Система моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели и сохраненной взаимозаменяемостью антенны в составе системы
MONOPULSE RADAR SYSTEM WITH INCREASED ACCURACY OF DETERMINING BEARING ANGLE OF TARGET AND PRESERVED INTERCHANGEABILITY OF ANTENNA AS PART OF THE SYSTEM

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в системах суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации.
Из уровня техники известны радиолокационные системы, содержащие антенну с функцией углового дискриминатора, приемное устройство с функцией определения уровня «суммарного» и «разностного» сигналов, приходящих от антенны - углового дискриминатора, и цифровое вычислительное устройство, выполняющее вычисления по определению угловой координаты цели (угла пеленга цели) при помощи математической функции, использующей в качестве входных параметров значения уровней «суммарного» и «разностного» сигналов, определенных приемным устройством.
Погрешность определения угла пеленга цели такой системой зависит от погрешности определения приемным устройством уровней сигналов «суммарного» и «разностного» каналов, а также от погрешности представления реальных значений угла пеленга цели математической функцией, значение которой вычисляется цифровым вычислительным устройством. Вид математической функции и значения ее коэффициентов (например, степенной полином и его коэффициенты) определяются конструкцией антенны и не изменяются при смене (в порядке взаимозаменяемости) экземпляров антенны с одинаковой конструкцией. В то же время, в общем случае, значения коэффициентов полинома в используемой математической функции не будут оптимальными по критерию обеспечения наименьшей среднеквадратической ошибки определения угла пеленга цели для данного экземпляра антенны, т.к. они никак не зависят от погрешностей изготовления данного экземпляра антенны и не учитывают их. Кроме этого, нормируемая погрешность определения угла пеленга цели (технический параметр системы) с учетом взаимозаменяемости антенны в составе системы ограничивается снизу величиной (т.е. не может быть менее этой величины), определяемой по ансамблю значений погрешностей всех экземпляров антенн или рассчитанной исходя из возможных максимальных значений погрешностей в этом ансамбле.
Из уровня техники известны различные системы суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации, обеспечивающие повышенную точность определения угла пеленга цели (далее по тексту - угла пеленга).
Для одной из таких систем [О.Г. Вендик, М.Д. Парнес, п/р Л.Д. Бахраха, 2001. Антенны с электрическим сканированием. Введение в теорию. Глава 5] уменьшение систематических ошибок, возникающих вследствие отклонения направления главного луча антенной системы от направления максимумов диаграмм направленности (ДН) излучающих элементов системы, а также из-за изменения частоты передаваемых (принимаемых) сигналов и квантования требуемых значений фазового распределения сигналов, подаваемых на излучающие элементы системы или принимаемых от них, достигается введением корректирующих коэффициентов, определяемых аналитическим путем, а также усложнением фазовращателей, обеспечивающих уменьшение значения дискрета квантования фазы в каналах антенной системы. Недостатком такой системы является невозможность учета ошибок, присущих конкретному экземпляру системы, связанных с отклонениями параметров узлов системы от номинальных значений вследствие производственных допусков на параметры и других причин конструктивного и производственного характера.
Для другой системы [US 5905463, 1999 год, Линейная антенная решетка с конической коррекцией], выполненной в виде линейной решетки излучающих элементов, уменьшение ошибок, связанных с тем, что значение азимутального направления на цель, определяемое системой, изменяется при изменении угла места цели и неизменном азимуте цели, т.е. поверхность пеленга цели представляет собой не плоскость, а конус, ось которого совпадает с направлением раскрыва линейной решетки, достигается увеличением сложности аппаратуры за счет введения дополнительных узлов. В этой системе также не учитываются отклонения параметров узлов системы от номинальных значений вследствие производственных допусков на параметры и других причин конструктивного и производственного характера.
Для известного из уровня техники обзорного моноимпульсного амплитудного суммарно-разностного пеленгатора [Патент RU №2583849, МПК: G01S 3/14, H01Q 25/02, опубликован 10.05.2016] уменьшение ошибок достигается расчетом и последующим обеспечением определенного значения угла смещения максимумов парциальных диаграмм направленности антенной решетки, при котором пеленгационная характеристика антенной решетки с максимальной точностью описывается линейным или кубическим уравнением (т.е. степенным полиномом первой или третьей степени). Недостатком системы является то, что коэффициенты линейного и кубического уравнений, описывающих пеленгационную характеристику антенной решетки, не учитывают отклонения параметров элементов антенной решетки от номинальных значений, присущие конкретному экземпляру антенной решетки и характеризующие ее индивидуальность.
Известно также устройство для калибровки приемной активной фазированной антенной решетки [Патент RU №2641615, МПК: H01Q 21/00, опубликован 18.01.2018], уменьшение ошибок в которой с помощью данного устройства достигается периодической автоматической калибровкой приемно-передающих каналов с целью получения в них требуемого амплитудно-фазового распределения сигналов. Недостатком в данном случае является усложнение системы, связанное с введением в ее состав трактов передачи контрольного сигнала и с использованием вычислительных мощностей, необходимых для обработки контрольного сигнала и определения комплексных калибровочных коэффициентов. Кроме этого калибровка приемно-передающих каналов системы по амплитуде и фазе не устраняет систематические ошибки системы, возникающие вследствие причин, не компенсируемых автоматической калибровкой приемно-передающих каналов (например, взаимовлияние приемопередающих каналов).
В качестве прототипа для предлагаемого технического решения выбрана амплитудная суммарно-разностная система моноимпульсной радиолокации (Леонов А.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1984, стр. 69-71), состоящая из антенны с кольцевым волноводным мостом, имеющим выходы суммарного (∑) и разностного (Δ) сигналов, приемного устройства, усиливающего и преобразующего поступающие от антенны сигналы, содержащего суммарный и разностный приемные каналы, измерителя уровней указанных сигналов на выходах приемного устройства и вычислительного устройства. При этом вычислительное устройство определяет угол пеленга цели по отношению уровней суммарного и разностного сигналов от цели, и известной для данной антенны зависимости отношения уровней суммарного и разностного сигналов от угла пеленга цели.
Недостатком прототипа являются дополнительные ошибки, приводящие к ухудшению точности определения угла пеленга, возникающие вследствие отклонения от номинальных фактических значений комплексных коэффициентов передачи всех неуправляемых (для целей формирования требуемой диаграммы направленности) узлов антенной системы, через которые проходят принимаемые СВЧ-сигналы. Указанные отклонения присущи конкретным экземплярам узлов, входящих в конкретный экземпляр антенной системы, и не могут быть учтены без измерения значений параметров конкретных экземпляров узлов или измерения параметров конкретного экземпляра антенной системы в целом.
Техническая проблема, возникающая при использовании прототипа, заключается в зависимости диаграммы направленности конкретного экземпляра антенной системы не только от сигналов управления, но и от других факторов, которые присущи только конкретному экземпляру и не могут быть учтены при определении требуемых сигналов управления для обобщенной антенной системы. Указанные отклонения диаграммы направленности от диаграммы направленности при номинальных значениях параметров антенной системы приводят к дополнительным ошибкам определения угла пеленга.
Другая техническая проблема, возникающая при использовании прототипа, заключается в том, что для получения заданных значений точности определения угла пеленга приходится усложнять антенную систему с целью уменьшения погрешностей, вносимых отклонениями параметров от номинальных значений до величин, обеспечивающих требуемые значения точности определения угла пеленга. Такое усложнение может быть реализовано, например, путем ужесточения допусков на значения параметров узлов антенной системы, или путем введения узлов, обеспечивающих оперативный контроль и компенсацию отклонений параметров антенной системы в процессе ее эксплуатации. Усложнение антенной системы неизбежно приводит к удорожанию ее производства.
Третья техническая проблема, возникающая при использовании прототипа, заключается в том, что требование взаимозаменяемости антенны ограничивает точность технических характеристик системы, в которой применяется антенна, диапазоном фактических неучитываемых отклонений параметров антенны от номинальных значений.
Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении ошибки при определении угла пеленга, связанной с отличием параметров конкретного экземпляра антенны от номинальных значений.
Кроме этого неожиданным техническим результатом является упрощение и удешевление производства антенны вследствие возможности расширения полей допусков на значения параметров антенны и ее узлов, а также обеспечение взаимозаменяемости антенны из состава системы при сохранении требуемых характеристик точности определения угла пеленга цели.
