Какие задачи решаются с помощью рлс на судах

Обновлено: 04.05.2024

Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была нацелена на решение военных задач, но сегодня без ее помощи человек не может обходиться и в своей повседневной жизни – это мобильная связь, авиаперелеты, медицинская диагностика и многое другое. Данное издание может заинтересовать даже тех, кто совсем далек от радиотехники. Пролистаем книгу вместе и расскажем вкратце об основных понятиях, физических основах радиолокации и структуре РЛС.

Первые эксперименты: радиоволны в открытом море

С помощью радиолокации обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения) различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и морским движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности движения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явлений, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принципах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма человека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.

Самолет дальнего радиолокационного обнаружения и управления А-50У

Как и любое направление развития науки и техники, радиолокация базируется на некоторых физических основах, позволяющих обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнаруживать различного рода объекты и определять координаты и параметры их движения с помощью радиоволн.

Использование радиоволн, или, другими словами, электромагнитных колебаний (ЭМК), частотный диапазон которых сосредоточен в пределах от 3 кГц до 300 ГГц, определяет основные преимущества радиолокационных систем (РЛС) перед другими системами локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь, это обусловлено тем, что закономерности распространения радиоволн в однородной среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает работоспособность РЛС.

Основными закономерностями распространения радиоволн, которые позволяют обнаруживать объекты и измерять координаты и параметры их движения, являются следующие:

– постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн в однородной среде (при проведении инженерных расчетов скорость распространения радиоволн принимают равной 3·10 –8 м/с;

– способность радиоволн отражаться от различных областей пространства, электрические или магнитные параметры которых отличаются от аналогичных параметров среды распространения;

– изменение частоты принимаемого сигнала по отношению к частоте излученного сигнала при относительном движении источника излучения и приемника радиолокационного сигнала.

Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера, который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волны и наблюдателя относительно друг друга.

Доплеровский метеорологический радиолокатор

Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС излучает в ее направлении зондирующий сигнал. Данный сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается обратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость распространения радиосигнала в однородной среде постоянная, то для определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излучения зондирующего сигнала t₀ и момент приема отраженного сигнала от цели t₁. В результате разность (t₁ – t₀) позволяет определить время, в течение которого радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, которое равно 2Д, где Д – дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t₁ – t₀) в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как t_д. В результате при известной величине t_д можно составить равенство 2Д = Сt_д, из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна Д = Сt_д/2.

Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаздывания t_д, которое при известной скорости распространения радиоволн позволяет определить дальность до нее.

Большой процент объектов радиолокационного наблюдения составляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, например, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т.д. Основным отличительным признаком таких объектов является скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее, можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиальную скорость движения цели. То есть частота принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изменение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским смещением частоты. Величина данного смещения зависит от скорости взаимного движения носителя РЛС и цели. Необходимо заметить, что рассмотренные свойства радиоволн будут проявляться вне зависимости от условий оптической видимости в зоне радиолокационного наблюдения.

Основные классы РЛС

Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью одноименных радиолокационных устройств – радиолокационного обнаружителя или радиолокационного измерителя дальности соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, предназначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется радиолокационной системой (РЛС), или радиолокатором. Техническая реализация такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англоязычной литературе – радаром.

Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный сигнал. В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала различают следующие типы РЛС, или методы радиолокации.

1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения. При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодействия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устройстве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели. Данный метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС находятся в одной точке пространства.

2. Активные РЛС с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате отражения излучаемых электромагнитных колебаний целью, а за счет переизлучения их с помощью специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором. Данный метод широко используется в системах определения государственной принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением, а также в радионавигационных системах.

4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблюдения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного устройства. Отсутствие необходимости формирования зондирующего колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника, например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей стороны.

Таким образом, радиолокационные системы могут быть активными, полуактивными, активными с активным ответом и пассивными. Кроме того, все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.

В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые строятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния организма человека либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо наблюдения космических объектов и т.п. Но в целом приведенная классификация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному предназначению.

Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит от назначения системы и задач, решение которых возлагается на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого радиолокатора.

Представим структурную схему гипотетической РЛС, в основу работы которой положен активный метод радиолокации при импульсном режиме излучения, то есть с использованием импульсных зондирующих сигналов в виде чередующихся во времени отрезков колебаний.

На данной структурной схеме можно представить шесть основных элементов типовой РЛС, которые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, – передатчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переключатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.

Передатчик, или передающий тракт РЛС, обеспечивает формирование зондирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и передачу в антенную систему. Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу, так и на прием. Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечивается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами системы управления и синхронизации.

Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до необходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора. Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обработки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию полезного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые действуют одновременно с полезным сигналом.

После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компьютеру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще называют цифровой системой обработки.

Рассматривая источники информации, необходимой при оперативном управлении движением морских судов, особо следует выделить радиолокационную аппаратуру, которая широко используется как в условиях ограниченной видимости, так и в ясную погоду при решении задач расхождения судов и навигации.

Основные характеристики радиолокационных систем содержатся в табл. 5.4.

Из новых решений, которые нашли применение в радиолокационной технике за последние годы, отметим следующие.

Применение РЛС-ПК (RadarPC). РЛС-ПК – это радиолокационная станция, в которой обработку эхосигналов и представление радиолокационного изображения выполняет персональный компьютер.

Таблица 5.4. Основные технико-эксплуатационные характеристики

Длина волны излучаемого РЛС сигнала, см

Длительность зондирующего импульса, мкс:

малые шкалы дальности

средние шкалы дальности

большие шкалы дальности

Частота повторения импульсов, гц

малые шкалы дальности

средние шкалы дальности

большие шкалы дальности

Частота вращения антенны, об/мин

РЛС обычных судов

РЛС высокоскоростных судов

Ширина диаграммы направленности антенны в

горизонтальной плоскости, град.

Ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной

Минимальная дальность, м

РЛС обычных судов

РЛС высокоскоростных судов

Максимальная дальность радиолокационного обзора, мили

Максимальное количество сопровождаемых целей

Максимальная дальность захвата на сопровождение, мили

Минимальная дальность автосопровождения, мили

Разрешающая способность по дистанции, в процентах от

Разрешающая способность по пеленгу, град

Точность измерения дистанций, в процентах от номинала

Использование такой интеграции радиолокационного приемопередатчика с персональным компьютером позволяет:

– применить наиболее эффективные методы фильтрации помех, распознавания ложных эхосигналов, обработки данных, расчета необходимых параметров;

– улучшить графическое изображение радиолокационной обстановки;

– повысить надежность сопровождения целей;

– осуществлять по сети Ethernet передачу радиолокационного изображения на другие судовые компьютеры (например, на ПК в каюте капитана) и

производить на их экранах радиолокационное наблюдение за обстановкой;

– записывать данные радиолокационного наблюдения в информационную базу, хранить ее и передавать через E-mail в береговые организации (это даст возможность на берегу воспроизводить результаты наблюдения и путем консультаций оказывать судну навигационную помощь с берега);

– упростить процедуры наложения на радиолокационную картину дополнительной информации;

– получить другие преимущества.

Режим работы для швартовки . Для этого режима в новых РЛС используются специальные 250 и 500 метровые шкалы дальности. По данным РЛС на этих шкалах отображается контур выраженного в масштабе судна и береговой черты, рассчитываются и представляются в цифровом виде расстояния до причала от носа и кормы, а также скорости сближения их с причалом.

5.8. Преимущества АИС перед РЛС и САРП.

При решении задач по предупреждению столкновений судов аппаратура АИС имеет ряд преимуществ перед РЛС и САРП. Отметим из них следующие.

Благодаря оборудованию судов высокоточными системами для определения своих кинематических параметров, и АИСтранспондером для передачи этих данных всем пользователям,

повышается точность знания положения и элементов движения судов-целей , а, следовательно, эффективность расхождения с ними.

АИС позволяют получать элементы движения судов практически в реальном масштабе времени как при движении судов-целей одним курсом, так и при маневрировании. Это время не зависит от скорости цели. В САРП кинематические параметры объектов получаются путем фильтрации их отметок на определенном временном интервале. Поэтому после захвата цели на сопровождение

и после маневрирования на определение ЭДЦ с требуемой точностью затрачивается порядка двух-трех минут. Это время зависит от скорости цели. На оценку ЭДЦ тихоходных целей САРП затрачивает больше времени, чем на нахождение кинематических параметров быстроходных объектов. ЭДЦ маневрирующих целей САРП определяет с очень низкой точностью. Ввиду инерционности фильтра, данные САРП об элементах движения целей обладают запаздыванием порядка 1 минуты.

При использовании АИС уменьшается время обнаружения маневра цели . Выявление начала маневрирования при использовании АИС производится за счет контроля изменения передаваемых целью значений своего курса, а в ряде случаев - и значений угловой скорости.

В САРП маневр обнаруживается путем статистического определения факта отклонения отметок цели от гипотезы прямолинейного равномерного движения. По данным исследований, проведенных специалистами, среднее время на выявление маневра по РЛС/САРП составляет 1 мин 25 с, а по АИС – 20 с.

У АИС нет и ряда других недостатков САРП, например, представления ошибочной картины маневрирования груженного большого танкера с настройкой на корме. Радиолокационная отметка такого танкера соответствует корме. Движение кормы при маневре курсом судна отличается от движения центра массы (рис. 5.2), что способствует еще большей задержке в выявлении маневра.

При использовании АИС на дистанцию обнаружения судов-целей

и точность определения их элементов движения не влияют помехи от моря, осадков, наличие теневых секторов и работа других РЛС , как это имеет место при использовании РЛС и САРП. В результате обеспечивается возможность своевременного обнаружения малых судов-целей и наблюдения за этими судами в условиях сильного волнения моря и интенсивных осадков.

АИС позволяет сопровождать цели и получать их элементы

движения при близком нахождении целей от берега и при

Рис. 5.2. К пояснению увеличения задержки выявления с помощью САРП маневра курсом большого груженого танкера.

Радиолокационные определения места судна представляют собой результат использования в различных комбинациях пеленгов и расстояний до опознанных ориентиров.
Способы определения места остаются те же, что и при визуальных наблюдениях, но РЛС в большинстве случаев расширяет возможности по измерению указанных навигационных параметров.
Радиолокационная станция (РЛС) — устройство, предназначенное для обнаружения надводных объектов и измерения направлений и расстояний до них.
Принцип действия РЛС основан на излучении и приеме отраженных от объектов радиоволн. Полученные наблюдения (расстояния, курсовые углы, пеленги), которые снимаются с индикатора, используются для определения места судна, его проводки в узкостях, тумане и для безопасного расхождения с другими судами. Каждый облучаемый объект виден на экране РЛС в виде светлого пятна или полосы эхо-сигнала, отличающихся по величине, яркости и форме (рис. 8).

Радиолокационные изображения объектов и судов

Рис. 8. Радиолокационные изображения объектов и судов
Точность определения места и обеспечения безопасности плавания зависят от умения судоводителя опознавать объекты по изображению на индикаторе местности и его натренированности брать направления (пеленги) и расстояния до этих объектов. Расстояние до объекта измеряется на экране РЛС с помощью колец дальности, а отсчет курсового угла производится относительно диаметральной плоскости (по курсу) по неподвижной шкале при наведении на цель (изображение объекта) визира. Одновременно с измерением курсового угла (КУ) снимается с компаса курс судна (КК). Истинный пеленг рассчитывается по формуле:
ИП = КК ± ?К ± КУ
Радиолокационная станция применяется главным образом для определения места судна по измеренным расстояниям. При наличии точечных или имеющих характерные очертания ориентиров можно для этого использовать и радиолокационные пеленги.
Так как изображение берегов на экране только лишь в общих чертах совпадает по своему виду с их изображением на карте, то при подходе к берегу с моря, возникает задача опознавания района нахождения судна, а также объектов, эхо-сигналы которых видны на ИКО и которые затем могут быть использованы для определения места судна.
Опознавание береговой черты. Основными признаками для опознавания берега являются конфигурация береговой черты, отдельно лежащие в море скалы, островки и т. п. Для опознавания нужно использовать также все навигационные средства, особенно такие, как измерение глубин и радиопеленгование. Это в значительной степени поможет разобраться в изображении берега на экране. Изображение при этом следует ориентировать относительно меридиана
Опознавание береговых объектов для последующего определения места судна может производиться несколькими способами.
1) Способ веера.
Наблюдатель быстро измеряет пеленги и рас¬стояния до характерных объектов а, в, с, d, e, f (рис. 9а). Затем на кальке прокладывает линию пути судна и из любой точки этой линии по измеренным пеленгам и расстояниям в масштабе карты наносит места объектов — а’, в’, с’, d’, e’, f’ (рис. 9б). Наложив кальку на карту в районе счисляемого места, перемещает ее до тех пор, сохраняя параллельность линии пути, пока точки а’, в’, с’, d’, e’, f’ не совпадут с характерными объектами на карте. Точка пересечения пеленгов и будет приближенным местом судна, а объекты на экране можно считать опознанными. Для большей уверенности наблюдения следует повторить несколько раз, связывая полученные точки счислением.

2) Способ траверзных расстояний.
Наблюдатель измеряет расстояния до объекта, эхо-сигналы которых видны на экране, когда они приходят на один и тот же КУ, лучше всего на траверз, и в момент измерения расстояний замечает время и отсчет лага. Затем на листке кальки прокладывает линию курса со счислимыми точками каждого измерения. Из соответствующих точек по КУ и расстоянию наносит объекты. Кальку на¬кладывает на карту и перемещает, как и в первом случае. В результате совпадения объектов наблюдатель получает уточненное положение линии пути и опознанные объекты на экране РЛС.

Измерение расстояний

Первые эксперименты: радиоволны в открытом море

Самолет дальнего радиолокационного обнаружения и управления А-50У

Доплеровский метеорологический радиолокатор

Основные классы РЛС

Читайте также: