CC BY
42УДК 621.396.96
Перспективная технология определения местоположения воздушных объектов в пассивных системах радиолокации
В.В. Карев, О.В. Король, А.А. Кузнецов, Д.А. Тимаков
В рамках одного из вариантов построения пассивной системы радиолокации - с использованием излучений систем цифрового телевизионного вещания в качестве подсвета, предложен метод определения местоположения подвижных воздушных объектов. Для определения местоположения необходимо измерение углов прихода отражённого излучения и доплеровской частоты.
Ключевые слова: пассивная радиолокация, доплеровская частота, определение местоположения.
1. Введение
Анализ излучений широковещательных станций показывает, что по своей мощности и структуре сигналов они могут быть использованы в качестве источников радиолокационного подсвета, а по отражённым сигналам возможна пассивная локация воздушных объектов. Принцип действия пассивного радара, на первый взгляд, очень прост: в отличие от обычных радиолокационных станций (РЛС), он не излучает никаких сигналов, а только принимает радиоволны от других источников, таких как традиционные РЛС, теле- и радиостанции, а также средства связи, использующие радиоканал.
Подразумевается, что сторонний источник радиоволн находится на некотором расстоянии от приёмника пассивной РЛС, из-за чего его сигнал, попав на воздушный объект, может быть отражён в сторону последней. Таким образом, главной задачей пассивного радара является сбор всех радиосигналов и правильная их обработка с целью выделения той их части, что отразилась от искомого воздушного объекта.
Предложения использовать пассивную радиолокацию появились достаточно давно, но до недавнего времени такой способ обнаружения целей был попросту невозможен: отсутствовала аппаратура, позволяющая выделять из всех принимаемых сигналов именно тот, что был отражён искомым объектом [1, 2]. При современном уровне развития систем цифровой обработки сигналов реализация такой системы стала возможна.
Анализ работ, проводимых иностранными фирмами по созданию комплексов пассивной локации, показал, что западные учёные продолжают активно разрабатывать средства обнаружения воздушных объектов, принцип работы которых основан на нетрадиционных методах многопозиционной радиолокации. В частности, в США фирма «Lockheed Martin» изготовила экспериментальный образец приёмной станции обнаружения и сопровождения самолетов для новой системы, получивший наименование «Silent Sentry», в которой в качестве источника излучения используется радиовещательная станция УКВ диапазона. Во Франции работы по созданию системы обнаружения воздушных объектов осуществляются в рамках программы «Dark» головным разработчиком - фирмой «Thomson-
CSF», где источником излучения являются сигналы телевизионного передатчика. Специалисты американской фирмы «Raytheon» совместно с европейской компанией «Thales Group» приступили к разработке пассивной когерентной системы обнаружения низколетящих объектов «Homeland Alert 100», принцип работы которой аналогичен вышеописанным. Компания «Cassidian» предложила вариант радиолокационной станции, которая фактически представляет собой приёмную антенну с соответствующей аппаратурой и алгоритмами вычисления [3, 4].
Наибольший интерес для построения систем пассивной радиолокации представляет теле-и радиовещание в УКВ-диапазоне частот. Передачи на таких частотах не подвержены воздействию статических помех и флуктуациям амплитуды из-за отражений сигналов, а также относительно свободны от замираний. Распространение сигнала происходит преимущественно по линии визирования. Расстояние до радиогоризонта примерно такое же, как до оптического горизонта, далее изменения сигнала увеличиваются из-за касания земли и других потерь. Характерной особенностью этих источников излучения является работа в режиме непрерывного излучения, что, с одной стороны, позволит обеспечить высокий уровень излучаемой средней мощности, а с другой - не позволяет получить разрешение по дальности, сравнимое с импульсными РЛС. Кроме того, при непрерывном режиме излучения значительное влияние на результаты измерений оказывают факторы, связанные с отражениями от местных предметов.
В последние годы в США и развитых странах Европы, а также в странах ближнего зарубежья и России получило распространение цифровое телевидение [5], главными особенностями которого являются:
- существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы телевидения высокой чёткости (ТВЧ) по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6.. .8 МГц;
- единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различной чёткостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной чёткостью, телевидение обычной чёткости, ТВЧ;
- интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи.
Существует несколько стандартов цифрового телевидения, но основной интерес для
реализации пассивной радиолокационной многопозиционной системы представляет стандарт DVB-T2 [6]. Анализ динамики внедрения цифрового телевидения на территории Российской Федерации показывает скорое покрытие основной территориальной части страны вещанием в цифровом формате, что представляет интерес для решения задач контроля воздушного пространства при помощи систем пассивной радиолокации.
Принцип построения системы местоопределения воздушных объектов по сигналам цифрового телевизионного вещания представлен на рис. 1 .
С
Рис. 1. Принцип построения системы местоопределения воздушных объектов по сигналам цифрового телевизионного вещания
На приёмном посту организуется двухканальный когерентный приём сигналов с выходов диаграммообразующего устройства антенных элементов круговой решётки, обеспечивающего формирование двух узких лучей в направлении воздушного объекта и телевизионной вышки. Методом последовательного цифрового формирования диаграммы направленности осуществляется сканирование пространства одним из лучей в заданном секторе как по углу места, так и по азимуту. При этом на каждом шаге сканирования оценивается наличие объекта в контролируемом секторе воздушного пространства на основе энергетического обнаружения и измеряется доплеровская частота на основе спектрального анализа сигнала по реперным частотным каналам, присутствующим в телевизионном сигнале.
Два и более измерения пеленгов на цель и оценки радиальной скорости, полученные на основе измерения доплеровской частоты, позволяют оценить точки траектории движения цели и реализовать однопозиционное местоопределение воздушного объекта.
2. Исходные данные
Движение воздушного объекта на участке измерений предполагается прямолинейным и равномерным с постоянной скоростью (V). Проекция углов прихода отражённых от воздушного объекта сигналов и траектории его движения может быть представлена плоскостью. Упрощённая схема представлена на рис. 2:
ПМ - приёмный модуль;
А1, А2, А3 - точки пересечения траектории цели и пеленгов;
¿1, ¿2, - время между измерениями пеленгов на цель А1 и А2, А2 и А3 соответственно;
V , V - радиальные скорости в первой и второй точках измерения;
аг, а2 - углы между пеленгами на цель А1 и А2, А2 и А3 соответственно;
Рассмотрим прямоугольную систему координат (ПМ расположен в нулевой точке системы), в которой примем первый пеленг - ось У.
Для данной системы необходимо оценить координаты цели в точке А1. Зная, что х=0, требуется определить значение у.
Vi
Ai
di
b
hi A2
d2 \
а1
1а2 \ х —Л—►
Рис. 2. Схема вычисления координат объекта
3. Метод
Суть метода определения местоположения воздушного объекта в пассивной системе радиолокации состоит в том, что для этого требуется измерение углов прихода отражённого от воздушного объекта и доплеровский сдвиг частоты. Данные параметры могут быть измерены современными техническими средствами с высокой точностью. По значению доплеровской частоты вычисляются радиальные скорости V и V воздушного объекта в
точках А1 и А2 (рис. 2).
В соответствии с известными правилами, расстояние между точками А1; А2 и точками А2, А3 равно произведению скорости на время, прошедшее между измерениями в этих точках. Но также данные величины можно представить в соответствии с правилами тригонометрии:
Vti = и Vt2 . (1)
sin Д cos Д2
Зная значения V , V и t\, t2, определяем d, = Vrtx и d2 = Vrt2; тогда выражения (1)
принимают следующий вид
V V
V
V
или
V =—и V = ■ .
sin Д cos Д sin Д cos Д,
или V cos Д = V sin Д.
