Активные средства обнаружения маловысотных целей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Главнокомандующий ВВС генерал-полковник Зелин А.Н. в своём интервью отметил: «В настоящее время коренным образом изменилось само содержание вооруженной борьбы. Ее основой становятся действия сил воздушного нападения всех видов базирования при всестороннем их обеспечении из космоса в интегрированной системе управления. Именно поэтому в строительстве вооруженных сил ведущих государств мира сформировалась устойчивая тенденция приоритетного развития сил и средств воздушно-космического нападения. Все это уже закреплено их руководящими документами, планами развития вооруженных сил и обеспечено финансово. К примеру, в действующей с 2004 года «Базовой доктрине ВВС США» подчеркивается, что «ВВС США дают стране уникальную возможность проецировать силу в любую точку мира в кратчайшие сроки».

О предназначении радиотехнических войск (РТВ) в современной войне было сказано следующее: «Входящие в состав ВВС радиотехнические войска обеспечивают контроль воздушного пространства и станут важнейшей частью перспективной системы разведки и предупреждения о воздушно-космическом нападении, а существующая высокоавтоматизированная система управления силами ПВО ВВС является основой создания системы управления воздушно-космической обороны».

Следовательно, чтобы отвечать этим требованиям и основным задачам по выявлению тех воздушных целей, необходимость уничтожения которых на этапе сильного радиоэлектронного противодействия диктуется логикой их развития и условиями обстановки, РТВ должны обеспечивать высокую вероятность своевременного обнаружения средств воздушного нападения (СВН) с учётом повышения скрытности.

Приведенные положения говорят о необходимости максимального использования всех имеющихся возможностей для повышения эффективности своевременного обнаружения, что подтверждает актуальность темы исследования.

В связи с этим возникает также необходимость в проведении многостороннего комплексного исследования радиолокационных систем активно запросного типа, возможности использования этих систем для пассивного позиционирования СВН, создании комплексированных систем объединяющих средства активного и пассивного энергетического взаимодействия с целью.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разрешения научных задач, возникающих при разработке методики комплексной оценки вероятности обнаружения и уничтожения СВН активными средствами, разработки комбинированного способа позиционирования, создании способа и устройства определения координат источника помехи, вероятностной оценки вариантов комплексирования активных и пассивных средств.

Кроме того, создание новых и возможная модернизация существующих РЛС обуславливают необходимость количественного оценивания эффективности выполнения задачи обнаружения и уничтожения.

Актуальность темы диссертационной работы определяется также рядом противоречий, возникающих на сегодняшний день при модернизации РЛС, решение которых имеет несомненную теоретическую и практическую значимость.

Первое противоречие выявлено между требованиями министра обороны РФ по приведению подсистем вооружения в соответствие с характером современных военных операций, вероятностью возникновения локальных войн и вооруженных конфликтов на территории Российской Федерации, участия частей и подразделений РТВ в этих конфликтах и ограничением финансирования программ развития ВС РФ, в том числе и войск РТВ.

Второе противоречие существует между необходимостью повышения вероятности своевременного обнаружения низколетящих СВН в условиях активного радиопротиводействия и достижением требуемого уровня обнаружения и определения координат МВЦ СВН при условии повышения скрытности за счёт комплексирования.

Учитывая, что данные противоречия, имеющее место в современной теории и практики построения радиолокационных систем, в рамках единой методологии не разрешены, имеет место актуальная научная задача, заключающаяся в разработке методов совместной обработки информации дальномерных и пеленгационных каналов активных средств радиолокации и устройств определения координат источников излучения в радио и ИК диапазоне.

По причине того, что в рамках одного исследования рассмотреть весь круг вопросов, связанных с реализацией указанных выше задач, не представляется возможным, а также то, что по отдельным вопросам в указанном направлении уже проведены и продолжают проводиться исследования, предполагается ограничить область исследования целью, заключающейся в повышении качества обнаружения МВЦ активными РЛС как в пеленгационном режиме так и при их совместном использовании с тепловизорами.

Объектом исследования являются активные средства обнаружения маловысотных целей и пассивные средства определения координат источников излучения сигналов радио и инфракрасного (ИК) диапазонов.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы совместной обработки информации активных и пассивных радиоэлектронных средств и оценка её показателей качества.

Научная новизна полученных результатов характеризуется тем, что:

в предложенной методике определения дальности обнаружения и пределов её изменения в условиях постановки помех для РЛС РТВ в отличие от известных, основанных на использование уравнения противорадиолокации, применяется разложение в ряд Тейлора. Использование полученных значений коэффициентов чувствительности при настройке аппаратуры РЛС РТВ позволяет увеличить дальность обнаружения;

предложенная методика комплексной оценки вероятности обнаружения активными средствами и последующего уничтожения СВН истребительной авиацией, в отличие от известных, основана на совместном учете процедуры обнаружения и поражения во времени, что позволяет определить минимально допустимую дальность обнаружения СВН при которой ещё возможно приведение в готовность дежурных сил ИА и последующее уничтожение вероятного противника;

предложенный способ определения местоположения источника излучения отличается от известных тем, что с целью повышения точности определения координат комбинируются разностно - дальномерный (РДМ) и пеленгационный методы и для реализации РДМ не требуется синхронизации временных шкал либо эталонов времени на приёмных постах;

предложенная методика вероятностной оценки вариантов комплексирования пассивных средств позволит, в отличие от ранее существующих подходов, оценить качество совместного применения РЛ станций в пеленгационном режиме, РЛС в пеленгационном режиме и теплопеленгатора и средств радиотехнической разведки на базе применения РДМ и пеленгационного методов и использования эталонов сигнала.

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в том, что полученные результаты являются дальнейшим развитием методик оценки характеристик активных и пассивных средств обнаружения МВЦ при их комплексировании.

Обоснованность полученных результатов обеспечивается: рациональным выбором метода исследования; базированием на основных хорошо апробированных положениях теории радиолокации, геометрической оптики, математической статистики, имитационного моделирования; применением в качестве основы исследований надёжно отработанных принципов функционирования средств пассивной разведки; использованием надёжных источников информации при формировании исходных данных для моделирования.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается, корректностью выбора параметров, влияющих на точность определения координат целей, вводимых допущений и ограничений, сходимостью результатов аналитических исследований и имитационного моделирования и их непротиворечивостью с известными данными, полученными в других ранее проведенных исследованиях, имеющимися актами реализации.

