Характеристики сучасних моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів

характеристики сучасних моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів

1. Типові тактико-технічні характеристики сучасних моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів

Обладнання моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів має задовольняти вимоги, викладені у томі IV «Системи оглядової радіолокації і попередження зіткнень» Додатка 10 до Конвенції про міжнародну цивільну авіацію, а також у стандарті Євроконтролю з радіолокаційного спостереження повітряного простору SUR.ET.1.STO1.1000-STD-01-01. Всі сучасні моноімпульсні вторинні оглядові радіолокатори, назви яких наведені у вступі до цього навчального посібника, задовольняють вимоги, що містяться у зазначених документах із певним перевищенням окремих показників.

Згідно із зазначеними вище вимогами несуча частота сигналів запиту має бути fзап = (10300,1) МГц із прямовисною поляризацiєю випромінюваних радіохвиль. Для вторинних радіолокаторів, що працюють у селективних режимах, встановлені більш жорсткіші вимоги до стабільності несучої частоти fзап = 10300,01 МГц, оскільки в цьому випадку у запитах бортових відповідачів використовуються сигнали з відносною фазовою модуляцією. Сигнали відповіді мають передаватися на несучій частоті fВІДП = 10903 МГц також з прямовисною поляризацією. У селективному режимі стабільність несучої частоти має бути підвищена до 0,1 МГц, щоб під час приймання сигналів моноімпульсним методом не виникали додаткові похибки внаслідок фазової й амплітудної неузгодженості сумарного і різницевого каналів з нестабільною несучою частотою відповідачів.

Проміжна частота у всіх моноімпульсних ВРЛ дорівнює fпр = 60 МГц. Такий вибір проміжної частоти обумовлений необхідністю раціональної побудови апаратури запитувачів приймача-передавача.

Оскільки в цьому випадку

моноімпульсний оглядовий радіолокатор антена

fпр = fВІДП – fзап = (1090 –1030) МГц,

то збуджувач передавача, який працює на частоті 1030 МГц, може одночасно виконувати і функції гетеродина приймача, що не тільки покращує економічні показники запитувача, але і підвищує стабільність його проміжної частоти.

Найбільша частота повторення сигналів запиту Fпз має становити 500 Гц. Для запобігання зайвих запусків відповідачів необхідно встановлювати мінімально можливу частоту повторення запитів, припустиму з погляду одержання прийнятних характеристик усієї системи з урахуванням швидкості обертання антени й ширини її ДН. Для селективних систем вторинної радіолокації, з огляду на ту обставину, що у прийманні сигналів відповіді у них використовується моноімпульсний режим роботи, гранична частота запитів істотно знижена. Частота повторення запитів загального виклику в режимах RBS і S й УВД і S має складати не більше 250 Гц. Теж саме стосується і запиту загального виклику режиму S. У всіх режимах запиту має використовуватися найменша можлива частота повторення сигналів запиту. Запити режиму S, що скеровані одному адресату і потребують відповіді, повинні випромінюватися з інтервалом не менше 400 мкс.

У більшості сучасних моноімпульсних ВРЛ, які працюють у режимах RBS, передбачена можливість установки частоти запиту в межах 100…450 Гц із внутрішньою або зовнішньою синхронізацiєю. Для зменшення рівня взаємних завад передбачена вобуляція періоду повторення запитів у межах до 12,5%. Вобуляція періоду повторення дозволяє перевести синхронні взаємні завади до розряду несинхронних, що значно полегшує процес їхнього придушення.

У всіх моноімпульсних ВРЛ передбачене автоматичне перемикання режимів запитів. Можлива установка режимів 1, 2, 3/А, С, 3К1, 3К2, 3К3, суміщеного режиму RBS і УBД, режимів 4 і S. Режими 1 і 2 із кодовими інтервалами між імпульсами запиту 3 і 5 мкс мають військове призначення і використовуються для розпізнавання ПС у несекретних системах “свій – чужий” (IFF – Identification Friend or Foe). Для цивільних цілей ці режими не використовуються. Військовий режим 3 має точно таке саме призначення, як і режим А в системі RBS, тобто використовуються для індивідуального розпізнавання військових і цивільних ПС. Режим 4 є секретним військовим режимом закордонних країн і використовується тільки у ВРЛ подвійного призначення. Режим С призначений для запиту барометричної висоти в системах RBS. Режими 3К1, 3К2, 3К3 і суміщені режими RBS і УВД мають обмежене застосування і використовуються тільки в країнах колишнього СНД. Багато сучасних моноімпульсних ВРЛ можуть працювати в селективних режимах S або за своїми технічними характеристиками пристосовані до оперативного переходу до режиму S.

Передбачене чергування режимів, яке може бути одиничним (х, х, х,...), подвійним (х, у; х, у; х, у;...) або потрійним (х, х, у; х, х, у;...); (х, у, z; х, у, z і т.д.), де х, у, z – заздалегідь обрані режими. Можливе автоматичне перемикання чергування режимів від сканування до сканування, тобто від одного оберту антени до іншого. Період огляду простору в сучасних моноімпульсних ВРЛ може змінюватися в широких межах. В улаштованих ВРЛ період огляду простору визначається первинним радіолокатором. Для автономних вторинних радіолокаторів типовими значеннями періоду огляду є 4…10 с. Неузгодження електричних осей первинних і вторинних антен в єдиному радіолокаційному комплексі припускається до 6 кутових мінут, а під час роботи ВРЛ в автономному режимі – до 0,5°. Ширина ДН антени запитувача у поземній площині згідно з встановленими нормами не повинна перевищувати 5°. У сучасних моноімпульсних ВРЛ ширина ДН сумарної антени зазвичай обирається у межах 2,35…2,4°. Рівень бокових пелюсток ДН у порівнянні з головною пелюсткою антени зазвичай не перевищує –28 дБ (за нормою –24 дБ).

Розділова здатність і точність моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів набагато перевищує встановлені норми. Згідно з нормами розділова здатність за дальністю δr не повинна бути більше 1 км, а за азимутом (δφ) – більше 1,2 ширини ДН антени на рівні 0,7 за напруженістю електромагнітного поля. У сучасних моноімпульсних ВРЛ відповідні експериментальні дані лежать у межах δr = 45...110 м, δφ = 0,45...0,66°.

Оскільки розділова здатність, так само, як і точність, це статистичний параметр і до того ж обумовлений багатьма чинниками, як наприклад, взаємним розташуванням цілей за дальністю й азимутом, відстанню ПС до радіолокатора, частотою запитів, програмою чергування кодів запиту, наявністю завад, відношенням сигнал/шум тощо. Більш об’єктивну характеристику розділової здатності радіолокаторів дають дані, отримані на випробуваннях моноімпульсних радіолокаторів типу IRS-20MP/L.

Розрізняють розділову здатність вторинних радіолокаційних систем у задачах визначення координат ПС і в задачах отримання додаткової інформації, переданої за допомогою кодових сигналів відповіді.

Для координатної розділової здатності знайдено, що за умови потрапляння двох цілей, оснащених відповідачами, у просторове вікно з розмірами 0…93 м за відстанню і 0…0,6° за азимутом, імовірність окремого визначення координат цілей буде не гірше 60%. Якщо розміри вікна складають за відстанню 93 м…3,7 км, а за азимутом залишаються у тих самих межах, тобто від 0 до 0,6°, то ймовірність окремого визначення координат цілей буде не гірше 98%. Якщо вікно за відстанню не перевищує 3,7 км, а вікно за азимутом має розміри 0,6…4,8°, то ймовірність окремого визначення положення двох цілей, що знаходяться в цьому вікні, буде також не гірше 98%.

Для інформаційної розділової здатності знайдено, що за умови потрапляння двох цілей у просторове вікно з розмірами 0…93 м за відстанню і 0…0,6° за азимутом, ймовірність достовірного дешифрування сигналів додаткової інформації під час роботи запитувачів і відповідачів у режимах 3/А й С буде не менше 30%. Той самий показник для вікна 93 м…3,7 км за відстанню і 0…0,6° за азимутом складає не менше 90%, а для вікна 0…3,7 км за відстанню і 0,6…4,8° за азимутом – не менше 98%.

Аналогічні залежності для радіолокатора Condor 2 MSSR наведені на рис.1. Дані отримані для випадку розташування у просторовому вікні двох цілей, ймовірність відповіді яких на запит дорівнює 0,9, швидкість обертання антени запитувача дорівнює 15 об/хв, частота запитів – 150 Гц, а ймовірність правильного декодування інформації відповіді у нормі.

Точність визначення координат моноімпульсним ВРЛ визначається як різниця між вимірюваним положенням оцінки цілі і справжнім її розташуванням у момент виявлення цілі. Точність визначається як систематичною складовою випадкової похибки вимірювання, так і грубими помилками (Jumps).

Згідно зі стандартом Євроконтролю систематичні похибки для моноімпульсних ВРЛ не повинні перевищувати 100 м за похилою відстанню, 0,1° за азимутом, а приріст похибки за відстанню залежно від відстані до цілі не повинний перевищувати одного метра на одну морську милю. Реальні дані, отримані під час точнісних випробувань значної кількості моноімпульсних радіолокаторів різних типів, у більшості випадків на багато краще зазначених вище норм. Систематичні похибки за відстанню лежать у межах 15...30 м, за азимутом – у межах 0,02...0,05°, а приріст похибки залежно від відстані до цілі – менше одного метра на одну морську милю.

Для випадкових середніх квадратичних похибок установлені норми : за відстанню 70 м, за азимутом 0,08°. Після випробувань отримані такі дані: похибки за відстанню лежать у межах 15...30 м, за азимутом – 0,0..0,05°. Нормами встановлено, що похибки фіксації моменту часу, коли відбулося виявлення цілі, не повинні перевищувати 100 мс. Експериментальні дані підтвердили цей час.

Одним із показників, що характеризує точність ВРЛ, є грубі помилки у визначенні координат цілей. До них належать такі випадкові помилки, коли похибка у визначенні дальності перевищує 700 м, а азимуту – 1°. Згідно з нормами Євроконтролю такі помилки повинні зустрічатися не частіше 0,05% від усіх випадків локалізації цілей. Експериментальні дані підтвердили наведені значення похибок.

Важливим параметром, що характеризує якість роботи ВРЛ, є відносна кількість неправильного дешифрування кодових сигналів прийнятої додаткової інформації. Згідно з нормами воно не повинно перевищувати 0,2% і при цьому повинно рівномірно розподілятися між кодами 3/А й С, тобто 0,1% для режимів 3/А й 0,1% для режиму С. Експериментальні дані свідчать про виконання цих норм усіма сучасними вторинними моноімпульсними радіолокаторами.

Стандартом колишнього Радянського Союзу і країн СНД встановлені деякі норми, що характеризують надійність ВРЛ. Для запитувачів середній час наробітку на відмову має бути більше 4000 год. Технічний ресурс радіолокатора має бути більше 100 тис. год або термін служби – 12 років. Середній час наробітку бортового обладнання на відмову в польоті і на землі має бути не менше 5000 год технічний ресурс – не менше 10 тис. год до першого капітального ремонту.

Сучасні моноімпульсні ВРЛ мають більш високі показники надійності, ніж це передбачено нормами. Так, наприклад, у радіолокатора SIR-S середній наробіток на відмову за умови двоканальної роботи складає 33 260 год (за одноканальної роботи – 3170 год), у радіолокатора Condor2 – 141 420 год за умови двоканальної роботи (за одноканальної – 27 630 год), у радіолокатора MSSR/Mode S Northrop Gramman – 10 тис. год за одноканальної роботи.

2. Параметри, що визначають зону виявлення моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторів

На відміну від первинних радіолокаторів у вторинній радіолокації дальність дії визначається системою рівнянь:

,(1)

де R3 – дальність дії вторинної радіолокаційної системи за запитом; RВІДП – дальність дії вторинної радіолокаційної системи за відповіддю; P3 – імпульсна потужність запитувача; РВІДП – імпульсна потужність відповідача; G3 – коефіцієнт підсилення антени запитувача; GВІДП – коефіцієнт підсилення антени відповідача; PПРmin3 – чутливість приймача запитувача; PПРminВІДП – чутливість приймача відповідача; SАВІДП – ефективна площа антени відповідача; SА3 – ефективна площа антени запитувача; L∑ 3 – сумарні втрати потужності за запитом; L∑ ВІДП – сумарні втрати потужності за відповіддю.

З огляду на те, що

,

система рівнянь (1) може бути приведена до більш зручного вигляду

,(2)

де λ 3 – довжина хвилі при роботі системи за запитом; λВІДП – довжина хвилі під час роботи системи за відповіддю.

З енергетичної точки зору система вторинної радіолокації вважатиметься оптимальною, коли R3 = RВІДП, тобто коли

.

З огляду на те, що і , одержуємо для оптимальної системи

.

Оскільки, вторинна радіолокаційна система складається з наземного і бортового обладнання, і обидві ці частини взаємозалежні, державні стандарти і рекомендації ICAO і Євроконтролю встановлюють норми не тільки на тактичні, але і на технічні параметри ВРЛ і відповідачів.

Для зменшення рівня внутрішніх системних завад державним стандартом і міжнародними нормами рекомендується обирати ефективну випромінювану потужність запитувача, тобто добуток , такий, щоб вона не перевищувала мінімуму для забезпечення необхідної зони огляду. Для запобігання зайвих запусків відповідачів і зменшення кількості несинхронних відповідей в оглядових ВРЛ повинна бути передбачена можливість оперативного зменшення ефективної випромінюваної імпульсної потужності. Для запитувачів, які працюють у селективних режимах, ефективна випромінювана потужність не повинна перевищувати 58,5 дБ/Вт на кутах місць більших за мінус 1°, обмежуючи потужність випромінювання до 52,5 дБ/Вт нижче радіообрію. Чутливість приймального пристрою оглядового радіолокатора з відношенням сигнал/шум 0 дБ повинна бути не гірше мінус 122 дБ/Вт (6,31∙ 10-13Вт).

Згідно зі стандартом потужність передавача в імпульсі бортового відповідача має бути не менше 300 і не більше 800 Вт. Документ ICAO і державний стандарт для відповідачів, які працюють у селективних режимах, дають більш коректну рекомендацію з цього приводу: пікова вихідна потужність кожного імпульсу відповіді, вимірювана на клемах антени, тобто за відрахуванням усіх втрат у фідерному тракті, має лежати в межах 21…27 дБ/Вт (126…501 Вт). На висотах до 4570 м за тих самих умов дозволено мати пікову потужність у межах 18,5…27 дБ/Вт (71…501 Вт).

Чутливість приймача відповідача за 90%-им спрацьовуванням згідно зі стандартом повинна складати мінус 104±4 дБ/Вт, тобто лежати у межах 1,5810-11 …10-10 Вт. Для вторинних каналів на частотах 835, 837,5 і 840 МГц вона має дорівнювати мінус 66±2 дБ/Вт, тобто лежати в межах 0,2510-6…0,410-6 Вт.

Для відповідачів у селективних режимах чутливість приймача прийнято ставити в залежність від заданого відсотка відповідей. При цьому враховуються тільки правильні відповіді з даними, які відповідні типу запиту. Для запитів у режимах RBS і УBД, запитів загального виклику і запитів режиму S мінімальний граничний рівень для приймачів селективних відповідачів повинний визначатися в залежності від мінімального вхідного рівня потужності, яка забезпечує 90%-ну ймовірність відповіді, і повинний складати мінус 1043 дБ/Вт, тобто лежати у межах 2∙10-11…7,94∙10-11 Вт. У цьому випадку чутливість приймачів також, як і вихідну потужність передавача відповідача, вимірюють на вихідних (вхідних) клемах антени.

Для сучасних моноімпульсних ВРЛ і відповідачів характерні такі значення параметрів, що визначають їхню максимальну дальність дії:

– імпульсна потужність передавача запитувача P3 лежить у межах 1,6…5,4 кВт із ймовірністю оперативного східчастого змeншення на 3,6 і 12 дБ ;

– імпульсна потужність передавача бортового відповідача PВІДП у більшості випадків лежить у межах 126…500 Вт;

– чутливість приймачів запитувачів PПРmin3 орієнтовно дорівнює мінус 110…120 дБ/Вт з коефіцієнтом шуму Кш 9…5 дБ;

– чутливість приймачів відповідачів РПРminВІДП дорівнює мінус 100…104 дБ/Вт із ймовірністю оперативного погіршення при перевантаженні відповідача зайвими частими запитами;

– коефіцієнт підсилення антени запитувача G3 дорівнює 27…29 дБ;

– коефіцієнт підсилення антени відповідача GВІДП дорівнює приблизно 0 дБ;

– загальний коефіцієнт втрат потужності у фідерному тракті запитувача Lф 3 орієнтовно дорівнює 4,5 дБ;

– загальний коефіцієнт втрат потужності у фідерному тракті відповідача Lф ВІДП орієнтовно дорівнює 3 дБ;

– максимальна дальність дії вторинних моноімпульсних систем за запитом і відповіддю Rmax з і Pmax ВІДП зазвичай лежить у межах 400…500 км для ПС, які знаходяться на висоті 12000 м;

– інструментальна дальність дії Rmax інстр, обумовлена в першу чергу параметрами апаратури обробки прийнятої інформації, встановлюється зазвичай на рівні 256 морських миль (470 км).

Такий параметр, як максимальна дальність дії вторинної радіолокаційної системи, дає лише орієнтовні уявлення про інформаційні можливості радіолокатора. Більш повну уяву в цьому плані дає така характеристика радіолокатора, як його зона виявлення, тобто простір, у межах якого радіолокатор виявляє цілі з імовірнісними характеристиками не гірше заданих. Стосовно вторинної радіолокації поняття про зону виявлення дещо змінюється: замість ефективної відбиваючої площі цілі вводяться параметри відповідача, визначається зона виявлення не тільки за запитом, але і за відповіддю, крім зони виявлення за координатами визначається також зона прийому додаткової польотної інформації із заданою ймовірністю правильного відтворення переданої інформації за певних умов завадової обстановки.

