Радіолокаційні системи посадки

- система зв'язку та обміну інформацією, яка складається з кабельних, оптоволоконних і інших пристроїв зв'язку між частинами комплексу;

- система відображення інформації (індикації) і управління комплексом, що пов'язує людину-оператора і комплекс;

- система контролю, призначена для виключення можливості використання несправного комплексу.

Використання РЛС в якості однієї з частин комплексу вимагає системного підходу до вибору її характеристик, що дає можливість в ряді випадків їх знизити, наприклад, по точності і надійності, а отже, зменшити складність і вартість РЛС.

Фізичною основою радіолокації є розсіювання радіохвиль об'єктами, що відрізняються своїми електричними характеристиками (електричної проникністю діелектричної проникністю і електропровідністю) від відповідних характеристик навколишнього середовища при їх опроміненні.[2]

За допомогою приймальної антени і приймального пристрою можна прийняти частину розсіяного сигналу, перетворити і посилити його для подальшого виявлення. Таким чином, найпростіша РЛС може складатися з передавача, який формує зондуючи радіосигнали, передавальної антени, яка випромінює ці радіосигнали, прийомної антени, що приймає відбиті сигнали, радіоприймача, що підсилює і перетворює сигнали і, нарешті, вихідний пристрій, що виявляє відбиті сигнали (рис. 3.1) .

Рисунок. 3.1 - Принцип дії найпростішої РЛС

Як правило, амплітуда (або потужність) сигналу мала, і сигнал має випадковий характер. Мала потужність сигналу пояснюється великою відстанню до об'єкта (цілі) і поглинанням енергії сигналу при його поширенні. Крім того, на інтенсивність відбитого сигналу суттєво впливають розміри цілей. Випадковий характер сигналу є наслідком флуктуації відбитого сигналу за рахунок: випадкового переміщення елементів мети складної форми при відображенні радіохвиль; багатопроменевого поширення радіохвиль; хаотичних змін амплітуди сигналу при розповсюдженні і ряду інших чинників.

В результаті приймається сигнал з вигляду, інтенсивності і характеру зміни схожий в приймальному тракті на шуми і перешкоди. Тому першим і основним завданням РЛС є виявлення корисного радіосигналу, тобто винесення рішення про присутність корисного сигналу в надходить на вхід приймального тракту суміші корисного сигналу з перешкодами, званої вхідний реалізацією.

Ця статистична в РЛС задача вирішується спеціальним пристроєм - детектором, в якому намагаються використовувати алгоритм оптимального (найкращого) виявлення.

Якість процесу виявлення характеризують ймовірністю правильного виявлення коли присутній у вхідній реалізації сигнал виявляється, і ймовірністю помилкової тривоги коли за корисний сигнал приймається перешкода, а сам сигнал відсутній.

Більшість параметрів сигналу апріорі невідомі, тому при виявленні доводиться здійснювати пошук потрібного параметра радіосигналу, що відрізняє його від супутніх шумів і перешкод.

Побудова РЛС на базі сучасних технологій обробки інформації полягає в використанні в якості фазованої антенної решітки (ФАР), як генератор пускових імпульсів синтезатора частоти - синхронізатора, в якості вихідного пристрою - цифрового процесора. Передавач в залежності від того, яка антена використовується в РЛС, може бути реалізований в модульному варіанті і вбудований в активну ФАР, або у вигляді модулятора і однокаскадного або багато каскадного генератора радіочастоти для пасивної ФАР або дзеркальної антени.

Технічні параметри характеризують технічні засоби, необхідні для забезпечення заданих тактичних параметрів.

До них відносяться значення і стабільність несучої частоти; вид і параметри модуляції випромінюваних коливань; діаграми спрямованості антенних пристроїв (ДСА); потужність передавача; чутливість приймача; надійність пристроїв системи; малогабаритні характеристики системи і ін. Відхилення будь-якого технічного параметра від заданого значення впливає на певний тактичний параметр (або групу параметрів), що може викликати вихід тактичних параметрів РЛП за встановлені межі, тобто відмова системи.

Основними класифікаційними ознаками радіолокаційних пристроїв і систем є призначення, характер зондувального сигналу, вид вимірюваного елемента та іноді ступінь автономності. [2]

На озброєнні частин та підрозділів радіотехнічного забезпечення Повітряних Сил знаходяться наступні типи радіолокаційних систем посадки: РСП-6М 2, РСП-10МН 1, РСП-10МА. На теперішній час на аеродромах розгорнуті РСП-6М 2 та РСП-10МН 1, в найближчій перспективі сплановано розгортання РСП-10МА.

