2.4 Система автоматического сопровождения цели РЛС
Радиолокационная станция (РЛС) сопровождения предназначена для автоматического измерения составляющих угла отклонения линии визирования в системе координат 0 Xс Yс Zс, связанной с летательным аппаратом (рис. 2.13, а). Антенна РЛС устанавливается в карданном подвесе, наружная рамка которого вращается в горизонтальной, а внутренняя – в вертикальной плоскостях (рис. 2.13, б). С антенной связана система координат 0 XА YА ZА, ось 0 XА которой нормальна к плоскости внутренней рамки карданного подвеса и совпадает с продольной осью антенны. Для измерения углов отклонения линии визирования в горизонтальной jy и вертикальной jz плоскостях на рамках карданного подвеса устанавливаются аналоговые или цифровые датчики.
Современные РЛС строятся как моноимпульсные системы, в которых измерение угловых координат сопровождаемой цели осуществляется по одному отраженному от цели импульсу. РЛС – многоканальное устройство, два канала требуется для измерения составляющей угла отклонения линии визирования в горизонтальной плоскости и два – для измерения в вертикальной плоскости. Для этого в антенне РЛС формируются две остронаправленные перекрещивающиеся диаграммы направленности (рис. 2.14, а).
Рис. 2.13 - Диаграмма направленности углов отклонения линии
визирования (а) и схема карданного подвеса антенны РЛС (б)
Диаграммы направленности разнесены относительно равносигнального направления (РСН) на постоянный угол q0. Если линия визирования отклонена от РСН на угол e, который является сигналом рассогласования в системе автосопровождения, то сигналы, принятые по диаграммам направленности, будут различными: сигнал E1, принятый по верхней диаграмме направленности, будет больше сигнала E2, принятого по нижней диаграмме:
(2.18)
где E0 – сигнал, принимаемый по РСН; kА – постоянный коэффициент.
Рис. 2.14 - Диаграмма направленности (а) и пеленгационная
характеристика РЛС (б)
Разность амплитуд принятых сигналов
(2.19)
пропорциональна углу отклонения линии визирования от РСН. Для того чтобы исключить влияние на измерение напряжения, пропорционального углу отклонения e от абсолютных значений принимаемых сигналов E1 и E2, разностный сигнал (2.19) нормируется суммарным сигналом:
(2.20)
В этом случае отношение амплитуды разностного сигнала (2.19) к амплитуде определенной формулой (2.20) можно будет записать в виде
(2.21)
и пропорционально углу отклонения линии визирования от РСН. Зависимость (2.21) называют пеленгационной характеристикой (рис. 2.14, б). Эта характеристика определяет коэффициент передачи приемника РЛС, допустимый диапазон угла рассогласования от РСН. Реализация соотношения (2.21) в моноимпульсном приемнике системы автосопровождения (рис. 2.15) обеспечивается использованием системы АРУ. Суммарный сигнал (2.20) является также опорным сигналом для фазового детектора системы автосопровождения, напряжение на выходе которого будет
, (2.22)
где kфд – коэффициент передачи фазового детектора.
Рис. 2.15 - Функциональная схема моноимпульсного приемника
системы автосопровождения РЛС
Структурная схема системы автосопровождения РЛС (рис. 2.16, а). Из схемы видно, что напряжение с приемника (П) через корректирующее устройство (КУ) подается на усилитель мощности (УМ), на который поступает и сигнал со схемы местной обратной связи (МОС). Усилитель мощности вводится для обеспечения нормальной работы электрического двигателя (ЭД), который через редуктор (Р) поворачивает антенну (А) в направление уменьшения сигнала рассогласования, не превышающего в режиме сопровождения цели допустимого значения. С помощью КУ, включенного после фазового детектора приемника и МОС, обеспечивается устойчивость и необходимые динамические свойства системы автосопровождения цели РЛС.
Рис. 2.16 - Структурная схема системы автоматического
сопровождения РЛС (а) и отсчет угла (б)
Система автосопровождения работает в условиях действия возмущающих воздействий. Основными из них являются следующие: флуктуация отраженного от цели радиолокационного сигнала; угловой шум, обусловленный перемещением по цели центра отражения сигнала (блуждание блестящей точки); шум первых каскадов приемника. Эти возмущающие воздействия снижают точность работы системы и учтены в модели системы в виде возмущающего воздействия n(t). Регулируемым параметром в системе автосопровождения цели является угол отклонения оси антенны РЛС jА от продольной оси летательного аппарата 0 Xc, а управляющим воздействием (входным сигналом) – угол отклонения линии визирования jц. Объект управления – антенна РЛС, состояние которой (угол отклонения и его производные) должно изменяться так, чтобы продольная ось антенны с необходимой точностью была направлена на сопровождаемую цель, а производные от ее угла отклонения не превышали допустимых значений.
2.5 Система измерения дальности РЛС
Система измерения дальности (дальномер) РЛС предназначена для измерения дальности до выбранной цели, информация о которой используется в счетно-решающих устройствах систем наведения летательных аппаратов, навигационных комплексах и др.
Принцип работы дальномера базируется на измерении сдвига между зондирующими импульсами, следуемыми через интервал времени T, и импульсами, отраженными от цели. Отраженные от цели импульсы искажены шумами, поэтому непосредственное измерение дальности по времени задержки связано с большими ошибками. Для повышения точности измерения в дальномере формируются следящие импульсы, временное положение которых относительно зондирующих импульсов оказывается пропорциональным дальности до цели и незначительно зависит от шумов.
Функциональная схема дальномера (рис. 2.17) содержит временной дискриминатор (ВД), экстраполятор, фильтр нижних частот, временной модулятор (ВМ) и генератор импульсов (ГИ).
Рис. 2.17 - Функциональная схема дальномера импульсной РЛС
В режиме измерения дальности отраженный от цели импульс (ОИ) через приемник поступает на первый вход ВД, на второй вход ВД с ГИ подаются два следующих друг за другом следящих импульса. Во временном дискриминаторе вырабатывается напряжение, пропорциональное рассогласованию временного положения отраженного импульса относительно оси симметрии следящих импульсов:
, (2.23)
где D t – рассогласование по времени между отраженным и следящими импульсами; tR = 2 R/c – время задержки отраженного импульса относительно зондирующего; tи – время задержки следящих импульсов; R – измеряемая дальность; c – скорость света.
Если временное рассогласование D t не равно нулю, то во временном дискриминаторе вырабатываются два импульса, длительности которых определяются
(2.24)
Импульсы эпюры напряжений ВД приведены на рис. 2.18, длительностями t1 и t2 детектируются, разность полученных напряжений является выходным напряжением временного дискриминатора uд. На каждом периоде измерения дальности напряжение с выхода временного дискриминатора фиксируется экстраполятором и сбрасывается до нуля перед приходом следующей пары импульсов. Напряжение с Э через ФНЧ подается на временной модулятор, который зондирующим импульсом (ЗИ), задержанным на время, пропорциональное сигналу с ФНЧ, запускает ГИ, который формирует два следящих импульса. Таким образом, образуется замкнутый контур, в котором рассогласование сводится к минимальному значению, определяющему ошибку измерения дальности. Для повышения точности работы в ФНЧ дальномера включают интегратор, при этом рассогласование D t при измерении постоянного значения дальности сводится к нулю, а напряжение на выходе ФНЧ в установившемся режиме пропорционально измеряемой дальности
|
|
где kВМ – коэффициент передачи временного модулятора.
Рис. 2.18 - Эпюры напряжений временного дискриминатора
Для повышения точности измерения дальности включают два интегратора. В такой системе ошибка измерения дальности при измерении расстоянии до цели по линейному закону равна нулю. При этом следует знать, что информация об измеряемой дальности может быть получена в дискретные моменты времени, отстоящие на период повторения, поэтому рассмотренный дальномер относится к классу импульсных систем РА (рис. 2.19).
Рис. 2.19 - Структурная схема дальномера
Для обеспечения работы в импульсном режиме в структурную схему дальномера включен дискретизатор (ключ). Звено с характеристикой F(e) соответствует временному дискриминатору (вид этой характеристики зависит от отношения сигнал/шум и длительности импульсов); n(t) – случайная помеха, ухудшающая качество работы дальномера.
2.6 Обобщенная структурная схема систем радиоавтоматики
Анализируя все рассмотренные структурные схемы систем радиоавтоматики, можно отметить их сходство. Аналогия структурных схем систем позволяет составить обобщенную структурную схему систем РА (рис. 2.20). На структурной схеме приняты следующие обозначения: x(t) – входной сигнал или управляющее воздействие (угол поворота линии визирования в системе автоматического сопровождения цели РЛС, частота эталонного генератора в системе в систем ФАПЧ и т.п.); y(t) – выходной сигнал или регулируемый параметр (угол поворота антенны РЛС, частота перестраиваемого генератора); e(t) – сигнал рассогласования, или сигнал ошибки. Работа систем РА происходит в условиях действия различных помех. На обобщенной структурной схеме учитывается влияние помех введением возмущающего воздействия n(t). Это воздействие может состоять их нескольких составляющих, например, в системе автоматического сопровождения цели РЛС оно состоит из флуктуаций отраженного от цели сигнала, воздействия, возникающего из-за перемещения центра отражения радиолокационного сигнала от поверхности цели, шумов первых каскадов электронных приборов приемника и т.д. Возмущающее воздействие g(t) поступает на объект управления системы РА. Это воздействие обусловлено в основном изменением условий окружающей среды (температуры, давления, влажности и т.п.) и флуктуациями источников питания.
Рис. 2.20 - Обобщенная структурная схема системы РА
Одним из известных недостатков непрерывных систем РА является дрейф нуля их регулировочных характеристик. В обобщенной структурной схеме влияние дрейфа нуля учитывается сигналом сдвига x(t), например, в системах автоматического сопровождения цели РЛС сигнал x(t) учитывает дрейф нуля пеленгационной характеристики.
Функциональные устройства (ФУ) систем РА, указанные в обобщенной структурной схеме, включают устройства измерения сигнала ошибки, исполнительные и корректирующие устройства, предназначенные для создания необходимых динамических характеристик (например, фильтр нижних частот). ОУ – объект управления (антенна РЛС, перестраиваемый генератор в системе ФАПЧ и т.д.), F(e) – дискриминатор, который имеет нелинейную характеристику. При малых сигналах ошибки амплитудная характеристика дискриминатора может быть линейной:
. (2.26)
Форма дискриминационной характеристики зависит от амплитуды сигнала ошибки, что приводит к нежелательным изменениям динамических характеристик систем РА. Для исключения такой зависимости проводится нормировка сигнала по амплитуде, что достигается введением АРУ или ограничителя.
Иногда в системах радиоуправления радиотехнических устройств встречаются системы, структурные схемы которых отличаются от их рассмотренной обобщенной схемы, например, системы автоматического сопровождения бортовых РЛС. Они выполняются как комплексные системы, в которых для повышения точности имеется дополнительный канал. Однако в этих случаях введенная обобщенная структурная схема РА является основой для анализа ее качественных и количественных характеристик.