Многопозиционная система мобильных радиолокационных станций

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для повышения энергетического потенциала радиолокационных средств.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение синхронного облучения заданной области пространства при большой базе между РЛС и возможность управления показателями качества обнаружения при поиске и обнаружении малоконтрастных целей.

Этот результат достигается в многопозиционной системе мобильных радиолокационных станций, содержащей N одинаковых мобильных РЛС, где N1, в каждой из которых имеются последовательно соединенные возбудитель, усилитель мощности, антенная решетка с двумерным электронным сканированием луча, и блок обработки сигналов (БОС), а также некогерентный сумматор (НКС), соответствующие входы которого соединены с выходами БОС всех РЛС, а выход является выходом системы, отличающейся тем, что введены общий блок управления (ОБУ), блок управления антенными решетками (БУАР), блок управления лучом (БУЛ), блок управления порогом обнаружения (БУПО), при этом первый, второй и третий выходы ОБУ подключены соответственно ко входам БУЛ, БУАР и БУПО, соответствующие выходы БУЛ подключены ко вторым входам АР всех РЛС, соответствующие выходы БУАР соединены с третьими входами АР всех РЛС, а соответствующие выходы БУПО подключены ко вторым входам БОС всех РЛС. 1 п. ф-лы, 9 илл.

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в многопозиционных радиолокационных комплексах для повышения энергетического потенциала радиолокационных средств при контроле воздушно-космического пространства, с целью решения задачи обнаружения малоконтрастных в радиолокационном диапазоне целей в назначенных секторах на больших дальностях, их разрешения и измерения координат.

Существующие высокопотенциальные РЛС наземного базирования (стационарные РЛС типа «Cobra Dane», «Pave Paws» [1. С.А.Леонов Радиолокационные средства противовоздушной обороны. - М.: Военное издательство, 1988 г., стр.122-133], «Дарьял» [2. С.Ф.Боев Глаза и интеллект РКО. Высокопотенциальные радиолокационные станции: прошлое, настоящее и будущее. "Военный парад", 5 (47), 2001, с.58], «Днестр», «Даугава», «Дон-2Н» [3. Литвинов В.В. Системы ракетно-космической обороны - гарант безопасности страны. "Военный парад", 4 (46), 2001, с.88-89.] и т.п.) или базирующиеся на плавучих платформах («Cobra Judy» [1]), обеспечивают дальность обнаружения до нескольких тысяч километров. Но всем подобным системам, кроме высокой стоимости, присущ один еще один немаловажный недостаток, они не являются мобильными и поэтому не обладают высокой живучестью.

Известные транспортируемые РЛС имеют значительно меньшие дальности обнаружения: «GBR-T» [4. Рудов В. Американский противоракетный комплекс THAAD. Зарубежное военное обозрение 9, 1998 г., с.21-25] - до 1000 км, «Ground Master 403» - до 470 км [5. Малов И. Военно-воздушные силы стран Балтии. Зарубежное военное обозрение 6, 2010, с.44-52], кроме того, мобильность этих РЛС также невысока, т.к. они размещены на большом количестве транспортных единиц.

В условиях современного развития высокоточного оружия и средств воздушно-космического нападения для обеспечения живучести РЛС при работе в боевом режиме требуются высокая мобильность системы. Но известные мобильные РЛС имеют относительно небольшие дальности обнаружения так, например «Patriot» [6. Кислюк В., Тарчунов О. Зенитно-ракетные комплексы стран НАТО. Зарубежное военное обозрение 6, 1996, с.24-27] до 160 км, 9С19М [7. Журнал «Военный парад». 1, 1998 г., стр.34-36], от 50 до 300 км, 1Л119 [8. «Воздушно-космическая оборона» 5, 2010 г., с.44-55] от 25 до 360 км, 1Л13 [8] до 250 км.

Известен способ обнаружения и определения координат и параметров цели в многопозиционной радиолокационной системе (см. 9. патент РФ 2330306, М.кл. G01S 5/04, опубл. 27.07.2008 г.), в котором решается задача повышения вероятности правильного обнаружения и идентификации цели.

