6 сентября, 2007

Путь к трем координатам

В наЧале 1975 г. Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР была задана ОКР "Небо", целью которой была разработка двух унифицированных трехкоординатных РЛС метрового диапазона волн (МДВ) для войск ПВО в транспортабельном исполнении - 55Ж6 и для Сухопутных войск в мобильном - 1Л13 (в том же году вышло еще одно Постановление ЦК КПСС и Совмина СССР, в котором ОКР "Небо" была включена в перечень важнейших работ пятилетки). Наряду с ОКР была задана НИР "Угол" по исследованию возможности создания в метровом диапазоне волн трехкоординатной РЛС.

Вопрос о создании трехкоординатной РЛС в МДВ возник перед разработчиками совершенно неожиданно, и было неизвестно кто и когда придумал эту идею. На первый взгляд дело представлялось немыслимым - для выполнения требований по точности измерения высоты и азимута вертикальный размер антенны должен был составлять 50-60 метров, а горизонтальный - 30м.

Как транспортировать такую антенну, как устанавливать в вертикальное положение (без подъемного крана), как вращать? Было ясно, что создание антенны таких размеров - это тупиковый вариант.

Появилась идея крестообразного построения, позволяющая при значительном уменьшении площади антенны реализовать большие вертикальный и горизонтальный размеры апертуры и обеспечить заданные угловые точности и транспортабельность. Однако и в этом случае для обеспечения транспортабельности вертикальный размер апертуры антенны требовалось уменьшить до 35 метров (при этом полная высота антенны составляла около 40 метров).

Расчеты показывали, что при таких размерах апертуры с учетом влияния подстилающей поверхности, точное измерение высоты начнется только с угла места около 1,5°, а ниже этого угла будет зона нечувствительности, в пределах которой измеряемый угол места будет всегда равен нулю.

Пришлось идти на издержки: ввести в зоне нечувствительности назначение некоторого срединного угла места и "располовинить" неизбежную ошибку (впоследствии в РЛС 55Ж6У удалось сократить зону нечувствительности до практически несущественного минимума).

НЕБО-УЕ - трехкоординатная радиолокационная станция дежурного режима метрового диапазона волн.
Фото: Георгий ДАНИЛОВ

Вопрос разработки трехкоординатной РЛС в МДВ представлялся проблемным еще и потому, что имел неудачную предысторию. Измерение высоты использовалось в МДВ ранее в РЛС П-12, однако по опыту эксплуатации оно было исключено, т.к. давало неоднозначные результаты и вносило путаницу в боевую работу.

Поэтому по настоянию настороженных предыдущей неудачей заказчиков (ГРАУ МО) РЛС 1Л13 ("Небо-СВ"), после долгих и безрезультатных дискуссий заказчиков и разработчиков, эта станция была разработана как 2-х координатная и в более поздние сроки. Тем не менее, РЛС 55Ж6 и 1Л13 были в значительной степени унифицированы, а в обработке сигналов при разработке РЛС 1Л13 был сделан значительный шаг вперед - вся аппаратура обработки была цифровая, а в 55Ж6 - аналоговая (главный конструктор РЛС 1Л13 - Крылов И. Г.)

Возвращаясь к тому уже столь далекому времени - более 30 лет назад - можно ли сейчас утвердительно ответить на вопрос, правилен ли был отказ от разработки РЛС 1Л13 в трехкоординатном исполнении. С учетом опыта, полученного на РЛС 55Ж6 и 55Ж6У (РЛС 55Ж6У - "Небо-У" была разработана в период 1986-1992 гг. по решению ВПК при СМ СССР), отказ заказчика представляется автору все же недальновидным.

Но, тем не менее, не хотелось бы судить так строго. Вспоминаю, с каким искренним убеждением говорил про будущее РЛС 55Ж6 один из уважаемых членов комиссии по техническому проекту (впоследствии генерал): "Ну, сделаете вы эту РЛС. И будет она стоять памятником победы науки и техники над здравым смыслом!"