За основу для визначення зони виявлення вторинної радіолокаційної системи зазвичай приймається розрахунок потужності, що надходить на вхід приймача відповідача РПР ВІДП у запиті або на вхід приймача запитувача РПР 3 на відповіді у функції відстані між радіолокатором і ПС R і кута місця , під яким знаходиться ПС:

на запиті ;

на відповіді .

Далі обраховують перевищення М прийнятої потужності над чутливістю відповідного приймача PПp min ВІДП і PПp min 3 :

на запиті ;

на відповіді

Останньою операцією призначають граничні значення М3 пор і МВІДП пор, у межах яких забезпечуються необхідні ймовірності виявлення цілей і правильного декодування кодів додаткової інформації сигналів відповіді. Одночасно провадиться визначення відповідних граничних значень максимальної дальності дії Rmax 3 і Rmax ВІДП і побудова зон виявлення за запитом і відповіддю в координатах дальність R – висота Н з наведенням кутів місця .

Розрахунок прийнятої потужності провадиться відповідно за наступними виразами, які зазнали незначних змін в порівнянні з виразами (2)

. (3)

У виразах (3) прийняті такі позначення і , С – швидкість поширення світла; f3=1030 МГц; fВІДП =1090 МГц; LЗГАС(R) – втрати потужності через згасання радіохвиль в атмосфері у функції відстані R; LРОЗС(R) – втрати потужності через розсіювання радіохвиль в атмосфері у функції відстані; LФ З – втрати потужності у фідерному тракті запитувача; LФ ВІДП – втрати потужності у фідерному тракті відповідача; L∆G() – втрати потужності, пов'язані зі зменшенням коефіцієнта підсилення антени запитувача залежно від кута місця в порівнянні з максимальним коефіцієнтом підсилення G3 антени.

Передбачається, що коефіцієнт підсилення антени відповідача за реальних умов не залежить від кута місця.

Для зручності розрахунків рівняння (3) зазвичай записують в логарифмічній формі і всі значення величин, які входять до цих рівнянь, підставляють у децибелах. Лінійні розміри R і λ проставляють в однакових одиницях, наприклад, у км.

Тоді

Відповідні перевищення М будуть записані в цьому випадку в такий спосіб:

;

.

Як приклад на рис. 2 наведені результати розрахунку перевищення потужності, прийнятої бортовим відповідачем (криві 1 і 3), і потужності, прийнятої запитувачем (криві 2 і 4), над рівнем потужності, відповідній чутливості приймача відповідача і чутливості приймача запитувача. Криві 1 і 2 належать випадку, коли коефіцієнт підсилення антени запитувача дорівнює максимальному значенню 27 дБ [L∆ G() = 0 дБ], а криві 3 і 4 – коли кут  відрізняється від кута місця максимуму ДН антени у прямовисній площині, на -7. Змінення коефіцієнта підсилення антени запитувача тут дорівнюватиме -6 дБ [L∆ G(-7о)= –6 дБ].

Як вихідні дані у цьому випадку приймалися такі найбільш характерні для моноімпульсних ВРЛ і відповідачів значення:

Р3 = 4 кВт (36 дБ/Вт);

РВІДП = 300 Вт (24,8 дБ/Вт);

G3 = 500 (27 дБ);

GВІДП =1 (0 дБ);

λ3 = 29,126. 10-5 км (-35,36 дБ);

λВІДП = 27,523•10-5 км (-35,6 дБ/км);

LФ 3 = 2,82 (4,5 дБ);

LФ ВІДП = 2 (3 дБ);

РПРmin ВІДП = 10-10 Вт (-100 дБ/Вт);

РПРmin 3 = 1,26•10-11 Вт (-109 дБ/Вт).

Значення втрат, пов'язаних із згасанням LЗГАС (R) і розсіюванням LРОЗС(R) радіохвиль в атмосфері у функції відстані між радіолокатором і ПС, подані на рис.

Втрати потужності через зменшення диференціального коефіцієнта підсилення антени запиту при відхиленні кута місця Δθ від його значення, коли коефіцієнт підсилення має максимум, можна визначити за ДН сумарного променя антени у прямовисній площині, показаної на рис.4. Подана на рисунку ДН належить антені CSL-M моноімпульсного вторинного радіолокатора IRS-20MP/L фірми Indra. Діаграма є типовою для більшості антен сучасних моноімпульсних вторинних радіолокаційних станцій.