Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

Θ = Ω(e f). (3)

Такое разбиение адаптивной системы на подсистемы позволяет сосредоточить внимание

на характеристиках средств формирования сигнала ошибки е(t), а также корректирующих воздей-

ствий

Θ(t) , Полное описание адаптивной системы имеет вид:

Адаптивная система, объектом управления которой является многоканальная РЛС, не

может быть названа абсолютно устойчивой, т.к. в процессе ее эксплуатации возможны такие

возмущающие воздействия внешних факторов, в результате которых эта система будет не в со-

стоянии сохранить свои параметры в пределах области допустимых значений. Поэтому парал-

лельно с адаптацией должны решаться задачи технической диагностики:

проверка работоспособности МРЛС на основании данных о работоспособности ее элемен-

тов;

поиск неисправных элементов с заданной степенью локализации.

Адаптивное управление характеристиками МРЛС

Процесс адаптивного управления характеристиками МРЛС может быть представлен в виде

следующей последовательности этапов:

оценка технического состояния РЛА по данным встроенного контроля и контроля рассмот-

ренных ранее дестабилизирующих факторов (ДФ);

оценка сигнально-помеховой обстановки и учет условий местности на основе использова-

ния электронных карт местности (ЭКМ);

идентификация условий функционирования и и оценка эффективности функционирования

МРЛС на основе построения имитационной модели условий и процесса функционирования МРЛС;

определение критериев выбора и выбор алгоритмов управления характеристиками МРЛС

на их основе.

Рассмотрим сущность этих этапов.

Оценка тeхнического состояния РЛА

Оценка технического состояния предполагает наличие в составе ее радиолокационной

аппаратуры системы функционального контроля (СФК). Однако, в отличие от СФК описанной в

части I, информация о техническом состоянии должна поступать без прекращения боевой ра6оты

изделия.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Кроме описанных ранее данных об уровне излучаемой передатчиком мощности; коэффи-

циенте шума приемника, фазовых длинах и динамическом диапазоне его каналов; о количестве

вышедших из строя каналов управления ФАР а также об отказах в системе первичной обработки

информации и системе отображения и управления, для оценки технического состояния необхо-

димы оперативные данные, позволяющие судить об интегральных характеристиках излучения

МРЛС в условиях воздействия ДФ.

Интегральные характеристики излучения (диаграммы направленности ФАР для различных

угловых положений) определяются амплитудно-фазовым распределением на раскрыве ФАР, ко-

торое, в свою очередь, определяется техническим состоянием ее каналов управления.

Контроль параметров ФАР в процессе боевой работы РЛС возможен лишь с использова-

нием средств встроенного контроля. Встроенный контроль ФАР проводится с целью проверки со-

ответствия основных ее параметров и команд управления, вырабатываемых системой управле-

ния лучом (вычислителем фаз и каналами управления), установленным требованиям, а также вы-

явления и локализации отказов в каналах управления. Необходимый для адаптивного управления

характеристиками излучения объем информации, получаемый от средств встроенного контроля,

должен содержать данные об изменении диаграммы направленности ФАР и (или) сведения о фак-

торах, снижающих эти характеристики.

Классификация методов встроенного контроля ФАР, а также способов их реализации при-

ведена на рис.5.

Различают интегральный и дифференциальный контроль характеристик излучения ФАР.

Интегральный контроль предполагает непосредственные измерения параметров электромагнит-

ного поля создаваемого ФАР. Данные об изменениях ДНА могут быть также получены в резуль-

тате дифференциального контроля, который предполагает измерение параметров поля в высоко-

частотных трактах каналов управления ФАР.

В последние годы в практике антенных измерений широко используются методы, позво-

ляющие осуществить интегральный контроль путем измерения амплитуд и фаз электромагнитного

поля в ближней зоне антенны (на расстоянии нескольких длин волн). В зависимости от формы

измерительной поверхности различают три основных вида измерений поля в ближней зоне: пла-

нарные, цилиндрические и сферические.

Используя методы измерения ближнего поля, можно не только контролировать диаграмму

направленности ФАР (прямая задача), но и выявлять неисправные каналы управления на основе

данных о распределении поля в ее раскрыве (обратная задача). Особенностью этих методов яв-

ляется необходимость двумерного механического сканирования ближнего поля и соответствую-

щей математической обработки двумерных массивов, что приведет к значительной продолжи-

тельности измерений и обработки.

Результаты расчетов, проведенных, на основе данных [8], показывают, что для контроля

плоской ФAP, состоящей из 2500 излучателей (50 х 50), при скорости измерений 8 зондирований в

секунду, интервале перемещений λ/2 (λ – длина волны) и времени перемещения между рядами

2,5 секунды, время, затрачиваемое на зондирование ее ближнего поля, составляет 25 минут.

Сократить время обработки результатов измерений позволяет метод фокусировки. Ме-

тод предусматривает создание такого амплитудно-фазового распределения на раскрыве исполь-

зуемой ФАР, при котором электромагнитные волны от всех точек раскрыва складываются синфаз-

но в точке, расположенной значительно ближе границы ее дальней зоны. Для этого в вычисли-

теле, управляющем работой ФАР, должна быть предусмотрена специальная программа фокуси-

ровки.

Рис.5

Однако, существенный недостаток метода состоит в том, что при этом измеряются ха-

рактеристики модифицированной антенны. Так для ФАР с дискретным управлением диаграмма

направленности, снятая методом

фокусировки, существенно отличается от оригинала, так как по-

грешности установки фазового распределения в этих двух случаях различны.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

На основе данных о ДН ФАР имеется возможность решить задачу поиска неисправных ка-

налов управления. Задача решается путем вычисления дискретного апертурного распределения,

определения отклонений eгo от неискаженного распределения и прогнозирования координат неис-

правных элементов. Неискаженные амплитудно-фазовые распределения рассчитываютcя на ос-

нове модели реальной ФАР, которая может быть получена путем включения в модель идеальной

ФАР погpeшностей установки состояний фазовращателей и эффектов взаимного влияния излуча-

телей. Как показали результаты расчетoв, такая методика позволяет выявить 95-97% неисправных

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

элементов, что делает ее особенно эффективной для больших ФАР (более 10

излучающих эле-

ментов), где встроенный дифференциальный контроль каналов управления потребует значитель-

ных затрат энергии и средств.

Встроенный контроль КУ путем измерения параметров поля в трактах прохождения сиг-

нала к излучателям ФАР предполагает использование ответвителей, что приводит к потерям

энергии СВЧ-генератора РЛС. Определение погрешностей состояний каналов управления опре-

деляется при этом либо путем сравнения реального их состояния с заданным, либо путем моде-

лирования характеристик реальной ФАР и сравнения их с эталонными.

Дифференциальный контроль характеристик ФАР осуществляется также путем использо-

вания внешних измерительных антенн (зондов)или включения в состав ФАР контролирующих ан-

тенных модулей.

Реализация описанных выше способов дифференциального контроля характеристик ФАР

связана с увеличением габаритов и веса ФАР, а также с потерями СВЧ-энергии, поэтому их ис-

пользование в мобильных PЛC оправдано лишь ДЛЯ случая антенных решеток, состоящих из ли-

неек вoлноводно-щелевых излучателей, например АN/ТРQ-З6 (см. рис. 3).

Значительно снизить объем аппаратуры контроля, число межблочных соединений, а также

потери энергии позволяет модуляционный метод контроля ФАР. Метод обеспечивает контроль

каналов управления в каждом из состояний L = 2

, где р - число разрядов входящего в его состав

фазовращателя.

Идея метода заключается в том, что фазовращатель контролируемого канала управления

переключается из одного состояния в другое и обратно, вызывая тем самым амплитудную или фа-

зовую модуляцию результирующего вектора электромагнитного поля, излучаемого ФАР. Измере-

ние параметров выделяемой модуляционной составляющей сигнала позволяет получить характе-

ристики контролируемого канала управления. Модуляционный метод позволяет на основе харак-

теристик ближнего поля каналов управления восстановить диаграммы направленности для всех

возможных положений луча в секторе сканирования ФAР. Это особенно важно при выявлении сис-

тематической и случайной составляющих погрешностей установки луча ФАР при воздействии раз-

личных ДФ.

Для определения характеристик антенн путем измерения распределения ближнего поля

могут быть использованы методы, в которых вместо механических перемещений зонда и (или)

контролируемой антенны используются одномерные или двумерные решетки зондов.

Последовательно осуществляя модуляцию поля каждого зонда и измеряя параметры сиг-

нала, поступающего в когерентный приемник, можно записать распределение ближнего поля кон-

тролируемой антенны. Низкочастотная модуляция поля контролируемой антенны позволяет пода-

вить паразитные сигналы и повысить чувствительность измерительной аппаратуры.

Снизить взаимное влияние аппаратуры контроля и контролируемой ФАР позволяет ис-

пользование в качестве измерительных зондов двухпроводных линий, выполненных в виде парал-

лельных печатных проводников, нанесенных на внутренней поверхности обтекателя ФАР (рис. 6).

Достоинством такой схемы измерений является то, что при этом

измеряются характеристики каналов управления, возбуждаемых из дальней зоны (так как

возбуждение осуществляется плоской волной), что позволяет использовать для измерения диа-

граммы направленности ФАР динамический метод [9].

Динамический метод контроля ФАР заключается в измерении амплитуды сигнала на вы-

ходе приемника при изменении положения луча ФАР в заданной плоскости. Однако при механиче-

ских повреждениях полотна ФАР (например, осколочным полем артиллерийских снарядов) досто-

верность такого контроля резко снизится, так как в этом случае будут выходить из строя возбуж-

дающие линии передачи (см. рис.6).

Рис.6

Рассмотренные методы встроенного контроля характеристик ФАР, а также способы их

реализации (см. рис. 5) позволяют получить информацию, необходимую для коррекции погрешно-

стей АФР. Наиболее перспективными для получения оперативной достоверной информации о

состоянии ФАР мобильных РЛС являются модуляционные способы встроенного контроля харак-

теристик ФАР. В настоящее время с их помощью при скорости 2000 измерений в секунду возможно

получение характеристик плоской ФАР (50 х 50 элементов) через 3-4 с. При этом точность изме-

рений характеризуется погрешностями измерения фазы, составляющими 0.01 град и амплитуды -

60 дБ [10]. Выбор способов контроля того или иного фактора, снижающего характеристики

ФАР (рис.5) определяется ее конструкцией, условиями эксплуатации, а также допустимыми зна-

чениями ухода характеристик.

Контроль погрешностей управления фазой проводится с целью компенсации снижения

характеристик ФАР, вызванных дискретным характером управления. Он осуществляется путем

выделения разностей между расчетными значениями фазы при идеальном (т.е. аналоговом)

управлении и фактически установленными значениями фазы, определяющими состояние каналов

управления вследствие использования в них дискретных фазовращателей.

На основе данных о погрешности управления фазовыми состояниями каналов управле-

ния осуществляется расчет погрешностей установки углового положения луча ФАР.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Контроль функционирования каналов управления ФАР, проводимый на низкой часто-

те включает: контроль функционирования переключающих элементов фазовращателей, кон-

троль функционирования устройств их и входных регистров (т. е. цепей сброса и записи кода

фазовых состояний фазовращателей).

Низкочастотный (НЧ) контроль функционирования канала управления ФАР осуществля-

ется путем анализа кодов состояний разрядов входящего в его состав фазовращателя. Один из

варрантов технической реализации НЧ-контроля технического состояния ФАР, использующей p-i-

n-диодные фазовращатели и строчно-столбцовый способ формирования команд управления,

представлен на рис. 7 и 8 [15].

Блок встроенного НЧ-контроля содержит: логические элементы ИЛИ-ИЛИ 1,ИЛИ 2; логиче-

ский элемент И-И; электронные ключи К

, К

, К; амплитудные селекторы АС; синхронизатор; блок

съема кода неисправного фазовращателя (БСК).

Запуск синхронизатора осуществляется командами ЦВУ МРЛС. Система управления лу-

чом антенной решетки производит в момент изменения направления излучения перефазировку

элементов. Перефазировка элементов антенной решетки начинается с предварительной установ-

ки pin- диодных фазовращателей в нулевое состояние, при котором все pin-диоды обесточены.

Рис.7

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

После установки всех фазовращателей в состояния, соответствующие выбранному на-

правлению излучения антенной решетки, на вход синхронизатора поступает импульс управления

от ЦВУ. С приходом импульса управления синхронизатор, управляя состояниями электронных

ключей, осуществляет последовательный опрос состояний pin-диодов всех фазовращателей

ФАР.

В процессе контроля состояний pin-диодов на выходах соответствующих анализируемой

строке логических элементов ИЛИ 1, ИЛИ 2 (рис.7) формируются сигналы, характеризующие со-

стояния pin-диодов фазовращателей этой строки.

Сигнал "логическая 1" на выходе логического элемента ИЛИ 1 соответствует неисправ-

ному состоянию контролируемого в данный момент pin-диода. Если в тот же момент времени на

выходе логического элемента ИЛИ 2 "логический 0", то это соответствует короткому замыканию в

цепи контролируемого pin-диода, а если "логическая 1" - обрыву.

Выявление отказавшего pin-диода, а также распознавание вида отказа (обрыв или корот-

кое замыкание) осуществляется с помощью амплитудного селектора (рис.7). В состав амплитудно-

го селектора 6 входят (рис.8): пороговый элемент с инверсным выходом, логический элемент И-

НЕ и интегрирующая RC-цепь.

Пороговый уровень U

пор

порогового элемента устанавливают с таким расчетом, чтобы

при подаче на pin-диод команды "1" его могло превысить напряжение, снимаемое с pin-диода, в

цепи которого имеется обрыв. Это возможно благодаря тому, что величина напряжения, сни-

маемого с исправного работающего диода, находящегося в состоянии "1" (U

"1"

), меньше чем на-

пряжение, снимаемое с pin-диода, в цепи которого имеется обрыв при подаче на него команды

"1".

Рис.8

Таким образом, в процессе контроля состояний pin-диодных фазовращателей антенной

решетки путем анализа реакций pin-диодов на команды управления ("0" и "1") на выходе блока

съема кода неисправного фазовращателя в определенные моменты времени производится

считывание двоичного кода, состоящего из кода номера строки и кода номера столбца

неисправного фазовращателя, а также кода номера отказавшего в нем разряда. В это же время с

выхода элемента И считывается код вида отказа pin-диода ("0"- короткое замыкание, "1"- обрыв).

Выходные сигналы от БСК и логического элемента И поступают на ЦВУ РЛС, осуществляющее

расчет интегральных характеристик ФАР, а также к ее системе отображения информации.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Описанный блок позволяет производить НЧ-контроль технического состояния ФАР без

прекращения боевой работы РЛС.

Контроль температуры окружающей среды проводится с целью формирования команд

управления, компенсирующих температурную нестабильность амплитудно-фазового распределе-

ния в раскрыве ФАР. Для этого на полотне ФАР размещаются температурные датчики для каждого

канала управления (либо для группы каналов), сигналы от которых преобразуются в команды

управления соответствующими фазовращателями.

Контроль частоты излучения ФАР с целью компенсации частотной зависимости характери-

стик каналов управления осуществляется либо путем использования датчика, чувствительного к

изменениям частоты излучения, и формированием команд управления фазовращателями, учиты-

вающих эти изменения, либо путем анализа кода управления частотой излучения РЛС.

Контроль геометрии ФАР проводится с целью компенсации искажения формы антенны,

а также смещения облучателя относительно фазового центра раскрыва (при использовании про-

странственного возбуждения ФАР) в процессе эксплуатации РЛС.

Каждый из приведенных способов контроля факторов, дестабилизирующих характеристики

ФАР, не обеспечивает получения информации, достаточной для полной компенсации погрешно-

стей реализации амплитудно-фазового распределения. Поэтому они используются, как правило,

комплексно. Снижение характеристик излучения при этом оценивается путем имитационного мо-

делирования интегральных характеристик ФАР, использующего результаты контроля ДФ в качест-

ве исходных данных.

Особый вид ДФ представляют собой механические повреждения полотна ФАР. Наиболь-

шей информативностью при определении вышедших из строя излучающих элементов и соединен-

ных с ними каналов управления ФАР в этом случае обладают блоки встроенного контроля, реали-

зующие модуляционный метод СВЧ-контроля амплитудно-фазовых характеристик излучателей и

позволяющие минимизировать объем аппаратуры контроля, число межблочных соединений, а так-

же потери энергии. Однако контроль технического состояния ФАР с их помощью потребует

значительного времени, а следовательно и вывода МРЛС из штатного режима. Поэтому наиболее

эффективно совместное применение НЧ и СВЧ-блоков встроенного контроля.

СВЧ-тестирование одного канала управления ФАР может быть реализовано в процессе

боевой работы МРЛС за время, находящееся за пределами стробируемого участка дальности для

всех каналов управления. Контрольный сигнал, поступающий на раскрыв от дополнительного ру-

пора либо от СВЧ-линии передачи (см. рис. 6), распределяется по ее отдельным элементам,

часть которых может оказаться выведенной из строя. Система встроенного контроля, состоящая

из блока НЧ-контроля (см. рис. 7), блока СВЧ-контроля (см. рис. 6) и ЦВУ, определяет амплитудно-

фазовые характеристики каналов управления ФАР только после того. как выявлен выход из строя

фазовращателей или цепей их управления.

Результаты комплексного контроля ДФ могут быть эффективно использованы для обеспе-

чения адаптивного управления функционированием МРЛС без ее вывода из штатного режима, так

как в этом случае обеспечивается необходимая оперативность контроля и требуемый для иден-

тификации состояния МРЛС объем информации.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Оценка сигнально–помеховой обстановки

Оценка сигнально–помеховой обстановки осуществляется путем непосредственного выяв-

ления наличия сигналов, отраженных от ОН, и помех в смеси "сигнал + шум + помеха" на выходе

приемника РЛС путем осуществления процедуры обнаружения и селекции движущихся целей, а

также распознавания класса и калибра ОН с помощью алгоритмов выявления соответствующих

информационных признаков, априорной информации о помехах и составления так называемых

карты помех и карты целей. Эти карты накладываются на ЭКМ и могут наблюдаться на экране ин-

дикатора МРЛС. С помощью ЭКМ осуществляется также уточнение координат точки вылета (паде-

ния) на основе использования данных о характере местности (река, лес, болото и т.п. ), а не

только о высоте, как это делалось в описанных ранее МРЛС.

Данные о сигнально–помеховой обстановке и об условиях местности также используются

при идентификации состояния МРЛС при составлении модели условий ее функционирования.

Идентификация условий функционирования МРЛС

Идентификация условий функционирования МРЛС, т.е. отнесение их к определенному

классу осуществляется на основе имитационного моделирования. Конечная цель идентификации

состоит в определении алгоритмов управления характеристиками МРЛС, максимальна соответст-

вующих условиям ее функционирования и состоянию. В этом случае наибольший интерес пред-

ставляют оценки не усредненных статистических параметров, а мгновенные значения погрешно-

стей пеленгации и связанных с ними снижений характеристик МРЛС (погрешности определения

экстраполированных координат, пропускной способности и т.д.) в каждый текущий момент време-

ни, что позволяет исследовать характер (такого) рода ошибок в различных динамичных ситуаци-

ях и выбрать соответствующий алгоритм компенсации.

Имитационная модель МPЛС, соответствующая этим требованиям, состоит из двух ин-

формационно связанных между собой блоков(рис. 9): блока внешней среды, описывающего усло-

вия функционирования МРЛС, и структурного блока, описывающего функционирование кон-

кретного типа МРЛС с учетом ее характеристик и технического состояния.

В состав блока внешней среды входят следующие субблоки.

Субблок целевой обстановки, описывающий:

Имеющиеся в наличии и постоянно обновляемые данные о размещении огневых пози-

ций (ОП) артиллерии противника относительно линии соприкосновения сторон по фронту и глуби-

не,

о размещении орудий на ОП, о размещении целей, поражаемых огнем артиллерии противника и

их приоритетности;

закономерности перемещения объектов наблюдения (снарядов, мин, ракет) в про-

странстве;

расположение позиции МРЛС;

интенсивность потока объектов наблюдения в секторе поиска.

Субблок мгновенного значения отражающей способности объектов наблюдения, которое

может быть получено на основании заданных диаграмм вторичного излучения, уравнений собст-

венного движения каждого объекта относительно центра тяжести и рассчитанных углов облучения

цели передающим устройством МРЛС и приема отраженных сигналов.

Рис.9

Субблок положения, интенсивности и структуры сигнала, источников шумов и помех,

т.е. помехоносителей.

Субблок среды, в которой распространяется сигнал, действие которой описывается

коэффициентом затухания.

Субблок среды, в которой функционирует РЛС, действие которой описывается температу-

рой, давлением, влажностью, направлением и скоростью ветра (ударной волны) и др. (перечень

дестабилизирующих факторов определяется критичностью к ним конкретной МРЛС).

Структурный блок включает:

субблок распределения функций, отражающий последовательность реализации эта-

пов и режимов функционирования МРЛС по каждому объекту наблюдения;

субблок управления характеристиками МРЛС определяет технические характеристики

МРЛС и особенности ее конструкции, а именно: вид сигнала, закон обзора пространства при об-

наружении, время локации каждой цели, время и метод накопления сигнала, последователь-

ность

локации целей при сопровождении, алгоритм определения местоположения ОП и т.п.;

субблок, описывающий конструкцию наиболее уязвимых элементов МРЛС;

субблок расчета интегральных характеристик излучения и (или) приема;

субблок расчета показателей эффективности функционирования МРЛС.

Следует отметить, что описание первых двух субблоков носит индивидуальный характер

для конкретного типа МРЛС. Содержание трех последних субблоков рассмотрим на примере

МРЛС типа «Зоопарк».

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Субблок, описывающий конструкцию наиболее уязвимых элементов (а для рассматривае-

мой РЛС - это, прежде всего, ничем не защищенное полотно ФАР), представляет собой формали-

зованное описание конструкции ФАР в виде совокупности отдельных уязвимых элементов (прямо-

угольных параллелепипедов), характеризующихся материалом и толщиной эквивалентной пре-