Главная Коллекция "Otherreferats" Военное дело и гражданская оборона Варианты боевого применения самолетов фронтовой авиации

Варианты боевого применения самолетов фронтовой авиации

Тактико-технические требования, предъявляемые к перспективным бортовым РЛС. Задачи, решаемые самолетами фронтовой авиации. Общие принципы управления лучом. Исследование влияния ошибок установки фаз фазовращателей на направленные свойства антенной решетки.

Рубрика Военное дело и гражданская оборона
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 02.12.2011
Размер файла 443,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

  • ВВЕДЕНИЕ
  • Роль Военно-воздушных сил (ВВС) в современной войне постоянно возрастает. Это -- объективная закономерность. Она находит свое отражение в развитии процессов вооруженной борьбы ХХ столетия и подтверждается опытом, практикой. В обычной войне ВВС принадлежала, принадлежит и в обозримом будущем, будет принадлежать решающая роль в завоевании господства в воздухе -- одного из главных условий достижения целей операции Сухопутных войск, а также в авиационной поддержке своих войск как неотъемлемой части огневого поражения противника, особенно в его оперативно-тактической глубине.
  • Подтверждением справедливости данных выводов может служить война в Персидском заливе (1991 г.) -- первая крупная региональная обычная война конца ХХ столетия после прекращения “холодной войны” -- велась через 46 лет после завершения ВОВ. В состав многонациональных сил (МНС), воевавших против Ирака, были включены объединения, соединения, части различных видов ВС 30 государств мира, в т. ч. США, Великобритании, Франции, Египта, Сирии, Саудовской Аравии и др. Основу МНС составили сухопутные войска, ВВС и ВМС США.
  • США и их союзники по антииракской коалиции сделали основную ставку на ВВС -- на нанесение ими по Ираку сокрушительных ударов с воздуха. В соответствии с такой концепцией в районе Персидского залива была создана мощная авиационная группировка в составе 2600 современных самолетов и вертолетов, в т. ч. 1800 американских. Характерно, что ВВС многонациональных сил подчинялись одному должностному лицу -- командующему 9-й воздушной армии ВВС США, т. е. управление ВВС МНС было строго централизованным.
  • Война в Персидском заливе началась 17 января 1991 г. решительным наступлением с воздуха. В течение трех суток ВВС МНС провели воздушную наступательную операцию, в результате которой было завоевано господство в воздухе на театре войны. Этим самым были созданы благоприятные условия для успешного проведения сорокасуточной воздушной кампании. Используя эффективные результаты воздушной кампании, сухопутные войска МНС всего лишь за последние 100 часов войны, перейдя в решительное наступление, завершили ее, очистив территорию Кувейта от иракских войск.
  • Существуют качества, которые выгодно отличают ВВС от других видов вооруженных сил. Это, прежде всего, универсальность, что проявляется в их способности вести эффективные боевые действия днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях, в различных физических сферах: на суше, на море и в воздушно-космическом пространстве, с выполнением широкого маневра по фронту и в глубину на большие расстояния в короткое время, способности наносить авиационные удары с малых, средних и больших дальностей и высот по важным наземных и морским объектам (целям) противника; применять обычное и ядерное оружие; вести воздушную разведку в интересах всех видов ВС; выполнять десантирование, перевозку войск и боевой техники, решать ряд других задач на всю глубину оперативного построения войск и в глубоком тылу противника.
  • Не вызывает сомнения, что ВВС есть и будут одним из важнейших элементов, обеспечивающих национальную безопасность России. Основой ВВС и сегодня, и в будущем останется фронтовая авиация (ФА). Роль самолётов ФА возрастает, прежде всего, в связи с региональной нестабильностью, обусловленной разрушением двухполярной мировой системы. Региональные угрозы России на южных границах остаются пока весьма реальными. В настоящее время ФА оснащена в основном боевыми самолетами четвертого поколения - фронтовыми бомбардировщиками Су-24М, штурмовиками Су-25, а также фронтовыми истребителями Су-27 и МиГ-29. ПВО территории страны обеспечивают тяжелые истребители-перехватчики МиГ-31. Парк самолетов ФА наиболее многочислен. Поэтому в качестве стратегического направления развития этого вида авиации выбрана модернизация. Главный акцент будет сделан на совершенствовании бортового оборудования и вооружения, которые сегодня являются ключом к решению проблемы повышения эффективности боевого применения авиации. К модернизируемым боевым самолётам предъявляются новые требования. Прежде всего, это существенное увеличение боевого радиуса действия при увеличенной массе боевой нагрузки. Кроме того, тактический самолет 21-го века должен одинаково успешно выполнять и истребительные, и ударные задачи, и даже, более того, быть способным выполнять эти задачи одновременно. Многофункциональность применения является одним из основных приемов удешевления боевых действий. Она дает возможность использовать один самолет и один экипаж для решения большего количества боевых задач. А это требует оснащения самолета принципиально новым радиоэлектронным комплексом, включающим многорежимную многофункциональную радиолокационную станцию с активной фазированной антенной решеткой. Многоканальная БРЛС должна обеспечивать круговой обзор в горизонтальной плоскости и пуск ракет с радиолокационной системой наведения как в переднюю, так и в заднюю полусферу.

1. АНАЛИЗ БОЕВОГО ПРИМЕНЕНИЯ САМОЛЕТОВ ФА

1.1 Анализ тактико-технических требований, предъявляемых к перспективным бортовым РЛС

Тактико-технические требования определяются особенностями боевого применения самолетов ФА, анализ которого был рассмотрен в первом разделе. Проведем раздельный анализ тактических и технических требований.

