Выбор технических решений для формирования облика аэродромной радиолокационной станции посадки на основе анализа требований к системе



В настоящей работе на примере разрабатываемой на предприятии аэродромной РЛС посадки рассмотрен процесс формирования ее технического облика и выбора системотехнических решений, который проводился на основе анализа предъявляемых потребителем требований. Приведен итоговый технический облик системы, и обозначены его преимущества перед радиолокаторами, разрабатываемыми с использованием «классических» решений (сканирующие импульсные системы).

Ключевые слова: посадочный радиолокатор, технический облик радиолокатора, анализ требований к системе

Набор требований к любой технической системе формируется исходя из потребностей и пожеланий конечного потребителя и отображается в техническом задании на систему. Однако анализ причин разной степени продвижения новых товаров на рынке показывает, что в современных условиях успех новой продукции на 70–90 % зависит от точности соответствия предпочтениям потребителей и лишь 10–30 % обусловлен техническими или технологическими факторами [1].

Достижение тех или иных характеристик системы, необходимых заказчику, возможно путем реализации различных технических решений, при этом довольно часто разработчики вынуждены идти на компромисс, отказываясь в разумных пределах от некоторых характеристик продукта с целью совершенствования других.

В связи с этим разработка новой системы под потребности заказчика должна начинаться не с подбора и оптимизации имеющихся готовых решений, а со всестороннего анализа требований к данной системе и выбора системотехнических решений, позволяющих достичь максимального соответствия поставленным требованиям.

В работе представлен процесс формирования технического облика новой радиолокационной системы на основе анализа требований к ее основным функциям, на примере аэродромной РЛС посадки.

Формулирование требований ксистеме ифункциональный анализ

Посадочный радиолокатор (ПРЛ) представляет собой радиолокационную систему аэродромного базирования, расположенную по центру взлетно-посадочной полосы (ВПП) и в непрерывном режиме контролирующую довольно ограниченную зону захода на посадку для воздушных объектов (ВО) [2]. В рамках настоящей работы рассмотрены требования к основному, информационному функционалу ПРЛ. Требования, относящиеся непосредственно к функционированию системы, но не связанные с реализацией основного ее предназначения (надежность, ремонтопригодность, климатическая устойчивость и т. п.), при грамотном проектировании и конструировании являются заведомо реализуемыми.

Главной и основной задачей, которую выполняет любое радиолокационное средство, является предоставление конечному потребителю информации о наличии в заданной зоне ответственности (ЗО) объектов различного типа, их местоположении и параметрах движения. При этом состав информационных сообщений определяется как потребностями потребителя, так и техническими решениями и программно-алгоритмическим обеспечением, заложенными в системе. Исходя из этого, базовым требованием к выбранному техническому решению становится перечень первичной информации, доступной при его реализации.

Для формирования технического облика системы необходимо до определённого, достаточного для выбора технического решения, уровня декомпозировать требования к ней, поставив в соответствие к каждому требованию выполняемую системой функцию. На основе полученных данных формируется множество альтернатив, позволяющих реализовать искомый функционал, из которых уже делается осознанный выбор решения (в общем случае, с учетом экономических показателей эффективности).

Исходя из этого, главное требование к системе — обеспечение информацией об отклонениях ВО в зоне посадки — может быть представлено как реализация следующего минимального набора функций системы:

– формирование радиолокационного поля, покрывающего требуемую ЗО;

– обнаружение различных объектов, находящихся в ЗО;

– измерение параметров движения обнаруженных в ЗО объектов;

– расчет отклонения местоположения обнаруженных ВО от заданных значений для участка траектории маневра посадки;

– выдача информации конечному потребителю.

При этом выполнение ряда функций определяется непосредственно аппаратурной частью системы, а часть функций зависят от программной реализации. Те функции, выполнение которых реализуется на уровне программного обеспечения, в настоящей работе не рассматриваются.

На основе подлежащих реализации функций системы формулируются исходные требования, которые фиксируются в технических заданиях (или итоговых спецификациях системы) с указанием конкретных числовых значений. Для ПРЛ в качестве типичных можно рассматривать следующие значения характеристик, отвечающих за реализацию исходных требований:

– зона обзора — 10 градусов по углу места, 30 градусов по азимуту, не менее 40 км по дальности;

– темп обновления информации — не более 1 секунды;

– точность определения пространственного местоположения ВО — не хуже 0.6 градуса по углу места, 1.2 градуса по азимуту и 100 м по дальности;

– диапазон рабочих температур — от минус 50°C до плюс 50°C.

Таким образом, при формировании технического облика ПРЛ следует учесть необходимость выполнения приведенных выше требований.

Анализ возможных системотехнических решений

Задача приема отраженных от объектов эхо-сигналов в пределах заданной ЗО ПРЛ может быть решена несколькими различными способами, имеющими как свои преимущества, так и недостатки:

1 механическое сканирование пространства путем вращения антенных систем с узким лучом диаграммы направленности;

2 электронное сканирование пространства фазированной антенной решеткой;

3 цифровое формирование диаграмм направленности, позволяющее строить все направления одновременно.

При этом сам процесс сканирования обуславливает необходимость излучения мощности в определенный момент времени в заданном направлении, для синхронизации с приемной системой.

Тем не менее, системы с механическим сканированием в настоящее время являются наиболее изученными и, как следствие, наиболее распространенными. В качестве примера можно привести RP-5GN (Tesla) [3] и отечественную РСП-10МН [4]. Конструктивно данные ПРЛ представляют собой две зеркальные антенны, выполняющие сканирование в азимутальной и угломестной плоскостях по заданному алгоритму, с последующей обработкой данных посредством аппаратуры вычислительного комплекса, расположенной отдельно в аппаратурном контейнере. При этом данные системы построены на общеизвестных принципах импульсной радиолокации: на время излучения зондирующего сигнала приемники выключаются, после излучения идет прием отраженных эхо-сигналов в отсутствии излучения.

В качестве систем с электронным сканированием пространства можно привести систему ПРЛ «Низовье» [5], в основе работы который лежит принцип частотного сканирования пространства и применение плоской антенной решетки.

Однако сама идея сканирования пространства в импульсном режиме, особенно при разработке систем с относительно небольшой дальностью действия, имеет ряд недостатков:

– усложнение конструкции системы и алгоритмов управления ее подсистемами;

– ограничения по минимальной дальности обнаружения объекта (в соответствии с минимальной длительностью зондирующего импульса);

– необходимость обслуживания и относительно частого проведения регламентных работ подвижных антенн (в случае механического сканирования), что связано с выведением изделия из эксплуатации и с затратами на регламентное обслуживание;

– ограниченное время облучения цели, что затрудняет выполнение доплеровской селекции целей при работе условиях помех и отражений от местных предметов, а также ограничивает возможности длительного когерентного накопления сигнальных данных.

Выбор типа зондирующего сигнала под требуемое значение разрешающей способности системы по дальности до объекта рассмотрен во многих работах, например, в [6]. Кроме того, для существует ряд программных средств, позволяющих исходя из требований к системе предложить оптимальную форму зондирующего сигнала (например, MATLAB, [7]). Тип зондирующего сигнала определяет также архитектуру и требуемые мощности вычислительных средств, однако в настоящее время это не является критическим узлом при разработке системы.

Формирование технического облика

При выборе технических решений, на основе которых будет изготовлена новая система, следует учитывать, что данное решение применяется к системе в целом. Например, если выбор сделан в пользу приемных антенн с механическим сканированием, то и передающая часть должна подсвечивать определенные области ЗО по реализованному в части приема сигнала алгоритму (тоже реализован алгоритм сканирования пространства).

В таблице 1 приведен сравнительный анализ основных потребительских свойств системы при реализации разных подходов к разработке.

Таблица 1

Сравнение потребительских свойств РЛС для различных системотехнических решений

	Механическое сканирование	Электронное сканирование		Многолучевые цифровые диаграммы
Наличие минимальной дальности обнаружения	Определяется длительностью импульса зондирующего сигнала			Отсутствует
Минимальное время обзора ЗО	Определяется алгоритмом сканирования, вычислительными мощностями			Определяется длительностью приема сигнала и вычислительными мощностями
	а также возможностями механической части
Максимальное число наблюдаемых ВО	Определяется скоростью сканирования и вычислительными мощностями			Определяется исключительно вычислительными мощностями
Точности определения местоположения ВО	Одинаковые, достаточные потребителю
Возможность доплеровской селекции ВО	На этапе вторичной или межпериодной обработки			По единичными измерениям
Частота и стоимость регламентного обслуживания	Высокая		Средняя	Низкая
Общая стоимость разработки	Соизмерима для различных решений (по экспертным оценка стоимость разработки системы с многолучевыми ДН может быть незначительно (15–20 %) выше стоимости разработки)

Таким образом, анализ степени удовлетворения потребностей заказчика, которая достигается каждым из предложенных системотехнических решений, говорит о том, что она максимальна при реализации многолучевых цифровых диаграмм направленности (параллельном, а не последовательном, обзоре пространства).

В качестве источника зондирующего сигнала используется передающий модуль с антенной, который облучает всю зону действия ПРЛ в режиме постоянного излучения.

Для приёма используются две цифровые фазированные антенные решетки (ФАР) для одновременного и независимого измерения углового местоположения объекта в азимутальной и угломестной плоскостях, каждая из которых имеет набор плоских диаграмм направленности (ДН), сформированных в цифровом виде. Таким образом, каждый объект в ЗО ПРЛ облучается зондирующим сигналом непрерывно, а две приёмные ФАР (каждая из которых имеет одновременно весь набор плоских ДН, изображенных на рисунке 1) производят угловые измерения курса и глиссады.

Рис. 1. Диаграммы направленности приемных и передающей ФАР

Данное системотехническое решение имеет следующие преимущества:

1. Конструкция передающей части предельно упрощается, она становится неуправляемой и с фиксированной мощностью излучения;
2. Каждая цель может облучаться сигналом в течение длительного времени (вплоть до периода обновления радиолокационной информации), что кардинально повышает возможности по доплеровской селекции.
3. Отсутствует необходимость оперативного управления антенной системой, не требуется управлять лучами (т. е. на передачу работает ровно один луч, а на приём одновременно все лучи).

ПРЛ, при построении его по указанной схеме, будет состоять из следующих функциональных подсистем:

– передающее устройство (в составе усилителя мощности и ФАР с фиксированной ДН);

– два комплекта приемных ФАР в комплекте с малошумящими усилителями;

– модули приема и оцифровки радиолокационных сигналов;

– модуль цифрового формирования диаграмм направленностей приемных ФАР;

– вычислительный комплекс;

– средства отображения, управления и контроля.

Размещение приемной аппаратуры, чувствительной ко всевозможным климатическим воздействиям, возможно как в конструктиве антенн, так и в оборудованном климатической системой аппаратурном контейнере, включающем в себя наиболее чувствительную к ним аппаратуру вычислительного комплекса и средства отображения и управления. Внешний вид действующего макета ПРЛ, разработанного в ОАО «НПК «НИИДАР» и используемого для отработки предложенного системотехнического решения, приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Демонстрационный макет ПРЛ/демонстратор технологии

Подобная реализация, существенно отличающаяся от предыдущих разработок как в конструктивном, так и в программно-алгоритмическом плане, требует выявления критических элементов системы, проведения анализа ее показателей надежности, в том числе с точки зрения вариантов изготовления и размещения в изделии критичных подсистем.

В то же время, необходимые заказчику потребительские свойства ПРЛ получаются не хуже (а, по некоторым характеристикам, даже превосходят), чем у существующих систем. В случае же рассмотрения затрат на систему на всем ее жизненном цикле за счет малого и нечастого регламентного обслуживания становиться очевидной экономическая целесообразность описанных в работе технических решений.

Заключение

Разработанный на основе выбранных по результатам анализа требований к системе системотехнических решений демонстрационный макет ПРЛ позволил оценить потенциальную достижимость требуемых потребителю технических характеристик. Анализ потенциальных характеристик, достижимым при реализации предлагаемой технологии построения системы, в том числе с учетом экономической эффективности разработки, демонстрирует ее привлекательность и для решения других задач, связанных с мониторингом ближней области пространства, в том числе в условиях множественных, малоразмерных или высокоманевренных целей.

Литература:

1. Шмелева Ю. А. Принципы взаимодействия предприятия с потребителями на этапе разработки нового товара// Проблемы современной экономики. — 2011. — № 3. — С. 181–184
2. Большаков Ю. П., Нечаев Е. Е. Посадочные радиолокаторы гражданской авиации и тенденции развития техники их построения // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. — 2005. — № 96. — С. 97–102
3. RP-5G [электронный ресурс]// URL: http://www.radartutorial.eu/19.kartei/03.atc/karte026.en.html (дата обращения: 10.04.2019)
4. Лобачев Ю. В., Худобин В. А. Посадочный радиолокатор ПРЛ-10 МН. Учебное пособие по курсу радиолокационные системы. — 2004. — 89с.
5. Николаев С. Ф., Синицын Е. А., Синицын В. А. Радиолокатор «Низовье» обеспечит безопасность на взлетной полосе// Инновации — 2009. — № 9 — С. 18–19
6. Ширман Я. Д., Теоретические основы радиолокации // М.: изд-во «Советское радио» — 1970. — стр. 560
7. Waveform Design and Analysis [электронный ресурс]// URL: mathworks.com/help/phased/waveform-design-and-analysis.html