По совокупности измеряемых геометрических параметров системы определения местоположения источников ЭМИ подразделяются :

· на триангуляционные (угломерные, пеленгационные);

· разностно-дальномерные;

· угломерно-разностно-дальномерные.

Вид и количество измеряемых геометрических величин определяют пространственную структуру системы определения местоположения источника ЭМИ: количество пространственно разнесенных приемных пунктов сигналов источника ЭМИ и геометрию их расположения.

Триангуляционный (угломерный, пеленгационный) метод основан на определении направлений (пеленгов) на источник ЭМИ в двух точках пространства с помощью радиопеленгаторов, разнесенных на базу d (рис. 18,а).

Рис. 18. Пояснение триангуляционного метода определения местоположения источника ЭМИ на плоскости (а) и в пространстве (б)

Если источник ЭМИ располагается в горизонтальной или вертикальной плоскости, то для определения его местоположения достаточно измерить два угла азимута ц1 и ц2 (или два угла места). Местоположение источника ЭМИ определяется точкой пересечения прямых О1И и О2И - двух линий положения.

Для определения местоположения источника в пространстве измеряют углы азимута ц а1 и ц а2 в двух разнесенных точках О1 и О2 и угол места цм1 в одной из этих точек или, наоборот, углы места цм1 и цм2 в двух точках приема и угол азимута ц а1 в одной из них (рис. 18,б).

Расчетным путем может быть определена дальность от одной из приемных точек до источника по измеренным углам и известной величине базы d:

отсюда приравняем два выражения для h:

Таким образом, дальность до источника

Триангуляционный метод прост в технической реализации. Поэтому широко применяется в системах радио- и РТР, в пассивных радиолокационных разнесенных системах при обнаружении и определении координат излучающих объектов.

Существенным недостатком триангуляционного метода является то, что при увеличении количества источников ЭМИ, находящихся в зоне действия радиопеленгаторов, могут происходить ложные обнаружения несуществующих источников (рис. 19). Как видно из рис.19, наряду с определением координат трех истинных источников И1, И2 и И3 обнаруживаются и шесть ложных источников ЛИ1, …, ЛИ6. Исключить ложные обнаружения при применении триангуляционного метода можно путем получения избыточной информации о пеленгуемых источниках - увеличением количества разнесенных радиопеленгаторов или опознаванием принадлежности получаемой информации к определенному источнику. Опознавание может быть проведено при сравнении сигналов, принимаемых радиопеленгаторами, по несущей частоте, периоду следования и длительности импульсов

Рис. 19.

Дополнительную информацию об источниках получают и за счет взаимно корреляционной обработки сигналов, принимаемых в разнесенных точках пространства.

Устранение ложных обнаружений при применении триангуляционного метода возможно также за счет получения данных о разности дальностей от источника излучения до пунктов приема (пунктов расположения радиопеленгаторов). Если точка пересечения линий пеленгов не лежит на гиперболе, соответствующей разности дальностей, то она является ложной.

Разностно-дальномерный метод определения местоположения основан на измерении с помощью РЭС разности дальностей от источника ЭМИ до пунктов приема, разнесенных в пространстве на расстояние d. Местоположение источника на плоскости находится как точка пересечения двух гипербол (две разности дальностей, измеренные в трех приемных пунктах), принадлежащих различным базам А1А2, A2A3 (рис. 20). Фокусы гипербол совпадают с точками расположения пунктов приема.

Рис. 20.

Пространственное положение источников ЭМИ определяется по трем разностям дальностей, измеряемым в трех-четырех приемных пунктах. Местоположение источника - точка пересечения трех гиперболоидов вращения.

Угломерно-разностно-дальномерный метод определения местоположения предполагает измерение с помощью РЭС разности дальностей от источника ЭМИ до двух разнесенных приемных пунктов и измерение направления на источник в одном из этих пунктов.

Для определения координат источника на плоскости достаточно измерить азимут ц и разность дальностей АД от источника до точек приема. Местоположение источника определяется точкой пересечения гиперболы и прямой.

Для определения положения источника в пространстве необходимо дополнительно измерить в одной из точек приема угол места источника ЭМИ. Местоположение источника находится как точка пересечения двух плоскостей и поверхности гиперболоида.