Практическая ценность.

1. Использование значений коэффициентов чувствительности, полученных в результате применения методики, в настройке приемно - передающей аппаратуры позволяет увеличить дальность обнаружения радиолокационной станции (РЛС) 35Н6 в условиях активного радиопротиводействия без применения аппаратуры защиты от помех в 1,1 - 1,3 раза.

2. Модернизированный разностно - дальномерный способ позиционирования СВН не требует использования эталонов времени и временной синхронизации шкал времени, что обеспечивает снижение стоимости комплекса обнаружения на 25 - 30 %.

3. Методика комплексной оценки вероятности обнаружения и последующее уничтожение СВН истребительной авиацией даёт возможность контроля по времени совместного выполнения боевой задачи дежурных сил (ДС) РТВ и ИА.

обнаружение война теплопеленгатор



2. Основные виды борьбы с АП в РТВ

Помехи приводят к ухудшению качественных показателей радиоэлектронных средств (РЭС). Обеспечение устойчивости работы РЛС, в условиях интенсивного радиоэлектронного противодействия (РЭП) является важнейшей составляющей информационного противоборства, конечная цель которого - достижение превосходства в эфире, обеспечивающего успех применения огневых средств поражения и, как следствие, завоевания господства в воздухе, на земле и (или) море.

В настоящее время в средствах радиоэлектронной борьбы (РЭБ) вероятного противника уделяется большое внимание самолётам и авиационным ракетам способным создавать активные помехи.

При анализе источников, описывающих сведения о помехах, возможно вывести наиболее общее определение для активных помех, учитывая способ формирования, конечный результат воздействия и соотношение спектра радиопомехи и полосы пропускания подавляемого РЭС.

Активная помеха (АП) - радиосигнал, который создаёт мешающий фон на входе приёмного устройства, тем самым затрудняет или исключает возможность выделения полезной информации, либо придаёт ей ложный характер.

АП по конечному результату воздействия на РЛС могут подразделяться на маскирующие, имитирующие и деструктивные. Активные маскирующие помехи - создают мешающий фон на входе приёмного устройства, активные имитирующее - вносят ложную информацию при приёме и обработке сигнала, деструктивные - приводят к необратимым изменениям входных элементов приёмных устройств.

Согласно наиболее распространенными являются активные маскирующее, которые в свою очередь можно классифицировать на шумовые, несинхронные импульсные и синхронные (ответные). Наиболее универсальными из перечисленных, по мнению, М. В. Максимова являются активные маскирующее шумовые помехи (АМШП), они с успехом могут быть использованы для подавления радиоэлектронных средств любого назначения при самых разнообразных режимах их работы. Непрерывные шумовые помехи могут маскировать полезные сигналы на временной и частотной осях, а также по направлению прихода.

Рассмотрим основные методы защиты РЛС от АМШП. Как известно, они подразделяются на: выделение полезного сигнала на фоне помех, использование помеховых колебаний для получения информации о пространственном положении постановщика помех. При выделении полезного сигнала используется различие между принимаемыми колебаниями: в энергетике сигналов и помехи; в направлении прихода и поляризации поля в частотно временной структуре сигнала.

На основе этих различий повышение защищенности РЛС от АМШП достигается следующими основными методами: увеличением энергетического потенциала («силовая» борьба с помехой); расширением динамического диапазона (ДД) приёмных устройств; эффективным использованием различий в направлении прихода полезных сигналов и помеховых колебаний (пространственная селекция), использованием несовершенства отдельных видов помех, а также использования активных фазированных антенных решеток (АФАР) которые обладают необходимой для РЛС возможностью целенаправленного изменения закона амплитудного распределения токов излучателей в апертуре и тем самым возможностью оперативного управления формой диаграммы направленности (ДН).

Рассмотрим перечисленные способы.

Метод силовой борьбы направлен на повышение отношения сигнал - помеха на входе приёмного устройства за счёт увеличения энергии зондирующего сигнала и повышения плотности потока мощности (увеличение коэффициента усиления антенны на излучение Gи).

, (2.1)

где Ри - импульсная мощность;

- длительность импульса;

Мн - число импульсов в пачке

здесь Fn -частота повторения зондирующего импульса;

tз - время однократного обзора пространства («облучения» цели).

При воздействии помехи по главному лепестку для обеспечения обнаружения на той же дальности, что и на фоне собственных шумов (порядка 300 - 400 км) необходимо увеличение энергетического потенциала РЛС на 3 - 4 порядка, это не достижимо при увеличении только одного параметра, поэтому необходимо комплексное увеличение всех основных параметров ().

Расчёт и построение зависимости энергетического потенциала при изменении (), которое не приведёт к конструктивным изменениям в РЛС (Рис. 2.1):

1) возможно изменить не более чем на 20%;

2) возможно изменить не более чем в 2 раза;

3) Fn возможно изменить не более чем в 4 раза;

4) tз возможно изменить не более чем на 50%.

Полученные зависимости показывают, что добиться увеличения Эи на 3- 4 порядка без конструктивных изменений или использования специализированных РЛС невозможно. Следовательно, данный метод может найти применение лишь в специализированных РЛС типа 5Н55 «Шпага».

В обзорных РЛС РТВ применение данного метода получило другие аспекты, которые подразумевают отказ от равномерного обзора пространства и переход к адаптивному обзору, при котором время зондирования определяется исходя из воздушной обстановки. В секторах, откуда воздействуют помехи, скорость вращения уменьшается,

вплоть до полной остановки приёмно - передающей кабины (ППК) для получения необходимого числа импульсов в пачке, а остальная часть пространства сканируется на обычной технологической скорости, для сохранения темпа обзора.

