книги / Радиолокационные измерители дальности и скорости. [Т.1]

УДК 629.7.068.63 Авторы:

В.И. Меркулов, А.И. Перов, В.Н. Саблин, В.В. Дрогалин, Г.И. Горгонов, А.А. Герасимов, О.А. Сирота, В.П. Харьков

Рапиплтсяпипиные измерители дальности и СКОРОСТИ. Т.1. В.И. Меркулов, А.И. Перов, В.Н. Саблин и др.; Под ред. В.Н. Саблина. -М .: Радио и связь. 1999. - 420 с.: 114 ил.

ISBN 5-256-01446-3.

Излагаются принципы построения, особенности синтеза и анализа радиолока­ ционных дальномеров и измерителей скорости различного назначения.

Рассмотрены теоретические основы синтеза и анализа радиолокационных изме­ рителей на основе представления процессов и систем в многомерном пространстве состояний в рамках математического аппарата теорий оптимального управления, фильтрации и идентификации. Уделено внимание особенностям построения л функ­ ционирования временных и частотных дискриминаторов, сглаживающих фильтров, исполнительных устройств (алгоритмов) и датчиков корректирующих сигналов, вхо­ дящих в состав дальномерных каналов РЛС, а также особенностям построения дальномерных каналов в импульсно-доплеровских системах.

Приведены многочисленные примеры синтеза и результаты исследований ком­ плексных радиолокационных, в том числе многоконтурных, автоселекторов дально­ сти и скорости на основе различных теоретических подходов, позволяющих обеспе­ чить высокоточное бессрывное сопровождение интенсивно маневрирующих целей.

Для инженеров и научных сотрудников, связанных с проектированием и экс­ плуатацией радиолокационных систем и систем радиоуправления, а также для пре­ подавателей, аспирантов и студентов радиотехнических факультетов высших учеб­

Редакционная коллегия серии АВИАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ: Главный редактор - проф., д.т.н. САБЛИН В.Н.

Зам. главного редактора - проф., к.т.н. МЕРКУЛОВ В.И. проф., д.т.н. АНТИПОВ В.Н., проф., д.т.н. КАНАЩЕНКОВ А.И., с.н.с., к.т.н. КУРИЛКИН В.В., проф., д.т.н. ПЕРОВ А.И.

Меркулов В.И., Перов А.И., Саблин В.Н. и др. 1999

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уважаемые читатели! Вашему вниманию предлагается очеред­ ная книга из серии «Авиационные системы радиоуправления», которая является первой частью монографии «Радиолокационные измерители дальности и скорости»

Бурное развитие авиации, расширение номенклатуры лета­ тельных аппаратов, существенное усложнение алгоритмов траекторного управления ими и режимов работы их информационно­ вычислительных систем предъявляют существенно более жёсткие требования к объёму требуемого информационного обеспечения, быстродействию, точности и устойчивости функционирования ра­ диоэлектронных датчиков, включая и радиолокационные измери­ тели дальности и скорости. Вместе с тем, постоянно возрастающие возможности ЦВМ по быстродействию и объёму памяти, развитие прикладных сторон теорий оптимального управления, фильтрации

иидентификации дают возможность в значительной мере удовле­ творить требованиям по созданию радиолокационных дальномеров

иизмерителей скорости нового поколения.

Внастоящее время отсутствует литература с систематизиро­ ванным изложением принципов построения, особенностей функ­ ционирования и процедур синтеза и анализа радиолокационных измерителей дальности и скорости, отвечающих современным тре­ бованиям. Издание данной книги, позволяющей восполнить этот пробел, преследует несколько целей. С одной стороны, она содер­ жит фактический материал и конкретные сведения о современном состоянии радиолокационной дальнометрии, который будет поле­ зен широкому кругу радиоспециалистов. С другой стороны, в неё включены теоретические сведения о перспективных методах син­ теза и анализа с иллюстрацией конкретных приёмов и процедур их выполнения в процессе разработки определённых видов даль­ номеров и измерителей скорости, что несомненно позволит расши­ рить кругозор и получить практические навыки заинтересованным читателям. Наиболее полезна она для инженеров и научных со­ трудников, связанных с проектированием РЛС и систем радио­ управления, а также для преподавателей, аспирантов и студентов радиотехнических факультетов и ВУЗов.

Для понимания книги зполне достаточно знаний в объёме ву­ зовских курсов высшей математики, основ автоматики, статисти­ ческой теории радиотехнических устройств и радиолокации.

Изложение материала выполняется в предположении, что за­ дачи обнаружения целей и их разрешение уже выполнены, при этом основное внимание уделяется вопросам программной, а не аппаратной реализации.

Монография написана на основе материалов открытой отече­ ственной и зарубежной литературы и содержит большой объём но­ вого оригинального материала авторов. Она состоит из предисло­ вия, введения, 12 глав и заключения. В первых двух главах рас­ смотрены общие теоретические вопросы синтеза и анализа радио­ локационных измерителей, как разновидности динамических сис­ тем. Основной упор в них сделан на изложение алгоритмов синте­ за оптимальных, в том или ином смысле, систем на базе матема­ тического аппарата статистической теории оптимального управле­ ния, теории оптимального оценивания фазовых координат и пара­ метров систем и адаптации. Из всего многообразия различных ал­ горитмов, используемых в этих теориях, были отобраны те, кото­ рые позволяют получить наибольшее количество модификаций и являются наиболее употребительными. При этом каждый из рас­ смотренных теоретических вопросов получил в дальнейших главах своё практическое воплощение в виде конкретных синтезирован­ ных алгоритмов функционирования различных вариантов дально­ меров и измерителей скорости с детализацией используемых приёмов и процедур синтеза. Абсолютное большинство синтезиро­ ванных алгоритмов иллюстрируется результатами имитационного моделирования.

Втретьей главе рассмотрены принципы построения, класси­ фикация и состав дальномеров и измерителей скорости. Большое внимание уделено особенностям построения составных частей дальномеров: временных и частотных дискриминаторов, сглажи­ вающих фильтров, исполнительных устройств и датчиков коррек­ тирующих сигналов.

Четвёртая глава посвящена особенностям функционирования дальномеров в составе доплеровских РЛС. Значительное внимание уделено процедурам устранения неоднозначности отсчётов дально­ сти и скорости и мёртвых зон в импульсных системах.

Впятой и шестой главах рассматриваются вопросы комплексирования датчиков различной физической природы в составе дальномеров и синтеза комплексных следящих систем. Большое внимание уделено вопросам синтеза различных вариантов ком­ плексных многоконтурных следящих дальномеров и измерителей скорости на основе перспективных алгоритмов статистической теории оптимального управления. Использование алгоритмов этой

теории позволяет разрешить противоречия между точностью и ус­ тойчивостью и получить системы совместно наилучпше по точно­ сти и экономичности в условиях реальных ограничений на вели­ чину сигналов управления и быстродействие исполнительных ор­ ганов.

Седьмая глава посвящена особенностям построения и функ­ ционирования двухдиалазонных измерителей дальности и скоро­ сти, которые дают возможность не только повысить точность и ус­ тойчивость сопровождения целей при приёме флуктуирующих от­ ражённых сигналов, но и в значительной мере повысить помехо­ защищённость.

Ввосьмой главе изложены процедуры синтеза различных ва­ риантов адаптивных радиолокационных измерителей дальности и скорости, отличающиеся различной степенью сложности и спосо­ бами адаптации к изменению тех или иных условий функциони­ рования.

Вдевятой главе приводится материал, содержащий сведения об алгоритмах одновременного автоматического сопровождения нескольких целей. Рассмотрены основные этапы этого процесса, которые связаны с завязкой траекторий, их экстраполяцией в

промежутках между поступлениями измерений, идентификацией последних и коррекцией экстраполированных траекторий по ре­ зультатам идентифицированных измерений. Большое внимание уделено перспективным алгоритмам бесстробового сопровождения.

В десятой главе рассмотрены особенности построения и функ­ ционирования дальномеров, предназначенных для сопровождения наземных целей. При этом особое внимание было уделено проце­ дурам сопровождения в режимах синтезирования апертуры антен­ ны, доплеровского обужения луча и корреляционным системам.

Одиннадцатая глава посвящена проблемам оценивания даль­ ности и скорости при сопровождении больших групп целей. Она содержит оригинальный материал по способам группирования це­ лей и характерным признакам групп, которые позволяют сопро­ вождать большую группу целей как единое целое. Эта особенность даёт возможность сопровождать цели системам с весьма ограни­ ченной пропускной способностью.

В двенадцатой главе уделено внимание особенностям радиоло­ кационной дальнометрии в многопозиционных радиоэлектронных системах наведения.

Следует отметить, что в монографии, несмотря на всю его ус­ ловность, использовано исторически сложившиеся название «радиолокационные измерители дальности и скорости», хотя фак­

тически основное внимание уделено процедурам оценивания даль­ ности, скорости и их производных на основе первичных измере­ ний времени запаздывания и доплеровской частоты. Вопросы помехозащиты радиолокационных измерителей дальности и скоро­ сти в этой монографии не рассматриваются, поскольку им предпо­ лагается посвятить отдельную книгу.

Ввиду большого объёма материала и для удобства пользования монография разделена на два тома. Первый том включает: преди­ словие, введение и главы с первой по шестую включительно. Вто­ рой - главы 7-12 и заключение. В книге принята тройная нуме­ рация формул и рисунков в которой первая цифра означает номер главы, вторая - номер параграфа, а третья - номер формулы или рисунка в параграфе.

Перечень принятых сокращений и список литературы приве­ дены в конце книги.

Труд по написанию первой части монографии распределялся следующим образом:

введение, п.п. 1.8.1, 1.9.4, §§ 1.12, 2.2, 2.4, 4.5, 6.3, 6.4 на­ писаны В.И. Меркуловым; п.1.4.3, §§ 1.5-1.7, п.п. 1.8.2, 3.1.1, 3.1.3-3.1,5, §§ 3.2, 3,6 и глава 5 подготовлены А.И. Перовым; предисловие, §§ 2.1, 2.3, п.3.1.2 - В.Н. Саблиным; §6.5 - В.В. Дрогалиным; п.4.2.1 - А.А. Герасимовым; §§ З.З-З.б - Г.И. Горгоновым; §§ 1.13, 3.7 и 6.6 - В.П. Харьковым; п.4.2.6 - О.А. Си­ ротой;

совместно В.И. Меркуловым и А.И. Перовым подготовлены §§ 1.1, 1.2, п.п. 1.4.1, 1.4.2, 1.9.1-1.9.3, §§ 1.10, 1.11; В.И. Мер­ куловым и В.В. Дрогалиным написаны §§ 6.1, 6.2; В.И. Меркуло­ вым и А.А. Герасимовым - §4.1 и п.4.2.5; В.И. Меркуловым и Г.И. Горгоновым - §§ 4.3 и 4.4; А.И. Перовым и В.Н. Саблиным - §1.3; А.А. Герасимовым и О.А. Сиротой подготовлены п.п. 4.2.2- 4.2.4.

ВВЕДЕНИЕ

Радиолокационные измерители дальности и скорости, являют­ ся составной частью радиолокационных систем (РЛС), в свою оче­ редь входящих в состав авиационных систем радиоуправления. Традиционно дальномеры в составе РЛС и радиолокационных го­ ловок самонаведения (РГС) решают задачи формирования оценок дальности до целей и скоростей сближения с ними, которые ис­ пользуются для управления летательными аппаратами и целеука­ зания средствам поражения. Кроме того, на основе информации о дальности и скорости осуществляется селекция полезных сигналов по времени запаздывания (дальности) и доплеровской частоте (скорости). В силу важности этой задачи дальномерные каналы БРЛС и РГС часто называют автоматическими селекторами даль­ ности и скорости (АСДС).

Следует подчеркнуть, что, являясь системами более низкого уровня иерархии, дальномеры во многом определяют показатели эффективности как РЛС, так и радиоэлектронных систем самона­ ведения (РЭССН) в целом. Достаточно сказать, что срыв сопрово­ ждения цели по дальности или скорости, как правило, приводит к срыву самонаведения самолёта или ракеты в целом.

Подчинённое положение дальномеров в составе радиоэлек­ тронных систем управления (РЭСУ) предполагает учёт тенденций развития последних при предъявлении требований к процедурам радиолокационного сопровождения целей по дальности и скоро­ сти. В качестве таких тенденций и особенностей, оказывающих непосредственное влияние на требования, предъявляемые к даль­ номерам и алгоритмам их функционирования, можно отметить:

сверхмайевренность летательных аппаратов; снижение их радиолокационной заметности;

необходимость мгновенного применения оружия (стрельба на­ вскидку);

расширение ассортимента применяемых радиопомех; использование режимов одновременного автоматического со­

провождений нескольких целей в режиме обзора (АСЦРО); Применение комбинированных высокоточных систем наведе­

ния ракет [1^*3]; одновременное применение больших групп летательных аппа­

ратов.

Для информационного обеспечения существенно более слож­ ных алгоритмов траекторного управления сверхманевренных са­

молётов (модификации СУ-27, С-37 (Россия), F-22, Х-31 (США) и т.д.) зачастую требуется знание не только дальности и скорости сближения с ними, но и ускорения и его производных.

Снижение радиолокационной заметности целей обусловливает уменьшение дальности обнаружения и времени на организацию противодействия. Это предопределяет необходимость увеличения быстродействия всех составных частей РЭСУ противоборствующих сторон, а, соответственно, и увеличение быстродействия дальномерных каналов. Кроме того, становится весьма актуальной задача обеспечения устойчивого высокоточного сопровождения целей по дальности и скорости при существенно меньших соотношениях энергии сигнала к спектральной плотности шума.

Применение ракет большой и средней дальности с комбиниро­ ванными системами наведения по маневрирующим целям требует существенного повышения точности управления ими на автоном­ ном участке, предшествующем этапу самонаведения. Это повыше­ ние точности обеспечивается передачей на борт ракеты сигналов радиокоррекции [3, 45], которые формируются на основе инфор­ мации о составляющих скорости или ускорения цели, получаемой с участием дальномеров.