Ошибки определения местоположения источника ЭМИ на плоскости зависят от ошибок измерения двух геометрических величин:

· двух пеленгов в триангуляционных системах;

· двух разностей дальностей в разностно-дальномерных системах;

· одного пеленга и одной разности дальностей в угломерно-разностно-дальномерных системах.

При центрированном гауссовском законе распределения ошибок определения линий положения среднеквадратическое значение ошибки определения местоположения источника:

где - дисперсии ошибок определения линий положения; r - коэффициент взаимной корреляции случайных ошибок определения линий положения Л1 и Л2; г - угол пересечения линий положения.

При независимых ошибках определения линий положения r = 0.

При триангуляционном методе определения местоположения источника

Среднеквадратическая ошибка определения местоположения

При применении идентичных радиопеленгаторов

Наибольшая точность будет при пересечении линий положения под прямым углом (г = 90°).

При оценке ошибок определения местоположения источника в пространстве необходимо рассматривать ошибки измерения трех геометрических величин. Ошибка определения местоположения зависит в этом случае от взаимной пространственной ориентации поверхностей положения. Наивысшая точность определения положения будет при пересечении нормалей к поверхностям положения под прямыми углами.

Сравнительная оценка разностно-дальномерного и угломерного(пеленгационного) методов определения координат ИРИ

На практике для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) применяют угломерный (пеленгационный), дальномерный, суммарно-дальномерный, разностно-дальномерный методы, а также их комбинации .

Из описания указанных методов можно выделить их характерные особенности.

Так, для реализации дальномерного и суммарно-дальномерного метода на приемных пунктах должна быть известна структура сигнала. В связи с этим среди перечисленных выше типов РЭС такие методы могут быть применены лишь для местоопределения абонентских терминалов (АТ) сотовой связи, поскольку их функционирование принципиально возможно только под управлением базовой станции, которая в процессе радиообмена всегда измеряет дальность до АТ.

Для угломерного (УМ) и разностно-дальномерного методов (РДМ) не требуются информация о точной структуре сигнала, а достаточно указать лишь область спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Причем, все больше производителей техники определения координат ИРИ обращают внимание на РДМ, в связи с появлением недорогих компактных вычислительных ресурсов и усовершенствованных технологий радиоприема, доступностью каналов передачи данных, а также наличием точных распределяемых сигналов хронирования.

В таблице приводятся результаты анализа достоинств и недостатков традиционных вариантов построения РДМ (с жесткой синхронизацией периферийных приемных пунктов) в сравнении с УМ, заимствованные из отчета Международного союза электросвязи МСЭ-R SM.2211.

Таблица

Более простые требования к антенне	Антенна является дешевой, несложной и может иметь небольшой размер. Приемники РДМ могут использовать одну простую антенну (например, несимметричный или симметричный вибратор). Дополнительным преимуществом является то, что можно изготовить малозаметную антенну небольшого размера.
Более простые требования к выбору места и калибровке	Для РДМ требования к выбору места являются менее жесткими, чем для УМ, и калибровка практически не требуется. В результате развертывание оборудования РДМ осуществляется быстрее. Можно установить дополнительные приемники РДМ, для того чтобы преодолеть влияние затенения от высоких препятствий. В системе УМ места должны выбираться таким образом, чтобы свести к минимуму искажение фронта волны, обусловленное вторичными излученными локальных препятствий, отражениями от земли и изменением проводимости почвы. Некоторые антенные решетки системы УМ должны быть калиброваны после установки на месте, для того чтобы свести к минимуму результирующие ошибки, зависящие от частоты и направления.
Широкополосные сигналы, сигналы с низким ОСШ, а также сигналы малой длительности	Метод РДМ эффективно работает с новыми и появляющимися сигналами, характеризующимися сложными методами модуляции, широкой полосой и малой длительностью. С увеличением ширины полосы сигнала степень эффективности РДМ, как правило, возрастает. Метод УМ, эффективно работает с узкополосными сигналами. Усовершенствованные методы УМ могут применяться для определения местоположения любых сигналов, в том числе широкополосных, сложных и коротких. Степень эффективности УМ, в приближении, не зависит от ширины полосы сигнала, при условии, что разнос каналов, подвергающихся быстрому преобразованию Фурье (БПФ), равен ширине полосы сигнала. Оба метода, РДМ и УМ, эффективнее работают с сигналами, имеющими более высокие ОСШ, и при большем времени интегрирования. Выигрыш за счет корреляционной обработки позволяет с помощью методов РДМ обнаруживать и определять местоположение сигналов с низким (и даже отрицательным) ОСШ. Кроме того, он позволяет задействовать при определении географического местоположения дополнительные приемники РДМ. Сигналы с низким ОСШ могут обрабатываться с помощью усовершенствованных методов УМ, например корреляционных методов УМ с повышенной разрешающей способностью или со вспомогательными данными (опорная радиопеленгация). Определение географического местоположения источников сигналов малой длительности требует координированной работы приемников, синхронизированных по времени до доли величины, обратно пропорциональной ширине полосы сигнала. Обеспечение такой возможности является непременным условием работы систем РДМ. Кроме того, методом РДМ можно определить географическое местоположение на основе измерений очень малой длительности, проводимых в отношении сигналов большей длительности. Если элементы антенны УМ коммутированы, то необходимое время интегрирования будет меньше.
Сложность системы	Приемник и антенна системы РДМ являются более простыми, чем типовая антенная решетка и двух- или многоканальный приемник системы УМ. Приемнику системы РДМ требуется как минимум один РЧ канал в реальном времени для обработки без задержки и с максимальной вероятностью перехвата сигнала (1) .
Подавление некоррелированных шумов и помех	С помощью корреляционной обработки, используемой в РДМ, можно подавлять сигналы на совпадающей частоте, совпадающий по времени шум и сигналы помех, которые некоррелированы между местами проведения измерений. Это свойство позволяет системе определять географическое местоположение источников сигналов с низкими отношениями сигнала к помехе и шуму (низкое отношение SINR). Усовершенствованные системы УМ могут ослаблять влияние некоррелированных и совпадающих по времени помех на совпадающей частоте путем использования корреляции с опорными сигналами. Другие усовершенствованные методы обработки, например MUSIC могут быть устойчивыми к некоррелированным шумам и помехам. Однако такие методы требуют дорогостоящих вычислений и не получили широкого применения при осуществлении контроля за использованием спектра.
Ослабление влияния когерентных помех на совпадающей частоте (многолучевости) при определенных условиях	Степень эффективности УМ и РДМ, снижается в условиях многлучевости - когерентных помех на совпадающей частоте. Воздействие на каждый метод различается в зависимости от положения датчика по отношению к многолучевым отражениям. При достаточной ширине полосы сигнала метод РДМ менее чувствителен к искажению фронта волны за счет локальных препятствий (локальной многолучевости). Может потребоваться усовершенствованная обработка сигнала для устранения неопределенностей при определении местоположения, вызванных удаленными препятствиями (дистанционная многолучевость). С помощью усовершенствованной обработки можно дополнительно отфильтровать корреляционные пары, используемые при определении местоположения методом РДМ, и улучшить результаты, получаемые в условиях повышенной многолучевости. При усовершенствованной обработке методом РДМ можно исключить временные задержки при многолучевом распространении между местами проведения измерений, что обеспечивает высокую эффективность в условиях со сложным рельефом местности.
Соображения относительно конфигурации	РДМ и УМ, обеспечивают наибольшую точность, при ИРИ расположеном в центре периметра, образованного местами проведения измерений. Точность определения географического местоположения методом РДМ определяется геометрическим показателем снижения точности, качеством временной синхронизации и качеством оценки РДМ. Точность методов УМ напрямую зависит от расстояния между источником и каждым приемником УМ. Неопределенность положения является функцией от неопределенности угла пеленга и расстояния от приемника до оцениваемого положения. Неопределенность местоположения и пеленга увеличивается с расстоянием одинаково в обоих методах.
Высокая степень пригодности к использованию в сетях РЧ датчиков	В обоих методах, РДМ и УМ, увеличение числа приемников ведет к улучшению результатов. Метод РДМ хорошо подходит для развертывания многих приемников.
Возможность анализа в полностью автономном режиме на центральном сервере	В системах РДМ могут храниться и регистрироваться скоординированные во времени измерения сигналов от всех приемников, поэтому на центральном сервере можно осуществлять анализ в полностью автономном режиме. Сюда входит спектральный анализ сигнала каждого приемника, кросскорреляционные измерения и определение географического местоположения. В системах УМ на центральном сервере также могут храниться и регистрироваться некоторые измерения сигналов (например, результаты пеленгации и точность пеленгации). Эти измерения скоординированы во времени до той степени временной синхронизации, которая достижима в системе УМ. Такие измерения, как результаты спектрального анализа и перекрестной корреляции, не являются типовыми, поскольку для них требуется такая же скорость передачи данных по соединительным линиям, как и в РДМ.

