CC BY
366
тез пушечно-ракетных комплексов. Тула: ГУП «КБП», 2000.
A.G. Shipunov, A.V. Ignatov, Ya.S. Pyatnitzky
THEORETIC GAME-BASED WARFARE MODELLING FOR SYSTEMATIC DESIGN OF HIGH-PRECISION WEAPONS
The method of structural synthesis of high-precision weapons with use of theoretic/ game-based warfare model has been studied. Bi-matrix game result allows to find optimal performances of the weapon system to proove claimed effectiveness of its use in various combat scenarios.
Key words: weapon system, bi-matrix game, optimal performances, effectiveness.
Получено 17.10.12
УДК 629.12.018.76: 621.396.96
О.Ю. Шевцов, нач. отд., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
Р.М. Карабанов, канд. техн. наук, проф., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
А.С. Мартынюк, ведущий инж., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
А.П. Мартяшов, инж., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»)
ОСОБЕННОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ НАДВОДНЫХ И ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫМИ СРЕДСТВАМИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Рассмотрены условия функционирования радиолокационных средств миллиметрового диапазона волн над морской поверхностью. Приведены предложения по повышению эффективности режимов работы радиолокационной аппаратуры и алгоритмов обработки сигналов.
Ключевые слова: радиолокационная станция, миллиметровый диапазон волн, морская поверхность, воздушная цель, надводная цель, алгоритм работы.
Для защиты от атак средств воздушного нападения, а также кораблей противника современные корабли оснащены зенитными ракетными (зенитными ракетно-артиллерийскими) комплексами ближней тактической зоны. В состав систем управления оружием входят радиолокационные станции (РЛС). Основными задачами радиолокационных средств корабельного зенитного оружия является обнаружение, определение координат, распознавание и сопровождение воздушных, низколетящих воздушных (в том числе высокоскоростных противокорабельных), надводных и наземных (в том числе малоразмерных) целей, а также наведение средств поражения.
Высокие точностные характеристики и помехоустойчивость в таких РЛС обеспечивает миллиметровый диапазон волн (ММ ДВ). Кроме того,
использование миллиметрового диапазона важно для обеспечения узкой диаграммы направленности антенны при сопровождении низколетящих над водной поверхностью целей. Однако особенностью диапазона является ограничение по дальности действия, вызванное условиями распространения радиоволн.
Применение миллиметрового диапазона волн в РЛС корабельного зенитного оружия требует рассмотрения условий морского наблюдения с целью учета влияния состояния морской поверхности и особенностей наблюдения целей на ее фоне, а также характера целей и особенностей их движения.
Анализ указанных условий и технических возможностей радиолокационных средств позволит сформулировать концепцию построения корабельной РЛС, режимов и алгоритмов ее функционирования. Проведенный анализ и предварительные расчеты должны быть проверены в натурных условиях.
РЛС корабельного зенитного оружия должна обеспечивать обнаружение и стабильное автосопровождение низколетящих, а также надводных, в том числе, малоскоростных целей на фоне морской поверхности, что имеет некоторые особенности.
Традиционно в морской радиолокации использовались в основном диапазоны радиоволн 10 и 3 см. При переходе на 8-миллиметровый диапазон сказываются проблемы, связанные с сильным ослаблением сигнала в условиях осадков и высоким уровнем переотражений от морской поверхности [1-3]. Последнее значительно усложняет алгоритмы обнаружения цели и может вносить погрешности при определении координат.
Известны различные способы борьбы с переотражениями [2-6], но они сильно различаются в зависимости от задач, решаемых конкретной РЛС и условий ее эксплуатации. Поэтому в данном случае определенный интерес представляет обобщение данных по работе РЛС 8-мм диапазона в условиях, близких к условиям эксплуатации, а также систематизация имеющихся сведений об алгоритмах работы систем обнаружения и автосопровождения целей РЛС.