Технический результат достигается тем, что система моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели и сохраненной взаимозаменяемостью антенны в составе системы содержит антенную систему, суммарный и разностный выходы которой соединены с соответствующими входами приемного устройства, включающего в себя суммарный и разностный приемные каналы, и выполненного с возможностью определения уровней суммарного и разностного сигналов пеленгуемой цели на выходах антенной системы, и цифровое вычислительное устройство, подключенное к выходам приемного устройства, обеспечивающее вычисление значения угла пеленга цели с использованием уровней суммарного и разностного сигналов. Кроме этого в состав антенной системы дополнительно введено запоминающее устройство, вход-выход которого соединен информационной связью с входом-выходом цифрового вычислительного устройства. Причем запоминающее устройство выполнено с возможностью занесения и сохранения в нем при изготовлении антенны определенных для данного экземпляра антенны значений коэффициентов уравнения математической функции, связывающей с требуемой точностью отношения уровней сигналов пеленгуемой цели на суммарном и разностном выходах антенной системы со значениями отклонения углового направления на цель от заранее определенного направления антенны. При этом цифровое вычислительное устройство выполнено с возможностью извлечения посредством информационной связи значений коэффициентов и использования их при вычислении угла пеленга цели с помощью указанной математической функции в процессе эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации.
Для получения значений действительных параметров пеленгационной характеристики, имеющейся у данного экземпляра антенны, необходимо измерять параметры пеленгационной характеристики антенны с учетом влияния отклонений параметров данного экземпляра антенны от номинальных значений и для определения угла пеленга использовать указанные измеренные значения действительных параметров пеленгационной характеристики имеющегося экземпляра антенны. Значения действительных параметров пеленгационной характеристики должны определяться в процессе изготовления антенны, после завершения сборочно-монтажных, регулировочных и контрольных операций, путем получения фактических зависимостей отношения измеренных уровней сигналов на суммарном и разностном выходах антенны от угла пеленга. Значения действительных параметров в виде коэффициентов степенных полиномов сохраняются в запоминающем устройстве, являющемся составной частью экземпляра антенны. При эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации, в том числе и при замене составных частей системы в процессе эксплуатации, значения действительных параметров пеленгационной характеристики установленной в системе антенны извлекаются из запоминающего устройства антенны и используются при вычислении угла пеленга. Таким образом, при приведенном построении системы моноимпульсной радиолокации, указанная система в силу своего построения всегда использует действительные значения параметров пеленгационной характеристики, позволяющие достичь погрешности определения угла пеленга, минимально возможной для данного экземпляра антенны в составе системы.
Структурная схема заявляемой системы моноимпульсной радиолокации показана на рисунке.
Система моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели и сохраненной взаимозаменяемостью антенны в составе системы содержит антенную систему (АС) 1, суммарный  (Вых_∑) и разностный (Вых_Δ) выходы которой соединены с соответствующими входами (Вх_∑ и Вх_Δ) приемного устройства (ПУ) 2, включающего в себя суммарный и разностный приемные каналы, а также подключенное к выходам ПУ 2 цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) 3 для определения угла пеленга по отношению измеренных уровней мощности (Мощность_∑ и Мощность_Δ) сигнала от цели в суммарном и разностном приемных каналах ПУ 2. Кроме этого в систему дополнительно введены запоминающее устройство (ЗУ) 4, входящее в состав АС 1 и неотделимое от конкретного экземпляра антенны, и информационная связь (ИС) 5 между указанным ЗУ 4 и ЦВУ 3, соединяющая их входы-выходы. В ЗУ 4 в процессе изготовления антенны заносится и сохраняется информация о действительной пеленгационной характеристике антенны. При этом данная информация может быть представлена, например, в виде коэффициентов степенного полинома (уравнения математической функции), описывающего пеленгационную характеристику антенны, или в виде совокупности коэффициентов степенных полиномов, описывающих пеленгационную характеристику антенны при различных значениях параметров, изменяющихся в пределах заданного диапазона при эксплуатации антенны (например, диапазон частот, значение угла равносигнального направления диаграммы направленности и т.д.). Информация о действительной пеленгационной характеристике антенны формируется на основании результатов измерений действительных значений параметров готовой антенны после ее изготовления и настройки и учитывает совокупное влияние действительных значений параметров, в том числе отклонений значений параметров от номинальных значений.
При определении угла пеленга ЦВУ 3 посредством ИС 5 обращается к ячейкам памяти ЗУ 4 антенной системы 1 и извлекает из него информацию о действительной пеленгационной характеристике (например, коэффициенты степенных полиномов) установленного в системе экземпляра антенны и использует указанную информацию при вычислении угла пеленга. Так как в ЗУ 4 содержится информация о пеленгационной характеристике именно того экземпляра антенны, который используется в системе, то отклонения значений параметров имеющегося экземпляра антенны от номинальных значений параметров учитываются в указанной информации и не будут вносить дополнительных ошибок в результат определения угла пеленга.
Осуществление изобретения включает в себя несколько этапов в процессе создания, изготовления и эксплуатации антенны, а именно:
- включение в конструкцию антенной системы 1 запоминающего устройства 4 и элементов, обеспечивающих информационную связь запоминающего устройства 4 с цифровым вычислительным устройством 3 системы - информационной связи 5;
- изготовление экземпляра антенны, в том числе проведение всех сборочно-монтажных, регулировочных операций и операций контроля качества изготовления антенны;
- проведение с необходимой точностью измерений, целью которых является получение зависимости значений отношения измеренных мощностей сигналов на суммарном и разностном выходах антенны от значений угла между направлением на источник сигнала и некоторым направлением, жестко привязанным к конструкции антенны (например, направлением перпендикуляра к привалочной плоскости антенны);
- вычисление (по полученной зависимости значений отношения измеренных мощностей) коэффициентов полинома (полиномов) необходимой степени, по некоторому критерию наилучшим образом представляющего (представляющих) зависимость угла между привалочной плоскостью антенны и направлением на источник сигнала от отношения измеренных мощностей сигнала (например, по наименьшему среднеквадратическому отклонению значений полинома от действительных значений угла);
- сохранение вычисленных значений коэффициентов уравнения математической функции (полинома или полиномов) в запоминающем устройстве 4 антенной системы 1;
- извлечение значений коэффициентов полинома (полиномов) и их применение при вычислении значений угла пеленга.
Включение в конструкцию антенной системы 1 запоминающего устройства 4 и информационной связи 5 осуществляется при разработке необходимой конструкторской документации. При этом также принимают во внимание тот факт, что предлагаемое изобретение учитывает и позволяет существенно уменьшить погрешности определения угла пеленга, возникающие вследствие отклонения параметров и размеров деталей и узлов от номинальных значений при изготовлении антенны, поэтому производственные допуски на значения параметров и размеров деталей и узлов антенны, а также на значения параметров антенны в целом для достижения требуемых конечных параметров могут быть увеличены.
Изготовление экземпляра антенны производится по конструкторской документации известными методами.
Измерение мощностей сигналов на суммарном и разностном выходах антенны при различных значениях угла между направлением на источник сигнала и некоторым направлением, жестко привязанным к конструкции антенны (например, направлением перпендикуляра к привалочной плоскости антенны) производятся известными методами, позволяющими получить необходимую точность измерений. Измерения повторяются при различных значениях параметров, изменяющихся в пределах заданного диапазона при эксплуатации антенны (например, диапазон частот, значение угла равносигнального направления диаграммы направленности и т.д.). По результатам измерений составляются таблицы значений угла между направлением на источник сигнала и некоторым направлением, жестко привязанным к конструкции антенны и значений отношения мощностей сигналов на суммарном и разностном выходах антенны, соответствующего этим значениям угла. Таблицы составляются для различных значений параметров, изменяющихся в пределах заданного диапазона при эксплуатации антенны.
Вычисление коэффициентов полиномов, по некоторому критерию наилучшим образом представляющих зависимости угла между некоторым направлением, жестко привязанным к конструкции антенны, и направлением на источник сигнала от отношения измеренных мощностей сигнала, для различных значений параметров, изменяющихся в пределах заданного диапазона при эксплуатации антенны, производится известными математическими методами, например, методом наименьших квадратов. В результате вычислений получают наборы коэффициентов степенных полиномов для каждого значения параметра (или для каждого набора значений параметров), изменяющегося (изменяющихся) в пределах заданного диапазона при эксплуатации антенны.
Полученные наборы коэффициентов степенных полиномов сохраняют в запоминающем устройстве, конструктивно входящим в состав антенны.
При эксплуатации антенны сохраненные в ее запоминающем устройстве наборы коэффициентов полиномов извлекают, выбирают, в зависимости от текущих значений изменяющихся при эксплуатации параметров, необходимый набор коэффициентов степенного полинома, и вычисляют угол пеленга, подставляя в степенной полином с выбранным набором коэффициентов значение отношения измеренных мощностей сигналов от цели на суммарном и разностном выходах антенны. Вычисленное значение принимают в качестве значения угла пеленга.