3.2 Аналіз сигналів зондування простору диспетчерських радіолокаторів радіолокаційних систем посадки РСП-10МА

Первинний і вторинний канали ДРЛ-10МА на випромінювання й приймання працюють на одну спільну антену.

У первинному каналі ДРЛ використовується складний зондувальний сигнал, що складається з гладкого імпульсу й фазоманіпульованих сигналів різної тривалості.

Послідовність високочастотних зондувальних імпульсів, яка сформована в блоці цифрової обробки сигналів та субблоці модулятора ДРЛ, посилюється в передавальній системі і випромінюється в простір дзеркальною антеною.

– фазоманіпульовані (ФМ) сигнали, в яких змінюється фаза високочастотного сигналу (рис. 3.2)

Рисунок.3.2 - Структура ФМ сигналу

Параметри сигналів зондування ДРЛ-10МА наведено в табл. 3.1. та табл.3.2

Таблиця 3.1 - Основні характеристики ФМ сигналу

Таблиця 3.2 - Характеристики зондуючих сигналів в ДРЛ

Аналізуючи сигнали зондування диспетчерських радіолокаторів радіолокаційних систем посадки ДРЛ-6М 2, ДРЛ-10МН та ДРЛ-10МА можна зазначити, що в ДРЛ-6М 2 і ДРЛ-10МН формуються прості радіоімпульси з заданими параметрами. На відміну від ДРЛ-10МА, де окрім простих сигналів, використовуюсь складні.

3.3 Обґрунтування доцільності використання складних сингалів в радіолокаційних системах посадки підвищеної точності РСП-10МА

Складні або енергоємні сигнали дозволяють вирішувати суперечливі вимоги підвищення дальності виявлення і роздільної здатності. Дальність виявлення підвищується при використанні зондуючих сигналів з великою енергією. Збільшення можливо за рахунок збільшення або потужності, або тривалості сигналу. Пікова потужність в РЛС обмежена зверху можливостями генератора радіочастоти і особливо електричної міцністю фідерних ліній, що з'єднують цей генератор з антеною. При використанні ФАР пікова потужність обмежена максимальною потужністю модулів ФАР. Однак сигнали великої тривалості не володіють високою роздільною здатністю по дальності. Складні сигнали з великою базою можуть вирішити ці протиріччя. В даний час в радіолокації широко використовуються ФМ сигнали.

Підсумовуючи все сказане, слід зазначити, що ФМ-сигнали забезпечують випромінювання великої енергії зондуючого сигналу навіть при обмеженні пікової потужності передавача за рахунок збільшення тривалості радіоімпульсу і енергія в імпульсі При цьому гарантується виконання вимог до роздільної здатності по дальності (часу запізнювання) і швидкості (зміщення частоти). Рівень бічних пелюсток, що маскують корисні але слабкі сигнали, відбиті від цілей з відмінними координатами, залежить від і може бути легко зменшений шляхом збільшення параметра.

Одним зі складних завдань, що вирішуються при розробці РСП з ФМ сигналом, є вибір оптимальних кодів. Їх функцію зазвичай виконують коди Баркера. Оптимальність кодів Баркера полягає в тому, що амплітуда максимуму автокореляційної функції дорівнює N (N - кількість кодових імпульсів у ФМ сигналі), а значення бічних пелюсток не більше 1. Але недоліком кодів Баркера є їх мала довжина, тому що не знайдено кодів Баркера довжиною більше 13 елементів.

Для формування сигналу більшої довжини оптимальні коди обчислюються за складними алгоритмами, що потребують великого часу на обчислення. При збільшенні довжини коду абсолютний рівень бічних пелюсток зростає, а відносний - незначно зменшується. Наприклад, для 28_елементного коду рівень бічних пелюсток може дорівнювати амплітуді двох одиничних імпульсів, для 42_елементного - вже амплітуді трьох одиничних імпульсів, але відношення максимуму автокореляційної функції до рівня бічних пелюсток буде 28:2 та 42:3, тобто 14:1, що дещо краще, ніж у коді Баркера максимальної довжини.

При комп'ютерній обробці радіолокаційних сигналів у блоці цифрової обробки сигналів ДРЛ оптимальна фільтрація реалізується шляхом цифрової кореляції зондувального й відбитого сигналів. Цифрове керування й висока швидкодія твердотілого передавача дозволяють змінювати структуру й частоту зондувального сигналу за короткий час, тобто в принципі можлива перебудова частоти від попереднього зондувального сигналу до наступного зондувального сигналу.

Таким чином, при швидкодіючому цифровому керуванні передавачем та цифровій обробці ФМ сигналу можливе:

- стискування імпульсу й збільшення амплітуди прийнятого сигналу;

- оперативна зміна структури зондувального сигналу.

У ДРЛ-10МА застосовується зондувальний сигнал, що складається з імпульсів різної тривалості:

- простий амплітудно-модульований сигнал тривалістю 1,5 мкс;

- ФМ сигнал з 13 елементів, який сформований з використанням 13-розрядного коду Баркера, із тривалістю кожного елемента по 1,5 мкс (ФМ_13);

- ФМ сигнал з 28 елементів оптимальної структури із тривалістю кожного елемента по 1,5 мкс (ФМ-28);

- ФМ сигнал з 42 елементів оптимальної структури із тривалістю кожного елемента по 1,5 мкс (ФМ-42).

Структура зондувального сигналу ДРЛ наведена на рис. 3.3

Рисунок.3.3 - Структура зондувального сигналу ДРЛ-10МА

Необхідність такої структури сигналу пояснюється тим, що при використанні ФМ сигналу значної тривалості виникає "мертва зона", яка дорівнює тривалості сигналу. Наприклад, при використанні тільки сигналу ФМ-42 "мертва зона" становить близько 10 км, що є неприйнятним. Тому для її перекриття використовуються сигнали меншої тривалості, тобто зондувальний сигнал ФМ-13 перекриває зону формування сигналу ФМ-42, а простий АМ сигнал перекриває зону формування ФМ-13.

Спочатку випромінюється простий амплітудно-модульований сигнал (гладкий імпульс) із тривалістю, що дорівнює 1,5 мкс (t_АМ). При цьому мінімальна похила дальність виявлення ПС, з урахуванням перехідних процесів в антенному комутаторі (блок комутації 1214), не перевищує 1 000 м. Діапазон робочих дальностей, на яких використовується АМ сигнал, становить від 1 до 3 км. Після закінчення робочої дальності (T_{р 1} = ф₁ + t_{обр 1}) у блоці ЦОС формується випадкова часова затримка (T_{з 1}), яка визначає початок випромінювання АМ сигналу при подальшому зондуванні.

Потім випромінюється складний фазоманіпульований сигнал ФМ-13, який сформований з використанням 13-розрядного коду Баркера. Тривалість одного елемента ФМ сигналу вважається рівною тривалості імпульсу простого АМ сигналу, тобто 1,5 мкс, а загальна тривалість сигналу ФМ-13 (t_ФМ-13) дорівнює 19,5 мкс. Діапазон робочих дальностей, на яких використовується сигнал ФМ-13 (T_{р 2} = ф₂ + t_{обр 2}), становить від 3 до 10 км. Після закінчення робочої дальності в блоці ЦОС формується випадкова часова затримка (T_{з 2}), яка визначає початок випромінювання сигналу ФМ-13 при подальшому зондуванні.

Наступним випромінюється складний фазоманіпульований сигнал ФМ-42, який сформований з використанням 42-елементної псевдовипадкової послідовності. Тривалість одного елемента сигналу ФМ-42 становить 1,5 мкс, а загальна тривалість сигналу ФМ-42 (t_ФМ-42) дорівнює 63 мкс. Діапазон робочих дальностей, на яких використовується сигнал ФМ-42 (T_{р 3} = ф₃ + t_{обр 3}), становить від 10 до 100 км. Після закінчення робочої дальності, що дорівнює 100 км, у блоці ЦОС формується випадкова затримка (T_{з 3}), яка визначає початок випромінювання сигналу ФМ-42 при подальшому зондуванні.

Після цього знову формується АМ сигнал і так далі. Суміщена дальність обробки зондувального сигналу ДРЛ .Така будова ДРЛ дозволяє для кожного сигналу АМ, ФМ-13 або ФМ-42 задавати свою власну робочу частоту й рівень випромінюваної потужності. Наявність випадкових часових затримок між імпульсами зондувального сигналу ДРЛ створює вобуляцію (хитання) частоти повторення зондувальних сигналів, що забезпечує відсутність "сліпих" швидкостей при використанні доплерівської системи СРЦ.