Существует три основных класса целей, условия сопровождения которых сильно различаются, а значит и алгоритмы работы РЛС по данным целям должны быть различны:
- воздушная скоростная цель, движущаяся на значительной высоте над морской поверхностью;
- низколетящая скоростная цель на фоне морской поверхности;
- надводная цель, имеющая незначительную или нулевую скорость.
Обнаружение и сопровождение воздушных скоростных целей, движущихся на значительной высоте над морской поверхностью, не представляет собой больших сложностей и хорошо отработано. Единственным источником непреднамеренных помех являются осадки и гидрометеоры, методы борьбы с которыми известны.
Работа с низколетящими скоростными целями на фоне морской поверхности имеет следующие особенности:
- наличие переотражений сигнала от подстилающей поверхности (зеркальная составляющая в сигнале, влияние состояния морской поверхности, силы ветра, направления волн и т.п.);
- большие сложности либо невозможность использования разностного угломестного канала.
Отражения от подстилающей поверхности могут быть двух видов:
- отражение непосредственно от неровностей поверхности (волн,
льда);
- переотражения сигнала цели от подстилающей поверхности (зеркальный «антипод»).
В связи с тем, что воздушная цель всегда имеет относительно высокую доплеровскую скорость, наиболее эффективным средством выделения цели на фоне подстилающей поверхности является система селекции движущихся целей (СДЦ). Основная сложность при использовании СДЦ -правильно определить необходимый порог срабатывания. При высоком пороге существует опасность не обнаружить цель, имеющую низкую скорость, при низком увеличивается уровень шумов, вызванных фазовыми шумами приемо-передающего устройства, погрешностями при определении собственной скорости корабля-носителя. Наиболее эффективным в этом случае является использование адаптивного порога срабатывания СДЦ, заключающегося в следующем: до взятия цели на автосопровождение, в режиме поиска, используется минимально возможный порог срабатывания СДЦ, обеспечивающий приемлемый уровень шумов. После обнаружения цели и взятия ее на автосопровождение в зависимости от величины доплеровской скорости цели порог поднимается до уровня, обеспечивающего сопровождение цели. При этом за счет увеличения порога срабатывания СДЦ обеспечивается снижение уровня помех и, соответственно, повышается точность сопровождения.
Особого внимания заслуживает работа системы автоматической регулировки усиления (АРУ) и ВАРУ (временной автоматической регулировки усиления) приемника. Классический вариант работы АРУ в станциях сопровождения, когда усиление приемника определяется, в первую очередь, уровнем сигнала сопровождаемой цели здесь неприемлем, так как помимо сигнала цели, на входе приемника присутствует и сигнал, отраженный от подстилающей поверхности, амплитуда которого может значительно превышать амплитуду сигнала цели. В этом случаи есть опасность ввести приемник в режим насыщения.
Необходимый уровень АРУ должен вычисляться по среднему значению уровня сигнала подстилающей поверхности в «окне» -0,5 ... +0,3км от цели (то есть в уменьшенном стробе дальности). Это позволит избежать влияния на работу АРУ, например, высокого берега, расположенного за сопровождаемой целью. Размер «окна» в случае работы по надводным и
низколетящим воздушным целям потребует экспериментальной оценки, так как отдельные объекты на подстилающей поверхности будут оказывать значительное влияние на расчет уровня АРУ.
Кроме того, с целью обеспечения оптимального режима работы приемника необходимо реализовать ВАРУ. Текущий уровень ВАРУ определяется вычислителем исходя из усредненного уровня сигнала подстилающей поверхности в зоне до 2...3 км (по дальности), где уровень помех от подстилающей поверхности особенно высок.
