Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля

А. В. Ашихмин, В. А. Козьмин, И.Б. Крыжко, П.В. Першин, А.Б. Токарев

АО «ИРКОС», г. Москва, Российская Федерация

Аннотация

Рассмотрено построение и тактико-технические характеристики малогабаритной станции радиоконтроля, размещаемой на борту беспилотного вертолета и предназначенной для обнаружения и локализации на местности сигналов наземных источников радиоизлучения.

Ключевые слова: радиоконтроль, беспилотный вертолет, пеленгование, определение местоположения, источник радиоизлучения.

BOARD SMALL-SIZE WIDE-SCALE RADIO MONITORING STATION

A. Ashikhmin, V. Kozmin, I. Kryzhko, P. Pershin, A.Tokarev

IRCOS JSC, Moscow, Russian Federation

Abstract. The construction and tactical and technical characteristics of a small-scale radio monitoring station located on board an unmanned helicopter and designed to detect and localize ground signals from radio sources are considered.

Keywords: radio monitoring, unmanned helicopter, direction finding, localization, radio source, direction finder.

Введение

малогабаритный радиоконтроль сигнал наземный

Одной из приоритетных областей применения автоматизированных систем радиоконтроля (РК) и радиоконтрольного оборудования, входящего в их состав, является выявление и определение местоположения источников радиоизлучений (ИРИ) на контролируемой территории. Основными потребителями таких систем выступают государственные силовые структуры, гражданские службы по управлению использованием радиочастотного спектра, а также охранные предприятия.

В последнее время все большее распространение получают мобильные станции РК. Использование таких станций обеспечивает большую зону покрытия при минимальном количестве стационарных станций, что снижает суммарную стоимость системы. Мобильные станции могут быстро переместиться в район, находящийся вне зоны действия стационарных средств. Они эффективны для проведения РК, когда малая мощность передатчиков, высокая направленность передающих антенн, удаленность источника радиоизлучения усложняют или делают невозможным проведение измерений стационарными средствами. Особый интерес заслуживает применение в качестве транспортной базы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), поскольку они обеспечивают большой радиус действия, возможность работы по прямому лучу распространения радиоволн от наземных ИРИ, высокую скорость движения.

Целью настоящего доклада является рассмотрение особенностей конструкции и функционирования бортовой малогабаритной широкодиапазонной станции РК, устанавливаемой на борту беспилотного вертолета.

Зона электромагнитной доступности наземного источника радиоизлучения

Плавное изменение показателя преломления атмосферы с высотой приводит к небольшому отклонению радиоволн в сторону Земли (рефракция), что влечет распространение радиоволн за пределами физического горизонта. Это позволяет принимать сигналы на большем расстоянии, называемом радиогоризонтом (см. рис. 1). При распространении радиоволн с огибанием земной поверхности расстояние до радиогоризонта рассчитывается с поправкой, составляющей приблизительно 4/3 реального радиуса Земли. Как следствие, с геометрических позиций (т.е. без учета мощности передатчика и чувствительности приёмника) размер зоны электромагнитной доступности (ЭМД) комплекса можно определить по приближенной формуле

, (1)

где - высота подъема ЛА (м), - высота подвеса приемной антенны (м).

Рис. 1. Понятие радиогоризонта, возникающее вследствие явления рефракции

В табл. 1 приведена зависимость радиуса зоны радиогоризонта для наземного ИРИ от высоты подъема БПЛА с поправкой на рефракцию для высоты подъема антенны ИРИ 1,5 м, 20 м и 50 м.

Таблица 1. Радиус зоны ЭМД из условий прямой видимости с поправкой на рефракцию (высота подъема антенны наземного передатчика 1,5 м)

Расчет зоны ЭМД с учетом чувствительности приемной аппаратуры, ослабления сигналов при их распространении вдоль земной поверхности, а также особенностей состояния атмосферы представляет собой достаточно сложную задачу. В пределах рабочих частот потерями интенсивности сигналов, обусловленными влиянием земной атмосферы, можно пренебречь, и в первую очередь следует принимать во внимание потери, возникающие из-за расходимости излучаемых ИРИ радиоволн, а также дополнительные потери, возникающие при распространении радиоволн вблизи земной поверхности. В то же время, в пределах радиогоризонта в случае малой протяженности приземного участка ослабление на линиях связи между приемной антенной на летательном аппарате и антеннами, установленными на земной поверхности, практически не отличается от ослабления радиоволн в свободном пространстве.

В Рекомендации МСЭ-R 525 [1] указано, что напряженность электромагнитного поля (ЭМП), распространяющегося в свободном пространстве, для передатчика с изотропной антенной может быть рассчитана как

, (2)

где E - напряженность в дБ относительно мкВ/м, - мощность передатчика в дБ относительно 1 Вт, D - расстояние между передающей и приемной антеннами (км).

Используя (2), выражение для расчета радиуса ЭМД ИРИ приемника с известной чувствительностью будет иметь вид

, (3)

где E - чувствительность приёмника в дБ относительно мкВ/м, - мощность передатчика в дБ относительно 1 Вт, - радиус зоны ЭМД (км).

Результаты расчета радиуса зоны ЭМД для свободного пространства показаны на рис. 3. Чувствительность приемной аппаратуры варьировалась от 1 мкВ/м до 6 мкВ/м.

Рис. 2. Зависимость радиуса зоны ЭМД для свободного пространства

При распространении радиоволн вдоль значительного приземного участка возникают дополнительные дифракционные потери, зависящие от частоты излучаемых сигналов. Тем не менее, при типовой мощности наземного ИРИ 1 Вт, высоте подъема БПЛА от 200 м радиус зоны действия пеленгатора (зона электромагнитной доступности) будет примерно соответствовать радиогоризонту.

Однопозиционное и многопозиционное пеленгование

При подъеме БПЛА на значительную высоту задачу локализации ИРИ можно решить, используя один двумерный пеленг , где - азимут ИРИ (составляющая пеленга в плоскости горизонта антенны пеленгатора), - склонение ИРИ (составляющая пеленга в плоскости, ортогональной плоскости горизонта или угол места), как показано на рис. 3. Решение задачи локализации реализуется как определение точки пересечения луча пеленга с поверхностью Земли.

Рис. 3. Однопозиционное пеленгование наземного ИРИ

Если - высота пеленгатора над плоскостью Земли, - высота размещения антенны передатчика, то в полярных координатах с центром в точке РКП ( - радиус, - угол) справедливо

(4)

где - ошибка дальности, - ошибка направления, - ошибка локализации по радиальному направлению, - ошибка локализации по “тангенциальному” направлению, и - ошибки пеленгования (ошибки определения угла азимута и угла склонения ИРИ), - ошибка задания высоты передатчика.

Пример, при , , погрешность составит .

При больших чем удвоенная высота удалениях () при заданной точности пеленгования локализация по одному пеленгу становится практически невозможной (при ошибки составят ) и необходимо переходить к многопозиционному методу, когда во время движения БПЛА вычисляются несколько пеленгов из различных точек, разнесенных в плоскости на величины, по порядку сравнимые с удалением ИРИ, с их последующей совместной обработкой. При отсутствии существенной систематической составляющей в погрешностях точность локализации повышается, что проиллюстрировано на рис. 4 и рис. 5. Решение задачи локализации ИРИ по набору измерений осуществляется методом максимального правдоподобия с использованием угломерных и амплитудных измерений с опциональным учетом рельефа местности.

Рис. 4. Однопозиционный метод

Рис. 5. Многопозиционный метод

Приемная аппаратура станции

Особенностью приемной аппаратуры станции является двухканальное интегрированное радиоприемное устройство на базе модулей АРГАМАК+, вмонтированное непосредственно в основание кольцевой антенной решетки. Такое конструктивное решение устраняет антенный эффект, обеспечивает высокую чувствительность и точность пеленгования [2, 3].

Эффективность пеленгования и определения местоположения ИРИ во многом определяется техническими характеристиками приемной антенной решетки. Для обеспечения более точного пеленгования по углу места целесообразно использовать пространственную антенную решетку, в которой отдельные антенные элементы размещены не в одной, а нескольких плоскостях. Такое решение позволяет добиться существенного улучшения точности пеленгования ИРИ по углу места, что особенно актуально для радиоконтрольной станции, размещаемой на борту летательного аппарата.

Наиболее простой вариант антенных элементов - активные биконические вибраторы, использование которых позволяет получить решение, приемлемое с точки зрения габаритов и массы антенной решетки, взаимного электромагнитного влияния антенных элементов при размещении в нескольких плоскостях, а также обеспечить широкий диапазон рабочих частот - от 100 до 3000 МГц. На рис. 5 показана фотография макета малогабаритной бортовой станции РК с пространственной антенной решеткой.

Рис. 5. Макет малогабаритной бортовой станции

Заслуживают внимания варианты антенной решетки с антенными элементами типа "Вивальди" или ТЕМ-рупорами. Использование антенных элементов таких типов позволяет улучшить точность и чувствительность пеленгования с сохранением широкого диапазона рабочих частот. Существенный вопрос, требующий отдельного рассмотрения - пеленгование сигналов с произвольной линейной (горизонтальной и вертикальной) поляризацией. Данная проблема актуальна, например, при расположении ИРИ в условиях городской застройки, когда поляризация сигнала может изменяться. Более того, ряд сигналов (например, сигналы телерадиовещательных станций) изначально имеют горизонтальную поляризацию. При попытке определения местоположения ИРИ, поляризация которого отличается от вертикальной, с помощью радиопеленгаторов, предназначенных для сигналов с вертикальной поляризацией, точность локализации может существенно ухудшаться. Данная особенность обусловлена, в частности, изменением фазового центра антенн радиопеленгаторных антенных систем, что важно при пеленговании фазовыми методами и методом корреляционной интерферометрии [4, 5].

Особенности комплекса навигации

Использование в качестве носителя станции БПЛА вертолетного типа требует создания целевого комплекса навигации (КН), оптимизированного для использования на носителях именно этого типа.

Классическими КН для воздушных объектов являются КН на основе бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Однако в данном случае такой КН неприменим: для обеспечения функционирования с приемлемой точностью требуется наличие высокой (не менее нескольких десятков км/ч) скорости перемещения БПЛА, что не всегда выполняется для случая БПЛА вертолетного типа.

Обеспечить высокие точностные характеристики КН в условиях длительных интервалов отсутствия линейной скорости можно за счет использования высокостабильных датчиков угловой скорости, однако подобное решение, как правило, не применимо по ценовым показателям. Применение же дополнительного датчика измерения магнитного поля Земли, хотя и может дать полезный эффект, но всё же, обычно не обеспечивает нужной точности (эффекты девиации, перемагничивания и т.д.), особенно для высоких широт.

Имеющийся опыт по созданию целевых КН для стационарных, развертываемых, автомобильных позволил сконструировать КН для БПЛА вертолетного типа на основе блока из 6-ти осевого MEMS датчика инерциальных измерений (три датчика угловой скорости, три акселерометра), 3-х осевого датчика магнитного поля, двух одночастотных (L1) ГЛОНАСС/GPS приемников с поддержкой фазовых измерений.

Технические характеристики приемной аппаратуры

Основные технические характеристики малогабаритной широкодиапазонной бортовой станции РК приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики приемной аппаратуры

Заключение

Разработан и реализован макет малогабаритной бортовой широкодиапазонной станции радиоконтроля для размещения на борту малоразмерного БПЛА вертолетного типа.

Использование трехмерной антенной решетки радиопеленгатора обеспечило высокую точность пеленгования как по азимуту, так и по углу места. Типовая среднеквадратическая ошибка пеленгования составляет 3 градуса. Бортовая навигационная система обеспечивает определение необходимых параметров, включая координаты, ориентацию антенной системы и скорость вертолета.

Испытания макета станции подтвердили ее работоспособность и возможность использования в качестве бортовой аппаратуры РК для легкого летательного аппарата вертолетного типа.

Литература

1. Recommendation ITU-R P.525-3. «Сalculation of free-space attenuation»

2. Автоматизированные системы и технические средства радиоконтроля. Каталог компании ИРКОС. - М., 2017.

3. Козьмин В.А. Применение интегрированных радиоприемных устройств для улучшения технических характеристик средств радиоконтроля // Электросвязь, 2016, № 11, С. 57-64.

4. Rembovsky A., Ashikhmin A., Kozmin V., Smolskiy S. Radio monitoring. Problems, Methods and Equipment. Springer. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2009. 507 p.

5. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства // Под ред. А.М. Рембовского. - 4-е изд., испр. - М.: Горячая линия-Телеком, 2015. - 640 с.

References

1. Recommendation ITU-R P.525-3. «Сalculation of free-space attenuation»

2. Catalogue 2017 of IRCOS JSC. http://www.ircos.ru/zip/cat2017en.pdf. Accessed 28 Nov 2017

3. Kozmin V.A. Application of integrated radio receivers to improve technical characteristics of monitoring equipment (in Russian)// Electrosvyaz. - 2016, № 11, P. 57-64.

4. Rembovsky A., Ashikhmin A., Kozmin V., Smolskiy S. Radio monitoring. Problems, Methods and Equipment. Springer. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2009. 507 p.

5. Radiomonitoring: problems, methods, means (in Russian)// Under edition of A.M. Rembosky. - 4th edition. - Moscow: Hot Line-Telecom Publ., 2015. - 640 p.

Размещено на Allbest.ru