Теория и техника радиолокации и радионавигации (стр. 25 )

Ранее рассмотрены алгоритмы оптимальных измерителей, обеспечивающих наивысшую (потенциальную) точность определения перечисленных параметров сигнала, ограниченную собственными шумами приемника измерителя. Однако в реальных условиях работы РЛС и РНС потенциальная точность практически недостижима из-за несовершенства метода измерений, его технической реализации и условий эксплуатации. Различают методические, инструментальные (аппаратурные) погрешности, а также погрешности, обусловленные условиями эксплуатации системы.

К методическим относятся погрешности, обусловленные допущениями и приближениями при обосновании принципа действия системы и расчете ее характеристик, к инструментальным — погрешности, непосредственно связанные с техническим исполнением измерителя.

Методические и инструментальные погрешности можно уменьшить путем:

- повышения качества проектирования при использовании более совершенных моделей, применении ЭВМ для моделирования и расчета, переходе от аналоговых к цифровым методам обработки;

- максимального привлечения априорной информации
о характеристиках сигналов и помех;

- совместной обработки (комплексирования) данных
различных датчиков информации.

Погрешности, вызванные изменениями условий эксплуатации систем, разнообразны по происхождению. Источниками этих погрешностей являются внешние помехи, изменяющиеся условия распространения радиоволн, вибрации аппаратуры, колебания температуры, влажности, напряжения питания и т. д.

Для уменьшения влияния перечисленных факторов при создании системы должны быть выбраны рациональные схемотехнические и конструктивные решения, размещение аппаратуры должно производиться с их учетом. Кроме того, необходимо предусмотреть возможность периодической проверки и калибровки параметров аппаратуры в процессе эксплуатации.

По характеру проявления погрешности подразделяют на систематические и случайные.

Систематические погрешности постоянны от измерения к измерению или медленно меняются во времени по определенному закону; они могут быть исключены или сведены к допустимому минимуму при калибровке системы.

Случайные погрешности полностью неустранимы, но рациональным построением системы могут быть снижены до приемлемого уровня. Обычно погрешность, так же как и измеряемый параметр, является функцией времени

Исчерпывающее статистическое описание ε(t) содержится в многомерных ПВ или в функционале ПВ, однако на практике чаще используют лишь среднее mε(t) и дисперсию Dε(t).

Когда погрешность ε(t) соответствует эргодическому случайному процессу, статистическое усреднение при вычислении показателей точности mε(t) и Dε(t).заменяют усреднением по времени, а вместо корреляционной функции погрешности находят ее спектральную плотность .

Математическое ожидание погрешности mε(t) называмое смещением, дает систематическую составляющую погрешности, которую рациональным проектированием и эксплуатацией системы можно сделать много меньше случайной составляющей, т. е. mε(t) < .

Для характеристики точности измерителя используют средний квадрат погрешности или - ее среднеквадратическое значение.

Эти показатели определяют точность системы лишь в среднем и не позволяют судить о том, сколь часто возможны погрешности, превышающие их усредненные значения. Поэтому точность зависит также от вероятности p(|ε|≤εдоп) того, что погрешность не превысит допустимого значения εдоп. В связи с большим числом разнообразных причин, влияющих на измерение РНП, можно считать, что погрешность измерений, согласно центральной предельной теореме, имеет нормальное распределение и вероятность - Р(|ε|< εдоп) полностью задается значениямии σε Так, вероятность того, что погрешность несмещенных измерений не превысит σε равна 0,683. Часто точность характеризуют максимальной погрешностью, равной 2 σε и соответствующей вероятности Р(|ε|< 2 σε) = 0,95, и ее предельным значением З σε при вероятности Р() = 0,997. В последнем случае только 0,3% измерений имеют погрешность, превышающую З σε. В радионавигации широко применяют позиционный метод определения положения объекта в пространстве, точность которого зависит от погрешностей фиксации поверхностей и линий положения.

8.4. Поиск сигналов по угловым координатам, дальности и скорости

Поиск сигналов в радиолокационных и радионавигационных системах предшествует режиму точного измерения их параметров, несущих информацию о координатах и скорости объектов. Для РНС обычно заранее известно расположение опорных станций (радиомаяков) системы, поэтому на борту объекта, определяющего свое место, как правило, нет необходимости выяснять, присутствует ли сигнал того или иного маяка, в результате поиск сводится к грубому измерению РНП. Эта особенность отличает поиск сигналов в РНС от поиска сигналов радиолокационной цели, о наличии которой в зоне обзора в большинстве практических случаев заранее не известно. В связи с этим целесообразно сначала рассмотреть более общий случай РЛС, осуществляющей поиск сигнала в рабочей зоне, называемой в радиолокации зоной или сектором обзора.

Размеры рабочей зоны определяются предельными значениями измеряемых координат и скорости объекта, т. е. дальности (Dмин - Dмакс), азимута (αмин – α макс), угла места (βмин – β макс) и радиальной скорости (vгмин - vгмакс). Протяженность каждого из этих интервалов удобно представить числом содержащихся в нем элементов разрешения по дальности, азимуту, углу места и радиальной скорости. В процессе обзора осуществляется проверка наличия цели в каждом из элементов разрешения, причем последовательность проверки задается методом (программой) обзора, выбор которого зависит от назначения РЛС. Станции обнаружения работают в режиме непрерывного обзора, в процессе которого производится не только обнаружение, но и измерение координат обнаруженных целей. В станциях точного измерения координат обзор прекращается при обнаружении цели, после чего станция переводится в режим точного измерения координат цели.

При выборе способа обзора РЛС учитывают размеры ее рабочей зоны, определяемые координаты и точность их измерения, разрешающую способность станции по дальности, скорости и угловым координатам, требуемое время обзора рабочей зоны, вероятность появления цели в различных участках рабочей зоны, затраты при техической реализации того или иного способа, его эксплуатационную надежность.

Основными параметрами, характеризующими эффективность выбранного метода обзора, являются среднее время до обнаружения цели и среднее время между соседними ложными обнаружениями (средняя частота ложных тревог).

Обзор элементов рабочей зоны РЛС может производиться последовательно во времени (последовательный обзор) или одновременно (параллельный или одновременный обзор). Применяется также комбинированный параллельно-последовательный метод обзора. При параллельном обзоре обработку сигналов осуществляют одновременно во всех элементах разрешения зоны обзора, поэтому обнаружение цели происходит сразу при ее появлении в зоне обзора РЛС. Однако малое время обзора при параллельном способе достигается существенным усложнением оборудования, поэтому при допустимом времени обзора рабочей зоны РЛС используют и более простые в реализации методы последовательного и параллельно-последовательного обзора.

Обзор рабочей зоны по дальности происходит в процессе распространения сигнала до цели и обратно. При расположении цели на максимальной дальности Dмакс время от излучения до приема отраженного сигнала τDмакс =2 Dмакс /с. За это время происходит просмотр всех элементов разрешения по дальности при определенном положении ДНА станции. Обработка сигналов, соответствующих всем ND элементам разрешения, за время τDмакс требует создания сложной ND -канальной системы обработки, что не всегда целесообразно, поэтому чаще используют значительно меньшее число каналов обработки k<ND. Такая параллельно-последовательная обработка сигналов связана с энергетическими потерями, поскольку время накопления в каждом из k перестраиваемых каналов уменьшается в ND/k раз по сравнению с временем накопления в каналах при одновременной обработке в ND каналах. Таким образом, снижение аппаратурных затрат приводит к ухудшению качественных показателей системы, и при ее проектировании задача состоит в отыскании наилучшего решения с учетом всех существенных факторов.

Обзор рабочей зоны по радиальной скорости необходим, если ширина спектра сигнала ∆fи, меньше диапазона возможных изменений доплеровского смещения частоты:Fvмакс –Fvмин =2(Vrмакс –Vrмин )/λи >∆fи

При этом в системе обработки сигнала должно быть предусмотрено Nv частотных каналов (фильтров) (при одновременной обработке) или один перестраиваемый в диапазоне Fv мик — Fv макс фильтр с полосой пропускания не более заданного разрешаемого интервала по частоте ∆Fvмин (при последовательной обработке). Последовательный обзор по скорости также связан с энергетическими потерями и может быть использован при сильных сигналах, например в системах с активным ответом.

Обзор рабочей зоны по угловым координатам также может быть параллельным, последовательным или параллельно-последовательным. При параллельном обзоре РЛС должна иметь Nαβ = Nα Nβ угловых каналов, т. е. Nαβ - лучевую ДНА, перекрывающую всю зону обзора с соответствующим числом приемных каналов. Если заданный сектор обзора не очень широк, то при излучении может быть использована однолучевая ДНА, перекрывающая весь сектор.

Если заданы широкий сектор обзора и высокая разрешающая способность по угловым координатам, то число лучей и каналов обработки становится слишком большим, а система — трудноосуществимой. В этом случае применяют последовательный одноканальный (или параллельно-последовательный) метод обзора со сканированием (развертыванием) луча по всей зоне обзора. Последовательный обзор проще и дешевле реализуется, однако не всегда приемлем из-за низкой скорости поступления информации, поскольку скорость обзора ограничена временем τDмакс =2 Dмакс /с, в течение которого ДНА должна быть направлена на объект для того, чтобы принять хотя бы один отраженный целью сигнал. Таким образом, время однократного обзора всей зоны обзора не может быть меньше T0 ≥ τDмакс Nαβ.. Для обнаружения слабых сигналов (например, от целей, расположенных на расстояниях, близких к Dмакс) требуется их накопление, что ведет к снижению скорости обзора. Если в импульсной РЛС для обнаружения цели необходимо накопление. N импульсов, то время обзора возрастает в N раз, поскольку период повторения излучаемых импульсов Тп задан условием однозначного измерения дальности Tn ≥ τDмакс