Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию Рекоменд

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский университет)»

филиал «Взлет»

Экз №______

Нестеров С. В..

Радионавигационные системы

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию

Рекомендовано к использованию

на заседании кафедры А – 21

(протокол №_____от__________2012 г.)

Ахтубинск 2012 г.

Введение

Настоящее методическое пособие предназначено для оказания помощи студентам при выполнении курсовой работы по дисциплине «Радионавигационные системы». Оно может быть использовано при дипломном проектировании при расчете тактико-технических характеристик радионавигационных систем (РНС).

Расчеты, выполненные по приведенным методикам, носят ориентировочный характер и могут уточняться при расширении базы исходных данных по курсовому (дипломному) проектированию.

В результате выполнения курсовой работы студент должен оформить отчёт, который выполняется в печатном или рукописном виде.

Отчет по курсовой работе должен содержать:

— титульный лист в соответствии с формой, принятой в МАИ;

— бланк задания, подписанный преподавателем;

— основные теоретические сведения о разрабатываемом устройстве;

— результаты вычислений технических характеристик,

— структурную схему разрабатываемого устройства и её описание.

1 Исходные данные по проектированию

При проектировании РНС используются следующие исходные данные:

тип РНС – активная, пассивная, моноимпульсная или когерентная со сложным (широкополосным) зондирующим сигналом;

размеры антенной системы РЛС в плоскости азимута dα и угла места dβ;

максимальная дальность действия РЛС при обнаружении с характеристиками обнаружения Рпо (вероятность правильного обнаружения), Рлт (вероятность ложной тревоги) воздушной цели средней эффективной площади отражения цели EMBED Microsoft Equation 3.0 – не менее Дmax;

разрешающая способность по дальности – не хуже δД;

разрешающая способность по азимуту– не хуже δα;

разрешающая способность по углу места — не хуже δβ;

среднеквадратическая погрешность измерения дальности – не более σД;

среднеквадратическая погрешность измерения угловых координат (азимута и угла места) – не более σα = σβ;

среднеквадратическая погрешность измерения скорости цели – не более σv;

размеры зон обзора по азимуту и углу места относительно продольной оси ±θα и ±θβ соответственно;

период обзора заданного воздушного пространства – не более Т0.;

другие параметры, необходимые для расчета характеристик РНС.

Отдельные параметры могут не задаваться в зависимости от типа РНС.

Пример 1. Исходные данные для проектирования угломерной РНС на основе аплитудного метода измерения дальности:

тип РНС – угломерная, пассивная;

вид принимаемого сигнала –непрерывный, амплитудномодулированный;

максимальная дальность обнаружения сигнала курсового радиомаяка средней мощностью 25 Вт и коэффициентом направленного действия антенны 20 дБ при вероятности правильного обнаружения не менее 0,96 и вероятности ложной тревоги не более 10-3 – не менее 50 км;

разрешающая способность по курсу – не хуже 0,25º;

размеры рабочей зоны по курсу — ±45º относительно продольной оси ЛА;

максимальные допустимые размеры антенной системы, размещаемой в пределах фюзеляжа ЛА: по вертикали – не более 1 м, по горизонтали – не более 0,9 м;

метеоусловия — любые.

2 Основные теоретические сведения о разрабатываемом РНС

Основные теоретические сведения о разрабатываемом РНС излагаются в соответствии с материалом, приведённым в учебной и технической литературе [1-6].

Пример 2. Описание принципа работы РЛС кругового обзора

В РЛС кругового обзора для определения координат объекта используется комбинированный угломерно-дальномерный метод. Постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн позволяют рассчитать дальность D от РЛС до объекта наблюдения путем измерения времени прохождения сигнала от РЛС до объекта и обратно

D = EMBED Microsoft Equation 3.0 ,

где τ – время прохождения сигнала,

с – скорость распространения сигнала.

В зависимости от назначения РЛС измеряют наклонную дальность D, азимут α и угол места β (рис. 1) или только первые два параметра.

Рис. 1 Координаты объекта в т. Ц относительно РЛС в т. О

Поверхностью положения при дальномерном методе является поверхность шара радиусом D. Линией положения в горизонтальной плоскости на поверхности Земли будет окружность радиусом D с центром в месте расположения РЛС.

Азимутом называется истинный пеленг, т. е. угол между проекцией направления на объект на поверхности Земли и меридианом. Поверхностью положения точек с одинаковым азимутом является вертикальная полуплоскость, исходящая из места расположения РЛС в направлении прихода отраженного сигнала. Линия положения в горизонтальной плоскости на поверхности Земли — луч.

Углом места называют угол между направлением на объект и горизонтальной плоскостью (поверхностью Земли). Поверхностью положения точек с одинаковым углом места является боковая поверхность конуса с вершиной в месте расположения РЛС, вертикальной осью и углом между образующей конуса и осью, дополняющим угол места до прямого угла. Линией положения в вертикальной плоскости (полуплоскости) будет луч.

Таким образом, при комбинированном угломерно-дальномерном методе координаты объекта определяются: в пространстве пересечением поверхности положения (сферы) и линии положения (луча), на поверхности Земли – пересечением двух линий положения (окружности и луча).

В РЛС кругового обзора применяются антенны с диаграммой направленности, узкой (единицы градусов) в горизонтальной плоскости и довольно широкой (десятки градусов) в вертикальной (рис. 2).

EMBED PBrush

а)

EMBED PBrush

б)

Рис. 2 Диаграммы направленности антенны РЛС кругового обзора в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях в полярных координатах

Такие РЛС являются двухкоординатными, в них измеряются наклонная дальность (проецируемая как дальность на поверхности Земли) и азимут. Методическая ошибка, связанная с тем, что наклонная дальность принимается за свою проекцию на поверхность Земли, не превышает инструментальной, связанной с точностью определения дальности по экрану ИКО.

Зона действия двухкоординатных РЛС кругового обзора ограничена максимальной и минимальной дальностями обнаружения целей и шириной ДНА в вертикальной плоскости. По азимуту ДНА вращается с постоянной скоростью, осуществляя за время одного оборота Та круговой обзор. Принятые отраженные сигналы воспроизводятся на экране ИКО в виде отметок цели (рис. 3, поз. 1), координаты целей определяются с помощью масштабных меток дальности (рис. 3, поз. 2) и азимута (рис. 3, поз. 3).

Устройством, обеспечивающим согласованную во времени работу всех элементов РЛС, является синхронизатор (рис. 4). В состав синхронизатора входят высокостабильный опорный генератор (ОГ) и формирователь импульсов синхронизации (ФИС), создающие необходимой длительности и частоты повторения импульсы синхронизации (рис. 4, поз. 1; рис. 5, эп. 1) работы модулятора (М), радиальной развертки (РР) и формирователя масштабных меток (МД). Импульсы модулятора (М) (рис. 4, поз. 2; рис. 5, эп. 2) определяют длительность τи и частоту повторения высокочастотных импульсов (рис. 4, поз. 3; рис. 5, эп. 3), генерируемых генератором высоких частот (ГВЧ). Через антенный переключатель (АП) эти импульсы поступают на антенну (А) и излучаются ею в направлении цели. По окончании излучения импульса и восстановления чувствительности приемного тракта РЛС готова к приему отраженных сигналов с помощью той же антенны [2, 3].

Рис. 3 Вид индикатора кругового обзора

Рис. 4 Структурная схема РЛС кругового обзора

Рис. 5 Эпюры сигналов РЛС

Принятый радиосигнал (рис. 4, поз. 4; рис. 5, эп. 4) проходит через усилитель высокой частоты (УВЧ) приемника в смеситель (См), на который также поступает сигнал гетеродина (Гет), управляемого устройством автоматической подстройки частоты (АПЧ), и далее через усилитель промежуточной частоты (УПЧ) на детектор (Дет). В виде видеоимпульса (рис. 4, поз. 5; рис. 5, эп. 5), усиленного видеоусилителем (ВУ), сигнал поступает на модулирующий электрод электроннолучевой трубки (ЭЛТ). Сигналы радиальной развертки (рис. 4, поз. 6; рис. 5, эп. 6) формируются по приходу импульса синхронизации. Длительность развертки, включая время обратного хода, не должна превосходить период повторения зондирующих импульсов. Синхронное вращение линии развертки с вращением ДНА достигается соответствующей модуляцией тока в отклоняющих катушках блока азимутальной развертки (РА), управляемого напряжением от датчика положения антенны (ДПА). Сигнал от датчика положения антенны поступает также на формирователь азимутальных меток (МА).

Отображаемые на ИКО метки дальности (рис. 4, поз. 7; рис. 5, эп. 7) синхронизованы с импульсом синхронизации. Расстояние между метками дальности определяется периодом повторения импульсов масштаба, формируемых схемой меток.

Отраженный от цели сигнал после усиления и детектирования модулирует луч ЭЛТ по яркости, подсвечивая точку развертки, соответствующую положению цели. Отраженные сигналы будут приниматься, пока цель остается в пределах ширины ДНА по азимуту.

Максимальная дальность действия РЛС Dмакс связана с периодом повторения импульсов ТП соотношением

Dмакс < EMBED Microsoft Equation 3.0 .

В противном случае отраженный импульс от цели, находящейся на максимальной дальности, придет позже, чем излучится следующий прямой импульс, и отметка от этой цели будет в области малых дальностей.

Минимальная дальность действия Dмин связана с длительностью импульса τи и временем восстановления τв приемного тракта

Dмин EMBED Microsoft Equation 3.0 .

Отраженные импульсы, приходящие от объектов, расположенных в пределах Dмин, сливаются с зондирующим импульсом, различение этих сигналов не обеспечивается.

3 Расчёт технических характеристик

Технические характеристики РНС рассчитываются по исходным данным с использованием справочных материалов [5-11]. Для расчёта могут быть заданы следующие характеристики:

рабочая (несущая) частота сигнала и соответствующая ей длина волны электромагнитного излучения f00);

вид внутриимпульсной модуляции сложного (широкополосного) сигнала;

длительность импульса сложного зондирующего сигнала τс и длительность импульса на выходе системы обработки τи;

период (частота) повторения зондирующих импульсов Тп (Fп);

тип и параметры антенной системы: коэффициент направленного действия (КНД) G, коэффициент (КУ) KA, эффективная площадь антенны Sэ;

тип приемного устройства и его параметры: чувствительность Рпр.min, ширина полосы пропускания Δfпр, коэффициент шума (шумовая температура) Kш.прпр);

суммарные потери в тракте обработки сигналов αп;

суммарные потери в среде распространения ЭМВ δп;

параметры обзора: время облучения воздушной цели Тобл, требуемое число накапливаемых импульсов Nи при заданных размерах зон обзора 2θα и 2θβ и периоде обзора Т0, рассчитанной ширине ДНА по азимуту EMBED Microsoft Equation 3.0 и углу места EMBED Microsoft Equation 3.0 ;

импульсная (средняя) мощность передатчика РЛС Риср).

По результатам расчетов выполняется анализ по возможности реализации технических характеристик РЛС, а также выбор и составление структурной схемы РЛС.

3.1 Определение длины волны (частоты сигнала)

Рабочая длина волны λ0 и рабочая (несущая) частота f0 электромаг-нитных колебаний связаны известным соотношением [1, 2]

EMBED Microsoft Equation 3.0 ,(1)

где для инженерных расчетов принимается с = 3∙108 м∙с-1 – скорость распространения ЭМВ.

При ограничении размеров апертуры антенной системы длина волны ЭМВ выбирается исходя из следующих условий [1 – 4]:

обеспечения заданной разрешающей способности по азимуту δα и углу места δβ,

обеспечения заданной зоны излучения или приёма сигнала по азимуту δα и углу места δβ,

обеспечения заданной точности измерения угла азимута точечного объекта σα и угла места σβ,

обеспечения разделения сигналаов несущей и модулирующих частот в радиоприёмном устройстве РНС,

соответствия рабочей длины волны рекомендованному Международным консультативным комитетом по радио (МККР) распределению частот между радиослужбами.

Реальная разрешающая способность по азимуту δα и углу места δβ определяется шириной диаграммы направленности антенны (ДНА) по уровню половинной мощности EMBED Microsoft Equation 3.0 и EMBED Microsoft Equation 3.0 [1 – 5]

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 (2)

где γα и γβ – коэффициенты ухудшения потенциальной разрешающей способ-ности по азимуту (δαпот = EMBED Microsoft Equation 3.0 , δβпот = EMBED Microsoft Equation 3.0 ) в реальных РНС. Для большинства современных антенных систем γα,β ≈ 1,1…1,5.

Ширина ДНА, применяемых РНС антенных систем (зеркальные антенны и решетки излучателей), определяется соотношением длины волны λ0 к размерам апертуры антенны dα в плоскости азимута и dα в плоскости угла места [6]

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 (3)

где Kα и Kβ – коэффициенты, зависящие от типа антенной системы и имеющие значения 1,2…1,5.

Таким образом, для обеспечения заданной разрешающей способности по азимуту длина волны должна удовлетворять условию в соответствии с (2) и (3)

EMBED Microsoft Equation 3.0 и EMBED Microsoft Equation 3.0 ,(4)

а для обеспечения заданной зоны излучения или приёма сигнала по азимуту δα и углу места δβ

EMBED Microsoft Equation 3.0 и EMBED Microsoft Equation 3.0 . (5)

Причём для коэффициентов Kα и Kβ в выражениях (4) необходимо брать максимальные значения, а в выражениях (5) — минимальные.

Пример 3. При заданных разрешающей способности РЛС 3° (0,05 рад) и максимального размера антенны 0,8 м ограничение на длину волны в соответствии с (4) составляет

EMBED Microsoft Equation 3.0 =0,0178 (м)=1,78 (см).

Пример 4. При заданных зоне действия РНС не менее 45° (0,79 рад) и максимального размера антенны 0,8 м ограничение на длину волны в соответствии с (5) составляет

EMBED Microsoft Equation 3.0 =0,49 (м)=49 (см).

Пример 5. При заданной (рассчитанной) частоте девиации частотномо-дулированного сигнала РНС 40 МГц ограничение на несущую частоту излучения для обеспечения разделения в радиоприёмном устройстве сигналов несущей и модулирующих частот составляет

fнес>10 *40=400 (Мгц).

Среднеквадратические погрешности измерения азимута σα и угла места σβ определяются шириной диаграммы направленности по азимуту EMBED Microsoft Equation 3.0 и углу места EMBED Microsoft Equation 3.0 , а также требуемым отношением сигнал/шум (qтр), обеспечиваю-щим заданные характеристики обнаружения Рпо и Рлт [1 – 4]

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 ,(6)

где ηα и ηβ – коэффициенты ухудшения потенциальной точности в реальной РНС. Для современных систем ηα,β = 1,01…1,5.

Требуемое отношение сигнал/шум qтр определяется при условии приема сигнала с неизвестной фазой и медленно флюктуирующей амплитудой по характеристикам обнаружения [3, 7], либо с допустимой точностью по формуле [7]

EMBED Microsoft Equation 3.0 , (7)

где Рлт и Рпо – вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения при-ёмного устройства соответственно.

Пример 6. При заданных вероятностях ложной тревоги и правильного обнаружения сигнала, равных 10-3 и 0,9 соответственно, требуемое отношение сигнал/шум qтр в соответствии с (7) составляет

EMBED Microsoft Equation 3.0 =129.

Тогда для обеспечения заданной точности измерения угла азимута в соответствии с выражениями (3) и (6) длина волны λ должна удовлетворять условиям

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 .(8)

Из рассчитанных в соответствии с (4) и (8) значений длины волны следует выбрать меньшее, чтобы удовлетворить условиям по разрешению и по точности измерения как азимута, так и угла места.

Пример 7. При заданной точности измерения угла в РЛС 1° (0,018 рад) и максимального размера антенны 0,8 м и рассчитанного требуемого отношения сигнал/шум qтр, равного 100, ограничение на длину волны в соответствии с (8) составляет

EMBED Microsoft Equation 3.0 =0,11 (м)=11 (см).

Кроме того, выбранная длина волны должна находиться в пределах рекомендуемых МККР поддиапазонах частот для радиолокационной службы.

Пример 8. При рассчитанном ограничении на длину волны наземной авиационной РНС не менее 30 см ограничение на частоту сигнала в соответствии с (1) составляет не более 1 ГГц, что в сооветствии с [5] определяет диапазон сигнала от 582 до 600 МГц.

3.2 Выбор типа диаграммы направленности антенны радионавигационной системы и расчёт её параметров

В РНС антенны применяются как направленные, так и ненаправленные антенны

Конкретный тип антенны (антенной системы), её диагрммы направленности (ДНА) определяются назначением РНС, длиной волны (частотой) используемого сигнала, требуемыми энергетическими соотношениями, ограничениями по габаритам и массе.

Основные типы направленных антенн могут быть показаны на примере двухкоординатных и трёхкоординатных РЛС обзора воздушного пространства.

В двухкоординатных РЛС обзора воздушного пространства для получения равномерного распределения плотности потока мощности отра-женного сигнала от наклонной дальности применяются антенные системы, формирующие ДНА, форма которой в вертикальной плоскости близка к форме кривой [6]

EMBED Microsoft Equation 3.0 ,

где β0 – угловое положение максимума ДНА. Ширина ДНА по углу места (рис. 6)

EMBED Microsoft Equation 3.0 .

Рис. 6 Форма ДНА в вертикальной (а) и горизонтальной (б) плоскостях

ДНА в вертикальной плоскости формируется в ограниченном секторе углов от β1=3…10° до β2= 60…70°. Конкретное значение углов β1 и β2 определяется диапазоном высот ЛА и заданной максимальной дальностью действия РЛС. При этом должно выполняться условие

EMBED Microsoft Equation 3.0 ,

где ДП.В.– дальность прямой видимости, равная без учета рефракции

ДП.В. = 3,57∙103 EMBED Microsoft Equation 3.0

и с учетом рефракции

ДП.В. = 4,12∙103 EMBED Microsoft Equation 3.0 ,

Н – высота полета ЛА.

Ширина ДНА в горизонтальной плоскости определяется заданной разрешающей способностью по азимуту δα.

В трёхкоординатных РЛС обзора воздушного пространства формиру-ется остронаправленная в обоих плоскостях ДНА «игольчатого» типа, т.е.

EMBED Microsoft Equation 3.0 = EMBED Microsoft Equation 3.0 .

При обнаружении воздушных целей, как правило, осуществляется строчный (растровый) обзор пространства. Геометрия строчного обзора представлена на рис. 7. На рис. 7 обозначено: 1 – линия перемещения максимума ДНА при строчном обзоре; 2 – остронаправленная ДНА «игольчатого» типа; Lα, Lβ – линейные размеры зон обзора по азимуту и углу места; 2θα, 2θβ – угловые размеры зон обзора по азимуту и углу места; ОЦ – ось ДНА.

Рис. 7 Геометрические параметры сектора обзора при строчном обзоре

В данных РЛС чаще всего применяются следующие типы антенных систем:

параболические двухзеркальные антенны с моноимпульсным облучателем при механическом обзоре пространства;

активные фазированные антенные решетки при электрическом или комбинированном (электрическом по азимуту и механическом по углу места) обзоре пространства.

При выборе в качестве антенной системы в виде активной фазированной антенной решётки (АФАР) необходимо учитывать особенности обработки сложных сигналов с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляцией при частотном или фазовом обзоре пространства [5, 11].

Ширина ДНА определяется выражением (3), коэффициент направленного действия (КНД) антенны определяется эмпирической формулой [7]

EMBED Microsoft Equation 3.0 ,

коэффициент усиления антенны, учитывающий потери в антенне, определяется эмпирической формулой [7]

EMBED Microsoft Equation 3.0 .

Коэффициент усиления антенны связан с КНД выражением

K=G η,

где η-коэффициент учитывающий потери в антенне, равный 0,8.

Пример 9. При ширине ДНА по уровню половинной мощности, определяемой углами EMBED Microsoft Equation 3.0 и EMBED Microsoft Equation 3.0 , равными 30° и 45° соответственно, КНД составляет

EMBED Microsoft Equation 3.0 =22…26.

3.3 Расчет энергетических параметров линии связи в радионавигационной системе

Энергетические параметры линии связи в РНС (средняя и импульсная мощности передаваемого сигнала, реальная и предельная чувствительности, потери при распространении сигнала) определяют дальность действия РНС.

Максимальная дальность действия РНС при односторонней линии связи (радиомаячные системы)определяется выражением

EMBED Microsoft Equation 3.0 , (9)

где Рср – средняя мощность передатчика РНС,

Gпрд – коэффициент направленного действия антенны передатчика РНС ,

Gпрм – коэффициент направленного действия антенны приёмника РНС,

λ0 – рабочая длина волны РНС,

Рпр. min — реальная чувствительность приемника РНС,

δпд — коэффициент поглощения в среде распространения, дБ/км [8].

Коэффициент поглощения δпд энергии ЭМВ в атмосфере выражается в дБ/км. В диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн как правило, учитываются потери, обусловленные метеообразованиями (дождь, туман), поглощением в кислороде воздуха и парах воды. Эти потери зависят от длины волны λ0 [8].

Пример 10. Для длины волны 1 см и при очень слабом дожде [8] коэффициент поглощения в среде распространения составляет 0,05 дБ/км.

Если коэффициент поглощения в среде выражается в км-1, то выражение (9) записывается в виде

EMBED Microsoft Equation 3.0 , (10)

где δпр— коэффициент поглощения в среде распространения, 1/км.

Коэффициенты δпд и δпр связаны между собой



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст