ОБЗОРНАЯ НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКАЯ РЛС
SURVEY GROUND-BASED RADAR STATION

Изобретение относится к области радиолокации и, в частности, к контролю околоземного космического пространства с помощью радиолокационных средств.
Для контроля космического пространства (далее - ККП) используется совокупность различных технических средств разведки: оптических, радиолокационных, радиотехнических, каждая из которых решает свой спектр задач. На основании получаемых данных формируется и поддерживается каталог космических объектов (далее - КО), который хранится в центре ККП.
Основными источниками радиолокационной информации о КО для системы ККП Российской Федерации являются классические моностатические радиолокационные станции (далее - РЛС) с импульсным зондированием с фазированной антенной решеткой, для которых характерна высокая средняя мощность излучения.
Одним из возможных направлений создания средств обнаружения воздушных и космических объектов является использование бистатического метода локации «на просвет».
Использование этого метода позволяет реализовать уникальные свойства радиолокации «на просвет» - полную нечувствительность к наличию радиопоглощающего покрытия у объекта. Кроме того, при бистатических углах более 150°-160°, наблюдается резкое, на 3-4 порядка, увеличение, по сравнению с моностатической радиолокацией, величины эффективной площади рассеяния (далее - ЭПР) объекта, размеры которого, хотя бы в несколько раз, превосходят длину волны излучения. Это существенно повышает вероятность обнаружения объектов, позволяя при этом значительно снизить мощность передатчика по сравнению с аналогами, исключаются требования к синхронизации приемных и передающих устройств, отсутствует зависимость характеристик «просветных» РЛС от флуктуации ЭПР целей и электромагнитной длины трассы [1, 2].
В настоящее время предпринимаются попытки разработки и создания бистатических РЛС не только для контроля воздушного, но и для контроля космического пространства.
В патенте ЕА 007143 [3] описана бистатическая радиолокационная станция (БРЛС), предназначенная для создания радиолокационного барьера и обнаружения пересекающих этот барьер воздушных целей. В состав основной части БРЛС входит передатчик, передающая антенна, приемная антенна, имеющая S выходов, S приемных каналов, блок измерения частоты Доплера, блок измерения пеленга, блок формирования траектории и распознавания классов воздушных объектов, устройство режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех.
Основным недостатком, не позволяющим использовать данную БРЛС для контроля космического пространства, является ее конструктивное исполнение, ориентированное на обнаружение воздушных объектов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой РЛС по технической реализации и функциональному назначению является наземно-космический радиолокационный комплекс [4]. В одном из вариантов реализации комплекса в его состав входит передающий пост (станция) космического базирования, генерирующий и излучающий в направлении одного или нескольких наземных приемных постов (станций) непрерывный гармонический сигнал, и один или несколько наземных приемных постов (станций), имеющих многолучевые диаграммы направленности (далее - ДН) и осуществляющих прием рассеянного воздушным или космическим объектом сигнала, его обработку и вычисление параметров движения обнаруженного объекта.
Существенным недостатком ближайшего аналога при обнаружении КО является широкая ДН передающей антенны, обусловленная широким спектром решаемых задач по обнаружению объектов над значительной территорией страны, что требует от передающего устройства значительной мощности для достижения необходимых дальностей обнаружения. Однако это трудно реализуемо из-за ограниченной мощности энергетических установок, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли (ИСЗ). В ближайшем аналоге так же не указаны правила формирования ДН передающей антенны и многолучевой ДН приемной антенны и их характеристики, позволяющие осуществлять слежение за КО на больших дальностях.
Техническим результатом изобретения является снижение требований к мощности передающего устройства.
Для достижения указанного технического результата в известное устройство, состоящее из передающей станции космического базирования в составе передающего устройства и соединенной с ним передающей антенны, и наземной приемной станции в составе приемной антенны и блока цифровой обработки сигналов, дополнительно введены в состав приемной станции система цифрового диаграммообразования, входами соединенная с выходами приемной антенны, а выходами - с входами блока цифровой обработки сигналов, выход которого подключен к блоку хранения и уточнения локального каталога космических объектов, причем приемная антенна выполнена в виде цифровой антенной решетки (ЦАР).
Предлагаемое изобретение пояснено фигурами:
- фиг. 1 - структурная схема предлагаемой обзорной наземно-космической РЛС;
- фиг. 2 - структурная схема взаимного положения передающей и приемной станций при размещении передающей станции на ИСЗ с геостационарной орбитой;
- фиг. 3 - таблица соотношения углов и расстояний между передающей и приемной станциями в зависимости от широты расположения приемной станции;
- фиг. 4 - схематичный вид многолучевой ДН приемной станции;
- фиг. 5 - расчетное сечение зоны обзора рассматриваемой обзорной наземно-космической РЛС;
- фиг. 6 - таблица с расчетными характеристиками обзорной наземно-космической РЛС.
Структурная схема предлагаемой обзорной наземно-космической РЛС представлена на фиг. 1:
1 - передающее устройство,
2 - передающая антенна,
3 - приемная антенна,
4 - система цифрового диаграммообразования,
5 - блок цифровой обработки сигналов,
6 - блок хранения и уточнения локального каталога космических объектов.
Обзорная наземно-космическая РЛС имеет в своем составе расположенные на спутнике с геостационарной орбитой передающее устройство 1, соединенное с передающей антенной 2, а также приемную станцию на поверхности Земли. Приемная станция состоит из приемной антенны 3, выполненной в виде ЦАР. Выходы элементов антенной решетки подключены к входам системы 4 цифрового диаграммообразования, каждый выход которой подключен к одному из входов блока 5 цифровой обработки сигналов, который своим выходом подключен к блоку 6 хранения и уточнения локального каталога КО.
Обзорная наземно-космическая РЛС функционирует следующим образом.
Передающее устройство 1, располагаемое на спутнике с геостационарной орбитой, формирует и через передающую антенну 2 излучает в направлении приемной антенны 3, располагаемой на поверхности Земли, непрерывное квазигармоническое излучение. При ширине ДН передающей антенны 2 в 1-2° в околоземном космическом пространстве создается зона просветного эффекта, составляющая в поперечном сечении 1000-1500 км. При пересечении этой зоны космическим объектом возникает поле вторичного рассеяния, которое улавливается приемной антенной 3.
Сигналы с выходов приемной антенны 3 поступают в систему 4 цифрового диаграммообразования, в которой осуществляется цифровой синтез К узконаправленных лучей ДН и формирование результирующей многолучевой ДН приемной антенны 3.
Сигналы с К выходов системы 4 цифрового диаграммообразования поступают на К входов блока 5 цифровой обработки сигналов. Данный блок индивидуально для каждого из К входов производит накопление цифровых сигналов в течении заданного фиксированного периода времени, определяет входы, на которых сигналы превысили порог обнаружения, вычисляет их частоту Доплера. По номеру входа определяется угловое положение цели, а по частоте Доплера в смежных измерениях - оценка наклонной дальности до объекта с ее пересчетом в высоту полета объекта над поверхностью Земли. По нескольким отметкам, полученным от одной цели, но в разных лучах ДН, строится траектория движения КО и определяются первичные параметры его орбиты.
Из блока 5 цифровой обработки сигналов сигнал поступает в блок 6 хранения и уточнения локального каталога космических объектов, где вычисленные параметры орбиты сравниваются с высокоточными параметрами орбит всех космических объектов, хранимых в блоке 6 хранения и уточнения локального каталога космических объектов и ранее поступивших из Главного каталога КО. По результатам сравнения делается вывод либо о принадлежности космического объекта к уже известным, либо об изменении параметров орбиты ранее известного КО или о появлении нового КО.
В последнем случае информация об этих первичных параметрах орбиты передается в службу, отвечающую за ведение Главного каталога КО для регистрации КО и дальнейшего уточнения параметров его орбиты.
На фиг. 2 представлена структурная схема взаимного положения передающей (точка А) и приемной (точка Б) станций при размещении передающей станции на ИСЗ с геостационарной орбитой, при условии, что географическая долгота расположения приемной станции и узел расположения на орбите ИСЗ с передающей станцией совпадают, где:
R - радиус Земли,
Н - высота размещения ИСЗ на геостационарной орбите,
αl - угол наклона линии связи относительно горизонта для наземной (приемной) позиции,
α2 - географическая широта расположения наземной станции,
α3 - угол отклонения оси ДН передающей антенны от вертикали.
При размещении приемной позиции на территории страны широта ее расположения (угол α2) ограничивается диапазоном от 41°11' с.ш. (самая южная точка России) до 77°43' с.ш. (самая северная материковая точка России). В таблице на фиг. 3 приведены соотношения углов и расстояний между передающей и приемной станциями при размещении приемной станции в точках с различной географической широтой, т.е. для различных углов α2, для условий, когда географическая долгота расположения приемной станции и узел расположения на орбите ИСЗ с передающей станцией совпадают. Например, при размещении приемной станции в точке с координатами 44° с.ш. и 32° в. д. узел расположения ИСЗ должен соответствовать 32° в. д., отклонение оси ДН передающей станции (угол α3) должно составлять 6°48' в северном направлении, центр ДН приемной станции должен быть направлен на юг под углом 39°18' к горизонту.
Ширина ДН приемной антенны по углу места должна быть максимальной для создания максимального заградительного радиолокационного барьера. Анализ диаграмм рассеяния показывает, что первые минимумы появляются при углах дифракции 150°-160°, т.е. ширину ДН приемной антенны по углу места можно ограничить на уровне ±30°. Ширина ДН приемной антенны по азимуту может быть небольшой, но достаточной для определения направления входа КО в радиолокационный барьер и угла пересечения им зоны обзора наземно-космической РЛС. Последнее необходимо для определения одного из параметров орбиты - угла наклона ее плоскости.
Диапазон частот работы обзорной наземно-космической РЛС имеет ограничения. Для того чтобы сигнал от спутника прошел на Землю, необходимо использовать частоты, превышающие 30 МГц. Однако следует учесть, что при частотах выше 10 ГГц радиоволны достаточно сильно поглощаются атмосферой. Кроме того при использовании высоких частот (например, 3 ГГц, λ=0,1 м) бистатическая ЭПР при увеличении углов дифракции спадает быстрее, чем при большей длине волны (λ=0,22-0,77 м). В пользу более длинных волн говорит и тот факт, что, при учете отражения от сферической Земли ДН приемной антенны оказывается менее изрезанной (присутствует меньшее число интерференционных минимумов и максимумов). Однако, в случае относительно длинных волн для формирования узких лучей (для увеличения точности определения угловых координат) необходимы большие размеры апертуры приемной и передающей антенн, возрастают шумы атмосферы.
В качестве примера рассмотрим построение наземно-космической РЛС, использующей диапазон частот 1250…1380 МГц.
ДН передающей антенны 2 - узконаправленная однолучевая. Из-за значительных размеров антенны, обусловленных узкой ДН и использованием L-диапазона электромагнитного излучения конструкция антенны должна позволять свою транспортировку в сложенном виде. Конструктивно она может быть выполнена в виде параболической антенны из гибкой металлической сетки и облучателя. Механизм разворачивания антенны - любой, например, пневматический, как наиболее простой.
Полотно приемной антенны 3, выполненной в виде ЦАР [5, 6], состоит из активных элементов, каждый из которых принимает сигнал, усиливает его с помощью малошумящего усилителя, преобразует на промежуточную частоту и оцифровывает.
Система 4 цифрового диаграммообразования выполнена на основе программно-аппаратных средств и из цифровых сигналов, полученных от всех элементов приемной антенны 3, формирует «массив» из К лучей ДН с размерностью K=M×N. В качестве алгоритма обработки может быть использовано быстрое преобразование Фурье [7].
Величина N определяет ширину общей ДН приемной антенны по углу места. При ширине луча ДН в 1° и ширине ДН приемной антенны по углу места ±30° величина N будет составлять 60. Величина М определяет ширину общей ДН приемной антенны по азимуту. На фиг. 4 представлен схематичный вид многолучевой ДН приемной антенны, выполненной в виде ЦАР, а на фиг. 5 - расчетное сечение зоны обзора наземно-космической РЛС с ЦАР в вертикальной плоскости, совпадающей с линией связи (без учета наклона линии связи) для КО в виде шара с теневым контуром 1 м.
Блок 5 цифровой обработки сигналов реализован с применением программно-аппаратных средств и реализует:
- накопление сигнала по каждому из входов;
- определение пеленга одного или нескольких КО по номеру входа, на котором сигнал превысил порог;
- измерение частоты Доплера;
- вычисление прямоугольных или геоцентрических координат КО по измеренным значениям угловых координат и скорости изменения частоты Доплера по любому из способов, например описанному в [8];
- определение параметров траектории КО.
Блок 6 хранения и уточнения локального каталога космических объектов также реализован на программно-аппаратных средствах и отвечает за хранение параметров орбит КО, сформированных самой РЛС или поступивших из Главного каталога КО.
В таблице на фиг. 6 для примера приведены ориентировочные характеристики обзорной наземно-космической РЛС при обнаружении КО в виде шара с теневым контуром 1 м. Размер зоны обзора при этом составляет около 1100-1200 км вдоль меридиана и около 2500-3500 км в высоту. Расчетная мощность передающего устройства при этом невелика и может быть обеспечена солнечными батареями.
2
Для КО в виде конуса с теневым контуром 0,5 м высота зоны обзора несколько снижается, но в 1,2-1,3 раза увеличивается ее ширина вдоль меридиана.
Таким образом, указанный технический результат достигается сужением ДН передающей станции до 1-2°, что является достаточным для создания зоны просветного эффекта вблизи земной поверхности около 1000-1500 км в сечении и создания, в совокупности с многолучевой приемной антенной, соответствующего радиолокационного барьера, позволяя снизить мощность передающего устройства до 8-10 кВт.
Литература:
1. Теоретические основы радиолокации / Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков, И.Н. Бусыгин и др. Под ред. Я.Д. Ширмана - М. Сов. Радио, 1970 - 560 с.;
2. Черняк B.C. Многостанционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.;
3. Патент ЕА 007143, заявка №200401555 от 23.12.2004 г., «Бистатическая радиолокационная станция», авторы: Бляхман А.Б., Самарин А.В.;
4. Патент на изобретение №2324951 «Наземно-космический радиолокационный комплекс», опубл. 20.05.2008 г., авторы: Бляхман А.Б., Самарин А.В.;
5. Слюсар В.И. Цифровые антенные решетки: будущее радиолокации. Электроника: наука, технология, бизнес. 2001, №3, стр. 42 - 46;
6. Слюсар В.И. Цифровые антенные решетки: аспекты развития. Специальная техника и вооружение. 2002, февраль, №2, стр. 17-23;
7. Слюсар В.И. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения. Электроника: наука, технология, бизнес. 2002, №1, стр. 46 - 52;
8. Бляхман А.Б. Мякиньков А.В., Рындык А.Г. Измерение координат целей в трехкоординатных бистатических радиолокационных системах с обнаружением «на просвет». Радиотехника и электроника, т. 51, №4, 2006 г., стр. 422-427.