УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована в тренажерах подготовки операторов радиолокационных станций, а также для функционально-диагностического контроля радиолокационных систем.
Известно устройство тренажера (фиг.1) операторов РЛС [1], содержащее пульт преподавателя 1, предназначенный для набора параметров движения объекта, первый выход которого соединен с первым входом преобразователя координат 2, предназначенного для вычисления текущих координат при имитации движения воздушного объекта, а второй выход - с первым входом сглаживающего блока 3, превращающего скачки курса и скорости движущегося объекта в плавное движение по дуге окружности, второй вход которого соединен с первым выходом преобразователя координат 2, выход сглаживающего блока 3 соединен со вторым входом преобразователя координат 2; второй выход преобразователя координат 2 соединен со входом пульта оператора 4 со встроенным выносным панорамным индикатором для слежения и вычисления координат объекта.
Недостатком устройства тренажера является приблизительное задание значений параметров движения по переходной кривой и ограниченные точностные возможности наложения на первичную радиолокационную обстановку вторичной имитируемой информации, а также отсутствие формирователей помех.
Известно устройство имитации траекторий движения воздушных объектов (фиг.2), состоящее из рабочего места оператора 5, в котором производится автоматический расчет уравнений движения по трем координатам x(t), y(t), z(t) и скорости v(t) непосредственно после ввода исходных данных на рабочем месте оператора с последующей передачей коэффициентов указанных уравнений в блок расчета координат 6, в котором в ответ на запрос информации о текущем положении объекта вычисляются его декартовы координаты, которые в преобразователе координат 7 в момент времени t конвертируются в полярные [2].
Недостатком данного устройства являются малые функциональные возможности при тренировке операторов, поскольку не обеспечивается формирование параметров воздушных объектов в виде эффективной отражающей поверхности объекта (ЭПР), связанной с их отражающей способностью к излучению РЛС S и затуханием мощности отраженного эхосигнала А(Д) в зависимости от расстояния Д воздушного объекта до РЛС; задание программы обзора РЛС пространства и формы диаграммы направленности антенны по азимуту β и углу места; формирование различного вида активных и пассивных помех, отражений от распределенных объектов, метеоборазований; модуляция имитируемой воздушной обстановки к единому времени, текущему обзору пространства РЛС; введение режима с наложением имитируемой воздушной обстановки на реальную обстановку в процессе контроля воздушного пространства и тренировки операторов.
Указанные недостатки препятствуют использованию имитируемых сигналов воздушной обстановки в качестве тестовых эталонных воздействий при функционально-диагностическом контроле систем РЛС.
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи расширения функциональных возможностей устройства имитации траекторий движения воздушных объектов, формирования в реальном масштабе времени комплексных текущих эхо-сигналов с выхода приемного канала с привязанными к воздушным объектам поставщиками различного вида помех, точечных и распределенных объектов, шумов приемного тракта с наложением или без наложения на реальную воздушную обстановку имитируемых сигналов, обеспечение функционально-диагностического контроля систем РЛС, модуляции имитируемых эхо-сигналов в зависимости от отражающей поверхности воздушных объектов, их затухания в функции дальности от точки расположения и текущих угловых координат сканирования воздушного пространства антенной системы РЛС.
Для достижения технического результата в устройство имитации траекторий движения воздушных объектов, содержащее рабочее место оператора, дополнительно введены вычислитель координат воздушных объектов в прямоугольной и сферической системах координат, вычислитель амплитуд эхо-сигналов в функциях дальности, хронизатор единого времени и текущих координат обзора пространства, формирователь кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами, имитатор шумового сигнала, модулятор амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны, имитатор точечных и распределенных объектов, имитатор помех, формирователь комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства, коммутатор-смеситель сигналов, система обработки информации; при этом, вход устройства соединен с первым входом коммутатора смесителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства, а выход соединен со вторым входом системы обработки информации, вход-выход которой соединен с первым входом-выходом рабочего места оператора, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом вычислителя амплитуд эхо-сигналов в функциях дальности, входом имитатора шумового сигнала, с четвертым входом модулятора амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны, со вторым входом имитатора помех, с первым входом системы обработки информации, с третьим входом коммутатора-смесителя сигналов, с входом-выходом вычислителя координат воздушных объектов в прямоугольной и сферической системах координат, вход которого соединен с входом-выходом хронизатора единого времени и текущих координат обзора пространства, третьим входом-выходом рабочего места оператора, с третьим входом системы обработки информации и первыми входами модулятора амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны, формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства, выход вычислителя координат воздушных объектов в прямоугольной и сферической системах координат соединен с входом вычислителя амплитуд эхо-сигналов в функциях дальности, вход-выход которого соединен с входом имитатора шумового сигнала, а выход - с первым входом формирователя кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами, выход которого соединен со вторым входом модулятора амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны, выход которого соединен со вторым входом формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства, третий вход которого соединен с первым выходом имитатора шумового сигнала, а четвертый вход соединен с первым входом системы обработки информации, второй выход имитатора шумового сигнала соединен с первым входом имитатора помех, второй вход которого соединен с входом-выходом имитатора точечных и распределенных объектов, с первым входом системы обработки информации, а выход имитатора помех со вторым входом формирователя кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами, выход имитатора точечных и распределенных объектов соединен с третьим входом модулятора амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенн.
Предлагаемое устройство имитации радиолокационной информации иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.3.
Устройство имитации радиолокационной информации содержит рабочее место оператора 5, вычислитель координат воздушных объектов в прямоугольной и сферической системах координат 9, вычислитель амплитуд эхо-сигналов в функциях дальности 11, хронизатор единого времени и текущих координат обзора пространства 10, формирователь кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами 13, имитатора шумового сигнала 12, модулятора амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны 14, имитатора точечных и распределенных объектов 15, имитатора помех 18, формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства 16, коммутатора-смесителя сигналов 17, системы обработки информации 19. Рабочее место оператора 5 выполняет и функции рабочего места инструктора.
Устройство имитации радиолокационной информации работает следующим образом.
Инструктор вручную на рабочем месте оператора 5 задает сценарий воздушной обстановки [2, 3, 4]. Отображение воздушной (радиолокационной) обстановки в зоне ответственности РЛС и управление системами и режимами работы РЛС на экране монитора рабочего места оператора 5 осуществляется с помощью графических интерфейсов и электронного меню. Формирование сценария воздушного налета, управление работой монитора также осуществляются с помощью электронного меню и штатных устройств ввода специализированной ЭВМ (СЭВМ) - трекбола, клавиатуры.
2-
к
Таким образом, инструктор вручную через наглядный пользовательский интерфейс задает сценарий воздушной обстановки [2, 3, 4]. Основой в сценарии воздушной обстановки являются имитируемые воздушные объекты и траектории их движения. Каждая из траекторий описывается следующими параметрами: время появления имитируемого объекта (начало, c…); эффективная отражающая поверхность (ЭПР) объекта, м S; максимальная переносимая перегрузка в числах ускорения свободного падения  (перегрузка, g:…) и т.д.
n
n
n
n
Траектория полета воздушного объекта задается набором опорных вершин {M(x,y,z)} ломаной линии, очерчивающей траекторию движения воздушного объекта.
n
n
n
n
n
n
Ввод точек М, начальных скоростей движения в этих точках, осуществляется средствами человеко-машинного интерфейса на экране индикатора кругового обзора в естественном для оператора виде {М(х, y, h)} с привязкой к прямоугольной системе координат, когда в качестве третьей координаты удобно задавать высоту h воздушного объекта над поверхностью Земли. В рабочем месте оператора 5 производится автоматический расчет уравнений движения воздушного объекта по трем координатам x(t),y(t,),z(t).
Сформированный оператором налет, состоящий из нескольких (до 200) траекторий движения воздушных объектов, записывается в файл определения воздушной обстановки. Работу с файлами обеспечивает разработанная программа ввода информации и имитации воздушной обстановки для СЭВМ рабочего места оператора 5. Управление файлами осуществляется посредством электронного меню. Создание файла определения воздушной обстановки (ФОВО) производится в соответствии с составом иерархии электронного меню в СЭВМ рабочего места оператора 5. При нажатии программной кнопки «Создать ФОВО» вызывается первое подменю (фиг.4), предназначенное для задания воздушной обстановки на экране системы отображения и формирования файла определения воздушной обстановки.
Активные шумовые помехи (АШП), активные синхронные и несинхронные импульсные помехи (АСИП, АНИП), пассивные помехи (ПП), привязанные к конкретным воздушным объектам, задаются с помощью подменю «ПОМЕХА» и т.д. (фиг.5).
Исходные данные для формирования точечных и распределенных объектов также задаются на экране монитора рабочего места оператора 5. Координаты центров объектов задаются в плоскостной (прямоугольной) системе координат в зоне ответственности РЛС. Для распределенных объектов в полярной системе координат задаются в двоичных кодах линейные и угловые размеры, например, с ценой деления младшего разряда по дальности 125 м и азимуту
A
Производится загрузка, аналитически или таблично, диаграммы направленности антенны (ДНА), например, в азимутальной плоскости в табличной форме в виде пар значений: угол φ, коэффициент направленного действия (КНД). КНД является функцией симметричного рассогласования от аргумента угла φ положения максимума главного лепестка ДНА A(φ)=max при φ=0. Вводится также программа обзора РЛС, которая, в частности, включает задание скорости сканирования антенны по угловым координатам.
Сформированный ФОВО в виде параметрически представленных уравнений траекторий движения воздушных объектов в функции времени t, привязанных к ним с заданными параметрами постановщиков активных и пассивных помех, вспомогательных сигналов, различного вида метеообразований, местных предметов и т.д. в виде кодограмм передается через СЭВМ рабочего места оператора на модули устройства имитации радиолокационной информации для задания алгоритмов их работы.
После передачи информации о воздушном налете (ФОВО) рабочее место оператора перестает выполнять функции рабочего места инструктора и с целью унификации, экономии аппаратуры оно начинает функционировать в качестве рабочего места оператора РЛС с отображением воздушной обстановки в полярной системе координат в зоне ответственности [3-5].
В соответствии с переданными с рабочего места оператора 5 уравнениями движения воздушных объектов по трем координатам x(t), y(t), z(t), в вычислителе координат воздушных объектов в прямоугольной и сферической системах координат 9 периодически в ответ на запросы информации о текущем положении объектов из хронизатора единого времени и текущих координат обзора пространства 10 вычисляются их декартовы и сферические координаты путем подстановки параметра времени t в уравнения движения, соответствущие преодолеваемому в момент времени t участку траектории.
k
k
k
k
k
k
Вычислитель амплитуд эхо-сигналов в функциях дальности 11 осуществляет вычисление произведений f(S) A(D), где S - эффективная отражающая поверхность k-ого воздушного объекта, A(D) - затухание сигнала в зависимости от расстояния D воздушного объекта до РЛС, f(S) - значение мощности отраженного от воздушного объекта сигнала в функции от S. Рассчитанные координаты всех воздушных объектов с амплитудами отраженных сигналов с учетом отражающей поверхности и удаленности отражающего объекта от места стояния РЛС подаются в формирователь кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами 13, в котором для каждого воздушного объекта проверяется время начала и конца формирования активных шумовых, импульсных помех и т.д.
Например, при наступлении времени формирования активной шумовой помехи к кодограмме « Замес » с параметрами воздушного объекта в формирователе кодограмм с параметрами воздушных объектов и имитируемыми помехами 13 добавляются ложные сигналы определенной мощности, например, в виде отсчетов белого Гауссова шума, получаемого путем суммирования двенадцати шумов с равномерным законом распределения в имитаторе помех 18. Имитатор шумового сигнала 12 формирует шумы приемного тракта РЛС. Эти шумы формируются, например, из последовательности максимальной длины. Коэффициенты формирующего полинома записываются в память процессора имитации шумового сигнала 12. В совмещенном режиме работы замешивание шумов с имитатора шумового сигнала 12 в комплексный эхо-сигнал не производится.
Алгоритм работы и структура реализации процесса имитатора точечных и распределенных объектов 15 реализуется исходя из того, что эти объекты не изменяют своего пространственного положения от периода к периоду зондирования РЛС. Модели распределенных объектов получают путем формирования цифровых карт с разбиением объекта на сумму элементов и интегрированием отражений от этих элементов с учетом их спектральных характеристик [6, стр.129,133].
k
k
A
k
рк
k
A
K
Модулятор амплитуд эхо-сигналов по текущим координатам антенны 14 осуществляет перемножение выражений f(S) A(D) на коэффициент модуляции Ад((р), определяемый формой диаграммы направленности в соответствии с коэффициентом направленного действия А(φ), азимутом γ воздушного объекта и угловым положением антенны β:А=f(S)(Д)А(β-γ).