(1) В типовых корреляционных системах интерферометрии используется временное разделение для уменьшения числа необходимых приемников. Этим системам требуется два-три приемника, подключенных к пяти, семи или более антеннам. Эти системы являются менее сложными, чем полностью параллельные системы радиопеленгации, однако для определения местоположения им необходима бóльшая минимальная длительность сигнала.

Представленный в таблице качественный анализ достоинств и недостатков УМ и РДМ на первый взгляд свидетельствует о предпочтительности применения для реализации процедуры радиомониторинга РДМ. Вместе с тем, однозначно нельзя утверждать, что данный метод будет предпочтительнее во всех случаях. Поэтому далее проведем более детальное сравнение указанных методов на количественной основе. Для этого воспользуемся показателем в виде эллипса рассеяния ошибок , который характеризует разброс ошибок местоопределения конкретными численными показателями – размерами его малой и большой полуосей, а также их наклоном.

Для построения эллипса рассеяния с центром в точке сначала рассчитываются элементы матрицы точности местоопределения . Обратной к матрице точности является соответствующая границе Рао-Крамера корреляционная матрица ошибок вычисления координат , где - дисперсия по оси , - корреляционный момент, - дисперсия по оси .

Элементы матрицы точности для УМ вычисляются по формулам :

(1)

где , - координаты пеленгаторов, - общее количество позиций пеленгаторов, - евклидово расстояние между точками и на плоскости, - среднеквадратичная ошибка (СКО) оценивания пеленга, радиан.

Для РДМ местоопределения элементы матрицы точности вычисляются через матричное произведение .

Этот метод основан на измере­нии расстояния R между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками. В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчи­ка ответчика (рис. I.5.1) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса t 3 и ответа t о одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность

В ка­честве ответного может быть использован также и от­раженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы явля­ется поверхность шара радиусомR . Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми . При этом местоположение объекта определяется как точка пересече­ния двух линий положения. Так как окружности пересека­ются в двух точках (рис. 2.3), то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнитель­ные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти ко­ординаты с высокой точностью. В свою очередь дальномерные системы делятся на

Радиодальномеры без ответчика;

радиодальномеры с ответчиком;

радиовысотомеры.

Принцип работы радиодальномер без ответчика заключается в том, что при измерении расстоянии между опорной точкой на Земле и объектом (целью) измеряется интервал времени между моментом посылки радиоимпульса наземным радиопередатчиком и моментом приема его бортовым радиоприемником. Для этого на борту и на земле должны быть эталоны времени, которые синхронизируют работу на­земной и бортовой аппаратуры. Параметром радиодаль­номера без ответчика будет расстояние между запросчиком и объектом (целью).

В радиодальномерах с ответчиком из­меряется интервал времени между радиоимпульсами за­проса и ответа. Параметром такого радиодальномера будет удвоенное расстояние между запросчиком и ответ­чиком.

Параметром радиовысотомера является удвоенная высо­та ЛА над поверхностью земли.

Радиодальномерные ме­тоды начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых из­мерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод.

С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: А и В. Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхрони­зация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигна­лов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую форму гиперболоида. Если приемоиндикатор и станции А и В расположены на поверхности Земли, то измерение
позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с
. Для двух станций можно построить семейство гипербол с фо­кусами в точках расположения станцийА и В. Расстояние между станциями называют базой . Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранее и оцифровы­вают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. II.2.3), база которой d 2 должна быть расположена под углом к базе d 1 первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций В 1 и В 2 . Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местополо­жение объекта (цели) по приемоиндикатору (ПИ) расположенного на борту. Точность разностно-дальномерной системы выше точ­ности угломерной и приближается к точности дальномерной. Достоинством данного метода является неограничен­ная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, прохо­дящие через центр базы каждой пары станций системы. Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превы­шающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная система может быть использована как угломерная.

В зависимости от видов сигналов наземных станций и метода измерения временного сдвига сигналов принимаемых ПИ различают:

им­пульсные;

• импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС.

Принцип импульсной разностно-дальномерной си­стемы был предложен советс­ким инженером Э. М. Рубчинским в 1938 г., но широкое распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Пе­рвая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Существуют три основных метода определения пространственных координат объектов:

линий и поверхностей положения;

корреляционно-экстремальный;

счисления пути.

Но последние два в настоящее время применимы только для автономных навигационных систем, т.е. при определении местоположения на самом ЛА. Определение координат целей в настоящее время основывается на применении метода линий и поверхностей положения.

Общность физических основ радиодальнометрии и радиопеленгации находит выражение еще в том, что местоположение цели можно установить не только по ее дальности и углам, измеренным из одной точки О (рис. 1.3), но и путем измерения дальности или углов из разнесенных опорных точек и,(рис. 1.7). Наибольшее применение получили дальномерный, разностно-

дальномерный, угломерный (пеленгационный) и дальномерно-угломерный

(комбинированный) методы определения местоположения целей.

Рис. 1.7. Методы определения местоположения объектов:

а – дальномерный; б – разностно-дальномерный; в – пеленгационный (уг-

ломерный)

В радиолокации для определения местоположения цели (объекта) чаще всего применяют позиционный метод, основанный на использовании поверхностей или линий положения для определения места объекта в пространстве или на поверхности Земли. Поверхность положения представляет собой геометрическое место точек в пространстве, отвечающих условию постоянства параметра (измеряемой координаты относительно опорного пункта (дальности, угла и т.п.)).

Местоположение ЛА в пространстве находится как точка пересечения трех поверхностей положения (ПП). Пересечение двух поверхностей положения дает линию положения (ЛП), которая является геометрическим местом точек с постоянными значениями двух параметров. Чтобыопределить точку в пространстве, требуется пересечение трех поверхностей положения или линии и поверхности положения. В случае нахождения цели иопорных пунктов в одной плоскости достаточно двух ЛП (определения двухкоординат цели, которые измеряются двумя РЛУ) (рис. 1.7).

Дальномерный метод заключается в определении местоположения цели М

(рис. 1.7, а) измерением расстояний между целью и опорными пунктами ,.

Каждая поверхность положения представляет собой сферу с центром в опор-

ном пункте и радиусом, равным дальности. Так как точки М , ,находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусамиис точкой пересечения на целиМ . Имеется еще одна точка пересечения окружностей, но неоднозначность измерений можно исключить.

Разностно-дальномерный метод (рис. 1.7, б) требует наличия на плоскости двух пар опорных пунктов ,и,. Один из них обычно общий

(). Каждая пара станций используется для получения ЛП в виде гипербол сфокусами в опорных пунктах. Эти линии строятся как геометрические места

точек с постоянной разностью расстояний: оти;оти. Точка пересечения гипербол совпадает с целью М.

Угломерный (пеленгационный) метод основан на использовании направленных свойств антенн. Этот метод реализуется посредством радиопеленгатора,установленного на объекте М, и двух радиомаяков, расположенных в опорныхпунктах и(рис. 1.7, в) с базой b.

Радиопеленгатор представляет собой радиоприемное устройство с направленной антенной, а радиомаяк - передающее устройство с ненаправленной антенной. Пеленгатор измеряет азимуты маякаимаяка, и так как ЛПс постоянными пеленгами (= const,= const) представляют собой прямые, проходящие под углами,к направлению юг - север, то они имеют одну точку пересечения, которая является искомой, т. е. совпадает с целью М.

