределы их зоны обзора, и осуществляют прием сигналов, отраженных этим объектами. Анализ принятых сигналов позволяет получать всю необходимую информацию о движении ВС. Принцип функционирования ПРЛС аналогичен принципу функционирования обычной импульсной радиолокационной станции, хотя и имеет некоторые специфические особенности, обусловленные предъявляемыми требованиями, свойствами отражающих объектов и условиями применения.

Основные эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ)

К основным ЭТХ ПРЛС относятся зона обзора, разрешающая способность, точность, надежность, массово-габаритные характеристики.

Зона обзора (зона видимости) -- область пространства, в пределах которой ПРЛС обеспечивает обнаружение ВС и определение их координат с требуемой

точностью и надежностью при заданной вероятности правильного обнаружения и допустимом уровне ложных тревог. Зона обзора характеризуется дальностью обнаружения и телесным углом, в пределах которого она достигается. Точнее говоря, зона обзора задается дальностью обнаружения, рассматриваемой в качестве функции угловых координат ВС (азимута и угла места) относительно точки размещения ПРЛС.

Дальность радиолокационного обнаружения зависит от мощности излучения ПРЛС, направленных свойств антенны, чувствительности приемника и отражающих свойств воздушных судов.

r_max = , (1)

где -- r_max - максимальная дальность обнаружения; Р_Прд - мощность, излучаемая передатчиком ПРЛС; G - коэффициент направленного действия антенны; л- длина волны, на которой работает ПРЛС; у_ц - эффективная площадь рассеяния, характеризует отражающие свойства объекта отражения; Р_Прмmin - чувствительность приемника, т.е. минимальная мощность отраженного сигнала на входе приемника ПРЛС, которая после обработки в нем, обеспечивает надежное воспроизведение отраженного сигнала на экране индикатора.

Выражение (1) показывает максимальную дальность действия ПРЛС в свободном пространстве и показывает, что для ощутимого увеличения дальности необходимо значительное увеличение Р_Прд, у_ц, G или уменьшение P_{Прм min} и л.

Однако на процесс радиолокационного наблюдения в значительной мере оказывает влияние земная поверхность. Отражаемые ею сигналы суммируются с прямыми сигналами, что приводит к интерференции прямых и отраженных полей. В общем случае мощность принимаемых отраженных сигналов отличается от мощности принимаемых сигналов в условиях свободного пространства

Р^*_Прм = Р_Прм· Ф⁴(в),

где - Ф(в) -- интерференционный множитель.

Отсюда следует, что максимальная дальность радиолокационного наблюдения с учетом влияния земли определиться как

r_{max з} = r_max· Ф(в) (2).

Интерференционный множитель является функцией угла места. Максимальное и минимальное значение его равны: Ф_max = 1 + с₀; Ф_min = 1 - с₀, поэтому и максимальная дальность будет зависеть от угла места и изменяться в пределах от r_max·(1-с₀) до r_max·(1+с₀), где с₀ - обобщенный коэффициент отражения. Это приводит к тому, что диаграмма излучения и зона обнаружения в вертикальной плоскости имеют лепестковый характер (рис.58).



Рис. 58. Форма ДНА с учетом влияния земной поверхности

Углы места, под которыми располагаются максимумы и минимумы диаграммы излучения, определяются как:

sinв_{n min} = n· л/2h; sinв_{n max} = (2n+1) ·л/4h (3),

где - h - высота подвеса антенны ПРЛС; л - длина волны; n = 0,1,2,3,....

Отсюда следует, что угол места первого минимума в_{1 min} = 0, а первый максимум ориентирован под углом места в_{1 max} = л/4h.

Из выражения (3) видно, что чем выше поднята антенна над землей, тем ближе к земле прижимается первый лепесток, количество лепестков увеличивается, а ширина их уменьшается.

Так как коэффициент с₀ может принимать одно из значений в пределах 0… 1, то минимальное и максимальное значения интерференционного множителя Ф(в) при с₀ = 1 равны соответственно 0 и 2. Максимальная дальность действия в направлениях в_max может возрастать в 2 раза по сравнению с r_max, определяемой выражением (1). Зато в направлениях в_min максимальная дальность действия уменьшается до нуля. Для уменьшения глубины провалов зоны видимости РЛС используются направленные в вертикальной плоскости антенны. Интерференционные явления особенно сильно проявляются в диапазоне метровых и дециметровых волн.

С учетом рассмотренных явлений диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости приобретает изрезанный многолепестковый характер (рис.).

Кривизна земной поверхности ограничивает r_max прямой видимости r_пр. Полученное ранее выражение (2) может использоваться в том случае, когда r_max < r_пр. Если же рассчитанная по этой формуле максимальная дальность действия окажется больше, чем r_пр, то r_max = r_пр. Затухание радиоволн в атмосфере может привести к уменьшению максимальной дальности РЛС. При использовании в РЛС радиоволн длиннее 10см даже при неблагоприятных метеоусловиях затухание их в атмосфере незначительно. По этой причине при определении r_max РЛС дециметрового и метрового диапазонов затухание можно не учитывать. Волны миллиметрового и сантиметрового диапазонов испытывают заметное затухание и при расчете r_max РЛС этих диапазонов его необходимо учитывать.

Минимальная дальность действия ПРЛС -- это расстояние, ближе которого она не способна обнаруживать объекты. Она ограничивается длительностью зондирующих импульсов ф и временем восстановления приемного тракта с учетом инерционности антенного переключателя t_в и определяется выражением

r_min = c·( ф+t_в)/2.

Обычно r_min можно оценить величиной в несколько сотен метров. Для РЛС дальнего обнаружения такая величина не имеет большого значения. Для РЛ обзора летного поля и метеолокаторов этот параметр имеет существенное значение, и принимаются специальные меры по его уменьшению.

Пределы обзора по азимуту и углу места. Границы зоны обзора РЛС по угловым координатам в горизонтальной и вертикальной плоскостях определяются назначением и типом РЛС. Обзорные РЛС различного назначения, как правило, осуществляют круговой обзор в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости зона обзора этих РЛС ограничивается сектором в несколько десятков градусов, а нижняя граница располагается под углом в десятые доли градуса относительно горизонта. Перед посадочными РЛС ставится задача обслуживать довольно ограниченный сектор пространства, и зона обзора этих РЛС ограничена по углу, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости значениями 10…30⁰.

Диаграмма видимости РЛС. Для грамотной эксплуатации РЛС необходимо знать зону ее действия. Поскольку зона обзора не является однородной, для ее характеристики следует задавать не одно значение максимальной дальности действия, а ряд значений для различных направлений в вертикальной плоскости или различных высот. Для наглядного представления зона обзора изображается графически. График зоны обзора называется диаграммой видимости, которая делит все пространство на две области. Область внутри диаграммы является частью пространства, в которой объекты наблюдаются с заданной вероятностью правильного обнаружения. В другой области пространства, находящейся вне диаграммы видимости объекты не обнаруживаются.

Для двухкоординатных РЛС диаграмма видимости строится в вертикальной плоскости и при этом наиболее часто используется прямоугольная система координат высота - наклонная дальность (рис.59).

В этой системе координат: -- по горизонтальной оси откладывается наклонная дальность r; по вертикальной - приведенные высоты Н_пр.

Приведенной высотой называется высота расположения объекта над плоскостью горизонта (или радиогоризонта, если учитывается рефракция радиоволн), проведенной из точки размещения РЛС:

Н_пр = r·sinв или Н_пр = Н - r²/2R_э,

где R_э - эквивалентный радиус Земли (R_э = 8500км).



Рис. 59. Диаграмма видимости РЛС в прямоугольной системе координат высота - дальность

1 - линии равных наклонных дальностей; 2 - диаграмма видимости; 3 - лини равных истинных высот; 4 - линии равных углов места; 5 - линии равных приведенных высот

Линии равных истинных высот в прямоугольной системе координат Н_пр, r будут иметь вид парабол. Линии равных углов места в имеют вид прямых, проходящих через начало координат и точки с координатами r, H_пр. Особенностью и достоинством прямоугольной системы координат является

то , что область малых углов места, которая имеет наибольшее значение для РЛС большой дальности действия, представляется крупным планом. Максимальные дальности действия на заданных высотах определяются точками пересечения линий равных высот с диаграммой видимости, а точки пересечения этих линий с горизонтальной осью определяют дальность прямой видимости r_пр.

Разрешающая способность по дальности определяется минимальным расстоянием Дr между двумя объектами, расположенными в одном радиальном направлении относительно РЛС, наблюдение которых на индикаторе может осуществляться раздельно. Разрешающая способность по дальности зависит от длительности зондирующего импульса ф и ряда параметров индикатора:

Дr = c·ф /2 + d_п ·M / L_р,



где d_п - диаметр светового пятна на экране индикатора; L_р - длина линии развертки; М - масштаб развертки по дальности.

Первое слагаемое определяет потенциальную разрешающую способность РЛС по дальности, которая зависит только от длительности зондирующего импульса. Второе слагаемое представляет разрешающую способность индикатора. Соотношение между потенциальной разрешающей способностью и разрешающей способностью индикатора в различных типах РЛС может быть различным.

Разрешающая способность по азимуту определяется минимальным углом в горизонтальной плоскости Дб между направлениями на два равноудаленных от РЛС объекта, при котором на индикаторе они наблюдаются раздельно

Эта разрешающая способность

Дб = И + d_п ·M / L_р·r,

где И - ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Первый член правой части этой формулы определяет потенциальную разрешающую способность РЛС по азимуту, которая зависит только от ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. ЧЕМ уже антенный луч, тем выше разрешающая способность по углу. Второе слагаемое представляет разрешающую способность по азимуту индикаторного устройства РЛС. Она определяется теми же параметрами индикатора, что и разрешающая способность по дальности, но дополнительно зависит от расстояния до объектов. Чем ближе располагаются объекты от РЛС, тем хуже разрешающая способность по азимуту. Для достижения наибольшей разрешающей способности надо выбирать масштаб развертки так, чтобы отметки от объектов наблюдались в конце линии развертки.

Точность измерения координат.

Точность измерения дальности. Измерение дальности сопровождаются рядом погрешностей, которые вызываются следующими причинами: нестабильностью скорости распространения радиоволн и искривлением траектории их распространения в атмосфере земли (погрешности, вызываемые этими причинами, называются погрешностями распространения); влиянием шумовых и других помех, воздействующих на РЛС (шумовые погрешности); несовершенством РЛС как технического устройства (инструментальные погрешности); влиянием отражающих свойств реальных целей, состоящих из большого числа элементарных отражателей (погрешности цели). Для РЛС, имеющих в качестве выходных устройств электронно-лучевые индикаторы, основное значение имеют инструментальные и в некоторых случаях шумовые погрешности.

К инструментальным погрешностям относятся погрешности калибровки и градуировки, отсчета, интерполяции и т.п. ОНИ полностью определяются устройством конкретной РЛС, многие из них можно найти только экспериментально. Среди инструментальных погрешностей следует выделить погрешность отсчета дальности, которая в известной степени определяется квалификацией оператора. В большинстве РЛС определение дальности производится по индикатору с помощью масштабных меток дальности. Оператор на глаз определяет положение отметки цели между метками дальности при этом СКП отсчета

уr₀ = (0,05...0,1)r_м,

где r - расстояние между соседними масштабными метками дальности.

Опыт показывает, что средние квадратические значения погрешностей измерения дальности (СКП) оказываются равными: для трассовых ПРЛС -- 0,01r, для аэродромных ПРЛС -- 0,03r или 150 м (большая из указанных величин). Таким образом, СКП определения линии положения с помощью расовых ПРЛС равна 3,4 км на дальности 340 км и 0,5 км на дальности 50 км. СКП определения дальности с помощью аэродромных ПРЛС составляет 4,5 км на дальности 150 км и 1,5 км на дальности 50 км.

Точность измерения угловых координат. НА точность определения угловых координат в основном оказывают влияние инструментальные погрешности. К ним относятся погрешности формирования угловой развертки индикатора, образующиеся вследствие погрешностей синхронно-следящей системы, люфтов в механических редукторах, несовпадения оси антенны с осью симметрии луча антенны, погрешности формирования азимутальных меток и погрешности отсчета угловой координаты на индикаторе.

СКП отсчета азимута по индикатору зависит от углового размера отметки объекта, который примерно равен ширине ДНА И, и от углового интервала между азимутальными метками б_м, т.е.

уб₀ = (0,05…0,1).

СКП определения азимута для трассовых ПРЛС равна 0,5⁰, для аэродромных - 2⁰. Соответствующие значения СКП определения линии положения на удалениях 340 км и 50 км для трассовых ПРЛС будут 3,4 км и 0,5 км, для аэродромных - 6 км на дальности 150 км и 2 км - на удалении 50 км.

Следует отметить, что точность определения места ВС с помощью ПРЛС зависит, прежде всего, от дальности до него и оценивается погрешностями, СКП которых имеет порядок единиц километров.

Из приводимых данных видно, что ПРЛС уступают по точности системам ближней навигации и значительно менее точны, чем спутниковые системы радионавигации.

Защита ПРЛС от помех

НА работу ПРЛС существенное влияние оказывают мешающие сигналы различного происхождения, называемыми помехами. В частности, кроме полезных сигналов, отражаемых ВС, возникают мешающие сигналы, появляющиеся из-за отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и метеообразований, причем уровень этих сигналов значительно выше уровня полезного сигнала, так как создающие их объекты расположены вблизи от ПРЛС. Сигналы из-за мешающих отражений называются пассивными помехами. На работу ПРЛС оказывают мешающее воздействие работа сторонних РЛС и помехи индустриального и атмосферного происхождения. Помехи указанных видов называются активными. Помехи скрывают слабый полезный сигнал, либо создают фон, препятствующий его обнаружению и проведению измерений. Поэтому возникает необходимость реализаций мероприятий по защите ПРЛС от помех.

Защита от помех основывается на выявлении отличий параметров мешающих сигналов от полезных и разделении (селектировании) полезных сигналов и помех в интересах подавления. Рассмотрим основные методы защиты ПРЛС от помех.

Селекция движущихся целей (СДЦ) позволяет ослабить влияние отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и облачных образований. Она состоит в разделении сигналов от ВС и неподвижных объектов из-за различия частот колебаний, отраженных этими объектами. Различие частот обусловлено доплеровским эффектом, который проявляется в том, что если расстояние между объектом отражения и ПРЛС изменяется, то частота сигнала принятого (отраженного) от такого объекта будет отличаться от частоты сигналов, излучаемых ПРЛС. Разница частот (доплеровский сдвиг) пропорциональна радиальной скорости движения отражающего объекта и обратно пропорциональна длине волны, на которой ведется излучение



F_Д = - /л.

Следовательно, доплеровский сдвиг отличен от нуля при отражении от объектов, движущихся и имеющих ? 0, и равен 0 при отражении от неподвижных образований или объектов, движущихся по круговой траектории относительно ПРЛС. При этом в случае приближения ВС < 0 и F_Д > 0, в случае удаления знак доплеровского сдвига меняется на противоположный, доплеровский сдвиг отсутствует при отражении от подстилающей поверхности и близок к нулю -- при отражении от медленно движущихся облаков.

В ПРЛС используется импульсный режим излучения, поэтому доплеровский сдвиг будет проявляться в изменении амплитуды импульсных сигналов, получаемых в результате преобразования в специальной аппаратуре СДЦ, которая входит в состав ПРЛС. При приеме пассивной помехи эти сигналы имеют постоянную амплитуду, поскольку F_Д = 0 (рис.60,а2).

Рис. 60. Временные диаграммы процессов в аппаратуре СДЦ:

а - временные диаграммы отраженных сигналов после преобразования: 1 - полезный сигнал; 2 - пассивная помеха; б - упрощенная схема ФЧПК; в - форма полезного сигнала на выходе ФЧПК

В том случае, когда принимается полезный сигнал, импульсные сигналы будут иметь переменную амплитуду, изменяющуюся по закону F_Д (рис.60,а1). Важным элементом аппаратуры СДЦ является фильтр ЧПК, который не должен пропускать импульсы пассивной помехи. Этот фильтр (рис.60,б) состоит из схемы задержки на время, равное периоду повторения импульсов Т_и, схемы вычитания СВ и двухполупериодного выпрямителя - детектора ДпД. Отраженные импульсные сигналы после преобразования поступают на СВ непосредственно и через схему задержки. Это значит, что в СВ каждый импульс сравнивается по амплитуде с предшествующим импульсом. Если на фильтр поступают импульсы постоянной амплитуды (пассивная помеха), то в СВ импульсы компенсируются и на ее выходе сигнал отсутствует, т.е.пассивная помеха на индикатор не поступает. Если на фильтр поступают импульсы с переменной амплитудой (полезный сигнал) то на выходе СВ образуются импульсы также переменной амплитуды, поскольку теперь каждый импульс отличается по амплитуде от соседнего предшествующего импульса. Выпрямитель ДпД превращает разнополярные импульсы с выхода СВ в импульсы одной полярности (рис.60,в), которые подаются на индикатор и создают отметки ВС. Таким образом, в результате работы аппаратуры СДЦ на индикатор должны поступать только полезные сигналы, отраженные движущимися объектами, а пассивная помеха не проходит через фильтр ЧПК.

Работа РЛС с СДЦ имеет некоторые особенности. Огибающая последовательности импульсов, поступающих на схему ЧПК имеет истинную доплеровскую частоту F_Д только в том случае, когда частота повторения зондирующих импульсов ПРЛС F_и ? 2F_Д. В противном случае частота огибающей импульсов отличается от F_Д и называется кажущейся доплеровской частотой F_ДК. До тех пор, пока F_Д ? F_и/2, кажущаяся доплеровская частота равна истинной доплеровской частоте. При дальнейшем увеличении F_Д частота F_ДК начинает уменьшаться и достигает нуля при F_Д = F_и. В общем случае

F_ДК= 0 всегда, когда выполняется условие F_Д = n·F_и, где n=1,2,3... Указанное явление приводит к тому, что некоторые движущиеся цели не будут отображаться на индикаторе. Это происходит в тех случаях, когда F_Д = n·F_и. При этом F_ДК = 0 и подвижные объекты создают на выходе приемника ПРЛС такие же сигналы, как и пассивные помехи, т.е. импульсы постоянной амплитуды, которые не проходят через ФЧПК схемы СДЦ.

Доплеровским частотам F_Д = n·F_и соответствуют некоторые радиальные скорости движения объектов W_{r c} = n·F·л/2, где n = 0,1,2,3 и т.д. Эти скорости называют слепыми, поскольку объекты с такими скоростями в РЛС с СДЦ не наблюдаются. Слепые скорости могут быть устранены при одновременной работе РЛС на нескольких различных частотах повторения импульсов или при использовании переменной F_и, что приводит к усложнению аппаратуры СДЦ и всей ПРЛС.

Другая особенность РЛС с СДЦ состоит в том, что такая станция не наблюдает объекты, движущиеся без изменения расстояния относительно РЛС или при малых скоростях изменения расстояния. Для того чтобы иметь возможность наблюдать такие объекты в ПРЛС имеется два режима работы: СДЦ и “пассивный”. В режиме “пассивный” аппаратура СДЦ отключается и на индикатор поступают все отраженные сигналы, в том числе и пассивная помеха.

Поляризационная селекция. Подавление пассивных помех, отраженных атмосферными образованиями, может быть достигнуто путем использования различия между полезными сигналами и помехами в их поляризации. Для этого в РЛС применяют радиоволны с круговой и эллиптической поляризациями, которые создаются с помощью специального устройства, расположенного в антенно-фидерном тракте. Излучаемая радиоволна с круговой поляризацией (рис.61,а) характеризуется тем, что вектор электрического поля Е вращается с постоянной угловой скоростью, равной несущей частоте сигнала щ, так что конец вектора описывает окружность. При отражении такой радиоволны от мелких частиц сферической формы ее поляризация остается круговой, но с противоположным направлением вращения вектора Е _отр (рис.61,б). Такая радиоволна не проходит поляризационное устройство и поэтому пассивные помехи, созданные атмосферными образованиями, состоящими из мелких частиц сферической формы, не принимаются ПРЛС. При отражении радиоволн с круговой поляризацией от объектов неправильной геометрической формы (например, от ВС) ее поляризация становится эллиптической (рис.61,в), при которой вращающийся вектор Е _отр изменяет свою величину и его конец описывает эллипс. Волна с такой поляризацией проходит через поляризационное устройство, но с ослаблением, и поэтому ПРЛС принимает полезные сигналы, хотя дальность действия уменьшается. Поляризационная селекция наиболее эффективно действует при подавлении пассивных помех, образованных туманом, дождем и водными облаками. Помехи, отраженные от снега, града и ледяных облаков, ослабляются в меньшей степени. Иногда больший эффект достигается при использовании излучаемых радиоволн эллиптической поляризацией

...