На следующем этапе эхо-сигналы с амплитудами, промодулированными в соответствии с обзором пространства РЛС в виде полных пакетов информации о воздушной обстановке, упорядочение в порядке увеличения текущей дальности воздушных объектов записываются в приемное оперативное запоминающее устройство обмена данными типа «первый зашел -первый вышел» (FIFO) в формирователе комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства 16. После чего производится выдача данных в порядке очередности их поступления с привязкой к внешней хронизации по единому времени, текущим углам обзора пространства антенной, началу рабочей дистанции РЛС и дискретному изменению текущего линейно-нарастающего кода дальности с элементом разрешения, например, 125 м, соответствующим дискретом 0,833 мкс следования опросных импульсов выдачи информации из оперативного запоминающего устройства в виде пачки отметок дистанции.
Предусмотрено два режима работы устройства имитации радиолокационной информации. В первом режиме с формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства 16 через коммутатор-смеситель сигналов 17 на систему обработки информации 19 РЛС выдается в реальном масштабе времени только имитируемая текущая радиолокационная информация, например, в виде 12-ти разрядных двоичных кодов (с учетом знака). Радиолокационная информация в виде комплексных имитационных сигналов формируется (имитируется) в соответствии с заданным ФОВО и выбранным методом и темпом обзора воздушного пространства антенной системой РЛС по азимуту, угломестным каналам и дальности в сферической системе координат РЛС во временном интервале воздушного налета.
Во втором совмещенном режиме работы в коммутаторе-смесителе сигналов 17 производится наложение вторичной имитируемой обстановки с выхода формирователя комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства 16 на первичную воздушную обстановку с выхода приемника РЛС.
Команды переключения режимов работы на коммутатор-смеситель сигналов 17 и имитатор шумового сигнала 12 производятся с рабочего места оператора 5.
Во втором режиме по команде с рабочего места оператора 5 блокируется ввод сигналов имитации шумов приемника РЛС с выхода имитатора шумового сигнала 12 в формирователь комплексных эхо-сигналов с привязкой к обзору пространства 16.
Таким образом, устройство имитации радиолокационной информации обеспечивает выполнение наиболее трудоемких вычислительных операций в некритичном процессе ввода и подготовки инструктором сценариев воздушного налета, когда время реализации вычислений не является определяющим. Параметрические уравнения вычисления текущих прямоугольных координат движения воздушных объектов в функции времени t, численные методы воспроизведения сферических координат обеспечивают заданный темп формирования и ввода в сечения обработки информации РЛС имитационных потоков в соответствии с реальным темпом обзора пространства современных и перспективных РЛС [4]. Имитируемая информация для тренировки операторов в виде отметок, траекторий движения воздушных объектов и т.д. одновременно представляет собой и эталонные тестовые воздействия для функционально-диагностического контроля систем РЛС, например, для формирования эталонных траекторий движения воздушных объектов.
Устройство имитации радиолокационной информации обеспечивает проведение измерений, исследование характеристик программно-аппаратных средств первичной, вторичной обработки информации РЛС, а также функционально-диагностический контроль подсистем обнаружения, измерения координат целей, формирования траекторий, входящих в систему обработки информации.
Литература
1) А.С.№991479 СССР Тренажер оператора локационных станций. А.В.Гусев. Опубл. 1983 г. Бюл. №3
2) Решение от 29 ноября 2010 г. выдаче патента на изобретение «Способ имитации траекторий движения воздушных объектов» заявка №2009120762/28(028681) от 01.06.2009 г Авторы: Чекушкин В.В., Бобров М.С., Аверьянов A.M.
3) Чекушкин В.В., Юрин О.В., Дударев В.А. Автоматизированная система управления радиолокационным комплексом. Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2004, №1, с.18-21.
4) Свидетельство №2009611848 от 16.02.2009 г.на программу для ЭВМ «Программа сглаживания траекторий движения воздушных объектов для радиолокационных систем управления» («Trajectory»). Авторы: Бобров М.С., Колпикова B.C., Чекушкин В.В.
5) Чекушкин В.В., Юрин О.В Реализация индикатора кругового обзора на дисплее с телевизионным растром. Радиотехника, 2002, №3, с.86-89.
6) Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория, Справочник. Изд. 2-е / Под. ред. Я.Д.Ширмана. М.: Радиотехника, 2007 г. - 512 с.