Решение задачи обеспечивается тем, что задаются координаты условного центра многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС), определяются координаты пунктов приема относительно выбранного условного центра, осуществляется управление системами вращения антенн каждого из пунктов приема таким образом, чтобы обеспечить наведение антенных систем в одну точку пространства, находящуюся на заданном расстоянии от условного центра - радиуса обзора и перемещающуюся с заданной угловой скоростью - скоростью обзора. Указанные радиус и скорость обзора могут изменяться в зависимости от радиолокационной обстановки. В каждом пункте приема осуществляют прием, первичную обработку и измерение параметров сигнала, определяют направление (пеленг) и время поступления сигнала. Всю полученную информацию посредством системы передачи данных передают в главную управляющую ПЭВМ, при помощи которой выполняют объединение данных и «отождествление» полученной информации, производят обнаружение и идентификацию цели, определяют координаты и траекторию цели, а также, при необходимости, осуществляют коррекцию заданных радиуса и скорости обзора.

Указанный способ обзора рассматривается авторами для подсистемы пассивной локации. В патенте [9] приведено решение задачи синхронного обзора пространства тремя пассивными пеленгаторами на плоскости, что не позволяет в явном виде применить полученный результат для решения задачи обнаружения высокоскоростных целей системой пространственно-разнесенных РЛС. При данном способе пересечение диаграмм направленностей РЛС образует небольшую область пространства, называемое в [9] точкой.

Применение предложенного технического решения в системе пространственно-разнесенных активных РЛС с большой базой ограничено, поскольку цель, обладающая высокой скоростью, может и не попасть в область пересечения трех лучей ДНА РЛС. Это вызвано тем, что цель за период обзора перемещается на некоторое расстояние и может оказаться вне зоны пересечения трех лучей ДНА.

Из анализа уровня техники видно, что высокая мобильность и высокий энергетический потенциал одновременно в указанных РЛС при значительной базе между ними не обеспечиваются. Действительно, повышение энергетического потенциала связано с необходимостью увеличения массы и габаритов РЛС, а для обеспечения их мобильности эти характеристики необходимо уменьшать. Существует некоторое граничное значение энергетического потенциала, при превышении которого обеспечить мобильность РЛС невозможно. Кроме того, необходимо осуществлять синхронный обзор воздушного пространства всеми РЛС, входящими в систему, и реализовать адаптивные процедуры обнаружения целей в пределах локальной области пространства.

Известен способ повышения энергетического потенциала мобильных радиолокационных средств и радиолокационные комплексы для его реализации (см. 10. патент РФ на изобретение 2308051, М.кл. G01S 13/00, опубл. 10.10.2007 г.), выбранный за прототип, который обеспечивает выигрыш в повышении энергетического потенциала радиолокационного комплекса (РЛК), состоящего из N одинаковых мобильных РЛС с двумерным электронным сканированием луча и с некогерентным суммированием выходных сигналов РЛС, входящих в РЛК.

Устройство, реализующее этот способ, содержит N одинаковых мобильных РЛС, в каждой из которых имеются последовательно соединенные возбудитель, усилитель мощности, антенная решетка с двумерным электронным сканированием луча и система обработки отраженных сигналов, выходы которой соединены с входами некогерентного сумматора, выход которого является выходом устройства.

В прототипе предусмотрено синхронное вращение антенных решеток и управление лучом, для случая близкорасположенных РЛС, что при больших базах между позициями не позволяет концентрировать энергию всех РЛС в заданной области пространства,, поскольку для этого требуется одновременное облучение некоторой области пространства;

Кроме того, не реализована возможность управления показателями качества обнаружения отдельных РЛС и системы в целом при поиске и обнаружении малоконтрастных целей в пределах пространственного строба, образованного пересечением диаграмм направленностей антенн (ДНА) РЛС.

