СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО НЕЗАВИСИМОГО ВОЗДУШНОГО НАБЛЮДЕНИЯ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ НАВИГАЦИИ
AUTOMATIC INDEPENDENT AIR OBSERVATION SYSTEM IN THE FAR NAVIGATION ZONE

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к методам и системам пассивной радиолокации, и может быть использовано для определения местоположения в трехмерном пространстве источника радиоизлучения (ИРИ), размещенного на летательном аппарате (ЛА) (самолет, вертолет и т.п.), за счет приема и последующей обработки электромагнитных волн, порожденных этим ИРИ.
Изобретение используется для решения технической задачи, состоящей в определении координат летательного аппарата в целях наблюдения за ним и контроля его движения наземными службами, а также в целях его навигационного сопровождения. Достигаемый технический результат состоит в повышении точности оценки координат подвижного объекта, оснащенного источником радиоизлучения.
Бортовые радиотехнические средства ЛА при выполнении задач создают активные электромагнитные поля искусственного происхождения в диапазоне частот от 1 МГц до 40 ГГц. Кроме активных полей ЛА создают собственные электромагнитные излучения. Данный спектр излучения может быть использован для решения задачи обнаружения, пеленгации и определения координат ЛА.
При построении многопозиционного пассивного радара используется разностно-дальномерный метод, основанный на измерении разности хода сигнала от цели до приемных антенн радара. Этот метод позволяет работать по импульсным и непрерывным сигналам, в том числе по шумовым и шумоподобным.
Принципиальные особенности метода заключаются в синхронном способе приема сигналов от излучающего источника на разнесенных антеннах. Высокая точность определения координат ЛА обеспечивается за счет корреляционной обработки сигналов, при которой вид принятого сигнала не имеет значения. Определение координат источника осуществляется по разности прихода сигналов на каждую из позиций, а сама разность прихода сигнала к одной позиции относительно другой определяется из положения максимума взаимно-корреляционной функции сигналов от этих позиций.
Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям пассивного обнаружения и пеленгации, является устройство, описанное в статье «Одноэтапное оценивание местоположения источника радиоизлучения пассивной системой, состоящей из узкобазовых подсистем» (ж. Радиотехника и электроника, том 49, №2, 2004 г., стр. 156-170) - прототип.
Данная система содержит N приемных антенн, первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вычислитель.
Цель изобретения - формирование цифровой траектории отсчетов координат в виде интерактивного отображения траектории полета летательного аппарата.
Результат достигается централизованной обработкой сигналов, полученных в результате приема электромагнитных колебаний в точках, размещение которых в пространстве определяется оптимальной группировкой слабонаправленных антенных элементов внутри структурных блоков, реализованных отдельными техническими средствами распределенного комплекса.
Поставленная цель достигается тем, что в систему, содержащую N приемных антенн, первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вычислитель дополнительно введены малошумящий усилитель (МШУ), N входов которого соединены с N приемными антеннами, первый и второй многоканальные синхронные квадратурные приемники (МСКП), входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами малошумящего усилителя, а выходы - с первыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, первый и второй каналы обработки информации, первые входы которых соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей, а выходы подключены к вычислителю; управляющий контроллер, подключенный по входу к вычислителю, первый выход которого подключен ко второму входу первого многоканального синхронного квадратурного приемника, ко второму входу первого аналого-цифрового преобразователя и ко второму входу первого канала обработки информации, а второй выход - ко второму входу второго многоканального синхронного квадратурного приемника, ко второму входу второго аналого-цифрового преобразователя и ко второму входу второго канала обработки информации; диаграммообразующее устройство (ДОУ), N входов которого соединены с N приемными антеннами; блок радиомодемов, первый вход которого соединен с выходом диаграммообразующего устройства; волоконно-оптическая линия связи, входы которой соединены с выходами блока радиомодемов; устройство формирования выходного сигнала, входы которого соединены с выходами волоконнооптической линии связи; передающая фазированная антенная решетка, входы которой соединены с выходами устройства формирования выходного сигнала; локальная система передачи данных, подключенная к выходу вычислителя, ко второму входу диаграммообразующего устройства, ко второму и третьему входам блока радиомодемов; специальное программное обеспечение диспетчера связи, соединенное линией связи с локальной сетью передачи данных.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая система отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей системы.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемой системы автоматического независимого воздушного наблюдения (АНВН) в дальней зоне навигации для определения координат ЛА, на фиг. 2 - общая схема поста освещения воздушной обстановки (ПОВО) из которых строится наземный комплекс освещения воздушной обстановки (НКОВО), на фиг. 3 представлена структура узкобазовой подсистемы (УП), на фиг. 4 дана структура канала обработки информации, на фиг. 5 представлена структура блока радиомодемов, на фиг. 6 - структура устройства формирования выходного сигнала (УФВС), на фиг. 7 представлена структура преобразователя Гильберта, на фиг. 8 дан вариант построения 16-ти разрядного ЦАП, на фиг 9 представлена структура квадратурного амплитудно-фазового модулятора.
Пост освещения воздушной обстановки (ПОВО) включает (фиг. 2):
- узкобазовую подсистему (УП) 1 (фиг. 3), в составе: антенно-фидерная система (АФС) 1-1, малошумящий усилитель (МШУ) 1-2, многоканальный синхронный квадратурный приемник (МСКП) 1-3, 4; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-5, 6; управляющий контролер 1-9, вычислитель 1-10, канал обработки информации 1-7, 8, включающий (фиг. 4) фильтры 1-11, обнаружитель 1-12, пеленгатор 1-13, выходной формирователь 1-14;
- диаграммо-образующее устройство (ДОУ) 2;
- блок радиомодемов 3;
- устройство формирования выходного сигнала (УФВС) 4;
- передающую фазированную антенную решетку (ФАР) 5;
- специальное программное обеспечение (СПО) диспетчера связи 6;
- локальную систему передачи данных (СПД) 7;
- волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) 8.
Система работает следующим образом.
Для обеспечения эффективного управления летательными аппаратами (ЛА) в современных условиях важная роль отводится радиотехническим средствам декаметрового диапазона радиоволн, которые могут работать в сложной помеховой обстановке и условиях распространения радиоволн на большие расстояния.
