Зависимость дальности обнаружения целей радиолокационных станций системы управления движением судов от метеорологических условий на примере порта Новороссийск

В статье на примере системы управления движения судов (СУДС) порта Новороссийск проведен анализ и расчет дальности обнаружения целей береговыми радиолокационными станциями под воздействием метеорологических условий для нескольких типов эталонных целей. Предлагаемый способ расчета можно использовать для анализа качества функционирования береговых радиолокационных станций любой СУДС.

Ключевые слова: радиолокация, судно, порт.

In clause on an example of Vessels Traffic Service (VTS) port Novorossiysk is lead the analysis and calculation of range of detection of the purposes by coastal radar stations under influence of meteorological conditions for several types of the reference purposes. An offered way of calculation it is possible to use for the analysis of quality of functioning of coastal radar stations any VTS.

Keywords: radiolocation, vessel, port.

 

Морской транспорт всегда был одним из существенных источников экономического и социального развития страны. При осуществлении морских транспортных операций, включая поисково-спасательные и судоподъемные, имеют значение два фактора: безопасность и экономическая эффективность, которые, в значительной степени, зависят от характера погоды и состояния поверхности моря [1].

Активное участие по изучению влияния метеорологических условий на дальность действия радиолокационных станций в разные годы принимали ученые И. М. Безуглый, В. Л. Галахов, Д. Керр, М. Катцин, Б. Смит, Е. Фейнберг, М. П. Долуханов, Ф. Б. Черный [2]. Ознакомившись с фундаментальными трудами можно сделать следующие выводы:

-          море представляет собой постоянно меняющийся объект, на который действуют многие силы;

-          на отражение сигнала от морской поверхности влияют скорость и направление ветра у поверхности воды, его продолжительность, протяженность области разгона, течения, наличие загрязнений (разлитая нефть), а также воздействие отдаленных штормов, от которых возмущения моря передается с малыми потерями на большие расстояния;

-          влияние ветра и волнения моря на отражение сигнала береговой радиолокационной станции (БРЛС) экспериментально замерить трудно, поскольку волнение моря зависит от ветра. Если море спокойно, не взволновано ветром, отражение радиолокационного сигнала от его поверхности не велико. Когда возникает ветер и его скорость превышает 2,5 м/с, отражение сигнала от морской поверхности быстро возрастает;

-          отражение от моря есть помеха, которая «забивает» БРЛС, создавая ложные цели и затрудняя обнаружение истинных целей.

Так, например, в исследуемом периоде 2001–2014 гг. оператором системы управления движением судов (СУДС) ФГУП «РОСМОРПОРТ» Азово-черноморского бассейнового филиала, в порту Новороссийск, были зафиксированы случаи возникновения ложных целей в районе Южной Озереевки в течение 5 мин., в вечернее время (21:13), при волнении моря 2 балла, скорости ветра 2–3м/с и осадках 4мм/ч Причиной возникновения и скрытого проявления ложных целей является интерференция [3]. Однако в интерференционных зонах возможно не только появление ложных целей, но и «эффект нейтрализации целей», т. е. цель может исчезнуть на некоторое время, что влечет за собой сбой в программном обеспечении, сброс целей (отсутствие координат судов от БРЛС и т. п.). Учитывая изменения диэлектрической проницаемости воздуха, его влажности и свойств подстилающей поверхности (волнение моря), границы интерференционных зон радиолокационного наблюдения могут изменять свое положение случайным образом, в той же мере случайно, как и случайны изменения влажности атмосферы.

Всего в исследуемом периоде техническим персоналом СУДС было отмечено:

-          130 случаев падения дальности обнаружения БРЛС целей из-за роста интенсивности осадков и увеличение волнения моря, десятки случаев нечеткого изображения целей, в зависимости от погодных условий.

-          10 случаев потери информация от БРЛС о навигационной обстановке в зоне действия СУДС продолжительностью от 5 до 22 минут из-за падения уровня сигнала в стволе радиорелейной линии, по причине сильного дождя. Оператор не мог своевременно получить информацию.

-          4 случая несвоевременного получения оператором данных от БРЛС «Пенай» и «Дооб»: дважды порывом ветра были выведены из строя антенны БРЛС; сильный дождь заглушал большинство целей на экране индикатора БРЛС; от удара молнии сгорел предохранитель питания.

Из всех видов осадков наибольшее ослабление дают дождь, туман, облака и мокрый снег, которые влияют на дальность действия сантиметровых БРЛС (λ = 3 см), применяемых в СУДС порта Новороссийск. Ослабление вызывается нерезонансным поглощением в частицах и рассеянием энергии на них. Последнее явление приводит к уменьшению потока энергии в заданном направлении. При резко очерченной границе полосы осадков ослабление может происходить и за счет обратного рассеяния [2]. Погонное ослабление в твердых частицах значительно меньше, чем в жидких каплях из-за меньшей диэлектрической проницаемости воды в твердой фазе.

На примере радиотехнических постов (РТП): «Пенай», «Дооб» СУДС порта Новороссийск, проанализируем и рассчитаем дальность обнаружения целей БРЛС под воздействием осадков для нескольких типов эталонных целей, указанных в [2].

Расчет максимальной дальности действия импульсной БРЛС с учетом влияния земли, тропосферы и метеорологических факторов произведен по формулам:

, ,

где  — энергетический потенциал БРЛС, Р_u — мощность передатчика; η — к.п.д. приемно-передающего тракта; G — коэффициент усиления антенны; λ — длина волны; σ — эффективная площадь рассеяния цели; F — интерференционный множитель; D — расстояние от БРЛС до цели; S — коэффициент затухания в атмосфере.

Параметры оборудования СУДС, используемые при расчете дальности действия БРЛС, приведены в [2].

Коэффициенты затухания электромагнитных волн в атмосфере и гидрометеорах при различной интенсивности осадков, при температуре 18⁰С согласно справочным данным по радиолокации показаны в [5].

Все расчеты выполнены с помощью программы Mathcad 2006.

1. Определим энергетический потенциал БРЛС:

,

Импульсная мощность передатчика: до модернизации P_u= (Вт); P_u= (Вт);

Коэффициент сжатия по мощности: = 1

Коэффициент усиления антенны: G =36 (дБ);

Длина волны: λ =0,03 (м)

К.п.д. приемно-передающего тракта η

Коэффициент потерь по мощности на обработку сигнала в устройствах БРЛС L_n = 3 (дБ);

Чувствительность приемника по входу устройства сжатия сигнала P_рr.min = 110/112 дБ/Вт

Отношение сигнал/шум по мощности:

,

где

Коэффициент направленного действия передающей антенны G1=0,42

Коэффициент направленного действия приемной антенны G2=0,45

Постоянная Больцмана k = Дж/град

Коэффициент шума приемника Kh = 5

Эффективная шумовая температура приемника в градусах Кельвина Т=300К

2. Определим интерференционный множитель с учетом сферичности земли и направленности антенны:

,

где G_пр — коэффициент направленного действия антенны (КНД) в направлении прямого луча; G_отр — КНД в направлении отраженного луча; G_max — КНД в направлении электрической оси антенны; ρ — модуль коэффициента отражения от поверхности моря ρ =2;  — коэффициент расхождения лучей из-за сферичности Земли; ΔD — разность хода прямого и отраженного лучей.

Расстояние от БРЛС до цели D₀ =2000 м. Высоты установки антенн БРЛС над уровнем моря не изменились ha = 50; 109; 101м. Высота судна над уровнем моря H₀=15м. Угол скольжения (угол падения радиолуча, отсчитываемый в горизонтальной плоскости) γ.

3. Максимальная дальность обнаружения морских целей с учетом влияния земли, тропосферы и метеорологических факторов определяется по формуле и представлена на рисунке 1:

,

где ЭПР цели σ = 1000 м²; S — коэффициент затухания электромагнитных волн в атмосфере и гидрометеорах при различной интенсивности осадков при температуре 18⁰С.

На рисунке 1 приведена характерная зависимость дальности (D) обнаружения морских целей (H₀=15м, σ = 1000 м², S=0.058Б/км, ширина диаграммы направленности БРЛС в вертикальной плоскости 19⁰) от угла скольжения для разных состояний волнения моря.

Рис. 1. Зависимость (D(γ)) дальности (D) обнаружения морских целей от угла скольжения (γ). 1 — дальность обнаружения цели для спокойного моря; 2 — дальность обнаружения цели для умеренного волнения моря (3–4 балла)

 

Из этой зависимости следует, что угол скольжения (γ) луча БРЛС, которые имеют разную высоту установки над уровнем моря, играет большое значение.

На рисунках 2, 3 приведены зависимости дальности обнаружения морских целей с помощью БРЛС «Рейтеон» и «Терма», установленных на РТП СУДС порта Новороссийск на разных высотах над уровнем моря, от интенсивности осадков.

Рис. 2. Зависимость дальности обнаружения БРЛС «Рейтеон» целей на РТП «Пенай» с учетом затухания электромагнитных волн в атмосфере при различной интенсивности осадков

 

Рис. 3. Зависимость дальности обнаружения БРЛС «Рейтеон» целей на РТП «Дооб» с учетом затухания электромагнитных волн в атмосфере при различной интенсивности осадков

 

Анализ зависимостей и проведенных расчетов для различных морских объектов позволяют сделать следующие выводы:

-          изменение угла скольжения резко снижает дальность уверенного приема целей, что равносильно попаданию режима наблюдения БРЛС в состояние потери меток целей на экране;

-          с ростом интенсивности осадков и увеличении волнения моря дальность обнаружения БРЛС падает;

-          БРЛС «Рейтеон» при осадках интенсивностью от 5 мм/час и выше не обеспечивает радиолокационное наблюдение в шестимильной зоне, что не соответствует рекомендациям МАМС/IALA по установлению требований к дальности обнаружения для РЛС в составе СУДС.

Таким образом, специфические метеорологические процессы, характерные для порта Новороссийск, оказывают воздействие на дальность обнаружения целей радиолокационных станций системы управления движением судов. Наибольшую опасность для функционирования БРЛС представляют оледенение и ветер — это в первую очередь касается антенно-мачтовых сооружений (антенно-фидерных устройств) и подвесных линий электропередачи, а также осадки, поскольку именно они влияют на распространение радиоволн в пространстве.

Предлагаемый способ расчета можно использовать для анализа качества функционирования БРЛС всех существующих СУДС.

 

Литература:

 

1.      Руководство по гидрометеорологическому обеспечению морской деятельности. М.: Росгидромет, 2009. — С.135.

2.      Тюфанова, А. А. Методика анализа эксплуатационной надежности технических средств системы управления движением судов на примере порта Новороссийск/ А. А. Тюфанова. — Казань: Изд-во «Бук», 2015. — 104 с.

3.      Тюфанова, А. А. Методика интерференционного анализа конфигурации береговых радиолокационных станций в районе действия системы управления движением судов, на примере порта Новороссийск [Тескт] /А. А. Тюфанова// Транспортное дело России № 3(112). — М: Морские вести России, 2014.

4.      Системы управления движением судов. Технико-эксплуатационные требования № МФ с2–22/848–70. М.: 2002.

5.      Васин, В. В. Справочник-задачник по радиолокации./ В. В. Васин. — М.: Советское радио, 1977. — С. 243.