Технический результат полезной модели - обеспечение синхронного облучения заданной области пространства при большой базе между РЛС и возможность управления показателями качества обнаружения при поиске и обнаружении малоконтрастных целей.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в многопозиционной системе мобильных радиолокационных станций, содержащей N одинаковых мобильных РЛС, где N1, в каждой из которых имеются последовательно соединенные возбудитель, усилитель мощности, антенная решетка с двумерным электронным сканированием луча, и блок обработки сигналов (БОС), а также некогерентный сумматор (НКС), соответствующие входы которого соединены с выходами БОС всех РЛС, а выход является выходом системы, отличающейся тем, что введены общий блок управления (ОБУ), блок управления антенными решетками (БУАР), блок управления лучом (БУЛ), блок управления порогом обнаружения (БУПО), при этом первый, второй и третий выходы ОБУ подключены соответственно ко входам БУЛ, БУАР и БУПО, соответствующие выходы БУЛ подключены ко вторым входам АР всех РЛС, соответствующие выходы БУАР соединены с третьими входами АР всех РЛС, а соответствующие выходы БУПО подключены ко вторым входам БОС всех РЛС.

Введение ОБУ, БУАР, БУЛ, БУПО и их соответствующее соединение с известными блоками и между собой позволяет осуществить синхронное вращение антенн, как в [9] и одновременное облучение заданной области пространства, всеми РЛС, как в прототипе [10], что позволяет концентрировать энергию излучения каждой из позиций в заданной области пространства, а также осуществлять изменение порога обнаружения на каждой из позиций меняя, таким образом, показатели качества обнаружения системы в целом.

Предлагаемая система поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства;

На фиг.2 показан принцип формирования области пространства с повышенным энергетическим потенциалом, образованной пересечением ДНА основной и дополнительных РЛС;

На фиг.3 приведены угловые скорости вращения антенн дополнительной РЛС в азимутальной плоскости для дальности R _i=150 км, базы L₁=10000 м и L₂=50000 м, высоты полета цели Н=10000 м, периода обзора основной РЛС Т₀=20 сек.

На фиг.4 приведены угловые скорости вращения антенн дополнительной РЛС в азимутальной плоскости для дальности R_i=300 км, базы L₁=10000 м и L₂=50000 м, высоты полета цели Н=10000 м, периода обзора основной РЛС Т₀=20 сек.

На фиг.5 приведены угловые скорости вращения ДНА антенн дополнительной РЛС в угломестной плоскости для дальности R_i=150 км, базы L₁=10000 м и L₂=50000 м, высоты полета цели Н=10000 м, периода обзора основной РЛС Т₀=20 сек.

На фиг.6 приведены угловые скорости вращения ДНА антенн дополнительной РЛС в угломестной плоскости для дальности R_i=300 км, базы L₁=10000 м и L₂ =50000 м, высоты полета цели Н=10000 м, периода обзора основной РЛС Т₀=20 сек.

На фиг.7 представлены зависимости вероятности правильного обнаружения от изменения отношения сигнал/шум (для одной, двух и трех приемных позиций) при фиксированной величине вероятности ложной тревоги и постоянной величине порога обнаружения.

На фиг.8 представлена зависимость вероятности ложной тревоги от числа передающих позиций, которые рассчитывались при постоянном пороге обнаружения и отношении сигнал/шум.

На фиг.9 представлена зависимость вероятности ложной тревоги от числа приемных позиций, которые рассчитывались при постоянном пороге обнаружения и отношении сигнал/шум.

Согласно фиг.1 предлагаемая система состоит из N одинаковых мобильных РЛС, в каждой из которых имеются последовательно соединенные возбудитель 1 (ВОЗБ), усилитель 2 мощности (УМ), антенная решетка 3 (АР) с двумерным электронным сканированием луча и блок 4 обработки сигналов (БОС). Кроме того, в системе имеются некогерентный сумматор 5 (НКС), блок 6 управления лучом (БУЛ), блок 7 управления антенной решеткой (БУАР), блок 8 управления порогом обнаружения (БУПО), общий блок 9 управления (ОБУ). При этом первый, второй и третий выходы ОБУ 9 соединены соответственно с входами БУЛ 6, БУАР 7, БУПО 8, выходы БУЛ 6 соединены со вторыми входами АР 3 всех РЛС, выходы БУАР 7 подключены к третьим входам АР 3 всех РЛС, выходы БУПО 8 соединены со вторыми входами БОС 4 всех РЛС, а входы БОС 4 всех РЛС соединены соответствующими входами НКС 5, выход которого является выходом системы.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Выбирается основная РЛС (например, первая) и относительно ее точки стояния на заданной дальности R_i определяется ширина зоны формирования повышенного энергопотенциала R, которая рассчитывается исходя из максимальной скорости движения цели и выбранного периода обзора R=k·V_maxT₀, где k=1,2,3m - коэффициент, позволяющий регулировать протяженность высокопотенциального барьера по дальности; V_max - максимальная скорость цели (см. фиг.2).

Угловые положения антенн дополнительных РЛС на примере j-й станции в азимутальной и угломестной плоскостях определяются по зависимостям:

где: R_i - дальность до центра формирования зоны повышенного энергопотенциала относительно основной i-й РЛС, _i - текущий азимут ДНА основной РЛС, _i - текущий угол места ДНА основной РЛС, Х _mcj, Y_mcj - точки стояния дополнительной РЛС на плоскости.

Скорости перемещения ДНА дополнительных РЛС рассчитываются путем дифференцирования по времени зависимостей (1) и (2), при условии, что дальность до зоны формирования повышенного потенциала основной РЛС не меняется и угол места основной РЛС в пределах этой зоны постоянен ():

где - угловая скорость вращения антенны основной РЛС.

Поскольку дальность до центра зоны, где должны пересечься электрические оси ДНА основной и дополнительной РЛС, переменна для дополнительной, то можно показать, что дальность этой точки равна:

а скорость изменения дальности для дополнительной РЛС равна:

Выражение (6) по сути, предъявляет требования к перемещению строба по дальности дополнительной РЛС.

Общий блок управления 9 определяет ширину зоны сканирования сектора допоиска дополнительными РЛС по формулам:

где: ₁, ₂ - азимуты на точки пересечения ДНА основной и дополнительной РЛС по второй диагонали строба, относительно дополнительной j-й РЛС (см. фиг.2), находятся как:

, ,

в свою очередь:

X_i1 =(R_i-0.5R)sin(_i-0.5_i)cos_i, X_i2=(R_i+0.5R)sin(_i+0.5_i)cos_i,

Y_i1=(R_i -0.5R)cos(_i-0.5_i)cos_i, Y_i2=(R_i+0.5R)cos(_i+0.5_i)cos_i,

где _i - азимут на центр области с повышенным энергетическим потенциалом для i-й РЛС.

Введения зоны сканирования определяемой формулой (7) получить отраженный сигнал от цели дополнительной РЛС за время локации основной РЛС.

Величину R_j пространственного строба по дальности для дополнительной РЛС, в пределах которой устройство первичной обработки дополнительной РЛС может осуществлять обнаружение целей при пониженном пороге, определим по формуле:

где: R - ширина радиолокационного высокопотенциального барьера; L - база между i-й и j-й РЛС; в _i - ширина диаграммы направленности по азимуту i-й РЛС; =₂-₁, причем ₁, ₂ - азимуты на точки пересечения диаграмм направленностей основной и дополнительной РЛС по первой диагонали пространственного строба, для дополнительной j-й РЛС (см. фиг.2)

,

.

Скорость обзора в секторе для дополнительной РЛС должна определяться из условия его просмотра за время локации цели t_локi основной РЛС:

.

Исходя из вышесказанного скорость сканирования лучом ДНА дополнительной РЛС в секторе допоиска будет равна:

По команде ОБУ 9 задаются координаты условного центра многопозиционной радиолокационной системы, определяются координаты пунктов приема относительно выбранного условного центра. Посредством БУАР 7 и БУЛ 6 осуществляется управление антенными решетками и лучами ДНА каждой из дополнительных РЛС, входящих в систему, так, чтобы обеспечить наведение антенн дополнительных РЛС в одну точку, находящуюся на заданном расстоянии от условного центра - радиуса обзора и перемещающуюся с заданной угловой скоростью - скоростью обзора. Причем радиус и скорость обзора могут изменяться в зависимости от радиолокационной обстановки. Одновременно по данным ОБУ 9 осуществляется формирование команд управления для БУЛ 6, который осуществляет сканирование лучей ДНА дополнительных РЛС в пределах сектора допоиска. Это позволяет обеспечить синхронное вращение антенн и управление ими при больших базах между позициями и позволяет концентрировать энергию всех РЛС в области пространства ограниченной ДНА основной и дополнительной РЛС.

БУПО 8 рассчитывает требуемый порог обнаружения исходя из максимизации вероятности правильного обнаружения в пределах пространственного строба и количества задействованных приемо-передающих позиций при ограничении на количество ложных тревог за обзор. Вероятности правильного обнаружения D и ложной тревоги F, в пределах строба определяются формулами [11, с.136, 138]:

где: N_пр - число приемных позиций; - отношение сигнал/шум; - нормированный пороговый уровень; k - число передающих позиций; Q - весовые коэффициенты с выходов квадратичных детекторов всех позиций; - порог обнаружения.

Изменяя порог обнаружения посредством команд поступающих с БУПО 8 на выбранные РЛС, входящие в систему, можно управлять показателями качества обнаружения при поиске и обнаружении малоконтрастных целей в пределах пространственного строба, образованного пересечением диаграмм направленностей антенн РЛС.

Произведенные расчеты, по формулам (10, 11), дали следующие результаты (см. фиг.7): повышение вероятности правильного обнаружения при изменении отношения «сигнал/шум» (для 1, 2 и 3 приемных позиций) при фиксированной величине вероятности ложной тревоги и постоянной величине порога обнаружения. А по графикам на фиг.8 и 9 можно сделать вывод, что с увеличением числа позиций в системе повышается вероятность правильного обнаружения, но вместе с этим незначительно растет и вероятность ложной тревоги (при одном приемном пункте F=3·10^-6, при двух приемных пунктах F=5·10^-5, при трех приемных пунктах F=3·10^-4).

Рассмотрим вариант реализации предлагаемой системы:

Возбудитель 1, и усилитель 2 мощности, блок 4 обработки сигналов, входящие в каждую РЛС, а также некогерентный сумматор 5 могут быть выполнены как в прототипе;

антенная решетка 3 может представлять собой фазированную антенную решетку (ФАР) с двухмерным сканированием по азимуту и углу места и с круговым механическим вращением (см. Справочник по радиолокации, под ред. М. Сколника, т.2 М.: Сов. радио, 1977 г., с.132-138);

блок 6 управления лучом может быть собран на PLIS (см. Кузелин М.О., Кнышев Д.А., Зотов В.Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. Справочное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004) и реализует фазовое сканирование диаграммы направленности (см. Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Учебное пособие для вузов. «Энергия», 1973, с.317-320);

блок 7 управления антенной решеткой может быть собран на микроконтроллере (см. Трамперт В. AVR-RISC Микроконтроллеры. - «МК-Пресс», Киев, 2006 г) и реализует способ управления вращением антенн, описанный в патенте РФ 2330306.

блок 8 управления порогом обнаружении может быть собран на микроконтроллере (см. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. - М. Изд. дом «Додека-XXI», 2005 г), изменение порога реализовано на ПУЛТ-процессоре с усреднением (см. Шахтарин Б.И. Обнаружение сигналов. - М.: Гелиос АРВ - 2006, с.370-371, рис.14.5);

общий блок 9 управления может представлять собой управляющую ЭВМ на базе IBM PC с интерфейсом RS 232 (см. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 2-е издание - 2005 г.).

Таким образом, предложенная система позволяет при сохранении мобильности РЛС реализовать энергетический потенциал радиолокационных средств значительно выше предельно возможного для одной мобильной РЛС, при больших значениях баз и управлении порогом обнаружения.

Многопозиционная система мобильных радиолокационных станций (РЛС), содержащая N одинаковых мобильных РЛС, где N>1, в каждой из которых имеются последовательно соединенные возбудитель, усилитель мощности, антенная решетка с двумерным электронным сканированием луча, и блок обработки сигналов (БОС), а также некогерентный сумматор (НКС), соответствующие входы которого соединены с выходами БОС всех РЛС, а выход является выходом системы, отличающаяся тем, что введены общий блок управления (ОБУ), блок управления антенными решетками (БУАР), блок управления лучом (БУЛ), блок управления порогом обнаружения (БУПО), при этом первый, второй и третий выходы ОБУ подключены соответственно ко входам БУЛ, БУАР и БУПО, соответствующие выходы БУЛ подключены ко вторым входам АР всех РЛС, соответствующие выходы БУАР соединены с третьими входами АР всех РЛС, а соответствующие выходы БУПО подключены ко вторым входам БОС всех РЛС.