Модернизация РЛС для управления воздушным движением летательных аппаратов, базирующихся на ТАКР «Адмирал Кузнецов»

Введение

ТАКР (тяжёлый авианесущий крейсер) «Адмирал Кузнецов» оборудован комплексом управления воздушным движением, навигации и посадки «Резистор-К42», разработанным и изготовленным НПО измерительной техники в 1988 году. В составе комплекса имеется первичный диспетчерский радиолокатор (ДРЛ) диапазона L. В настоящее время радиолокатор физически и морально устарел, в связи с чем АО «НИИИТ-РК» произвело его модернизацию. Развитие современной элементной базы позволяет внедрить активную фазированную решётку, цифровое формирование и обработку сигналов с одновременным уменьшением массогабаритных параметров систем.

Формирование и обработка сигналов

Дальность действия при ограниченной пиковой мощности обеспечивается сложным сигналом большой длительности. Применение быстродействующих ПЛИС позволяет формировать и производить согласованную фильтрацию (сжатие) сложных сигналов со ступенчатой фазовой функцией [1]. Такой сигнал позволяет получить низкий уровень боковых лепестков (УБЛ) при согласованной обработке во временно¢й области без применения весового взвешивания. Фазовая функция используемого сигнала приведена на рисунке 1 и представляет собой параболу, «возмущённую» фазовыми скачками.

На рисунке 2 для этого сигнала с В=64 показаны корреляционные функции, (КФ) соответствующие f_q=0 кГц и 4,8 кГц. Даже при V_{r max}=555 м/с (f_q=4,8 кГц) УБЛ КФ не превышает –40 дБ. На всех рисунках ширина КФ по уровню –3 дБ составляет не более 1 мкс.

Внутриимпульсная обработка простых (моно – для ближней зоны) и сложных (случайные фазовые маски (СФМ) для дальней зоны) сигналов осуществляется согласованными фильтрами, которые представляют собой корреляторы на основе КИХ-фильтров. Алгоритм работы фильтра имеет вид:

где W_q∣_q=1^q=60– коэффициенты фильтра моно, W_q∣_q=1^q=320 – коэффициенты фильтра CФM.

Междупериодная обработка сигналов производится с помощью адаптивного обеляющего фильтра в соответствии с алгоритмом, сочетающим когерентный компенсатор помехи с некогерентным накоплением выходных сигналов компенсатора [2], предпороговая статистика при этом равна

Φˆ_i – оценка корреляционной матрицы помехи и шум на i-й частоте, U_i – аддитивная смесь сигнала, помехи и шума на i-й частоте, Hˆ_i – корень Ψˆ_i матрицы на i-й частоте, * – символ эрмитового сопряжения.

Обработка в соответствии с алгоритмом (2) обеспечивает высокую эффективность адаптивного обнаружителя при малом объёме обучающей выборки при оценке корреляционной матрицы Φˆ_i [3].

Для принятия решения об обнаружении сигнала используется процедура порогово-логической обработки. Последовательность результатов некогерентного накопления на одном угловом направлении сравнивается с пороговым уровнем, выбранным в соответствии с критерием минимума среднего риска. Нормированный порог I получен в результате решения уравнения:

где F – заданный уровень вероятности ложной тревоги, n – число накапливаемых импульсов, µ – оцениваемое отношение сигнал/шум+помеха, Г – гамма функция, λ=(1+μ^-1)×ln[1×(1+μ)].

Обнаружение в соответствии с уравнением (3) позволяет получить выигрыш в характеристиках обнаружения относительно обнаружения по критерию Неймана-Пирсона на 2–4 дБ [4].

Обнаружение пачки, полученной при сканировании по азимуту, производится в окне с размером M×N, где M – число азимутальных дискретов, N – число ячеек дальности. Решение об обнаружении пачки принимается по результатам критерийной обработки и производится измерение дальности и азимута цели в соответствии с алгоритмами [5]

где S – коэффициент, равный сумме отсчётов в окне, Z – промежуточные суммы отсчётов по дальности и азимуту, і₀, j₀ – номер дискрета дальности и азимута, в котором принято решение об обнаружении максимального отсчёта, δr, δβ – дискретность дальности, азимута.

Оценивание азимута и дальности по выражениям (4) позволяет минимизировать ошибки с учётом инструментальных погрешностей за счёт дискретности огибающей сигнала по дальности и азимуту, а также при наличии внутрипачечных флуктуаций отражённого сигнала, имеющих место при радилокационном наблюдении вертолётов.

В РЛС используется селекция радиолокационных отметок целей на фоне помех за несколько обзоров. Такая селекция основывается на различии пространственно-временных (траекторных) признаков целей и помех (МССДЦ). Метод МССДЦ с измерением-распознаванием подразумевает сопровождение всех объектов, обнаруженных в зоне обзора РЛС, и фильтрацию их параметров. По результатам измерения параметров движения сопровождаемого объекта оцениваются траекторные признаки распознавания (скорость и модель входного воздействия) и принимается решение о его классе (цель или помеха). Радиолокационные отметки, принадлежащие скоростным траекториям, выдаются потребителям РЛС всегда, а от метки, принадлежащие малоскоростным траекториям, потребителю могут не выдаваться.

В алгоритме межобзорного сопровождения и селекции движущихся целей с измерением-распознаванием в качестве составной части используется многогипотезный измеритель с межобзорной памятью гипотез (МИМПГ). Многогипотезные измерители с межобзорной памятью гипотез вводятся как более усложнённый вариант квазиоптимальной адаптивной байесовской фильтрации. В англоязычной литературе такие разновидности дискретных следящих измерителей называются IMM (Interactife Muitiple Model) [6]. От предыдущего шага измерения на текущий для i-го класса траектории передаётся фиксированное число гипотез N о моделях входного воздействия с учётом вероятностей их взаимного перехода. Существенное снижение канальности измерителя обеспечивается также сочетанием фильтров, отличающихся видами моделей входного воздействия. Траекторное описание целей и помех включает в себя:

По высотно-скоростным характеристикам цели и помехи распределены следующим образом (для районов с континентальным климатом):

По параметрам моделей возмущающих воздействий цели отличаются от помехи наличием незначительного «шума» по измеряемым координатам. Им можно пренебречь для измерителей обзорных РЛС средней и большой дальности ввиду того, что разрешаемый объём РЛС намного превышает геометрические размеры целей, в то время как у помехи СКО «шумов» по измеряемым координатам значительны.

Задающие воздействия целей описываются моделями первого или второго порядков с некоррелированными приращениями или моделями первого порядка с коррелированными приращениями. Задающие воздействия помехи описываются моделями нулевого ИЛИ первого порядка с некоррелированными приращениями, или нулевого порядка с коррелированными приращениями.

Виды и порядки моделей задающего воздействия целей (кроме вертолётов) и ДМО оказываются различными, за исключением модели первого порядка с некоррелированными приращениями. Однако значения параметров возмущающего воздействия для перекрывающихся моделей оказываются различными: дисперсия случайного маневра целей лежит в диапазоне 0,001…0,5 м²/с⁴, а помеха – в диапазоне 0,01…0,1 м²/с⁴.

Диапазоны значений СКО «шумов» помехи по дальности и азимуту остатков компенсации от облаков гидрометеоров лежат в пределах σ_ρ дмо=50…60 м и σ_β дмо=0,2…0,72°.

Характеристики радиолокатора

Диспетчерский радиолокатор диапазона L обеспечивает выполнение следующих функций:

Техническими особенностями радиолокатора являются:

Структурная схема радиолокатора приведена на рисунке 3.

Прибор ПРД-ПРМ формирует последовательность зондирующих импульсов, представляющих собой пачку из 16 импульсов на каждом угловом направлении антенны (через 0,45°). Пачка состоит из двух подпачек, включающих 8 зондирований на частоте f₁ и 8 зондирований на частоте f₂. Каждое зондирование состоит из двух импульсов, длительностью τ₁ =1 мкс, τ₂ =64 мкс. Импульс τ₁ имеет моночастотное заполнение, импульс τ₂ нелинейно-частотно модулирован. Импульсы подпачек вобулируют со средним периодом повторения 760 мкс.

Приборы АС формируют требуемое амплитудно-фазовое распределение возбуждения излучаемой ФАР. Сканирование лучом в горизонтальной плоскости производится с шагом 0,45°. Входящие в состав приборов АС приёмо-передающие модули усиливают питающие сигналы до уровня мощности 250–300 Вт. Одновременно включены 40 излучателей, т.е. суммарная мощность излучаемого сигнала составляет 10–12 кВт. Отражённые от цели сигналы с выхода излучателей усиливаются малошумящими усилителями с коэффициентом шума F<1,3 дБ, входящими в состав приёмо-передающего модуля, и далее поступают на прибор ПРД-ПРМ.

Сигналы промежуточной частоты в приборе ПТУК-ДРЛ подвергаются аналого-цифровому преобразованию и поступают на фильтр сжатия. Используемый закон нелинейной частотной модуляции и обработка в фильтре сжатия с 320 весовыми коэффициентами позволяет получить уровень боковых лепестков не более –52 дБ при f_D=0 и не более –40 дБ при f_D=5 кГц, при коэффициенте сжатия равном 64.

После сжатия производится адаптивная селекция движущихся целей, выполненная на основе решётчатого фильтра. Селекция движущихся целей обеспечивает следующие характеристики: коэффициент подавления ≥50 дБ; коэффициент подпомеховой видимости ≥40 дБ для нефлуктуирующей цели и ≥26 дБ для флуктуирующей цели. При используемом законе вобуляции неравномерность скоростной характеристики не превышает 5 дБ при скоростях до 2000 км/ч.

Межобзорная обработка производится с использованием многогипотезного дискретного следящего измерителя на основе сочетания фильтров Калмана, отличающихся видами моделей входного воздействия – IMM-фильтра. Межобзорная обработка обеспечивает следующие характеристики: максимальное время принятия решения о траектории не превышает 4 обзора, максимальная скорость цели до 2000 км/ч, максимальное число целей до 50, количество ложных трасс не более 5. Управление режимами работы, контроль технического состояния, техническое обслуживание радиолокатора производится с помощью местного терминала и консоли. Зона действия радиолокатора приведена на рисунке 4.

Элементная база и конструктивное исполнение

В системе применены следующие компоненты.

Литература