1.1.1 Тактические требования

К числу основных тактических характеристик относятся: дальность обнаружения и захвата целей; зоны обзора и поиска; разрешающая способность; точность измерения координат и параметров движения цели; надёжность.

Тактические характеристики бортовых РЛС, представляют собой совокупность параметров, определяющих возможности их использования для решения боевых задач. Эти характеристики задаются на этапе проектирования РЛС при всестороннем учёте условий и особенностей решаемых задач, требуемых вероятностей их выполнения, экономических, эксплутационных и других факторов на основе методов системотехники.

Дальность обнаружения и захвата целей

Дальностью обнаружения целей бортовой РЛС называется наибольшее расстояние между ЛА и целью, при котором сигнал цели обнаруживается с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги. Требования к дальности обнаружения цели обычно определяются характеристиками управляемого ракетного вооружения истребителя. Цель должна обнаруживаться на дальности, обеспечивающей ее государственное опознавание, захват на автоматическое сопровождение, прицеливание и применение ракетного вооружения с максимально возможной дальности.

Дальностью захвата цели называется максимальная дальность, на которой РЛС способна перейти в режим автоматического сопровождения цели по дальности, скорости и угловым координатам с заданными точностными характеристиками. Дальность захвата цели обычно оценивается с вероятностью 0,9. В режиме автосопровождения решается прицельная задача по атакуемой цели; выдаются сигналы целеуказания в систему вооружения; летчик устраняет ошибки прицеливания маневром самолета и производит пуск ракет с максимальной разрешенной дальности стрельбы Дрmax. РЛС должна обеспечивать обнаружение цели на удалении

Добн=Дрmax+Vсбл Тпр,

где Тпр - время, необходимое на выполнение операций обнаружения, опознавания, захвата, прицеливания; Vсбл - скорость сближения с целью. Дальность захвата цели обычно составляет 0,6…0,8 от дальности обнаружения. Величина Тпр зависит от степени автоматизации процесса обнаружения и захвата, и скорости сближения; изменяется от десятков секунд до единиц минут. Дальность обнаружения самолета типа истребитель современными РЛС должна составлять: 150?300 км при атаке целей со стороны передней полусферы; 50-150 км при атаке со стороны задней полусферы. При атаке наземных целей типа автомобиль, танк - 100-150 км.

При решении задачи навигации для ориентирования по РЛИ местности и коррекции текущих координат самолёта по радиоориентирам в качестве ориентиров выбираются средние и крупные населенные пункты, реки, границы моря и суши и др. Наблюдение 3--5 ориентиров, находящихся на расстоянии 50--70 км, позволяет осуществлять надежное ориентирование. Следовательно, дальность действия РЛС в режиме навигации должна составлять 100--300км.

Дальность действия РЛС в режиме маловысотного полета должна обеспечивать получение информации о рельефе местности на расстоянии от истребителя, обеспечивающем маневрирование для обхода или облета препятствий, и составляет обычно 5-15 км.

Зоны обзора и поиска

Область пространства, в пределах которой обеспечивается обнаружение цели с помощью бортовой РЛС, называется зоной обзора. Она определяется максимальной Дmax и минимальной Дmin дальностями обнаружения цели, секторами обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В идеальном случае зона обзора в горизонтальной плоскости должна быть 3600, однако, учитывая условия размещения РЛС в носовом отсеке истребителя, она обычно составляет ±60...900. Величина зоны обзора в вертикальной плоскости определяется из условия обеспечения обнаружения целей во всем диапазоне высот их полета и обычно составляет ±60...700.

Область пространства, в пределах которой РЛС осуществляет поиск целей в каждой конкретной тактической ситуации, называется зоной поиска. Размер секторов поиска зависит от применяемого метода наведения и способа ведения боевых действий истребителем.

Периодом обзора Тобз называется время, необходимое для однократного просмотра всей зоны поиска, при котором обеспечивается требуемая дальность обнаружения целей с заданными вероятностями правильного обнаружения Рпо и ложной тревоги Рлт.

Зоной автосопровождения РЛС называется область пространства, в пределах которой обеспечивается автоматическое сопровождение цели по направлению. Как правило, она определяется предельными углами сканирования антенны РЛС, соответствует зоне обзора и составляет +60...700 в вертикальной и +60...900 в горизонтальной плоскостях [3].

Разрешающая способность

Под разрешающей способностью РЛС понимают способность раздельного наблюдения целей, находящихся в зоне обзора. РЛС характеризуется разрешающей способностью по дальности, угловым координатам и скорости.

Разрешающей способностью РЛС по дальности называется минимальное расстояние ?Д между двумя целями, обеспечивающее их раздельное наблюдение на индикаторе РЛС.

Разрешающей способностью РЛС по скорости называется то минимальное различие радиальных составляющих скоростей ?V двух целей, расположенных в одной точке пространства, которое обеспечивает их раздельное наблюдение на индикаторе РЛС.

Разрешающей способностью РЛС по направлению называется минимальное различие ?? в направлениях на две цели, удаленные от РЛС на одинаковое расстояние и имеющие равные радиальные составляющие скорости относительно РЛС, обеспечивающие их раздельное наблюдение на индикаторе РЛС.

Основное требование к разрешающей способности в режимах обнаружения и прицеливания - обеспечение раздельного наблюдения одиночных целей в группе. Учитывая реальные размеры воздушной цели, боевые порядки и условия применения в режиме «воздух-воздух», РЛС должна обеспечивать разрешение по дальности 15...50 м, по скорости 2...10 м/с, по угловым координатам 20...300 [10].

Надёжность

Под надёжностью системы понимают способность системы обеспечивать решение задач и сохранять заданные эксплуатационные показатели в течение требуемого интервала времени [2].

Количественно надёжность характеризуется наработкой на отказ в полёте - . Для сложной бортовой аппаратуры (количество комплектующих элементов до 10000), к которой относится и РЛС, время наработки на отказ в полёте должно быть не менее 150 часов. Требуемая надёжность системы должна достигаться уменьшением количества ненадёжных элементов, а также их резервированием, периодическим контролем и профилактическим ремонтом аппаратуры в процессе её эксплуатации.

1.1.2 Технические требования

С тактическими характеристиками РЛС непрерывно связаны и технические параметры. К основным техническим характеристикам РЛС относятся диапазон рабочих частот и вид излучаемых сигналов. Совокупность этих технических параметров должна обеспечить установленные тактические требования к проектируемой системе.

Диапазон рабочих частот

При выборе диапазона рабочих частот проектируемой системы необходимо учесть следующие обстоятельства: диапазон рабочих частот должен обеспечить требуемые тактические характеристики системы: точность измерения, разрешающую способность, дальность действия, помехоустойчивость по отношению к искусственным и естественным помехам; так как проектируемая система является бортовой, то к ней предъявляются требования по минимизации габаритных и весовых характеристик. Кроме того, длина волны, при заданной разрешающей способности по угловым координатам определяет размеры антенной системы; в связи с насыщением самолётов различными видами РЭО, работающими в различных диапазонах частот, требуется обеспечить электромагнитную совместимость проектируемой системы с другими радиотехническими системами, входящими в комплекс оборудования.

Рабочая частота также выбирается с учётом обеспечения наилучшей разрешающей способности, но необходимо учитывать, что волны короче 1см интенсивно поглощаются в атмосфере. По указанным причинам РЛС обычно работают в диапазоне частот 8-25 ГГц. Кроме того, при выборе диапазона рабочих частот нужно учитывать скорости полёта летательных аппаратов, так как этот показатель определяет доплеровское расширение спектра отражённого сигнала.

Вид излучаемых сигналов

Сигналы, используемые в РЛС, должны обеспечивать требуемую разрешающую способность и помехоустойчивость как в режиме "воздух - воздух", так и в режиме "воздух - поверхность". Сигналы РЛС в режиме "воздух--воздух" должны удовлетворять требованиям, часто противоречивым. Основными из них являются: высокая разрешающая способность по дальности и высокая точность измерения дальности; однозначное измерение дальности в большом диапазоне (200 км и более); высокая разрешающая способность по частоте (скорости) и высокой точности измерения частоты (скорости); однозначность измерения скорости целей в широком диапазоне изменения скоростей сближения цели и истребителя на встречных и догонных курсах; возможность селекции (разделения) сигналов, отраженных от целей, и мешающих сигналов, отраженных от подстилающей поверхности.

На практике не удается выбрать такой вид сигнала, который удовлетворял бы одинаково хорошо всем этим требованиям в различных тактических ситуациях. Особенно большие различия в требованиях к сигналу возникают при обнаружении целей на встречных и догонных курсах. Поэтому в РЛС применяются сигналы с различными параметрами в разных тактических ситуациях, что обусловливает наличие различных режимов излучения и обработки сигналов.

В режиме "воздух - поверхность" в РЛС должны использоваться три основных сигнала: простой сигнал, в котором длительность импульсов пропорциональна масштабу дальности; простой сигнал с фильтрацией, в котором применяется запоминание начальной фазы (при приёме это даёт выигрыш в амплитуде в 2-3 раза, по сравнению с простым сигналом, кроме того, увеличивается помехоустойчивость); фазоманипулированный сигнал, состоящий из нескольких пачек импульсов, каждый из которых излучается со своей частотой, и при излучении запоминается начальная фаза каждого импульса (этот вид сигнала даёт большую помехоустойчивость по сравнению с другими сигналами, но при этом аппаратура РЛС становится гораздо сложнее).

1.2 Обоснование необходимости совершенствования РЛС самолетов ФА

Анализ боевых действий в локальных войнах последних лет еще раз подтверждает возрастающую роль фронтовой авиации на всех этапах военных конфликтов различного масштаба и расположения театров военных действий. Боевые возможности современных летательных аппаратов всё в большей степени определяются не только их лётно-техническими характеристиками и вооружением, но и возможностями комплекса бортового радиоэлектронного оборудования (КБРЭО). По информационному обеспечению боевых действий, управлению оружием и защите самолета РЛС в составе КБРЭО занимает одно из ведущих мест.

Анализ тактико-технических требований, предъявляемых к современным РЛС показал, что в условиях ведения современных войн эффективность применения самолетов четвертого поколения с их радиоэлектронным оборудованием недостаточно высока.

В настоящее время одним из основных направлений совершенствования КБРЭО является внедрение в эксплуатацию РЛС, имеющих антенные системы с электронным сканированием. Использование антенных систем с электронным управлением лучом (ЭУЛ) в радиолокационных комплексах и системах управления вооружением (СУВ) самолётов придает им качественно новые свойства и позволяет значительно повысить боевую эффективность.

