Радиосистемы перехвата и прицеливания

Радиосистемы перехвата и прицеливания (РСПП) устанавливаются на самолётах истребительной авиации и предназначены для обнаружения летательных аппаратов противника, постоянного определения их текущих координат и выработки управляющих (для бортового оружия) команд с целью нейтрализации либо уничтожения

указанных летательных аппаратов (чаще всего – самолётов и вертолётов). При этом управление истребителем, несущим РСПП, может осуществляться двояким образом – либо по внешним радиокомандам (внешнее наведение), либо с помощью бортовых средств (автономное наведение).

Рассмотрим оба варианта.

Внешнее наведение

В этом случае, помимо собственно РСПП, участвуют ещё радиолокационная система дальнего обнаружения и радиосредства пункта наведения. Задачей внешнего наведения является осуществление процесса сближения истребителя с целью до момента захвата цели бортовой РСПП.

Радиолокационная система дальнего обнаружения может располагаться либо на земле, либо на летательном аппарате (на патрульном самолёте, дирижабле, и т.д.). Дальность действия этой системы (которая для уменьшения влияния метеоусловий работает в метровом и дециметровом диапазонах радиоволн) составляет 400…600 км при точностях определения местоположения 2…3 км по дальности и 0,5… 1,0 град по азимуту. Когда в зоне действия данной системы оказывается неопознанный (не отвечающий на запросные сигналы) летающий аппарат, указанная система передаёт координаты этого объекта на пункт наведения.

Пункт наведения обычно располагается на земле. Его радиосредствами являются наземные радиолокационные станции, работающие в сантиметровом или дециметровом диапазонах радиоволн и предназначенные для обнаружения как посторонних летательных аппаратов (в частности объектов противника), так и своих истребителей (если в данный момент времени координаты дежурного истребителя неизвестны). Диапазон измеряемых ими дальностей составляет 250…350 км, а точности – 200…500м (по дальности) и 0,1…0,5 град (по азимуту). Оператор пункта наведения принимает информацию от радиолокационной системы дальнего обнаружения и на экране индикатора выделяет одну или несколько целей, подлежащих перехвату. Далее координаты цели и координаты истребителя вводятся в вычислительное устройство, которое на основе прогнозирования траектории движения цели и текущего местоположения истребителя вырабатывает команды наведения (по высоте, курсу, скорости полета, и.т.д.). По этим командам истребитель выводится в район места нахождения цели, после чего включается бортовая РСПП, а работа пункта наведения завершается.

Основные методы наведения истребителя на цель, осуществляемые пунктом наведения, показаны на рис.4.4. Перечислим эти методы:

- метод параллельного сближения (истребитель, выполняющий команды наведения, смещается в сторону цели таким образом, что линия визирования соединяющая истребитель с целью, все время остается параллельной самой себе; то есть =const);

- метод совмещения, или метод трех точек (истребитель, выполняющий, как правило, набор высоты, всегда располагается на прямой, соединяющий пункт наведения с целью);

- курсовой метод, или метод маневра (используется при произвольных первоначальных ракурсах истребителя и цели; завершается, когда цель окажется в зоне действия РСПП – обычно в передней полусфере истребителя).

А в т о н о м н о е н а в е д е н и е.

В этом случае участвует РСПП. Данный этап начинается с момента захвата цели и завершается применением (стрельбой из пушки или пуском ракеты) бортового оружия.

Основными являются следующие методы наведения:

- метод параллельного сближения (см.рис.4.4, а);

- метод сближения по кривой погони (истребитель в каждый момент времени движется в точку мгновенного местоположения цели – рис.4.5, а);

- метод сближения по кривой атаки (истребитель в каждый момент времени движется в некую упрежденную точку траектории цели – рис.4.5, б).

Что касается основных тактико – технических характеристик РСПП, то они определяются условиями функционирования данной радиосистемы.

Так, например, максимальная дальность действие РСПП обычно вычисляется по формуле

, (4.1)

где: - средняя скорость сближения истребителя с целью;

- интервал времени, требующийся для опознания цели;

- интервал времени, необходим для измерения координат цели относительно

истребителя.

- интервал времени, затрачиваемый на выполнение маневра для сближения с

целью; величина обычно оказывается наибольшей из прочих значений

временных интервалов и во многом зависит от точности вывода

(осуществляемого пунктом наведения) истребителя в район

местонахождения цели;

- интервал времени, требующийся для прицеливания;

- максимальная дальность прицельной стрельбы истребителя.

Исходя из скоростей и характера вооружения современных боевых самолетов (истребителей, бомбардировщиков) максимальные дальности действия составляют: 20…30км при атаках из задней полусферы и 50…100км при атаках на встречно – пересекающихся курсах.

Для определения ширины сектора обзора по азимуту (в горизонтальной плоскости) используется информация о методе и точности наведения истребителя. В частности, для метода параллельного сближения (рис.4.4, а) указанная величина может быть найдена из соотношения:

, (4.2)

где: - скорость цели;

- скорость истребителя;

- ракурс цели;

= - угол визирования цели;

- среднеквадратическое значение общей курсовой ошибки наведения,

складывающейся из курсовой ошибки наведения и ошибки пилотирования

(зависящей от разрешающей способности индикатора, характеристик системы

управления самолетом, и.т.д.).

Задавая конкретные значения входящих в выражение (4.2) величин, а именно =(1,1…1,25) , =90° и =15°, получим: =±68° (относительно продольной оси истребителя). Если значение оказалось чрезмерно большим, то использование РСПП с меньшей величиной возможно лишь при условии получения от пункта наведения дополнительных команд, уточняющих местонахождение цели относительно истребителя.

Чтобы получить другую угловую тактико – техническую характеристику РСПП, а именно, ширину сектора обзора по углу места (в вертикальной плоскости), следует использовать информацию об особенностях функционирования бортового вооружения. Исходя из ситуации, представленной на рис.4.6, можно определить величину :

(4.3.)

где: h – разница в высотах истребителя и цели, при которой возможно поражение

цели бортовым оружием истребителя;

∆h – ошибка измерения высоты цели;

- минимальное расстояние, на котором возможен перехват цели.

Располагая, например, значениями h=110м, ∆h=15м и =500м, получим =29°.

Еще одна тактико – техническая характеристика РСПП, а именно, точность определения координат цели, также во многом зависит от типа и особенностей используемого истребителем бортового оружия. Так, в частности, применение стрелково – пушечного вооружения требует более высокой (в пределах 25…30м) точности измерения, чем использование, скажем, управляемых ракет – это связано с тем, что при стрельбе из пушки разброс попаданий снарядов не должен превышать размеров цели, а при пуске управляемой ракеты ошибка измерений дальности может составлять величину 5…10% от размера - зоны дальностей прицельной стрельбы истребителя.

Наконец такая тактико – техническая характеристика РСПП, как разрешающая способность, обусловлена требованием обеспечить поражение конкретного выделенного самолета противника, летящего в общем строю. Иными словами, разрешающая способность РСПП оценивается разрешающей способностью либо по дальности, либо по угловым координатам, достаточной для раздельного наблюдения одной цели среди группы целей. Использование любой из двух указанных величин, как нетрудно заключить связано с плотностью (например, с расстоянием от одного самолета до другого) боевого порядка противника, которая в течении времени наведения истребителя может измениться.

Как видим, тактико – технические характеристики РСПП обусловлены не только сугубо радиосистемными (такими, как ширина диаграммы направленности или длительность импульса) параметрами, а включает в себя как показатели иных (оружия, наведения) систем, так и конкретные условия выполняемой задачи, то есть имеют комплексный характер.

В зависимости от вида обработки принимаемых радиосигналов РСПП могут быть разделены на две группы – некогерентные и когерентные РСПП.

А. Некогерентная РСПП.

РСПП этого типа используются в ситуациях, когда выведение истребителя в район нахождения цели производится на больших и средних высотах, либо когда цель располагается на сравнительно малых высотах, но обязательно находится выше истребителя.

Факт некогерентности означает, что фазовые соотношения в принимаемых РСПП радиосигналах не учитываются, и различные операции, связанные с измерением координат цели, выполняются путем использования видеоимпульсов.

На рис.4.7. приведена упрощенная структурная схема РСПП. Рассмотрим ее функционирование.

По сигналам синхронизатора 1, частота повторения которых равняется 1500…3000Гц, радиопередающее устройство 2 формирует радиоимпульсы, имеющие высокочастотное заполнение в диапазоне 2…5см длин волн и обладающие длительностью из интервала 0,3…1,0мкС. Эти радиоимпульсы (мощностью 100…500кВт) через антенный переключатель 3, представляющий собой совокупность кольцевых волноводных мостов, подаются в антенну 4 и далее излучаются в пространство.

Отраженный от цели радиоимпульс поступает в антенну 4, проходит через антенный переключатель, в котором осуществляются операции как суммирования и вычитания на высокой частоте, так и разложение этого радиоимпульса на азимутальную и угломестную составляющие.

Радиоприемное устройство 5 выполнено трехканальным (на рис.4.7. факт трехканальности для упрощения структурной схемы не отражен). В канале измерения дальности по суммарному радиоимпульсу формируется видеоимпульс, подающийся на измеритель 6 дальности. В угломестном и азимутальном каналах по разностным компонентам радиоимпульса вырабатываются соответствующие радиоимпульсы, поступающие на измеритель 7 угловых координат цели. Все указанные видеоимпульсы вводятся в индикатор 8, на экране (рис.4.8.) которого в координатах “азимут – угла места” отражается сложившаяся воздушная ситуация.

Азимут (угол в горизонтальной плоскости) отсчитывается вправо (положительные значения азимута) и влево (отрицательные значения азимута) от центральной точки экрана. Горизонтальная линия 1 в центре экрана называется линией горизонта и представляет собой нулевой уровень угла места (отсчитываемого в вертикальной плоскости). Область экрана, расположенная выше линии горизонта, характеризуется положительными значениями угла места, расположенная ниже – отрицательными. Допустимая ошибка пилотирования, возникающая при выполнении команд наведения, характеризуется так называемым кругом 2 прицеливания, который указывает летчику величину отклонений от заданных значений курса и высоты. Кроме того, на экране присутствует метка 3 пространственного положения истребителя.

Как отмечалось ранее, РСПП включается после расположения (выведения) истребителя в районе местонахождения цели. В этом случае включается режим слежения за целью. Осуществление этого режима необходимо, так как в результате маневрирования истребителя и цели возможны значительные отклонения цели от равносигнального направления РСПП. Для выполнения указанного режима выходные сигналы измерителя 7 (рис.4.7.) угловых координат подаются на блок 9 управления антенной, который осуществляет необходимый для прицеливания доворот антенны на нужные углы азимута и места. Кроме того, в блок управления антенной вводятся сигналы системы гиростабилизации истребителя и команды коррекции углового положения антенны от бортовой электронной цифровой вычислительной машины 10.

Данная бортовая ЭЦВМ, работающая под воздействием импульсов синхронизатора, выполняет различные управляющие функции:

- воздействуя на блок управления антенной, она перемещает диаграмму направленности в соответствии с законом поиска цели при переходе от режима наведения к режиму прицеливания, либо при резком маневре цели;

- включает блок 11 селекции по дальности, открывая его на интервал τ времени, соответствующего диапазону … дальностей – таким образом на измеритель дальности проходят сигналы только с данного диапазона дальностей; в результате мешающие сигналы от других объектов или от земной поверхности в измеритель дальности не попадают;

- корректирует (по сигналам от внешних датчиков) положение линии горизонта на экране индикатора и формирует круг прицеливание на том же экране.

Таким образом с помощью РСПП летчик управляет истребителем даже при отсутствии оптической видимости – чтобы центральная точка экрана располагалась в пределах круга прицеливания (смещение этого круга вдоль горизонтальной оси характеризует отклонение от расчетного значения курса). При этом метка пространственного положения истребителя (угол поворота этой метки пропорционален поперечному крену, а ее положение по вертикали относительно линии горизонта соответствует тангажу) также должна находится внутри круга прицеливания.

Вместе с тем в режиме прицеливания летчик использует, как правило, не панельный индикатор, а индикатор, выполненный на полупрозрачном стекле, установленном на фоне лобового стекла кабины истребителя – в этом случае с помощью оптической системы необходимые для прицеливания и перехвата данные высвечиваются прямо перед глазами летчика (см.рис.4.9.), и ему нет необходимости переводить взгляд на приборную доску. В итоге летчик видит цель, считывает параметры ее движения и прицельные данные, пилотирует истребитель и выполняет стрельбу, одновременно следя (визуально) за складывающийся воздушной ситуацией.

Выполнив необходимый маневр (например, зайдя на цель со стороны ее задней полусферы) и заняв исходное положение (сообразуясь с командными метками и символами на экране индикатора) для применения бортового оружия, летчик совмещает сначала командную метку с символом цели, а затем отметку цели с перекрестием прицела. Выбор того или иного вида оружия осуществляется путем нажатия кнопки на секторе газа. Если в качестве оружия использована ракета с полуактивным (на борту имеется только радиоприемное устройство и вычислитель) самонаведением, выполняющая полет к цели по радиосигналам, излучаемым РСПП, то сопровождение указанной ракеты должно вестись до ее попадания в цель. Поскольку бортовое оружие истребителя применяется по целям, располагающимся в его передней полусфере, то при прямолинейном продолжении полета истребитель может столкнуться с фрагментами пораженной цели. Чтобы этого не случилось, по показаниям измерителя дальности (рис.4.7.) бортовая ЭЦВМ определяет опасное расстояние при сближении с целью и вырабатывает сигнал на маневр истребителя для выхода из атаки.

Б. Когерентная РСПП.

РСПП рассматриваемого типа используются в ситуациях, когда истребитель выведен в район местонахождения цели, летящей на малой высоте, причем данная цель располагается ниже истребителя. Это означает, что на вход бортовой РСПП будут приходить радиосигналы, отраженные не только от цели, но и от земной поверхности. Специфика данной ситуации заключается в том, что мощность отражений от земной поверхности оказывается существенно (на 20..80дБ) большей, чем мощность радиосигналов, отраженных от цели, и возникает проблема подавления отражений от земной поверхности с одновременным выделением отраженных от цели радиосигналов. Поскольку энергетические соотношения между указанными мощностями не позволяют использовать амплитудные методы подавления, то для решения этой задачи применяются спектральные методы.

Дело в том, что во время полета истребителя существует разница в радиальных скоростях цели и земной поверхности (относительно бортовой РСПП), а следовательно и разница в доплеровский частотах данных объектов. Поэтому, если в бортовой РСПП установить совокупность фильтров, амплитудно – частотные характеристики которых осуществляют одновременно выделение спектральных составляющих отраженных от цели радиоимпульсов и подавление спектральных составляющих отражений от земной поверхности, то проблема селекций атакуемых целей будет решена, и летчик истребителя получит возможность ясно видеть на экране индикатора требуемую отметку цели, которая летит ниже истребителя, на малой высоте от земли. Именно обращение к частотно – фазовой структуре обрабатываемого радиосигнала и объясняет принадлежность данных РСПП к классу когерентных радиосистем.

Рассмотрим спектральные соотношения подробнее ррррhрhввввввмрррh

На рис.4.10. представлен случай формирования спектра отражений от земной поверхности. РСПП, находящаяся на борту горизонтально – летящего истребителя, периодически (с частотой повторения) излучает радиоимпульсы (с частотой заполнения) в сторону земной поверхности. При этом диаграмма направленности антенны РСПП имеет, помимо главного лепестка 1, в котором сосредоточена основная излучаемая мощность, еще и совокупность практически неизбежных (за счет дополнительных фазовых соотношений в реальной антенне) боковых (2,3,4) лепестков, ориентированных, в общем случае, в различные стороны (рис.4.10, а). Поэтому прием последовательности радиоимпульсов, отраженных от земной поверхности, осуществляется всеми (центральными и боковыми) лепестками диаграммы направленности. Разумеется, основная мощность отражений принимается по главному лепестку (это превышение, по сравнению с мощностями отражений, принимаемых по боковым лепесткам, составляет 30…40дБ), но боковые лепестки, тем не менее, вносят свой мешающий вклад, который выражается в создании частотной зоны, занятой спектром отражений от земной поверхности (см. рис.4.10, б).

При этом пик 7 указанной зоны, соответствующий отражениям от земной поверхности, приходящим на антенну РСПП по главному лепестку, смещен относительно спектральных составляющих последовательности излученных радиоимпульсов на величину

, (4.4.)

где - угол места главного лепестка относительно скорости (направленной горизонтально) истребителя; этот пик имеет ширину (по оси частот), пропорциональную ширине главного лепестка (ширине диаграммы направленности) в вертикальной (угломестной) плоскости.

Отметим, что одна из спектральных составляющих, принадлежащих частотной зоне отражений от земной поверхности, имеет нулевую доплеровскую частоту. Эта составляющая принимается (среди прочих составляющих) тем нижним боковым лепестком, который ориентирован вертикально вниз.

Сопоставление рис.4.10, а) и 4.10, б) дает представление о формировании спектра принятой на РСПП последовательности радиоимпульсов, отраженных от земной поверхности.

В случае, когда в главный лепесток диаграммы направленности антенны РСПП попадает низколетящая цель, спектральная картина усложняется.

На рис. 4.11, а) изображена воздушная ситуация, когда в главном лепестке оказались две цели, причем первая (Ц1) из них движется на встречном курсе по отношению к истребителю (И), а вторая (Ц2) – на так называемом догонном курсе (при этом предполагается, что скорость , истребителя больше, чем скорость второй цели, и все три скорости , , и направлены параллельно земной поверхности).

Соответствующая спектральная картина показана на рис. 4.11, б) – здесь изображена центральная область спектров последовательностей импульсов, отраженных от первой и второй целей (на частотной оси указаны значения этих спектральных составляющих, где -

(4.5.)

и

(4.6.)

- доплеровские частоты радиосигналов, принятых РСПП от, соответственно, первой и второй целей), которая совмещена с центральной областью спектров отражений (рис.4.10, б) от земной поверхности.

Рассмотрение рис. 4.11, б) показывает, что спектральные составляющие отражений от первой цели располагаются на свободном участке и, следовательно, оказались отделенными от частотной зоны, принадлежащей отражениям от земной поверхности. Что же касается спектральных составляющих отражений от второй цели, то они попали внутрь частотной зоны, занятой отражениями от земной поверхности, и условия для выделения спектральных составляющих отражений от второй цели являются неблагоприятными.

На рис.4.11, в) представлены амплитудно – частотные характеристики набора узкополосных фильтров , ,… , расположенные таким образом, чтобы осуществить выделение тех спектральных составляющих (в данном случае это относится к спектральным составляющим отражений от первой цели), которые совпадают по частоте с полосой пропускания амплитудно – частотной характеристики любого из набора указанных фильтров. Иными словами, информация о доплеровской частоте низколетящей (в нашем рассмотрении – первой) цели заключена в номере i (здесь i= 1,2,..., N) сработавшего фильтра . С другой стороны, данное расположение рассматриваемых амплитудно – частотных характеристик одновременно приводит и к подавлению (непропусканию) спектральных составляющий отражений от земной поверхности.

Таким образом, проблема выделения отражений от низколетящей цели на фоне мощных отражений от земной поверхности оказывается (для первой цели) решенной. При этом точность измерения доплеровской частоты оказывается тем выше, чем уже полоса пропускания каждого из фильтров , ,… . В литературе эти фильтры иногда (из – за внешнего вида амплитудно – частотных характеристик) называют гребенчатыми.

Отметим, что если цель располагается на достаточном удалении (рис.4.12.) от земной поверхности, то применение гребенчатых фильтров не требуется.

Достаточно использовать спектр дальности, выделяющий для обработки радиосигналы от участка ( … на рис.4.12.) расстояний, не включающего в себя земную поверхность, и отражения от земной поверхности не попадут в устройство обработки.

На практике, поскольку разность высот полета истребителя и низколетящей цели может быть различной, обычно в РСПП применяют совместное выполнение операций фильтрации (с помощью гребенчатых фильтров) и селекции по дальности (рис.4.13.).

По сигналам синхронизатора 1 генератор 2 импульсов дальности вырабатывает последовательность импульсов, поочередно поступающих на первые входы селекторов …, дальности. На вторые входы этих селекторов (расположенных в левой части схемы) подается радионапряжение с выхода приемника. Указанное напряжение вводится в набор …, гребенчатых фильтров. Таким образом, весь диапазон дальностей поочередно проверяется на наличие радионапряжения той или иной доплеровской частоты в каждом элементе дальности. Затем отселектированное и отфильтрованное радионапряжение подвергается амплитудному детектированию и интегрированию в соответствующем узле 5, после его полученное видеонапряжение сравнивается в пороговом устройстве 6 (установленном для отсеивания случайных шумовых всплесков) с пороговым значением напряжения и, в случае его превышения поступает через селекторы дальности (расположенные в правой части схемы) на коммутатор 7.

Информация о номерах элемента дальности и сработавшего фильтра высвечивается на табло блока 8 индикации дальности цели и ее скорости.

Особенностью работы рассматриваемых РСПП является функционирование в режимах с различными (низкой, средней и высокой) частотами повторения импульсов. Дадим краткие характеристики этих режимов.

Режим с н и з к о й (до 5…6кГц) частотой повторения. Для (частота заполнения равна Гц) и , равной 4кГц, получим:

- ширина свободного участка на частотной оси меньше 4кГц; это означает, что однозначно могут быть измерены скорости целей, меньшие 60 ;

- период повторения импульсов составляет 0,25млС, что соответствует максимальной однозначно – измеряемой дальности , равной 37,5км.

Режим со с р е д н е й (от 5…6кГц до 50кГц) частотой повторения. Для и , равной 40кГц, будем иметь:

- ширина свободного участка в спектре отражений на земной поверхности меньше 40кГц; величины однозначно – измеряемых скоростей целей – меньше 600 ;

- период повторения импульсов равен 25мкС; это означает, что однозначно будут измеряться дальности R целей, меньшие, чем 2,25км.

Режим с в ы с о к о й (от 50кГц до 350кГц) повторения излучаемых импульсов. Для и =300 кГц получим:

- ширина свободного участка не менее 300 кГц; значения однозначно – измеряемых скоростей целей – менее, чем 4,5 ;

- период повторения импульсов равен 3,3мкС; максимальная однозначно – измеряемая дальность целей составляет 500м.

Таким образом, режимы с низкой и высокой частотами обладают взаимно - противоположными свойствами, и ни один из них не удовлетворяет требованию одновременного получения больших значений однозначно – измеряемых скоростей целей и их дальностей. На практике чаще всего применяется режим со средней частотой повторения импульсов.

Однако, перехватываемая цель может располагаться на такой дальности от истребителя, что условие однозначного измерения дальности при используемой средней не выполняется. В таком случае используют несколько средних частот повторения. Эта ситуация изображена на рис.4.14.

Две цели (А и Б) расположены в различных элементах дальности. Бортовая РСПП работает в режиме излучения радоимпульсов со средними (, и ) частотами повторения.

Из приведенных эпюр (дальности R и соответствующих моментов времени t) видно, что расстояние до цели А измеряется однозначно при любой из частот повторения, а расстояние до цели Б – неоднозначно (также при любой частоте повторения).

Чтобы устранить указанную неоднозначность для цели Б, в бортовой ЭЦВМ производится сравнение времен запаздываний отраженных от этой цели радоимпульсов для нескольких (в данном случае – для трех) средних частот повторения; в результате отсчет времени запаздывания (дальности) до отраженного от цели Б радиоимпульса происходит в тот момент когда все три значения времени запаздывания (рассматриваемые относительно начального момента 0) оказываются одинаковыми – этот факт отмечен вертикальными пунктирными линиями, расположенными справа на рис.4.14, б, в, г).

Отметим, что аналогичный факт совпадения фиксируется и для цели А, находящейся на однозначно – измеряемой дальности (вертикальные пунктирные линии, расположенные слева на рис.4.14, б, в, г,).

Так устраняется неоднозначность измерения дальности до цели в режиме работы РСПП со средней частотой повторения радиоимпульсов.

Структурная схема когерентной РСПП аналогична структурной схеме некогерентной РСПП, изображенной на рис.4.7, - с той разницей, что в составе радиоприемного устройства 5 (рис.4.7.) находится часть узлов устройства совместной фильтрации по частоте и селекции по дальности, структурная схема которого показана на рис.4.13. Другая часть узлов этого устройства распределена по блокам измерителя 6 дальности, индикатора 8 и бортовой ЭЦВМ 10 (рис.4.7.). Включение той или иной конфигурации РСПП осуществляется пилотом путем переключения режима работы РСПП.

Поиск по сайту: