Способ динамической юстировки антенной решётки с электронным сканированием корабельной радиолокационной станции
Изобретение относится к области радиолокации для юстировки антенных решёток (АР). Техническим результатом является динамическая юстировка АР с электронным сканированием корабельной радиолокационной станции (РЛС) в условиях морского волнения. Предложено: на удалении от корабля на неподвижном основании устанавливается источник излучения (ИИ), работающий на частоте РЛС, которая работает на приём, а с использованием навигационной аппаратуры потребителя определяют геодезические координаты ИИ; на корабле с использованием бортовой инерциальной навигационной системы (БИНС), измеряют геодезические координаты корабля: текущие долгота, широта и высота над эллипсоидом центральной контрольной площадки корабля (ЦКП), а также координаты его положения: углы курса, дифферента и крена; во время юстировки корабль разворачивается по отношению к ИИ, так, что направление на ИИ поочерёдно проходит по курсовому углу сектор обзора юстируемой АР. Главный лепесток диаграммы направленности юстируемой АР должен сопровождать направление на ИИ при его нахождении в секторе обзора АР; в ходе разворота делаются одновременные измерения всех перечисленных координат корабля с помощью БИНС и азимута и угла места ИИ в АСК юстируемой АР; по данным каждого набора одновременных измерений вычисляются прямоугольные координаты радиус-вектора ИИ в полусвязанной системе координат (ПСК), привязанной к ЦКП. Координаты пересчитываются в ССК1 как ССК, центр которой перенесён из ЦКП в центр АСК юстируемой АР; по радиолокационным измерениям азимута и угла места ИИ в АСК АР из этого же набора и исходя из длины радиус-вектора ИИ в ССК1 вычисляются прямоугольные координаты радиус-вектора ИИ в АСК; искомые три угла установки юстируемой АР на корабле, входящие в систему уравнений связи прямоугольных координат ИИ в АСК и в ССК1, определяются путём применения пошаговых приближённых методов вычислений по парам наборов с последующим усреднением или методов нелинейной фильтрации. 2 ил.
Изобретение относится к области корабельной радиолокации.
Сущность изобретения – динамическая юстировка антенной решётки (АР) с электронным сканированием корабельной радиолокационной станции (РЛС) как определение трёх углов установки АР на корабле: азимута, угла места и угла скручивания электрической оси АР в связанной системе координат (ССК по ГОСТ 20058-80) в условиях морского волнения.
Указанная цель достигается следующим образом (рис.1):
на достаточном, с точки зрения точности юстировки, удалении от корабля устанавливается источник излучения (ИИ), работающий на частоте РЛС, и точно определяются его геодезические координаты;
во время юстировки разворот корабля по отношению к ИИ меняется любым доступным способом во всём секторе сканирования АР по курсовому углу;
с использованием бортовой инерциальной навигационной системы, принимающей сигналы навигационных спутников, постоянно измеряются текущие навигационные данные корабля (геодезические координаты центра масс корабля (ЦМК), а также углы его положения: курс, дифферент и крен);
по сигналам ИИ, принимаемым АР, измеряются текущие азимут и угол места ИИ в системе координат АР (АСК), по которым с использованием прямоугольных координат центра АР (начала отсчёта АСК) в ССК (начало отсчёта – в ЦМК), геодезических координат ИИ и текущих навигационных данных корабля вычисляется текущая дальность ИИ из центра АР и определяются текущие прямоугольные координаты ИИ в АСК;
по геодезическим координатам ИИ и текущим геодезическим координатам ЦМК вычисляются текущие прямоугольные координаты радиус-вектора ИИ в невращающейся полусвязанной СК с началом в ЦМК, которые затем пересчитываются в ССК1 (ССК с началом, смещённым из ЦМК в центр АР) с использованием углов положения корабля и прямоугольных координат центра АР в ССК;
искомые три угла установки АР на корабле, нелинейно входящие в систему уравнений связи прямоугольных координат ИИ в АСК и в ССК1 определяются по всей совокупности измерений подходящим вычислительным методом.
Способ может быть использован для юстировки электрической оси любых АР, жёстко установленных на подвижных носителях, при повышенных требованиях к точности установки луча АР. Применим для юстировки корабельной РЛС, имеющей в своём составе несколько одновременно работающих АР.
Большинство известных способов юстировки антенн [1, 2] предполагает неподвижность юстируемой антенны. Обеспечение этого требования для корабельной АР требует обездвиживания корабля и поэтому связано со многими трудностями. Корабельные РЛС с высокоточной установкой луча АР должны проходить регулярные поверки, потому что неучтённое угловое изменение положения АР на корабле в ходе его эксплуатации даже на несколько угловых минут может быть неприемлемым. Поэтому основное требование к креплению АР – прочность в предположении, что ошибки по углам установки электрической оси АР могут быть отдельно измерены и учтены. Следовательно, способ юстировки АР должен позволять проводить её в любом месте нахождения корабля и не требовать дорогостоящего дополнительного оборудования.
Ошибки по углам установки АР являются важными составляющими систематических ошибок измерения углов объектов. В отличие от систематических ошибок, обусловленных погрешностями амплитудно-фазового распределения на АР и существенно различных для разных направлений, ошибки по трём углам установки параметрически входят в уравнения пересчёта координат объекта из АСК в невращающуюся полусвязанную СК корабля и, будучи измеренными, могут быть легко математически учтены.
Наиболее близким по совокупности признаков способом юстировки антенны РЛС является изложенный в описании патента RU2527939 [3]. В нём высокая точность проведения юстировки антенны РЛС основывается на знании координат юстируемой антенны и отражающего объекта с использованием сигналов навигационных спутников (ошибки в единицы метров). Угловые поправки определяются на основе сравнения координат положения объекта, полученных двумя путями: измерением и вычислением. Воплощение этого способа юстировки предполагает использование летающего объекта с установленным на нём спутниковым навигатором, а также радиопередатчиком, с помощью которого к РЛС от воздушного объекта могли бы передаваться данные его текущего местоположения. Объект должен иметь достаточную ЭПР, чтобы на расстоянии в несколько километров случайная ошибка измерения его угловых координат с помощью РЛС была малой. Как указывается в [4]: «проведение измерений облетным методом при помощи пилотируемой летательной техники связаны с большими организационно-техническими сложностями проведения эксперимента… Низкий уровень автоматизации обработки результатов делали облётный метод одним из самых дорогих и технически сложных». Способ юстировки, изложенный в описании патента RU2527939, указывает действия по определению ошибок по азимуту и по аналогии может быть применён для определения ошибок по углу места, но не касается определения угла скручивания антенны.
Предлагаемый способ такой же точный, как облётный, но более простой и дешёвый применительно к задаче юстировки корабельной РЛС. Способ не требует: управляемого летающего объекта, текущего измерения навигационных данных на нём, передачи их по радиосвязи к РЛС. Единственным дополнительным оборудованием предлагаемого способа является ИИ, работающий на частоте РЛС, который нужно неподвижно установить на расстоянии, обеспечивающем малость ошибок местоопределения по навигационным спутникам по сравнению с допустимыми ошибками измерения углов юстируемой РЛС, и с наименьшим подъёмом над уровнем моря, чтобы обеспечить минимальное влияние многопутевого распространения радиоволн на точность измерения угла места вследствие отражений от водной поверхности. При использовании ИИ проще обеспечить более высокий уровень принимаемого сигнала, по которому РЛС определяет угловые координаты объекта, и, следовательно, более высокую точность измерения, чем при активной радиолокации. Высокоточное определение навигационных данных корабля производится с использованием штатного бортового навигационного оборудования. Наличие данных о положении корабля, учитываемых при расчётах, не требует мер по его обездвиживанию и позволяет выполнять юстировку корабельной РЛС в условиях морского волнения. Корабль должен находиться вблизи участка суши, подходящего для установки на нём ИИ. Во время юстировки должен быть предусмотрен разворот корабля: своим ходом по кругу, с помощью тянущего или толкающего буксира или иным способом. В ходе разворота корабля направление на ИИ должно проходить весь диапазон сканирования АР по курсовому углу, а РЛС должна находиться в пределах главного лепестка антенны ИИ.
Вычисление углов установки АР на корабле (азимута, угла места и угла скручивания нормали АР в ССК) опирается на следующее. На основании описанных выше измерений и пересчётов координат имеется два набора прямоугольных координат ИИ: 1) в ССК1 (ССК, начало отсчёта которой перенесено из ЦМК в начало отсчёта АСК), 2) и в АСК. Пересчёт первых координат во вторые производится путём умножения на матрицу поворота АР из исходного положения в конечное.
.
В исходном положении АР начало отсчёта АСК, связанной с АР, определено прямоугольными координатами в ССК, а направления осей АСК совпадают с направлениями одноимённых осей ССК1. Для перевода АР в конечное положение выполняются три последовательных поворота (рис.2): на угол азимута (
), угол места (
) и угол скручивания (
), которые математически подобны трём последовательным поворотам на углы рыскания, тангажа и крена по ГОСТ 20058-80. Матрица 
вычисляется, согласно п.1.1 Приложения 2 указанного ГОСТ [5]:
.
Путь вычисления углов установки АР на корабле состоит в решении системы уравнений, связывающих имеющиеся прямоугольные координаты ИИ в ССК1 и АСК через матрицу пересчёта , относительно углов , и , нелинейно входящих параметрами в элементы матрицы. Но задача определения этих трёх углов из данной системы трёх нелинейных уравнений имеет бесконечное множество решений, т.к. задание направления на ИИ имеет две угловые степени свободы, а положение АР имеет три угловые степени свободы. Это означает, что требуется, по меньше мере, ещё одна пара прямоугольных координат ИИ (в ССК1 и в АСК), полученная для отличающегося по курсу положения корабля по отношению к ИИ. Для достижения наибольшей точности при усреднении в условиях ошибок установки главного луча ДН АР с электронным сканированием и влияния элементов корпуса корабля нужно сделать много измерений при различных курсах корабля, а затем по всей совокупности данных определить искомые углы установки АР на корабле.
Источники информации
1. Захарьев Л.Н., Леманский А.А., Турчин В.И. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под редакцией Н.М.Цейтлина. – М., Радио и связь, 1985, 114 с.
2. Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В. и др. Радиолокационные устройства. – М., Советское радио, 1970, 27 с.
3. Савватеев В.С., Сухов В.В. ОАО «ГСКБ "Алмаз-Антей"». Способ юстировки радиолокационных станций. Патент № 2527939 РФ, МПК G01S 7/40 (2006.01); заявл. 15.11.2012; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. (URL: http://www.freepatent.ru/patents/2527939 – дата обращения 10.07.2021).
4. Просвиркин И.А. Облётный метод измерения диаграмм направленности крупноапертурных антенн с использованием беспилотного летательного аппарата и системы ГЛОНАСС / Автореферат диссертации на соискание уч.ст. к.т.н. 2019. (URL: https://www.dissercat.com/content/obletnyi-metod-izmereniya-diagramm-napravlennosti-krupnoaperturnykh-antenn-s-ispolzovaniem – дата обращения 10.07.2021).
5. ГОСТ 20058-80 Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. (URL: https://docs.cntd.ru/document/1200009362 – дата обращения 10.07.2021).
Способ динамической юстировки неподвижно закреплённой антенной решётки (АР) корабельной радиолокационной станции (РЛС) или каждой из нескольких одновременно работающих АР в составе корабельной РЛС кругового обзора как определение трёх углов установки юстируемой АР на корабле: азимута, угла места и угла скручивания электрической оси АР в связанной системе координат (ССК), заключающийся в измерении широты, долготы и высоты положения источника излучения (ИИ), работающего на частоте РЛС, одновременном измерении широты, долготы и высоты центральной контрольной площадки корабля (ЦКП), углов курса, дифферента и крена корабля и азимута и угла места ИИ в антенной системе координат (АСК) юстируемой АР, отличающийся тем, что ИИ устанавливается неподвижно со снижением влияния многолучевого распространения сигналов в направлении РЛС, РЛС работает на приём, корабль разворачивается так, что направление на ИИ проходит по курсовому углу сектор обзора юстируемой АР, в ходе разворота получаются последовательные наборы одновременных измерений всех перечисленных координат корабля и азимута и угла места ИИ в АСК АР, прямоугольные координаты ИИ, полученные для каждого набора широты, долготы и высоты ИИ и широты, долготы и высоты корабля, пересчитываются из полусвязанной системы координат с началом отсчёта в ЦКП в ССК1 как ССК, перенесённую в начало отсчёта АСК АР, по значениям азимута и угла места ИИ в АСК из этого же набора одновременных измерений и исходя из радиус-вектора ИИ в ССК1 вычисляются прямоугольные координаты ИИ в АСК, пошаговыми математическими методами вычисляются значения трёх углов установки АР на корабле, такие, которые наилучшим образом приближают выражения связи между прямоугольными координатами ИИ в ССК1 и в АСК АР, нелинейно содержащие углы установки в качестве параметров, к верным равенствам сразу для всех наборов одновременных измерений перечисленных координат корабля и азимута и угла места ИИ в АСК юстируемой АР.