Расширение ассортимента применяемых радиопомех и их имитирующих возможностей [9, 31] в процессе увода по дальности и скорости предопределяет необходимость более сложного анализа принимаемых сигналов и законов изменения дальности и скорости сближения и их производных, а также законов изменения состав­ ляющих собственной скорости цели.

Обобщая всё вышесказанное, можно придти к заключению, что современные и перспективные дальномеры должны обеспечи­ вать формирование оценок не только дальности и скорости, но и их более высоких производных, а также радиальных составляю­ щих скорости и (или) ускорений цели.

Особо следует подчеркнуть, что для бессрывного высокоточно­ го сопровождения сверхманевренных целей нужны следящие из­ мерители нового поколения, удовлетворяющие более жёстким тре­ бованиям по точности, устойчивости и быстродействию. К сожале­ нию необходимо признать, что традиционные радиолокационные измерители, построенные по одноконтурному принципу на базе следящих систем с астатизмом второго порядка не удовлетворяют этим требованиям. Одной из причин этого является возникновение во время интенсивного маневрирования производных отслеживае­ мых фазовых координат порядок которых превышает порядок астатизма следящих систем. В итоге происходит нарастание дина­

мических ошибок слежения и срыв сопровождения становится лишь вопросом времени. Проблема одновременного повышения точности и устойчивости в одноконтурных следящих системах, в которых чувствительный элемент (дискриминатор), сглаживаю­ щий фильтр (управитель) и исполнительное устройство (устройст­ во расстановки стробов и управляемый гетеродин) включены по­ следовательно, является достаточно сложной.

Сверхманевренные свойства самолётов позволяют значительно уменьшить время, затрачиваемое на их вывод в зону применения оружия, что предопределяет необходимость его применения «на­ вскидку». Отсюда следует целесообразность существенного повы­ шения быстродействия дальномеров в процессе отработки ошибок захвата и целеуказаний. Время отработки этих ошибок, опреде­ ляемое интервалом в 2...3 с [3] становится непозволительной рос­ кошью.

Расширение номенклатуры потребителей радиолокационной информации, связанное с её использованием в стрелково-пушеч­ ном вооружении и ракетах малой дальности также предопределяет необходимость повышения быстродействия, точности и устойчиво­ сти сопровождения целей по дальности и скорости.

Массированное применение самолётов и ракет обусловливает развитие весьма специфических радиолокационных систем, обес­ печивающих сопровождение больших групп (облаков, роёв) целей. Использование для этих целей традиционных алгоритмов сопро­ вождения одиночных и групповых объектов приводит к информа­ ционному насыщению систем обработки вследствие их ограничен­ ной пропускной способности. Для решения этой задачи нужны но­ вые подходы, связанные с необходимостью сопровождения группы в целом, с определением её размеров и состава.

Следует отметить усиление роли радиолокационной дальнометрии в системах гражданского и двойного назначения: в частно­ сти в автономных системах автоматической посадки самолётов, в метеолокаторах и системах дистанционного зондирования и мони­ торинга земной поверхности.

Интенсивное внедрение в состав бортового оборудования само­ лётов многофункциональных РЛС, способных работать в режимах сопровождения обширного класса воздушных (сверхманевренных, зависающих, одиночных, групповых в плотных строях и т.д.) и наземных (малоразмерных, протяжённых, подвижных и непод­ вижных) целей, свидетельствует о необходимости использования в дальномерных каналах БРЛС и РГС большого набора весьма отли­ чающихся алгоритмов оценивания дальности и скорости, адапти­

рованных к конкретным условиям применения. В связи с этим, весьма актуальным становится вопрос удешевления разработок процедур оценивания дальности и скорости, унификации и стан­ дартизации частных алгоритмов, уменьшения времени на их ис­ пытание и доводку. Эти требования приводят к необходимости учёта ещё на стадии проектирования в качестве заданных частей определённых устройств и программ и более жёсткого учёта ре­ альных информационных и энергетических ограничений.

Кратко перечисленные выше особенности позволяют сделать уверенный вывод о невозможности разработки универсального ра­ диолокационного измерителя дальности и скорости на базе какого либо одного теоретического подхода. В связи с этим в книге уде­ лено большое внимание вопросам синтеза дальномеров различной степени сложности на базе различных теоретических подходов, основанных на представлении процессов и систем в многомерном пространстве состояний с использованием математического аппа­ рата статистической теории оптимального управления, теории оп­ тимального оценивания, идентификации и адаптации. Читателю представляется право самому отдать предпочтение тому или иному алгоритму.