Використання однакової тривалості простого АМ сигналу й елементарних посилок ФМ сигналів, що дорівнює 1,5 мкс, дозволило після оптимальної фільтрації й стискуваня ФМ сигналів одержати стиснутий сигнал, який за рівнем тривалості дорівнює АМ сигналу, й забезпечити однакову роздільну здатність за дальністю у всьому діапазоні робочих дальностей ДРЛ [9].

Доцiльнiсть використання складних сигналiв в радiолокацiйних системах посадки РСП-10МА передбачає:

- покращення енергетичних характеристик РСП (зниження імпульсної потужностi передавача при збереженні заданої енергії зондувального сигналу);

- підвищення завадозахищеностi РСП;

- збереження точностi характеристик й роздільну здатність, аналогічну радіолокаційним станціям.

Висновки за розділом 3.

1. Коди Баркера, які використовують при формуванні сигналів ДРЛ-10МА мають суттєвий недолік, який обмежує їх використання для кодування сигналів у скритних РЛС. Таким недоліком є мала довжина коду, тому що на цей час не знайдено кодів Баркера довжиною більш ніж 13 елементів. Це обмежує кількість елементів в послідовності, та тривалість радіолокаційного імпульсу і як наслідок ширину головного пелюстка ФН, яку, як відомо, з попереднього розділу можна зменшити з використанням нестаціонарних сигналів складених з поліномів Чебишова.

4. Моделювання функції невизначеності нестаціонарних радіолокаціних імпульсів

4.1 Математична модель складових сигналів з використанням функції Чебишова

Радіолокаційний імпульс :

, (4.1)

якій досліджується у роботі складається з поліномів Чебишова першого роду -го порядку, які мають тригонометричну та алгебраїчну форму представлення:

,, .

При фіксованому початковому значенні значення на інтервалі й врахуванням напівгрупової властивості поліномів Чебишова

,

-й елемент послідовності може бути отриманий - кратним інтегруванням відображення

, . (4.2)

Коваріаційна функція послідовності оцінюється в кінцевому числі точок, де

(4.3)

яка утворює ортогональну систему

при, (4.4)

на безлічі нулів

полінома, укладеній в інтервалі .

Поліном Чебишова ( =6), який визначається вектором параметрів , які визначають коефіцієнти полінома, показаний на рис.4.1.

Рисунок 4.1 Поліном Чебишова

4.2 Моделювання складеного сигналу та його функції невизначеності

Рисунок 4.2 Складений процес

Рисунок 4.3 АКФ складеного процесу

Рисунок 4.4 ФН складеного процесу

Рисунок 4.5 ФН складеного процесу (2D)

Рисунок 4.6 ФН складеного процесу (3D)

Рис.4.7 ФН ЛЧМ сигналу (3D)

Рис.4.8 - ФН код Баркера -13

Одним з найважливіших видів фазоманіпульованого сигналу є кодові послідовності, що мають великий період або М- послідовності. М-послідовності це двійкові послідовності, що полягають із набору N двійкових символів, які повторюються з деяким періодом. Ці послідовності мають деякі властивості: вони рекурентні; вони лінійні; М- послідовність є періодичний сигнал, у якого період складається з N імпульсів.

Рисунок 4.9 - ФН код М-послідовності тривалістю 127 символів

Висновки за розділом 4.

1. З рисунка 4.8 видно, що при допплерівському зсуві (н>0), рівень бічного пелюстка ФН сигналу сформованого за допомогою коду Баркера досить великий.

2. Особливість ФН ЛЧМ сигналу призводить до відомого в радіолокації ефекту сліпих швидкостей радіальна складова швидкості не розділяється для РЛС що мають ЛЧМ сигнал.

3. АКФ М-послідовності з періодом N, має величину бічних піків, яка дорівнює приблизно значенню 1/N, тобто, при збільшенні періоду, значення величини бічних пелюстків зменшується. Максимальний бічний пелюсток в спектральній області дорівнює -13 Дб, як і для одиночного імпульсу максимальний рівень бічного пелюстка 1 v127 = 0,0887.

4. Запропонований складений сигнал має ФН близьку до такої яку називають "кнопочною", тобто має відносно відомих сигналі та відповідних до них ФН більш низький рівень бокових пелюстків (0,022 при N = 500) в околиці головного пелюстка. Це дозволяє краще вирішувати задачі розділення цілей їх виявлення та оцінки параметрів руху та місцеположення.

Прогрес у технології формування широкосмугових сигналів за допомогою твердотільної електроніки дозволяє сподіватися на практичне втілення розроблених складових сигналів у РЛС.[7]

Висновки

У магістерській роботі розглянутi радіосигнали, які використовуються в радіолокаційних системах для зондування повітряного простору. На теперішній час застосування РСП у зоні проведення ОСС відіграє важливу роль ході виконання бойових завдань. На підставі аналізу засобів радіотехнічного забезпечення польотів державної авіації, задач і характеристик радіолокаційних систем посадки літаків та вимог до них, закордонних і вітчизняних оглядово-посадочних РЛС, а також рівня безпеки польотів державної авіації обґрунтовано необхідність удосконалювання систем та пристроїв РЛС Повітряних Сил Збройних Сил України.

Незважаючи на важливість складних сигналів, необхідно шукати нові типи зондувальних сигналів, даючи шанс покращити роздільну здатність, якість виявлення, оцінки місця положення літаків, їх швидкості та іншої інформації, отриманої з РЛС. Відомо, що досягти такої мети, можливо за рахунок покращення властивостей функції невизначеності радіолокаційних сигналів.

У роботі розглянуті результати моделювання функції невизначеності радіолокаційного сигналу за затримкою та частотою Допплера складеного з поліномів Чебишова різного порядку. Показано, що для таких сигналів можливо наблизитись до функції невизначеності, яка має вузький головний та низький рівень бічних пелюстків. Такі властивості дослідженого сигналу можуть бути використані у перспективних посадочних РЛС з врахуванням досягнень у технології твердотільних ВЧ генераторів.

Прийняття на озброєння Збройних Сил України сучасних радіолокаційних систем посадки дозволить покращити рівень керування повітряним рухом у ближній зоні та в зоні посадки аеродрому й підвищити рівень безпеки польотів повітряних суден в аеродромній зоні.

Таким чином, в роботі вирішені всі задачі, поставлені в завданні, і досягнута мета.

Перелік посилань

1. Застосування досвіду АТО для підготовки фахівців зв'язку, РТЗ, А та ІС. навч. посіб. / А.М. Алімпієв, О.І.Кушнір, К.С. Васюта та ін. - Х. ХУПС, 2016.

2. Радіолокаційні системи посадки. Ч. 1. Диспетчерський радіолокатор

радіолокаційної системи посадки РСП-10МА :навч. посіб. / О.В. Висоцький, О.В. Водолажко, В.О. Лєбєдєв, С.А. Макаров. - Х. : ХУПС, 2015. - 132 с.

3. Мрачковський О.Д. Класифікація імпульсних зондуючих локаційних сигналів по виду діграми невизначеності. // Вісник НТУУ "КПІ". - Сер. Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011. - Вип.39. -С.40-46.

4. А.В. Меркушева класcы преобразований нестационарного сигнала в информационно-измерительных системах. II. Время-частотные преобразования. Научное приборостроение, 2011, том 12, № 2, c. 59-70

5. Мрачковский О.Д., Ольшевский О.О. Дослідження потенційних характеристик радіолокаційного сигналу, фазоманіпульованого кодом Баркера в області слабкої кореляції // Вісник НТУУ "КПІ". - Сер. Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012. - Вип.35. -С.46-48.

6. A. Kawalec, C. Zioіkowski, C. Leњnik ? and J. Pietrasinski. The Radar Ambiguity Function Application for the Frequency Modulated Signals Designing. ACTA PHYSICA POLONICA A. Vol. 116 (2009), No. 3. PACS numbers: 84.40.Ua, 84.40.Xb

7. Килимиста Н. І. Конструювання радіолокаційної функції невизначеності з використанням складених сигналів з нелінійною частотною модуляцією / П.Ю. Костенко д.т.н. проф.; О.В. Шаповалов к.т.н.; В.В. Слободянюк, к.т.н., Н. І. Килимиста // Чотирнадцята наукова конференція ХНУПС ім. І. Кожедуба 11-12 квітня 2018. - С. 262.

Додаток А.

Лістинг програми формування складового сигналу з використанням поліномів Чебишова:

Лістинг програми формування Зак перетворення:

Лістинг програми формування складеного сигналу, з використанням поліномів Чебишова, його кореляційної функції та ФН:

Размещено на Allbest.ru