Дальномерно-угломерный метод (рис. 1.2, 1.3, 1.8) требует применения только одной станции, содержащей радиодальномер и радиопеленгатор. Из точки стояния станции О дальномер определяет наклонную дальность цели, а пеленгатор устанавливает направление на цель, т. е. ее азимут α и угол места β.

Цель М находится на пересечении поверхности положения дальномера в виде шара радиуса и ЛП пеленгатора - в виде прямой с угловыми координатами α и β, проходящей через точку О. Этот метод наиболее характерен для радиолокации, а остальные методы - для радионавигации. Однако и в радиолокации местоположение цели определяют иногдаиз двух и более точек. Например, если обычная PЛС производит пеленгацию сбольшими ошибками, то прибегают к дальномерному методу, а если дальномерную часть РЛС нельзя использовать из-за сильных помех или вследствиеприменения пассивной радиолокации, то прибегают к пеленгационному методу.

Рис. 1.8. ПП при определении местоположения объекта позиционным (даль-

номерно-пеленгационным) методом

Таким образом, в радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП. Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Заключение

1. В отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризация и т.д.).

2. В современной радиолокации используются местные и глобальныеСК. Местные СК подразделяются на цилиндрические и сферические СК, глобальные СК – на географические и геосферические.

3. По принципам образования радиолокационных сигналов методы радиолокации разделяются на активные, полуактивные и пассивные. На практике часто их совмещают при проектировании радиолокационных систем.

4. В радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП.

Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Контрольные вопросы :

1. Принцип измерения дальности в радиолокации.

2. Принцип пеленгации в радиолокации.

3. Принцип измерения скорости в радиолокации.

4. Основные элементы сферической СК, используемой в радиолокации.

5. Основные элементы цилиндрической СК, используемой в радиолокации.

6. Основные элементы географической СК.

7. Основные элементы геоцентрической СК.

8. Сущность активных методов формирования радиолокационного сигнала.

9. Сущность полуактивного и пассивного методов формирования радиолокационного сигнала.

10. Сущность дальномерного и разностно-дальномерного методов определения местоположения объекта.

11. Сущность угломерного и дальномерно-угломерного методов определения местоположения объекта.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материалы лекции.

2. Подготовиться к контрольной работе по контрольным вопросам.

Литература:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. –

М.: Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

Радиотехнические методы внешнетраекторных измерений

Аппаратура внешнетраекторных измерений, основанная на радиотехническом принципе, по сравнению с оптической обладает большей дальностью слежения и более универсальна. Она позволяет определять не только угловые координаты ЛА, но и дальность до объекта, его скорость, направляющие косинусы линии дальности и т.д.

Измерение дальности в радиотехнических системах сводится к определению времени задержки t D прихода излучаемых или отраженных радиосигналов, которые пропорциональны дальности

D=ct D ,

где с =3×10 8 м/с - скорость распространения радиоволн.

В зависимости от вида используемого сигнала определение t D может производиться измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига, относительно опорного сигнала. Наибольшее практическое применение нашли импульсный (временной) и фазовой методы. В каждом из них измерение дальности может осуществляться как беззапросным , так и запросным способом. В первом случае дальность D=ct D , во втором - D=0,5ct D .

При беззапросном импульсном методе на борту ЛА и на Земле устанавливаются высокоточные хронизаторы х 1 и х 2 , синхронизируемые перед запуском (Рис. 9.5). В соответствии с импульсами u 1 хронизатора х 1 бортовой передатчик П излучает импульсные сигналы с периодом Т . Наземное приемное устройство П р принимает их через t D =D/c . Интервал t D между импульсами наземного хронизатора u 2 и импульсами u 1 на выходе приемника соответствует измеряемой дальности.

При запросном импульсном методе сигнал посылается наземным передатчиком, принимается бортовым приемником и ретранслируется обратно.

Рис. 9.5. Принцип измерения дальности импульсным беззапросным методом.

Точность этих методов повышается с увеличением частоты импульсов.

Фазовый метод измерения дальности заключается в том, что запаздывание сигнала определяется по фазовому сдвигу между запросным и ответным сигналом (Рис. 9.6).

Рис. 9.6. Фазовый метод измерения дальности

Наземный передатчик излучает колебания:

u 1 =A 1 sin(w 0 t+j 0)=A 1 sinj 1 ,

где А 1 - амплитуда,

w 0 - круговая частота,

j 0 - начальная фаза,

j 1 - фаза колебаний сигнала.

Бортовая аппаратура ретранслирует сигнал u 1 , а наземный приемник принимает сигнал

u 2 =A 2 sin=A 2 sinj 2 ,

где j А - фазовый сдвиг, обусловленный прохождением сигнала в аппаратуре, определяемый расчетным или экспериментальным путем.

Изменение фазы колебаний сигнала u 2 относительно u 1 определяется отношением:

j D =j 2 -j 1 =w 0 t D =LpD/(T 0 c),

откуда дальность

где l 0 - длина волны.

При измерении угловых параметров движения ЛА радиотехническими средствами наибольшее распространение получили амплитудные и фазовые методы.

Амплитудный метод основан на сравнении амплитуд сигналов при различных положениях передающей или принимающей антенны. При этом возможны два варианта выполнения угломерных систем: амплитудные пеленгаторы и маяки. В первом случае передающее устройство П располагается на ЛА, а диаграмма направленности наземного приемного устройства П р периодически занимает положение I или II (Рис. 9.7).

Рис. 9.7. Амплитудный метод измерения угловых параметров

Если угол a =0, то уровень сигнала при обоих положениях диаграммы направленности будет одинаковым. Если a ¹0, то амплитуды сигналов будут различны, и по их разности можно вычислить угловое положение ЛА.

В том случае, когда информацией об угловом положении надо располагать на борту ЛА, применяют амплитудный маяк . Для этого на земле устанавливается передатчик, а диаграмма направленности наземной антенны сканирует, периодически занимая положения I и II. Сравнивая амплитуды сигналов, принимаемых бортовым приемником, определяется угловое положение ЛА.

Фазовый метод основан на измерении разности расстояний от ЛА до двух базисных точек О 1 и О 2 (Рис. 9.8).

Рис. 9.8. Фазовый метод определения угловых параметров

При этом расстояния до объекта R 1 и R 2 определяются по разности фаз Dj гармонических колебаний, излучаемых источником, расположенном в пунктах О 1 и О 2 . Косинус направляющего угла q определяется:

где В - расстояние между пунктами О 1 и О 2 .

Примером комплекса внешнетраекторных измерений, применяемом в полигонной практике, может служить система «Трасса» (Рис. 9.10). Данная аппаратура, разработанная и выпускаемая СКБ измерительной аппаратуры НТИИМ, использует координатно-угломеро-базовый принцип.

Она состоит из двух следящих телевизионных теодолитов 1, системы управления 2, системы синхронизации единого времени 3, системы регистрации и обработки информации 4. Система «Трасса» позволяет получать информацию о координатах, скорости, коэффициенте лобового сопротивления, а также наблюдать поведение объекта на экране монитора.

Рис. 9.10. Система внешнетраекторных измерений “Трасса”:

1-следящий телевизионный теодолит; 2-система управления; 3-система синхронизации единого времени; 4-системы регистрации и обработки информации

Основные характеристики системы «Трасса» приведены ниже:

Погрешность измерения угловых координат при угле места до 60 град:

В статике - 15 угл.сек

В динамике - 30 угл.сек,

Максимальные параметры сопровождения объекта

Угловая скорость - 50 град/сек,

Угловое ускорение - 50 град/сек 2 ,

Частота регистрации угловых координат изображений объекта – 25-50 кадров/сек.

Важнейшей задачей внешнебаллистических исследований является определение пространственного местоположения центра масс ЛА, которое однозначно определяется тремя пространственными координатами. При этом в навигации используются понятия поверхностей и линий положения.

Под поверхностью положения понимают геометрическое место точек местоположения ЛА в пространстве, характеризуемое постоянным значением измеряемого навигационного параметра (например, угла места, угла азимута, дальности и т.п.). Под линией положения , понимают пересечение двух поверхностей положения.

Положение точки в пространстве может быть определено пересечением двух линий положения, трех поверхностей положения и линии положения с поверхностью положения.

В соответствии с видом измеряемых параметров различают следующие пять методов определения местоположения ЛА: угломерный, дальномерный, суммарно и разностно-дальномерный и комбинированный.

Угломерный метод основан на одновременном измерении углов визирования ЛА из двух различных точек. Он может быть основан как на оптическом, так и на радиотехническом принципах.

При кинотеодолитном методе поверхностью наложения при a=const является вертикальная плоскость, а поверхностью положения при b=const - круговой конус с вершиной в точке О (Рис. 9.11, а).

Рис. 9.11. Определение координат объекта кинотеодолитным методом,

а) поверхность и линия положения, б) схема определения координат

Пересечение их определяет линию положения, совпадающую с образующей конуса. Следовательно для определения местоположения ЛА необходимо определить координаты точки пересечения двух линий положения OF 1 и OF 2 (Рис. 9.11, б), полученных одновременно с двух измерительных пунктов О 1 и О 2 .

В соответствии с рассматриваемой схемой координаты ЛА определяются по формулам:

где В - расстояние между измерительными пунктами,

R - радиус Земли в данной местности.

При использовании дальномерного метода координаты ЛА определяются точкой пересечения трех сферических поверхностей положения с радиусами, равными дальности D . Однако при этом возникает неопределенность, связанная с тем, что три сферы имеют две точки пересечения, для исключения которой используют дополнительные способы ориентирования.

Разностно и суммарно-дальномерный метод основан на определении разности или суммы дальностей от ЛА до двух измерительных пунктов. В первом случае поверхностью положения является двухполостной гиперболоид и для определения координат объекта необходимо иметь еще одну (ведущую) станцию. Во втором случае поверхность положения имеет вид эллипсоида.

Комбинированный метод обычно используется в радиолокационных системах, когда местоположение ЛА определяется как точка пересечения сферической поверхности положения с радиусом равным дальности (D=const ), конической поверхности положения (b=const ) и вертикальной поверхности положения (a=const ).

Доплеровский метод определения скорости и местоположения ЛА основан на эффекте изменения частоты несущего сигнала, излучаемого передатчиком и воспринимаемого приемным устройством в зависимости от скорости их относительного перемещения:

F д =¦ пр -¦ 0 ,

где F д - частота Доплера,

¦ пр - частота принимаемого сигнала,

¦ 0 - частота передаваемого сигнала.

Измерение частоты Доплера может быть проведено беззапросным или запросным методом. При беззапросном методе радиальная скорость ЛА при длине волны сигнала l 0 , определяется:

V r =F д l 0 ,

при запросном методе:

V r =F д l 0 /2.

Для определения дальности следует проинтегрировать результаты измерения скорости полета за время движения объекта от начальной точки. При расчете координат используются зависимости для суммарно-дальномерных систем.

Схемы определения параметров ЛА, основанные на эффекте Доплера, приведены на рисунке 9.12.

Рис. 9.12. Схема определения координат ЛА доплеровским методом:

а) без ретрансляции сигналов, б) с ретрансляцией сигналов

При проведении внешнетраекторных измерений движения ЛА малых размеров (пуль, артиллерийских и реактивных снарядов) используются доплеровские полигонные радиолокационные станции ДС 104, ДС 204, ДС 304 изготавливаемые НТИИМ.

Рис. 9.13. Доплеровские полигонные радиолокационные станции

ДС 104, ДС 204, ДС 304

Они используют запросный метод и позволяют определять скорости на любом участке траектории, текущие координаты в вертикальной плоскости, вычислять ускорения, числа Маха, коэффициент лобового сопротивления, средние и срединные отклонения начальной скорости в группе выстрелов.

Основные технические характеристики станции ДС 304 следующие:

Минимальный калибр - 5мм,

Диапазон скоростей - 50 – 2000 м/с,

Дальность действия - 50000 м,

Погрешность измерения скорости - 0,1%,

Частота зондирующего сигнала - 10,5 ГГц,

Уровень генерируемой мощности сигнала - 400 мВт.