Помимо сигнала, непосредственно отраженного от неровностей подстилающей поверхности, на вход приемника может также попадать сигнал, прошедший путь РЛС - цель - подстилающая поверхность - РЛС, называемый зеркальным «антиподом» (рис.1) [3]. Выглядит он как расширение цели по дальности либо появление за целью ложных отметок. Особенность состоит в том, что ложный сигнал имеет тот же доплеровский сдвиг, что и сама цель, т.е. при помощи СДЦ отфильтровать его невозможно. Антипод может непредсказуемым образом складываться по фазе с сигналом цели, что ведет к появлению ошибок определения координат. Как показывает практика, отклонение угломестных координат из-за влияния антипода может достигать двух-трех высот цели. Для уменьшения влияния данного вида помех необходимо принимать следующие меры:
- стараться получить максимально возможное разрешение по дальности, чтобы при обработке можно было разделить сигналы цели и антипода, находящегося за ней (чем ниже высота цели, тем сложнее разделить их по дальности с «антиподом»);
- при вторичной обработке использовать фильтр Калмана с большой постоянной времени по высоте, минимизирующий влияние периодических скачкообразных отклонений координат цели, вызванных флуктуациями двухточечной модели отражений - «объект-антипод». Характеристики фильтра должны меняться исходя из скорости цели и, соответственно, ее способности к маневрированию. Фильтр должен работать в полярной системе координат, что позволяет разделить азимутальный и уг-ломестный канал, тогда как в прямоугольной системе координат ошибка в угломестном канале ведет к изменению сразу двух координат.
Снижение уровня сигнала «антипода» возможно путем перестройки несущей частоты сигнала от импульса к импульсу в достаточно широкой полосе частот, а также путем поляризационной обработки сигнала [3,4,6].
Цель
Рис. 1. Формирование зеркального канала: ha - высота антенны, hц- высота цели
Антипод
При сопровождении низколетящих целей нижний лепесток разностной диаграммы направленности (ДН) «ложится» на водную поверхность, что приводит к искажению ДН и появлению в разностном канале помех, вызванных отражениями от воды. Как показывает практика, ошибки возникают постепенно, по мере уменьшения угла наклона ДН. Сначала появляются периодические скачкообразные отклонения угла места, вызванные попаданием антипода цели в разностный канал, затем возникает постоянная ошибка из-за искажения разностной ДН. В какой-то момент ошибка возрастает до неприемлемого уровня. В этом случае необходимо данные по углу места в расчете координат цели не учитывать, а высоту цели считать постоянной от 15 до 35 м, в зависимости от дальности. Угол, при котором производится отключение угломестного канала, подбирается индивидуально, в зависимости от высоты установки и характеристик антенны. При этом расчет угла места продолжает производиться, и когда он в течение нескольких отсчетов превышает заданный порог (т.е. высота цели увеличилась), угломестный канал снова включается в работу. Данное решение является компромиссным, но, как показывает практика, вполне удовлетворяющим поставленным задачам.
Сопровождение надводной цели имеет ряд особенностей [1- 6]:
- высокий уровень переотражений сигнала от подстилающей поверхности, особенно в миллиметровом диапазоне волн;
- цель может иметь низкую или нулевую скорость, что не позволяет использовать СДЦ для ее селекции на фоне подстилающей поверхности;
- малоразмерная цель может быть скрыта гребнями волн на время до нескольких секунд.
В связи с тем, что надводная цель имеет невысокую скорость, наиболее эффективный метод подавления помех - накопление сигнала в течение большого промежутка времени [2,5]. По умолчанию время накопления должно составлять 1,5.2 секунды, но для малоразмерных целей оно может быть значительно увеличено оператором. При обнаружении и сопровождении надводных целей целесообразно выводить первичную радиолокационную информацию на средства индикации, чтобы оператор имел возможность оценивать помеховую обстановку, условия сопровождения цели и ее радиолокационный портрет.
