Особенности работы современного средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП)

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

165

ОГЛАВЛЕНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

1. История развития

1.1 Требования ИМО к РЛС и САРП

1.1.1 Технико-эксплуатационные требования к судовым РЛС

1.1.2 Технико-эксплуатационные требования к САРП

2. Принцип функционирования РЛС/САРП

2.1 Сущность и принцип функционирования РЛС

2.1.1 Узлы и устройства РЛС

2.1.2 Какие сигналы используются в радиолокации

2.1.3 Какие сигналы воздействуют на вход РЛС

2.1.4 Как принимать решение о наличии радиолокационной цели

2.1.5 Какие ошибки возникают при принятии решения

2.1.6 Когда и по каким критериям принимать решение

2.1.7 Пути повышения точностных характеристик

2.2 Эксплуатационные и технические характеристики импульсной РЛС

2.2.1 Максимальная дальность

2.2.2 Минимальная дальность

2.2.3 Разрешающая способность по дальности

2.2.4 Разрешающая способностью по направлению

2.2.5 Теневые сектора

2.2.6 Ложные эхо-сигналы

2.2.7 Точность измерения координат

2.2.8 Погрешности датчиков информации

2.3 Сущность и принцип работы САРП

2.3.1 Дискретизация радиолокационного сигнала. Теорема Котельникова

2.3.2 Обработка радиолокационной информации и перевод ее в цифровую

2.3.3 Принципы автоматической обработки эхо-сигналов

2.3.4 Измерение навигационных параметров: дистанции, скорости и координат при автоматическом сопровождении целей

2.3.5 Современные радар-процессоры

2.3.6 Направления в развитии качества обработки радиолокационной информации

2.4 Основные задачи, решаемые в современных РЛС/САРП

2.4.1 Определение места судна

2.5 Ограничения, которые необходимо иметь в виду при работе с РЛС и САРП

2.5.1 Ограничения РЛС

2.5.2 Ограничения САРП

3. Совместное использование АИС и САРП

3.1 Назначение и развитие систем АИС

3.2 Общие требования к системам АИС

3.2.1 Требования к базовым станциям АИС

3.2.2 Требования к обработке информации АИС

3.2.3 Требования к отображению информации АИС

3.3 Эксплуатационно-технические параметры АИС

3.4 Использование АИС на судах

3.5 Современное оборудование АИС

3.6 Современное оборудование САРП

3.7 Ошибки системы. Совместное получение информации

4. Надёжность, доступность системы, резервирование

5. Вспомогательная информация, используемая в РЛС для повышения качества получаемой информации

5.1 Отображение картографической информации на экране дисплея

5.2 Настройка РЛС с целью адаптации под конкретные условия наблюдения

6. Практическое использование САРП и АИС

7. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

7.1 ОХРАНА ТРУДА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

SUMMARY

ПРИЛОЖЕНИЯ

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Устройство компьютерной индикации, совмещенное со средствами автоматической радиолокационной прокладки (САРП) и с электронной картографической системой, размещаемых в ходовой рубке судна, стало информационным ядром, в котором сосредотачивается вся информация, необходимая судоводителю. С появлением систем автоматизированной радиолокационной прокладки всё изменилось - появились специальные платы - радар-процессора, способные подвергать информацию от приёмника сигнала вторичной обработке, автоматизируют процесс расчёта параметров движения судов - их курса и скорости. Но у САРП, помимо преимуществ, есть и определенные ограничения, налагаемые среди прочего и техническими точностными особенностями используемых радар-процессоров. Информация содержит данные не только о навигационных параметрах целей в окружающем пространстве, но и о навигационных параметрах собственного судна, такие как координаты, скорость, путевой угол, истинный курс и пр. Радиолокационное изображение может накладываться на электронную карту, возможно планирование маршрута, автоматизированное вождение судна по заданному маршруту. САРП намного облегчает работу судоводителя в сложных навигационных условиях, позволяет проигрывать маневры по расхождению судов, которые предполагается производить по истечении некоторого времени.

Данная дипломная работа, как следует из названия, посвящена одной из важнейших систем, обеспечивающих безопасность современного судна - САРП. Соответственно, в ней буду рассмотрены принципы обработки радиолокационного изображения, особенности перевода информации, получаемой от радара, в цифровую форму. Также будут оговорены основные требования ИМО и других профильных организаций к радиолокационному оборудованию, рассмотрена интеграция САРП и других важных судоводителю приборов. В работе приведена примерная оценка точности современных радиолокационных систем и возможности дальнейшего их развития.

1. История развития

В наше время наличие на судне РЛС стало де-факто стандартом, отсутствие на мостике современного судна радара или САРП может привести штурмана в недоумение. Однако, как вы понимаете, такое было далеко не всегда. Начало развитию радиолокации в нашей стране было положено ещё известным ученым Поповым А.С., изобретателем радио. Именно им был впервые замечен эффект отражения радиоволн от металлических объектов.

Первые работы по созданию радиолокационных систем начались в нашей стране в середине 30-х годов. Впервые идею радиолокации высказал научный сотрудник Ленинградского электрофизического института (ЛЭФИ) П.К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения.

16 января 1934 года в Ленинградском физико - техническом институте (ЛФТИ) под председательством академика А.Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА поставили задачу обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях. За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. Уже летом 1934 года группа энтузиастов, среди которых были Б.К. Шембель, В.В. Цимбалин и П.К. Ощепков, представила членам правительства опытную установку. Проект получил необходимое финансирование и в 1938 году был испытан макет импульсного радиолокатора, который имел дальность действия до 50 км при высоте цели 1,5 км. Создатели макета Ю.Б. Кобзарев, П.А. Погорелко и Н.Я. Чернецов в 1941 году за разработку радиолокационной техники были удостоены Государственной премии СССР. Дальнейшие разработки были направлены в основном на увеличение дальности действия и повышение точности определения координат. Станция РУС- 2 принятая летом 1940 года на вооружение войск ПВО не имела аналогов в мире по своим техническим характеристикам , она сослужила хорошую службу во время Великой Отечественной войны при обороне Москвы от налетов вражеской авиации. После войны перед радиолокационной техникой новые сферы применения во многих отраслях народного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение. За последние десятилетия радиолокационная техника неузнаваемо изменилась.

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС : у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см2).

Параллельно с исследованиями российских, а затем и советских ученых, над проблемой радиолокации трудились также в ряде европейских стран, а также в США. Отметим вкратце эти этапы становления и развития радиолокации.

Часто считают, что РЛС была британским изобретением, возможно потому, что британцы первыми начали ее систематическое использование для задач ПВО. Однако, в действительности, исследования велись параллельно также в Германии, Италии, Франции и Соединенных Штатах.

Базовые принципы работы РЛС были сформулированы уже достаточно давно и были известны всем. В 1888 году, немецкий физик Генрих Герц доказал, что электромагнитные волны, которые после этого стали называть волнами "Герца", ведут себя подобно лучам света, и могут быть собраны в один луч, и отражаться от металлической поверхности, давая ответный сигнал, который может быть принят.

Через несколько лет, в 1904 году, инженер из Дюссельдорфа по имени Христиан Хулсмайер затребовал патент на изобретенный им "радиофонический измерительный аппарат", который состоял из расположенных рядом передатчика и приемника. Эти устройства были объединены таким образом, что волны, излучаемые передатчиком, запускали приемник, если они отражались от металлического объекта. Этот аппарат, который немецкий инженер назвал телемобилскопом, был способен принимать звуки, подобные звону колокольчика, принимая отраженные электромагнитные волны от металлических объектов на расстоянии нескольких сотен ярдов.

Небольшой шаг был сделан в 1922 году, когда Гильермо Маркони, во время конференции, проводившейся Институтом американских радиоинженеров, разъяснил практическую ценность использования радиоволн для навигации на море. Он рассказал о предполагаемом аппарате, способном излучать электромагнитный луч в определенном направлении, который при встрече с металлическим объектом, вроде корабля, отражался бы назад.

В 1933 году, в присутствии итальянского военного командования, Маркони продемонстрировал "интерференцию" при приеме сигналов, которая возникала при проезде автомобиля рядом с радиолучом радиостанции связывавшей Рим и Кастенгандолфо, работавшей на длине волны 90 см.

Инициатива Маркони закончилась формальным предложением, которое было одобрено Министерством войны Италии в 1935 году, о постройке Радио-детекторного телеметра (RDT).

Однако, наиболее важный вклад в разработку РЛС был сделан двумя американскими физиками - Грегори Брейтом и Мерле Туве в 1924 году. Они провели серию экспериментов, в которых использовали радиоимпульсы для определения высоты слоя ионизированного газа, который окружает Землю. Измеряя время задержки отраженного от газового слоя импульса и его возвращения к Земле, они обнаружили, что ионизированный газовый слой находится на высоте примерно 110 км и, что он отражает радиоволны.

В Германии, в начале 1930 года, доктор Рудольф Кунхольд, руководитель Управления исследований германских ВМС, пытался разработать аппарат способный обнаруживать под водой цели методом отражения от них звуковых волн; в настоящее время такой аппарат называется сонаром. Проводя свои эксперименты, доктор Кунхольд понял, что достижимо под водой может быть также достигнуто и в воздухе при помощи радиоволн. Он провел в этой новой области серию экспериментов и применил в своем приборе новую электронную лампу производства голландской компании Philips, способную генерировать мощность 70 Вт на частоте 600 МГц - что было довольно внушительно в то время. Кунхольд закончил постройку своей РЛС в 1934 году в научно-исследовательских лабораториях германских ВМС в Пелзерхакене. Представление нового аппарата высокопоставленным военно-морским офицерам имело большой успех, поскольку кроме способности обнаруживать корабль на дальности 11 км РЛС также, обнаружила и небольшой самолет, который случайно появился в том месте.

В Соединенных Штатах, исследования по РЛС велись и в Управлении Signal Corps, и в исследовательской лаборатории ВМС, работавших независимо. В 1936 году, исследовательская лаборатория ВМС разработала опытный образец РЛС, которая работала на частоте 200 MГц. Первая серия этих систем, под торговой маркой CXAM, в 1941 году была установлена на кораблях основных соединений ВМС. В 1939 - 1941 годах Signal Corps разработало большой дальности РЛС под обозначением SCR-270. Одна из таких систем принимала участие в отражении атаки японцев на Перл-Харбор утром 7 декабря 1941 года. Однако, хотя оператор РЛС и получил ответные сигналы от приближающихся самолетов, никто не привел корабли, стоявшие в порту, в боевую готовность.

Первоначально, в Великобритании, исследования в области коротких волн велись исключительно в научных целях, типа определения высоты некоторых слоев ионосферы, обнаруженных в 1926 году британским физиком Е.В. Апплетоном (слои Апплетона). Однако, на горизонте собирались грозовые тучи войны и понимание того, что Великобритания особенно уязвима для воздушных налетов, привело к значительному стимулированию научных работ в попытке наверстать упущенное время.

Первые результаты этих работ были получены, когда физику Роберту А. Уотсону-Ватту - потомку известного Джеймса Ватта, давшего свое имя единице измерения электрической энергии, удалось визуализировать радиосигналы при помощи катодно-лучевой трубки Брауна и определить электро-оптическим способом время распространения излучения. Через несколько лет, в 1935 году, Уотсон-Ватт разработал первое практически применимое оборудование для обнаружения присутствия самолетов.

РЛС, как считается, не является инструментом РЭБ; это, скорее, главная цель РЭБ - противник, которому следует противодействовать. РЛС - электронный глаз, который может видеть в темноте и тумане и, который может проникать через дымовые завесы. Она может обнаруживать приближение противника на намного больших расстояниях, чем не вооруженный человеческий глаз; она может наводить орудийный огонь в условиях плохой видимости и может даже обеспечить информацией о топографических особенностях местности.

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму (наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий.

1.1 Требования ИМО к РЛС и САРП

Согласно Резолюции А.823 (19) ИМО от 23 ноября 1995г., средства радиоэлектронного наблюдения подразделяются на:

СЭП (EPA) - средства электронной прокладки. Минимальный диаметр экрана 180 мм. Может сопровождать 10 целей. Устанавливается на судах от 300 до 500 рег.тонн

САС (АТА) - средства автоматического сопровождения. Минимальный диаметр экрана 250 мм. Может сопровождать 10 целей. Устанавливается на судах от 500 до 1000 рег.тонн

САРП (ARPA) - Средства автоматической прокладки. Минимальный диаметр экрана 340 мм. Может сопровождать от 20 целей. Устанавливается на судах от 10000 рег.тонн обязательно.

1.1.1 Технико-эксплуатационные требования к судовым РЛС

Ассамблея, принимая во внимание Статью 16 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи, принимая во внимание Правило 12 Главы 5 Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г., с учетом уточнений, принимая во внимание Резолюцию А.222(7), касающуюся технико-эксплуатационных параметров РЛС, признавая желательным согласовать такие требования к технико-эксплуатационным параметрам судовых РЛС с технико-эксплуатационными требованиями к САРП (Резолюция А.422(11)) и рекомендаций к радиолокационным маякам-ответчикам (Резолюция А.423(11)), учитывая Рекомендации 41-й сессии Комитета по безопасности мореплавания:

принимает Рекомендации по технико-эксплуатационным требованиям к параметрам судовых РЛС, которые указаны в приложении к настоящей Резолюции

рекомендует Правительствам, чтобы:

технико-эксплуатационные параметры судового радиолокационного оборудования, устанавливаемого с 1 января 1984 г., не уступали параметрам, указанным в приложении к настоящей Резолюции

технико-эксплуатационные параметры судового радиолокационного оборудования, установленного до 1 января 1984 г., по крайней мере удовлетворяли параметрам, указанным в Резолюции А.222(7).

1. Область применения.

1.1. Данные технико-эксплуатационные требования относятся ко всему судовому радиолокационному оборудованию, установленному с 1 января 1984 г. В соответствии с правилом 12 ( в уточненной редакции) Главы 4 Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г.

1.2. РЛС, установленные до 1 января 1984 г., должны по крайней мере удовлетворять технико-эксплуатационным требованиям, рекомендуемым Резолюцией А.222(7).

2. Назначение.

Радиолокационная станция (РЛС) должна обеспечивать индикацию относительного положения судов, других надводных объектов, буев, береговой черты и навигационных знаков так, чтобы способствовать навигации и предупреждению столкновений.

3. Требования.

Все РЛС должны соответствовать следующим минимальным требования.

3.1. Максимальная дальность.

При нормальных условиях распространения, когда антенна РЛС расположена на высоте 15 м над уровнем моря, при отсутствии помех от моря РЛС должна обеспечивать четкую индикацию:

3.1.1. Береговой черты -

при высоте берега до 60 м на расстоянии 20 миль

при высоте берега до 6 м на расстоянии 7 миль

3.1.2. Надводных объектов -

судов валовой вместимостью 5000 т на расстоянии 7 миль независимо от ракурса

небольшого судна длиной 10 м на расстоянии 3 мили

объектов, аналогичных навигационному бую, имеющих эффективную поверхность рассеивания приблизительно 10 кв.м на расстоянии 2 мили

Параметры РЛС должны быть такими, чтобы при бортовой и килевой качках ±10° характеристики обнаружения удовлетворяли этим требованиям.

3.2. Минимальная дальность.

Надводные объекты, указанные в п. 3.1.2. настоящих Рекомендаций, должны быть четко видны с минимального расстояния 50 м до расстояния 1 миля при неизменном положении органов управления, кроме переключателя шкал дальности.

3.3. Индикатор.

3.3.1. Без применения внешних увеличительных устройств индикатор должен обеспечивать отображение относительного движения при ориентации относительно диаметральной плоскости судна без стабилизации на экране с эффективным диаметром не менее чем

180 мм для судов валовой вместимостью от 500 до 1600 т.

250 мм для судов валовой вместимостью от 1600 до 10000 т.

340 мм при наличии на судне одного индикатора и 250 мм в случае установки второго индикатора для судов валовой вместимостью 10000 т и выше.

(*Обеспечиваются на ЭЛТ с диаметром 9, 12 и 16 дюймов соответственно)

3.3.2. Индикатор должен предусматривать один из двух наборов шкал дальности:

1.5, 3, 6, 12 и 24 мили и одна шкала с номиналом более 0.5 и менее 0.8 мили либо

1, 2, 4, 8, 16 и 32 мили

Могут быть предусмотрены дополнительные шкалы.

3.3.3. В любое время должна предусматриваться четкая индикация выбранной шкалы дальности и интервала между кольцами дальности.

3.4. Измерение дальности.

3.4.1. Для измерения дальности должны быть предусмотрены неподвижные электронные кольца дальности;

Для набора шкал, соответствующих требованию подпункта 3.3.2.1, на шкале с номиналом более 0.5 и менее 0.8 мили должно обеспечиваться, по крайней мере 2 кольца дальности и для каждой из остальных шкал - по 6 колец дальности

Для набора шкал дальности, соответствующих требованию подпункта 3.3.2.2, на каждой шкале должно быть 4 кольца дальности

3.4.2. Подвижный электронный маркер дальности должен иметь цифровой отчет.

3.4.3. Неподвижные кольца дальности и неподвижный маркер дальности должны обеспечивать измерения дальности до объекта с погрешностью, не превышающей 1.5% от максимального значения используемой шкалы или 70 м, в зависимости от того, что больше.

3.4.4. Должна быть предусмотрена возможность изменения яркости подвижных колец дальности и неподвижного маркера дальности до полного снятия с экрана.

3.5. Отметка курса.

3.5.1. Курс судна должен указываться на экране с максимальной погрешностью не более ±1є. Ширина линии отметки курса должна быть не более 0.5є.

3.5.2. Должны быть приняты меры для выключения отметки курса с помощью переключателя, который не может оставаться постоянно в положении < Отметка курса выключена >.

3.6. Измерение направлений.

3.6.1. Должны быть приняты меры для быстрого измерения направления на любой объект, отметка которого появляется на экране.

3.6.2. Средства, предусмотренные для измерения направлений, должны обеспечивать измерение направления на объект, отметка которого расположена на краю экрана, с погрешностью, не превышающей ± 1°.

3.7. Разрешающая способность.

3.7.1. Индикатор должен обеспечивать на шкале дальности 2 мили или менее раздельное отображение двух одинаковых целей малого размера на расстояниях, равных 50 - 100 % от номинала используемой шкалы дальности и находящихся на одном направлении, если расстояние между целями не менее 50 м.

3.7.2. Индикатор должен обеспечивать раздельное отображение двух одинаковых целей малого размера, находящихся на одном расстоянии между 50 и 100 % от номинала шкалы < 1.5 > или < 2 > мили и их угловом положении, различающемся 2.5°.

3.8. Вращение антенны.

Должно быть предусмотрено непрерывное и автоматическое вращение антенны по часовой стрелки в пределах 360° по азимуту. Частота вращения антенны должна быть не менее 12 об/мин.

3.9. Антенна должна быть работоспособна при относительной скорости ветра до 100уз. Должны быть приняты меры для возможности азимутальной стабилизации РЛС от гирокомпаса, для чего в РЛС должен быть предусмотрен соответствующий вход.

3.9.1. Погрешность согласования с гирокомпасом должна быть в пределах 0.5° при скорости вращения датчика гирокомпаса 2 об/мин.

3.9.2. РЛС должна работать удовлетворительно при ориентации изображения по курсу без стабилизации изображения, когда связь с гирокомпасом отсутствует.

3.10. Контроль работоспособности.

Должны быть предусмотрены средства для быстрого определения во время работы станции значительного ухудшения ее работоспособности относительно калиброванного значения, принятого при установке РЛС, а также для правильной настройки в случае отсутствия целей.

3.11. Устройства для защиты от помех.

Должны быть предусмотрены средства для подавления нежелательных отражений от моря, дождя и других осадков, облаков и самумов (песчаных бурь). Должна быть предусмотрена возможность ручной плавной регулировки органов управления средств помехозащиты. Орган управления в крайнем положении против часовой стрелки должен отключаться. Могут быть предусмотрены дополнительные автоматические органы помехозащиты, однако должна быть возможность их отключения.

3.12. Работа станции.

3.12.1. Должно быть предусмотрено включение станции и управление ею с индикатора.

3.12.2. Рабочие органы управления должны быть доступны, легко различимы и удобны в эксплуатации. Если используются символы, то они должны выполнятся в соответствии с Рекомендациями ИМО для органов управления морского навигационного радиолокационного оборудования.

3.12.3. РЛС должна быть полностью в рабочем состоянии в течении 4 минут после ее включения. На современных РЛС картинка появляется через 6 сек. после включения станции.

3.12.4. Должно быть предусмотрено положение предварительной готовности, из которого станция может быть приведена полностью в рабочее состояние за 15 сек.

3.13. Стабилизация относительно воды и грунта (индикатор истинного движения).

3.13.1. При использовании стабилизации изображения относительно воды или грунта точность и разрешающая способность должны быть по крайней мере равными требованиям настоящих Рекомендаций.

3.13.2. Перемещение начала развертки, кроме индикаторов с ручным возвратом, должно ограничиваться кругом радиусом не более 75 % от радиуса экрана.

3.14. Антенна.

Антенна должна быть установлена таким образом, чтобы существенно не ухудшалась эффективность РЛС.

3.15. Работа с радиолокационными маяками.

3.15.1. Все РЛС, работающие в диапазоне 3 см, должны работать горизонтально поляризованным излучением.

3.15.2. Должна быть предусмотрена возможность выключения устройства обработки сигналов, которые могут исключить изображение сигналов маяка на экране РЛС.

4. Установка нескольких РЛС.

4.1. На судах, где требуется установка двух РЛС, они должны быть размещены таким образом, чтобы каждая РЛС могла работать самостоятельно и обе могли работать одновременно независимо друг от друга. Каждая РЛС должна иметь возможность подключения к аварийному источнику питания, если такой предусмотрен в соответствии с требованиями Правил 1 Главы 11 Конвенции СОЛАС-74.

4.2. При установке двух РЛС может быть предусмотрено устройство взаимного переключения приборов для повышения гибкости и готовности радиолокационной установки. Оно должно быть установлено так, чтобы неисправность любой РЛС не вызывало отключения электропитания или другого нарушения в работе РЛС.

Все РЛС должны удовлетворять вышеперечисленным требованиям для обеспечения безопасности мореплавания, в противном случае не допускается установка и эксплуатация таких станций.

1.1.2 Технико-эксплуатационные требования к САРП

Требования ИМО к средствам автоматической радиолокационной прокладки представлены в резолюции А.422 (11).

Ассамблея, ссылаясь на Статью 16 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи, признавая, что надлежащее использование САРП окажет помощь в интерпретации радиолокационных данных и может уменьшить опасность столкновений и загрязнения морской среды.

Учитывая, что САРП с низкими технико-эксплуатационными характеристиками или при обслуживании недостаточно обученным персоналом могут нанести ущерб безопасности мореплавания.

Отмечая Резолюцию 13 Международной конференции 1978 г. По безопасности танкеров и предотвращения загрязнения окружающей среды, касающуюся оснащения судов средствами автоматической радиолокационной прокладки.

Рассмотрев Рекомендацию 41-й сессии Комитета по безопасности на море,

принимает Редакцию по технико-эксплуатационным требованиям к САРП, изложенным в приложении к настоящей Резолюции

рекомендует Правительствам:

(а) обеспечить, чтобы установленные судовые САРП отвечали требованиям, изложенным в приложении к настоящей Резолюции

обеспечить надлежащее обучение правильному использованию САРП, что позволит капитанам и их помощникам понять основные принципы эксплуатации САРП, в том числе их достоинства, недостатки и возможные погрешности.

1. Введение

1.1. В целях уменьшения опасности столкновений средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП) должны:

1.1.1. Уменьшить рабочую нагрузку наблюдателей, дав им возможность автоматизированного получения информации, с тем, чтобы навигационная задача со многими целями могла решаться так же просто, как она решается прокладкой вручную в отношении одной цели.

1.1.2. Обеспечивать непрерывную, точную и быструю оценку ситуаций.

1.2. В дополнение к Общим требованиям к электронным навигационным средствам (Резолюция А.281(8)) САРП должны соответствовать следующим минимальным технико-эксплуатационным требованиям.

2. Технико-эксплуатационные требования.

2.1. Обнаружение.

2.1.1. При наличии автоматического обнаружителя целей характеристика обнаружения должны быть не хуже тех, которые могут быть получены при использовании ИКО РЛС.

2.2. Захват.

2.2.1. Захват целей может быть ручным или автоматическим. Однако в любом случае должно быть предусмотрено устройство для ручного захвата и сброса целей. В САРП с автоматическим захватом должна быть предусмотрена возможность запрета захвата в определенных зонах обзора. На любой шкале дальности, на которой захват в определенных зонах не производится, зона захвата должна быть указана на экране индикатора.

2.2.2. Автоматический или ручной захват не должен уступать по качеству тем результатам, которые могут быть получены при визуальном обнаружении целей по экрану РЛС.

2.3. Сопровождение.

2.3.1. САРП должен обеспечивать автоматическое сопровождение, обработку, одновременное отображение и непрерывное обновление данных не менее чем по:

20 целям в средствах с автоматическим захватом, независимо от того, производится захват автоматически или вручную

10 целям в средствах с только ручным захватом.

2.3.2. Если предусматривается автоматический захват, то критерий захвата цели должен указываться в технической документации. Если сопровождаются не все цели, наблюдаемые на экране индикатора, то сопровождаемые цели должны быть четко обозначены. Надежность сопровождения должна быть не хуже той, которая обеспечивается при ручной радиолокационной прокладке непосредственно по данным РЛС.

2.3.3. При отсутствии перебросов сопровождения целей САРП должен обеспечивать сопровождение захваченной цели, отчетливо различимой на экране индикатора в пяти из 10 последовательных обзоров.

2.3.4. В САРП должны быть приняты меры по уменьшению вероятности ошибок сопровождения, в том числе вызванных перебросами стробов сопровождения. Качественное описание влияния источников ошибок на сопровождение, включая влияние малых отношений сигнал/шум и сигнал/помеха, вызванных отражением от моря, дождя, снега, низких облаков и несинхронными излучениями, должно быть указано в эксплуатационной документации.

2.3.5. САРП должен допускать возможность отображения на экране четырех равно разнесенных по времени предыдущих место положений любой сопровождаемой цели за период, по крайней мере 8 мин.

2.4. Отображение.

2.4.1. Устройство отображения может быть либо автономным, либо входить в состав РЛС. Однако оно должно включать все данные, которые обеспечиваются индикатором РЛС в соответствии с технико-эксплуатационными требованиями к судовым РЛС, принятым ИМО.

2.4.2. Конструкция САРП должна быть такой, чтобы любая неисправность средства не влияла на основное радиолокационное изображение, требуемое ИМО.

2.4.3. Эффективный диаметр экрана, на котором отображается информация средства, должна быть не менее 340 мм.

2.4.4. В САРП должно предусматриваться, по крайней мере, следующие шкалы дальности:

12 или 16 миль.

3 или 4 мили.

2.4.5. В САРП должна быть предусмотрена индикация выбранной шкалы дальности.

2.4.6. САРП должно допускать работу в режиме относительного движения при ориентации изображения < Север >, а также < Курс > или < Курс стаб.>. Кроме того, в САРП может быть предусмотрен режим истинного движения. В этом случае судоводитель должен иметь возможность выбора режимов истинного или относительного движения. При этом должна быть четкая индикация ориентации изображения и режима работы.

2.4.7. Информация о курсе и скорости, вырабатываемая САРП по захваченным целям, должна выдаваться в векторной или другой графической форме, четко указывающей экстраполированное перемещение цели. В этом отношении:

В САРП с отображением экстраполированной информации только в векторной форме должен предусматриваться выбор между истинным и относительным векторами.

В САРП с отображением данных о курсе и скорости в другой графической форме должна также, по запросу, обеспечиваться индикация истинного или относительного векторов цели.

Длина отображаемых векторов должна или регулироваться судоводителем, или иметь фиксированное время экстраполяции.

Должна быть предусмотрена индикация времени экстраполяции.

2.4.8. Информация САРП не должна маскировать радиолокационное изображение в такой степени, чтобы ухудшилось обнаружение целей. Индикация данных САРП должна находиться под контролем судоводителя. Должна предусматриваться возможность сброса ненужной информации САРП.

2.4.9. Должна быть предусмотрена независимая регулировка яркости радиолокационного изображения и обработанной информации САРП, вплоть до полного исключения последней.

2.4.10. Метод представления информации должен учитывать необходимость наблюдения данных САРП более чем одним судоводителем при условии нормальной освещенности мостика, как в дневное, так и в ночное время. Может быть предусмотрена защита экрана от попадания солнечных лучей. Должна быть предусмотрена регулировка яркости.

2.4.11. Должна быть предусмотрена возможность быстрого определения пеленга и дистанции до любого объекта, появляющегося на экране САРП.

2.4.12. Через 1 мин после появления цели на экране индикатора РЛС и ее захвата (ручного или автоматического) на экране САРП должна отображаться тенденция ее движения и не позднее чем через 3 мин - вектор экстраполированного перемещения в соответствии с пп. 2.4.7., 2.6., 2.8.2. и 2.8.3.

2.4.13. Время восстановления всей информации после переключения шкал дальности и режимов работы САРП не должно превышать времени 4 оборотов антенны.

2.5. Предупредительная сигнализация.

2.5.1. САРП доложен обеспечивать визуальную и/или звуковую сигнализацию о сближении цели на заданное расстояние или о пересечении зоны, выбранной судоводителем.

Цель, вызвавшая предупредительный сигнал, должна быть отчетливо обозначена на экране индикатора.

2.5.2. САРП должен обеспечивать визуальную и/или звуковую сигнализацию о любой сопровождаемой цели, которая по вычисленным данным имеет расстояние и время кратчайшего сближения, которые меньше значений, установленных судоводителем.

Цель, вызвавшая предупредительный сигнал, должна отчетливо обозначаться на экране индикатора.

2.5.3. Средство должно обеспечивать сигнализацию о сбросе цели с автосопровождения, вызванном любыми причинами, кроме выхода цели за шкалу дальности. Положение цели на момент сброса (потери) должно отчетливо обозначаться на экране.

2.5.4. Должна быть предусмотрена возможность включения и выключения сигнализации.

2.6. Требования к информации.

2.6.1. По желанию судоводителя для любой сопровождаемой цели должна немедленно выдаваться в буквенно-цифровой форме следующие данные:

текущее расстояние до цели

текущий пеленг на цель

экстраполированная дистанция кратчайшего сближения (Дк)

экстраполированное время кратчайшего сближения (Тк)

вычисленный истинный курс цели

вычисленная истинная скорость цели

2.7. Имитация маневра.

2.7.1. В САРП должна быть предусмотрена возможность имитации маневра на расхождения. При этом обработка и отображение информации по сопровождаемым целям не должны прерываться. Имитация должна начинаться нажатием специального переключателя с возвратной пружиной или функциональной (невозвратной) клавиши, обеспечивающей на экране индикатора обозначения режима имитации.

2.8. Точность.

2.8.1. Погрешности САРП должны быть не более указанных в пунктах 2.8.2. и 2.8.3. Данные значения погрешностей соответствуют лучшим результатам ручной прокладки в условиях качки ±10є. С учетом погрешностей датчиков информации.

2.8.2. Не более чем за 1 мин устойчивого сопровождения САРП должен определить тенденцию относительного перемещения цели. При этом значения погрешностей (с вероятностью 95 %) не должны превышать:

2.8.3. Не более чем через 3 минуты устойчивого сопровождения САРП должно определить параметры движения цели с погрешностями, не превышающими с вероятностью 95%.

2.8.4. В течение 1 минуты после завершения маневра сопровождаемой цели или своего судна САРП должен определить тенденцию относительного движения цели, а в течении 3 минут определить экстраполированное перемещение в соответствии с пп. 2.4.7., 3.6., 2.8.2. и 2.8.3.

2.8.5. САРП должно быть разработано таким образом, чтобы при самых благоприятных условиях движения своего судна погрешность, вносимая САРП, была незначительной в сравнении с погрешностями, вызываемые датчиками информации.

2.9. Сопряжение с другими приборами.

2.9.1. САРП не должен ухудшать параметры любых приборов-датчиков входной информации. Сопряжение САРП с другой аппаратурой не должно ухудшать ее параметров.

2.10. Текстовая проверка и сигнализация об отказах.

2.10.1. В САРП должна быть предусмотрена сигнализация о неисправностях режима автоматической прокладки, позволяющая судоводителю производить контроль за правильностью работы средства. Дополнительно должны быть предусмотрены тестовые программы для периодической полной проверки работы САРП путем сравнения с заданными характеристиками.

2.11. Оборудование, используемое с САРП.

2.11.1. Датчики скорости, сопрягаемые с САРП, должны иметь возможность определять скорость судна относительно воды.

На смену индикаторам радиолокационного отображения на монохроматических ЭЛТ с послесвечением пришли мониторы с растровыми ЭЛТ с синтезированным цветным изображением. Получаемая информация преобразуется в цифровой формат и отображается на индикаторном устройстве компьютерного типа, что существенно облегчает работу оператору. Пользователю предоставляется возможность выбора цветовой палитры. Синтезированное изображение хранится в памяти видеопроцессора и может накладываться на электронную карту электронной картографической системы. Разрешающая способность современных мониторов, определяемая числом пикселей по горизонтали и вертикали, может достигать 1280х 1024.

Уменьшение массогабаритных и увеличение надежностных характеристик приемопередатчиков РЛС, построенных на современной элементной базе, позволило перейти к размещению этих устройств в непосредственной близости от антенны РЛС. Это конструктивное построение является основным для большинства видов современных судовых РЛС. Размещение приемопередатчика в непосредственной близости от антенны позволило уменьшить импульсную мощность на выходе передатчика, т. к. при удалении передатчика от антенны на расстояние более 15 м до 50% мощности теряется в антенно-волноводном тракте.

РЛС используют модульную структуру и микропроцессоры. Модульная структура обеспечивает доступность системы и ускорение ремонта РЛС. Повышена надежность системы, за счет постоянного контроля температуры блоков, токов в источнике питания. При выходе за пределы нормы одного из параметров, система сообщает об этом оператору. Также в РЛС увеличены точностные параметры по направлению и по дальности. Это достигнуто за счет уменьшения длительности импульса и диаграммы направленности.

Устройство компьютерной индикации, совмещенное со средствами автоматической радиолокационной прокладки (САРП) и с электронной картографической системой, размещаемых в ходовой рубке судна, стало информационным ядром, в котором сосредотачивается вся информация, необходимая судоводителю. Информация содержит данные не только о навигационных параметрах целей в окружающем судно пространстве, но и о навигационных параметрах собственного судна, таких, как координаты, скорость, путевой курс, истинный курс и пр. Радиолокационное изображение может накладываться на электронную карту, возможно планирование маршрута, автоматизированное вождение судна по заданному маршруту.

Система унифицированных информационных связей позволяет подключать САРП к любой РЛС и к другим навигационным средствам. Унифицированная система связей САРП РЛС и электронной картографической системы с периферийными автономными и радиотехническими средствами навигации позволяет получать всю имеющуюся информацию для комплексного решения задач автоматизации судовождения. На индикатор РЛС, как правило, поступает радионавигационная информация от приемоиндикаторов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS.

Наибольшее распространение получили судовые навигационные РЛС, работающие на волне л=3,2 см и 10 см. Но также существуют станции мм диапазона. Они предназначены для увеличения четкости радиолокационной картины, но подвержены сильному влиянию метеорологических факторов, таких как дождь, снег, град и т.п. Такие станции ставятся на военных кораблях, а также используются береговыми СУДС.

2. Принцип функционирования РЛС/САРП

2.1 Сущность и принцип функционирования РЛС

2.1.1 Узлы и устройства РЛС

В приложении 1 приведена обобщенная структурная схема судовой РЛС.

Основными узлами и устройствами РЛС являются: антенное устройство, волноводно-фидерный тракт, передающее устройство, приемное устройство, антенные переключатели и визуальный индикатор.

Опорный генератор совместно с синтезатором частот формирует последовательность посылок, которая управляет работой всех устройств.

Передатчик излучает на рабочей несущей частоте последовательность периодических импульсов - зондирующие сигналы.

Зондирующий сигнал с выхода передатчика поступает в антенный переключатель, обеспечивающий во время излучения зондирующего импульса шунтирование входа приемника. Зондирующие импульсы по антенно-волноводному тракту поступают на вход антенны. Антенна излучает сигналы. Следящий привод вращает антенну в азимутальной плоскости и обеспечивает измерение текущего азимута относительно выбранной линии отсчета (диаметральной плоскости судна или направления на север).

Отраженные сигналы от цели поступают на вход антенны и далее по волноводной линии на вход приемника. Антенный переключатель открывает вход приемника во время пауз между излученными импульсами и, напротив, шунтирует выход передатчика, для того чтобы избежать ненужных потерь принимаемых эхо-сигналов.

Сигналы в приемнике усиливаются, селектируются от помех и после детектора поступают на вход визуального индикатора для последующей обработки. Сигналы управления приемником и визуальным индикатором, как отмечалось выше, формируются в синтезаторе частот задающего генератора.

На экране визуального индикатора отображаются навигационные параметры целей, обнаруженных радиолокатором.

Блок питания формирует нужные номиналы напряжений с требуемой мощностью для питания узлов РЛС.

2.1.2 Какие сигналы используются в радиолокации

В радиолокации используются радиоволны с длиной волны, приходящейся на сантиметровый (реже дециметровый) и миллиметровый диапазоны. Сам же вид излучаемого сигнала оказывается достаточно прост. Как правило, это последовательность коротких во времени импульсов, следующих один за другим через время, много превосходящее длительность этих импульсов. Ширина спектра таких сигналов в подавляющем большинстве случаев оказывается во много раз меньше несущей частоты излучаемого сигнала f0, то есть у радиолокационных сигналов (за исключением особых случаев) отношение . Для функций U(t), обладающих таким свойством (узкополосные сигналы), как это впервые показал Гильберт, допустимо представление

(1)

где A(t) и - медленно за период высокой частоты меняющиеся во времени функции.

Оказывается, такое на вид простое представление, каковым является выражение (1), несет в себе серьезную проблему, превращающую радиолокацию с точки зрения решения стоящих перед ней задач в класс особых наук, что крайне принципиально.

2.1.3 Какие сигналы воздействуют на вход РЛС

Перейдем теперь к рассмотрению процессов, имеющих место после прохождения принятым сигналом антенных трактов и поступлением его на вход радиоприемного устройства РЛС.

Поскольку в радиолокации приходится иметь дело с очень малыми сигналами, интенсивность которых соизмерима с интенсивностью собственных шумов самого радиоприемного устройства РЛС (часто полезный сигнал даже много меньше шумового сигнала), необходимо учитывать, что на вход радиолокационного приемника постоянно воздействует шумовой сигнал, который, как это следует из общей теории, также имеет вид квазигармонического колебания, определяемого равенством (1). При этом его амплитуда и фаза являются случайными функциями времени.

Таким образом, во всех случаях, связанных с наличием или отсутствием цели, и даже в случаях наблюдения свободного пространства, на вход радиоприемного устройства РЛС всегда воздействует некоторое квазигармоническое колебание вида (1) со случайными амплитудой и фазой.

Представим сигнал, воздействующий на вход РЛС, в виде двух слагаемых, первое из которых относится к обнаруживаемому сигналу, а второе ко всем остальным, в том числе и шумовому сигналу:

(2)

В равенство (2) введен параметр n, который в случае наличия цели принимается равным 1 (n=1), а в случае ее отсутствия - равным нулю (n = 0).

Равенство (2) позволяет формализовать основную задачу радиолокации и сформулировать ее следующим образом. В уравнении (2) требуется определить значение параметра n и, если n = 1, определить характер изменения функций A1(t) и . При этом измерению поддается только функция Uin(t). Известными могут считаться некоторые характеристики обнаруживаемой цели, влияющие на характер изменения во времени функций A1(t) и . Слагаемое, связанное с шумовой частью входного сигнала, принципиально неизвестно, так как носит случайный характер, а поэтому функция Uin(t) также является случайной функцией времени.

2.1.4 Как принимать решение о наличии радиолокационной цели

Из сказанного ясно, что строго решить поставленную задачу, то есть решить уравнение (2), принципиально невозможно, тем более по результатам какого-либо разового измерения в какой-то фиксированный момент времени t = t1.

Уравнение (2) позволяет сделать еще ряд принципиальных выводов и заключений.

Прежде всего отметим, что безошибочно ответить на вопрос, чему равен параметр n, то есть ответить на вопрос, есть или нет в разрешаемом элементе обнаруживаемая цель, принципиально невозможно. Этот ответ может носить только характер предположения, количественными оценками которого могут выступать какие-то вероятности достоверности этого предположения. Следовательно, адекватным математическим аппаратом для задач обнаружения, да и большинства радиолокационных задач, могут выступать методы математической статистики и теории вероятностей.

Второй вывод, вытекающий из рассмотрения уравнения (2), состоит в том, что достоверность заключения о значении параметра n можно увеличить, увеличивая время наблюдения, то есть увеличивая отрезок функции Uin(t), подвергающийся анализу.

Наконец еще один вывод, который можно сделать, анализируя с общих позиций уравнение (2), состоит в том, что различие в виде функций Uin(t) при наличии или отсутствии цели заключается в различии статистических законов, которым подчиняются случайные функции Uin(t).

Попытаемся выяснить, какие принципы необходимо заложить в процесс обработки принятого сигнала, чтобы совершаемые при этом ошибки в ответе на вопрос о наличии или отсутствии цели были каким-то образом минимизированы, а для этого попытаемся разобраться в тех типах ошибок, которые неизбежно возникают в процессе принятия решения о наличии или отсутствии цели.

2.1.5 Какие ошибки возникают при принятии решения

Чтобы разобраться в возникающих типах ошибок, рассмотрим простую ситуацию, когда фоновые отражения отсутствуют или ими просто можно пренебречь.

Пусть радиоприемное устройство РЛС производит какую-то обработку принятого сигнала. В этом случае на выходе этого приемника сформируется сигнал, являющийся некоторой функцией от аддитивной смеси принятого сигнала и собственного шума приемного устройства. Это дает возможность выходное напряжение представить в следующем виде:

Uout(t)=f(Un(t)+nUs(t)).

В этой формуле Un(t) - собственный шум радиоприемного устройства, всегда присутствующий в смеси и всегда воздействующий на вход этого устройства; Us(t) - сигнал, вызванный отражением от обнаруживаемой цели, который присутствует в названной смеси только при наличии цели (n = 1) в наблюдаемом элементе разрешения.

Какова бы ни была функция f(z), во всех случаях решение о наличии или отсутствии цели будет приниматься в какой-то фиксированный момент времени t = t1, то есть в результате некоторого разового измерения. Дать же строгий ответ на вопрос, чему равен коэффициент n, принципиальной возможности нет. Как же быть в этом случае? Каково должно быть решающее правило? Как ни странно, ответ на второй вопрос независимо от способа обработки принимаемого сигнала (вида функции f(z)) достаточно прост и очевиден. Единственным возможным решающим правилом может выступать только пороговое правило. Оно сводится к тому, что если входное напряжение Uin(t) больше некоторого значения (порогового значения) U0, то следует считать, что цель есть; если же имеет место обратная ситуация, то следует признать, что цели нет.

Разобранная ситуация позволяет увидеть, что процедура принятия решения при пороговом правиле, то есть процесс обнаружения, сопровождается ошибками двух типов. Рассмотрим эти ошибки.

При радиолокационном наблюдении возможны две ситуации: первая - в элементе разрешения находится цель (ситуация А), вторая - в элементе разрешения цели нет (ситуация В). В обоих случаях наблюдатель может принять одно из двух решений: либо цель есть (решение 1), либо ее нет (решение 2). Таким образом, возможны четыре варианта, которые условно можно обозначить так: A1, А2, В1, В2. При этом два решения - А1 и В2 - являются истинными, а два других - А2 и В1 - ложными.

Итак, мы имеем дело с двумя типами ошибочных решений: 1) Ложная тревога, когда при отсутствии в элементе разрешения цели принимается решение о ее наличии (вариант В1; соответствующая вероятность называется вероятностью ложной тревоги, она обычно обозначается буквой F). 2) Пропуск цели, когда при наличии цели принимается решение о ее отсутствии (вариант A2; соответствующая вероятность называется вероятностью пропуска цели, она обычно обозначается разностью 1-D).

Два других решения являются истинными. 1) Правильное обнаружение, когда при наличии цели принимается решение о ее наличии (вариант A1; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного обнаружения, она обычно обозначается буквой D ). 2) Правильное необнаружение, когда при отсутствии цели принимается решение об ее отсутствии (вариант В2; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного необнаружения, она обычно обозначается разностью 1 - F).