Рис. 2.1 Зависимость изменения энергии зондирующего сигнала при изменении (, , Fn , tз)

Реализация такого способа возможна при применении электронного сканирования. Однако следует учитывать, что работа в секторном режиме приводит к снижению полноты радиолокационной информации (возможны несвоевременное обнаружение и пропуск целей, срыв дискретного сопровождения и т.д.).

Первичная обработка сигнала при реализация метода «силовой борьбы» проводится накоплением пачки импульсов. Как известно, накопление может быть когерентным и некогерентным. При когерентном накоплении импульсы пачки складываются в фазе, в результате чего амплитуда сигнала на входе накопителя возрастает в Мн раз, а мощность - в М2н раз. Способ когерентного накопления является оптимальным при обработке когерентной пачки импульсов. При этом коэффициент потерь на неоптимальность в реальном тракте обработки эхо - сигналов L близок к 1. При некогерентном накоплении имеют место потери в отношении сигнал - шум по сравнению с когерентным накоплением. При небольшом числе импульсов в пачке (до 10) эти потери не велики, а с увеличением потери растут, коэффициент потерь становится равным

L=, (2.2)

т.е отношение сигнал - шум по мощности возрастает не в раз, как при когерентном накоплении, а только в раз.

В РЛС когерентные накопители используются редко, так как они сложны в исполнении, чаше производится некогерентное накопление пачки на экране индикатора кругового обзора (ИКО) с послесвечением или с помощью схем логической обработки пачки. Известны два типа устройств оптимальной обработки пачки, фильтровой и корреляционно - фильтровой.

Частотная характеристика фильтрового устройства должна быть комплексно сопряженной со спектром пачки.

. (2.3)

Поскольку амплитудночастотный спектр (АЧС) когерентной пачки имеет гребенчатую структуру, следовательно, такой же структуры должна быть и амплитудночастотная характеристика (АЧХ) оптимального фильтра. Но в этом случае количество узкополосных фильтров зависит от ширины спектра зондирующего импульса ?, числа импульсов в пачке Мп и частоты следования Fп, тогда

Nуф =?Тп Мп = Ni Nкс , (2.4)

где Ni - число фильтров в 1 канале скорости,

Nкс - число каналов скорости.

Следовательно, если приёмное устройство РЛС многоканально по углу места, то число фильтров в каждом канале должно соответствовать выражению (2.4). Необходимость по сути такого большого количества узкополосных фильтров затрудняет в настоящее время применение таких фильтров.

Возможно накопление импульсов пачки (с фиксированной частотой Доплера) производить с помощью одного узкополосного фильтра настроенного на частоту центрального гребня спектра пачки. Известно устройство корреляционно - фильтровой обработки пачки (Рис. 2.2).



Рис. 2.2 Структурная схема устройства корреляционно - фильтровой обработки

При использовании этого устройство, возникает проблема многоканальности т.к. дальность до цели заранее не известна, кроме того, в каждом канале дальности должен быть набор взаимно расстроенных узкополосных фильтров для накопления сигналов с различными доплеровскими частотами, т. е это устройство должно быть многоканально по скорости.

Общее число таких фильтров очевидно должно быть равно

Nуф= Ni Nкс. (2.5)

Таким образом, по общему числу фильтров для обзорных РЛС корреляционно - фильтровые и фильтровые схемы равноценны. В одноцелевых РЛС (специализированных РЛС «силовой» борьбы, РЛС сопровождения), которые осуществляют захват цели по данным целеуказания, устройство корреляционно - фильтровой обработки предпочтительнее. Так как при использовании этих устройств можно ограничится небольшим числом каналов дальности (5 - 10).

С развитием нанотехнологий возможно устройства, о которых говорилось выше, станут более миниатюрны и тогда они найдут применение в перспективных обзорных РЛС, что при адаптивном обзоре повысит возможности метода силовой борьбы с шумовыми помехами.

При работе в помехах наблюдаются случаи, когда отношение удвоенной энергии принятого сигнала к спектральной плотности помехи больше 1,

, (2.6)

где - энергия принятого сигнала;

- спектральная плотность собственных шумов приёмника;

- спектральная плотность помехи на входе приёмника,

тем не менее, цель не обнаруживается. Причиной этого является ограниченный динамический диапазон (ДД) приёмного тракта.

Как известно [22,23], ДД - это диапазон изменения амплитуды входного сигнала, при котором в приёмнике ещё не происходит ограничения

Дд[дБ] =20, (2.7)

где ушвх - средне квадратическое значение собственных шумов на входе приёмного устройства.

В основном ДД РЛС соответствует (8-14 дБ) причём УВЧ (60-70 дб),УПЧ (20 - 70дБ), видеоусилитель (10 - 20 дБ), ИКО (8 - 14 дБ). Для расширения ДД применяются следующее методы: создание приёмников с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ) (5Н87, ПРВ - 13, ПРВ - 17), применение в приёмниках систем шумовой автоматической регулировки усиления (ШАРУ) (5Н84, 5Н84А), применение ограничения в широкополосном тракте приёмника (до оптимального фильтра) (5Н59). Структурная схема ШАРУ представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Структурная схема ШАРУ

В случае использования приёмника имеющего ЛАХ при соответствующем подборе характеристик нелинейных сопротивлений в каскаде УПЧ можно получить ЛАХ, что обеспечит расширение ДД.

В случае применения ШАРУ продетектированный входной шум УПЧ сглаживается узкополосным фильтром, благодаря этому на выходе фильтра выделяется напряжение пропорциональное среднему уровню шума.

Оба этих метода обеспечивают расширение ДД до 50 - 60 дБ. Надо иметь в виду, что их применение не приводит к улучшению отношения сигнал - помеха, а лишь стабилизирует её на входе УПЧ, тем самым, способствуя обнаружению сигнала в случае, когда отношение сигнал - помеха больше единици. Приёмники в которых применяются схемы ЛАХ и ШАРУ не смогут обнаружить сигнал при отношении сигнал помеха меньше 1. Положительный эффект этих схем состоит в том, что их применение позволяет предотвратить засвет индикатора стабилизируя интенсивность помехи на входе приёмника до уровня собственных шумов, тем самым позволяя оператору обнаруживать цели, находящиеся вне секторов интенсивного воздействия помех.

Схемным решением ограничения в широкополосном тракте приёмника принято считать применение схемы шумового ограничения усиления (ШОУ) в РЛС формирующих импульсы с короткой базой и схем с ограничителем перед оптимальным фильтром в РЛС со сложномодулированным сигналом.

Ограничение в обеих схемах обеспечивает стабилизацию интенсивности помехи на таком уровне, чтобы не происходило ограничения в последующих элементах. При этом ухудшается отношение сигнал - помеха, однако при использовании ограничения в широкополосном тракте стабилизируется уровень помехи на входе и предотвращается полная потеря сигнала.

Пространственная селекция активных помех достигается за счёт сужения главного лепестка и уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны, что позволяет повысить отношение сигнал - помеха за счёт ослабления помехи антенной на входе приёмного устройства.

В настоящее время применяются серьёзные меры по уменьшению уровня боковых лепестков путём оптимизации закона распределения поля на раскрыве антенны и повышения точности её изготовления. Однако, в используемых, на данный момент в РТВ зеркальных антенн добиться существенного снижения уровня боковых лепестков трудно. Значительно большими возможностями в этом отношении обладают ФАР применяемые, в современном парке.

Поэтому наряду с принятием всех мер по снижению фона боковых лепестков, в настоящее время в РЛС осуществляют адаптивное подавление бокового приёма в направлении на каждый постановщик помехи путём компенсации помехи, принятой по основному лепестку, помехой, принятой с этого направления вспомогательной антенной. Устройство реализующее этот принцип получило название корреляционного автокомпенсатора. Структурная схема автокомпенсатора представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Структурная схема автокомпенсатора

Автокомпенсатор обеспечивает подавление помехи на 10 - 25 дБ, тем самым повышает коэффициент сжатия зоны обзора в 1,7 - 4 раза.

Автокомпенсаторы могут быть одно и много канальными, количество каналов определяет количество помехоносителей, которые будут подавлены. Многоканальные автокомпенсаторы сложны, имеют большое время настройки, поэтому в настоящее время более 5 каналов не используются.

Еще одним из существующих методов является метод борьбы с помехами, в котором используется «несовершенство» помехи.

Под «совершенной» помехой понимают помеху с равным распределением мощности по спектру в широком диапазоне частот, с хаотической поляризацией и внутренней структурой типа собственных шумов приёмника. Следовательно, любое отступление от этих условий принято считать «несовершенством » помехи, которое и используется для защиты РЛС.

Одним из видов « несовершенства» помех является прицельная по частоте помеха, мощность которой сосредоточена в сравнительно узкой полосе частот ?fп (в несколько раз превышающей полосу пропускания приёмника РЛС). Способом защиты в данном случае будет является перестройка частоты, тогда противник будет вынужден перейти к теоретически более «совершенной», но энергетически менее выгодной - заградительной помехе, либо достаточно часто выключать передатчик прицельной помехи для обеспечения разведки новой частоты РЛС, что позволит во время пауз обнаружить помехоноситель.

Разновидностью «несовершенства» является поляризационное, которое также может эффективно использоваться для подавления. Использование в этом случае автокомпенсатора позволяет подавить помеху, воздействующую не только по боковым лепесткам, но и по главному лепестку ДН антенны и, следовательно, обнаружить сам помехоноситель (ПРВ - 17)

Одним из наиболее новых вариантов защиты РЛС от АШП является использование активной фазированной антенной решётки (АФАР), которые обладают возможностью: получить более высокую скорость сканирования; конструировать большие не выступающее антенные системы; оперативно управлять формой ДН, что способствует повышению точности измерения угловых координат, помехозащищенности и скрытности действия РЛС. Такое новое качество, как оперативное управление ДН, достигается путём управления коэффициентом передачи СВЧ - мощности в приёмном и (или) передающем каналах любого приёмопередающего модуля (ППМ) АФАР.

В результате для каждого режима работы РЛС АФАР может создавать ДН требуемой формы.

Проведённый обзор способов защиты РЛС РТВ от активных шумовых помех показал, что каждый из них повышает в определённой мере помехозащищенность РЛС. В тоже время, ни один из этих способов сам по себе не обеспечивает необходимой степени защиты от помехи ожидаемой интенсивности. Например, один из эффективных способов защиты, реализуемый на основе пространственной селекции, не может быть реализован в случае самоприкрытия. При этом необходимо использовать другие виды селекции или пассивные методы локации.

Широкий парк передатчиков помех вероятного противника и разнообразие тактических приёмов применения помех заставляет применять все имеющиеся способы защиты.

Используя системы пассивно - активной локации, можно добиться, что вероятность обнаружения и измерения координат постановщиков активных помех (ПАП) совмещённой системой будет близка к единице и не зависит от мощности передатчика помех.

Для выбора наиболее эффективного из способов защиты, при создании помехозащищенной, РЛСит необходимо использовать такой, который позволит эффективно работать при одновременном ведении противником радиоразведки и создании радиопомех.

Альтернативным решением задачи обнаружения цели в начальный момент постановки противником АШП до момента использования пассивных средств позиционирования может стать прогнозирование дальности цели.

Прогнозирование осуществляется при вторичной обработке радиолокационной информации путем решения дифференциального уравнения.

Прогнозирование дальности после прекращения сопровождения



Рисунок 2.5 Вывод уравнения движения объекта наблюдения в сферической системе координат

Выведем уравнение движения постановщика помехи в сферической системе координат.

Обозначим единичный орт дальности -единичный орт угла места - , единичный орт азимута - , введенные единичные орты образуют правую прямоугольную систему координат. Вектор угловой скорости вращения линии положения азимута перпендикулярен горизонтальной плоскости, а вектор угловой скорости вращения линии угла места перпендикулярен плоскости ОММ1.

Вектор скорости в подвижной системе координат можно записать в виде:

(2.8)

где Д- относительная производная вектора;

- переносная производная вектора,

Проекции вектора угловой скорости на оси подвижной системы координат определяется по зависимостям (см. рис.1.6);

(2.9)

Найдем разложение векторного произведения по осям сферической системы координат:

(2.10)

Тогда выражение для вектора скорости примет вид:

, (2.11)

а модуль вектора скорости

. (2.12)

До помехового воздействия на основной пост измеряются сферические координаты; в результате их фильтрации определяются оценки координат и их первых производных.

Полученные данные являются исходными для вычисления скорости по зависимости (2.12).

При воздействии активной шумовой помехи измеряются угловые координаты. После фильтрации определяются оценки угловых координат и их первых производных. На основе решения дифференциального уравнения, вытекающего из зависимости (2.12) при известной скорости, вычисляется наклонная дальность до цели.

Действительно, из ( 2.12 ) следует, что

Для упрощения записи введем обозначения

При этом дифференциальное уравнение примет вид:

, (2.13)

где а1, а2 - известные величины.

Рассмотрим возможность решения дифференциального уравнения (2.13).

Последовательно проведем ряд преобразований:

(2.14)

В момент потери цели tо=0 , Д = До ;

t - время прогнозирования дальности до цели.

2.1 Возможности по использованию ТП в РТВ

В процессе полета средство воздушного нападения подвержено сложным энергетическим воздействиям, в результате которых изменяется его термодинамическое состояние. На основе общих физических признаков этих воздействий целесообразно разделить оценку теплового состояния на две части:

-оценку теплового состояния в процессе аэродинамического нагрева;

-оценку теплового состояния двигателя СВН.

Тепловое состояние низколетящей воздушной цели является видовым демаскирующим признаком, подразумевает распределение температуры по его поверхности и появление следа от элементов конструкции в оптическом и ИК - диапазонах[].

Исходя из уравнения энергии в цилиндрических координатах, температура различных участков рассчитывается по следующей формульной зависимости:

(2.15)

где R,Z - цилиндрические координаты поверхности МВЦ;

- удельная плотность материала точки воздушного объекта (ВО) с координатами R,Z;

- удельная теплоёмкость материала точки ВО с координатами R,Z при температуре Т;

,,, - компоненты тензора теплопроводности точки ВО с координатами R,Z при температуре Т;

Т - температура точки ВО;

t -текущее время.

Начальным условием является T(R,Z,T) = T0 .

Необходимо отметить, что толщина стенки, удельная теплопроводность и плотность материала, как и характер энергетических воздействий, изменяются по его поверхности.

Расчет теплового состояния в процессе аэродинамического нагрева представляет собой сложную специфическую задачу, выходящую за рамки данной работы.

Для объективной оценки качества функционирования оптической локационной системы в качестве главного показателя эффективности целесообразно использовать вероятность правильного обнаружения РПО. Определение данного показателя возможно различными методами, сводящимися к его вероятностной оценке по соотношению сигнал/помеха (контрастности) на входе приемного устройства. Данные о диапазоне изменения входных сигналов от цели и фона возможно определить с помощью следующей методики.

Величина лучистого потока F,падающего на объектив приемника площадью SОБ, расположенный на значительном расстоянии L от точечной теплоизлучающей цели, приблизительно равна:

, (2.16)

где В - спектральная энергетическая светимость точечной излучающей цели;

щП - телесный угол, охватываемый оптической системой.

Величина щП определяется по следующей формульной зависимости:

щП = SОБ / L2. (2.17)

С учетом затухания излучения при распространении через атмосферу, а также распределения интенсивности излучения цели, спектральная освещенность объектива приемного устройства станет равна:

(2.18)



При функционировании системы в каком-либо спектральном диапазоне от лmin до лmax, освещенность объектива определяется интегрированием по данному диапазону:

(2.19)

Общий алгоритм вычисления величины F(б) показан на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 Алгоритм вычисления величины освещенности объекта.

Общая освещенность объектива формируется суммированием освещенностей, создаваемых целью и фоном, которая затем фокусируется на чувствительную площадку приемника излучения и преобразуется им в электрический сигнал. Амплитуда данного сигнала пропорциональна созданной освещенности.

Из анализа данных об освещенности объектива приемного устройства следуют следующие выводы:

-как правило, уровень входного сигнала от цели превышает средний уровень фонового излучения;

-температурный контраст цели и фона зависит от характера фонового излучения;

-флуктуации некоторых фоновых излучений достаточно велики, что может привести к затруднению обнаружения цели.

-в диапазоне длин волн от 8 до 13 мкм достигается наибольшее соотношение сигнал/помеха;

-диаметр объектива приемного устройства должен быть не менее 300 мм в целях достижения приемлемого соотношения сигнал/помеха ;

-на уровень сигнала от цели значительно влияет состояние внешней среды (температура, влажность и т.п.).

Для расчёта отношения сигнал/фон на выходе приемника можно использовать выражение

; (2.20)

где Us - сигнал, снимаемый с приёмника;

Uш - темновой шум;

А0 - площадь входного зрачка;

D* (л)- приведенная обнаружительная способность

,

где h - постоянная Планка;

К - отношение квантовой эффективности преобразования излучения к интенсивности фонового излучения;

R(л, Tц) - спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела, находящегося при температуре Тц.

При расчёте вероятности правильного обнаружения сигнала со случайными параметрами, распределенными по нормальному закону, во многих случаях целесообразно использовать приведенными в литературе графиками :

Последовательность определения вероятности правильного обнаружения показана на рисунке 3.6.

Рисунок 2.7 Алгоритм определения вероятности правильного обнаружения

На рисунке 2.8 представлена полученная по выражению (2.20) зависимость отношения сигнал/шум от температуры цели

Рисунок 3.7 Зависимость отношения сигнал/шум от температуры объекта

Используя выражение (3.13), получаем зависимость отношения сигнал/шум на входе приемника к температуре участка цели. Приведенное в выражение:

, (2.21)

где x0 - пороговый уровень,

уп ус - дисперсия помехи и сигнала соответственно,

- математическое ожидание сигнала

Ф - табулированный интеграл вероятности

График характеристик обнаружения позволяет получить зависимость правильного обнаружения от температуры.

Кривые обнаружения Робн, Робн(сгл) для случая нормальной помехи и сигнала со случайной амплитудой и фазой при вероятности ложной тревоги Fлт =10-4 (штрих - пунктир - точные значения, сплошные линии - сглаженные значения)

Рисунок 2.8 Зависимость вероятности обнаружения от температуры объекта

Предполагая, что тепловое состояние распределяется равномерно от

300 К до 2000 К, рассчитываем по кривой рисунка 2.8 вероятность обнаружения для конкретного ракурса.



Полученные в ходе исследования процесса обнаружения маловысотной цели во время полёта по её собственному тепловому излучению данные позволяют сделать следующий вывод. Обнаружение маловысотной цели приемником с выбранными параметрами с вероятностью Роб ?0,5 достигается, при отклонении цели от вертикальной плоскости визирования на 30,1840



3. Анализ комплексного применения различных видов энергетического взаимодействия средств обнаружения и ВО

3.1 Оценка характеристик обнаружения ВО РЛС в пеленгационном режиме

Обобщение достаточно большого количества информационных источников позволило выявить совокупность методов и систем пассивного позиционирования источников излучения (ИИ), представленных в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Классификация известных методов и систем пассивного позиционирования

N п/п	Вид излучаемой помехи	Метод позиционирования	Состав системы	Измеряемые параметры	Возможности системы	Диапазон частот средств излучения
1	2	3	4	5	6	7
1	Импульсная	Пеленгационный	Двухпозиционная	Одна из систем определяет угол места и азимут, вторая - либо азимут, либо угол места	При известных координатах каждой из систем измеренные угловые координаты преобразуются в трехмерные прямоугольные источника помехи	Радиоволновый, инфракрасный, ультрафиолетовый
2	Импульсная	Пеленгационный	Трехпозиционная (двухбазовая)	Разность времени прихода сигналов на каждую из позиций при наличии эталонов времени, нулевые значения шкал которых согласованны	Поверхностями положения являются вертикальные плоскости, на линии пересечения которых находится источник излучения; метод применим только для определения прямоугольных координат источника на горизонтальной плоскости	Сигнал любой физической природы
3	Импульсная	Разностно - дальномерный	Четырехпозиционная (трехбазовая)	Разность времени прихода сигналов на крайние точки каждой из баз при наличии эталонов времени на каждой позиции, нулевые значения шкал которых согласованы	Точка пересечения трех гиперболических поверхностей даст точку местоположения источника излучения в пространстве	Сигнал любой физической природы
4	Непрерывная	Пеленгационный	Трехпозиционная (двухбазовая)	Сигналы, принятые парой позиций, подаются на вход коррелятора, причём сигнал от одной из позиций через регулируемую линию задержки; максимум сигнала на входе коррелятора соответствует разности запаздывания сигналов на входах коррелятора.	Увеличение числа позиций не позволит определить пространственные координаты источника излучения, возможно определение только координат на плоскости	Сигнал любой физической природы
	Непрерывная	Разностно - дальномерный	Четырехпозиционная	Сигналы, принятые парой позиций, подаются на вход коррелятора, причём сигнал от одной из позиций через регулируемую линию задержки; максимум сигнала на входе коррелятора соответствует разности запаздывания сигналов на входах коррелятора.	Точка пересечения трёх гиперболических поверхностей даст точку местоположения источника излучения в пространстве	Сигнал любой физической природы

Рассмотрим более детально порядок определения координат источника излучения в последовательности, предложенной в таблице 3.1.

1. Данный вариант соответствует случаям, когда в качестве измерителей угловых координат используются:

- две разнесённые РЛС, работающие в пассивном режиме измерения угловых координат ИИ;

- две разнесенные тепловизионные системы.

Остановимся лишь на некоторых аспектах данной статьи. Вариантом, обеспечивающим наилучшую точность, является вариант, когда один из пеленгаторов измеряет азимут и угол места, а второй - азимут. Рисунки 3.1 и 3.2 иллюстрируют данный вариант.

При этом зависимости по определению координат источника излучения имеют вид:

(3.1)



Рисунок 3.1 Иллюстрация положения пеленгаторов (П1, П2), источника излучения (ИИ), следов поверхности положения азимутов (б1, б2) в единой системе координат

Оценка точности определения прямоугольных координат источника излучения может быть определена методом статистических испытаний или методом линеаризации функции случайных аргументов, поскольку экспериментальные данные отсутствуют.

2. Особенностью данного варианта является то, что для одной базы линией положения будет прямая, проходящая через середину базы и точку расположения ИИ. Точка пересечения двух прямых, полученных для двух баз, определит координаты ИИ. Получение пространственных координат ИИ принципиально невозможно, поскольку поверхностью положения на двух и более базах являются вертикальные плоскости.



Рисунок 3.2 Иллюстрация положения пеленгатора (П1), источника излучения (ИИ), поверхности положения угла места источника (е1) в единой системе координат

Рисунок 3.3 Иллюстрация трёхпозиционной (двухбазовой) пеленгационный системы

На каждой позиции, координаты которых определены в ходе привязки, фиксируется момент времени прихода сигнала по единой (согласованной) шкале времени. Далее вычисляются разности времени ?t1,2 , ?t2,3 прихода сигналов на концы 1-й и 2-й баз соответственно. В предположении, что фронт распространения сигнала плоский углы б1, б2 определяются по зависимостям:

где с - скорость распространения сигнала.

Прямые АВ и СД перпендикулярны к соответствующим базам, углы б1 и б2 образованы этими прямыми и линиями положения, делящими каждую из баз пополам. Относительно опорных направлений (направлений на север) определяются углы

в1 , в2 определяются при подготовке к работе.

Координаты ИИ xи ,yи вычисляются по зависимостям, вытекающим из геометрии рисунка 2.3.

(3.2)

Рассматриваемый вариант позиционирования может быть применён только для определения координат забрасываемых передатчиков помех.

3. Для комплекса, имеющего в составе четыре приёмника сигнала и реализующего разностно - дальномерный метод определения местоположения, справедливы равенства:

(3.3)

где Дj - дальность от источника излучения с координатами (xи ,yи ,zи) до приёмника с координатами (xj ,yj ,zj );

Д1 - дальность от источника излучения до первого приёмника:

Последнее равенство говорит о том, что поверхностями положения являются гиперболические поверхности с фокусами, в которых расположены приёмники:

(3.4)

При введенных обозначениях система уравнений вида

(3.5)

решается относительно прямоугольных координат (xи ,yи ,zи) источника излучения.

К сожалению, в обширном списке литературы по разностно - дальномерному методу определения местоположения излучающей цели непосредственное решение системы (3.5) без доказательств отвергается, и везде предлагается один и тот же подход. Суть его в следующем. После возведения в квадрат правой и левой частей равенства (3.3) получим:

После преобразования приходим к системе:

. (3.6)

При существующих вычислительных возможностях решение системы (3.5) не должно вызывать затруднений по сравнению с решением системы (3.6). Поэтому предлагается непосредственное решение системы (3.5).

4. Особенность данного варианта определяется характером помехи. При непрерывной помехе определение разности времени возможно лишь корреляционным методом (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 Структурная схема устройства, реализующего корреляционный метод определения разности времени в двухпозиционной системе



Формульные зависимости для данного варианта совпадают с таковыми варианта 2. Очевидно, что и область применения аналогична - только для определения координат ИИ на плоскости.

5. Данный вариант характерен тем, что для реализации разностно - дальномерного метода определения местоположения ИИ непрерывной помехи необходимо применять корреляционный метод вычисления разности времени и использовать зависимость (3.5).

Практическая реализация изложенных выше вариантов позиционирования ИИ находит своё отражение в образцах вооружения используемых частями радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Рассмотрим применяемые в этих системах методы определения координат ИИ и их тактико - технические характеристики.

Из анализа источников по данному вопросу можно сделать вывод, что в настоящее время чаще используется пеленгационный метод. Он реализован в таких современных образцах вооружения, как 85В6-А «Вега», 85В6 «Орион», 85В6-В. Станции более раннего парка (KRTP-81 «Ramona», KRTP-86"Tamara") использовали принцип TDOA (Time Difference of Arrival) - разница времени появления (англ).

Одними из первых промышленную работу над комплексами пассивной локации (КПЛ) начали в Чехословакии. В конце 50-х гг. был осуществлен главный прорыв в подобных разработках, основной принцип действия которых позже был назван TDOA (Time Difference of Arrival). Его суть заключается в измерении тремя приемниками, находящимися на некотором удалении друг от друга, временной разницы излучения, эмитируемого воздушной, наземной или морской целью, на основании чего можно "пассивно", т.е. без облучения цели, определить ее местоположение. Этот принцип был защищен патентным правом (закрытый патент №773) и зарегистрирован на Властимила Пеха (Vlastimil Pech) 13.11.1961; и закрытые патенты №830, 852 и 859 были оформлены на Владимира Зарыбницки (Vladimir Zarybnicky) (март-июнь 1962 г.). Важно то, что в соответствии с этим методом приемные станции могут располагаться на одной линии (в отличие от метода, базирующегося на принципе триангуляции).

Метод TDOA изучался и в дальнейшем дорабатывался в чехословацких научно-исследовательских институтах. В 1963 г. был создан первый опытный образец для отработки технологии этой идеи, на базе которого появился серийный образец PRP-1 "Kopac" Presny Radiotechnicky Patrac (точный радиотехнический обнаружитель).

Система состояла из четырех кабин, размещавшихся на полуприцепах, буксируемых среднетоннажными грузовыми автомобилями Praga. Время развертывания PRP-1 "Kopac" составляло несколько дней. В системе использовались аналоговые комплексы обработки сигналов, волноводы и коаксиальные технологии.

Комплекс разведки PRP-1 "Kopac" был способен обнаруживать радиолокаторы, работавшие в метровых и сантиметровых диапазонах длин волн, бортовые ответчики и ответчики навигационной системы TACAN, а также сопровождать от одной до шести целей. В вооруженных силах ЧССР PRP-1 "Kopac" использовался до 1979 г.

Следующее, второе, поколение систем пассивной радиотехнической разведки, получило наименование "Ramona". Первоначально система разрабатывалась под шифром PRP-2 фирмой Tesla (Пардубице) с 1967 г. В 1980-1981 гг. она была принята на вооружение и получила новый индекс - KRTP-81 (Komplet Radiotechnickeho Pruzkumu - Комплекс радиотехнической разведки). Позже была проведена модернизация системы, которая получила обозначение KRTP-81М "Ramona-М". Комплекс предназначался для ведения разведки на стратегическом уровне.

Комплекс KRTP-81 способен обнаруживать воздушные, наземные или морские цели, излучающие электромагнитную энергию в диапазоне

0,8 - 18 ГГц. По сравнению с комплексом PRP-1 "Kopac" новая "Ramona" и ее модификация "Ramona-М" были значительно эффективнее, обладая способностю сопровождать в полуавтоматическом режиме до 20 целей в секторе 100 град относительно центральной станции комплекса.

Всего в ЧССР были произведены "Ramona" - 17 шт., модернизированных станций "Ramona-М" - 14 шт. и одна учебная станция. Из этого количества в СССР было поставлено 14 станций KRTP-81 "Ramona" и 10 станций KRTP-81М "Ramona-М"; одна станция KRTP-81 была продана ГДР; одна "Ramona", две станции "Ramona-М" и один учебный комплекс поставлялись в Сирию; одна "Ramona" и две "Ramona-М" были на вооружении в Чехословакии.

По данным официальных источников, последние стации Vera-Е, Vera-P3D, Vera-ASCS были выпущены в декабре 2004 г. по заказу Эстонии и США.

В настоящее время на вооружение ВС РФ еще стоят вышеуказанные КПЛ, но им на смену приходят КПЛ типа 85В6, предназначенные для обнаружения, пеленгации, распознавания и классификации объектов наземного, морского и воздушного базирования по излучениям их собственных радиоэлектронных средств (РЭС), которые состоят, как правило, из трех станций: обнаружения, пеленгования, классификации и анализа (СОП), а также центральной станции управления (ЦСУ), обработки и определения местоположения источников радиоизлучений. Пункт управления совмещён с одной из станций. Несколько станций, объединенных в базовую систему, позволяют также определять пространственные координаты.

Основным методом позиционирования в них является пеленгационный, при помощи которого определяется местоположение и строятся траектории движения объектов, которые отображаются на электронной карте контролируемого района. Ложные траектории исключаются программными методами путем параметрического отождествления объектов. Указанные КПЛ характеризуются высоким быстродействием и чувствительностью, что достигается за счет использования моноимпульсных методов пеленгации в канале обработки сигналов. С учетом высокого уровня автоматизации это позволяет принимать и обрабатывать все виды радиоизлучений, в том числе кратковременные, со сложной частотно-временной структурой и помеховые. По измеренному вектору параметров сигналов путем сравнения с базой данных производятся распознавание источников излучения и классификация их носителей. В основном режиме станция осуществляет пеленгацию источников излучения и измерение вектора параметров сигнала в процессе кругового обзора пространства. Для анализа сведем технические характеристики КПЛ в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 Технические характеристики КПЛ

№ п /п	Трехкоординатный комплекс радиотехнической разведки 85В6-В	Станция радиотехнической разведки 85В6 «Орион»	Система радиотехнической раведки 85В6-А «ВЕГА»
Диапазон рабочих частот	Основной 0,03 - 1,7 ГГц	Основной 0,2 - 18,0 ГГц расширенный 40,0 ГГц	Основной 0,2 - 18 ГГц расширенный до 40 ГГц
Пределы работы.	- По азимуту 360 - по углу места 0 - 30 (возможно увеличение до 60 при увеличении времени вычисления пеленга в 2 раза)	По азимуту 360 по углу места 0 - 20	По азимуту 360 по углу места 0 - 20
Точность измерения	-Измерения азимута в диапазонах частот: 0,03 - 0,15 ГГц - 3 град. 0,15 - 1,7 ГГц - 1,5 град. -определения собственных координат (с использованием системы НАВСТАР), менее 50 м	-Длительности импульсов, мкс 0,1 -периода следования импульсов, мкс 1,0 -азимута в диапазоне,: 0,2 - 2,0 2,0 - 4,0 град. 2,0 - 18,0 0,2 - 0,3 град.
Дальность обнаружения	Над горизонтных источников радиоизлучений мощностью более 1 Вт, км 30	(Н = 10 км), не менее 400 км	Над горизонтных целей, - не менее 400 км
Тип пеленгуемых сигналов	Любой	Любой	Любой
Количество целей	До 1000	До 100	От 60 - 100.
Полоса мгновенного приема		500 МГц	500 МГц
Количество транспортных единиц	2 кузова - фургона К4310		4 (с прицепами)
Время развертывания с марша		5 - 10 мин	40 мин.
Максимальная скорость обзора		По азимуту,. 180 град./сек
Разрешающая способность по частоте		1,0 МГц
Среднеквадратическая ошибка определения координат			При расстоянии между СОП, равном 30 км - не более 5 км.

Таким образом, представленный анализ существующих методов и систем пассивного позиционирования ИИ позволяет наметить пути их совершенствования. Таковыми являются:

- уменьшение числа позиций для определения пространственных координат ИИ;

- совместное применение пеленгационного и разностно - дальномерного методов для решения задач позиционирования.

3.1.1 Оценка характеристик обнаружения ВО при использовании ТПА

Известно, что теплопеленгационная аппаратура (ТПА) может быть использована для определение пеленгов (азимута и угла места) на ВО по тепловому состоянию двигателя и аэродинамическому нагреву корпуса.

Уровень современных достижений в инфракрасной технике (ИК) позволяет обеспечить - высокую чувствительность и точность при приемлемых массах, габаритах, надежности.

В настоящее время при построении оптико-электронного информационного канала ИК - диапазона используются несколько многоэлементных матричных фотоприемных устройств (ФПУ) с соответствующей организацией детектирования и считывания сигналов. Точностные характеристики ТПА обеспечиваются за счет определения мгновенного положения осей визирования, обработка информации проводится комбинированным (цифроаналоговым) способом. В состав типовой ТПА чаше всего входят выносной оптико-электронный модуль (ОЭМ), автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, комплект вспомогательной аппаратуры.

Электромагнитное излучение инфракрасного и видимого спектральных диапазонов, исходящее от объектов составляющих наблюдаемую сцену, синхронно в КОЭ-ИК и КОЭ-ВД (ОЭМ) преобразуется в соответствующие последовательности электронных изображений.

При этом в КОЭ-ИК происходит предварительная и первичная обработка информации, результатом которой является генерация электронных изображений двух типов ({СпИТПВ} и {СпИТПП}). Первый тип изображений {СпИТПВ} представляет собой термограмму (тепловой снимок) наблюдаемой сцены. Изображения второй последовательности {СпИТПП} содержат информацию только об объектах либо движущихся, либо имеющих быстро меняющуюся яркость.

Далее, все полученные электронные изображения через буферное запоминающее устройство и приемо-передающее устройство по высокоскоростной оптоволоконной линии связи передаются на АРМ оператора ТПА.

В АРМ оператора ТПА электронные изображения {СпИТПВ} попадают на кадровый формирователь видовой информации. Там в зависимости от выбранного режима происходит их форматирование либо в панорамный тепловой снимок всего сектора ведения разведки, либо в тепловой снимок его отдельного фрагмента. Полученные снимки передаются на устройство отображения видовой информации, где происходит их визуализация.

Последовательности электронных изображений {СпИТПП}, следующих от каждой КОЭ-ИК и содержащих информацию либо о подвижных объектах, либо об объектах с переменной яркостью, в АРМ оператора ТПА обрабатываются параллельно, независимо друг от друга, каждая в своем канале. Первоначально они попадают в устройства временной задержки и накопления. Там, происходит их покадровое суммирование и последующая выдача (в темпе поступления информации) в вычислитель координат целей. В вычислителе координат целей производится анализ поступившей информации на наличие признаков целей и, в случае их выявления, определение координат целей (в приборной системе координат) и фиксация времени их обнаружения. После этого координаты обнаруженных целей (временные и пространственные, в приборной системе) через интерфейсное устройство передаются в бортовую цифровую вычислительную машину.