Для обеспечения нормальной работы РЛС в условиях отражений от морской поверхности можно применять расчет постоянного уровня подстилающей поверхности с его последующим вычитанием (рис. 2) [3]. При нормальном волнении моря отражения от воды присутствуют в ближней зоне 0,5.1 км, и с увеличением дальности их интенсивность постепенно снижается. В случае сильного волнения моря отражения присутствуют практически на всей дальности и могут рассматриваться как относительно постоянный уровень «подложки» (подстилающая поверхность, которая меняется достаточно медленно и может быть скомпенсирована). Время на-
копления сигнала при вычислении уровня подстилающей поверхности зависит в первую очередь от интенсивности волнения моря.
Рис. 2. Принцип компенсации подстилающей поверхности
Одной из особенностей морской радиолокации является необходимость «отстройки» от морской поверхности и целей, эффективные поверхности рассеяния которых различающиеся в сотни раз. Как показывает практика, полностью автоматизировать работу РЛС в таких условиях невозможно, поэтому в режимах работы по низколетящим воздушным целям, надводным (наземным) целям желательно иметь возможность вывода на устройства индикации первичной радиолокационной информации, а также предусмотреть средства управления, позволяющие оператору менять основные параметры работы (время накопления, усиление, ВАРУ).
Таким образом, условия морского наблюдения целей для РЛС зенитных ракетных комплексов имеют ряд особенностей по сравнению с условиями наблюдения воздушных целей в свободном пространстве над земной поверхностью. При разработке принципов функционирования радиолокационной аппаратуры и алгоритмов обработки радиолокационной информации в морских условиях целесообразно учитывать особенности влияния внешней среды на формируемый отраженный сигнал. Для эффективной работы РЛС необходимо реализовать специфические режимы работы, определяемые характером целей и условиями наблюдения.
Список литературы
1. Влияние обратного рассеяния радиоволн морской поверхностью на эффективность РЛС миллиметрового диапазона / В.Г. Гутник [и др.] // Радиотехника. 2010. № 6. С. 15-21.
2. Морская радиолокация В. И. Винокуров [и др.]; отв. ред. В.И. Винокуров. Л.: Судостроение, 1986. 256 с.
3. Alan Bole, Bill Dineley, Alan Wall. Radar and ARPA Manual, Second edition. Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
4. Mark Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing. New York: Mcgraw-Hill, 2005. 825 р.
5. Haykin S.S. Adaptive Radar Signal Processing. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2007. 463 р.
6. Merrill Skolnik. Radar handbook. Third edition. New York, 2008.
1352 р.
O.Yu. Shevtsov, R.M. Karabanov, A.S. Martynyuk, A.P. Martyashov FEATURES OBSERVATIONS SURFACE AND AIR TARGETS RADAR MILLIMETRIC WAVE BAND
Operating conditions of radar-tracking means of a millimetric wave band over a sea surface are considered. Offers on increase of efficiency of operating modes of radar-tracking equipment and algorithms ofprocessing of signals are provided.
Key words: radar station, millimetric wave band, sea surface, air target, surface target, algorithm of work.
Получено 17.10.12
УДК 621.396.96
О.Ю. Шевцов, нач. отд., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
В.А. Мальцев, д-р техн. наук, проф., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
Р.М. Карабанов, канд. техн. наук, проф., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»),
А.С. Мартынюк, вед. инж., (4872) 25-26-06, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»)
ОБОБЩЁННОЕ ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИИ
Получены аналитические выражения, упрощающие решение отдельных прикладных задач радиолокации, а также позволяющие проводить оценку условий функционирования РЛС на начальных этапах проектирования.
Ключевые слова: радиолокационная станция, атмосферные потери, помехозащищенность, дальность действия, система символьной математики.
Простейшая форма записи основного уравнения радиолокации связывает тактические характеристики радиолокационной станции (РЛС) с её техническими характеристиками без учёта затухания радиоволн в среде распространения и воздействия на РЛС преднамеренных активных помех
[1-3]:
Dmax 4
P -G- •S -а
1 is Gis S pr u , .
2 ? (4^) • ps min
где Dmax - максимальная дальность действия РЛС; Pis - импульсная
