Радиопеленгация [1961 Сайбель А.Г. - Основы радиолокации]

Ранее неоднократно отмечалось, что траектория распространения радиоволн в однородной среде представляет собой прямую линию. Поэтому задача радиопеленгации какой-либо цели сводится к определению направления прихода радиоволн излучаемых или переизлучаемых этой целью.

Реальная среда, как известно, не является строго однородной, вследствие чего траектория распространения радиоволн не будет строго прямолинейной. Так изменения влажности и плотности атмосферы с высотой вызывают вертикальную рефракцию. При некоторых состояниях погоды возможны изменения влажности и плотности атмосферы и в горизонтальной плоскости, что, естественно, будет вызывать горизонтальную рефракцию. Наличие неоднородностей земной поверхности и неровностей рельефа также вызывает искривление траектории распространения радиоволн. Различные местные предметы, т. е. промышленные и жилые сооружения, деревья и т. п., расположенные вблизи радиопеленгатора, вызывают местное изменение направления распространения радиоволн.

Все эти изменения траектории распространения радиоволн будут вызывать соответствующие ошибки радиопеленгации.

Однако при правильном учете реальных условий распространения радиоволн эти ошибки таковы, что позволяют выполнить радиопеленгацию с приемлемой для практических целей точностью.

Различают следующие методы радиопеленгации: фазовые методы, амплитудно-фазовые методы и амплитудные методы.

Условимся зависимость напряжения на выходе приемника от пеленга цели называть пеленгационной характеристикой.

В том случае, когда для пеленгации используются направленные свойства только приемной антенны пеленгационная характеристика имеет тот же вид, что и диаграмма направленности приемной антенны. В случае, когда для пеленгации используются направленные свойства как приемной, так и передающей антенн, пеленгационная характеристика

где f_а1(α) и f_а2(α) - диаграммы направленности передающей и приемной антенн.

В частном случае, когда радиолокационная станция имеет одну антенну, работающую как на передачу, так и на прием, пеленгационная характеристика

где f_а(α) - диаграмма направленности антенны.

Реальные диаграммы направленности антенн обычно имеют сравнительно сложный многолепестковый характер. Однако при приближенных расчетах вполне допустима простейшая апроксимация основного лепестка диаграммы направленности в виде косинусоиды.

Тогда, при использовании для пеленгации направленных свойств только приемной антенны пеленгационная характеристика может быть представлена как

где θ_а - ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности.

Для рупорных антенн с прямоугольным раскрывом

где а - размер раскрыва в той плоскости, в которой определяется θ_a.

Ширина пеленгационной характеристики на уровне 0,5 легко находится из уравнения

В том случае, когда радиолокационная станция имеет одну антенну, пеленгационная характеристика будет иметь вид

Ширина пеленгационной характеристики на уровне 0,5 легко находится из уравнения

В последнем случае вполне допустима и другая апроксимация основного лепестка пеленгационной характеристики - в виде кривой Гаусса, т. е.

Фазовые методы радиопеленгации

При фазовых методах радиопеленгации о пеленге цели судят по разности фаз напряжений двух разнесенных в пространстве приемных антенн.

Пусть, например, пеленгуемая цель находится в точке М (рис. 4.1), а приемные антенны - в точках А и В.

Рис. 4.1. Фазовый метод пеленгации (цель на плоскости)

Тогда разность фаз принимаемых колебаний будет равна

где d - база радиопеленгатора, а α - угол между нормалью к базе и направлением на цель.

Измерив при помощи фазометра сдвиг фаз φ, можно определить пеленг точки М относительно нормали к базе как

Если пеленгуемая цель находится в пространстве (рис. 4.2), то разность фаз принимаемых колебаний в точках А и В будет

Рис. 4.2. Фазовый метод пеленгации (цель в пространстве)

В этом случае для определения азимута и угла места необходимо дополнительно измерить разность фаз в двух других точках, например в точках A и С, расположенных на прямой, перпендикулярной к AB,

Азимут и угол места пеленгуемой цели находятся при совместном решении уравнений (4.14) и (4.15).

На рис. 4.3 представлена упрощенная блок-схема двухканального фазового радиопеленгатора, предназначенного для определения одной угловой координаты. Такой радиопеленгатор позволяет выдать пеленг цели через время, определяемое длительностью переходных процессов в усилителях приемника и инерционностью фазометра. В принципе такой пеленгатор допускает одноимпульсную пеленгацию, что особенно важно для случая, когда время пеленгации ограничено.

Рис. 4.3. Блок-схема фазового радиопеленгатора: УВЧ1 и УВЧ2 - усилители высокой частоты, См1 и См2 - смесители, Г - гетеродин, УПЧ1 и УПЧ2 - усилители промежуточной частоты, Ф - фазометр

Рис. 4.3. Блок-схема фазового радиопеленгатора: УВЧ₁ и УВЧ₂ - усилители высокой частоты,
См₁ и См₂ - смесители, Г - гетеродин, УПЧ₁ и УПЧ₂ - усилители промежуточной частоты, Ф - фазометр

Рассмотрим теперь факторы, определяющие точность фазовых радиопеленгаторов.

Если величины λ и d известны точно, то единственным источником ошибок пеленга будут ошибки, возникающие при измерении разности фаз. Из формулы (4.13) следует, что ошибка пеленга

Переходя к средним квадратическим ошибкам разности фаз σ_φ и пеленга σ_α, получим

Как видим, точность пеленгации зависит от точности измерения разности фаз принимаемых колебаний, величины отношения ^d/_λ и угла α. Наибольшая точность пеленгации при прочих равных условиях будет при α = 0, т. е. в направлении, перпендикулярном к направлению базы. При увеличении угла α точность пеленгации будет ухудшаться. Поэтому фазовые радиопеленгаторы имеют ограниченный рабочий сектор, ширина которого определяется допустимым ухудшением точности на его границе по сравнению с точностью при α = 0. Если требуется обеспечить пеленгацию в пределах 360°, то необходимо либо выполнить пеленгатор с поворотной базой, либо иметь несколько баз с различными направлениями.

Из выражения (4.16) видно также, что точность пеленгации тем выше, чем больше отношение

Однако не следует упускать из виду, что однозначное определение разности фаз принимаемых колебаний возможно только в пределах 2π. Поэтому при

как это следует из выражения (4.12), возникает неоднозначность пеленгации. Для иллюстрации сказанного на рис. 4.4 представлен ряд зон однозначного определения пеленга при

Рис. 4.4. Зоны однозначного определения пеленга

Неоднозначность пеленгации может быть устранена путем применения направленных приемных антенн, ширина диаграммы направленности которых не превышает ширины зоны однозначности. В случае невозможности применения направленных антенн неоднозначность пеленгации можно устранить путем использования двух или более баз различной величины, причем возможные ошибки пеленгации на малой базе не должны превосходить ширины зоны однозначности большой базы. В противном случае возможны грубые ошибки из-за неправильного определения зоны однозначного пеленгования.

Ошибки разности фаз зависят от стабильности фазовых характеристик антенно-фидерного и приемного устройств, а также от точности фазометра. Последняя, в свою очередь, зависит от типа фазометра и величины отношения сигнал/помеха. Предельное значение точности будет определяться величиной флюктуаций разности фаз, вызванных напряжением помех.

Можно показать, что в случае, когда помеха представляет собой белый шум, а мощность сигнала значительно превышает мощность шума, плотность вероятности случайных ошибок разности фаз достаточно точно описывается нормальным законом распределения со среднеквадратическим отклонением

Амплитудно-фазовые методы радиопеленгации

Амплитудно-фазовые методы радиопеленгации основаны на использовании как амплитудных, так и фазовых соотношений напряжений двух разнесенных в пространстве приемных антенн.

Примером амплитудно-фазового метода радиопеленгации может служить фазно-противофазный метод, называемый иначе методом суммы и разности. Сущность этого метода сводится к следующему.

Пусть две приемные антенны включены синфазно. Тогда напряжение на входе приемника будет равно геометрической сумме напряжений антенн, т. е.

где U¯₁ и U¯₂ - напряжения на входе приемника от первой и второй антенн.

Если антенны идентичны, а направления максимумов их диаграмм направленности перпендикулярны к базе, то U₁ = U₂. Поэтому согласно рис. 4.5 суммарное напряжение будет

где φ - разность фаз между напряжениями U₁ и U₂.

Рис. 4.5. К определению суммарного и разностного напряжений

Подставляя значение разности фаз φ из формулы (4.12), получим

где U₀ - напряжение на входе приемника при совпадении направления максимума диаграммы направленности с направлением на цель.

При противофазном включении антенн напряжение на входе приемника будет равно геометрической разности напряжений антенн. При оговоренных выше условиях разностное напряжение будет

Блок-схема одного из вариантов двухканального радиопеленгатора, реализующего рассматриваемый метод пеленгации, представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Блок-схема амплитудно-фазового радиопеленгатора: УВЧ1 и УВЧ2 - усилители высокой частоты, См1 и См2 - смесители, Г - гетеродин, УПЧ1 и УПЧ2 - усилители промежуточной частоты, ФСУ - фазосдвигающее устройство

Рис. 4.6. Блок-схема амплитудно-фазового радиопеленгатора: УВЧ₁ и УВЧ₂ - усилители высокой частоты,
См₁ и См₂ - смесители, Г - гетеродин, УПЧ₁ и УПЧ₂ - усилители промежуточной частоты, ФСУ - фазосдвигающее устройство

Величина отклонения штриха на экране электронно-лучевой трубки, возникающего под воздействием импульсов промежуточной частоты, зависит от направления на цель.

Действительно, отклонение пятна на экране по осям X и Y будет

Здесь k_x и k_y - коэффициенты усиления каналов "X" и "Y" приемника;

h_x и h_y - чувствительность трубки по "X" и "Y" пластинам.

Существенно отметить, что при таком варианте реализации рассматриваемого метода пеленгации возможно осуществить одноимпульсную пеленгацию цели.

Можно пеленгацию фазно-противофазным методом осуществить и путем поворота антенной системы в положение, при котором напряжение разности будет равно нулю. Пеленг в этом случае отсчитывается по азимутальному прибору, указывающему угловое положение антенной системы. Для того чтобы иметь представление о стороне отклонения цели от направления минимума, необходимо на выходе пеленгатора предусмотреть фазовый дискриминатор.

Блок-схема такого варианта радиопеленгатора представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Блок-схема амплитудно-фазового радиопеленгатора с поворотной антенной системой

Если напряжение с выхода фазового дискриминатора, после необходимого усиления, подать на электромотор механизма вращения антенной системы, то будет обеспечено автоматическое сопровождение цели по направлению.

Следует иметь в виду, что амплитудно-фазовые радиопеленгаторы можно выполнить и в одноканальном варианте.

Рассмотрим теперь основные факторы, определяющие инструментальную точность двухканального амплитудно-фазового радиопеленгатора.

Если параметры радиопеленгатора точно известны и стабильны, то единственным источником ошибок пеленгации являются ошибки отсчета угла γ. Из формулы (4.20) следует, что

Переходя к средним квадратическим ошибкам, получим

где σ_γ - средняя квадратическая ошибка отсчета.

Как видим, точность пеленгации зависит от точности отсчета, величины отношения ^d/_λ и значения угла α, причем зависимость точности пеленгации от последних двух величин такая же, как и при фазовом методе пеленгации [формула (4.16)].

Ошибки отсчета зависят главным образом от отношения сигнал/помеха. Для случая, когда сигнал значительно превышает уровень помех, среднеквадратичная ошибка отсчета ориентировочно равна

Отметим, что нестабильности фазовых характеристик антенно-фидерной системы и амплитудных характеристик каналов приемника вызывают дополнительные ошибки пеленгации.

В частности различие фазовых характеристик каналов пеленгатора ведет к тому, что штрих на экране превращается в эллипс. Разумеется, что в этом случае ошибки отсчета будут возрастать.

Амплитудные методы радиопеленгации

Различают следующие амплитудные методы пеленгации: метод максимума, метод минимума, равносигнальный метод и метод сравнения.

При пеленгации по первому методу о направлении на цель судят по направлению максимума пеленгационной характеристики (рис. 4.8) в момент, когда амплитуда сигнала пеленгуемой цели достигает наибольшей величины. Это означает, что пеленг цели отсчитывается в тот момент когда направление максимума пеленгационной характеристики совпадает с направлением на цель.

Основными достоинствами метода максимума являются простота пеленгации и возможность пеленгации при наиболее благоприятном отношении сигнал/помеха, поскольку пеленг отсчитывается в момент максимума сигнала.

Благодаря этим достоинствам, данный метод получил широкое распространение в практике радиолокации, особенно в радиолокаторах, работающих в режиме обзора.

В простейшем случае пеленгация методом максимума может быть осуществлена следующим образом.

Пусть антенна радиолокационной станции вращается в горизонтальной плоскости. Тогда сигнал пеленгуемой цели на экране индикатора типа А будет непрерывно изменяться. В момент, когда сигнал достигнет максимальной величины, оператор отсчитывает значение азимута цели по азимутальному прибору, указывающему угловое положение антенны. Упрощенная блок-схема приемной части такой станции представлена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Блок-схема приемной части радиолокационной станции с индикатором типа А при пеленгации по методу максимума: Пр - приемник, ГР - генератор развертки, АзП - азимутальный прибор

В более совершенных радиолокационных станциях с узкой пеленгационной характеристикой вместо индикатора типа А применяется обычно индикатор кругового обзора. Упрощенная блок-схема приемной части такой станции представлена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Блок-схема приемной части радиолокационной станции с индикатором кругового обзора: Пр - приемник, ГР - генератор развертки

Линия развертки индикатора кругового обзора вращается синхронно с антенной.

Азимут цели определяется по угловому положению яркостной отметки на экране индикатора.

В радиолокационных станциях с секторным обзором обычно применяется индикатор типа В. Упрощенная блок-схема приемной части такой станции представлена на рис. 4.11. Разумеется, что в этом случае линия развертки индикатора должна перемещаться вдоль оси азимута синхронно с качанием антенны. В представленной блок-схеме синхронность обеспечивается вращением потенциометра в цепи развертки индикатора от механизма вращения антенны.

Рис. 4.11. Блок-схема приемной части радиолокационной станции с индикатором типа В:
Пр - приемник, ГР - генератор развертки

Азимут цели определяется по положению яркостной отметки на экране индикатора относительно линии нулевого азимута.

Следует иметь в виду, что приведенные примеры являются основными способами реализации метода максимума. Однако они не исчерпывают всего их разнообразия.

При пеленгации по методу минимума о направлении на цель судят по направлению минимума пеленгационной характеристики (рис. 4.12) в момент, когда амплитуда сигнала пеленгуемой цели достигает наименьшей величины. Это означает, что пеленг отсчитывается в тот момент, когда направление минимума пеленгационной характеристики совпадает с направлением на цель.

Пеленгационная характеристика с резко выраженным минимумом может быть получена путем противофазного включения двух антенн.

Действительно, при противофазном включении двух одинаковых антенн согласно выражению (4.19)

Поэтому пеленгационная характеристика будет иметь вид

Для иллюстрации на рис. 4.13 представлена пеленгационная характеристика для случая, когда f_а(α) = cos 3α и

Заметим, что пеленгационная характеристика всегда оказывается вписанной в диаграмму направленности антенны.

Рис. 4.13. Пеленгационная характеристика при противофазном включении двух антенн (d/л = 1)

Рис. 4.13. Пеленгационная характеристика при противофазном включении двух антенн (^d/_λ = 1)

Если обе антенны являются не только приемными, но и передающими, то пеленгационная характеристика примет вид

Основным достоинством метода минимума является более высокая точность пеленгации по сравнению с методом максимума, так как в области нулевого сигнала крутизна пеленгационной характеристики может быть значительно выше, чем в области максимального сигнала. Поэтому этот метод получил широкое распространение в практике навигации как метод, позволяющий сравнительно простыми средствами осуществить пеленгацию с приемлемой точностью. Однако в практике радиолокации метод минимума используется крайне редко в силу того, что при совмещении направления минимума с направлением на цель отраженный сигнал исчезает, что нарушает возможность дальнометрии.

В простейшем случае пеленгация методом минимума осуществляется следующим образом.

Оператор перемещает пеленгационную характеристику путем, например, вращения антенной системы до тех пор, пока сигнал пеленгуемой цели на индикаторе типа А не окажется равным нулю. В этот момент оператор отсчитывает значение азимута цели по азимутальному прибору, указывающему угловое положение антенной системы. Блок-схема такого радиопеленгатора не отличается от блок-схемы, представленной на рис. 4.9.

При пеленгации равносигнальным методом о направлении на цель судят по направлению линии равных сигналов (рис. 4.14) в момент, когда амплитуды сигналов пеленгуемой цели, соответствующие каждой из характеристик, равны между собой. Это означает, что пеленг цели отсчитывается в тот момент, когда равносигнальное направление совпадает с направлением на цель.

Рис. 4.14. Пеленгация равносигнальным методом

Основными достоинствами равносигнального метода пеленгации являются более высокая точность, чем при методе максимума, и возможность определения стороны отклонения цели от равносигнального направления. Поэтому равносигнальный метод пеленгации имеет широкое распространение в практике радиолокации как в режиме ручного, так и в режиме автоматического сопровождения по направлению.

В простейшем случае пеленгация равносигнальным методом может быть осуществлена следующим образам.

Пусть антенная система состоит из двух одинаковых антенн (рис. 4.15) и направления максимумов их диаграмм направленности расходятся под некоторым углом 2α₀ (рис. 4.14). Отраженные от пеленгуемой цели сигналы принимаются по очереди, то на одну, то на другую антенну. Антенны переключаются специальным входным переключателем.

Рис. 4.15. Блок-схема приемной части радиолокационной станции при пеленгации равносигнальным методом:
Пр - приемник, ГР - генератор развертки

Раздельное наблюдение импульсов, принимаемых на первую и вторую антенны, можно выполнить различными путями в том числе и путем смещения одного из импульсов на экране индикатора типа А вдоль линии развертки. Для этого при помощи переключателя в цепь развертки периодически вводится дополнительное постоянное напряжение (рис. 4.15). Разумеется, что этот переключатель должен работать синхронно с входным. Оператор, поворачивая антенную систему в плоскости пеленгации, добивается такого ее положения, при котором указанные импульсы на индикаторе будут равны между собой. В этот момент оператор отсчитывает пеленг цели по прибору, указывающему угловое положение антенной системы.

Можно для определения положения цели относительно равносигнального направления применить так называемый дифференциальный индикатор, упрощенная схема которого изображена на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Упрощенная схема дифференциального индикатора

Работа такого индикатора сводится к следующему. Пусть, например, цель находится левее равносигнального направления, тогда импульсы на выходе приемника при приеме на первую антенну будут иметь большую амплитуду, нем при приеме на вторую антенну. Графики напряжений, соответствующие этому случаю, представлены на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Графики напряжений, поясняющие работу дифференциального индикатора

Как видим, напряжение на выходе пикового детектора и напряжение на нагрузочном сопротивлении усилителя постоянного тока при переключении антенн будут меняться. Поэтому напряжения на конденсаторах С₁ и С₂ не будут равны между собой, вследствие чего напряжение на конденсаторе С₃ не будет равно нулю и пятно на экране электронно-лучевой трубки окажется смещенным относительно визирной нити, расположенной в центре экрана. Индикатор можно включить так, чтобы при положении цели левее равносигнального направления пятно смещалось влево и, наоборот, когда цель находится правее равносигнального направления, пятно смещалось вправо. Если цель находится на равносигнальном направлении, то амплитудная модуляция, вызванная переключением антенн, будет отсутствовать. В этом случае напряжение на конденсаторе С₃ будет равно нулю, и пятно окажется в центре экрана индикатора.

В рассматриваемой схеме вместо электронно-лучевой трубки можно включить стрелочный прибор постоянного тока с нулем посередине шкалы. В этом случае стрелка прибора будет отклоняться в ту же сторону относительно нулевого положения, в какую будет отклоняться направление на цель относительно равносигнального направления.

Можно напряжение с конденсатора С₃ после необходимого усиления подать на электромотор механизма вращения антенной системы, чем будет обеспечено автоматическое сопровождение цели по направлению.

При пеленгации методом сравнения о направлении на цель судят по величине отношения амплитуд двух принимаемых сигналов, соответствующих Двум пересекающимся пеленгационным характеристикам (рис. 4.18).

Пусть пеленгационные характеристики идентичны, а угол между направлением на цель и равносигнальным направлением равен α.

Измерив это отношение, можно при известных пеленгационных характеристиках определить пеленг цели. Отношение ^U₁/_U₂ может быть измерено при помощи электронно-лучевой трубки, стрелочного прибора логометрического типа и т. п.

Блок-схема одного из вариантов двухканального радиопеленгатора, реализующего рассматриваемый метод, представлена на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Блок-схема двухканального радиопеленгатора при пеленгации методом сравнения

Величина отклонения штриха на экране электронно-лучевой трубки, возникающего под воздействием видеоимпульсов, зависит от направления на цель. Если

Характерной особенностью данного метода пеленгации в отличие от ранее рассмотренных амплитудных методов является то, что здесь пеленгация осуществляется при неподвижных пеленгационных характеристиках. Эта особенность снимает ограничение минимального времени пеленгации. В принципе данный метод позволяет выполнить даже одноимпульсную пеленгацию цели.

Для пеленгации методом сравнения может быть использован и одноканальный приемник. В качестве примера такого варианта может служить уже рассмотренная схема, представленная на рис. 4.16. Только в этом случае напряжения с конденсаторов С₁ и С₂ необходимо подать на индикатор логометрического типа.

Следует, однако, иметь в виду, что при таком варианте одноканального пеленгатора одноимпульсная пеленгация невозможна, так как минимальное время пеленгации будет равно периоду переключения пеленгационных характеристик.

Методы радиопеленгации

Фазовые методы радиопеленгации

Амплитудно-фазовые методы радиопеленгации

Амплитудные методы радиопеленгации