Самолетные радиолокационные станции с использованием фазированной антенной решетки

10. Гришко, А. К. Алгоритм оптимального управления в сложных технических системах с учетом ограничений / А. К. Гришко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2017. - № 1 (21). - C. 118 - 124.

11. Гришко А. К. Анализ надежности структурных элементов сложной системы с учетом интенсивности отказов и параметрической девиации / А. К. Гришко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 3 (19). - C. 130-137.

12. Гришко, А. К. Управление электромагнитной устойчивостью радиоэлектронных систем на основе вероятностного анализа динамики информационного конфликта / А. К. Гришко, А. С. Жумабаева, Н. К. Юрков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 66-75.

13. Гришко, А. К. Динамическая обработка сигнала в системах управления процессом аудиозаписи / А. К. Гришко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2007. - Т. 2. - С. 56-59.

14. Grishko A. Parameter control of radio-electronic systems based of analysis of information conflict. 2016 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Novosibirsk, Russia, October 03-06, 2016, Vol. 03, pp. 1-1. DOI: 10.110 9/APEIE.2016.7806895.

15. Grishko A., Goryachev N., Kochegarov I., Yurkov N. Dynamic Analysis and Optimization of Parameter Control in Radio Systems in Conditions of Interference. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Moscow, Russia, May 12-14, 2016. pp. 1-4. DOI: 10.110 9/SIBC0N.2016.7491674.

16. Grishko A., Goryachev N., Yurkov N. Adaptive Control of Functional Elements of Complex Radio Electronic Systems. International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, Number 23 (2015), pp. 43842-43845.

17. Rybakov I., Goryachev N., Kochegarov I., Grishko A., Brostilov S. and Yurkov N. K. Application of the Model of the Printed Circuit Board with Regard to the Topology of External Conductive Layers for Calculation of the Thermal Conditions of the Printed Circuit Board. Journal of Physics: Conference Series, Volume 803, Number 1, 2017, pp. 1-6. DOI:10.1088/17 42-6596/803/1/012130.

18. Andreev P. G., Yakimov A. N., Yurkov N. K., Kochegarov I. I, Grishko A.K. Methods of Calculating the Strength of Electric Component of Electromagnetic Field in Difficult Conditions. 2016 12th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov, Russia, September 22-23, 2016, Vol. 1. P. 1-7. DOI: 10.110 9/APEDE.2016.7878895.

19. Гришко, А. К. Методы субъективной оценки качества звучания электроакустических систем / А. К. Гришко, М. В. Бойцова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2006. - Т. 2. - С. 141-143.

УДК 629.7

Жумашев Н.Г., Каражанов Б.Б, Сулейменов Е.А,

Военный институт сил воздушной обороны, Актобе, Казахстан

САМОЛЕТНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

В настоящее время все оборудование летательных аппаратов, образует, как правило, комплекс бортового оборудования, который определяется как совокупность информационных систем, вычислительно-программируемых средств, систем индикации, сигнализации и пультов управления, предназначенных для совместного выполнения группы задач общего функционального назначения.

Информационными (информационно-измерительными) системами являются системы, измеряющие физические величины и выдающие информацию в различные системы комплекса, к таким, например, относятся: радиотехническая система ближней навигации (РСБН), доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС), бортовая радиолокационная станция (БРЛС) и другие.

Одной из главных систем в составе комплекса является радиолокационные системы, которые позволяют получать информацию об удаленных объектах путем приема отраженной (переизлученной) электромагнитной энергии. В зависимости от решаемых задач различают следующие БРЛС [1]:

- РЛС перехвата и прицеливания;

- РЛС радиолокационного дозора и наведения;

- РЛС профильного полета;

- метеоРЛС и др.

На самолетах фронтовой авиации применяются РЛС перехвата и прицеливания, хотя на некоторых типах тяжелых истребителей необходима установка обзорной РЛС в задней полусфере.

Создание БРЛС для истребителей началось в 5060-х года. Это было вызвано бурным развитием ракетной техники и как следствие созданием ракетных авиационных средств поражения (АСП). С этого времени заблаговременное обнаружение, опознание цели и определение расстояния до нее стало задачей выживаемости самолета и выполнения им боевого задания.

Дальнейшим развитием РЛС стало использование ее в качестве средства наведения собственных АСП с радиолокационной головкой самонаведения (РЛ ГСН). Первые отечественные РЛС были самостоятельными системами это, например такие как: РЛС

«Изумруд», «Изумруд-2», устанавливаемые на самолеты МиГ-17ПФ, -17ПФУ, -17ПМ, МиГ-19П; «Сап-фир-23» устанавливаемые на МиГ-23. Позже когда началось комплексирование, были созданы БРЛС типа Н019 входящее в состав системы управления вооружением (СУВ-2 9) самолета МиГ-2 9 и Н001 «Меч», входящее в состав СУВ-27 самолета Су-27. Характерной чертой всех перечисленных БРЛС было наличие в их составе зеркальной или щелевой антенны (отражателя) управление лучом, в которой осуществляется механически, т.е. поворотом антенны. Исключением является БРЛС «Заслон», установленная на тяжелом истребителе МиГ-31. В данной БРЛС впервые в мире в качестве антенны применена фазированная антенная решетка (ФАР). ФАР представляет собой сложную антенную систему с электронным сканированием, состоящую из излучателей, питающей системы, обеспечивающей распределение высокочастотной энергии между излучателями, и схемы управления лучом.

В качестве излучателей ФАР могут применяться полуволновые вибраторы, открытые концы волновода, диэлектрические стержни, щели в узкой или широкой стенке волновода, рупоры, спиральные или зеркальные антенны. В зависимости от способа размещения излучателей различают линейные ФАР (излучатели располагаются на одной прямой линии), плоские ФАР (излучатели размещаются на плоскости) и конформные ФАР (излучатели устанавливаются на криволинейной поверхности - цилиндре, конусе).

ФАР фидерного типа можно подразделить на две группы - пассивные и активные антенные решетки. В пассивных решетках высокочастотная энергия генерируется одним или несколькими мощными источниками и направляется в общее фидерное устройство, распределяющее энергию между отдельными излучателями. В отрезке фидерной линии каждого излучателя включаются элементы схемы управления лучом. В активных решетках фидерного типа высокочастотная энергия генерируется большим числом маломощных и малогабаритных усилителей, на вход которых поступают колебания от общего задающего

генератора. Каждый из маломощных усилителей питает только один или группу излучателей. Следовательно, активная ФАР имеет в принципе модульную структуру, базирующуюся на твердотельных элементах.

Распределение высокочастотной энергии между излучателями может осуществляться двумя способами: с помощью разветвленной фидерной системы по параллельной или последовательной схеме, а также оптическим способом через свободное пространство. ФАР фидерного типа является более перспективными по сравнению с ФАР с оптическим возбуждением. При фидерном типе питания каждый излучатель может работать на свой приемник передатчик, что существенно повышает надежность и дальность действия РЛС за счет принципиальной возможности увеличения результирующей мощности излучения, открывает возможность широкого применения твердотельных схем, упрощает сопряжение РЛС с бортовым вычислителем.

Отличительной особенностью от предыдущих конструкций является возможность сохранения обзора воздушного пространства после захвата целей, одновременное сопровождение и атака нескольких целей, работа в так называемых комбинированных режимах, включающих чередование режимов «воздух-воздух» и «воздух-поверх-ность» с проведением одновременной атаки воздушной и наземной цели; ведение сверхманевренного ближнего воздушного боя; улучшение помехозащиты за счет формирования провалов в диаграмме направленности антенны (ДНА) в направлении помехопостановщика и возможности гибкого использования работного времени БРЛС т.е. увеличения времени для анализа поме-ховой обстановки за счет других режимов, например обзора.

Как показало время ФАР наиболее эффективная схема антенны для БРЛС. Применение ФАР значительно снижает диаметр отражателя, вес и габариты прицельной системы, что делает возможным установку БРЛС на истребитель любого класса. Значительным преимуществом ФАР является неподвижность антенны и электронное управление лучом, что делает возможным более точно определить цель, удаленную на десятки и даже сотни метров, а значит и более качественно осуществить прицеливание и ее уничтожение [2].

Дальнейшее совершенствование ФАР, а также применение более совершенных вычислителей в составе РЛПК дает возможность осуществить программируемый обзор и одновременное сопровождение до нескольких десятков целей в широком секторе воздушного пространства, эффективно работать на фоне отражений от земной и водной поверхностей, формировать лучи специальной формы и зоны с уменьшенным уровнем боковых лепестков направлении помех. Применение ФАР дает возможность работы БРЛС в нескольких диапазонах и обзор и наведение в предельно широкой зоне пространства.

В настоящее время разработаны и успешно прошли испытания такие ФАР, как «Скат», «Перо», «Эполет», и другие входящие в состав наиболее перспективных БРЛС «Барс», «Оса», «Жук» и их модификаций.

БРЛС Н011М «Барс», наиболее совершенная в мире серийная РЛС, предназначена для установки на тяжелые истребители типа Су-27ИБ, Су-30МК. «Барс» позволяет определить тип летательного аппарата на расстояниях 100-300 километров (возможно даже определение типа летательного аппарата по количеству лопаток двигателя), при этом параллельно продолжается обзор воздушного пространства и сопровождение ранее захваченных, как наземных, так и воздушных целей. В течении секунды «Барс» может составить «портрет» пяти самолетов и произвести пуск ракет с РЛ ГСН класса «воздух-воздух» и «воздух-поверхность».

В составе одной из модификаций «Барса» имеется двухкоординатный привод антенны, обеспечивающий ее доворот по азимуту и стабилизацию по крену, а также мощный выходной усилитель передающего канала, созданный на базе лампы бегущей

волны (ЛБВ) «Челнок» (средняя мощность 5-7 кВт), не имеющий мировых аналогов.

БРЛС «Оса» - первая в мире малогабаритная станция, что делает возможным ее установку на любой истребитель, в том числе и на легкий истребитель типа МиГ-21[3]. По многим характеристикам «Оса» превосходит зарубежные аналоги больших габаритов. В БРЛС используется антенная система с электронным управлением лучом, включающая в себя две ФАР (Х и Ь диапазонов). Электронное сканирование, управление и наведение ракет осуществляется в предельно широком секторе пространства (конус с углом в вершине равном 120 град.). Обеспечено адаптивное уменьшение формы луча и уровня боковых лепестков. Возможно одновременное сопровождение восьми воздушных целей и наведение ракет с РЛ ГСН на четыре из них, работа по наземным и воздушным целям. Дальность обнаружения цели класса «легкий истребитель» в передней полусфере составляет 85 км., а дальность действия системы захвата цели на автоматическое сопровождение превышает 65 км.. При таких высоких характеристиках масса станции 120 кг., а занимаемый объем 150 дм3.

Исходя из этого, в своем классе «Оса» является на сегодняшний день самой легкой и компактной БРЛС, имеющей наивысшую эффективность и возможность установки на легкий истребитель. При увеличении диаметра ФАР с 460 до 620 мм., что соответствует габаритам антенны среднего истребителя, Характеристики «Осы» значительно возрастают. В частности, увеличивается дальность обнаружения и сопровождения воздушных целей любого класса. При этом масса возрастает не более чем на 15-20 кг. Кроме того, возможна установка «Осы» в ее базовом варианте в качестве БРЛС заднего обзора для относительно тяжелых боевых самолетов.

В результате многолетних исследований были разработаны два типа антенных систем (АС) с электронным управлением лучом:

- АС на основе двух ФАР. Первая из них обладает предельно высокими (максимальными применительно к авиационным БРЭО) характеристиками излучения в Х-диапазоне и состоит из системы излучения, выполненной на основе рупорных или щелевых излучателей, волноводной распределительной системы и цифровой системы фазирования на основе ферритовых фазовращателей. Вторая ФАР Ь-диапазона (канал запросчика госопознования) выполнена на р1п-диодных микрополосковых фазовращателях в виде проходной ФАР с системой питания на микрополосковых делителях и излучателях в виде укороченных вибраторов;

- АС с электронным управлением на основе двух ФАР, причем в антенне Х-диапазона применена «оптическая» отражательная система распределения мощности.

Кроме того, решена задача формирования в азимутальной плоскости расширенной до 200 и более градусов зоны обзора воздушного пространства и земной поверхности, что значительно повышает информационную обеспеченность и боевой потенциал истребителя. В данное время проработаны две архитектурные концепции АС:

- системы неподвижных ФАР (лобовая, а также две или несколько периферийных антенн);

- ФАР, установленная на поворотном устройстве, и имеющая сектор электронного сканирования в пределах ±40-50 град, с возможностью дополнительного механического перемещения («доворота») еще на 40-50 град.

Дальнейшим развитием БРЛС с ФАР является создание БРЛС с активной фазированной решеткой (АФАР), которая является неотъемлемой частью «истребителя пятого поколения» [4]. Для такого истребителя необходима даже не РЛС, а интегрированный радиоэлектронный комплекс (ИРЭК), представляющий собой, по сути, интеллект самолета, предлагающий конкретные решения, ускоряющий принятие решений для работы в режиме крайне ограниченного времени. Кроме возросших скоростей, его особенностью является:

- необходимость одновременной работы по большому количеству смешанных целей;

- необходимость работы в большом секторе пространства (±70 град.);

- высокие помехозащищенность, надежность, степень интеграции и возможности конфигурации.

Все это возможно обеспечить только с использованием АФАР с твердотельным приемопередающим трактом (ППМ) делающим антенну более живучей, так при выходе из строя (в результате попадания пуль, осколков) части ППМ, антенна в целом продолжает надежно работать, с уменьшением дальности действия на несколько процентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Грачев В.В., Сушкевич Б.А. Бортовые радиолокационные станции. Учебное пособие.- Л.: ОЛАГА, 1986.-148 с.

2. Якимов А.Н., Неробеев А.В. Исследование влияния вибрационных воздействий на конструкцию антенной решетки// Труды международного симпозиума. Надежность и качество. - 2016. - Т. 2 - С. 46 -

48.

3. «Оса жалит метко». Вестник авиации и космонавтики, №4-2003 г.

4. «НИИП и его радары». Вестник авиации и космонавтики», №1-2002 г.

УДК 621.396 Nosrati И.

Samara National Research University, Samara, Russia

FPGA-BASED GPS RECEIVER FOR SPACE MISSION

FPGA based GPS receivers are the focus of this research and specifically the space-borne type for use in space mission. This research is undertaken to address two challenges in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) technologies:

Consider some aspects of the problem related to Global positioning System

High-expenses associated with space-borne GPS receiver design and implementation in a system-on-a-chip merges different functions and applications on a single substrate. The objective is to implement FPGA-based offline tracking system using Verilog Hardware Description Language (Verilog HDL). The program is tested and simulated by using HDL compiler. A coherent demodulation of the GPS signal is implemented. GPS receiver calculates the position based on the data collected from four satellites. Given four satellites, acquisition of the data from the signals and data extraction is performed.

The chosen GPS algorithms will be implemented in software based-on Matlab / Simulink platforms. The established schemes will serve as development platforms for the space-borne or high-dynamics GPS L1 C/A correlator and baseband processing algorithm(s) for accuracy ofposi-tion, Velocity and Time (PVT) determination computations. The designed algorithm(s) will be subjected to simulated low and possibly high-dynamics functional tests. The completed space-borne GPS receiver is expected to be used in future to autonomously and automatically determine orbiting LEO nanosatellites spacecraft position (latitude, longitude and altitude) by acquiring, tracking, decoding and processing transmitted GPS Ll C/A signals

INTRODUCTION

Global Positioning System (GPS) is a high-precision three-dimensional real time radio navigation system that used to determine accurate real time information. GPS system is widely used by land, sea and airborne users anywhere in the world and in all weather conditions. 24 hours working satellites are in orbit at 10,600 miles above the Earth. They are spaced so that from any point on the Earth, four satellites will be seen above the horizon. Each satellite sends navigation messages continuously. The GPS receivers collect and process real time information in order to obtain accurate navigation data. GPS receivers are the focus of this research and specifically the space-borne type for use in space mission. Up to now, GPS receivers, while providing an accurate and low cost means of navigation which limited to low Earth orbit (LEO) missions. The growing popularity of Cu-besat nanosatellites has delivered for the first time the opportunity to develop space missions at very low cost The Namuru Field Programmable Gate Array (FPGA) GNSS receiver has continued to develop at UNSW as research has progressed. The Namuru V3.2 FPGA based GPS receiver has been developed specifically for the Boeing Colony II 3U cube sat platform and a mission that satisfies many of these requirements. Today these innovative new receiver technology developed by NASA Goddard Space Flight Center is a leap forward for GPS technology [National Aeronautics and Space Administration Patent No:

7,548,199]. NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) has developed a new space-borne GPS receiver called Navigator that can operate effectively in the full range of Earth orbiting missions from LEO to GEO and beyond. The Navigator is an autonomous, real-time, fully space-flight-qualified GPS receiver with exceptional capabilities for fast signal acquisition and weak signal tracking. These features enable the use of GPS navigation in high Earth orbit (HEO), geostationary orbit (GEO), and other high altitude applications. The Navigator receiver can quickly

and reliably acquire and track GPS signals at 25 dB-Hz and lower also it is a radiation-hardened GPS receiver specifically designed for use in high Earth orbits.

Most GPS receivers that are commercially available cannot be publicly upgraded and therefore be used in space due to their inability to handle high-dynamics Doppler frequency shifts which hampers GPS signal acquisition, tracking, lock, position, velocity and time accuracies. The inability in the GPS algorithms can be attributed to inefficiency due to (i) wrong mathematical models used and (ii) the computational inability of the implemented algorithmic models. The mathematical models refer to the different mathematical techniques or concepts that an algorithm is based-on. The computational inability refers to the slowness in execution speed and high memory usage of the implemented algorithms. [Nganyang Paul Bayendang: 2015]

GPS ITAR / COCOM limits embedded in commercial GPS receivers - ITAR stands for International Traffic in Arms Regulations. COCOM - discontinued, was a Coordinating Committee for Multilateral Export Controls. The GPS ITAR or previously COCOM limits, restrict operations of commercial GPS receivers to altitudes of <18km and velocities of <515m/s, (Lu, 2003: 63; Nort-ier, 2003: 20; CCII, n.d.: 2) by ensuring automatic shut-down or faulty readings if one or both limits are exceeded. This is to prevent free use of commercial GPS receivers in ballistic missiles applications. Therefore, only a handful of vendors, do design and commercialize space-borne GPS receiver units [Nganyang Paul Bayendang: 2015]

Space-borne GPS Receiver Design Considerations

This section discusses various challenges faced by a GPS receiver on-board an orbiting CubeSat. A space-borne GPS receiver design considerations can be divided into two types, namely i) physical and ii) non-physical. Both of