Principles of construction and basic characteristics of perspective noiseproof course-glide system

Full Text

Введение

Анализ возможностей известных курсо‑глиссадных систем (КГС) [1–6] показывает, что по сути функционирования эти системы являются системами извлечения информации, обеспечивающими безопасность посадки самолетов и идентификацию аэропортов. У экипажа имеется возможность приема сообщений от диспетчера. Поэтому традиционные КГС имеют недостатки, связанные с наличием в КГС генератора несущего сигнала. Это увеличивает энергопотребление, стоимость и массогабаритные характеристики. Отсутствуют частотная и пространственная селекции сигнала и помехи. Отражения сигналов КГС, возникающие из-за наличия различных объектов в ее области действия, например, гор, холмов, домов, ангаров, самолетов и автомобилей создают определенные искажения сигналов (помехи) для систем летательных аппаратов (ЛА), определяющих местоположение относительно глиссады. Кроме того, известная КГС может служить только для прямых заходов, поскольку линия равной интенсивности маяков всего одна.

В данной работе делается попытка разработки предложений по устранению указанных недостатков. Для этого целесообразно проанализировать существующие и перспективные способы радиосвязи и системы их реализации.

1. Новый способ радиосвязи для перспективных курсо-глиссадных систем

В традиционных системах радиосвязи дальность связи ограничивается пределом прямой видимости при крупных препятствиях и условиями дифракции электромагнитных волн при препятствиях, размеры которых малы по сравнению с длиной волны или соизмеримы с ней. Для устранения такого ограничения используется способ радиосвязи, отличающийся тем, что при больших расстояниях между абонентами, превышающих пределы прямой видимости, для переотражения модулированного сигнала одного абонента в сторону другого абонента, в интересах огибания препятствия, используют искусственные или естественные неоднородности. Реализация этого способа осуществляется путем использования ионосферы в качестве естественной неоднородности. В качестве искусственной неоднородности могут быть использованы экраны в виде сеток, выполненных из металлических проводников. Этот способ и система его реализации имеют недостатки, состоящие в том, что, третий абонент, находящийся вблизи неоднородности, без традиционного приемопередатчика не может принимать участия в процессе обмена информацией. Для устранения этих недостатков может быть использован способ радиосвязи (рис. 1), отличающийся от предыдущего тем, что в качестве искусственной неоднородности используется пассивная или активная управляемая слоистая неоднородная структура (СНС) отражательного типа.

 

Рис. 1. Система реализации способа радиосвязи на основе пассивной или активной СНС отражательного типа

Fig. 1. A system for implementing radio communications based on a passive or active SNS of a reflective type

 

Выбор параметров управляемых слоев (УС) и неуправляемых слоев (НС) (толщин диэлектрических слоев и проводимостей решеток проводящих элементов) таких СНС осуществляется по критерию одновременного обеспечения демодуляции падающего сигнала и модуляции отраженного сигнала [7–16]. Этот способ радиосвязи является радиотехническим аналогом известного способа получения информации человеком об окружающем мире в отраженном и преобразованном естественном (солнечном, лунном) или искусственном свете (в оптическом диапазоне) [10].

2. Варианты построения управляемых слоистых неоднородных структур для предлагаемых курсо‑глиссадных систем

На основе этого способа радиосвязи может быть построена КГС, практически свободная от известных недостатков. Предлагаемая КГС может содержать сверхвысокочастотную (СВЧ) антенну (например, линзу Люнеберга для формирования широкой диаграммы обратного рассеяния‑ ДОР), на полусфере которой расположена управляемая СНС, и плоскую управляемую СНС для формирования узкой ДОР. СНС состоит из управляемого слоя (УС‑решетка с нелинейными элементами) и неуправляемых слоев (НС ‑ диэлектрических слоев, неуправляемых решеток и проводящего экрана). Микрофон, наушники и источник низкочастотного (НЧ) управляющего сигнала подключены к УС. КГС размещается в радиопрозрачном обтекателе.

Благодаря этому СНС обеспечивает функции антенны, модулятора, демодулятора, согласующего устройства и фильтра. Первый и второй абоненты с традиционными приемопередающими станциями (1, 2) расположены в одном и том же полупространстве относительно плоскости неоднородности. Третий абонент находится в месте расположения СНС (3) и имеет возможность с ее помощью принимать, демодулировать сигналы первого и второго абонентов и регистрировать с помощью устройства (4). Одновременно переотраженный сигнал первого абонента может быть с помощью СНС промодулирован информационным сигналом третьего абонента с некоторой поднесущей частотой, который формируется с помощью устройства (5), и передан второму абоненту. Переотраженный сигнал второго абонента может быть с помощью СНС промодулирован информационным сигналом третьего абонента и передан первому абоненту.

Для построения и функционирования предлагаемой КГС функции первого и второго абонентов совмещаются на ЛА. Это бортовая РЛС и летчик. Третий абонент‑это диспетчер аэродрома с КГС. Управляемые СНС могут быть использованы совместно с различными другими апертурными антеннами (антенной Кассэгрена, антенной Грегори, уголковыми отражателями, волноводно-рупорными решетками и т. д.). На рис. 2 показаны возможные варианты совместного использования апертурных антенн и СНС.

Благодаря этому переотражение обеспечивается в заданном диапазоне углов (в заданном секторе пространства, определяемом шириной моностатической диаграммы обратного рассеяния – ДОР) только в сторону ЛА, заходящего на посадку. При этом сохраняется равносигнальная зона (линия равной интенсивности). Поэтому имеется возможность захода на посадку в широком секторе углов. Отсутствуют отражения сигналов КГС, возникающих из-за присутствия разных объектов в ее области действия, например, домов, ангаров. Находящиеся вблизи радиомаяков самолеты и автомобили практически не вызывают искажения сигналов. Это связано с малой шириной бистатической ДОР. Таким образом, третий абонент, не имеющий источника несущего сигнала, оказывается полноправным участником процесса обмена информацией и с первым и со вторым абонентами. Достоинством такого способа является повышенная (по сравнению с обычным способом радиосвязи) скрытность передачи информации третьим абонентом и помехозащищенность, достигаемая за счет пространственной и частотной селекции полезного сигнала и помехи. Применение управляемых СНС с различными обратно-направленными отражателями позволяет перенести спектр несущей частоты в ту область спектра, где фоновый сигнал отсутствует и, следовательно, получить четкое изображение на экране РЛС. Перенос спектра частот в необходимую область можно осуществить, например, при помощи -манипуляции фазы отраженного сигнала. В качестве несущего сигнала третьим абонентом используется отраженный от неоднородности сигнал первого и второго абонента, следствием чего является осуществление радиосвязи между тремя абонентами на несущих сигналах первого и второго абонентов.

В результате формируются новые перспективные радиотехнические системы– системы, состоящие из совокупности обыкновенных обратно-направленных отражателей или типовых антенн и СНС. Такие системы переотражают в заданном направлении (на источник падающего сигнала) и с заданной шириной моностатической и бистатической ДОР) высокочастотный сигнал (в общем случае – на гармониках падающего сигнала), амплитуда и фаза которого оказываются модулированными по заданному закону. В этом режиме к управляемому слою подключен источник первичного сигнала. Если параметры падающего сигнала промодулированы информационным сигналом, то при подключении к управляемому слою наушников возможна демодуляция падающего сигнала. Оба режима могут функционировать совместно. Для этого необходима оптимизация параметров неуправляемых слоев по выбранному критерию. В случае использования уголковых отражателей (рис. 2, а) СНС отражательного типа размещается на одной или нескольких гранях. При использовании линзы Люнеберга СНС отражательного типа располагается на определенной части сферы (рис. 2, б). При использовании волноводно-рупорных решеток СНС отражательного или смешанного типа включается внутри каждого волновода (рис. 2, в). При этом ширина моностатической ДОР составляет примерно $\phi =\pm ({35}^{\circ }÷{40}^{\circ }),$ то есть примерно 70–80 градусов. Нормированные моностатические ДОР на основной (первой) гармонике падающего сигнала приведены на рис. 3.

 

Рис. 2. Варианты совместного использования СНС с уголковым отражателем (а), линзой Люнеберга (б) и волноводной решеткой (в)

Fig. 2. Options for joint use of SNS with a corner reflector (a), a Luneberg lens (b) and a waveguide grating (c)

 

Рис. 3. Типичные моностатические (при совпадении углов падения волны от ЛА и углов измерения отраженного сигнала) ДОР линзы Люнеберга при периоде решетки УС, большем длины волны (а, б), при периоде решетки УС, меньшем половины длины волны (в, г), синфазном питании диодов в соседних столбцах решетки УС (а, в) и противофазном питании (б, г)

Fig. 3. Typical monostatic (when the angles of incidence of the wave from the aircraft and the angles of measurement of the reflected signal coincide) DOR of the Luneberg lens with the US grating period greater than the wavelength (a, b), with the US grating period less than half the wavelength (c, d), common-mode power supply of diodes in adjacent columns of the US array (a, c) and anti-phase power supply (b, d)

 

Ширина $\theta$ бистатической ДОР определяется поперечным размером антенны (диаметром линзы D) и длиной облучающей волны $\lambda$ $(\theta =\lambda D^{-1}{\mathrm{57,3}}^{\circ }).$ Например, при длине волны $\lambda =3$ см, $D=40$ см ширина бистатической ДОР составляет примерно $\theta ={\mathrm{4,3}}^{\circ }.$ Экспериментальные бистатические ДОР плоской СНС с периодом решетки УС, меньшим половины длины волны, приведены на рис. 4–5 [7–10; 16]. На рис. 4 нормированные ДОР соответствуют углам падения волны 0°, 22° и 30°. Принятые обозначения соответствуют нормированным ДОР на 1-й (– - – - –) и 2-й гармониках падающей электромагнитной волны, причем (– – –) – главный максимум 2-й гармоники и (––––––) – добавочный максимум 2-й гармоники. Пусть нелинейные элементы (диоды) располагаются с периодом в половину длины волны. Тогда количество диодов на полусфере 1110 шт. Количество диодов на плоской СНС 710 шт.

 

Рис. 4. Типичные бистатические (при разносе углов падения волны от ЛА и углов измерения отраженного сигнала) ДОР на плоскую СНС при синфазном питании диодов в соседних столбцах решетки УС

Fig. 4. Typical bistatic (when the angles of incidence of the wave from the aircraft and the angles of measurement of the reflected signal are separated) DOR to a flat SNS with in-phase power supply of diodes in adjacent columns of the US array

 

На рис. 5 ДОР соответствуют углам падения 0°, 21° и 29°.

 

Рис. 5. Типичные бистатические (при разносе углов падения волны от ЛА и углов измерения отраженного сигнала) ДОР на плоскую СНС при противофазном питании диодов в соседних столбцах решетки УС

Fig. 5. Typical bistatic (when the angles of incidence of the wave from the aircraft and the angles of measurement of the reflected signal are separated) DOR to a flat SNS with anti-phase power supply of diodes in adjacent columns of the US array

 

При увеличении периода решетки УС пропорционально уменьшается количество диодов. ДОР становится многолучевой. При противофазном питании диодов в соседних столбцах решетки УС в каждом лепестке ДОР появляется провал (рис. 5). В случае использования параболического зеркала СНС отражательного типа помещается в фокусе (рис. 6, а). Размер фокусного пятна составляет примерно $\mathrm{1,5}\lambda \times \mathrm{1,5}\lambda .$ Количество диодов уменьшается до 9 шт. В составе бифокальной линзы СНС отражательного типа включается в фокусе (рис. 6, б). При использовании двух бифокальных линз СНС смешанного типа включается в фокусе между линзами (рис. 6, в). Независимо от конструктивных особенностей и использования типов антенн или отражателей основным (базовым) элементом (узлом) в каждом типе описанных радиотехнических систем является СНС [7–16]. Независимо от выбора структуры СНС основным принципом их построения является определение значений параметров неуправляемых и управляемых слоев, при которых обеспечивается возможность реализации с их помощью предлагаемых способов радиосвязи, основанных на комплексировании функций многих радиотехнических устройств в одном [7–10].

 

Рис. 6. Варианты совместного использования СНС отражательного типа с зеркальной антенной (а), бифокальной линзой (б) и СНС смешанного типа с двумя бифокальными линзами (в)

Fig. 6. Options for joint use of a reflective type SNS with a reflector antenna (a), a bifocal lens (b) and a mixed type SNS with two bifocal lenses (c)

 

Одним из главных недостатков известных подсистем навигации и посадки можно выделить высокую мощность потребляемой энергии питания, а следовательно, невозможность применения в отдельных районах в экстремальных ситуациях, в условиях наличия помех и режима молчания. Возможность использования современных РЛС летательных аппаратов ограничена погрешностью привязки к определенной местности, т. к. порой значительные фоновые помехи от второстепенных элементов земной и надводной поверхности затрудняют или приводят к невозможности выделения места посадки.

Предлагаемые новые радиотехнические системы могут быть использованы для решения и других задач. Варианты размещения и количество размещаемых отражателей выбираются из условий решаемых задач. К числу таких задач можно отнести определение точек земных координат; определение точки десантирования личного состава и выброски грузов; определение границ взлетно - посадочной полосы, ее заданного посадочного курса; применение в качестве индивидуальных средств спасения экипажей морских и воздушных судов; имитация движения техники с заданной скоростью; создание помех.

3. Экспериментальные исследования управляемых слоистых неоднородных структур как основных узлов предлагаемых курсо‑глиссадных систем

Макеты управляемых СНС, содержащие различное количество управляемых и неуправляемых слоев, исследовались на предмет определения возможности одновременного или последовательного обеспечения функций усилителей и генераторов, модуляторов и демодуляторов, преобразователей и умножителей частоты, согласующих устройств и фильтров (рис. 7–13) [7–16]. Получены экспериментальные результаты, показывающие возможность однократной и двойной амплитудной и фазовой модуляции проходного или отраженного сигнала, амплитудной и фазовой демодуляции падающего сигнала с помощью этих макетов без изменения параметров неуправляемых слоев при переходе от режима модуляции к режиму демодуляции. Теоретические и экспериментальные результаты (характеристики и параметры) удовлетворительно совпадают.

 

Рис. 7. Макеты КГС в виде плоской СНС смешанного типа с перестраиваемыми толщинами слоев (а) и плоской СНС отражательного типа с постоянными (не перестраиваемыми) параметрами (б)

Fig. 7. Models of CGS in the form of a flat mixed-type SSS with tunable layer thicknesses (a) and a flat reflective-type SSS with constant (non-tunable) parameters (b)

 

Рис. 8. Макеты КГС в виде волноводно-рупорной решетки с использованием СНС внутри волноводов (а) и с использованием СНС отражательного типа и параболического рефлектора (б)

Fig. 8. Models of CGS in the form of a waveguide-horn grating using SNS inside waveguides (a) and using SNS of a reflective type and a parabolic reflector (b)

 

Рис. 9. Макет КГС на основе волноводно-рупорной решетки и линзы Люнеберга в разобранном (а) и собранном виде (б)

Fig. 9. Model of the CGS based on a waveguide-horn grating and a Luneberg lens, disassembled (a) and assembled (b)

 

На рис. 12 показаны типичные зависимости модулей и фаз коэффициентов отражения СНС от частоты в двух состояниях УС, определяемых двумя уровнями управляющего сигнала, в режиме обеспечения -манипуляции фазы отраженного сигнала (разность фаз $\Delta \phi ={\phi }_2-{\phi }_1=$${180}^{\circ };$ отношение модулей коэффициентов отражения СНС $m=H_2\times H_1^{-1}=1)$ на средней частоте $f_0=830$ МГц.

 

Рис. 10. Макет КГС на основе пассивной СНС отражательного типа и бифокальной линзы на борту самолета Ил-14 (а) и установка для измерения модуля и фазы коэффициента отражения макета управляющего устройства СВЧ на основе пассивной СНС отражательного типа и бифокальной линзы в двух состояниях управляемых элементов под бортом самолета Ил-14 (б)

Fig. 10. A model of the CGS based on a passive reflective type SNS and a bifocal lens on board an IL-14 aircraft (a) and an installation for measuring the modulus and phase of the reflection coefficient of a microwave control device layout based on a passive reflective type SNS and a bifocal lens in two states of controlled elements under board of the Il-14 aircraft (b)

 

Рис. 11. Внешний вид генератора низкочастотных управляющих сигналов

Fig. 11. Appearance of the generator of low-frequency control signals

 

Рис. 12. Примеры зависимостей модулей (а) и фаз (б) коэффициентов отражения СНС от частоты в двух состояниях УС, определяемых двумя уровнями управляющего сигнала

Fig. 12. Examples of the dependences of the modules (a) and phases (b) of the SNS reflection coefficients on the frequency in two states of the US, determined by two levels of the control signal

 

Рис. 13. Зависимость широкополосности СНС с одним пассивным  управляемым слоем на основе параметрических диодов ПД и p-i-n диодов, содержащих со стороны свободного пространства два диэлектрических слоя (1) и один диэлектрический слой и неуправляемую решетку ( 2 ), от количества оптимизируемых параметров при ограничениях $\mathbf{(}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{\le }\mathit{m}\mathbf{\le }\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{;}\mathbf{ }\mathbf{160}\mathbf{°}\mathbf{\le }\mathit{\Delta }\mathit{\phi }\mathbf{\le }\mathbf{200}\mathbf{°}\mathbf{)}$  (3) и $\mathbf{(}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{\le }\mathit{m}\mathbf{\le }\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{;}\mathbf{ }\mathbf{80}\mathbf{°}\mathbf{\le }\mathit{\Delta }\mathit{\phi }\mathbf{\le }\mathbf{100}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (4)

Fig. 13. Dependence of the bandwidth of SNS with one passive controllable layer based on parametric PD diodes and pin diodes containing two dielectric layers (1) and one dielectric layer and an uncontrolled grating (2) on the side of free space on the number of optimized parameters under restrictions ($\mathbf{(}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{\le }\mathit{m}\mathbf{\le }\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{;}\mathbf{ }\mathbf{160}\mathbf{°}\mathbf{\le }\mathit{\Delta }\mathit{\phi }\mathbf{\le }\mathbf{200}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (3) and $\mathbf{(}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{\le }\mathit{m}\mathbf{\le }\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{;}\mathbf{ }\mathbf{80}\mathbf{°}\mathbf{\le }\mathit{\Delta }\mathit{\phi }\mathbf{\le }\mathbf{100}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (4)

 

Рабочая полоса частот СНС зависит от количества N оптимизируемых параметров НС. Пусть  ‑ количество параметров, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений $m$ и $\Delta \phi$ на средней частоте [10]. На рис. 13 показаны типичные зависимости относительной рабочей полосы частот СНС от количества оптимизируемых параметров НС при двух вариантах ограничений на m и $\Delta \phi .$

Заключение

Анализ известной литературы [1–16] показывает, что все возможности, имеющиеся в известных КГС, сохраняются в предлагаемой КГС, основанных на использовании СНС. Многие недостатки, имеющиеся в известных КГС, в предлагаемой КГС практически отсутствуют. Предлагаемая КГС может быть использована для решения многих задач, которые с помощью известной КГС решить нельзя. К таким задачам относятся имитация движущихся и стационарных объектов вооружения и военной техники; скрытная передача информации в условиях отсутствия собственного источника несущего сигнала; радиоэлектронное подавление систем радиосвязи и управления, радиолокационных систем управления оружием вероятного противника.

About the authors

Alexander A. Golovkov

Military Educational and Scientific Centre of the Air Force N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy (Voronezh) the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: vaiu@mil.ru

Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Aviation Systems and Radio Navigation and Radio Communication Complexes

Russian Federation, Voronezh

Vladimir A. Golovkov

Military Educational and Scientific Centre of the Air Force N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy (Voronezh) the Ministry of Defence of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: valgol2595@gmail.com

junior researcher of the department

Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files