На самом деле этих станций было выпущено более 120 единиц. На них до сих пор ведется боевая работа.

Сомнения были связаны не только с возможностью создания 3-х координатной РЛС в метровом диапазоне волн. В ОКР "Небо" внедрялось одновременно около 40 изобретений, почти каждая система станции была оригинальной и требовала значительных трудозатрат на экспериментальное опробование и доводку в комплексе.

При этом разработчиком неизменно преследовалась цель сохранить традиционную простоту и надежность, свойственные РЛС МДВ.

Первый круг вопросов, который предстояло решить, относился к выбору способа обзора пространства при крестообразной антенной решетке (для удобства дальнейшего изложения мы будем в основном описывать РЛС 55Ж6, а при наличии существенных отличий будем останавливаться на РЛС 55Ж6У отдельно).

Остановились на построении РЛС по принципу "дальномер-высотомер". Горизонтальная часть креста представляла собой ФАР дальномера, зона обнаружения которого была традиционной для РЛС метрового диапазона волн: широкая (16°) в угломестной плоскости и достаточно узкая (3° - на прием-передачу) в азимутальной. ФАР дальномера работала на передачу и прием. Вертикальная часть креста представляла собой ФАР высотомера и работала только на прием.

Антенна дальномера состояла из 5-ти подрешеток. Сигналы подрешеток (после усиления в широкополосных антенных УВЧ) комбинировались в вч диаграммообразующем устройстве, образуя основной канал приема - суммарный, и два дополнительных канала разностного типа (с "нулями" приема в направлении нормали к антенне) для автокомпенсации помех и пеленга. Кроме того, для этих же целей имелось еще несколько дополнительных антенн, обеспечивающих перекрытие возможных направлений прихода помех.

ФАР высотомера была построена следующим образом. Она состояла из 16-ти строк. Сигналы строк усиливались в широкополосных антенных УВЧ и через токосъемник поступали в аппаратную кабину, преобразовывались к промежуточной частоте и проходили через автокомпенсаторы помех.

Далее временные отсчеты сигналов строк выстраивались последовательно во времени в пределах каждого из квантов по дальности, благодаря чему пространственное распределение поля по апертуре антенны преобразовывалось в распределение электрических сигналов во времени.

Благодаря такому пространственно-временному преобразованию линейный фронт волны, приходящей от цели на ФАР высотомера, преобразовывался во временной импульс с внутриимпульсным ступенчатым изменением фазы от отсчета к отсчету. При этом величина ступеньки, определяющая скорость изменения фазы во времени, т.е. частоту импульса, была пропорциональна синусу угла места цели. Далее (после обработки, включающей алгоритм СДЦ, сжатия) сигналы поступали на спектроанализатор, в котором приобретали задержку пропорциональную частоте сигнала (т.е. синусу угла места цели).

Иными словами, на выходе спектроанализатора возникал Фурье - образ распределения поля по апертуре антенны, вызванный приходящим эхо-сигналом. Известно, что Фурье - образ распределения поля по апертуре антенны - это диаграмма направленности антенны в направлении на цель. То есть на выходе спектроанализатора возникал импульс, повторяющий по форме луч высотомера в угломестной плоскости, направленный на цель. Это эквивалентно тому, что луч высотомера осуществлял в каждом кванте по дальности последовательное электронное сканирование в угломестной плоскости.

Далее сигнал спектроанализатора извлекался по целеуказанию дальномера из того кванта по дальности, в котором была обнаружена цель. Положение максимума сигнала было пропорционально синусу угла места цели. Данный способ реализации сканирования был предельно прост - спектроанализатор представлял собой обычный ультразвуковой ПАВ-фильтр. Способ не требовал использования традиционных электрически управляемых быстродействующих фазовращателей в каждой строке ФАР или формирования большого числа пространственных диаграмм направленности в довольно сложном лучеобразующем устройстве.

Существенной особенностью этого способа было то, что благодаря временному уплотнению сложные многоканальные алгоритмы обработки СДЦ и сжатия сигналов - в каждой строке ФАР подменялись одноканальными, широкополосными. Это значительно (в 16 раз) сокращало объем аппаратуры и обеспечивало идентичность обработки сигналов строк ФАР, от которой напрямую зависела точность измерения угла места.

Экспериментальное сравнение данного метода (составившего изобретение авторов), с методом парциальных диаграмм, проведенное в НИР "Угол" по реальным целям, подтвердило его более высокую точность и значительную простоту.

Кроме того, для обеспечения высокой точности измерения необходимо было выровнять начальные фазы в строках ФАР, которые изменялись в довольно больших пределах под воздействием внешних факторов. Для этого на входы УВЧ строк подавались идентичные импульсные пилот-сигналы, которые проходили через все элементы схемы ФАР и на них "отпечатывались" случайные сдвиги фаз.

Сравнение и выравнивание сдвигов фаз производилось после схемы уплотнения с помощью корреляционного автокомпенсатора. Схема автоподстройки была простой, точной и оригинальной и также составила изобретение авторов.

Второй круг новых вопросов относился к передающему устройству. Сложность создания передатчика с независимым возбуждением в метровом диапазоне волн была описана нами в ВКО № 3 2007г. на примере РЛС П-70. Передатчик по этому типу был неприемлем для транспортируемой РЛС, поэтому направление проектирования передатчика было коренным образом изменено.

ЛОЭП "Светлана" был создан широкополосный (22% от несущей частоты) усилитель мощности эндотрон, не имевший каких-либо оперативно перестраиваемых элементов. Эндотрон представлял собой 3-х каскадный усилитель, в едином конструктиве которого были объединены три лампы с широкополосными колебательными системами. Была предусмотрена отдельная комплектация из двух первых каскадов - для передающего устройства РЛС 1Л13.

Нетрадиционный подход был применен и к модулятору - он был выполнен по групповому принципу на полупроводниковых элементах - тиристорах, также разработанных вновь ЛОЭП "Светлана". Групповой модулятор содержал в своем составе 30 параллельно включенных одинаковых модулей. Групповой модулятор обладал значительной надежностью - выход из строя даже нескольких модулей приводил к незначительному уменьшению мощности передатчика.

Эндотрон имел жидкостное охлаждение и довольно большой по сравнению с обычной лампой вес. Поэтому замена неисправного эндотрона была довольно трудоемкой операцией и могла вызвать перерыв в боевой работе. Выход из указанного затруднения был найден во встраивании эндотрона из состава ЗИП в конструкцию передатчика. К обоим эндотронам была подведена охлаждающая жидкость.

НЕБО-СВУ на полигоне Капустин Яр.
Фото: Алексей МАТВЕЕВ

Переключение эндотронов осуществлялось дистанционно с пульта управления РЛС. Оригинальный вч переключатель эндотронов "Бриз" был разработан специально для 55Ж6 НИИ электромеханических приборов (г. Пенза). В процессе эксплуатации эндотроны работали поочередно по графику, обеспечивающему их регулярное "жестчение" и, следовательно, постоянную готовность к работе.

Подключение эндотронов к антенне производилось через ферритовые вентиль и фильтр гармоник, специально разработанные предприятием "Домен", г. С-Петербург.

Следуя традиционным решениям, надо было-бы предусмотреть в вч тракте еще один переключатель "антенна-эквивалент". Ранее эквивалент антенны устанавливался в РЛС для отработки передающего устройства в диапазоне частот без выхода в эфир. Такая необходимость, была, в частности, продиктована тем, что часть частот диапазона была засекречена, а передатчик имел органы перестройки в диапазоне частот.

Однако эквивалент антенны выливался в довольно громоздкое сооружение с жидкостным охлаждением, и его размещение в аппаратной кабине было весьма затруднительным. Кроме того, необходимо было тщательно экранировать кабину, чтобы побочное излучение, возникающее при работе передатчика на эквивалент на закрытых частотах, не проникало в эфир.

Поэтому было найдено следующее оригинальное решение. Эквивалент из станции исключался, а проверка работы РЛС на закрытых частотах производилась с излучением в эфир. Но импульс закрытой частоты излучался по команде оператора однократно в случайный для противника момент времени и в нестандартной форме - он вкрапливался в один из зондирующих сигналов, занимая часть его длительности.

Вероятность засечки такого сигнала была пренебрежимо мала. В момент излучения сигнала закрытой частоты производились автоматически запись и измерение КБВ тракта и мощности передатчика. Впоследствии в процессе производства, после рассекречивания частот, данное устройство было исключено из состава РЛС.

В целом оборудование передатчика заняло в РЛС 55Ж6 отдельную аппаратную кабину. Вторая аппаратная кабина вмещала в себя аппаратуру обработки, систему отображения, пульт управления, НРЗ и др. Впоследствии для РЛС 55Ж6У были разработаны модули модулятора с повышенным КПД и те же режимы передатчика обеспечивались не тридцатью, а двадцатью модулями. За счет этого, а также благодаря переходу к цифровой обработке сигналов все оборудования РЛС удалось разместить в одной аппаратной кабине.

Третий новый вопрос относится к системе СДЦ. Она была выполнена на основе межпериодной корреляционной автокомпенсации помех с использованием солевых ультразвуковых линий задержки. Проблема заключалась в необходимости обеспечить в диапазоне рабочих температур равенство задержки всех линий периоду повторения РЛС с предельно высокой точностью.

Ранее, в частности, в РЛС СТ-67 (ВКО № 6 (19) 2004 г.), эта проблема решалась путем помещения линий в термостат, температура внутри которого должна была поддерживаться с точностью до долей градуса равномерно во всем объеме. По опыту испытаний и производства этой станции было очевидно, что подобное решение задачи неперспективно. В ОКР "Небо" была разработана на уровне изобретения управляемая задержка, позволявшая подстраивать каждую линию задержки с дискретностью до единиц наносекунд (при длительности задержки 5 мсек.)

Кроме того, в систему СДЦ было введено устройство межобзорной селекции, обеспечивающее автоматическое выделение областей пассивных помех и включение в них аппаратуры СДЦ. При этом отпала необходимость оперативной установки ручных стробов пассивных помех в процессе боевой работы, как это делалось ранее.

Четвертый новый вопрос относится к введению в РЛС системы автосъема, которая ранее разрабатывалась МНИИПА в виде отдельной кабины, придаваемой к РЛС (система автосъема строилась по аппаратному принципу, поэтому содержала большой объем оборудования и большое число разъемов, всегда являвшихся слабым местом радиоаппаратуры).

В ОКР "Небо" был разработан малогабаритный (в объеме одного блока) программируемый спецвычислитель, обеспечивающий решение задач автосъема, включая трассовое сопровождение целей. Однако в КСА трассовая информация не передавалась, еще не был накоплен необходимый опыт. В РЛС 55Ж6У задача автосъема с трассовым автосопровождением была решена окончательно.

В целом при разработке РЛС 55Ж6 был сделан существенный шаг в направлении полной автоматизации работы РЛС без оперативного участия оператора, которому отводилась, в основном, роль наблюдателя за правильностью функционирования систем станции плюс введение ручных корректур в конфликтной целевой обстановке.

А защита от активных и пассивных помех, а также многочисленные автоматические настройки, основанные на корреляционной автокомпенсации, включались автоматически в необходимый момент времени. Всего в РЛС 55Ж6 были задействованы 72 корреляционные обратные связи.

Защита от несинхронных помех и задача стабилизации были решены подобно РЛС П-70 за счет глубокого ограничения сигналов перед согласованными фильтрами. Автоматизация работы РЛС была новым шагом, сделанным в ОКР "Небо", в направлении упрощения боевой работы. Ранее в РЛС П-70 и СТ-67, да и в разработанной одновременно с РЛС 55Ж6 - РЛС СТ-68У на оператора возлагался широкий круг сложных обязанностей по оперативному выбору режимов в зависимости от помехово-целевой обстановки.

Пятый новый вопрос касался точностей измерения координат. Все соглашались, что РЛС метрового диапазона просты, надежны, всепогодны, устойчивы в проводке целей, и для них нет целей-невидимок, однако они не обладают высокими точностями измерения координат. Это считалось само собой разумеющимся. Заказчики даже не ставили перед разработчиками задачу повышения точности.

В ОКР "Небо", а впоследствии в "Небо-У" был исследован вопрос точностей измерения координат в РЛС МДВ и доказано, что низкие точности измерения дальности и азимута в РЛС МДВ не являются их принципиальным недостатком, а обусловлены в основном инструментальными погрешностями, на которые ранее не обращалось внимание. К сожалению, результаты проведенных исследований остались неопубликованными, но они налицо, если сравнить ТТХ РЛС П-14 (и ее модификаций) и РЛС 55Ж6У.

При переходе от опытного образца к серийному по опыту государственных испытаний алгоритмы обработки РЛС 55Ж6У были доработаны. Измерения, проведенные на 3-х позициях заказчика (где установлены серийные РЛС 55Ж6У), показали, что флуктуационные составляющие ошибок по азимуту составляют 7-10 мин при ширине диаграммы направленности порядка 200 мин (на прием-передачу), а по дальности - 50-80 м при величине кванта равной 500 м. Систематические ошибки не представилось возможности измерить из-за отсутствия внешнетраекторных измерений.

Анализ экспериментальных данных и теоретические оценки показывают, что достигнутые высокие результаты - это не предел. Указанные флюктуационные составляющие ошибок еще в значительной степени обязаны инструментальным погрешностям, а не шумам приемника, определяющим потенциально достижимые точности. Что касается систематических ошибок, то современные компьютерные технологии позволяют производить текущие измерения и компенсацию уходов конструктивных параметров РЛС, от которых эти ошибки зависят. Автор выражает надежду, что его молодые коллеги реализуют имеющиеся возможности в последующих разработках.

Шестой круг вопросов относится к имитаторам радиолокационных станций. Имитатор должен быть выполнен таким образом, чтобы свести к минимуиу объем дорогостоящих натурных испытаний. Поэтому сигналы, вырабатываемые имитатором для настройки и проверки аппаратуры должны в максимальной степени приближаться к реальным, а ввод их в аппаратуру РЛС должен осуществляться как можно раньше по тракту приемника, чтобы обеспечить возможность сквозной проверки аппаратуры с учетом влияния помех и сигналов на все устройства обработки при их комплексном взаимодействии.

Последнее является актуальным в РЛС с ФАР, подобных 55Ж6 и 55Ж6У. В них сигналы имитатора, предназначенные для настройки, а также сигналы целей и помех, вводятся по высокой частоте на входы антенных УВЧ дальномера и высотомера (во время подачи настроечных сигналов производится отключение УВЧ от антенных элементов, чтобы внешние помехи не могли сбить настройки).

В сигналах целей и помех имитируются фазовые фронты, соответствующие углам их прихода, в угломестной плоскости формируются земной и небесный лучи, позволяющие подробно прощупать все тонкости нового способа электронного сканирования по углу места. Сигналы пассивных помех флуктуируют с задаваемыми коэффициентами корреляции, что также составило изобретение.

На имитатор возлагаются функции измерителя. Он содержит калиброванные аттенюаторы, позволяющие производить измерения подпомеховой видимости, пороговых сигналов, потенциальных и инструментальных точностей измерения координат и пр. В РЛС 55Ж6У многие из указанных измерений производятся по имитатору автоматически в процессе функционального контроля и сдачи изделия заказчику на соответствие ТУ. Управление имитатором в этой РЛС производится от ПЭВМ.

Имитаторы РЛС 55Ж6 и 55Ж6У позволили на ранних стадиях отработки и в процессе государственных испытаний вскрыть и устранить основные недостатки аппаратуры, осуществить качественную комплексную регулировку до проведения летных экспериментов (которые являются не только дорогостоящими, но и недолговременными). Высококачественные многофункциональные имитаторы были во всех изделиях ННИИРТ последнего пятидесятилетия. Это в немалой степени определило тот факт, что они успешно и в срок проходили государственные испытания и внедрялись в серийное производство и эксплуатацию.

Остановимся дополнительно на некоторых особенностях РЛС 55Ж6У.

РЛС 55Ж6У - это цифровая фазированная антенная решетка (ЦФАР). Сигналы попарно объединенных строк антенны высотомера (всего 12 каналов) после преобразования к промежуточной частоте оцифровываются и все алгоритмы пространственно-временной обработки, включая электронное сканирование луча, защиту от помех, сжатие, накопление, измерение реализуются в виде программного продукта в оригинальном спецвычислителе, работающем в нереальном масштабе времени (РЛС 55Ж6У разрабатывалась в то время, когда еще не было современных быстродействующих сигнальных процессоров), и реализующем указанные алгоритмы только в тех элементах разрешения по азимуту и дальности, где дальномером фактически обнаружена цель.

Цифровая обработка позволила реализовать новые тонкие алгоритмы, позволяющие за счет пространственного подавления земного луча ослабить влияние подстилающей поверхности на точность измерения высоты и сократить зону нечувствительности по углу места до приемлемого минимума. На государственных испытаниях РЛС 55Ж6У была получена высокая точность измерения высоты.

Ошибка измерения по истребителю МИГ-21 на высоте 10 км, осредненная по участку полета по дальности от 300 до 40 км, в режиме автосопровождения (со сглаживанием высоты) составила 400 м. Без сглаживания ошибка по высоте составила менее 600 м (в РЛС 55Ж6 такая ошибка обеспечивалась только от дальности 200 км, т.е. только для углов места больших 2°).

Сигналы дальномерной антенны (после аналоговой диаграммо-образующей схемы, формирующей главный луч и разностные компенсационные диаграммы), преобразованные к промежуточной частоте, также оцифровываются и их дальнейшая цифровая обработка осуществляется аппаратно в реальном масштабе времени.

В РЛС 55Ж6У встроена ПЭВМ. Кроме указанных выше функций измерения и управления имитатором, на ПЭВМ реализованы: информационно-справочная система, автоматический поиск неисправностей с указанием места неисправного узла в ЗИПе, тренаж боевого расчета, документирование и воспроизведение трасс целей и действий боевого расчета.

В РЛС 55Ж6У эффективная площадь антенны высотомера увеличена в 1,8 раза, ФАР высотомера содержит 24 строки по 6 вибраторов в каждой против 16-ти строк из 5 вибраторов в РЛС 55Ж6. Это позволило выровнять энергетические потенциалы дальномера и высотомера и сделать равными зону обнаружения и измерения высоты. Высота антенны РЛС около 43 м, она имеет два яруса оттяжек, что, к сожалению, усложняет кинематику ее подъема. В дальномерной части антенны введена весовая обработка по апертуре, снижающая уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны.

В антенну РЛС 55Ж6У встроены две антенны НРЗ 3-го и 7-го диапазонов. В РЛС 55Ж6 антенна НРЗ расположена отдельно и имеет отдельное опорно-поворотное устройство.

Серийное производство РЛС 55Ж6У было организовано на производственной базе института в 1994 г. Это послужило спасительным средством для ННИИРТ в самые тяжелые годы обвала промышленности России.

В процессе ОКР "Небо", "Небо-У" был проведен значительный объем научных исследований специфических вопросов радиолокации в метровом диапазоне волн. Они могли бы представить интерес для научно-технической общественности, но, к сожалению, остались неопубликованными.

РЛС 55Ж6 и 55Ж6У не имеют аналогов в мире. Автору неизвестна также какая-либо РЛС, разработанная до 1992 г., которая бы представляла собой цифровую ФАР. РЛС 55Ж6 удостоена Государственной премии СССР в 1987 г., а РЛС 55Ж6У - Государственной премии РФ в 2003 г.