(2)
Значение Д можно представить через угол Д
Д2 = 180° - ( Д + (90o - oí) = 90°-Д + o, = 90o + (o, - Д) (3)
и далее подставляем (3) в (2)
Vn cos(90° + (o, -Д) = Vr2 sin Д; (4)
в соответствии с известными тригонометрическими уравнениями преобразуем (4) в
Vh sin(£-o,) = Vri sin Д; (5)
далее преобразуем в разность произведений
V sin Д cos o1 - V cos Д sin o1 = V sin Д, (6)
делим (6) на sin Д
V sino
r 1
Vr coso,--1-= Vr ,
ri 1 tgP, r2'
выводим из (7)
tgP, =
V sino
_ri_1
Vr coso, -Vr
r1 1 r2
(7)
(8)
и определяем значение угла Д :
Д = arctg
С Vr sino, ^
Vr coso -Vr
V r1 1 r2 У
Значение координаты y представлено суммой y = d, + b, где значение d известно, а
hi
(9)
b =
tga,
Вычисляем значение h1 из (10)
h =
tgPi Vh sinoi
Далее определяем значение b
di _ Vi ti(Vri cos o, - V2) _ ti(Vi cos o, - Vr2)
sino
(10)
(11)
b =
ti(Vr cosoi - V,) _ tV cos2 oi - V cosoi
sino tgo.
sin2 o
Зная значение (12), определяем координату y
tV
y = VrtY
tyr cos2щ-tyr coso
sin2 o
(12)
(13)
Аналогично последовательно определяются все точки траектории по двум соседним измерениям. На основе известных выражений из местной прямоугольной системы координат могут быть рассчитаны географические координаты и высота цели.
4. Предложения по реализации
Данный метод определения местоположения может быть реализован в пассивной системе радиолокации с использованием в качестве подсвета излучений цифрового телевизионного вещания, построенной на основе приёмного модуля, включающего в себя:
1. Восьмиэлементную антенную решётку.
2. Диаграммообразующее устройство (ДОУ) (двухканальный выход).
3. Двухканальное радиоприёмное устройство (РПрУ) прямого усиления и фильтрации когерентного приёма в полосе сигнала цифрового телевещания.
4. Двухканальная плата цифрового приёма.
5. Вычислительный модуль.
6. Приёмник навигационных сигналов.
Структура данной системы приведена на рис. 3.
Диаграммообразующее устройство (ДОУ) предназначено для направленного приёма радиосигналов антенной системой. Это обеспечивается тем, что в ДОУ производится сдвиг фазы радиосигналов в каналах таким образом, чтобы сигналы, поступающие с выбранного направления, были синфазны во всех каналах приёма. Суммирование сигналов обеспечивает выигрыш в соотношении сигнал/шум для выбранного направления.
После прохождения через канальные фазовращатели сигналы поступают на сумматор, где формируется суммарный сигнал. Управление коммутаторами и фазовращателями осуществляет контроллер. В качестве антенных элементов возможно применение вертикальных симметричных диполей как активного, так и пассивного типа.
Двухканальное РПрУ должно быть построено на основе модулей фильтрации и прямого усиления без переноса частоты с низким уровнем шума и высоким динамическим диапазоном (не менее 80 дБ).
В качестве модуля ЦОС целесообразно использовать модули цифрового когерентного приема на базе цифровых сигнальных конверторов, обеспечивающих выделение узких участков спектра из общего широкополосного сигнала с высоким динамическим диапазоном. Это необходимо для того, чтобы обеспечить минимальную погрешность измерения доплеровской частоты по реперным частотным каналам телевизионного канала.
Такая реализация системы позволяет осуществлять цифровое сканирование пространства узкой диаграммой направленности и определять углы прихода отражённого от воздушного объекта сигнала и измерять частоту Доплера между опорным и отражённым сигналом для последующего определения местоположения подвижных воздушных объектов.
Восьмиапементная АФС
ДОУ
Управление ДОУ
Буфер накопления отсчетов сигналов с выходов антенн
Модуль фазово-корреляционной обработки, обеспечивающий обнаружение отраженного сигнала
Модуль измерения задержки отраженного сигнала по сравнению с сигналом подсвета
Модуль принятия решения о наличии сигнала в текущем луче диаграммы
Модуль последовательного сканирования пространства
Модуль расчета географических координат объекта
Модуль визуализации результатов измерений
Модуль контроля и управления
Два буфера цифровых отсчетов
1-2
/
Модуль двухканального аналого-цифровго преобразования Рс! = 500000 МГц
Сигнал промежуточной полосе ШВС
Двухканальное РПрУ когерентного приема диапазона 60 - 800 МГц
на
частоте в гтанции
Приемник навигационных сигналов
Вычислительная система многоканальной аналого-цифровой обработки сигналов
Рис. 3. Структура пассивной системы местоопределения воздушных объектов по сигналам цифрового телевидения
5. Заключение
Структура сигналов, энергетический потенциал и технический уровень реализации приёмных систем позволяют использовать излучения цифрового телевещания в качестве подсвета при создании систем пассивной радиолокации.
Низкая стоимость создания и обслуживания как стационарных, так и мобильных пассивных радиолокационных постов по сигналам широковещательных станций, позволяют использовать данные системы в качестве вспомогательных или дублирующих к основным (активным) системам контроля воздушного пространства.
Метод определения местоположения воздушных объектов в пассивных системах радиолокации по измерениям углов прихода отражённого сигнала и доплеровской частоты позволяет обеспечить всепогодный круглосуточный контроль воздушного пространства из одной позиции.
Основными недостатками метода являются сложность селекции нескольких объектов и большое влияние мощного основного сигнала на приёмный канал обнаружителя.
Литература
1. Теоретические основы радиолокации: учебное пособие для вузов / под ред. ЯД. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970.
2. Аверьянов В. Я. Разнесённые радиолокационные станции и системы - Минск: Наука и техника, 1978.
3. Аношкин И.М. Зарубежные многопозиционные радиолокационные системы скрытного контроля воздушного пространства - Наука и военная безопасность, №1, 2007.
4. Алифанов Р.Н., Стародубцев П.А., Дементьев С.Г., Дементьев С.С. Системы общедоступного радиовещательного передатчика для обнаружения и сопровождения цели
- Интернет-журнал «Науковедение», 2014, №6, http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN614.pdf
5. Мамаев Н.С., Мамаев Ю.Н., Теряев Б.Г. Системы цифрового телевидения и радиовещания
- М: Горячая линия-Телеком, 2007.
6. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения - М: Горячая линия-Телеком, 2001.
7. Справочник по радиолокации под ред. Н. Сколника Т. 1.- М.: Сов. Радио, 1976.
Статья поступила в редакцию 20.03.2015
Карев Виктор Викторович
к.т.н., помощник генерального директора ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» (105066, г. Москва, ул. Новая Басманная, д. 20)
Король Олег Владимирович
д.в.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, начальник научно-тематического отдела ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» (105066, г. Москва, ул. Новая Басманная, д. 20), тел. 8(916)6409792, e-mail: korol950@mail.ru
Кузнецов Алексей Алексеевич
инженер ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» (105066, г. Москва, ул. Новая Басманная, д. 20), тел. 8(910)5313486, e-mail: alsmit@mail.ru
Тимаков Дмитрий Аркадьевич
к.т.н., доцент, старший научный сотрудник НИЦ (г. Тверь) ЦНИИ ВВКО Минобороны России (170026, г. Тверь, наб. А.Никитина, д. 32), тел. 8(920)6929257, e-mail: dimtim@km.ru
Leading-edge technology of aircraft position location in passive radar systems
Virtor V. Karev, Oleg V. Korol, Aleksey A. Kuznetsov, Dmitry A.Timakov
As a part of one of the ways to build passive radar system using digital TV broadcasting radiation systems as backlight, the method of position location of moving aerial objects was proposed. It is necessary to measure the angles of arrival of the reflected radiation and Doppler frequency for positioning determination.
Keywords: passive radar, Doppler frequency, location.
