Посадочный радиолокатор - RU2556708C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к радиолокационным средствам автоматизированных систем управления полетами и посадкой воздушных судов (ВС) в аэродромной зоне, использующим первичные средства радиолокации с формированием и излучением высокочастотных зондирующих импульсов, последующим приемом и обработкой радиолокационных сигналов, отраженных от ВС и других воздушных объектов.

Известны посадочные радиолокаторы (ПРЛ) для управления полетами и посадкой ВС в аэродромной зоне: ПРЛ-4 [1], РП-3Г [2], ПРЛ радиолокационных систем посадки (РСП) РСП-6М2 [3] и РСП-7 [4], посадочный канал радиолокационного комплекса AN/TPN-31[5], ПРЛ PAR 2090С [6] и посадочный радиолокатор RP-5M [7].

Посадочные радиолокаторы ПРЛ-4 [1] и РП-3Г [2], а также ПРЛ радиолокационных систем посадки РСП-6М2 [3] и РСП-7 [4] разработаны с использованием зеркальных антенн с механическим сканированием (обзором), позволяют осуществлять равномерный последовательный обзор воздушного пространства и наблюдение ВС в контролируемой воздушной зоне, а также совместно с другими радиотехническими средствами участвуют в обеспечении посадки ВС на взлетно-посадочную полосу (ВПП) аэродрома. Недостатком данных ПРЛ является громоздкость конструкции, низкая эксплуатационная технологичность, практическая невозможность их серийного изготовления (ввиду морального устаревания элементной базы и материалов), низкая надежность, а также несоответствие точности измерения основных параметров положения (координат) и движения ВС требованиям современных нормативных документов РФ [8] и мировых стандартов. Другим недостатком данных ПРЛ является отсутствие возможности организации квазислучайного обзора пространства (неравномерного в плоскости сканирования) с реализацией режима обнаружения и сопровождения ВС с укороченным (по сравнению с периодом обзора) интервалом обновления информации, позволяющим улучшить его энергетические и точностные характеристики.

Посадочный канал радиолокационного комплекса AN/TPN-31 [5] разработан с использованием неподвижных курсовой и глиссадной активных антенных решеток (АР) на базе активных приемо-передающих модулей и позволяет наряду с последовательным обзором осуществлять квазислучайный обзор воздушного пространства, предоставляющий возможность организации режима обнаружения и сопровождения ВС в любом произвольном направлении с меняющимся и укороченным периодом обновления информации. Недостатком данного посадочного канала является его высокая стоимость, обусловленная использованием в АР дорогих активных приемо-передающих модулей, и отсутствие возможности оперативной смены направления посадки вследствие наличия одной неподвижной комбинированной глиссадно-курсовой антенны, ориентированной вдоль только одного из двух возможных противоположных направлений посадки ВС на ВПП.

Посадочный радиолокатор PAR 2090С [6] разработан с применением независимых курсовой и глиссадной пассивных антенных решеток, устанавливаемых в заданном направлении путем разворота с использованием соответствующих опорно-поворотных устройств и выполняющих механическое сканирование зоны обзора. Недостатком ПРЛ PAR 2090С является механическое движение антенн при сканировании, что снижает надежность ПРЛ и не позволяет организовать квазислучайный обзор пространства для реализации режима обнаружения и сопровождения ВС с укороченным периодом обновления информации. Другим недостатком ПРЛ PAR 2090С является сложность конструктивного исполнения, предполагающего размещение аппаратуры ПРЛ в двух контейнерах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому ПРЛ является ПРЛ RP-5M (фиг.1) [7] (прототип), используемый в современных системах управления воздушным движением для обнаружения и контроля за полетом ВС на траектории захода на посадку.

ПРЛ RP-5M содержит два идентичных приемо-передающих канала А и В, каждый из которых состоит из передатчика, циркулятора, приемника и сигнального процессора, а также зеркальные антенны курса и глиссады, перемещаемые в заданном секторе пространства с помощью соответственно опорно-поворотных устройств, переключатель приемо-передающих трактов каналов А и В, экстрактор, технологический дисплей и устройство регистрации.

