автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Погрешности радиолокационного наблюдения в условиях морского волнения с учетом стабилизации антенн судовых РЛС

1 Го^дарст^сншя морская академия имени адмирала С. О. Макарова

На правах рукописи УДК 621.396.96

ИВАНОВ Алексей Юрьевич

ПОГРЕШНОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ С УЧЕТОМ СТАБИЛИЗАЦИИ АНТЕНН СУДОВЫХ РЛС

Специальность 05.12.04 — радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Сонкт-ГГстербург 1994

Работа виаолена в Государственной Морской Академии имени адмирала С.О.Макарова на кафедре "Радионавигационные приборы и системы".

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Академик АТР, Заслужашшй деятель науки и техники Российской Федерации, д.т.н., профессор Жврлаков Александр Васильевич.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОПОНЕНТЫ: Академик АТР, д.т.н., профессор Жухлин Алексей Михайлович, к.т.н., доцент

Солодовниченко Михаил Борисович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Центральный научно-исследовательский институт морского флота

Яащита состоится " ъ? " ¿^¿¿rtjO/yit'* 1994 г. в 4часов

заседании специализированного совета К 101.02.04 Государственной

Морской Академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199026,

Санкт-Петербург, В.О., Косая линия, д.15-а.

С диссертацией можно ознакомится в СиОилиотеке ГМА. Автореферат разослан "сЗУ " ^Рг^^суу.фЪЪЬ г.

Отзывы на автореферат в двух экземпляр, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес секретаря специализированного Совета IMA: 199026, Санкт-Петербург, В.О., Косая линия, д.15-а, 1Ш.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,*доцент

В.Н.РяОышкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Проблема снижения числа навигациогамх аварий решается на морском флоте нэ одно десятилетие. Только от столкновения и посадки на грунт ежегодные мировые потери флота в среднем составляют около 0,1 * тоннажа (порядка 500 тысяч тонн). Если учитывать еще и аварии не повлекшие за собой гибели судов, то общий экономический ущерб будет еще более впечатляющим. В последние годы эта проблема была частично решена путем усовершенствования судовых радиотехнических систем, в том числе и САРП ( систем автоматической радиолокационной прокладки).

Фундаментальные научные труды в области радиолокации, выполненные отечественными учеными Ю.Б.Кобзаревым, В.Е.Дулеви-чем, М.И.Филькенштейном, В.И.Раковым, С.З.Кузьминым, В.Н.Ман-жосом, Н.И.Бородатым, Н.Т.Ничипоренко, Р.Н.Черняевым, Н.С.Зиминым, А.М.Байрашевским, А.Н.Тупысевым и иностранными учеными R.Swerling, D.Barton, R.Moor, M.Slcolnik и др. способствовали успешной разработке и внедрению судовых навигационных РЛС (СН РЛС).

Использование для обработки получаемой радиолокационной информации микропроцессорной техники позволяет вести непрерывный обзор и осуществлять контроль за изменением окружающей обстановки, сопровождать цели, создающие потенциальную опасность столкновения. САШ, имеющая в своем составе РЛС, обеспечивает по данным первичной обработки отраженных радиолокационных сигналов (по пеленгу и дальности до цели) выработку ряда параметров оценки ситуации сближения. При этом, как правило, предусматривается сглаживание и фильтрация первичной навигационной информации и экстраполяция траекторий движения встречных судов. Однако, эф!вктивность алгоритмов фильтрации и экстраполяции определяется характеристиками обнаружения целей и точностными характеристиками судовых навигационных РЛС (СН РЛС). При этом важное значение приобретают погрешности радиолокационных наблюдений в условиях волнения моря.

Проблема стабилизации антенн возникла в результате развития техники радиолокации, перехода к сантиметровым волнам и необходимости точного управления положением луча в пространстве для полной реализации преимущества, предоставляемого узкой

диаграммой излучения. Таким образом, существует насущная необходимость поиска реальных путей компенсации влияния качки на работу СЛРП.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка способа улучшения точностных характеристик' и характеристик обнаружения РЛС в условиях качки судна. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать особенности радиолокационного наблюдения надводных целей для СН РЛС с нестабилизированной антенной при качке наблюдающего судна;

- выполнить синтез системы стабилизации антенн СН РЛС, удовлетворяющей требованиям ее использования на судах морского флота;

- построить математическую модель поведения системы стабилизации как в условиях регулярной так и нерегулярной качки;

- рассмотреть технические вопросы реализации некоторых систем стабилизации;

- выполнить сравнительный анализ характеристик САРП с помощью математической модели алгоритмов их работы.

Методы исследования. Базой для проведенных теоретических и экспериментальных исследований явились статистическая теория радиолокации, корреляционная и спектральная теории стационарных случайных функций, теория математической статистики. При сравнительной оценке точностных характеристик САРП применялись методы математического моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

1. Проведен анализ характеристик РЛС и САРП в условиях волне- ■ ния. Установлено, что качка судна увеличивает время, необходимое для получения максимальной точности определения элементов движения цели, ухудшает потенциальные погрешности измерения пеленга и дальности до цели.

2. Получены аналитические выражения, связывающие величину угла отклонения оси диаграмммы направленности антенны СН РЛС от направления на цель в вертикальной плоскости с потенциальной погрешностью определения координат надводного объекта. Это дает возможность количественно оценить влияние качки на точностные характеристики СН РЛС.

3. Синтезирована двухступенчатая стабилизация антенн РЛС, сос-2

тоящая из схем грубой и точно!! стабилизация. С помощью корреляционной и спектральной теорий стационарных случайных функций определены оптимальные параметры системы стабилизации для условий нерегулярного волнения.

4. Создана математическая модель алгоритмов работы САШ, позволяющая учитывать влияние на эффективность работы САРИ погрешностей с различными законами распределения.

5. Применение предложенной системы стабилизации позволит увеличить вероятность захвата надводных целей, уменьшить вероятность ложной тревоги, улучшить точностные характеристики СИ РЛС, а для систем вторичной обработки рэдиолокациошюй информации повысить точность определения параметров движения цели. Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть использованы для создания систем стабилизации антенн СН РЛС. Математическая модель САР1Т, предложенная в работе, может быть использована для анализа эффективности работы САРИ в условиях разнобразных возмущающих воздействий.

Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы приняты для внедрения в разрабатываемую судовую навигационную РЛС миллиметрового диапазона, что подтверждается справкой о внедрении. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и получили одобронио на международной конференции (секция радиосвязи и радионавигации) в г. С-Петербурге (1992 г.) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава 1"МА имени С.О.Макарова и Новороссийской гмл.

1]^л1кац!ш. Основные результаты диссертационной работы отражены в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырох глав, заключения, списка литературы. Основной текст диссертации содержит 140 машинописных страниц, 40 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обосновывается актуальность темы, конкрети-

зируется цель диссертационной работы и ряд основных задач исследования.

В первой главе рассматриваются требования, выполнение которых необходимо для эффективной работы СН РЛС в условиях качки, анализируется состояние вопроса, подчеркивается, что применяемые алгоритмы обнаружения и методы специальной обработки отраженных сигналов для наилучшего выделения их из помех учишвают влияние лишь маскирующего действия морского волнения. Влиянию же волнения как активного фактора, воздействующего на судно-носитель РЛС не уделяется должного внимания, в результате чего вероятность правильного обнаружения надводных целей существенно снижается. В результате вероятность захвата надводных объектов (для среднеквадратичных углов бортовой и килевой качки, соответственно 10° и 3°, ширины диаграммы направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости 20° и при курсовом угле цели 90°) уменьшается до 0,68. Максимальная погрешность определения пеленга на цель для углов бортовой и килевой качки 25° и 10°, соответственно, может достигать 10° Отсюда возникает необходимость в разработке эффективных способов компенсации влияния качки на работу РЛС и САРП.

Целесообразно решить данную проблему путем синтеза системы стабилизации антенны СН РЛС. Однако большая часть имеющихся систем стабилизации не отвечает ряду требований, предъявляемых для их использования в судовых условиях в комплексе с САРИ. Активные системы стабилизации обладают высокой чувствительностью, большой скоростью отработки отклонений оси диаграммы направленности от плоскости горизонта. Но исполнительные механизмы этих устройств должны обладать мощностью, достаточной для обеспечения их необходимыми динамическими характеристиками. Осноьная часть активных систем являются сложными, громоздкими, энергоемкими, требующими постоянного технического обслуживания. Перспективными являются электронные системы стабилизации. Однако их сложность и необходимость в значительном усложнении конструкции антенно-волноводного тракта делает затрудлительным их применение на судах морского флота. Псов-достабилизация наряду с электронной стабилизацией является шагом вперед в данной области. Но при всех своих достоинствах, существенным недостатком данного способа стабилизации является необходимость предварительного захвата цели лучом антенны СН РЛС для возможности применения исеид<х;тпбили:шции.

В конце первой главы предложена классификация систем стабилизации измерительных, устройств на судне. К классу активных устройств стабилизации относятся системы непосредственной, косвенной стабилизации, а также большинство устройств гироскопической стабилизации; маятниковые и гироскопические непосредственные пассивные стабилизаторы образуют класс пассивных систем. Системы электронной стабилизации и псевдостабилизации (стабилизации данных) составляют два отдельных класса.

Во второй главе содержатся результаты оценки эффективности работы САРП с нестабилизированной антенной. Рассмотрен вопрос определения вероятностных характеристик погрешностей измерения радиокурсового угла целей в условиях качки наблюдающего судна. Используемые в ряде работ выражения для определения величины математического ожидания и дисперсии погрешности курсового угла не связаны в вероятностном смысле с шириной диаграммы направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости. Причиной этого является то обстоятельство, что при получении этих соотношений принимались условия, упрощающие их вывод, то есть апостериорная условная двумерная плотность вероятности распределения углов качки ы(9,ф /А) приравнивалась к априорной плотности ш(9,ф), то есть:

ш(9,ф /А) = ш(е, ф)

где А - происшедшее событие, то есть захват цели лучом. При этом апостериорная условная плотность- вероятности в олучае захвата цели радиолокационным лучом определяется выражением:

и<8, ф)

- в области О

Р(А) (I)

О вне области Q,

w (9,0 /А)=

где Р(А) = Р(+) - вероятность захвата цели лучом антенны РЛС. Априорная плотность вероятности ш(6,ф) не несет информации, позволягацей уточнить текущие значения углов бортовой 9 и килевой ф качки в момент захвата цели радиолокационным лучом.

Рассмотрен процесс радиолокационного наблюдения для нестабилизированной антенны СИ РЛС и идеализированного радиолокационного луча при нормальной плотности вероятности распределе-

ния углов качки. Как правило, за время одного обзора антенной РЛС курсовой угол наблюдаемого объекта остается практически неизменным. Таким образом, выполнение условия захвата цели радиолокационным лучом в каждом обзоре при постоянной ширине диаграммы направленности"антешш РЛС в вертикальной плоскости' зависит только от значений углов качки, реализовавшихся в данный момент времени. Примем значения углов 0 и ф независимыми, тогда в момент обнаружения, выражение для плотности вероятности углов качки будет иметь вид:

I г б2 ф2

Ы( е.ф ) = (0(0) 0)(ф> = Z%0qQ- е 2 [ о* о; J (2)

в1

гда ы (в) = —__ е 2 огв ( - 45" < 0 <+ 45°),

/ 2 % о.

в

w (ф) = - е 2 0ф (- 15 < ф <t 15 ).

/Ц оф

Вероятность захвата цели радиолокационным лучом при постоянной ширине диаграммы направленности антешш РЛС в вертикальной плоскости можно представить в следующем виде:

Р( + ) = Р(Ф / 8) Р(0). (3)

В равенстве (3):

Р(ф /0)=J ы(ф) 0ф - условная вероятность попадания

Ф угла ф в интервал-( ф ,. Ф, ) при условии

попадания угла 0 в интервале , 02). 0

г

P(0)=J ш(0) d0 - вероятность попадания угла 0 в 6f интервал ( 0,, Ог).

Подставим равенства (3) и (2) н выражение (I), имеем:

ы(ф,е/А)=

■1г®1

10(6) ш(ф) 1 ~ 2 I 0 * + 0г]

- е 9 ф

Р(в) Р(ф/в) Р(в)Р(ф/9) 2т. 0е0ф

(4)

О вне области П, *

Важное значение имеет вопрос оценки потенциальных погрешностей определения пеленга и дальности до надводной цели с учетом формы диаграммы направленности. При реальной форме диаграммы направленности в вертикальной плоскости значение энергетической характеристики СН РЛС и число принятых импульсов в пачке зависит от величины угла мевду направлением антенна-цель и осью диаграммы направленности антенны. Получены зависимости, позволяющие определить потенциальные среднеквадратичные погрешности измерения пеленга и дальности до цели в зависимости от угла отклонеш1я направления на цель в вертикальной плоскости от оси диаграммы направленности:

в

0(а)_ = --^ (5)

ПОТ *

«^.г'ио )* о.5пие п*

с а

--— . (6) .

пот л_ .

2(ЧоГриОв) %0,5пивв))г

0(а)пот, б(Б)пот-потенциальные погрешности определения пеленга и дальности.

с^-отношение сигнал/шум в одном импульсе при отсутствии качки, пие )- количество отраженных импульсо в пачке, которое является функцией углового положения цели в вертикальной плоскости.

9оэ- ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной

плоскости по уровню половинной мощности. Гриев)- характеристика направленности антенны, которая является функцией углового положения цели в вертикальной плоскости, с -скорость распространения электромагнитной волны.

т - длительность зондирущего ипульса.

Установлено, что не только качка судна-носителя РЛС оказывает влияние на потенциальные погрешности определения коор-" динат надводного объекта. В значительной степени, колебания надводного объекта также влияют на эти потенциальные погрешности. Координаты объекта с большей величиной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) можно определить с большей степенью точности.

В третьей главе рассматриваются основные этапы синтеза систем стабилизации антенн СН РЛС. Создание данной системы стабилизации относится к широкому классу задач синтеза подобных устройств. Рассмотрены следующие этапы решения задач синтеза названной системы:

1) структура системы задана и требуется найти оптимальные значения ее параметров в выбранных пределах;

2) структура системы неизвестна и требуется определить ее структурную схему и значения параметров, исходя из целевых установок.

На основе анализа существущих систем стабилизации предложена и обоснована следующая структурная схема стабилизации. На первом этапе (первой ступени стабилизации) признано целесообразным использовать систему пассивной стабилизации, основанной на применении физического маятника, установлешюго в кардановом подвесе. Физический маятник используется в качестве чувствительного элемента корректирующих устройств в гировертикалях и гироскопах направления. Однако возможность применения корректирующих свойств физических маятников в системах стабилизации, в частности антенн РЛС, треоуот специального рассмотрения. Основная часть пассивных систем стабилизации имеет значительную динамическую поЬрешность, обусловленную угловым и орбитальным движениями судна, которая будет проявляться в больших величинах отклонения оси вращения антешш обзорной СН РЛС от вертикали места. Поэтому для улучшения характеристик системы пассивной стабилизации оптимальным вариантом решения данной проблемы является применение в качестве второй ступени стабилизации "стабилизации" данных. С другой стороны, применение в первой ступени стабилизации системы пассивной стабилизации создает предпосылки для эф1«ктиьной работы системы нсев-достабилизации, то есть предварительный захват надводной цели радиолокационным лучом. Показано, что сочетание двух указанных

!

способов стабилизации является наиболее приемлимым с точки зрения их совместного использования для РЛС.

Вероятность захвата надводной цели стабилизированной антенной СН РЛС будет определяться зависимостью:

где Ф I Ъ

Р(+) = 2 Ф

/ 2 тс

0,5 ев °хм г хг

I

е

-1

(7)

(1х - функция Лапласа.

з .= /о1.соз'а + о* з^'а хм у хФ с

- среднеквадратическое значение угла х отклонения антешш СН РЛС от вертикали в плоскости радиолокационного луча.

0 0- среднеквадратические стабилизатора системы антенна РЛС - физическиЛ

величины отклоно1шя пассивного маятник от

вертикали в диаметральной плоскости судна и плоскости шпангоута соответственно.' При вероятности захвата Р(+) цели близкой к единице, сроднеквадратические значения о определяются из

выражения:

0,5 е„

X"

(8)

Опираясь на теории регулярного и нерегулярного волнений в работе исследовалось поведение пассивного стабилизатора в различных условиях качки. Мастное решение неоднородного дифференциального уравнения движения маятшжового стабилизатора в плоскости шпангоута, учитывая только вращательное движение судна и полагая качку регулярной, получено в виде:

К о.к в

п

в1п (о* г а)

К

(9)

X — К

(1) частота бортовой качки судна. С, - усккрниии силы тяжести.

н частота соОстн'Пшы* колебаний маятникового стабилизатора.

е - амплитуда бортовой качки судна. а - начальная фаза колебаний судна.

2 -отстояние точки подвеса стабилизатора от центра тяжести судна по оси Оа.

Для короткопериодных маятников, например, для установлен-'

них на судах кренометров п » и>к и динамический коэффициент р равен: ,

ц =•

« 1

(10)

п

Ш„

Если же ъиОрать маятник, собствешшй период которого велик по сравнению с периодом бортовой качки судна, то последний будет располагаться с небольшими отклонениями от вертикали.

В работе была проанализирована возможность применения линейных и нелинейных демпфирующих устройств. В случае использования демпфирующего устройства, создающего сопротивление пропорциональное второй степени скорости, динамическая погрешность пассивного стабилизатора значительно уменьшится по сравнению со случаем применения линейных демфируюцих устройств. Получено выражение для величины динамической погрешности стабилизатора при регулярной качке в случае применения нелинейных демпферов:

г Пге 2 9 и2 2 Зи + — 8Е 9 %* [ <1 « . + 1 г

е 128 Ег 1 п* 256 Е*

(II

2 2 и'в 1г где Е = к

■л18

Теория регулярной качки, описывая механизм морского волнения, чрезмерно упрощает его, поэтому основные задачи синтеза 'системы стабилизации решались с учетом нерегулярности волне-1шл, то есть на базе корреляционной и спектральной теорий стационарных случайных функций. Поведение системы стабилизации исследовалось в плоскости углов бортовой качки, так кап амплитуда бортовой качки значительно превосходит амплитуду килевой

качки. Принимая во вшшание возмущающие воздействия как составляющих углового движения, так и орбитального перемощения судна, дифференциальное уравнение движения маятникового стабилизатора с большим периодом собствешшх колебаний в плоскости углов бортовой качки имеет вид:

¿'+2 п С х + n'(1 --^g— >Х + 26С* +

...... 2 С g 9 по)

+ Х(ф - 2 ф 9) - Z( е - Ф ф-2 Ф ф) + .—^-)

где С , т^, £ - продольно-горизонтальные, поперечно-горизонтальные и вертикальные ускорения точки подвеса маятникового стабилизатора при орбитальном движении центра тяжести судна на волнении;

Ф, ф, 0 - ускорения рыскания, килевой и бортовой качки судна; С - коэффициент относительного затухания.

При анализе выну пленных колебаний маятшжового стабилизатора под воздействием возмущающих ускорений необходимо решить вопрос о вероятностной устойчивости этого движения при условии, что дисперсия отклонения системы меньше некоторой заданной величины. Для нахождения величгаш дисперсии в возмущающем воздействш! учитывались лишь члены первого порядка малости. Собственные колебания маятшжового стабилизатора затухают за короткое время, поэтому следует рассматривать лишь стационарное решение уравнения (12), таким образом необходимо найти дисперсию стационарного решети уравнения (12). Обозначая правую часть уравнения (12) случайной функцией T(t) и учитывая выражение для спектральной плотности Sf(w) случайной функции f(t), а так же принимая во внимание то, что возмущающие воздействия представляют собой несвязанные случайные функции, получил:

sf(w) = s;-(w) + x2sr--(w)+ P.S4 (и) (13)

. С g б где р = —rl—

Маятниковую систему стабилизации можно представить как динамическую систему, поэтому используя соотношения меаду спектральными плотностями стационарных случайных Функций на входе

И

и ьыходе этой линейной динамической системы:

Зх=|иии»|28, (и) (14)_

где УУ(;)ш) - амплитудно-фазовая характеристика маятника.

Дисперсия случайной функции X (г). характеризующей качку судна, определяется соотношением:

(О

И 1хШ1 = / Бх(ы) бы (15)

-со

С помощью выражений (13), (14) получены суммарные спектральные плотности на выходе линейной динамической системы. Так как спектральная плотность и передаточная функция являются дробно-рациональными выражениями, для этого необходимо представить подинтеградьное выражение в соотношении (15) к виду :

0 , Щ и)')]

I =

О (¿и» С1(-;)ш) ' (16)

" ИЗ ш')1 = + Ь^

О(ш) = аош'Ч а1и)"" +...+ аг

После ряда преобразований получены значение дисперсии случайной функции возмущающего воздействия. Они включает в себя четыре составляющие:

Ш*) = Ш1х) * Ш1х1 ♦ и31х) » 04[х 1 (IV)

л 1)1 + т' Г- ь;

1ХЛХ>= * ---------------------------------- (1В)

в' о-т2ь2)%4 1ТЧ'1)%Т ц0(С

и.

А Ь х2 V

1X31x1=—--- — ---------------------------------------------- (19)

е2 о -т2ь2)2( 4 1(тЧ2ь;» т ц,).т'г

-(С <Т) Ц 16 Л ь'т'с

1)4 I х' = ---------~--—г--------и '

2 е (К,- К,)

Е,= Т2 (2 I С Ь% 2 \1г)*+ (2 Т С + 2TV2)l(- Ь*) Ez= (2 Т С + 2 Т'ц, ) (1 + 4 С Т Т*Ь*) (- 2 С Т Ь'- 2 цг)

Выражение для дисперсии D? 1%] аналогично выражению для дисперсии Ю!%). за исключением того, что вместо значения х отстояния точки кропления стабилизатора от мидель-шпаногута следует подставлять расстояние з и все коэффициенты с индексом 3 заменить на коэффициенты с индексом 2.

DOlxl- дисперсия колебательных движений стабилизатора,

вызванных ускорениями орбитального движения судна. D21 х)- дисперсия колебательных движений стабилизатора,

вызванных ускорениями бортовой качки судна. D31х1- дисперсия колебательных движений стабилизатора,

визвашшх рыскашил судна. D4lxJ- дисперсия колебательных движений- стабилизатора, пропорциональных скорости бортовой качки судна, где 73= sin qB

qB - угол расположешя судна к направлению бега волны.

х-,. ь;= ,1%

ц2, (ла- коэффициенты нерегулярности бортовой, килевой качки и рыскания.

X-,. X, ~ преобладащая частота бортовой, килевой качки и рыскания.

Ао, Az, Л5 - дисперсия бортовой, килевой качки и рыскания.

Из равенства (8) следует, что для обеспечения вероятности захвата i'( Опели близкой к единице при ширине 6вдиаграммы направленности в вертикальной плоскости 20° и курсовом q0 угле на цель 'J0? среднеквадратическое значение угла х отклонения пассивного стабилизатора от вертикали в плоскости шпангоута не должно превышать 3,3" Задаваясь этим условием, с помощью выражений (17)-(20) определялись необходимые значения параметров первой ступени стабилизации.

При действующих на систему пассивной маятниковой стабилизации возмущающих воздействиях катай случайные колебания стабилизатора будут совершаться им около среднего положения,

которое может не совпадать с истинной вертикалью. Введем обозначения:

k = -g- . Ш) =- (С„- * Ф )•

Тогда выражение (12) преобразуется к виду:

Х + 2 п С % + пг ( 1 + k v(t)l % = k,i(t) (21)

Peinemie уравнения (22) найдено в виде разложения по степеням входящего в уравнение малого параметра. Выражение для полного отклонения х маятникового стабилизатора от вертикали представляется в виде ряда:

X = Хо+ Х.+Х,--- (23)

где х,• Х2 ~ малые поправки к основному отклонению ^

маятника от вертикали.

Систематическое отклонение х, маятника от вертикали вызывается корреляционной связью вертикальных u(t) и горизонтальных i(t) ускорений точки опоры маятникового стабилизатора, следовательно, при расчете систематического отклонения маятникового стабилизатора от вертикали необходимо учитывать слагаемые второго порядка малости, в том числе слагаемые вертикальных ускорений.

Важным параметром первичной радиолокационной информации, поступающей на вход САРП, является значение радиокурсового угла РКУ или истинного пеленга ИП на обнаруженную цель, точность измерения которого зависит от погрешности РКУ цели и погрешности измерения истинного курса ИК судна. Среди погрешностей измерения ИК судна выделим погрешности, вызвашше качкой судна, в частности "карданову погрешность" гирокомпаса. Максимальная погрешность определения пеленга на цель после порвой ступени стабилизации для углов бортовой и килевой качки 25°и 10° соответственно может достигать значения 5,5°, а с учетом только углов бортовой качки значения 3,2?

Уменьшение величины названной погрешности возможно при использовании в качестве второй ступени стабилизации одного из косвенных (немеханических) способов стабилизации, а именно псевдостабилизации. При этом в специализированном бортовом вычислительном устройстве находится расчетная величина погреш-

ности ДШ1 истинного пеленга при каадом прохождении радиолокационного луча через цель и вводится поправка в значение радиолокационного пеленга на обнаруженную цель. Причем оказывается " возможным исключить только постоянную часть погрешности ДИПр. В результате применения второй ступени стабилизации максимальная погрешность измерения пеленга цели может бить снижена до 2,5°- 3° для углов бортовой и килевой качки 25° и 10°, соответственно, а с учетом только углов бортовой качки до значения 1.8°.

В работе были рассмотрены два варианта реализации второй ступени стабилизации. Первый вариант предусматривает применение в качестве датчиков углов качки гировертикалей. Однако высокоточные гировертикали являются достаточно дорогими и сложными устройствами, поэтому во втором варианте псевдоста-билизацин предлагается использовать маятгашовие датчики углов качки судна.

Имеющиеся в настоящее время на судах механические кренометры различных конструкций не позволяют с достаточной точностью измерять динамические угли крена судна в условиях его интенсивной качки, а снимаемая с тис информация но может быть использована для построения систем стабилизации подвесов антенн обзорных РЛС относительно плоскости горизонта. Предлагаемые в последние годы устройства на основе короткопериод-ных маятников имеют повышенную точность измерения углов крона судна за счет получения избыточной информации об угле крена и последу мцей ее обработки. В большинстве случаев в таких указателях вертикали компенсируется погрешность в определении углов крена, обусловленная только вр&щателышм движением судна вокруг его центра тяжести. Основным недостатком таких указателей вертикали является наличие в показаниях угла крена некомпенсированной погрешности, обусловленной орбитальным движением. Поэтому в диссертации рассмотрен алгоритм обработки разностного сигнала, снимаемого с двух короткопериодных маятников с различными динамическими характеристиками, в котором учитываются как погрешность, визчайная бортовой качкой судна, так и погрешность, возникающая из-за орбитальной качки судна. Применение данного алгоритма позволяет измерять углы качки с погрешностью в пределах 2.0° 2,2°и 7° для углов крена 25" 20°и 151> соответственно * Подобные маятниковые датчики следует иримчшгп. 110 гш>;юй ступени стабилизации для углов крена

порядка 15°- 20" во-первых, из-за их приемлимой точности при этих углах качки и во-вторых, из-за того, что погрешность измерения пеленга в этих условиях имеет значительную величину после первой ступени стабилизации, и может быть уменьшена во второй ступени стабилизации с названными датчиками.

В работе оц°нен выигрыш в полной вероятности правильного радиолокационного обнаружения цели с учетом качки наблюдающего судна для надводных объектов с различной ЭПР при использовании СН РЛС с нестабилизированной и стабилизированной антеннами. Эта оценка производилась с использованием выражений (7),(8), а также соотношения для полной вероятности правильного обнаружения:

V Рпо Р<+> <24>

Данные по вероятности * правильного обнаружения Р без учета качки судна-носителя РЛС брались из экспериментальных результатов по исследованию характеристик обнаружения надводных объектов при разной балльности морского волнения. Графики на рисЛ,2 под цифрой I отражают зависимость полной вероятности Рц правильного обнаружения цели для СК РЛС со стабилизиро-вашюй антенной, то есть при вероятности захвата цели близкой к единице; цифрой 2 обозначены аналогичные зависимости для СН РЛС с не стабилизированной антенной. Расчеты производились для среднеквадратических значений углов качки 0^=10°,

при 5-ти балльном волнении, ширине диаграммы 8В направленности в вертикальной плоскости равной 20° и курсовом угле на цель qc= 50°.

В четвертой главе рассмотрены технические аспекты реализации системы двухступенчатой стабилизации и произведен сравнительный анализ характеристик САРП, функционирующих в комплексе сэ стабилизированной и нестабилизированной антеннами. Наиболее приемлемым способом анализа на данном этапе является метод математического моделирования. Создана математическая модель, эквивалентная алгоритму обработки информации в СЛРП. Основу математической модели применительно к рассматриваемому процессу составляют две программы: "программа-эталон" и "программа-имитатор". На основе заданной начальной

0.8 0,6 0,4 0,2

И,мили

1.5

4,5

6,5

I

0,8 0,6 0,4 0,2

0

Рис.1. Полная вероятность обнаружения морского буя с учетом качки наблюдаодего судна.

1 - для стабилизированной антенны РЛС.

2 - для нестабилизированной антенны РЛО.

N. N

ч ч I / 2

----- \ / /

/

О,мили

II 12 13 14 15 16 17 18

Рис.2. Полная вероятность обнаружения танкера с учетом качки наблюдающего судна.

1 • для стабилизированной антенны РЛС.

2 - для нестабилизированной антенны РЛО.

ситуации по эталонным значениям курсо.в.и скоростей собственного судна и цели, "программа-эталон" рассчитывает точные значения истинных текущих координат цели через заданные промежутки времени. Перед тем.как войти с этими данными в "программу-имитатор", к истинным значениям прибавляются погрешности (случайные и систематические) - погрешность определения курсового угла цели, вызванная качкой, карданная погрешность гирокомпаса и ряд случайных погрешностей РЛС. Для математической модели работы САРЛ выбран реккурентный алгоритм сглаживания проекций координат и скорости относительного перемещения цели на основе принципа оптимальной линейной фильтрации. На выходе "програм-мы-имитатор" получаем сглаженные значения курса и скорости, который выдавал Сы вычислитель САРПа через каждые один оборот антенны РЛС.

Анализ эффективности работы САРИ в комплексе с предложенной системой стабилизации был-произведен в различных ситуациях расхождения судов. Доказано, что применяя даш!ую систему стабилизации, можно значительно улучшить точность определения некоторых параметров движения судна-цели системами вторичной обработки радиолокационной информации даже в условиях интенсивной качки. Стабилизация антенны СИ РЛС наиболее существенно уменьшает погрешность определения курса цели.

В диссертации был произведен выбор основных элементов конструкции системы двухступенчатой стабилизации. Признано целесообразным в первой ступени стабилизации применить три задемпфированных кольца карданового подвеса с учетом необходимых моментов инерции и возможных моментов сил трения в осях подвеса стабилизации антенны СН РЛС "Наяда".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные научные результаты.

I. Исследован процесс радиолокационного наблюдения в условиях волнения моря, оценены характеристики обнаружения и погрешности определения координат надводных целей в условиях качки ааблюдащего судна. Получены зависимости для вероятностных характеристик погрешностей курсового угла на цель при качке судна-носителя РЛС с нестабилизиронанной антенной с учётом ширины диаграммы направленности антенны в нертикалыюй

плоскости.

2. Рассмотрены возможные пути повышения эффективности работы судовых РЛС и САРП в условиях качки. Указано на целесообразность применения систем стабилизации антенн при эксплуатации РЛС,на судах морского флота с учетом особенностей использования судовой навигационной РЛС в реальных условиях.

3. Предложена и рассмотрена система двухступенчатой стабилизации антенны судовой РЛС. Использование данной системы стабилизации позволяет:

а), повысить достоверность захвата цели диаграммой направленности антенны РЛС даже в условиях интенсивной бортовой качки (до 25°).

б) уменьшить вероятности ложной тревоги и пропуска цели.

в) значительно уменьшить величину погрешности измерения пеленга в условиях сильной бортовой качки судна.

г) увеличить отношение сигнал/шум принимаемых сигналов.

д) увеличить дальность радиолокационного обнаружения.

е) уменьшить период дискретности обновления первичной радиолокационной информации, что особенно важно для эффективной работы САРП.

4. На базе спектральной и корреляционной теорий стационарных случайных процессов получены выражения, позволяющие оценить поведение предложенной системы стабилизации как в условиях регулярного, так и нерегулярного волнения моря.

5. Обоснована возможность применения для двухступенчатой стабилизации антенны РЛС усовершенствованных короткопериодных маятниковых датчиков углов качки

6. Получены аналитические соотношения для оценки эффективности применения нелинейных демпфирующих устройств в предложенной системе стабилизации с анализом сравнительных характеристик качества нелинейных и линейных демпферов.

7. Построена математическая модель САРП, с учетом характера погрешностей, возникающих в САРП под действием внешних возмущающих факторов. Установлено, чтс> за счёт применения стабилизации антенны РЛС можно значительньно улучшить точность определения элементов движения судна-цели и параметров оценки ситуации сближения судов.

В. Рассмотрены пути технической реализации предложенной системы двухступенчатой стабилизации и особенности ее исполь-

эования на судах.

ПУБЛИКАЦИИ ПО- ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Иванов A.D. Анализ факторов, влияющих на потенциальные погрешности определения угловых координат и дистанции до надводного объекта. М.: Материалы XVI Международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации, I Т., 1992 Г.- с. 102-109.

2. Иванов A.D. Характеристики обнаружения и точностные характеристики РЛО в условиях качки наблюдающего судна. М.: Материалы XYI Международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации, I т., 1992 г.- с.109-116.

3. Иванов A.D. К вопросу о влиянии качки на величину погрешности определения курсового угла. М.: В/О "Мортехинформреклама", Л 1265 - мф» 7.10.93 - 9 с.

4. Иванов A.D. Исследование эффективности работы CAPI1 при радиолокационном наблюдении малых надводных целей.' М.: В/О "Мортехинформреклама", » 1228 - мф, 16.11.92 г.- 9 с.

5.' Зимин Н.С., Иванов A.D. Двухступенчатая пассивная стабилизация судовых РЛС и САРП. Материалы XVI научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации, 2 т., 1993 г.-с.52-61.