На первых этапах совершенствования была разработана пассивная ФАР с электронным сканированием. В составе этой системы были сохранены центральный передатчик большой мощности и приёмник, а антенна представляла собой антенную решетку, в которой применялось электронное устройство управления взаимосвязью фаз между отдельными излучающими элементами, использующими фазовращатели. Главным преимуществом такой антенной системы является безинерционная диаграмма направленности.

К современным РЛС предъявляется ряд дополнительных требований. Одно из них вызвано тем, что при применении управляемых ракет малой дальности с увеличенным диапазоном допустимых поперечных перегрузок, позволяющих повысить эффективность ведения маневренного ближнего боя, необходимо сопровождать близко расположенные интенсивно маневрирующие цели не маневром самолета, а лучом антенны. Кроме того, тенденция увеличения дальности пуска ракет “воздух-воздух” и “воздух-поверхность” с комбинированными системами наведения, у которых участок самонаведения достаточно малый, предопределяет наличие протяженного участка автономного полета с радиокоррекцией по командам с самолета-носителя. Эта особенность требует увеличения дальности захвата целей до величин, превышающих дальность пуска, и существенное повышение точности команд целеуказаний ракетам.

Наличие в составе РЛС антенной решетки, способной обеспечивать не только электронное управление положение луча в пространстве (сканирование), но и требуемое изменение его формы, дает в бою значительное преимущество перед самолетом, имеющим на борту антенны с механическим сканированием.

Так возможность работы с расширенным лучом, позволяет РЛС производить быстрый обзор пространства в условиях ближнего боя. Умение снижать боковые лепестки в направлении помехи позволяет увеличить пространственную помехозащищенность РЛС. Путем формирования специального фазового распределения в раскрыве достигается возможность одновременного излучения энергии в нескольких направлениях.

В антенной системе с электронным управлением лучом есть потенциальная возможность для «мгновенного» перехода от одной формы луча к другой. При реализации этой возможности РЛС становится действительно многорежимной и многофункциональной.

Многорежимность и многофункциональность РЛС в первую очередь будет определяться параметрами канала управления лучом.

Рассмотрим принципы построения канала управления лучом ФАР многофункциональной РЛС.

2. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ ФАР МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ РЛС САМОЛЕТОВ ФА

2.1 Общие принципы управления лучом

Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

Следует различать антенны с одномерным и двумерным сканированием или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении наблюдения за воздушными целями.

В этих случаях направления на сопровождаемые объекты, могут находиться под разными углами, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях. Именно такие антенны устанавливаются на все самолетные радиолокационные станции.

Рассмотрим на простом примере вычисления, производимые в канале управления лучом. На рисунке 2.1 показана схема антенны с одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. На рисунке 2 показан плоский фазовый фронт, расположенный под углом по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями. Таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол . Из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны:

, (1)

где - ширина луча, - длина волны, L - размер антенны.

Пусть линейка излучателей состоит из N излучателей, d - расстояние между соседними излучателями. Тогда, чтобы обеспечить наклон фазового фронта на угол , фазовый сдвиг между соседними излучателями должен составлять

. (2)

Разность фаз между соседними излучателями должна лежать в пределах

. (3)

Попытка выйти за обозначенные пределы приведет к неоднозначности положения луча антенны. Сопоставляя формулы (2) и (3), находим пределы сканирования:

, . (4)

Теперь можно определить и ширину сектора сканирования:

. (5)

В случае d » ? формула (5) упрощается:

. (6)

При d > ?/2 за пределами сектора сканирования возникнут дополнительные дифракционные максимумы, и диаграмма направленности антенны перестанет быть однонаправленной. Однако дополнительные дифракционные максимумы можно подавить, выбрав элементарные излучатели, из которых составлена линейка, такими, чтобы индивидуальная диаграмма направленности каждого элементарного излучателя обеспечивала подавление излучения за пределами выбранного сектора качания луча линейки излучателей в целом.

Найдем отношение сектора сканирования к ширине самого луча линейки излучателей. Для этого обратимся к формулам (6) и (1). Получим

. (7)

где N - число излучателей в антенне.

Формула (7) определяет число элементов, из которых должна состоять антенна. Элемент включает в себя излучатель, фазовращатель и цепи управления фазовращателем. Так, например, достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: ?? = 1°. Пусть ??k = 90°, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной.

Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг, а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв. Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

. (8)

Приведем некоторые количественные характеристики.

1. Ширина луча антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно

, , (9)

, (10)

2. Сектор сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях

, (11)

. (12)

3. Телесный угол, совпадающий с секторами качания луча антенны,

. (13)

4. Телесный угол, занимаемый лучом антенны, и коэффициент направленного действия антенны соответственно

, (14)

. (15)

Используя приведенные выше соотношения, легко убедиться, что отношение телесных углов, занимаемых секторами качания луча и самим лучом антенны, равно полному числу элементов в составе ФАР:

. (16)

Комбинируя (13)-(16), можно получить формулу, определяющую общее число элементов ФАР через ее коэффициент направленного действия и телесный угол сканирования:

. (17)

Эта формула представляет собой фундаментальное соотношение теории ФАР. Легко подсчитать, что если выбранные секторы сканирования определяются углами качания луча ?k,г = ?k,в = ±30°, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях ??г = ??в = 1°, то число элементов ФАР составляет 3600.

Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг, - фазовращатель.

Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы:

1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока);

2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом:

(18)

где

(19)

А(q) представляет собой Q-мерный вектор, составленный из нулей и единиц. Пусть Q = 3, тогда в нашем распоряжении будет восемь различных векторов А(q). При помощи соотношений (18) и (19) может быть задан следующий набор фазовых сдвигов: [0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°], каждый из которых отвечает своему номеру q.

В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля.

2.2 Канал управления лучом в составе структурной схемы многофункциональной РЛС

Для реализации тактических требований РЛС должна обеспечивать решение следующих задач: поиск, обнаружение воздушных и наземных целей; измерение координат и параметров движения, обнаруженных воздушных целей и прицеливание по ним; прицеливание по наземным целям при бомбометании и пуске ракет, формирование и выдачу сигналов целеуказания, подсвета и коррекции на управляемые ракеты, подготовка их к пуску и наведение на уничтожаемые цели; измерение дальности до наземных и воздушных целей по сигналам целеуказания от других информационных систем СУВ; самолетовождение при отсутствии визуальной видимости земной поверхности (определение местоположения ЛА по радиолокационному изображению местности визуально с использованием карты либо путем коррекции данных навигационной системы по измеренным координатам выбранных ориентиров); картографирование местности при ведении воздушной разведки; предупреждение экипажа о метеорологической обстановке по трассе полета; следование рельефу местности при полете на малых и предельно малых высотах (облет и обход препятствий); измерение навигационных параметров (скорости и угла сноса, высоты); управление подсистемами вооружения.

В связи с тем, что объем задач постоянно увеличивается, к бортовым РЛС предъявляются все большие требования. Это приводит к дальнейшему совершенствованию существующих и разработке новых РЛС, обеспечивающих обнаружение целей на больших дальностях, вывод самолёта в район цели с высокой точностью на малых высотах и управление различными видами бортового вооружения.

Отмеченные задачи, решаемые РЛС, определяют её структуру построения, показанную на рисунке 2.1.

Согласно рисунка 2.1 в состав РЛС должны входить следующие основные структурные элементы: бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ); приёмник (ПРМ); блок управления лучом (БУЛ); АФАР; формирователь модулирующих и задающих сигналов (ФМЗС); встроенная система контроля (ВСК); системы автосопровождения по дальности (САД), по скорости (САС) и по направлению на цель (САН).

Основным устройством РЛС является БЦВМ. Она предназначена для выдачи управляющих сигналов в исполнительные устройства РЛС; организует взаимодействие РЛС с другими комплексами самолёта, по сигналам от системы встроенного контроля осуществляет проверку устройств, а также производит низкочастотную (вторичную) обработку принятых сигналов. БЦВМ решает следующие задачи: вычисление координат цели; управление АФАР через БУЛ; осуществляет подбор излучаемого сигнала, оптимального для выбранного режима работы РЛС; выдаёт информацию в систему индикации; принимает данные от пульта управления и формирует управляющие сигналы; выдаёт информацию в навигационный комплекс самолёта; осуществляет синхронизацию всех устройств РЛС; осуществляет взаимодействие РЛС с другими системами и комплексами самолёта.

Таким образом, на БЦВМ возлагается достаточно большая нагрузка. Поэтому при построении БЦВМ необходимо применять производительный микропроцессорный комплект, который позволит одновременно выполнять несколько алгоритмов работы РЛС.

ПРМ предназначен для обработки сигналов, поступающих с модулей АФАР. Данный ВЧ приёмник строится по супергетеродинной схеме. На ВЧ приёмник возлагается решение следующих задач: фильтрация сигналов от помех (прямого прохождения, по зеркальному каналу и т. д.); усиление сигнала и перенос, без искажений, его спектра в область низких частот; выдача сигнала в каналы измерения скорости, угловых координат и дальности.

САД предназначена для получения информации о дальности и скорости сближения с целью. Эта информация необходима для выполнения самонаведения истребителя на выбранную цель, а также для стробирования приемника по дальности. Применение стробирования позволяет повысить помехозащищенность РЛС.

САС предназначена для получения информации о скорости и об ускорении сближения с целью. Эта информация может быть использована в алгоритмах помехозащиты РЛС и самонаведения истребителя. Кроме того, она дает возможность осуществлять селекцию принимаемых сигналов по доплеровской частоте.

САН предназначена для обеспечения пространственной селекции цели, дающей возможность получать отраженный от неё сигнал и в процессе его обработки измерять дальность и скорость сближения; оценивания углов пеленга ?г, ?в и угловых скоростей ?г, ?в линии визирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях, необходимых для реализации алгоритмов наведения; оценивания угла ? крена антенны и скорости ?x его изменения, которые используются для стабилизации антенны в пространстве.

БУЛ предназначен для сопряжения канала управления лучом АФАР с БЦВМ. БУЛ согласно поступившему цифровому коду из БЦВМ, формирует управляющие напряжения для фазовращателей и аттенюаторов модулей АФАР, формируя тем самым необходимое фазовое и амплитудное распределение.

ФМЗС сигналов предназначен для формирования и выдачи задающих и модулирующих сигналов.

АФАР предназначена для формирования направленного излучения и управления формой диаграммы направленности. АФАР устанавливается в носовой части самолёта под радиопрозрачным обтекателем. В состав АФАР входят модули, включающие: излучатель, циркуляторы, приемные и передающие каналы. Приемный канал содержит: регулируемые фазовращатель и аттенюатор; малошумящий усилитель. Передающий канал содержит: регулируемые фазовращатель и аттенюатор; предворительный усилитель; усилитель мощности, в котором также обеспечивается модуляция сигнала.

