Характеристика и расчет технических параметров трассовых обзорных радиолокаторов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Современный этап развития гражданской авиации характеризуется широким внедрением автоматизированных систем управления воздушным движением (АС УВД), использованием последних достижений вычислительной техники, более современными радиоэлектронными средствами управления воздушным движением, навигации, посадки и связи, совершенствованием методов и средств технической эксплуатации авиационной техники.

В условиях высокой интенсивности и плотности воздушного движения особую остроту приобретает проблема обеспечения безопасности полетов и максимальной эффективности использования авиационной техники.

Среди радиотехнических средств обеспечения полетов особое место занимают радиолокационные станции (РЛС), поскольку являются основными источниками динамичной информации о воздушной обстановке для диспетчеров службы движения.

Первичные радиолокаторы (ПРЛ) объединяются в следующие группы:

- трассовые обзорные радиолокаторы ОРЛ-Т, с максимальной дальностью действия до 400 км;

- трассовые обзорные радиолокаторы ОРЛ-Т с максимальной дальностью действия до 250 км;

- аэродромные обзорные радиолокаторы ОРЛ-А, соответственно с максимальной дальностью действия 160, 100 и 46 км;

- посадочные РЛ (ПРЛ);

- радиолокаторы обзора летного поля (РЛОЛП);

- метеорологические РЛ (МРЛ);

- комбинированные обзорно-посадочные радиолокаторы.

Вторичные радиолокаторы (ВРЛ) по принципу построения разделяются на автономные и встроенные. По характеру взаимодействия с бортовыми ответчиками ВРЛ разделяются на РЛ с общим и дискретно-адресным запросом; по системе кодирования - на удовлетворяющие нормам России (режим УВД) и нормам ИКАО (режим RBS). Современные ВРЛ работают в совмещенном с первичными РЛС режиме.

Трассовые обзорные РЛ ОРЛ-Т предназначены для контроля и управления воздушным движением на трассах ОРЛ-Т позволяют:

- обнаруживать и определять местоположение ВС;

- контролировать выдерживание экипажами ВС заданных коридоров и времени прохождения контрольных точек на трассе;

- предупреждать опасные сближения ВС;

- обнаруживать местоположение метеообразований, опасных для полетов;

- опознавать принадлежность ВС и получать дополнительные данные о них путем использования встроенных вторичных каналов.

ОРЛ-Т должны обеспечивать большую дальность действия при хорошей точности и высокой разрешающей способности.

1. Аналитический обзор ОРЛ-Т

1.1 Назначение, размещение и особенности ОРЛ-Т

Двухкоординатная радиолокационная станция кругового обзора 1Л 118 разработана в процессе коренной модернизации радиодальномера 1РЛ139 (П37). РЛС предназначена для использования в системах управления воздушным движением и определения координат (азимут, наклонная дальность) воздушных целей и может использоваться в качестве источника радиолокационной информации в неавтоматизированных и автоматизированных системах УВД с передачей радиолокационной информации по кабельной и модемной линии трансляции. РЛС может работать в режиме редкого или частого зондирования с зоной обнаружения соответственно до 350 км или 120 км.

Основные тактико-технические характеристики:

Передающая аппаратура РЛС состоит из 6 однотипных каналов сантиметрового диапазона, отличающихся друг от друга частотой генерируемых сигналов. В каждом канале применены модернизированные стабилизированные магнетроны типа МИ-446 с улучшенным коэффициентом электронного смещения частоты, генерирующие высокочастотные зондирующие импульсы.

Приемное устройство и цифровая 8-разрадная система СДЦ обеспечивают прием и обработку эхо-сигналов от целей на фоне непреднамеренных помех (отражения от подстилающей поверхности, метеообразований и т.п.). Для повышения качества проводки целей на фоне помех в РЛС предусмотрена обработка эхо-сигналов в скользящем окне" со стабилизацией уровня ложных тревог, межобзорной обработкой и защитой от несинхронных импульсных помех. АПОИ строится на базе изделия ВИП-118 с добавлением функций сопряжения с ВРЛ.

В комплект РЛС входят следующие устройства: приемо-передающая кабина с антенной системой; аппаратура хронизации, обработки и отображения РЛИ, которая может размещаться либо в кунге на шасси ЗИЛ-151, либо в здании контейнерного типа "Универсал", либо поставляться комплектом для размещения в стационарном здании; основная и резервная дизель электростанции; комплект ЗиП и эксплуатационной документации; комплект аппаратуры ВИП-118.

Электропитание осуществляется от штатных средств электроснабжения. Предусмотрена работа РЛС от промышленный электросети 220/380 В 50 Гц. Переход от питания от основной электростанции на питание от резервной или промышленной сети осуществляется без перерыва в работе.

ОРЛ-Т должен быть размещен таким образом, чтобы обеспечивался должен быть размещен таким образом, чтобы обеспечивался радиолокационный контроль над полетами ВС в секторах прохождения воздушных трасс данного района ОВД. Машина№1 1Л118 размещается на специально подготовленной площадке наверху насыпной горки, или на специально подготовленной эстакаде. Углы закрытия при этом не должны превышать шести угловых минут. Если на радиолокационной позиции устанавливаются два комплекта РЛС 1Л118 (ЛИРА-1), то направление их взаимного затенения выбирается так, чтобы, оно не совпадало с рабочими направлениями РЛС. Возможна установка машин №1 на различной высоте над окружающей местностью. В этом случае для одного комплекта РЛС, имеющего большую высоту установки машины №1, сектор затенения отсутствует. А для второго комплекта - направление в пространстве и ширина сектора затенения, определяемые взаимным расположением машин №1 выбирается так, чтобы указанный сектор не совпадал с рабочими направлениями второго комплекта РЛС. Монтаж РЛС на радиолокационной позиции производится в соответствии со схемой, кабелями, включенными в комплект поставки. Длина поставляемых кабелей - 50 метров, по согласованию с изготовителем может быть увеличена применительно к потребностям конкретной РЛП. Максимально допустимое по техническим условиям удаление ВО от ППА по длине кабеля составляет 100 метров.

1.2 Нормативы ИКАО/ФАП для ОРЛ-Т

Требования ИКАО/ФАП для ОРЛ-Т приведены в таблице 1

Табл. 1

1.3 Эксплуатационно-технические показатели ОРЛ-Т 1Л 118

Эксплуатационные показатели ОРЛ-Т 1Л 118 приведены в таблице 2

Табл. 2

Технические характеристики ОРЛ-Т 1Л 118 приведены в таблице 3

Табл. 3

2. Расчет технических параметров ОРЛ-Т 1Л 118

2.1 Исходные данные

Эффективная отражающая площадь цели [кв.м] Sц = 11

Максимальная дальность действия [ км ] Rmax = 300

Вероятность: ПРАВИЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ D = 0.8

ЛОЖНОЙ ТРЕВОГИ F = 0.0001

Зона обзора: по азимуту [град] Alfa = 360

по углу места [град] Beta = 6

Разрешающая способность: по дальности [метр] Delta_R = 800

по азимуту [град] Delta_A = 1.5

по углу места [град] Delta_B = 0

по скорости [км/ч] Delta_V = 0

Погрешность измерения: дальности [метр] Sigma_R = 350

азимута [град] Sigma_A = 0.75

угла места [град] Sigma_B = 0

скорости [км/ч] Sigma_V = 0

Максимальный размер антенны: по горизонтали [метр] d_max = 9

по вертикали [метр] d_max = 3

Максимальное время обзора [ с ] Tобз = 10

2.2 Определение отношения сигнал/шум

Для модели сигнала в виде последовательности радиоимпульсов некогерентных с дружно флюктуирующими амплитудами; отношение СИГНАЛ / ШУМ q = 80.550809.

2.3 Выбор рабочей длины волны

С учетом энергетических ограничений в радиолинии, требований по pазpешающей способности и точности изменения угловых координат при ограничениях pазмеpов антенны выбрали рабочую длину волны [см] = 10.000000.

2.4 Расчет паpаметpов антенны и системы обзора

- ширина диаграммы направленности антенны на уровне 0.5 мощности:

в горизонтальной плоскости [гpад] = 1.153846

в вертикальной плоскости [гpад] = 6.000000

- коэффициент направленного действия КНД = 4333.333

- эффективная площадь антенны [кв.м] = 3.448357

- линейные размеры антенны :

по горизонтали [ м ] = 5.200000

по вертикали [ м ] = 1.000000

- время облучения точечной цели [ с ] = 0.016026

2.5 Расчет частоты повторения зондирующих импульсов и их числа в пачке

- частота повторения импульсов [Гц] = 500.000000

- число импульсов в пачке Nc = 8.012821

2.6 Расчет средней мощности излучения

- коэффициент различимости Кр = 50.263705

- коэффициент поглощения энергии радиоволн в тpопосфеpе [дБ/км] = 0.000000

- коэффициент шума приемника Кш = 2.000000

- средняя мощность излучения [ Вт ] = 197.375626

2.7 Выбор зондирующего сигнала

В качестве зондирующих используем простые сигналы последовательность зондирующих импульсов некогерентных с большой скважностью дальность измеряется однозначно

- длительность радиоимпульсов [ мкс] = 3.000000

- импульсная мощность излучения [ кВт] = 131.583751

2.8 Расчет потенциальной разрешающей способности

- потенциальная разрешающая способность:

по дальности [ м ] = 450.000000

по азимуту [град] = 1.500000

2.9 Расчет потенциальной точности измерения координат.

- потенциальная среднeквадратическая погрешность измерения: дальности [ м ] = 28.288025, азимута [град] = 0.072533.

3. Описание упрощенной функциональной схемы и принципов работы РЛС

Работа РЛС на передачу. В блоке синхронизации С вырабатываются короткие импульсы с крутым передним фронтом и периодом повторения Тп, величина которого определяется условием однозначного измерения дальности:

Тп * Rmax /С,

радиолокационный зондирующий двухкоординатный импульс

где Rmax - максимальная дальность РЛС; С = 3*108 м/с - скорость распространения радиоволн.

В этом случае эхо-сигналы, отраженные от самых удаленных объектов успевают возвратиться до посылки очередного зондирующего импульса. Из блока синхронизации импульса запуска поступают в модулятор МОД, первый каскад которого - подмодулятор выполнен по схеме ждущего генератора импульсов. Длительность прямоугольного импульса подмодулятора определяет длительность зондирующего высокочастотного импульса РЛС - и. Эта длительность обычно мала -- 0,5...3 мкс, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность РЛС по дальности.

Импульс подмодулятора подается в собственно модулятор, который представляет собой мощный электронный ключ, выполненной обычно на лампах или газоразрядных приборах. Через него энергия от высоковольтного накопителя поступает на катод магнетронного генератора высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающего мощные СВЧ-колебания. В некоторых современных РЛС используются другие ГВЧ - пролетные клистроны, амплитроны и т.п. СВЧ колебания по волноводу поступают в антенный переключатель (АП) , а затем по высокочастотному тракту к облучателю антенны А. Использование АП позволяет использовать одну антенну для излучения зондирующих и приема эхо-сигналов. В качестве АП используются ферритовые циркуляторы, либо газовые разрядники. АП при работе на передачу защищает вход чувствительного приемного устройства, а при работе на прием блокирует магнетрон, предотвращая потерю отраженного сигнала в его резонаторах. Часть энергии зондирующего сигнала СВЧ-радиоимпульса ответвляется через аттенюатор ATT (ослабитель) для автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина ГЕТ.В РЛС ГА используются зеркальные параболические антенны с облучателем, расположенным на фокальной оси отражателя. Антенна обеспечивает круговой (либо секторный) обзор пространства с помощью механизма вращения MB.

Работа РЛС на прием. Принятые антенной эхо-сигналы направляется АП в приемник. Приемник РЛС предназначен для частотной фильтрации полезного эхо-сигнала, принимаемого антенной, его усиления и преобразования к виду, обеспечивающему нормальную работу индикатора. Радиолокационные приемники выполнены по супергетеродинной схеме и имеют широкую полосу пропускания (2...3 МГц), что обусловлено широким спектром импульсных сигналов, большими уходами частоты магнетронных ГВЧ, неточностью настройки элементов схемы и влиянием дестабилизирующих факторов. Для обеспечения дальнего обнаружения приемник должен иметь высокую чувствительность, поэтому первым блоком приемника является усилитель высокой частоты (УВЧ). Его назначение - первичное усиление принятых сигналов в 5...15 раз. Так как чувствительность приемника ограничивается мощностью шумовых напряжений, возникающих в его входных цепях, то УВЧ должен иметь малый уровень шумов. В настоящее время используется параметрические (с нелинейными L и С в контуре) и парамагнитные (на квантовой основе) усилители, а также усилители лампах бегущей и обратной волны, на малошумящих транзисторах и т.д.В приемниках РЛС малой и средней дальности действия УВЧ часто отсутствуют. В них входным элементом является смеситель СМ преобразователя частоты, в котором принятый на частоте fc сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты fпч. СМ выполняется на кристаллическом диоде, помещенном в объемный резонатор. На диод подаются сигналы от антенны на частоте fc и от гетеродина ГЕТ на частоте fг. Гетеродинном является отражательный клистрон, сообщающийся с полем СВЧ резонатора с помощью зонда. Колебания промежуточной частоты fпр образуется на выходе СМ какрезультат биений (интерференции) колебаний двух близких частот, отличающихся на величину fпр. Часто fпр - 30 МГц. Далее эхо-сигналы на частоте fпр усиливаются в многокаскадном усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Он производит оптимальную фильтрацию полезных сигналов, поскольку его частотная характеристика согласована со спектром ожидаемых эхо-сигналов. При этом на выходе УПЧ соотношение сигнал/шум максимально. Радиоимпульсы промежуточной частоты преобразуется в амплитудном детекторе Д в видеоимпульсы, повторяющие по своей форме огибающую радиоимпульсов.

Устройство автоматической подстройки частоты (АПЧ) вырабатывает напряжение, управляющее частотой гетеродина ГЕТ (иногда частотой ГВЧ) для поддержания равенства разностной (промежуточной) частоты fпр номинальному значению. Для обеспечения работы АПЧ ослабленный в аттенюаторе ATT зондирующий сигнал смешивается в смесителе СМ с непрерывным колебанием гетеродина ГЕТ аналогично принимаемому сигналу. Частота образующихся на выходе СМ радиоимпульсов сравнивается в частотном дискриминаторе устройства АПЧ с номинальным значением fпр. При наличии частотного рассогласования в устройстве АПЧ вырабатывается напряжение, управляющее частотой ГЕТ (либо генератора ГВЧ). Возможное частотное рассогласование устраняется. При этом усиление УПЧ, а значит и чувствительность приемника, будет максимально. Поскольку эхо-сигналы изменяются по амплитуде случайно, в зависимости от дальности цели коэффициент усиления УПЧ соответственно изменяется различными схемами автоматической регулировки усиления (АРУ).

Отображение радиолокационной информации. Конечным устройством РЛС является индикатор кругового обзора ИКО. ИКО предназначен для отображения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) наблюдаемой воздушной обстановки в виде яркостных отметок ВС и измерительных меток (линий) дальности и азимута.

Для воспроизведения окружающей обстановки на экране ЭЛТ зондирование окружающего пространства радиоимпульсами моделируется перемещением сфокусированного пятна по поверхности экрана. Отклонение электронного луча в ЭЛТ с магнитным полем производится токами соответствующей формы, протекающими через обмотки катушек отклоняющей системы ОС, расположенных вокруг горловины ЭЛТ. Для получения радиальной развертки в ОС формируется линейно-нарастающий импульс тока, амплитуда которого определяет длину линии радиальной развертки, а длительность импульса - масштаб развертки по дальности.

Для получения радиально-круговой развертки на экране ЭЛТ используется или механическое вращение одной радиально-отклоняющей катушки вокруг горловины ЭЛТ синхронно и синфазно с антенной, или вращение результирующего магнитного поля. Этот метод осуществляется путем изменения амплитуд ортогональных (здесь взаимно перпендикулярных) магнитных потоков, каждый из которых создается одной из двух неподвижных катушек, магнитные оси которых сдвинуты на 900. Для получения радиальной развертки, вращающейся по экрану ЭЛТ синхронно и синфазно с антенной, через катушки пропускают пилообразные импульсные токи, дополнительно промодулированные по закону синуса - в катушке горизонтального отклонения и по закону косинуса - в катушке вертикального отклонения. Период модуляции равен периоду вращения антенны.

Такая модуляция осуществляется в синусно-косинусном вращающемся трансформаторе СКВТ, устанавливаемом на механизме вращения антенны МВ. СКВТ представляет собой электромеханическое устройство, состоящее из ротора с одной обмоткой и статора с двумя обмотками. Роторная обмотка является первичной обмоткой трансформатора, а каждая статорная - вторичной. Ротор вращается синхронно с антенной. Коэффициент трансформации изменяется при вращении роторной обмотки пропорционально синусу угла поворота антенны для одной вторичной обмотки и пропорционально косинусу угла - для другой. В связи с этим и амплитуды выходных сигналов будут изменяться так же.

Работа индикатора происходит следующим образом. Импульсы запуска поступают из синхронизатора С и запускают ждущий генератор импульсов - мультивибратор развертки МР. МР вырабатывает прямоугольные импульсы, которые управляют генератором пилообразной развертки ГР и формирователем импульсов подсвета прямого хода луча ФИП. Импульсы подсвета поступают на управляющий электрод ЭЛТ, увеличивая яркость во время рабочего хода развертки от центра к краю экрана.

Напряжение пилообразной развертки с ГР поступает в СКВТ, в котором происходит модуляция амплитуды напряжения развертки в соответствии с текущим значением угла поворота антенны. Со статорных обмоток СКВТ промодулированные пилообразные импульсы поступают на соответствующие катушки ОС через усилители УС. Фокусировка луча осуществляется специальной катушкой ФК.

Для визуального отсчета дальности и азимута цели на экране ЭЛТ воспроизводятся метки дальности в виде колец через 10, 50, 100, 200 км и метки азимута в виде радиальных линий через 10, 30 и 900 . Определение дальности до целей, яркостные отметки которых расположены между кольцами дальности, производится методом интерполяции. Кольца дальности отображаются при подаче на катод ЭЛТ периодической последовательности коротких видеоимпульсов со стабильным периодом вместе с эхо-сигналом. Для их смешения используется сумматор СУМ. Дальномерные импульсы формируются ждущим генератором меток дальности (ГМД).

Изображение на экране ЭЛТ создается сфокусированным электронным лучом. Следовательно, геометрические размеры рисующего пятна являются минимально воспроизводимыми размерами на экране индикатора. Таким образом, разрешающая способность индикатора по дальности определяется линейным размером пятна. Разрешающая способность по азимуту тем выше, чем дальше от центра экрана расположена отметка цели.

Индикатор РЛС может обеспечить наблюдение в секторном режиме. Индикаторные устройства на основе обычных («темновых») ЭЛТ имеют недостаточные контрастность и яркость. В современных РЛС используются ЭЛТ с памятью - потенциалоскопы, регенерация изображения с частотой 25…50 Гц, либо преобразование первичного РЛ изображения в телевизионное.

Заключение

При выполнении расчетно-графической работы были изучены основные принципы построения и эксплуатации трассовых радиолокационных средств на примере "ОРЛ-Т 1Л 118".

Были рассмотрены наз?аче??е, состав, размещение и эксплуатационно-технические характеристики данной РЛС, а кроме того требования ИКАО к трассовым радиолокационным средствам.

В ходе ознакомления с эксплуатационно-техническими характеристиками данной РЛС и с требованиями ИКАО, выявились некоторые несоответствия:

- максимальная дальность "1Л 118" составляет 350 км, а по ИКАО 185 км.

- вероятность правильного обнаружения "1Л 118" составляет 0,8, а требование ИКАО 0.9.

Рекомендовано, в связи с увеличением интенсивности, и еще более ужесточить требования ИКАО и соответственно, либо модернизировать старое оборудование, либо разрабатывать новые модели.

Литература

1. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства управления воздушным движением: Учеб. для вузов - М.: Транспорт, 1994 - 398с.

2. Коломиец В.И. Конкретная авиационная техника / Коломиец В.И. , Филимонов Н.П. - Красноярск: СФУ , 2007 - 186с.

3. Лушников А.С. Наземные радиоэлектронные средства обеспечения полётов воздушных судов: учеб. Пособие / А.С. Лушников, С.Н. Тарасов. - 2-е изд., испр. - Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2012 - 49с.

Размещено на Allbest.ru