ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ПАССИВНОЙ ЛОКАЦИИ
В условиях ведения боевых действий радиолокационная система РТВ будет функционировать в сложной помеховой обстановке. Использование противником постановщиков активных помех (ПАП) для прикрытия групп средств воздушного нападения диктует необходимость создания таких радиолокаторов, которые обнаруживали бы как неизлучающие цели на фоне помех, так и ПАП по их излучению. Специализированные РЛС силовой борьбы в состоянии обнаруживать и определять координаты ПАП методом активной радиолокации, но обладают низкими поисковыми возможностями и могут работать лишь по целеуказанию. Поэтому задачи обнаружения ПАП, определения их координат и параметров трасс возлагаются на систему пассивной локации, в которой информация о наличии ПАП и его местоположении в пространстве определяется путем многопозиционного приема и специальной обработки помеховых колебаний, излучаемых целью.
Система пассивной локации может обнаруживать и сопровождать трассы и других целей, имеющих на борту источники излучения электромагнитной энергии (радиолокационные, связные, навигационные и др.). Уровень таких излучений (как и активных шумовых помех), как правило, значительно превышает уровень эхо-сигналов и собственных шумов на входе приемника, что позволяет обнаруживать излучающие цели практически на дальностях прямой видимости.
По принципам построения система пассивной локации существенно отличается от системы активной радиолокации. Отличия заключаются в следующем:
-средства пассивной радиолокации не излучают, что обеспечивает скрытность их работы и затрудняет противнику организацию радиоэлектронного противодействия;
-прием мощного прямого, а не отраженного сигнала облегчает обнаружение и определение угловых координат цели, а незнание параметров сигнала и наличие других источников излучения - затрудняет;
-отсутствие информации о времени излучения исключают возможность измерения дальности до ПАП по данным приема только в одном пункте. Для определения всех координат ПАП требуется комплекс из двух и более разнесенных на местности пунктов приема, соединенных каналами связи.
Совокупность нескольких взаимосвязанных приемных пунктов, совместная обработка выходной информации которых позволяет определить пространственные координаты излучающих целей и отселектировать истинные цели от ложных, называется комплексом пассивной радиолокации (КПЛ).
Известны три основных метода пассивной радиолокации: триангуляционный (угломерный, пеленгационный), угломерно-разносто-дальномерный и разностно-дальномерный.
Триангуляционный метод пассивной радиолокации получил наиболее широкое распространение в РТВ, поскольку позволяет упростить техническую реализацию КПЛ, а также обеспечить тесное взаимодействие средств пассивной и активной радиолокации. Метод основан на измерении угловых координат (пеленгов) объекта в минимум двух приемных пунктах, разнесенных на некоторое расстояние, называемое базой.
Предположим, что ПАП находится в горизонтальной (вертикальной) плоскости (рис.1.22), тогда достаточно точно измерять два азимута β1 и β2 (или углы места ε1 и ε2), чтобы определить местоположение объекта как точку пересечения двух прямых, каждая из которых является линией положения. Под линией положения понимают геометрическое место точек возможного нахождения источника излучения. При определении пространственных координат ПАП каждому пеленгу соответствует определенная координатная поверхность – поверхность положения. Поверхность азимута представляет собой вертикально ориентированную полуплоскость ОВСД (AEFK) (рис. 1.23), а поверхность угла места – конус с вершиной в т.О – точке стояния пеленгационного пункта.
Пересечение этих поверхностей (двух плоскостей и конуса) определяет точку местоположения ПАП (т. Ц). Таким образом, для определения пространственных координат постановщиков активных помех достаточно измерить значения азимутальных углов β1 и β2 в двух пунктах и угол места ε1 (см. рис. 1.23) дополнительно в одном из пунктов.
Дальность до объекта r рассчитывается по измеренным углам и известной базе Б. Из рис. 1.22 следует:
| ε1 |
| Ц |
| β |
| F |
| E |
| H |
| K |
| O |
| D |
| A |
| C |
| y |
| x |
| Рис.1.22. Триангуляционный метод определения координат на плоскости |
| Рис.1.23. Триангуляционный метод определения координат в пространстве |
| ε1 |
| β1 |
| Б1 |
| Б2 |
| Б |
| ε2 |
| β2 |
| h |
| А x |
| y |
| r |
| rA |
| Ц |
Подставим вместо 
его значение в верхнее выражение и учтем, что
окончательно получим
Триангуляционная система соединения (части) РТВ включает в себя систему разнесенных на местности пеленгационных пунктов, командный пункт и линии связи (рис.1.24).
Пеленгационные пункты производят обзор пространства и путем амплитудной обработки принимаемых помеховых колебаний измеряют азимутальные и угломестные пеленги ПАП. Измеренные значения пеленгов кодируются и по линии связи (Л.С.) передаются на КП части (соединения) РТВ, а также на КП огневых средств ПВО.
На КП по азимутальным и угломестным пеленгам нескольких пунктов решается триангуляционная задача – определяются пространственные координаты ПАП (первичная обработка информации), а также захват и сопровождение трасс (вторичная обработка информации). С КП производится боевое управление пеленгационными пунктами. Подобным образом осуществляется централизованный режим управления.
| триангуляционный комплекс (ТК) |
| Пел. П. |
| Пел. П. |
| Пел. П. |
| КП |
| ТК |
| Л.С. |
| Л.С. |
| Л.С. |
| Л.С. |
| Рис. 1.24. Триангуляционная система |
Поскольку точность пеленгования ограничена, на практике вместо линий и поверхностей положения приходится иметь дело с областями положения. Поэтому местоположение объекта определяется не точкой, а также областью. Размеры областей положения тем больше, чем выше заданная вероятность нахождения объекта в пределах области. Для уточнения положения объекта в расчет может вводиться большее число измерений, чем это минимально необходимо для определения координат, а также наилучшим образом выбирать пеленгационные пункты, привлекаемые для решения триангуляционной задачи. Расчет координат, приведенный выше, называют «расчетом по минимуму данных», в другом случае говорят о повышении точности за счет избыточной информации. Процесс пеленгации и решения триангуляционной задачи еще более усложняется, если имеется много источников излучения. Необходимая информация в этом случае может быть получена за счет увеличения числа пунктов приема или сопоставления тонкой структуры принимаемых колебаний в соседних пунктах.
Для обеспечения живучести системы в случае выхода из строя КП создается параллельная (децентрализованная) система управления путем объединения пеленгационных пунктов в триангуляционные комплексы (ТК) (см. рис. 1.24), состоящие обычно из трех пунктов. Один из пунктов ТК называется опорным. Вычислительные средства его КП решают триангуляционную задачу. Рассчитанные координаты ПАП и параметры трасс передаются потребителям информации.
Система пассивной радиолокации не исключает применение активной радиолокации, так как в противном случае противник откажется от применения помех. Поэтому комплексы пассивной и активной радиолокации должны работать в тесном взаимодействии, в одних и тех же частотных диапазонах и производить синхронный обзор пространства по угловым координатам.
В угломерно-разностно-дальномерной системе пассивной радиолокации для определения координат ПАП также необходимы два приемных пункта. Определение координат ПАП основано на измерении угловых пеленгов на источник излучения и разности расстояний от него до приемных пунктов.
Для определения плоскостных координат источника излучения достаточно точно измерить азимут β и разность расстояний R от пунктов приема до источника (рис. 1.25, а). Местоположение цели определяется точкой пересечения прямой и гиперболы.
Для определения пространственных координат нужно дополнительно в одном из приемных пунктов измерить угол места источника излучения (рис. 1.25, б). Местоположение источника излучения соответствует точке пересечении двух плоскостей и поверхности гиперболоида (рис. 1.25, в).
| β |
| Б |
| А |
| x |
| y |
| r |
| Ц |
| z |
| x |
| Ц |
| y |
| Б |
| Д |
| А |
| rА |
| r |
| В |
| ε |
| β |
| z |
| x |
| y |
| r |
| Ц |
| rА |
| А |
| β |
| а) |
| б) |
| в) |
| Рис. 1.25. Угломерно-разностно-дальномерный метод определения координатна плоскости (а) и в пространстве (б, в) |
Дальность до цели (см. рис. 1.25. б)
Определим расстояние rA, для чего воспользуемся известной теоремой для прямоугольного треугольника:
где с – гипотенуза, а и b – катеты.
В нашем случае 
.
.
Отсюда:
.
С другой стороны 
.
Проводя несложные вычисления и учитывая, что 
, окончательно получим:
.
Разностно-дальномерный метод определения координат ПАП основан на измерении разности расстояний от источника излучения до пунктов приема.
Для определения плоскостных координат достаточно точно измерить две разности расстояний (rA-r) и (rВ-r), каждая из которых характеризует свою линию положения. Линиями положения также будут гиперболы с фокусами в точках расположения приемных пунктов (рис. 1.26), что следует из определения гиперболы. Местоположение источника излучения определяется точкой пересечения гипербол.
Пространственные координаты ПАП могут быть вычислены по трем точно измеренным разностям расстояний. Для этого достаточно иметь три-четыре приемных пункта. Местоположение источника излучения находится как точка пересечения трех поверхностей – гиперболоидов вращения. Для обеспечения высокой точности измерения координат ПАП приемные пункты можно располагать на взаимно перпендикулярных базах.
Расчет плоскостных координат источника излучения рассмотрим на примере, когда три приемных пункта А, О, В (см. рис. 1.26) расположены на одной линию Используя обозначения, принятые на рис. 1.26 и теорему косинусов, составим систему уравнений:
,
.
| r |
| А |
| В |
| Б |
| Б |
| rA |
| rB |
| Ц |
| β |
| Рис. 1.26 Разностно-дальномерный метод определения координат на плоскости |
Из второго уравнения имеем:
,
которое подставим в первое уравнение (решаем систему уравнений), а также обозначим R1=rA-r, R2=rВ-r –разности расстояний между источником излучения и пунктами приема. После несложных преобразований получим:
дальность до источника излучения. Азимут источника
Разность расстояний Ri от источника излучения до приемных пунктов определяется методов корреляционной обработки помех, принятых приемными пунктами.
Обозначим через S1(t) и S2(t) помеховые колебания от ПАП, принимаемые пунктами О и А соответственно (рис. 1.25, 1.26).
Колебание S2(t)отличается от S1(t) за счет различия расстояния до ПАП, а также коэффициентов усиления антенн приемных пунктов и передатчика помех в их направлении:
где а – постоянный медленно меняющийся амплитудный множитель, связанный с параметрами антенн передатчика ПАП и приемных пунктов;
- разность временных запаздываний помехи при распространении от ПАП до приемных пунктов.
Выходные колебания помех в приемных пунктах О и А запишем в виде:
где N1(t) и N2(t) – собственные шумы приемников и мешающие помеховые колебания от других ПАП (если они находятся в зоне приема). Структурная схема многоканальной по времени запаздывания помеховых колебаний корреляционной системы пассивной локации представлена на рис. 1.27.
Колебания y2(t) транслируются по линии связи из пункта А в пункт О, где подаются на вход умножителя многоканального коррелятора. На второй вход умножителя через линию задержки с соответствующего отвода подаются колебания y1(t).
| z Пункт А |
| Связной передатчик |
| Локацион-ный приемник |
| z y1(t) y2(t) Пункт О |
| Локацион-ный приемник |
| Связной приемник |
| Линия связи |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Умно-житель |
| Интег-ратор |
| Многоканальный коррелятор |
| Рис. 1.27 Структурная схема системы пассивной локации с многоканальным коррелятором |
В корреляторе производится вычисление функции взаимной корреляции R(τ) двух колебаний:
.
Интегрирование (сглаживание) произведения колебаний y1(t-τ) и y1(t-τ) производится в корреляторе с помощью узкополосного фильтра. Время интегрирования Т определяется шириной полосы пропускания фильтра Δf(T=1/Δf). При совпадении времени запаздывания сигнала y2(t) с временем задержки y(t) в линии задержки на выходе соответствующего канала коррелятора (рис.1.27). будет наблюдаться корреляционный импульс (рис.1.28).
| 1/f0 |
| τ0 |
| τ |
| R(τ) |
| ис. 1.28. Корреляционный радиоимпульс |
Максимальное время запаздывания помех y1(t) и y2(t)равно 
, где 
- задержка в лини связи между приемными пунктами. Фиксируя значение τ0 можно определить разность хода помехи:
.
Число элементов разрешения (разностно-временных, разностно-дальностных, корреляционных) равно:
.
Системы пассивной локации с разностно-дальномерными и угломерно-разностно-дальномерными методами измерения координат, использующие для определения разности расстояний корреляционный метод обработки, называют корреляционно-базовыми.
Особенностью устройств корреляционно-базовой локации является обзор по временному запаздыванию τ, который осуществляется с помощью корреляторов и может быть параллельным (см. рис. 1.27), последовательным и комбинированным.
При параллельном обзоре по τ время задержки одной секции линии задержки не должно заметно превышать разрешающую способность коррелятора 1/Δf по параметру τ (см. рис. 1.28), т.е. число отводов линии задержки (каналов обработки) должно соответствовать числу разрешаемых корреляционных элементов.
Последовательным обзор по временному запаздыванию τ осуществляется одноканальным коррелятором, в котором задержка сигнала y1(t) должна изменяться непрерывно. Пиковые значения корреляционных импульсов на оси τ будут соответствовать оценкам τ0 для различных источников излучения и могут быть считаны с помощью масштабных меток с экрана индикатора.
В угломерно-разностно-дальномерном способе пассивной локации обзор по времени запаздывания совершается одновременно с последовательным обзором по угловым координатам, поэтому время интегрирования Т сокращается. Однако проще решается задача отождествления ПАП, чем при разностно-дальномерном способе.
В триангуляционной системе пассивной локации задача пеленгации ПАП возлагается на РЛС (РЛК) системы активной радиолокации, для чего в них встраиваются специальные пеленгационные каналы. Такое построение РЛС (РЛК) экономически целесообразно, так как позволяет сделать общими некоторые системы и устройства (антенно-фидерные системы, отдельные элементы приемного тракта, устройства отображения и съема информации) в активной и пассивной частях РЛС.
Пеленгационный канал должен обеспечить обнаружение помеховых колебаний и измерение их параметров (направление на источник излучения). В большинстве случаев проблема обнаружения может быть сведена к известной задаче обнаружения случайного гауссовского сигнала на фоне гауссовских помех. При этом, близкий к оптимальному обнаружитель, называемый энергетическим приемником, обеспечивает определение мощности принимаемых колебаний и сравнение ее с порогом. В состав приемника входят полосовой фильтр, квадратор (устройство возведения в квадрат входного сигнала), интегратор и пороговое устройство (рис. 1.29).
| УВЧ |
| СМ |
| УПЧ |
| ПФ |
| Кв. |
| Инт. |
| ПУ |
| Г |
| Uпор. |
| Рис. 1.29 Структурная схема энергетического приемника |
В РЛС РТВ оценку угловой координаты источника помех получают путем фиксации углового положения антенны (например, при ее вращении по азимуту) в момент, когда выходное напряжение интегратора приемника (рис. 1.29) достигает максимального значения.
Ограничения амплитуды сигнала (помехи) в приемном тракте и наличие боковых лепестков ДНА могут привести к исчезновению амплитудных различий между колебаниями, принятыми по главному и боковым лепесткам ДНА. Это вызывает появление ложных пеленгов. Для устранения указанного недостатка стремятся максимально расширить динамический диапазон приемника системы пеленгации, а также используют специальную систему устранения ложных пеленгов (СУЛП). В ее состав входит дополнительный приемный канал, идентичный основному, со специальной антенной. ДНА канала СУЛП перекрывает боковые лепестки ДНА основного пеленгационного канала (рис. 1.30).
Выходное напряжение канала СУЛП, пропорциональное интенсивности помехи, принимаемой по боковым лепесткам ДНА основного канала, используется в качестве порогового напряжения Uпор (см. рис. 1.29) в основном канале.
Если интенсивность помеховых колебаний в основном канале превышает порог, то принимается решения о том, что помеха поступает с направления главного луча ДНА основного канала и производится измерение угловых координат ПАП.
| |F(β)| |
| β |
| |F0(β)| |
| |Fсулп(β)| |
| Рис. 1.30 Структура ДНА основного и СУЛП каналов |
Расширение динамического диапазона пеленгационных приемников основного канала и канала СУЛП обеспечивают за счет применения приемников с логарифмическими амплитудными характеристиками, либо со схемами шумовой автоматической регулировки усиления.
Логарифмический приемник может быть построен по схеме логарифмического детектора или по схеме логарифмического усилителя. Логарифмическим усилителем называется устройство, выходное напряжение Uвых которого является логарифмической функцией входного напряжения:
,
где Квых и Квх – коэффициенты усиления выходных (после логарифмирования) и входных (до логарифмирования) элементов приемных устройств соответственно;
а – основание логарифма.
Для получения нелинейной логарифмической амплитудной характеристики приемника его строят по многокаскадной схеме. Каждый каскад имеет линейно-ломаную амплитудную характеристику. В каскадах применяют усилители – ограничители, включенные параллельно с усилителями, имеющими единичный коэффициент передачи, либо цифровые логарифмические устройства, либо операционные логарифмические усилители. При достаточном количестве последовательно включенных каскадов обеспечивается кусочно-линейная аппроксимация логарифмической амплитудной характеристики (рис. 1.31).
| Uвх |
| Квх0 Loga Квых0 |
| Квхс Loga Квыхс СУЛП |
| СВ |
| ПУ |
| Рис. 1.32 Пеленгационное устройство с логарифмическими приемниками |
| Uвых |
| Рис. 1.31 Амплитудная характеристика логарифмического усилителя |
Рассмотрим пеленгационное устройство с логарифмическими приемниками и схемой вычитания (рис. 1.32). Напряжения на выходах интеграторов приемников основного канала и канала СУЛП, пропорциональные мощностям помех на выходах логарифмических усилителей, можно представлять в виде:
где 
- величина, пропорциональная плотности потока мощности помехи в точке приема;
βn, εn - азимут и угол места ПАП;
β, ε – направления максимуму ДНА по азимуту и углу места соответственно;
а – основание логарифма;
Квыз 0,с = 2Lo,c.
На практике выбирают 
тогда выходное напряжение схемы вычитания будет равно:
.
Из последнего соотношения видно, что выходное напряжение схемы вычитания пропорционально логарифму отношения значений ДНА основного и СУЛП каналов в напряжении на ПАП и не зависит от мощности помехи.
Для уменьшения вероятности ложных тревог коэффициент усиления до логарифмирования Kвхс в канале СУЛП устанавливают несколько больше, чем в основном канале (Kвхс>Kвх0).
Применение логарифмических приемников обеспечивает расширение динамического диапазона пеленгационного устройства и позволяет применить в нем вместо более сложной схемы деления схему вычитания. Однако в таком устройстве необходимо обеспечение высокой степени идентичности амплитудных и частотных характеристик приемных каналов как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации.
Итак, в системах пассивной локации используются триангуляционные и корреляционно-базовые методы определения координат ПАП. Корреляционно-базовые комплексы дают более высокую точность определения координат ПАП. Это достигается за счет использования широкополосных приемников, в результате чего сужается пик корреляционной функции и повышается точность измерения разности хода R.
Однако корреляционно-базовые системы менее помехоустойчивы, чем триангуляционные, так как для нарушения их работы противник может применить противокорреляционные помехи (помехи с периодической модуляцией).