АФАР соединена с ФМЗС и ПРМ через распределительную систему и циркулятор.

Встроенная система контроля предназначена для проверки работоспособности РЛС. Результаты проверки через БЦВМ должны поступают на систему индикации в виде кода неисправности.

Синхронизатор обеспечивает синхронную работу всех отмеченных структурных элементов РЛС.

Согласно принципам построения перспективных РЛС основным структурным элементом является АФАР, которая определяет основные тактико - технические характеристики РЛС. Известно, что основные характеристики направленности АФАР определяются геометрическими параметрами излучающего раскрыва, поэтому актуальной задачей является исследование влияния геометрических параметров излучающего раскрыва на направленные свойства ФАР.

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ ФАР

Результатом выполнения дипломной работы является разработка программного комплекса, состоящего из двух программ:

1. Программа для создания и редактирования излучающей поверхности;

2. Программа для моделирования канала управления лучом ФАР.

Вторая программа должна иметь следующие возможности:

– расчет фазовых сдвигов для фазовращателей каждого модуля загруженной модели АФАР за кратчайшее время, с учетом времени всех переходных и промежуточных процессов;

– отображение времени расчета;

– расчет ширины главного лепестка диаграммы направленности по азимуту и углу места;

– определение разрешающей способности на максимальной дальности обнаружения в режиме «Обзор»;

– определение времени, необходимого для сканирования всей области обзора;

– визуальное отображение излучателей и соответствующих фазовых распределений;

– построение цветовой диаграммы направленности;

– построение трехмерной диаграммы направленности;

– построение амплитудной логарифмической диаграммы направленности с возможностью определения уровня боковых лепестков.

Входные данные:

– условная максимальная дальность обнаружения;

– частота излучения;

– ширина сектора сканирования по азимуту и углу места;

– время перестройки фазовращателей;

– время обработки сигнала;

– длительность пачки импульсов;

– шаг дискретизации установки фаз для фазовращателей;

– максимальная ошибка установки фаз;

– закон распределения ошибки установки фаз (нормальный, экспоненциальный);

– направление луча по азимуту и углу места.

Перед началом моделирования необходимо рассмотреть способы размещения излучателей, выбрать систему координат, описать параметры одиночного излучателя, описать способ фазирования.

3.1 Выбор и обоснование способа размещения излучателей

Излучающая система (ИС) антенной решетки определяет пространственный сектор сканирования и степень согласования апертуры с пространством в требуемой полосе частот. В значительной мере ИС влияет на построение входящих в антенную систему с электронным управлением лучом (АС с ЭУЛ) функциональных устройств и подсистем (в частности подрешеток), и обладает следующими варьируемыми параметрами:

– структурой расположения излучателей в апертуре;

– типом периодичности (прямоугольная, треугольная, радиально-кольцевая, неэквидистантная и т.п.);

– видом применяемого излучателя.

Для того что бы обоснованно сформулировать требования к структуре ИС, рассмотрим взаимосвязь параметров АС с ЭУЛ с варьируемыми параметрами. Пространственный сектор сканирования ДН АС с ЭУЛ, ограниченный зоной однолучевого сканирования, жестко связан со структурой расположения излучателей. Для случая формирования круговой или слабоэллиптической зоны однолучевого сканирования наиболее целесообразна треугольная сетка расположения излучателей.

Возможности расширения зоны однолучевого сканирования за счет уменьшения периодов расположения излучателей ограничены геометрическими размерами ячейки, в которой должен быть размещен фазовращатель (или приемопередающий модуль АФАР), а также элементами системы распределения СВЧ-сигнала. В отличие от пассивных ФАР, для АФАР размер ячейки определяет величину удельной энергии, затрачиваемой на излучение, а также удельную тепловую нагрузку. Поэтому уменьшение размера ячейки, с одной стороны, расширяет зону однолучевого сканирования и увеличивает суммарную излучаемую СВЧ энергию, с другой стороны, прогрессивно усложняет конструкцию, утяжеляет и удорожает АФАР, а также увеличивает тепловую нагрузку.

В разрабатываемой программе должна быть возможность произвольного расположения излучателей на плоской апертуре.

3.2 Выбор системы координат

При проектировании излучающей поверхности удобнее всего пользоваться прямоугольной (декартовой) системой координат.

Для исследования направленных свойств (во второй программе) наиболее подходящей будет сферическая система координат, так как большинство параметров будут зависеть от углов сканирования. Сферическая система координат изображена на рисунке 3.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.3 Выбор одиночного излучателя

Исходя из ранее проведенного анализа геометрических характеристик ФАР, предлагается использовать в качестве одиночного излучателя микрополосковую антенну. Микрополосковые излучатели (МПИ) отличаются от других излучателей антенн СВЧ диапазона конструкцией. Методами печатной технологии могут быть выполнены также линии передачи, согласующие элементы и прочее. Антенны, использующие такие излучатели, больше, чем другие отвечают требованию миниатюризации, одному из основных требований для бортовой аппаратуры.

Основными преимуществами печатных излучателей являются:

– простота конструкции, малые объём, масса и стоимость;

– высокая точность изготовления, благодаря чему достигается хорошая воспроизводимость характеристик антенн;

– возможность создания невыступающих и маловыступающих конструкций антенн для летательных аппаратов, в частности конструкций, не изменяющих их прочностных характеристик.

К недостаткам печатных излучателей относятся малая электрическая прочность, трудность конструирования перестраиваемых устройств и измерения параметров печатных элементов.

Печатные излучатели применяются в диапазоне от 100 МГц до 30 ГГц при различных уровнях мощностей. Они, как правило, являются слабонаправленными, поэтому их применяют в основном в составе антенных решёток.

МПИ способны излучать и соответственно принимать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, легко позволяют объединить многие элементарные излучатели в фазированной антенной решетке и разместить их на поверхностях сложной формы.

Составными частями простейшего микрополоскового излучателя являются металлическая пластина, диэлектрическое основание (подложка) и экран. Возбуждение пластин может осуществляться либо коаксиальной линией через отверстие в экране и подложки, либо полосковой линией в плоскости пластины.

В качестве диэлектрического основания обычно используются диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью равной 2,5-10. КПД МПИ составляет порядка 50-80%. Это объясняется тем, что существуют потери из-за: оптических потерь в пластине и экране; потери в неидеальной подложке; ответвление части мощности подводимой к антенне в возникающую поверхностную волну (подложка на экране представляет собой замедляющую структуру, способную поддерживать такую волну).

Таким образом, все перечисленные свойства МПИ, наряду с легкостью их размещения на неплоских поверхностях, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к бортовым АФАР.

3.4 Характеристики и параметры направленности для исследования АФАР

Работу АФАР оценивают с помощью функциональных зависимостей (характеристик) и различных числовых величин (параметров).

Основными параметрами для исследования АФАР будут являться:

– форма ДН АФАР;

– уровень боковых лепестков ДН АФАР (УБЛ);

– ширина ДН АФАР;

– коэффициент направленного действия (КНД).

Основной типовой задачей управления АФАР является создание максимального коэффициента направленного действия в заданном направлении. Для управления лучом в настоящее время используются фазовращатели, которые устанавливаются на каждом модуле решетки. При подаче управляющего напряжения на каждый фазовращатель изменяется фаза проходящего через него электромагнитного сигнала. Управляя каждым фазовращателем, в соответствии с заданным алгоритмом, можно осуществить сканирование.

3.5 Способ фазирования АФАР

Как уже говорилось выше, фазовращатели бывают аналоговыми и цифровыми.

Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭВМ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь.

На основе проведенного анализа систем фазирования, предлагается использовать систему фазирования на основе командного управления фазовращателями [5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

В режиме фазирования БЦВМ (рисунок 4.3) сначала рассчитывает в двоичной форме код фазы для каждого фазовращателя, затем данные, вместе с кодом адреса, через последовательный либо параллельный канал поступают на адресные шины запоминающего устройства. После записи последнего значения фазы происходит фазирование антенной решетки через многоканальный коммутатор.

Такое построение системы управления позволяет оптимизировать связи с БЦВМ, существенно сократить объём кабельной сети в ФАР при сохранении временных параметров вычисления кодов фаз.

4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГЕОМЕТРИИ ИЗЛУЧАЮЩЕГО РАСКРЫВА И ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАР

Поле излучения антенной решетки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей. При разработке математической модели необходимо определить амплитуды и фазы сигналов отдельных излучателей ФАР в точке наблюдения с учетом всех известных факторов, связанных с апертурой и сканированием.

К факторам связанным с апертурой относятся: положение излучателей; конфигурация раскрыва; амплитудные и фазовые распределения.

К факторам связанных со сканированием относятся фазы питающих сигналов.

Комплексная ДН произвольной АР в дальней зоне определяется следующим соотношением [6]:

самолет фронтовой авиация

, (4.1)

где - фазовый набег волны n-го излучателя ФАР в направлении , (текущие углы сферической системы координат, xn, yn, zn -координаты n-го излучателя); fиз(,) - ДН n-го излучателя ФАР; N - число излучателей в решетке; Аn-амплитуда тока, питающего n-ый излучатель; ?n-управляемая фаза в n-ом излучатели (,0,0 - углы, определяющие направление излучения).

Согласно (4.1) при моделировании необходимо производить расчет координат излучателей ФАР, то есть необходимо сформировать математическую модель излучающего раскрыва.

Рассмотрим геометрическую модель антенной решетки с размещением излучателей в узлах прямоугольной сетки.

Рисунок 4.1

Уравнения линий, на пересечении которых будут располагаться геометрические центры излучателей (Рисунок 4.1) будут следующими:

, (4.2)

, (4.3)

где i, j - порядковые номера горизонтальных и вертикальных линий соответственно, k,l - коэффициенты определяющие расстояние между линиями.

Таким образом, полученные соотношения определяют математическую модель геометрии раскрыва. Для реализации данной модели была создана программа SurfaceEdit.

На рисунке 4.2 изображен внешний вид программы с диалоговым окном для ввода уравнений, определяющих структуру создаваемой решетки. Данная программа позволяет размещать излучатели в узлах прямоугольной, треугольной сеток автоматически, а также произвольно вручную.

Для треугольной сетки уравнения будут следующими:

(4.4)

(4.5)

В выражении (4.5) учтена высота равностороннего треугольника.

На рисунке 4.3 представлена модель антенной решетки с апертурой в форме круга, имеющая прямоугольную структуру расположения излучателей с шагом 1,5 см. Полученная антенная решетка имеет 673 излучателя.

На рисунке 4.4 представлена модель антенной решетки с апертурой в форме эллипса, имеющая треугольную структуру расположения излучателей с расстоянием между двумя соседними излучателями 1,5 см. Полученная антенная решетка имеет 827 излучателей.

Для исследований будем использовать амплитудную ДН, математическая модель которой определяется из соотношения (4.1):

. (4.6)

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ ФАР

Разработка алгоритма управления лучом сводится к расчету необходимых амплитудно-фазовых распределений произвольной АФАР при заданных направлении излучения, ШДН, УБЛ и в дальнейшем, имея все необходимые данные о параметрах излучения, к расчету траектории движения луча при заданном режиме работы РЛС.

Рассмотрим алгоритм формирования необходимых фазовых распределений. Суть метода сводится к заданию фаз таким образом, что бы в каждой точке дальней зоны, находящейся в направлении излучения наблюдался резонанс, т.е. волны приходили в одной фазе. Для реализации этого метода для каждого излучателя Ai(xi, yi, zi) необходимо:

– измерить расстояние до точки N(x, y, z), удаленной на большое расстояние (далее удаленной точки) в направлении излучения, предварительно определив ее координаты в прямоугольной системе координат;

– подсчитать число волн, укладывающихся на луче AiN. После извлечения из полученного результата дробной части и умножения ее на 2? получаем фазовый набег в радианах;

– округлить полученное значение фазы с учетом шага дискретизации.

Рассмотрим блок-схему вышеописанного алгоритма.

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.1

На рисунке 5.1 приведена блок-схема алгоритма фазирования антенной решетки при заданном направлении излучения и расчета амплитудной диаграммы направленности.

Расчет начинается с нахождения координат удаленной точки N. Пусть v, h - требуемые углы по азимуту и углу места, определяющие направление излучения в антенной системе координат, тогда координаты точки N будут определяться следующими выражениями:

, (5.1)

, (5.2)

, (5.3)

. (5.4)

После определения координат следует цикл (M - число излучателей), в теле которого рассчитываются начальные фазы для каждого излучателя:

(5.5)

(5.6)

(5.7)

Формула (5.5) определяет расстояние от i-го излучателя до N. По формулам (5.6)-(5.7) производится вычисление начальной фазы для i-го излучателя с учетом шага дискретизации f и максимальной ошибки установки фазы фазовращателем df.

После фазирования всей излучающей поверхности начинается расчет амплитудной пространственной диаграммы направленности. Производится дискретизация всех возможных значений направлений излучения с требуемой для исследования точностью. Составляется двухмерный массив в котором каждому элементу соответствуют свои углы в азимутальной и угломестной плоскостях:

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.2

Далее для каждого элемента полученного массива определяются координаты соответствующей удаленной точки и для каждой точки (соответственно и для каждого элемента массива) рассчитывается фазовый набег от каждого излучателя k и суммарная амплитуда (на блок-схеме - цикл ).

При расчете суммарной амплитуды применен векторный метод.

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.3

При вращении нескольких векторов в одном направлении и с равной угловой скоростью (Рисунок 5.3), суммарный вектор будет иметь постоянное абсолютное значение и вращаться в том же направлении с той же скоростью.

Применение этого метода позволяет значительно ускорить процесс расчета ДН.

Рассмотрим алгоритм расчета траектории движения луча при заданном режиме работы РЛС. Расчет будем производить для режима «Обзор».

В режиме «Обзор» происходит сканирование всего сектора обзора по заданной траектории (построчно, по спирали и др.). В программе реализовано построчное сканирование с дискретным перемещением луча. Шаг дискретизации равен углу, соответствующему уровню 0,5 по мощности главного лепестка ДН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.4

На рисунке 5.4 изображена траектория движения луча при построчном сканировании пространства. Как видно из рисунка, путь, пройденный лучом, а соответственно и время сканирования, будут определяться:

– шириной и высотой сектора сканирования;

– шириной главного лепестка ДН.

Также время сканирования будет определяться длительностью пачки импульсов, излучаемой в каждую точку пространства, временем обработки сигнала и максимальной дальностью обнаружения.

Пусть ?г , ?в - ширина сектора сканирования по горизонтали и вертикали соответственно, ?0,5 - ширина главного лепестка ДН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.5

На рисунке 5.4 приведена блок-схема алгоритма расчета траектории движения луча в режиме работы РЛС - «Обзор».

Расчет начинается с нахождения количества строк и точек в каждой строке:

; (5.8)

. (5.9)

В выражениях (5.8)-(5.9) функция Trunc() предназначена для округления полученного значения до меньшего целого числа.

Построчное сканирование реализуется в теле двух циклов и :

; (5.10)

, (5.11)

где Dг, Dв - угловые координаты очередного направления излучения.

Таким образом, после разработки данных алгоритмов, появляется возможность исследования характеристик канала управления лучом в целом.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ ФАР

6.1 Исследование зависимости времени расчета фаз от количества излучателей

Для исследования зависимости времени расчета фаз от количества излучателей была использована программа BeamControl. Применялась антенная решетка с круговой апертурой и расположением излучателей в узлах прямоугольной сетки с шагом ?/2.

Таблица 6.1

N

300

600

900

Tрасч, мкс

82,7

163

245

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.4

Из рисунка 6.4 видно, что с увеличением количества излучателей, время, необходимое для расчета фаз, увеличивается по линейному закону.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены