Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, работающих по земной поверхности

УДК 629.054:001.891.54(075.8)
ББК 39.671-52в6я73
          П53
Авторы:
В. Г. Важенин, Н. А. Дядьков, А. С. Боков, А. К. Сорокин,
Ю. В. Марков, Л. Л. Лесная

Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей Уральского технического института связи и информатики (замзавкафедрой доц., канд. техн. наук Н. В. Будылдина);
Костоусов Виктор Борисович, канд. физ.-мат. наук, доц., начальник отдела Института математики и механики УрО РАН

П53
    Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, 
работающих по земной поверхности : учебное пособие / В. Г. Важенин  
[и др.] ; под общ. ред. В. Г. Важенина. — Екатеринбург : Изд-во Урал.  
ун-та, 2015. — 208 c.

ISBN 978-5-7996-1612-0

Представлен теоретический материал, необходимый для освоения вопросов 
построения современных бортовых радиолокационных систем и устройств навигации летательных аппаратов, работающих по земной поверхности; полунатурного моделирования в условиях, максимально приближенных к реальным условиям 
их применения; методов, алгоритмов и путей построения имитаторов принимаемых сигналов, в том числе в режиме реального времени. 
Для студентов, обучающихся по программе магистратуры по направлению подготовки «Радиотехника» по дисциплинам «Теория и техника радиолокации и радионавигации», «Проблемы современной радиолокации», а также для студентов, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы».

Библиогр.: 74 назв. Рис. 109. Прил. 1.

УДК 629.054:001.891.54(075.8)
ББК 39.671-52в6я73

ISBN 978-5-7996-1612-0 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2015

Основные сокращения

АКФ — автокорреляционная функция
АС — антенная система
АСИ — антенная система имитатора
АСП — антенная система моноимпульсного пеленгатора
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БНК — бортовой навигационный комплекс
БПФ — быстрое преобразование Фурье
БРЛС — бортовая радиолокационная станция
БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина
ВКФ — взаимнокорреляционная функция
ВПП — взлетно-посадочная полоса
ВЧГ — высокочастотная головка
ГУН — генератор, управляемый напряжением
ДИСС — доплеровский измеритель составляющих вектора скорости
ДН — диаграмма направленности
ДНА — диаграмма направленности антенны
ДОР — диаграмма обратного рассеяния
ИМ — импульсная модуляция
ИНС — инерциальная навигационная система
ИОС-РВ — имитатор отраженного сигнала радиовысотомера
ИС-БЦВМ — имитаторы сигналов для комплексной отладки программного обеспечения БЦВМ
КБО — комплекс бортового оборудования
КРИСС — корреляционный измеритель составляющих вектора 
скорости
ЛА — летательный аппарат
ЛЧМ — линейная частотная модуляция
ММ — математическая модель
МО — Министерство обороны
НЛЧМ — несимметричная линейная частотная модуляция
НСК — нормальная система координат

Основные сокращения

НЧ — низкая частота
ОАО «УПКБ «Деталь» — открытое акционерное общество «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь»
ОДО — облако дипольных отражателей
ОКР — опытно-конструкторская работа
ОРС — обнаружение, распознавание и сопровождение
ПАС — программно-аппаратные средства
ПНМ — полунатурное моделирование
ППУ — приемопередающее устройство
ПРД — передатчик
ПрУ — приемное устройство
ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина
РВ — радиовысотомер
РВС — радиовысотомерная система
РЛИ — радиолокационные изображения
РЛО — радиолокационное оборудование
РЛС — радиолокационная станция
РСА — радиолокатор с синтезированной апертурой
СВЧ — сверхвысокая частота
СКО — среднеквадратическое отклонение
СЛЧМ — симметричная линейная частотная модуляция
ССК — связанная система координат
ТТХ — тактико-технические характеристики
УНЧ — усилитель низких частот
УПМ — установка полунатурного моделирования
УЭПР — удельная эффективная площадь расселения
ФКМ — фазокодоманипулированный
ФМ — физическая модель
ФНЧ — фильтр низких частот
ФФ — формирующий фильтр
ФЦО — фоноцелевая обстановка
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦОС — цифровая обработка сигнала
ЧД — частотный дискриминатор
ЧМ — частотная модуляция
ЧМ РВ — радиовысотомер с частотной модуляцией
ЭПР — эффективная площадь рассеяния
ЭЦ — элементарная цель

Предисловие

В 

настоящем учебном пособии приведены результаты работ 
по полунатурному моделированию современных и перспективных бортовых радиолокационных систем и устройств, 
работающих по земной поверхности. Результаты получены при проведении совместных работ научно-исследовательского института радиоэлектронных систем летательных аппаратов (НИИ РАСЛА), кафедры радиоэлектроники информационных систем УрФУ и ОАО «УПКБ 
«Деталь» корпорации «Тактическое ракетное вооружение» и в рамках 
аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011 годы) по проекту «Разработка методов и исследование алгоритмов имитации электромагнитных 
полей и сигналов в раскрыве приемных антенн бортовых радиолокационных систем обзора земной поверхности».
В учебном пособии использованы результаты, полученные научным сотрудником, канд. техн. наук Соловьяновым А. В. (гл. 3) и ведущим инженером Вдовкиным К. А. (параграф 2.3).
Авторы учебного пособия выражают искреннюю благодарность 
ОАО «УПКБ «Деталь» (генеральный директор — главный конструктор Пономарев Л. И.) за активную поддержку работы.
Авторы также выражают свою признательность за научно-техническое сотрудничество Нестерову Ю. Г., Мухину В. В., Иофину А. А., 
Калмыкову Н. Н., Нестерову М. Ю., Сиротину А. Н., Щербакову Д. Е., 
Золотову Б. Ф., Зонову М. В.

1. Назначение, принципы построения,  
алгоритмы функционирования  
и особенности моделирования современных 
и перспективных бортовых РЛС,  
работающих по земной поверхности

В 

последние годы все более широкое развитие получают бортовые радиолокационные станции (БРЛС), использующие 
сигналы, отраженные или рассеянные земной поверхностью. Основными задачами, решаемыми этими БРЛС, является как 
навигация ЛА по земной поверхности (измерение параметров движения, определение и коррекция местоположения), так и обнаружение, распознавание и классификация объектов, находящихся на земной и водной поверхности [1], [2], [4], [5], [6], [7], [11]–[14], [17], [18], 
[21], [23], [25], [38], [49], [50].
Актуальной задачей являются как совершенствование существующих БРЛС, так и разработка и отладка новых перспективных РЛС.
Общим для всех этих систем является то, что они или используют в качестве информационного сигнала сигнал, отраженный земной 
поверхностью, или решают задачи обнаружения объектов на фоне такого сигнала.
При имитации работы автономных БРЛС одной из основных задач является построение математической модели сигнала, отраженного от протяженной земной поверхности, и физическая его имитация. 
Наиболее эффективно данную задачу можно решить, только учитывая 
особенности построения, функционирования и применения БРЛС.
В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы имитации сигнала и моделирования БРЛС для двух наиболее распространенных классов:

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

1) бортовые РЛС, работающие в режиме обзора земной поверхности и решающие задачи обнаружения и распознавания наземных 
и надводных объектов на фоне отражения от поверхности;
2) бортовые радиолокационные измерители параметров движения 
ЛА относительно земной поверхности (измерители высоты и составляющих вектора скорости).

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

1.1.1. Общая характеристика БРЛС

Основной тенденцией современного этапа развития бортовых радиолокационных систем обзора земной поверхности является разработка 
и создание многофункциональных БРЛС, решающих задачи переднего, бокового или секторного обзора, формирования радиолокационного изображения подстилающей поверхности, распознавания и классификации распределенных целей на фоне естественных и искусственных 
помех, выбора и сопровождения целей в соответствии с заданной логикой работы и полетным заданием. Кроме того, как правило, в современных БРЛС производится оценка помеховой обстановки и обнаружения источников излучения и также существуют режимы наведения 
на постановщики активных помех и источники излучения.
Обобщенная структура БРЛС обзора земной поверхности и ее взаимодействие с бортовым оборудованием и внешней средой приведена на рис. 1.1.1 [6], [8], [10], [11]–[14], [23]–[25].
Практически во всех современных БРЛС обзора земной поверхности используются сложные широкополосные зондирующие сигналы, 
обеспечивающие высокое разрешение по дальности и угловой координате (доплеровской частоте). В источнике [11] показано, что с учетом современных средств цифрового формирования и обработки сигналов наиболее предпочтительными являются импульсные сигналы 
с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Типичной последовательностью режимов работы на различных 
стадиях полета может быть:
— на участке подлета к зоне выполнения задачи боковой обзор, 
в том числе с синтезированием апертуры для коррекции траектории 

1. Назначение, принципы построения, алгоритмы функционирования и особенности моделирования...

по радиолокационной карте местности, передний обзор для управления полетом на малых высотах в режиме огибания рельефа;
— секторный обзор и обнаружение целей при входе в зону выполнения задачи;
— боковой обзор в зоне выполнения задачи с синтезированием 
апертуры для формирования радиолокационного портрета сложных 
распределенных целей, их классификации, уточнения координат и выбора цели для сопровождения.

Рис. 1.1.1. БРЛС обзора земной поверхности  
и ее взаимодействие с КБО и внешней средой

Высокая разрешающая способность по дальности и угловым координатам, требуемая для решения этих задач, обеспечивается использованием сложных широкополосных сигналов с высокой разрешающей способностью как по дальности, так и по доплеровскому сдвигу 
совместно с моноимпульсным принципом измерения угловых координат.
С учетом изложенных тенденций построения БРЛС задачей полунатурного моделирования становится оценка не только классических 

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

тактико-технических характеристик (ТТХ) РЛС, таких как разрешающая способность по дальности и угловым координатам, 
вероятности правильного обнаружения, пропуска цели, ложной 
тревоги, погрешности оценки координат цели, но и вероятностных 
характеристик процедур классификации целей и отработка логики работы РЛС — смены режимов 
работы, параметров сигнала, выбора целей и т. д.
В последние годы все более широкое развитие получают 
принципиально новые авиационные РЛС бокового обзора для обнаружения наземных (надводных) 
объектов на фоне земных и местных покровов [11], [17], [18], [23], 
[24]. В современных РЛС бокового обзора предусматривается обеспечение высокой разрешающей 
способности, что позволяет получать изображения местности 
и местных объектов, приближающиеся по своему качеству к аэрофотоснимкам (рис. 1.1.2, а, б), 
а также определять их координаты с высокой точностью [32]. 
На рис. 1.1.2 показаны оптические изображения городской застройки и промзоны, на которые 
наложены радиолокационные изображения (РЛИ). Появляется также возможность наблюдения объектов в любых метеорологических 
условиях на фоне земной поверх
а

б

Рис. 1.1.2. Радиолокационные 
изображения:

а — РЛИ фрагмента городской застройки 
с разрешением 10 см; б — РЛИ промзоны 
с разрешением 30 см

ности и своевременного обнаружения малоразмерных слабоотражающих наземных объектов.
Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований показывает, что основными направлениями совершенствования радиолокационных систем является разработка новых методов обнаружения 
наземных и морских объектов, а также поиск новых систем обработки 
сложных радиолокационных сигналов. Это связано с тем, что за последнее время в ведущих странах мира огромное внимание уделяется 
радиомаскировке объектов, особенно относящихся к военной технике.
Как показывает анализ научно-исследовательских работ, результаты которых опубликованы за последние годы, к перспективным методам современной радиолокации, позволяющим эффективно обеспечивать обнаружение и распознавание практически любого класса 
объектов, относят:
— использование сложных сигналов;
— использование широкополосных или сверхширокополосных 
сигналов;
— обнаружение объектов и определение их координат по анализу 
собственного радиотеплового излучения (пассивная локация);
— использование в системах различных диапазонов радиоволн.
Под определение РЛС обнаружения и распознавания наземных 
и надводных объектов попадает большое количество различных РЛС 
[23]. К ним относятся активные авиационные РЛС, корабельные и береговые РЛС, а также бортовые РЛС, устанавливаемые на различные 
виды беспилотных летательных аппаратов. Все эти виды РЛС различаются по используемому диапазону длин волн, виду излучаемого сигнала, тактике их применения и ряду других параметров и характеристик.
В качестве примеров можно привести характеристики некоторых 
БРЛС.

1. Модульная мультисенсорная система наблюдения и разведки 
РЛС HISAR (фирма-разработчик Laytheon Electronic Systems, США). 
Объединенная система наблюдения и разведки HISAR, представляющая собой РЛС с синтезированной апертурой (SAR) I-/J-диапазона 
частот, предназначена для пограничного наблюдения, дистанционного сбора данных и проведения всех типов мониторинга (загрязнение 
нефтью, вырубка леса, экономические зоны).
Система HISAR обеспечивает следующие режимы работы:
— широкомасштабный поиск с разрешением 20 м;

1. Назначение, принципы построения, алгоритмы функционирования и особенности моделирования...

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

— объединенный режим SAR/MTI обзора полосы местности с разрешением 6 м в диапазоне 20–110 км;
— режим SAR — пятна (телескопического обзора) с разрешением 1,8 м.

2. Бортовая РЛС наземного наблюдения ASTOR с высоким разрешением формирования изображений (Великобритания). Программа ASTOR спонсируется МО Великобритании и предназначена для 
обеспечения детального наблюдения за ходом сухопутного сражения 
и наземными войсками противника. Данная РЛС должна обеспечить 
получение с высоким разрешением данных о стационарных объектах 
(образов) и обнаружение подвижных целей.
Первичным радиолокационным датчиком системы принята 
РЛС с синтезированной апертурой с индикацией движущейся цели 
(SAR/MTI).

3. Радиолокатор для поверхностного наблюдения J-диапазона РЛС 
AN/APS-144 (фирма-разработчик AIL Systems Inc., США).
Система AN/APS-144 модульная с быстрой перестройкой частоты, когерентная импульсно-доплеровская РЛС, разработанная для 
наблюдения за наземной и надводной тактической обстановкой. Основными режимами работы радиолокатора являются обнаружение поверхностной (наземной или надводной) движущейся цели, воспроизведение изображения в режиме SAR, перехват.
Эта РЛС предназначена для поверхностного наблюдения с пилотируемых самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов за транспортными наземными средствами и персоналом, судами, 
низколетящими самолетами с крылом неизменяемой геометрии, вертолетами.

1.1.2. Особенности моделирования сигналов БРЛС

Обобщенной мерой разрешающей способности является так называемый разрешаемый объем РЛС. Обычно считают, что разрешаемый 
объем характеризует совместную разрешающую способность по дальности и угловым координатам. Он ограничен шириной луча по половинной мощности и длиной элемента разрешения по дальности.
Понятие разрешаемого объема позволяет дать определение точечной цели: ее размеры должны быть много меньше размеров разреша