Получены практические решения в построении низкоэнергетической радиолинии передачи данных, которая способна противостоять узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханиям, вызванным многолучевым характером распространения, временным рассеяниям и устранять межсимвольную интерференцию и, кроме того, обеспечивать радиосвязь с динамическими источниками сигнала при наличии у них высокой относительной радиальной скорости.
Пост освещения воздушной обстановки (ПОВО) (фиг. 2)
Наземный комплекс оборудования состоит из нескольких постов освещения воздушной обстановки, в состав которых входит адаптивная радиолиния передачи данных декаметрового диапазона радиоволн (ДКМВ). ПОВО объединены между собой каналами передачи данных (фиг. 1).
ПОВО стационарного размещения имеет несколько информационных каналов обмена информацией, среди которых могут быть выделенные каналы связи, резервные каналы связи УКВ и резервные каналы связи ДКМВ.
Каналы связи с летательными аппаратами (ЛА) между ПОВО и ЛА на расстояниях вне их прямой видимости, возможно организовать только через ДКМВ радиосредства, которые используют для работы принцип распространения радиоволн ДКМВ диапазона с отражением от ионосферы Земли. Между ПОВО и ЛА возможна логическая организация канала обмена данными в дуплексном и полудуплексном режиме, при которых возможна как двусторонняя и односторонняя передача и прием данных.
На борту ЛА для организации канала передачи информации установлен Терминал Связи KB (ТС-КВ), который построен по принципу одного из вариантов оконечного оборудования адаптивной радиолинии передачи данных ПОВО в бортовом исполнении.
Для надежного решения задачи независимого воздушного наблюдения число постов в системе должно быть не менее 3 в районе контроля и в зоне пересечения дальности действия радио оборудования постов. Максимальное количество постов ПОВО не ограничено и может иметь как локальный, так и глобальный характер из размещения.
Каждый ПОВО выполняет контроль частотного диапазона или контроль назначенных частот связи ЛА при выполнении полетного задания.
Во время выхода бортовых радиосредств на передачу происходит пеленгация этого передатчика и ПОВО определяет его угловые характеристики α, β относительно точки размещения фазированной антенной решетки пеленгационного устройства (фиг. 4) из состава ПОВО.
Так как передатчик размещается на борту летательного аппарата, то координаты источника излучения являются и координатами этого ЛА.
Значения пеленга и угла места (α, β) привязываются к временной шкале и вместе с полученными измерениями фиксируется в формуляре цели первичной базы данных в составе специального программного обеспечения вычислительного оборудования ПОВО.
Задание на контроль частоты наблюдения ПОВО получает от командного пункта (КП), из плановых таблиц заданий (или расписаний) выполнения полетов. Информация на это задание может поступать в автоматизированном виде или вводиться вручную в управляющее программное обеспечение с технологического рабочего места оператора ПОВО.
Набор разрешенных, запасных и резервных частот контроля связи передается в ПОВО по каналам связи в качестве планового задания ПОВО для выполнения контроля и может оперативно изменяться или являться фиксированным.
После формирования в ПОВО полного кадра контроля формуляра цели он передается из внутренней локальной сети ПОВО в специальное программное обеспечение вторичной базы данных всех ПОВО системы.
Вторичная база данных предназначена для хранения информации о формулярах целей со всех ПОВО.
Передача и обмен информацией содержимого вторичных баз между ПОВО осуществляется по каналам передачи данных ведомственных сетей Ethernet.
В случае отсутствия возможности использования ведомственных каналов связи межпостовой обмен содержимым вторичных баз данных осуществляется по каналам цифровой декаметровой радиолинии из состава оборудования средств служебной связи и резервирования каналов передачи данных.
Все ПОВО имеют одинаковую структуру информации во вторичных базах всей сети развернутых ПОВО, независимо от постовой зоны контроля.
На основании информации из вторичных баз данных алгоритм специального программного обеспечения ПОВО решает задачу определения координат ЛА.
Координата дальности ЛА может определяться или уточняться расчетным методом по алгоритмам расчета дальности с использованием высоты ионосферного слоя, триангуляционным способом с нескольких ПОВО и разностно-дальномерным методом с использованием уточняющих поправок первых двух методов.
К информации вторичной базы данных на ПОВО имеет доступ СПО диспетчера связи 6 (фиг. 2) для визуализации для построения динамических траекторий перемещения ЛА в пространстве. Визуализация динамической информации может осуществляться на мониторе технологического рабочего места оператора или на внешнем специальном информационном демонстраторе.
Полный вектор координат объектов контроля ЛА в согласованном виде или в виде формуляров целей передается с любого поста ПОВО на оборудование КП Заказчика по каналам обмена Ethernet.
Таким образом, сеть постов ПОВО с радиотехническим оборудованием декаметрового диапазона радиоволн, размещенных в составе наземного комплекса освещения воздушной обстановки, выполняет автоматический контроль частот излучения на заданных частотах связи летательных аппаратов между собой или наземными КП и взаимный автоматический обмен информацией о навигационных параметрах движения ЛА в пространстве зоны действия сети ПОВО.
Алгоритмы функционирования радиотехнических устройств.
Исходным состоянием оборудования сети является дежурный режим, при котором оборудование, размещенное на стационарных объектах Заказчика, находится в выключенном состоянии.
Оборудование фазированной решетки на прием и на передачу, которое вынесено из объектов управления на различное расстояние, находится под телеметрическим управлением и технической охраной специальных средств ПОВО от несанкционированного доступа и антивандального вмешательства.
Для обеспечения постоянного контроля текущего состояния ФАР оборудование технической охраны включено в работу постоянно и размещается в зоне быстрого реагирования или физической охраны.
Перевод оборудования постов из исходного состояния (дежурный режим) в рабочее состояние выполняется после подачи питающих напряжений на оборудование.
При этом включение оборудования ФАР на передачу, которое вынесено до нескольких км от места размещения основного оборудования ПОВО, управляется по телеметрическим каналам.
По этим каналам в СПО диспетчера связи 6 (фиг. 2) поступает информация о состоянии температуры модуля усилителя мощности (УМ 1-64 (фиг. 6) и при ее отклонении от заданных величин от технической нормы выполняется включение подогрева или охлаждения устройств съема теплового потока усилителя (радиатора УМ).
После завершения цикла внутреннего самоконтроля оборудования ПОВО и получения положительного результата выполняется инициализация режимов работы ПОВО по сохраненным настроечным параметрам предыдущих сеансов работы ПОВО.
При первичном включении оборудования ПОВО происходит многофазовая полуавтоматическая настройка оборудования и настройка его в режим постоянного автоматического функционирования.
Алгоритм установления связи по служебным каналам предусматривает фазу поиска оптимальных вертикальных углов прихода радиоволны на приемную ФАР с заданного направления.
Для этого один из каналов радиолинии ПОВО переводится в режим передачи тестового сигнала (ТС) по известной временной диаграмме каждому ПОВО и выполняется режим вызова корреспондента на связь для проверки параметров канала связи на вызывной частоте, которая задается расчетным методом или по выданным Заказчиком разрешенным частотам связи.
Оборудование цифровой радиолинии в ходе своей работы автоматически измеряет отношение сигнал/шум в настроенных каналах связи и выдает эти значения для СПО диспетчера связи, где происходит накапливание измерительной информации и принимается решение и выбор оптимального режима ведения связи.
Для пространственного управления виртуальным центром диаграммы направленности на прием узкополосное пеленгационное устройство 1-13 (фиг. 4) выполняет постоянный мониторинг угловых параметров источника принимаемого сигнала и вырабатывает сигналы рассогласования по азимуту и углу места, которые поступают через локальную СПД 7 в СПО диспетчера связи 6.
СПО диспетчера связи 6 управляет оборудованием диаграммо-образования приемной и передающей стороной цифровой радиолинии таким образом, чтобы в реальном времени были применены оптимальные значения угловых величин.
Кроме этого, СПО диспетчера связи 6 выполняет настройку технического оборудования на назначенные частоты связи всех связных устройств поста ПОВО и выдает на сопровождение в узкополосный пеленгатор 1-13 (фиг. 4) значения частот для контроля, сопровождения и список разрешенных и запасных частот связи с возможной их оперативной заменой в обозначенном диапазоне работы технических средств Заказчика.
Для обеспечения цифровой связи между постами ПОВО в составе средств служебной связи функционирует цифровая радиолиния с радиомодемом, который обеспечивает оптимальный способ доставки цифровой информации абонентам сети ПОВО.
Схема построения цифрового обмена информацией предусматривает возможность постоянного резервирования каналов передачи данных для обеспечения бесперебойной работы сети ПОВО на основании долгосрочного, оперативного и мониторингового прогноза прохождения радиоволн.
Для этого каждый пост ПОВО имеет собственный канал радиосвязи по декаметровым радиолиниям с каждым постом из состава сети. Организация каналов каждый с каждым (фиг. 1).
На каждом направлении связи применяется радиомодем из состава средств служебной связи и резервирования каналов передачи данных, который обеспечивает передачу данных в сторону сопряженного поста на отдельной частоте связи на передачу и на прием.
Все радиомодемы и линейное высокочастотное оборудование канала связи управляется от СПО диспетчера связи 6.
В силу принципа построения обмена в сети радиомодемы постоянно слушает направление связи и ожидает вызывного сигнала от вызывающей стороны.
После получения вызывного сигнала радиомодем автоматически формирует цифровой канал связи в заданном направлении для передачи информации диспетчеру связи или назначенному порту приема информации в локальной вычислительной сети передачи данных.
Взаимодействие и передача данных между радиомодемом и локальной сетью осуществляется по протоколу TCP/IP в сети Ethernet.
Кроме каналов передачи цифровых данных на радиомодемах, в состав оборудования введен дополнительный канал передачи данных, который обеспечивает СПО диспетчера связи 6 информацией о состоянии каналов связи и среды передачи радиосигналов на основании работы специального режима радиомодема - измерение частотных характеристик радиоканала.
Этот режим позволяет оценить состояние среды прохождения радиоволн декаметрового диапазона с оценкой амплитудно-частотной, фазо-частотной и энергетической характеристик, оценить соотношение сигнал/шум в рабочей полосе частот связи на частотах волнового расписания, выданного для функционирования радиолинии.
Для случая оперативного технического увеличения пропускной способности радиолинии в определенном направлении связи предназначен дополнительный резервный канал цифровой радиолинии связи в УКВ диапазоне (фиг. 1), который может использоваться и для ведения связи по дополнительному радионаправлению с подобным оборудованием и структурой сигнально-кодовой конструкции служебной цифровой радиолинии.
Информационные цифровые потоки вторичной базы данных преобразовываются в выходные потоки данных для визуализации процессов работы оборудования ПОВО.
Модуль управления сетью ПОВО позволяет формировать цифровую траекторию отсчетов координат в виде интерактивного отображения траектории полета летательного аппарата.
При построении радиолинии обмена данными между постами ПОВО возможно присутствие мешающих сигналов на приемную ФАР в составе узкобазовой подсистемы 1 от передающей ФАР 5 (фиг. 2), что будет снижать минимальный уровень принимаемого радиосигнала в точке приема и существенно влиять на электромагнитную обстановку в районе установки передающей ФАР.
Для исключения взаимного влияния радиосредств целесообразно обеспечить разнесение приемной и передающей ФАР на оптимальное расстояние.
Величина этого расстояния существенно влияет на длину радио кабеля от места установки синтезатора рабочего сигнала и усилителя мощности под антенным элементом передающей ФАР 5.
Предлагается решение для выполнения фиксированного выноса оборудования по оптическим каналам передачи цифровой информации на большие удаления, что позволит иметь свободу выбора решений и возможность использования уже имеющейся инфраструктуры оптических линий связи.
Суть решения состоит в переносе спектра рабочих сигналов на нулевой частоте блока радиомодемов 3 (фиг. 2, 5) в цифровой вид для транспортировки по оптическому каналу на большие расстояния с последующим дополнением и упаковки структуры информацией о рабочем сигнале, амплитудой и фазой парциального канала формирования и суммирования мощности излучения в заданном направлении пространства, а также передачи управляющих сигналов на соответствующие формирователи несущей частоты с телеметрическим контролем состояния усилителя мощности. Групповое формирование сигнала на передачу выполняется в цифровом виде 8-ю синтезаторами несущей частоты связи с последующим переносом группового спектра в аналоговый вид для усиления по мощности. У каждого усилителя мощности свой синтезатор.
Для исключения температурной и токовой зависимости переходной характеристики активных элементов усилителей мощности (УМ 1-64) и соединительного радио кабеля в структуру формирователя введен модуль измерения фазы несущего колебания каждой антенны для учета ее значения в законе формирования максимума диаграммы направленности передающей ФАР 5.
Функциональная схема предложенного решения изображена на фиг. 2.
Блок радиомодема 3 имеет на своем входе рабочий сигнал модулятора модема в виде цифровых отсчетов на нулевой частоте.
Передающий тракт радиолинии представляет собой цифровое устройство, выполненное в цифровом виде с цифровой обработкой сигналов, последующей фильтрацией, преобразованием в аналоговый вид и усилением по мощности в оконечном усилителе мощности, нагруженного на комплексное сопротивление антенного излучателя.
Как пример, формирование цифровых отсчетов передаваемого сигнала происходит в модеме в полосе НЧ со следующими параметрами:
- Частота дискретизации - 64 КГц;
- Разрядность - 16 бит.
Сформированные отсчеты упаковываются в структуру кадра цифрового потока Е1 (стандарт G.704: без Мультифрэйма, без сигнализационного КИ16, без CRC4), начиная с КИ1, который следует за нулевым КИ кадровой синхронизации.
Скорость цифрового потока Е1 составляет 2048 Кбит/с, включая КИ0.
Полезная скорость передачи информации в потоке (без КИ0) составляет: 2048-64=1984 Кбит/с.
Скорость результирующего цифрового потока отсчетов передаваемого сигнала составляет: 16 бит⋅64 Кгц=1024 Кбит/с, для чего необходимо занять: 1024/64=16 канальных интервалов в структуре сигнала.
Предлагаемая схема размещения отсчетов в структуре кадра Е1 по 8 отсчетов в одном кадре в следующем порядке:
Сформированный цифровой поток передается в порт Е1 в соответствии с физическими параметрами сигнала стандарта G.703 и по кабелю типа «витая пара CAT 5» доставляется в оптический мультиплексор (фиг. 5).
В мультиплексоре происходит декодирование физического сигнала G.703, формирование битовой последовательности данных и синхронизация по кадрам E1.
Извлеченные отсчеты поступают на преобразователь Гильберта (фиг. 7), на выходе которого формируется квадратурное представление отсчетов сигнала.
Квадратурные отсчеты передаваемого сигнала поступают на мультиплексор, где упаковываются в некоторую кадровую структуру высокоскоростного цифрового потока совместно с данными от Ethernet порта, а затем передаются в волоконно-оптический кабель на ответное устройство.
Скорость передачи информации в оптическом волокне составляет 1250 Мбит/с, включая канальное кодирование.
Таким образом, информация о сигнале и управлении выходного синтезатора передается по одному оптическому каналу.
Второй оптический канал необходим для качественной передачи сигнала опорной частоты, в качестве которого используется рубидиевый стандарт частоты.
Порт Ethernet предназначен для передачи служебной, управляющей информации и телеметрии усилителя мощности, а также и пакеты, содержащие отсчеты передаваемого сигнала.
На дальней стороне принятый цифровой поток обрабатывается. Из него выделяются (демультиплексируется) данные от каналов передачи отсчетов сигнала и данные канала Ethernet.
Данные от Ethernet анализируются на наличие в них управляющей информации для синтезаторов.
Управляющая информация интерпретируется в соответствующие команды и структуры.
Ethernet пакеты, не содержащие управляющей информации, направляются в выходной Ethernet порт, к которому могут быть подключены внешние устройства, или организован вынос локальной сети на удаленном объекте.
После демультиплексирования начинается формирование цифрового потока в сторону синтезаторов (фиг. 6).
Этот цифровой поток имеет фиксированную длину, кадровую структуру, строится по принципу временного разделения каналов и содержит отсчеты для каждого из каналов, а также управляющую информацию для синтезаторов в виде сформированных команд и структур.
Цифровой поток поступает на оптические приемо-передатчики, далее через многоканальный оптический разветвитель (сплитер 1, 2) и по оптическим кабелям фиксированной длины передается в модули синтезаторов 1-64, расположенные у антенных элементов, входящих в состав передающей ФАР V (фиг. 6)
Аналогично, сигнал опорной частоты поступает через оптические приемопередатчики на многоканальный оптический разветвитель и по 16 оптическим кабелям передается в модули синтезаторов.
Оптический кабель включает в себя 2 или 4 оптических волокна, в зависимости от выбора. Это означает, что к синтезатору тянется не два оптических кабеля, а один, но подключается синтезатор двумя оптическими волокнами.
Синтезатор представляет собой модуль цифровой обработки сигналов, в котором формируются синусоидальный сигнал рабочей частоты и осуществляется квадратурный перенос спектра НЧ сигнала в заданную частоту связи.
Вычислительные мощности синтезатора позволяют одновременно сформировать до 8 рабочих частот.
Поступающие по оптическому каналу отсчеты представляют собой квадратурные составляющие сигнала с частотой дискретизации 64 КГц и разрядностью 16 бит.
Эти отсчеты формируют НЧ спектр рабочего сигнала для каждой из несущих частот связи.
Принятые отсчеты сигнала могут интерполироваться, например, с коэффициентом 1280 до частоты дискретизации 81,92 МГц.
На указанной частоте формируются квадратурные отсчеты сигналов рабочих частот (несущей) по методу прямого синтеза (DDS).
В синтезаторе при формировании сигнала рабочей частоты можно изменять фазу сигнала (иными словами начальную фазу) и уровень амплитуды.
Квадратурные отсчеты НЧ сигнала перемножаются на соответствующие квадратурные составляющие сигнала рабочей частоты, а затем суммируются.
Эти операции производятся в синтезаторе для каждой из восьми рабочих частот и соответствующих им сигналов НЧ.
Полученные на выходе синтезатора цифровые отсчеты подаются на цифровой сумматор, где уже формируется групповой спектр 8 сигналов, содержащий восемь радиосигналов связи.
Отсчеты результирующего сигнала поступают на 16-ти разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), с выхода которого аналоговый сигнал с фильтруется и подается на УМ, с выхода усилителя УМ усиленный сигнал поступает на передающую антенну.
Пример варианта построения приведен на фиг. 8.
Для контроля правильности работы усилителя мощности (УМ 1-64) (фиг. 6) передающей ФАР 5 используются параметры: уровень падающей и отраженной волн и температура теплоотвода выходного транзистора усилителя мощности.
Оперативное реагирования за этими параметрами выполняется в цифровом виде, для чего в состав модуля синтезатора включены два низкоскоростных АЦП, отсчеты сигнала которых по каналу телеметрии можно транслировать в центр управления совместно с цифровым сигналом температуры.
Таким образом, в названном решении исключаются неконтролируемые процессы автоматических регулировок по обратной связи в решениях с автоограничениями мощности излучения мощных усилителей и становится возможным управляемый режим работы уровнем мощности.
Решения с ограничением мощности по обратной связи автономных усилителей под антенной могут привести к существенному неконтролируемому ограничению мощности УМ при их работе в составе ФАР, из-за изменения реактивной мощности с антенны в районе размещения антенных элементов, что приведет к автоматическому снижению мощности до неконтролируемого уровня и изменить амплитудно-фазовый раскрыв ФАР.
В состав устройства формирования выходного сигнала 4 (фиг. 6) входит контрольно-измерительный приемник для оценки значения фазы в установленном канале передачи.
Аналоговый сигнал с выхода ЦАП проходит через аналоговые цепи коммутации и усиления, которые имеют различные постоянные среды передачи.
Постоянные среды распространения вносят некоторую величину задержки сигналов на выходе излучателя. Если величина этой задержки будет неизвестной, то начальная фаза излученного сигнала будет иметь случайную систематическую ошибку, что приведет к изменению заданного направления сложения энергии в пространстве.
Для исключения названного явления и постоянного уточнения реального значения фазы сигнала в передающем антенном тракте антенных элементов в схему введен узел контрольно-измерительного приемника (КИП), который позволяет с высокой точностью измерить фазу излучаемого сигнала любым каналом передающей ФАР и передать это значение по каналам управления диспетчеру связи.
Процесс измерения имеет высокую степень точности за счет применения высокоточного опорного генератора в цепи формирования опорного сигнала и момента запуска измерителя фазы.
Момент начала процесса синтеза выходного сигнала в модуле синтезатора и начало измерений в КИП синхронизирован специальной командой от диспетчера связи и разнесен во времени работы каждого канала передачи.
Значения фазы передаются в СПО диспетчера связи 6 (фиг. 2), где учитываются при вычислениях заданного направления в качестве поправок от эксплуатационных значений измеренных задержек.
Адаптивная радиолиния передачи данных декаметрового диапазона радиоволн (АРЛПД KB) предназначена для передачи информации, используя принцип пространственно-временного способа формирования направления связи с автоматическим выбором оптимального направления на источник сигнала, который представляет собой сложную сигнально-кодовую конструкцию.
Принцип работы
Управляющая программа СПО диспетчера связи 6 инициализирует входящее в состав АРЛПД оборудование в заданное исходное состояние.
Пеленгационное устройство радиосигналов (ПУР) 1-13 (фиг. 4) настраивается в режим обзора заданного частотного диапазона для поиска и обнаружения сигнала частоты связи и вычисления направления прихода радиоволны по азимуту и углу места. ПУР работает на основе одноэтапного алгоритма пеленгования источника радиосигнала излучения (ИРИ), который позволяет вычислить угловые параметры ИРИ. Для обеспечения функционирования алгоритма пеленгования ПУР соединен с приемной ФАР (1-1) (фиг. 3) заданной конфигурации.
К приемной ФАР 1-1 в составе узкобазовой подсистемы 1 (выход 1) подключено диаграммо-образующее устройство (ДОУ) 2 (вход 1) (фиг. 2), которое обеспечивает амплитудно-фазовое сложение сигналов на выходе с заданного пространственного направления. Выходной сигнал приемной ФАР подается на блок радиомодемов 3 для выполнения частотной селекции спектра рабочего сигнала, его усиления и обеспечения работы канала демодулятора блока радиомодема.
Закон формирования сложения в ДОУ 2 задается от СПО диспетчера связи 6 через локальную сеть передачи данных (СПД) при обнаружении пеленгов ИРИ в ПУР 1-13. Значение текущего пеленга на ИРИ передается на ДОУ 2 через СПД в реальном масштабе времени.
Блок радиомодемов (БРМ) 3 обеспечивает преобразование входной информации от СПО диспетчера связи 6 в рабочий сигнал сложного вида для передачи его по каналу связи в модуляторе радиомодема и демодуляцию сложного сигнала в информационный поток, который поступает в СПД 7.
БРМ формирует сигнал в сторону устройства формирования выходного сигнала (УФВС) 4 (фиг. 2).
Узкополосная подсистема (УП) 1 (фиг. 3)
Источник радиоизлучения (ИРИ), находящийся на ЛА, порождает электромагнитный сигнал, для описания которого используется модель гауссовского радиосигнала:
где K - число учитываемых составляющих,
0
f - несущая частота,
k
f - частоты учитываемых составляющих в спектре комплексной огибающей,
k
k
a и b - коэффициенты, являющиеся гауссовскими взаимно-независимыми случайными величинами.
Такой сигнал соответствует случаю стохастической модели, применение которой обеспечивает работу системы в условиях наименьшей доступной априорной информации.
i
Узкобазовая подсистема 1 представляет собой технически единую приемную станцию, реализующую многоканальный прием в отдельных точках приема (ТП), размещение которых в структуре антенной системы УП 1 удовлетворяет двум условиям:
i
i
j
1. Расстояние между ТП одной и той же УП намного меньше расстояния между УП и ИРИ. Данное условие обеспечивает плоский фронт волны.
i
0
0
j
i
2. Расстояние между ТП одной и той же УП не превышает половины длины волны λ0=c/f, соответствующей несущей, или центральной частоте принимаемого радиосигнала f, а под с понимается скорость распространения сигнала от ИРИ до УП, равная скорости света.
i
УП 1 состоит из антенно-фидерной системы (АФС) 1-1, блока малошумящих усилителей (МШУ) 1-2, многоканального синхронного квадратурного приемника (МСКП) 1-3, 4, блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 1-5, 6, первого и второго каналов обработки информации 1-7, 8, управляющего контроллера 1-9 и вычислителя 1-10, соединенного линией связи (выход 2) с локальной СПД 7 (фиг. 2). Блок МШУ 1-2 осуществляет предварительное усиление сигналов до его передачи на входы МСКП 1-3, 4. Блоки МСКП, АЦП являются программно-управляемыми, режим работы которых задается управляющими сигналами вычислителя 1-10.
При приеме электромагнитные колебания превращаются в аналоговый электрический радиосигнал, который поступает на вход МШУ 1-2, с выхода которого радиосигнал поступает на входы МСКП 1-3, 4. В результате синхронного детектирования на выходах МСКП формируется аналоговый видеосигнал, поступающий в форме пар квадратур на входы АЦП 1-5, 6, на выходе которых формируется цифровой сигнал в форме отсчетов.
Отличительными характеристиками МСКП являются центральная частота, перестраиваемая в широких пределах: от 20 МГц до 3 ГГц, и широкая полоса частот демодулируемого сигнала, составляющая величину до 60 МГц, что определяет сигнал как широкополосный в верхней части диапазона центральной частоты, и как сверхширокополосный в его нижней части. Для достижения требуемого качества приема независимое цифровое управление усилением каждого канала осуществляется с шагом 0,5 дБ, а синхронизация каждой пары каналов квадратурного приемника должна обеспечивать фазовое различие точности квадратур не более 2 градусов по абсолютной величине. Для получения технического результата применяется многоканальный 16-разрядный многоканальный АЦП с перестраиваемой частотой дискретизации, при этом максимальная частота составляет 100 МГц, что с учетом защитных интервалов согласуется с максимальной полосой принимаемого радиосигнала.
Синхронность взятия отсчетов в различных каналах АЦП должна обеспечивать рассогласование моментов времени не более 0,05 от используемого периода дискретизации.
i
Вычислитель 1-10 реализуется на основе высокопроизводительной многопроцессорной рабочей станции, оснащенной не менее чем двумя многоядерным универсальным процессорами класса Intel Хеоn с рабочей частотой не менее 1,8 ГГц, и оперативным запоминающих устройством (ОЗУ), объемом не менее 8 ГБ. Вычислитель 1-10 в структуре осуществляет функции управления работой УП (1) за счет задания функциональных режимов отдельных блоков. Кроме этого вычислитель 1-10 выполняет предварительную цифровую обработку принятых сигналов, а также их компрессию перед передачей по линии связи.
i
Антенная система УП (1) размещается на вертикальной мачте, высота которой составляет от 1,5 до 18 м. В верхней части мачты, на протяжении участка длины L, размещаются от одной до девяти кольцевых антенных подрешеток (КАПР). Минимальное расстояние между планарными КАПР составляет 0,5 м, что обуславливается технологическими особенностями крепления, а максимальное ограничено протяженностью рабочего участка мачты L.
j
Структурная организация распределенной приемной системы пассивного радиолокационного комплекса позволяет сформировать на приеме необходимое пространственное распределение электромагнитного поля сигнала, излученного ИРИ.
j
T
Пусть ИРИ расположен в точке пространства, координаты которой заданы вектором. r=(X, Y, Z). Тогда сигнал, принятый m-ой ТП, состоящей в структуре i-ой УП представляет собой сумму задержанного и взвешенного полезного сигнала, и аддитивного шума:
a
n
где  - амплитуда сигнала на входах ТП i-й УП;
j
; - время прохождения сигнала от ИРИ до условного фазового центра (УФЦ) i-й УП;
- координаты УФЦ i-й УП;
n
χ - ошибка привязки сигнала по времени;
- время прохождения сигнала от УФЦ до ТП (от ТП до УФЦ, если );
- координаты m-й ТП i-й УП;
;
n
n
j
α, β - азимут и угол места луча, направленного из i-й УП на ИРИ;
с - скорость распространения сигнала.
Отличительное условие, обеспечивающее эффективное использование данной модели, состоит в том, что время наблюдения сигнала на каждой позиции должно быть выбрано много больше времен корреляции сигнала и помехи. Цифровые отсчеты всех принятых сигналов передаются по высокоскоростным линиям связи в локальную СПД 7. Цифровые сигналы, принятые отдельными ТП, рассматриваются совместно и формируют многомерный цифровой сигнал.
Оценка координат производится с использованием комбинированного угломерного и разностно-дальномерного способа оценивания, при котором вся распределенная система рассматривается как комбинированная пассивная система (КПС), сочетающую в себе общие черты широкобазовой пассивной системы (ШбПС) и пассивной системы, состоящей из узкобазовых подсистем (ПСУП). В основе метода оценивания такой системы лежит способ вычисления оценки разности прихода сигналов на основе корреляционного приема по методу максимального правдоподобия, который для двух точек приема представлен в зарубежной работе [1].
Угловые координаты ЛА по азимуту и углу места относительно точки центра масс носителя, определяются фазоразностным пеленгатором.
Дальность до ЛА определяется вычислительными методами по известным пеленгам и закону перемещения центра масс в относительной системе координат.
Функционально устройство состоит из пеленгатора 1-13 с цифровой антенной решеткой 1-1, обнаружителя 1-12 частотно-временных признаков целей (классификатора целей), выходных формирователей 1-14 матриц координат целей и вычислителей 1-9, 10, в которых функционируют алгоритмы экстраполяции траекторий ЛА, управляющие алгоритмы устройства и сетевые алгоритмы обмена данными и управления с радиотехнического комплекса.
Пеленгатор 1-13 с цифровой антенной решеткой 1-1 состоит из фиксированной антенной решетки (приемные антенны 20…18000 МГц), размещенной на пространственно разнесенной точке приема.
Каждая из антенн подключена к входу МШУ 1-2, который обеспечивает согласование импедансов антенного элемента и соединительного кабеля. Каждый выход МШУ 1-2 подключен к своему приемному тракту, который образован одним из каналов многоканального синхронного квадратурного приемника (МСКП) 1-3, 4 и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 1-5, 6. Таким образом, сформирован индивидуальный цифровой канал отсчетов сигнала с одного элемента решетки.
АЦП 1-5, 6 сигнала одновременно выполняет выборку сигнала по множеству каналов. Размер этого множества определяется числом элементов антенной решетки 1-1. Например, в зависимости от требований точности определения координат можно выбрать 16, 26 или 32 канала. Так, для решетки из 16 элементов потенциальная точность устройства составляет около 12 угловых минут. При увеличении числа элементов точность возрастает.
Когерентная обработка сигнала выполняется в фильтрах 1-11, обнаружителе 1-12 и пеленгаторе 1-13 канала обработки информации 1-7, 8.
В силу необходимости обеспечения стабильности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) тракта пеленгации, в нем предусмотрены меры по измерению АЧХ перед снятием отсчетов сигнала в полосе рабочих частот. Периодичность контроля АЧХ связана со стабильностью электрических параметров канала и управляется по алгоритму контроля реперных (известных источников сигнала) в процессе работы от контроллера 1-9.
Пеленгатор 1-13 обеспечивает определение угловых координат ЛА (источников радиоизлучения - ИРИ) по фазовому портрету пришедшего сигнала. Пеленгатором определяются углы прихода сигналов на антенную решетку с разных направлений на одной частоте и полосе частот. Число направлений задается требуемой точностью определения угловых координат. Для точности в 6 минут мгновенная матрица углов имеет размерность 3600 элементов. Время получения пеленга (квант времени решения задачи) зависит от быстродействия вычислителя 1-10.
Обработка информации осуществляется в вычислителе 1-10.
Предварительно заполняется матрица (азимут-угол места) по частотному диапазону является неполной, без координаты дальности, эта координата в последствии получается расчетным способом из тригонометрических уравнений траектории полета ЛА, и она дополняет базу координат ИРИ до логического уровня.
Динамика работы
Многоканальный синхронный квадратурный приемник (МСКП) 1-3, 4 работает в режиме пеленгации ЛА на одной частоте с одной из имеющихся полос наблюдения за сигналами.
Сигналы с выхода вычислителя 1-10 в цифровом виде поступают на обработку и выдаются через локальную СПД 7 в СПО диспетчера связи 6 (фиг. 2).
С определенным темпом перестройки МСКП 1-3, 4 по диапазону осуществляется наблюдение (локация) ИРИ и автоматическое определение их координат, с привязкой к моменту времени обнаружения.
Привязка по времени выполняется для разностно-дальномерного способа уточнения координат и решения специальных алгоритмов синтеза пространственно- временного разноса.
Таким образом, рассматриваемая система пассивного обнаружения источников радиоизлучения повышает точность определения координат ЛА
Приемная ФАР 1-1.
Фазированная антенная решетка состоит из нескольких взаимно-когерентных антенных элементов с антенными усилителями для размещения на мачте.
Каждая мачта устанавливается на местности случайным образом на заданном расстоянии между собой.
Один антенный элемент (АЭ) имеем два идентичных горизонтальных вибратора, которые взаимно перпендикулярны друг к другу и ориентированы в решетке по географическому меридиану и широте.
Антенные элементы имеют укороченный вид и собственный усилитель сигналов (УС) с высоким динамическим диапазоном по напряжению. УС выполняет согласование АЭ с волновым сопротивлением питающего радио кабеля и через него подается питания от вынесенного источника напряжения.
Выход УС подключается к устройству деления сигнала (сплитер), к которому подключаются сопряженные потребители - пеленгатор радиосигналов и диаграммо-образующие устройства.
Пеленгатор радиосигналов (ПР)
Пеленгатор радиосигналов (фиг. 4) выполняет функцию обнаружения и определения угловых направлений прихода сигнала источника радиоизлучения (ИРИ). ПР работает по принципу одноэтапного измерения угловых координат ИРИ.
Для решения этой задачи в состав оборудования входят специальные устройства аналогового и цифрового преобразования радиосигнала и специальный вычислитель 1-10, работающий по алгоритму одноэтапного определения угловых направлений на ИРИ. Значения угловых координат передаются в СПО диспетчера связи 6 для обработки. Управление ПР выполняется от СПО диспетчера связи 6 по локальной сети обмена данными. ПР задается частотный диапазон наблюдения, по которому выполняется автоматическое сканирование и поиск ИРИ с определением его угловых координат.
Диаграммо-образующее устройство (ДОУ) 2 (фиг. 2)
Диаграммо-образующее устройство выполнено на базе сосредоточенных компонентов по управлению фазовыми задержками радиосигнала при его прохождении по внутренним каналам обработки.
Принцип действия ДОУ основан на возможности раздельного управления амплитудами и фазами сигналов каждого элемента антенной системы с последующим их суммированием для создания амплитудно-фазового распределения, соответствующего заданной диаграмме направленности антенной решетки.
Основным элементом ДОУ является квадратурный амплитудно-фазовый модулятор, структурная схема которого приведена на фиг. 9.
Входной сигнал поступает на квадратурный фазовращатель, где расщепляется на две ортогональные составляющие. Каждая квадратурная составляющая при помощи двух противофазных фазовращателей 0°-180° и ключей дополнительно «доворачиваются» в нужный квадрант. Перестраиваемые аттенюаторы производят формирование амплитуд ортогональных составляющих, позволяя изменять амплитуду и фазу сигнала в пределах заданного квадранта на выходном сумматоре.
Принцип работы такого модулятора в фазовом режиме можно описать следующей формулой:
Uвых=Uвх⋅Sin (ωt+ϕ)=Uвх⋅Cos(ϕ)Sin(ωt)+Uвх⋅Sin (ϕ)⋅Cos(ωt).
В соответствии с этой формулой, для поворота выходного сигнала на угол ϕ в синусном канале необходимо регулировать амплитуду по закону U⋅Cos(ϕ), а в косинусном канале по закону U⋅Sin(ϕ). В этом случае амплитуда выходного сигнала будет постоянной и равна амплитуде входного сигнала.
В общем случае, при изменении, как фазы, так и амплитуды выходного сигнала исходная формула преобразуется к следующему виду
Uвых=Uвх⋅А(ϕ)⋅Sin(ωt+ϕ)=Uвх⋅А(ϕ)⋅Cos(ϕ)Sin(ωt)+Uвх⋅А(ϕ)⋅Sin(ϕ)⋅Cos(ωt).
В этом случае в синусном канале регулировка амплитуды производится по закону Uвх⋅А(ϕ)⋅Cos(ϕ), а в косинусном канале - по закону Uвх⋅А(ϕ)⋅Sin(ϕ).
Управление ДОУ осуществляется от СПО диспетчера связи 6. Рассчитанные коэффициенты пересылаются в ДОУ для обеспечения когерентного сложения с заданного направления на выходе ДОУ.
Блок радиомодемов (БРМ) 3
БРМ 3 предназначен для предварительной аналоговой селекции радиосигнала, усиления и переноса спектра принятого сигнала на промежуточную частоту с последующим преобразованием и фильтрацией, и его преобразованием в цифровой вид для выполнения цифровой обработки сигнально-кодовой конструкции (СКК) рабочего сигнала радиомодема в демодуляторе модема.
В модуляторе модема выполняется адаптивное кодирование и формирование сигнально-кодовой конструкции рабочего сигнала в цифровом виде отсчетов спектра сигнала на нулевой частоте, который передается через оптический канал на устройство формирования выходного сигнала (УФВС) 4 (фиг. 2) для преобразования в аналоговый вид и усиления по мощности.
Одновременно с цифровыми сигналами отсчетов СКК через оптический канал в сторону УФВС 4 передается сигнал высокостабильной опорной частоты от опорного генератора БРМ 3.
БРМ 3 может принимать и формировать несколько рабочих сигналов, которые преобразуются в последовательный вид для переноса на высоких скоростях в сторону УФВС 4 по оптическому кабелю.
Сигналы от приемной ФАР 1-1 через ДОУ 2 могут приниматься в БРМ 3 на разных частотах связи по нескольким каналам приема.
Каждый из приемных каналов состоит из активного преселектора коротких волн (АПКВ), в котором выполняется предварительная аналоговая селекции радиосигнала, его усиление, перенос спектра сигнала на промежуточные частоты с фильтрацией.
Выходной сигнал АПКВ подается на свой канал демодулятора модема МСВМ-138-0 (МСВМ-138 - Модуль Специального Вычислителя Модема - 138 (на базе процессора ОМАР- 138, dsp & arm 138 серии фирмы Ti), 0 - версия исполнения) (фиг. 5), где выполняется преобразование сигнала в цифровой вид и его последующая обработка.
От модуля МСВМ-138-0 в сторону мультиплексора формируется выходной сигнал модема в цифровой форме в виде пакетов от каждого модема.
В мультиплексоре к каждому пакету добавляется пакет информации о направлении передачи в виде расчетных значений фазы для синтезатора сигнала на несущей частоте. Дополнительно в оптический канал добавляется пакет управляющих команд УФВС 4.
Устройство формирования выходного сигнала (УФВС) 4
Устройство формирования выходного сигнала выполняет многоканальное и многочастотное формирование спектра рабочих сигналов с нулевой частоты на несколько частот связи. Такое преобразование выполняется для пространственного сложения энергии усилителей мощности с передающих элементов ФАР в заданном направлении на заданной частоте.
Входной демультиплексор и узел управления УФВС 4 принимает цифровой поток сигналов из оптического кабеля, разбирает пакеты и направляет их в каналы обработки, где происходит преобразование потока в отсчеты канала связи с номера радиомодема и параметров направления связи (фаза сигнала несущей, значение несущей частоты и ее амплитуда).
Каждое направление связи формирует свой поток отсчетов модулятора модема на несколько синтезаторов (по числу размерности ФАР), где у каждого синтезатора устанавливается своя начальная фаза несущей частоты связи в цифровом виде.
Выходной поток всех направлений связи, состоящий из отсчетов несущих частот, суммируется на входе цифро-аналогового преобразователя антенного элемента (ЦАП АЭ) в сложный групповой сигнал.
Сложный сигнал с выхода ЦАП через фильтр и усилитель мощности подается на антенный элемент ФАР.
В модуле синтезатора происходит перенос сигнально-кодовой конструкции (СКК) рабочего сигнала модулятора модема на несущую частоту, которая задается для одного из направлений связи.
Передающая ФАР 5
Передающая ФАР 5 состоит из антенных элементов, размещенных в фиксированных точках пространства, к которым подводится радиосигнал с выходных широкополосных усилителей мощности.
Координаты установки антенного элемента выбираются исходя из требуемой зоны излучения ФАР.
Локальная сеть передачи данных (СПД) 7
Локальная СПД обеспечивает транспорт команд управления между сопряженными устройствами и данных от клиента для передачи по заданным направлениям связи.
Специальное программное обеспечение диспетчера связи (СПО) 6
СПО диспетчера связи 6 состоит из подмножества управляющих и обрабатывающих программ целевого назначения радиолинии.
Таким образом, рассматриваемая система автоматического независимого воздушного наблюдения в дальней зоне навигации обеспечивает формирование цифровой траектории отсчетов координат в виде интерактивного отображения траектории полета летательного аппарата за счет пассивного обнаружения источников радиоизлучения ЛА.
Список литературы
1. Knapp С.Н., Carter G.C., The Generalized Correlation Method for Estimation of Time Delay // IEEE Transactions on Acoustic, Speech and Signal Processing, 1976, vol. 24, no. 4, pp. 320-327.