ШИРОКОПОЛОСНАЯ СТАНЦИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ С ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
BROADBAND STATION OF RADIO ENGINEERING SURVEY WITH HIGH SENSITIVITY

Изобретение относится к области радиотехнической разведки (РТР) и может быть использовано в средствах радиоэлектронного наблюдения за излучениями радиоэлектронных средств (РЭС) наземного, воздушного и морского базирования, в средствах радиоэлектронной борьбы в качестве источника информации о радиоэлектронной обстановке в зоне наблюдения, а также для контроля и анализа параметров сигналов излучающих РЭС и динамики их изменения.
Известно устройство быстрого обнаружения сигнала, пеленгации и определения местоположения (патент DE №3639444, G01S 5/04, опубликован 05.05.1988 г.), которое представляет собой 2-канальный поисковый по частоте фазовый пеленгатор. Устройство предназначено для использования в поисковых и пеленгационных станциях. Вероятность обнаружения излучающего РЭС зависит от продолжительности времени приема сигналов на соответствующей частоте. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность пеленгования, низкую вероятность обнаружения кратковременно излучаемых сигналов и сравнительно узкую полосу рабочих частот.
Известны фазовые пеленгаторы (патенты РФ №1690471, G01S 3/02, 1996 г., №2165628, G01S 3/00, 2001 г., №2126978, G01S 3/54, 1999 г.). Эти пеленгаторы имеют низкое быстродействие, так как переключение антенн исключает работу по кратковременно излучаемым сигналам; недостаточную помехозащищенность, так как измерение разности фаз сигналов, принимаемых антенной, осуществляется во всем частотном диапазоне; низкую точность пеленгования из-за флюктуаций частот сигналов и направления их прихода в угломестной плоскости.
Известен пеленгатор (патент РФ №2201599, G01S 13/14, 2003 г.), реализующий корреляционно-интерферометрический метод пеленгования.
Этому пеленгатору присущи следующие недостатки: ограниченный диапазон рабочих частот, узкая полоса одновременной разведки, низкая вероятность обнаружения кратковременно излучаемых сигналов.
Наиболее близкой предлагаемому техническому решению является «Станция радиотехнической разведки» (патент РФ №2136110 от 23.04.1987 г., H04K 3/00, H04B 15/06, опубликован 27.08.1999 г.).
Станция РТР состоит из входного тракта, многоканального частотно-избирательного разветвителя, каждый канал которого содержит первый смеситель с фильтром, второй смеситель, третий смеситель с фильтром, первый гетеродин и второй гетеродин, а также из многоканального сумматора, приемного устройства, анализирующего устройства и устройства запоминания и обработки информации. В этой станции РТР достигается увеличение динамического диапазона за счет введения устройств (смесители, фильтры, гетеродины), обеспечивающих дополнительное второе преобразование частоты входного сигнала.
Известная станция РТР имеет следующие недостатки:
- низкую помехозащищенность, так как все каналы частотного разветвителя суммируются и при наложении сигналов во времени эти сигналы не разделяются;
- низкую чувствительность, так как все каналы частотного разветвителя постоянно открыты и шумы всех каналов суммируются на сумматоре;
- невозможность разведки любых видов сигналов, так как при наличии на входе станции РТР, например, непрерывного сигнала невозможна разведка импульсных сигналов.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности, точности пеленгования, быстродействия, помехозащищенности и расширение функциональных возможностей широкополосной автоматической станции РТР излучающих РЭС в части обеспечения автоматической разведки любых видов сигналов.
Поставленная задача достигается тем, что в станцию РТР, содержащую антенно-фидерное устройство (АФУ), выходы которого подключены к широкополосному радиоприемному устройству (РПУ), устройство определения параметров сигнала (УОПС), подключенное к широкополосному РПУ через переключатель, устройство цифровой обработки информации (УЦОИ), один из входов которого подключен к блоку датчиков азимута, механически подключенного к АФУ, автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, подключенное к электроприводу и аппаратуре передачи данных (АПД) и средствам радиосвязи, при этом электропривод механически подключен к АФУ, дополнительно включены синтезатор рабочих частот (СРЧ), подключенный ко входу широкополосного РПУ, и многоканальное РПУ узкополосное, входы которого подключены к выходам РПУ широкополосного. Каждый канал многоканального РПУ узкополосного содержит последовательно включенные преобразователь частоты (ПРЧ) многоканальный, блок коммутаторов, частотный разветвитель и детектор логарифмический многоканальный. УОПС также содержит последовательно включенные преобразователь частоты многоканальный, блок коммутаторов и детектор логарифмический многоканальный, построение которых аналогично соответствующим устройствам РПУ узкополосного. Кроме того, в состав УОПС входят преобразователь Фурье и многоканальный приемник, подключенные к преобразователю частоты многоканальному через блок коммутаторов. УЦОИ содержит устройство первичной обработки (УПО), подключенное к выходам РПУ широкополосного и узкополосного, устройство межканальной обработки (УМО), подключенное к выходам детектора логарифмического УОПС, и анализатор параметров, входы которого подключены к преобразователю Фурье и многоканальному приемнику, а также устройство анализа и управления (УАУ), информационные входы которого подключены к блоку датчиков азимута, УМО, анализатору параметров и УПО, управляющие выходы подключены к СРЧ, электроприводу и блокам коммутаторов УОПС и РПУ узкополосного, а информационный выход - к АРМ оператора.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения и прототипа показывает, что в предлагаемом техническом решении введены новые устройства (узкополосный приемник, синтезатор рабочих частот), а ряд устройств, функции которых аналогичны функциям прототипа (устройство определения параметров сигналов, устройство цифровой обработки информации), выполнены на основе известных устройств, но связи между ними и алгоритмы работы имеют отличия от прототипа, что позволяет получить новые свойства: повышенные чувствительность, быстродействие, пропускную способность и обеспечение возможности разведки любых видов сигналов.
Указанная совокупность отличительных признаков, по мнению авторов, является новой, т.к. в известных источниках информации не приводилась.
Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано в тех областях хозяйства страны, где применяются средства радиоэлектронного наблюдения за излучающими средствами (сопровождение излучающих средств наземного, воздушного и морского базирования, радиоэлектронное наблюдение и контроль).
На чертеже приведена структурная схема широкополосной автоматической станции РТР излучающих РЭС.
В состав АФУ входит пеленгационная антенна и антенны компенсации приема по боковым лепесткам.
Пеленгационная антенна представляет собой зеркальную антенну и n-канальный облучатель и имеет узкую диаграмму направленности по азимуту (1-3°) и многолучевую по углу места. Количество лучей по углу места (N) определяется требованиями к сектору обзора по углу места и точностью пеленгования.
Антенны компенсации боковых лепестков представляют из себя биконические и рупорные антенны. Коэффициент усиления этих антенн на 2-3 дБ превышает коэффициент усиления в направлении боковых лепестков пеленгационной антенны во всей рабочей зоне по азимуту и углу места, за счет чего обеспечивается компенсация приема по боковым лепесткам пеленгационной антенны.
Антенна равномерно вращается по азимуту с помощью электропривода со скоростью 6 или 12 оборотов в минуту (скорость задается с АРМ оператора). Величина скорости выбирается исходя из требуемого периода обзора зоны наблюдения по азимуту.
Блок датчиков азимута обеспечивает выдачу информации о текущем положении главного луча пеленгационной антенны по азимуту с высокой точностью (1-2 угловых минут). Отсчет показаний ведется относительно направления на Север.
РПУ широкополосное представляет из себя многоканальный широкополосный СВЧ приемник прямого усиления, и его рабочий диапазон частот равен рабочему диапазону частот станции. Число каналов m равно числу выходов АФУ, включая пеленгационные и компенсационные каналы.
Для расширения динамического диапазона принимаемых сигналов каждый канал содержит детекторный приемник и приемник с усилителем СВЧ. Каждый канал многоканального широкополосного РПУ содержит также детектор и логарифмический видеоусилитель. Широкополосный РПУ обеспечивает прием сигналов во всем рабочем диапазоне частот станции РТР.
РПУ узкополосное также является многоканальным, число каналов такое же, как и в широкополосном РПУ. Каждый канал узкополосного РПУ содержит многоканальный преобразователь частоты (ПРЧ), блок коммутаторов, частотный разветвитель и детектор логарифмический многоканальный. ПРЧ многоканальный содержит частотный разветвитель, который обеспечивает разделение всего рабочего диапазона частот на k каналов и преобразование в каждом канале СВЧ сигнала в промежуточную частоту и усиление сигналов промежуточной частоты. Полоса частот каждого из k каналов выбирается исходя из обеспечения требуемой чувствительности, помехозащищенности и видов разведываемых сигналов. Например, при разведке бортовых РЭС в сантиметровом диапазоне волн полоса частот может составлять от 300 до 1000 МГц.
Каждый из k каналов подключен к частотному разветвителю на s каналов через коммутатор. Каждый из s каналов частотного разветвителя подключен к определенному каналу многоканального детектора логарифмического. Полоса частот частотного разветвителя выбирается исходя из полосы частот разведываемых сигналов. Например, при длительности импульса 0,025 мкс полоса каждого из S каналов должна составлять не менее 50 МГц. Таким образом, полоса рабочих частот РПУ узкополосного по входу может изменяться от величины полосы одного из k каналов до величины диапазона частот станции, а по выходу равна полосе частот одного из s каналов частотного разветвителя, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избирательность РПУ узкополосного.
РПУ узкополосное в станции РТР используется для селекции сигналов по частоте в сложной помеховой обстановке и для повышения чувствительности станции по каналу пеленгации, если чувствительность РПУ широкополосного оказывается недостаточной для обнаружения сигнала РЭС.
Переключатель N×1 обеспечивает подключение по СВЧ сигналу одного из пеленгационных каналов широкополосного РПУ к УОПС, которое обеспечивает определение несущей частоты, длительности и амплитуды импульса, типа модуляции, ширины спектра сигнала.
УОПС содержит три приемника, работающие параллельно.
Один приемник построен аналогично узкополосному РПУ и содержит многоканальный преобразователь частоты, блок коммутаторов и детектор логарифмический. Этот приемник фактически является первой ступенью устройства определения частоты и предназначен для разделения всего частотного диапазона на k частотных каналов и определения длительности и амплитуды сигналов. Каждый из k каналов этого приемника через коммутатор параллельно подключен к преобразователю Фурье, обеспечивающему разведку протяженных сигналов (более 3 мкс) и многоканальному приемнику (МП), предназначенному для разведки коротких сигналов (менее 3 мкс), в состав которого входит частотный разветвитель, к выходам которого подключены логарифмические детекторы. Цикл работы преобразователя Фурье составляет около 1 мкс, что обеспечивает высокую пропускную способность по потоку сигналов. Преобразователь Фурье и МП являются второй ступенью устройства определения частоты.
УЦОИ представляет из себя быстродействующий процессор и устройства согласования и содержит УПО, обеспечивающее обработку сигналов РПУ узкополосного и широкополосного, устройство межканальной обработки - для сигналов первой ступени УОПС, анализатор параметров - для обработки сигналов преобразователя Фурье и многоканального приемника и устройство анализа и управления, обеспечивающее формирование полного формуляра параметров сигнала и угловых координат источника излучения, а также управление режимами работы станции РТР в целом.
СРЧ представляет из себя генератор сигналов и предназначен для калибровки трактов обоих РПУ и УОПС, а также для контроля работоспособности станции РТР в целом. СРЧ обеспечивает формирование любых видов сигналов: импульсных, непрерывных, помеховых, квазинепрерывных, частотно-модулированных (ЧМ) и с фазово-кодовой манипуляцией (ФКМ), которые используются как для настройки станции РТР, так и для контроля ее работоспособности.
АРМ оператора содержит ЭВМ, видеомонитор, клавиатуру и манипулятор графический. С АРМ осуществляется управление режимами работы станции РТР, на дисплее отображается разведанная информация. На АРМ также обеспечивается формирование выходной информации, которая через АПД и средства радиосвязи передается потребителю.
Станция РТР обеспечивает следующие основные технические характеристики:
автоматическую разведку и выдачу потребителю в реальном масштабе времени информации о параметрах и угловых координатах РЭС, излучающих любые виды сигналов:
- простые импульсные сигналы;
- сложные импульсные сигналы с внутриимпульсной модуляцией (ФКМ и ЧМ);
- непрерывные и квазинепрерывные сигналы;
- помеховые сигналы;
- сигналы с поимпульсной перестройкой рабочей частоты;
- короткоимпульсные сигналы (до 0,025 мкс).
Распознавание класса (типа) РЭС.
Сопровождение РЭС на весь их период работы с присвоением условного номера.
Исключение мешающих сигналов.
Отображение как полной радиотехнической обстановки, так и формы конкретных сигналов.
Контроль исправности аппаратуры.
Тренировку операторов.
Воспроизведение процесса разведки РЭС за определенный период времени.
Станция РТР обеспечивает работу в нескольких режимах:
- «Ввод исходных данных»;
- «Работа»;
- «Контроль»;
- «Тренаж»;
- «Технологический»;
- «Воспроизведение».
В режиме «Ввод исходных данных» с АРМ оператора может производиться ввод исходных данных, необходимых для организации режима «Работа»:
- период вращения антенны;
- номера и приоритеты частотных каналов;
- запрещенные и приоритетные частоты;
- приоритеты по видам сигналов («короткий» - «длинный», «слабый» - «мощный»);
- приоритетные направления по азимуту и классам РЭС;
- информация о параметрах и РЭС для банка образов;
- вариант налета РЭС для режима «Тренаж».
Информация вводится только в случае ее изменения по сравнению с предыдущим этапом работы.
В режиме «Работа» осуществляется разведка излучающих РЭС и выдача информации о них потребителю. Разведка осуществляется автоматически без участия оператора. Оператор может вносить коррективы по изменению режимов разведки и установки приоритетов по частотным каналам и направлениям как по азимуту, так и по углу места.
Работу станции РТР рассмотрим по структурной схеме, приведенной на чертеже.
Разведка РЭС осуществляется «на проходе» при равномерном вращении антенны с помощью электропривода.
Время наблюдения РЭС составляет от 10 до 100 мс в зависимости от мощности и частотного диапазона сигнала. Сигнал с АФУ поступает в РПУ широкополосное, усиливается и детектируется. Часть СВЧ мощности с каждого канала широкополосного РПУ ответвляется в соответствующий канал РПУ узкополосного, а с пеленгационных каналов - на переключатель N×1. Видеосигналы с выхода РПУ широкополосного поступают на УПО УЦОИ. В УПО происходит сравнение амплитуд сигналов, к обработке принимаются только сигналы, принятые главным лучом пеленгационной антенны, т.е. амплитуда сигнала в пеленгационном канале которого больше, чем в компенсационном канале. Сигналы, принятые боковыми лепестками пеленгационной антенны и компенсационными каналами, к обработке не принимаются. Тем самым обеспечивается высокая избирательность приема сигналов по направлению и повышается помехозащищенность станции РТР.
Если сигнал принят пеленгационным каналом, то к этому каналу РПУ широкополосного через переключатель N×1 подключается УОПС для определения параметров сигнала. В исходном положении УОПС подключена к первому (нижнему) лучу ДН АФУ. Поскольку чувствительность РПУ широкополосного ниже, чем УОПС, может оказаться, что сигнал есть в УОПС и нет в РПУ широкополосном. В этом случае по информации о несущей частоте, полученной с УОПС, узкополосный РПУ настраивается на частоту сигнала, принятого УОПС. Настройка осуществляется путем управления коммутаторами РПУ узкополосного.
Обработка сигналов узкополосного РПУ осуществляется аналогично сигналам РПУ широкополосного, т.е. к обработке принимаются только сигналы, принятые пеленгационными каналами.
Поскольку построение УОПС и РПУ узкополосного аналогично, то их чувствительность примерно одинакова, что обеспечивает их совместную работу. Однако при управлении коммутаторами от УОПС невозможна разведка нескольких сигналов, одновременно находящихся в ДН пеленгационной антенны, если их частоты отличаются на величину большую, чем полоса частот РПУ узкополосного, а также сигналов с поимпульсной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Для этого предусмотрена возможность управления коммутаторами как в УОПС, так и в РПУ узкополосном приходящим СВЧ сигналом, за счет чего при высокой чувствительности станции обеспечивается повышение ее пропускной способности и разведка сигналов с ППРЧ.
Наличие в УОПС двух параллельно работающих приемников: преобразователя Фурье, обеспечивающего высокую точность определения частоты и возможность работы по протяженным во времени сигналам, и многоканального приемника, обеспечивающего разведку коротких сигналов (до 25 нс), позволяет разведывать любые виды сигналов. Анализатор параметров обеспечивает анализ информации преобразователя Фурье и МП и определение несущей частоты, вида модуляции и ширины спектра сигнала. В первую очередь используется информация преобразователя Фурье, если в нем информация отсутствует, то используется информация МП. Устройство межканальной обработки обеспечивает определение номера частотного канала, в котором принят сигнал, амплитуды и длительности импульса. Совместная обработка информации УМО, преобразователя Фурье и МП обеспечивает точное определение частоты во всем рабочем диапазоне частот станции РТР. Кроме того, в УМО обеспечивается обработка сигналов по заданным приоритетам при их наложении во времени (слабый или сильный, короткий или длинный), чем обеспечивается высокая помехозащищенность станции в сложной радиоэлектронной обстановке. Приоритеты устанавливаются путем изменения порогов обнаружения в УМО. В станции РТР могут также адаптивно изменяться режимы разведки по командам оператора, при этом режим «Работа» не прекращается. Оператор может задать режим разведки «Беспоисковый», «Поисковый» или «Сверхбыстрый поиск».
При «Беспоисковом» режиме все или несколько (более 2-х) каналов многоканальных преобразователей частоты УОПС и РПУ узкополосного постоянно открыты. При этом обеспечивается разведка любых видов сигналов, но чувствительность УОПС и РПУ узкополосного ниже, чем при открытом одном канале. Поэтому предусмотрен также режим, при котором все каналы закрыты, но открываются приходящим сигналом. При этом обеспечивается самая высокая чувствительность и разведка любых видов сигналов. В станции РТР предусмотрен также «Поисковый» режим.
В «Поисковом» режиме открыт постоянно только один частотный канал, что обеспечивает самую высокую чувствительность и помехозащищенность станции, но сужается полоса разведываемых частот.
При «Сверхбыстром поиске» при смене цикла работы преобразователя Фурье (около 1 мкс) периодически изменяется и номер открытого частотного канала в УОПС, при этом просматривается весь рабочий диапазон частот, что позволяет обнаруживать слабые сигналы, а затем автоматически перейти на «Поисковый» режим и обеспечить его пеленгование и измерение параметров.
Сочетание перечисленных выше режимов позволяет осуществлять работу станции РТР в сложной помеховой обстановке и обеспечивать разведку любых видов сигналов.
В станции РТР предусмотрено также режектирование мешающих сигналов по несущей частоте, по направлению или по совокупности параметров РЭС - несущая частота, длительность и период следования импульсов (f, τ, Т), которое осуществляется в УАУ. УАУ обеспечивает прием информации от РПУ широкополосного и узкополосного, УОПС и блока датчиков азимута и анализ этой информации за время наблюдения, а также разделение последовательностей сигналов от различных РЭС и определение параметров сигналов и угловых координат РЭС по пачке импульсов, принятой за время наблюдения. Угловые координаты РЭС (азимут и угол места) и параметры его сигнала определяются как наиболее вероятные за время наблюдения по формуле:
где Xi - угловая координата (или параметр), определенный по i-му импульсу;
Ui - амплитуда i-го импульса;
S - количество импульсов, принятых за время наблюдения.
Поскольку ДН пеленгационной антенны имеет колоколообразную форму, то параметры и угловые координаты РЭС, определенные в момент, когда ДН пеленгационного канала точно направлена на РЭС, имеют больший вес, чем на скатах ДН, что уменьшает погрешности за счет пропусков импульсов и несимметрии ДН и повышает точность пеленгования и определения параметров РЭС.
Значение угла места по каждому i-му импульсу определяется в УПО либо по номеру канала АФУ при наличии сигнала только в одном пеленгационном канале, либо моноимпульсным амплитудным методом, при наличии сигнала в соседних двух лучах ДН пеленгационной антенны.
Для повышения точности пеленгования по углу места и точности определения частоты периодически по сигналам СРЧ осуществляется калибровка трактов РПУ широкополосного и узкополосного, а также УОПС. Информация о разноканальности (неидентичности коэффициентов передачи каналов обоих РПУ и УОПС) запоминается в УЦОИ и используется при определении угла места и номера частотного канала УОПС. Кроме того, при вычислении угла места моноимпульсным методом учитывается, на какой частоте принят сигнал, так как крутизна пеленгационной характеристики может изменяться в рабочем диапазоне частот. Исходные данные о крутизне пеленгационной характеристики заносятся в память процессора УЦОИ при настройке станции РТР.
Азимут РЭС считывается с датчика азимута в момент приема каждого i-го импульса.
Остальные параметры сигнала РЭС по каждому i-му импульсу определяются в УМО и анализаторе параметров.
При наличии непрерывных или длинных сигналов они квантуются циклами работы преобразователя Фурье (около 1 мкс) и по каждому i-му циклу определяются параметры и угловые координаты, которые затем анализируются в УАУ, где окончательно определяется вид сигнала и его параметры.
Таким образом, такое построение УОПС, при котором одновременно работают и МП и процессор Фурье, позволяет разведывать любые виды сигналов: от самых коротких (0,025 мкс) до непрерывных и помеховых.
Информация по каждому сигналу поступает на ЭВМ АРМ оператора. В АРМ осуществляется распознавание класса РЭС путем сравнения параметров разведанного РЭС с параметрами РЭС в банке образов, сопровождение РЭС от обзора к обзору с присвоением условного номера на весь период работы РЭС, формирование выходной информации и отображение информации на экране монитора. По желанию оператора информация может отображаться в табличной форме либо на фоне реальной местности. Кроме того, оператор может наблюдать обстановку в координатах: азимут-частота, азимут-мощность, частота-мощность, а также наблюдать форму отдельных сигналов. При этом в формировании выходной информации потребителю оператор не участвует, она формируется и передается автоматически с заданным циклом разведки (5 или 10 с).
В режиме «Контроль» обеспечивается контроль исправности аппаратуры станции РТР с точностью до сменного узла (модуля). Для контроля используются сигналы СРЧ и специальные контрольные тесты.
Режим «Тренаж» используется для тренировки операторов. В этом режиме задействовано только АРМ оператора. Оператор выбирает вариант радиоэлектронной обстановки (налета) и может участвовать в процессе разведки РЭС: изменять режимы разведки, устанавливать приоритеты, наблюдать общую радиоэлектронную обстановку при различных видах экранных форм.
Режим «Технологический» используется для настройки аппаратуры станции РТР. Данный режим аналогичен режиму «Работа», но без вращения антенны, которая имитируется в УЦОИ. В качестве сигнала РЭС используются либо сигнал СРЧ, либо сигнал внешнего генератора, принимаемый АФУ.
Режим «Воспроизведение» позволяет воспроизвести на экране АРМ процесс разведки РЭС в режиме «Работа» за определенный период времени. Это обеспечивается благодаря тому, что вся разведанная информация автоматически документируется в памяти ЭВМ. Режим «Воспроизведение» позволяет проводить детальный анализ работы станции РТР в режиме «Работа» и оценивать конкретные действия оператора, способствуя тем самым повышению их квалификации.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет создать широкополосную автоматическую станцию РТР с высокими техническими характеристиками: чувствительностью, точностью пеленгования, помехозащищенностью к пропускной способности, а также обеспечить разведку любых видов сигналов.