Недостатком ПРЛ RP-5M является использование зеркальных антенн с механическим равномерным сканированием зоны обзора и поворотом антенн на заданное направление посадки, что снижает показатели надежности ПРЛ и не позволяет организовать квазислучайный обзор контролируемого воздушного пространства, обеспечивающий режим сопровождения ВС с укороченным периодом обновления информации. Кроме того, в ПРЛ используется традиционный метод обнаружения и измерения координат ВС по огибающей пакета эхо-сигналов, последовательно принимаемых от ВС в пределах монотонно сканирующей ДН антенны, что приводит к возникновению ошибок измерения координат при флюктуациях или пропадании отдельных импульсов пакета и не позволяет сократить время, необходимое для обнаружения и измерения параметров положения и движения ВС.

Цель изобретения - повышение надежности функционирования, оперативности наблюдения, энергетических и точностных характеристик ПРЛ.

Поставленная цель достигается заменой в прототипе механически перемещаемых зеркальных антенн с соответствующими опорно-поворотными устройствами на две неподвижные пассивные моноимпульсные курсовые АР, ориентированные на противоположные направления посадки, одну пассивную моноимпульсную глиссадную АР, устанавливаемую на заданное направление посадки путем соответствующего поворота в горизонтальной плоскости, и введением режима оперативного квазислучайного обзора воздушного пространства благодаря использованию частотного сканирования и моноимпульсной обработки отраженных радиолокационных эхо-сигналов.

На фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого ПРЛ.

ПРЛ содержит два идентичных приемо-передающих канала А и В, каждый из которых состоит из передатчика, приемника, сигнального процессора, причем в каждом канале выход приемника соединен со входом сигнального процессора, а также антенну курса, антенну глиссады, опорно-поворотное устройство глиссады, на котором устанавливается антенна глиссады и управляющий вход которого подключается к соединенным вместе выходам 1 сигнальных процессоров А и В, экстрактор, вход которого соединен с выходом 2 сигнального процессора канала А, технологический дисплей и устройство регистрации, входы 1 которых соединены и подключены к выходу экстрактора, а входы 2 соединены и подключены к соединенным вместе выходам 3 сигнальных процессоров А и В, выход 4 сигнального процессора А является выходом 1 ПРЛ, дополнительную антенну курса, дополнительный экстрактор, переключатели 1, 2, 3 и 4, устройства управления и сопряжения каналов А и В, а также технологический пульт управления, причем входы антенны курса, дополнительной антенны курса и антенны глиссады соединены соответственно с выходами 1, 2 и 3 переключателя 1, входы 1 и 2 которого соединены соответственно с выходами передатчиков А и В, входы которых подключены соответственно к выходам 1 и 2 переключателя 2, входы которого 1 и 2 соединены соответственно с выходами 5 сигнальных процессоров А и В, выходы 1 и 2 антенны курса подключены соответственно ко входам 1 и 2 переключателя 3, входы которого 3 и 4 соединены с выходами 1 и 2 дополнительной антенны курса, а выходы 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно ко входам 1 и 2 приемника А и входам 1 и 2 приемника В, выходы 1 и 2 антенны глиссады подключены соответственно ко входам 1 и 2 переключателя 4, выходы которого 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно ко входам 3 и 4 приемника А и входам 3 и 4 приемника В, выходы экстрактора и дополнительного экстрактора соединены вместе и подключены к соединенным вместе входам 1 устройств управления и сопряжения А и В, а также к входам 1 устройства регистрации и технологического дисплея, входы 2 устройств управления и сопряжения соединены вместе и подключены к выходу технологического пульта управления, выход 4 сигнального процессора В является выходом 3 ПРЛ, а выходы устройств управления и сопряжения А и В являются соответственно выходами 2 и 4 ПРЛ.

Антенна курса, дополнительная антенна курса и антенна глиссады содержат по одной передающей антенне и по две идентичные приемные антенны, обеспечивающие реализацию амплитудного моноимпульсного метода обнаружения и оценки координат ВС.

Антенны курса и глиссады, ориентированные на противоположные направления посадки, неподвижны при обзоре, причем каждая из приемных и передающих антенн, входящих в состав антенн курса и глиссады, выполнена в виде антенной решетки, вибраторы которой подключены к замедляющей волноводной линии, имеющей один запитывающий конец и реализующей равномерное периодическое или квазислучайное сканирование антенного луча в пределах зоны обзора путем соответствующего изменения несущей частоты сигналов.

Аппаратура приема и обработки сигналов каналов А и В, включающая приемник, сигнальный процессор, экстрактор и устройство управления и сопряжения, выполнена в виде двух автономных блоков обработки информации А и В.

ПРЛ содержит дублированные каналы передачи данных на выносной диспетчерский пункт управления воздушным движением в виде широкополосной линии передачи информации и узкополосной линии передачи данных.

В целом введение дополнительной неподвижной антенны курса, дополнительного экстрактора, переключателей 1-4, устройств управления и сопряжения каналов А и В, а также пульта технологического управления позволяет повысить надежность функционирования, оперативность наблюдения, а также энергетические и точностные характеристики ПРЛ.

Работа предлагаемого посадочного радиолокатора состоит в следующем.

В основу работы ПРЛ положено использование двух независимых идентичных приемо-передающих каналов А и В, каждый из которых обеспечивает реализацию алгоритма амплитудного моноимпульсного измерения координат ВС. В ходе штатной работы с целью достижения максимального энергетического потенциала в ПРЛ используются одновременно оба передатчика А и В, а также приемник, сигнальный процессор и экстрактор одного из приемных каналов А или В, причем каждый из приемных каналов является четырехканальным и выполняет одновременную обработку радиолокационных сигналов, поступающих с выходов 1 и 2 антенны курса или дополнительной антенны курса и с выходов 1 и 2 антенны глиссады.

Каждая из антенн курса и глиссады состоит из одной передающей антенны и двух приемных антенн. Вход передающей антенны является входом антенн курса и глиссады, а выходы приемных антенн являются выходами 1 и 2 антенн.

При помощи переключателя 1 передатчик А подсоединяется ко входу одной из антенн курса, ориентированной на выбранное направление посадки, а передатчик В к антенне глиссады или наоборот. В случае выхода одного из передатчиков из строя данный передатчик отключается, и ПРЛ на время ремонта неисправного передатчика переходит на резервный экономичный режим работы только с одним исправным передатчиком. Для этого при помощи переключателя 1 выполняется подключение выхода исправного передатчика одновременно ко входам работающей антенны курса и антенны глиссады.

На выходах 5 сигнальных процессоров А и В формируются высокочастотные зондирующие импульсы (ЗИ) низкого уровня мощности, которые поступают соответственно на входы 1 и 2 переключателя 2. На выходы 1 и 2 переключателя 2 поступает один из входных ЗИ, который далее с указанных выходов поступает на входы соответственно передатчиков А и В. Таким образом переключатель 2 обеспечивает одновременную работу передатчиков А и В.

В ПРЛ антенны курса и глиссады имеют ортогональные поляризационные свойства: антенна курса и дополнительная антенна курса являются горизонтально поляризованными, а антенна глиссады имеет вертикальную поляризацию. Благодаря этому, отраженные радиолокационные сигналы, одновременно принимаемые по каналам курса и глиссады, в ПРЛ будут иметь энергетическую развязку по поляризации. При этом обеспечивается практическое отсутствие взаимных помех между курсовым и глиссадным каналами при одновременной работе антенн курса и глиссады на излучение и прием отраженных сигналов на близких или даже равных несущих частотах.

С помощью антенны курса для одного направления посадки или дополнительной антенны курса для противоположного направления посадки и антенны глиссады, устанавливаемой в заданное направление посадки при помощи опорно-поворотного устройства глиссады, производится одновременный секторный обзор пространства соответственно в азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной) плоскостях с центром в месте расположения ПРЛ вдоль ВПП аэродрома.

Обзор пространства в отличие от прототипа производится не с помощью механического равномерного циклического движения антенн курса и глиссады в пределах заданных секторов, а с использованием неподвижных антенн, что повышает эксплуатационную надежность антенн и ПРЛ в целом.

Перемещение антенного луча в пространстве при неподвижных антеннах обеспечивается за счет реализации алгоритма частотного сканирования путем дискретного изменения несущей частоты зондирующих импульсов и соответствующего изменения частоты гетеродинов приемников по определенному периодическому (при равномерном обзоре) или квазислучайному (при поиске ВС в направлении их наиболее вероятного появления или их сопровождении) закону.

Максимальный сигнал, излучаемый антенной, зависит от фазового сдвига φ между вибраторами передающей антенны и соответствует направлению α_o, удовлетворяющему условию [9]

где b - расстояние между вибраторами антенны; λ - длина волны излучаемых сигналов (λ=c/ƒ, где с - скорость распространения электромагнитных волн в воздушном пространстве, ƒ - частота),

так как сигналы, излучаемые в этом направлении отдельными вибраторами, будут суммироваться в фазе и создадут максимальную напряженность электромагнитного поля.

Аналогично принимаемые колебания создадут в этом направлении максимальную интенсивность входного радиолокационного сигнала, отраженного от воздушных объектов, на выходе приемной антенны.

В антеннах используется способ электрического частотного сканирования антенного луча посредством перестройки частоты ƒ сигнала и питания вибраторов антенной решетки от замедляющей волноводной линии с одного конца. Набег фазы от вибратора к вибратору определяется длиной L отрезка питающего замедляющего волновода между соседними вибраторами

где λ_в - длина волны, распространяющейся в замедляющей волноводной линии (λ_в=c_в/ƒ, где с_в - скорость распространения электромагнитных волн в волноводной линии).

При излучении зондирующих импульсов за счет изменения частоты передатчика меняется λ_в и φ согласно (2), благодаря чему происходит сканирование луча по углу α_o с учетом (1) в соответствии с формулой

Частотное сканирование путем скачкообразной перестройки частоты обеспечивает возможность в соответствии с (1)-(3) практически мгновенно изменить направление расположения максимума диаграммы направленности антенны в плоскости сканирования и оставаться в этом направлении в течение произвольного времени. Такой режим квазислучайного обзора позволяет повысить оперативность наблюдения, а также энергетический потенциал и соответственно точностные характеристики ПРЛ по сравнению с режимом циклического равномерного обзора.

При равномерном обзоре с периодом Т_о эффективное число интегрируемых импульсов, определяющих энергетический потенциал ПРЛ, зависит от угловой скорости перемещения антенного луча Ω в пределах зоны обзора Δα, эффективной ширины диаграммы направленности θ и частоты повторения F_п зондирующих импульсов ПРЛ [9]

При квазислучайном обзоре эффективное число интегрируемых импульсов когерентно-импульсного ПРЛ определяется периодом обзора и заданным максимальным количеством ВС m, которые должны быть обнаружены в пределах зоны обзора и взяты на сопровождение

Выигрыш квазислучайного режима обзора относительно равномерного обзора в эффективном числе интегрируемых импульсов с учетом (4) и (5) определяется выражением

При нормативных величинах параметров, входящих в выражение (5), m=10, Δα=35 град и θ=1,2 град (для азимутальной плоскости сканирования), из последнего выражения получим N_к/N_р=~6. Следовательно, при такой организации квазислучайного режима обзора энергетический потенциал ПРЛ повышается в ~6 раз.

Таким образом, переход на квазислучайный режим обзора позволяет в зависимости от заданного количества обслуживаемых ВС получить существенный выигрыш в эффективном числе интегрируемых импульсов и соответственно в энергетическом потенциале ПРЛ.

Повышение энергетического потенциала позволяет улучшить точностные характеристики ПРЛ, зависящие от отношения А амплитуды сигнального импульса длительностью τ к среднеквадратическому значению шума и числа N_к:

- потенциальную точность измерения дальности, определяемую величиной потенциальной среднеквадратической ошибки измерения дальности [9]

- потенциальную точность измерения угловых координат, определяемую величиной потенциальной среднеквадратической ошибки измерения угла [9]

Как следует из выражений (6) и (7), увеличение эффективного числа интегрируемых импульсов N_к, достигаемое при квазислучайном режиме обзора ПРЛ, обеспечивает уменьшение величин σ_д и σ_у, то есть повышает точностные характеристики ПРЛ.

Формирование зондирующих импульсов, величина несущей частоты которых устанавливается в зависимости от требуемого направления α_о излучения и приема отраженных радиолокационных сигналов, производится в высокочастотном формирователе одного из выбранных для работы сигнальных процессоров А или В. При помощи переключателя 2 высокочастотные зондирующие импульсы направляются на входы передатчиков А и В, где они усиливаются по мощности. Выходные импульсные сигналы передатчиков через переключатель 1 направляются ко входам антенн курса и глиссады для излучения в пространство.

Радиолокационные сигналы, являющиеся результатом отражения зондирующих импульсов от воздушных судов и других объектов, через рабочую антенну курса и антенну глиссады поступают соответственно на переключатель 3 и переключатель 4. С выхода переключателя 3 сигналы курса, а с выхода переключателя 4 сигналы глиссады поступают на соответствующие входы приемника А, если работает канал А, или на входы приемника В, если для работы выбран канал В. Выходные сигналы приемника на промежуточной частоте поступают в сигнальный процессор, где производится их аналого-цифровое преобразование, когерентная межпериодная частотная фильтрация на фоне шумов и пассивных помех, выполняется процедура обнаружения по критерию Неймана-Пирсона, обеспечивающему получение максимальной вероятности правильного обнаружения ВС при фиксированной вероятности ложных тревог по шумам и остаткам пассивных помех, временная взвешенная обработка, а также формирование плотов и оценка сферических координат (дальность, азимут и угол места) ВС.

В каналах А и В приемник, сигнальный процессор, экстрактор и устройство управления и сопряжения объединены в блоки обработки информации А и В, образуя дублированную аппаратура приема и обработки сигналов основного и резервного каналов.

На выходах 1-4 ПРЛ обеспечивается формирование дублированных каналов передачи данных на выносной командный диспетчерский пункт (КДП) управления воздушным движением в виде широкополосных линий передачи информации (Выходы 1 и 3) и узкополосных линий передачи данных (Выходы 2 и 4).

Переход на работу с одним каналом аппаратуры А или В при выходе из строя аппаратуры другого канала может производиться автоматически или вручную с технологического пульта управления ПРЛ или с рабочего места диспетчера на КДП в зависимости от состояния и режима эксплуатации ПРЛ.

Разработан и изготовлен опытный образец ПРЛ, успешно проведены его заводские и полигонные государственные испытания. Готовится запуск серийного производства ПРЛ.

Эффективность ПРЛ подтверждена положительными результатами полигонных государственных испытаний опытного образца, показавшими, что построение ПРЛ на базе недорогих пассивных неподвижных антенных решеток с равномерным и квазислучайным частотным сканированием антенного луча, предусматривающим моноимпульсную обработку отраженных радиолокационных сигналов, позволяет повысить надежность функционирования, оперативность наблюдения, энергетические и точностные характеристики ПРЛ.

Литература

1. Описание ПРЛ-4 [он-лайн, найдено в Интернете на http://hist.rloc.ru/lobanov/6_16_5.htm].

2. Описание ПРЛ-ЗГ найдено в монографии «П.С. Давыдов, А.А. Сосновский, И.А. Хаймович. Авиационная радиолокация. Справочник. /Под ред. П.С.Давыдова. - М., изд-во «Транспорт», 1984 г. (с.125)».

3. Описание РСП-6М2 [он-лайн, найдено в Интернете на http://www.eandc.ru/news/detail.php?ID=18434 или на http://www.tc-alet.ru/Produksia7.html].

4. Описание РСП-7 [он-лайн, найдено в Интернете на http://museum.radioscanner.ru/avionika/aviomuzejs/rsp_7/rsp_7.html].

5. Описание ANTPN-31 [он-лайн, найдено в Интернете на http://www.fas.org/man/dod-10l/sys/ac/equip/an-tpn-31.htm или на http://www.deagel.com/Special-Purpose-Vehicles/ANTPN-31-ATNAVICS_a000607001.aspx].

6. Описание PAR 2090 С [он-лайн, найдено в Интернете на http://www.selex-sas.com/EN/Common/files/SELEX_Galileo/Products/PAR_2090.pdf].

7. Описание RP-5M [он-лайн, найдено в Интернете на http://www.eldis.cz/files/katalog_list/radar-RP-5M-en.pdf].

8. Федеральные авиационные правила "Радиотехническое обеспечение полетов и авиационная электросвязь. Сертификационные требования". - М., 1999 г. [он-лайн, найдено в Интернете на http://www.stroyplan.ru/docs.php?showitem=6495#i 106600].

9. Теоретические основы радиолокации./Под ред. В.Е. Дулевича. - М., изд-во «Сов.радио», 1964 г.

Реферат

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в современных системах управления воздушным движением для обнаружения и контроля за полетом воздушного судна на траектории захода на посадку на взлетно-посадочную полосу аэродрома. Достигаемый технический результат - повышение надежности функционирования, оперативности наблюдения, энергетических и точностных характеристик посадочного радиолокатора. Указанный результат достигается введением двух неподвижных пассивных моноимпульсных курсовых антенных решеток, ориентированных на противоположные направления посадки, одной пассивной моноимпульсной глиссадной антенной решетки, устанавливаемой на заданное направление посадки путем соответствующего поворота в горизонтальной плоскости, а также введением режима оперативного квазислучайного обзора воздушного пространства благодаря использованию частотного сканирования и моноимпульсной обработки радиолокационных эхо-сигналов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула