СУДОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ РЛС

11.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАВИГАЦИОННЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ РЛС

Принцип действия РЛС системы Доплера - Белопольского состоит в том, что при относительном движении РЛС и объекта частота принимаемых отраженных сигналов не остается постоянной, а изменяется по определенному закону. Это свойство было открыто в 1842 году австрийским физиком Х. Доплером и впервые экспериментально проверено в лабораторных условиях для световых волн в 1900 г. русским физиком А. А. Белопольским.

Величина вышеуказанного изменения частоты зависит от скорости и направления относительного перемещения РЛС и объекта и от длины волны (частоты) радиолокационной станции. На рис. 11.1 представлена структурная схема простейшей доплеровской РЛС (ДРЛС).

Передатчик излучает зондирующие сигналы в виде непрерывных немодулированных колебаний частотой f₁. Частота f₂ сигналов, отраженных от объекта и попадающих в приемную антенну РЛС, будет отличаться от частоты f₁ зондирующих сигналов на величину так называемой доплеровской частоты (F_D): f₂ = F₁ ± F_D .

Знак плюс соответствует сближению РЛС и объекта, а минус – удалению.

Ослабленные зондирующие сигналы и принимаемые отраженные сигналы поступают на вход приемника, создают биения с разностной частотой f₁ – f₂ , и после детектирования на входе приемника получаем колебания доплеровской частоты, которая равна

где V_P - радиальная составляющая скорости перемещения объекта;

l - длина волны зондирующих сигналов РЛС.

Если выразить длину волны в сантиметрах, а радиальную скорость объекта - в километрах в час, то расчетная формула доплеровской частоты в герцах примет вид

Зависимость доплеровской частоты от направления движения объекта (цели), находящегося в точке О, может быть охарактеризована диаграммой в полярных координатах, представленной на рис. 11.2.

s – амплитуда сигнала; f – частота.

Доплеровские РЛС с непрерывным излучением сигналов широко используются для измерения путевой скорости самолетов, скорости ветра, скорости автомобильного транспорта и пр.

В последнее время доплеровские РЛС начали широко использовать в судовождении для измерения скорости причаливания судов. Это объясняется тем, что появление крупнотоннажных судов, в частности танкеров водоизмещением 150 – 200 тыс. т и более, вызвало необходимость принятия мер, предотвращающих повреждения при швартовке таких судов к причалу.

Оснащение судов подруливающими устройствами, использование швартовных буксиров и тому подобные меры не решают проблемы полностью. При швартовке судоводитель должен иметь исчерпывающую информацию о положении судна относительно причала и его скорости. Применяемые визуальные методы определения скорости судна и расстояния до причала по береговым предметам при швартовке крупнотоннажных судов стали непригодными. Многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150 – 200 тыс.т, если его скорость превышает 3 – 5 м/мин. Следовательно, возникает необходимость в точном измерении скорости судна, достигающей 0,5 – 1 м/мин.

Структурная схема доплеровской РЛС показана на рис.11.4.

В структурную схему входит: генератор ГСВЧ непрерывных немодулированных колебаний сверхвысокой частоты f₀ , развязывающее устройство РУ, направленная антенна А, смеситель См, усилитель доплеровской частоты УДЧ и индикатор. Зондирующие колебания сверхвысокой частоты f₀ через развязывающее устройство попадают в антенну и одновременно, после ослабления в развязывающем устройстве, подаются на вход смесителя приёмника.

Отраженные сигналы с частотой f₀ ± F_D поступают на вход смесителя и смешиваются с частотой зондирующих сигналов f₀ . Возникающие биения разностной частоты создают на входе смесителя доплеровскую частоту F_D , усиливаемую каскадами УДЧ.

Индикатором служит устройство, измеряющее доплеровскую частоту. Поскольку радиальная скорость объекта V_P и доплеровская частота связаны между собой линейной зависимостью , указанный индикатор–частотомер может быть отградуирован в единицах скорости (например, в метрах в минуту). Практически при использовании доплеровской РЛС в качестве измерителя скорости движения объектов оказывается необходимым выяснить, в каком направлении движется объект относительно ДРЛС, т.е. приближается или удаляется.

Эту задачу можно выполнить несколько способами. Например, с помощью отдельных фильтров, настроенных на частоты f₀ – F_D и f₀ + F_D , лежащие по обе стороны частоты зондирующего сигнала f₀ . в первом случае частота отраженного сигнала оказывается ниже частоты f₀ , следовательно, объект удаляется от ДРЛС. Во втором случае наоборот – частота отраженных сигналов оказывается выше частоты f₀ , следовательно, объект приближается к ДРЛС.

Знак доплеровской частоты можно определить также фазовым методом. путем обработки принятых отраженных сигналов в двухканальной схеме приёмного устройства, как это показано на рис. 11.5.

,

Если объект приближается, то выходные напряжения I и II каналов будут выражаться следующими зависимостями:

;

,

где E_m – амплитуда напряжения сигнала;

j - постоянный фазовый угол, зависящий, например, от дальности первоначального

обнаружения объекта (цели).

При удалении объекта относительно ДРЛС напряжения выходных сигналов обоих приёмных каналов будут определяться следующими уравнениями:

;

.

Таким образом, направление движения объекта определяется опережением или запаздыванием фазы выходного сигнала II канала приёмника относительно I канала. Индикацию направления движения объекта можно обеспечить, например, использованием двухфазного синхронного электродвигателя. При изменении фазы выходного сигнала направление поворота электродвигателя укажет направление движения объекта (цели).

Доплеровские РЛС имеют максимальную дальность обнаружения объектов до 3000 м, а минимальную — до 0,5 м. В них применяется стрелочный индикатор, проградуированный в единицах скорости (м/мин). Отклонение стрелки вправо соответствует сближению доплеровской РЛС с объектом, отклонение влево — удалению от него. Обычно на индикаторе имеется несколько шкал скорости, например 0 — 15, 0 — 30, 0 — 150 м/мин. Доплеровская РЛС может устанавливаться на судне (антенна направлена на стенку причала) или на причале (антенна направлена на судно). На больших судах приемопередатчики и антенны обычно размещают в носу и в корме, а индикаторы — на крыльях ходового мостика. При размещении доплеровской РЛС на причале используют два или три передвижных комплекта станции: например, одна определяет скорость судна при входе в порт, а две другие — скорость приближения судна к причалу носом и кормой. Данные о скорости передаются капитану по радиотелефону или посредством светящегося табло.

Вопрос обеспечения безопасности мореплавания — один из главных в морском судоходстве. Соблюдение мер безопасности в портах мира подчеркивается международной конвенцией. Доплеровскими РЛС или как их ещё называют системами лазерной швартовки судов, давно оснащены все порты мира.

Рассмотрим внедрение такой современной лазерной системы безопасности швартовки крупнотоннажных судов на примере порта Новороссийск на Чёрном море. В России именно Новороссийск, как особо значимый порт, выбран первым, где была внедрена лазерная система на четырех глубоководных причалах порта.

Аппаратура системы "LDS-200", разработана и изготовлена датской компанией "Marimatech". Она определяет скорость движения судна, расстояние и угол его подхода к причалу с точностью до одного сантиметра. Используя ее совместно с системой гидрометеомониторинга, можно обеспечить полную безопасность прохождения судов в любое время суток и в любую погоду. Это значительно поднимает статус порта, обеспечивает безопасность прохождения судов и делает порт привлекательным для грузоотправителей и грузополучателей.

Лазерная система "LDS-200" является вспомогательной для лоцманской службы порта и предназначена для повышения безопасности в процессе причаливания и швартовки судов, а также мониторинга их состояния после постановки к причалу. Ниже приведена структурная схема системы (рис. 11.6) и внешний вид переносного лоцманского индикатора (рис. 11.7).

Функциональные возможностилазерной системы "LDS-200":

- обеспечение лоцмана информацией о дистанции до причала и скорости сближения, а также гидрометеорологической информацией;

- документирование параметров движения судна при швартовке;

- обслуживание необходимого количества мест швартовки крупнотоннажных судов.

Система состоит из следующих элементов:

- лазерных сенсоров;

- метеостанции, включающей датчики скорости и направления ветра и датчик высоты волны;

- цифрового информационного табло;

- центра управления (ЦУ), включающего компьютер ЦУ с программным обеспечением, принтер, источник бесперебойного питания;

- канала связи, включающего мультиплексоры и оптоволоконную кабельную линию.

Сбор данных от датчиков системы и формирование группового сигнала осуществляется через мультиплексор. Волоконно­оптический кабель обеспечивает соединение мультиплексора на причале и в центре управления. Отображение положения крупнотоннажных судов происходит на рабочем дисплее центра управления. Программное обеспечение (ПО) состоит из электронной карты и базы данных.

Данные по судам автоматически сохраняются на жестком диске компьютера ЦУ с возможностью просмотра процесса швартовки и вывода на печать. ПО должно иметь модуль тестирования всей системы, включая компьютер ЦУ, датчики, табло. ПО производит расчет положения судов, скорости и направления ветра, волнения моря, температуры воздуха.

Информация с компьютера ЦУ (дальность до судна, скорость сближения по корме и носу) отображается на табло. Табло соединено кабелем с мультиплексором. Информация на табло читаема с расстояния 200 м в дневное и ночное время при нормальной видимости. Табло выполнено для условий взрывоопасной зоны.

Лазерная система "LDS-200" подтвердила свои достоинства, позволив вести мониторинг всего процесса швартовки в реальном времени, представлять его в документальной форме, а также повысила безопасность эксплуатации нефтеналивного терминала и мореплавания в акватории порта Новороссийск.

11.2. СУДОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ РЛС СЕРИИ «НАЯДА»

Навигационные РЛС серии "Наяда" имеют свою историю развития и стали дальнейшим совершенствованием судовых радиолокационных станций - "Дон", "Донец", "Волга", "Кивач", "Миус", "Вайгач", "Енисей", которые долгие годы обеспечивали безопасность плавания судов.

Надежность, удобство в эксплуатации, высокие тактико-технические характеристики РЛС серии "Наяда" снискали заслуженное уважение у судоводителей.

Ранее выпущенные РЛС серии «Наяда» («Наяда-1», «Наяда-2», «Наяда-3»,«Наяда-4») заканчиваются модификацией РЛС «Наяда-5», которая получила дальнейшее развитие в таких образцах РЛС, как: «Наяда-25МЕ»; «Наяда-25М1»; «Наяда-34М»; «Наяда-34МЕ». Кроме того, РЛС «Лиман-18М1» и «Галс» выпускаются для малотоннажных судов.

РЛС «Наяда-5» по сравнению с ранее выпущенными сериями имеет бóльшую мощность излучения, увеличенные размеры экрана ЭЛТ и может сопрягаться с устройством оценки опасности сближения с надводными объектами. Отличительными особенностями РЛС «Наяда-5» также являются:

- возможность отображения надводной обстановки на экране ИКО как в режиме относительного движения, так и в режиме истинного движения;

- возможность измерения угловых координат объектов как механическим, так и электронным визиром с цифровым счетчиком направлений;

- возможность вывода измеренных расстояний на цифровой счётчик;

- возможность оперативного смещения на 2/3 радиуса экрана центра радиально-круговой развертки, как в режиме истинного движения, так и в режиме относительного движения, что позволяет увеличивать дальность радиолокационного обзора в выбранном направлении без изменения масштаба шкалы дальности;

- возможность решения навигационных задач путем сопряжения с устройством оценки опасности сближения с надводными объектами;

- наличие специального обледенительного устройства в приводе вращения антенны;

- более высокая разрешающая способность по дальности и направлению за счет укорочения длительности зондирующих импульсов, сужения ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и использования в индикаторе ЭЛТ с повышенной разрешающей способностью;

- бóльшая мощность излучения, а значит и бóльшая дальность действия, увеличенные размеры экрана ЭЛТ.

РЛС «Наяда-5» кроме широкого использования на судах нашла также применение при работе в составе береговых РЛС (подробнее о работе БРЛС см. в главе 12).

Навигационная радиолокационная станция «Наяда-25МЕ»:

предназначена для обеспечения навигации и повышения безопасности плавания судов валовой вместимостью до 10000 тонн, и выше в качестве второй навигационной РЛС.

Длина волны 10 см; Диаметр вращения антенны 3,5 м; Мощность передатчика 25 кВт; Шкалы дальности, до 96 миль. Эффективный диаметр радиолокационного изображения – 250 мм.

На рис. 11.9 представлен внешний вид прибора И (индикатор) РЛС «Наяда-25МЕ».

Краткие характеристики радиолокационной станции:

яркое цветное изображение с высоким разрешением на жидкокристаллическом мониторе;

отображение обобщенной информации о своем судне (географические координаты; курс, скорость, глубина под килем; текущее время);

межобзорное накопление;

увеличение масштаба выбранного участка изображения с отдельной его индикацией на дополнительном поле экрана;

ориентация изображения: КУРС, СЕВЕР, КУРС СТАБ; режимы ОД и ИД со смещением центра развертки в пределах 2/3 радиуса изображения;

измерители координат целей: визиры направления и дальности; электронная линейка; координатный маркер;

автообнаружение и сигнализация о нахождении целей в охранной зоне;

следы относительного и истинного движения с регулируемым временем их длительности;

автоматическое сопровождение до 50 целей с индикацией параметров движения и параметров сближения с предупреж-дением об опасности столкновения и ими-тацией маневров на расхождение (САРП);

вывод данных САРП в систему ото-бражения морских электронных карт.

стабилизация изображения и графи-ческой информации относительно воды и грунта;

прием и отображение параметров дви-жения целей от транспондера АИС.

РЛС «Наяда-34МЕ» в отличие от РЛС «Наяда-25МЕ» - имеет увеличенную мощность передатчика, равную 50 квт, а от отсюда и увеличенную дальность действия. Эффективный диаметр радиолокационного изображения – 340 мм.

Устанавливается на судах валовой вместимостью свыше 10 000 т. Имеет дополнительные функции вывода электронной карты на экран дисплея и контроля якорной стоянки. В остальном их характеристики одинаковы.

Судовая радиолокационная станция «Наяда-25М1» (Наяда -25М1Р) предназначена для обеспечения навигации и повышения безопасности плавания судов валовой вместимостью до 10000 тонн, и выше в качестве второй НРЛС.

Работает в 3-см диапазоне волн. Диаметр вращения антенны составляет 3 м. Мощность передатчика 10 кВт. Шкалы дальности, до 96 миль. Эффективный диаметр радиолокационного изображения – 250 мм.

В остальном её характеристики совпадают с характеристиками РЛС «Наяда-25МЕ».

РЛС «Наяда-34М» (рис. 11.10) также работает в 3-см диапазоне волн. Диаметр вращения антенны составляет 3 м. Отличается от других образцов мощностью передатчика, равную 25 квт. Эффективный диаметр радио-локационного изображения – 340 мм.

Предназначается для установки на судах валовой вместимостью свыше 10000 тонн.

Постоянно ведутся исследования, новые разработки и усовершенствования РЛС серии «Наяда» для судов различного типа. Особый интерес вызывают разработки и поставки таких РЛС для малотоннажных судов.

Навигационная радиолокационная станция «Лиман-18М1» (рис. 11.11) предназначена для обеспечения нави-гации и повышения безопасности пла-вания судов валовой вместимостью до 1000 тонн.

Работает в 3-см диапазоне волн. Диаметр вращения антенны составляет 1,6 м. Мощность передатчика 4 кВт. Шкалы дальности, до 48 миль.

Станция обеспечивает решение следующих задач:

движения с ориентацией изображения на экране индикатора по курсу, северу, курсу стабилизированному или в режиме истинного движения;

определение координат наблюдаемых надводных объектов в полярной (относительно своего судна) системе отсчета, а также измерение расстояний между двумя объектами и пеленга с одного объекта на другой;

подача звукового сигнала о входе объектов в установленную судоводителем оранную зону;

контроль якорной стоянки;

индикация следов прошлого относительного или истинного движения объектов;

сигнализация об опасной глубине и графическое отображение профиля глубины по данным эхолота;

автоматическая радиолокационная прокладка (АРП) до 30 целей с ручным или автоматическим захватом;

обнаружение и отображение на экране индикатора сигналов радиолокационных маяков и ответчиков судовых и спасательных средств, охватывающих диапазон несущих частот судовых РЛС 3см диапазона, с наложением на радиолокационное изображение.

Радиолокационная станция «Галс»(рис.11.12) предназначена для обеспе-чения навигации и повышения безо-пасности плавания судов валовой вместимостью до 150 тонн.

Станция может применяться в качестве вспомогательной станции на крупнотоннажных судах. На свободном поле экрана индикатора предусмотрена индикация оперативной информации.

Длина волны 3 см. Антенна 60 см в колпаке. Мощность передатчика 4 кВт. Шкалы дальности до 32 миль. РЛС «Галс» обеспечивает:

круговой радиолокационный обзор в 3-сантиметровом диапазоне радиоволн и отображение надводной обстановки (берегов, навигационных знаков, судов и других надводных объектов) в режиме истинного или относительного движения с ориентацией изображения на экране индикатора по курсу, северу и курсу стабилизированному;

определение координат наблюдаемых надводных объектов (дистанция, курсовой угол, пеленг) и местоположения своего судна относительно береговых и надводных ориентиров;

автообнаружение и подачу звукового сигнала о нахождении объектов в установленной судоводителем охранной зоне;

отображение следов относительного движения объектов для быстрой глазомерной оценки опасности сближения по всем объектам.

11.3. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ ТИПА «РЯД»

Радиолокационная станция "Ряд" является дальнейшим развитием известной навигационной РЛС типа "Океан".

Одно и двух канальные автоматизированные радиолокационные станции типа «Ряд» 3 и 10 см диапазона волн предназначены для обеспечения навигации морских судов в районах плавания и могут использоваться в судовых и корабельных навигационных и интегрированных комплексах, а также в системах управления движением судов (СУДС).

Технические характеристики антенных устройств и приёмопередатчиков РЛС типа «Ряд» приведены в разделах 6.5 и 7.6 глав 6 и 7 соответственно.

Для такой радиолокационной станции характерно наличие компьютерного радиолокационного индикатора (рис. 11.13)

Компьютерный радиолокационный индикатор построен на основе высокопроизводительного компьютера (не менее Pentium III 450) со встроенной платой радар-процессора и обеспечивает вторичную обработку радиолокационной информации, управление работой РЛС, отображение динамической, статистической информации, и информации о состоянии органов управления радара. Программное обеспечение, выполненное в операционной среде QNX с использованием GUI "Photon", позволяет:

§ отображать радиолокационное изображение окружающей обстановки, электронную карту, цифробуквенную и графическую информацию, диалоговые окна, меню, кнопки управления;

• ориентировать изображение: КУРС, СЕВЕР, КУРС СТАБ, режимы ОД и ИД со смещением изображения;
• осуществлять межобзорное накопление;
• обеспечивать измерение координат целей с помощью визира направления и дальности, электронной линейки, координатного маркера;
• выполнять автообнаружение с сигнализацией о нахождении цели в охранной зоне;
• формировать следы относительного движения целей с регулируемым временем их длительности;
• осуществлять автоматическое сопровождение до 200 целей с индикацией параметров движения целей и параметров сближения с предупреждением об опасности столкновения и имитацией маневров на расхождение;

§ обеспечивает документирование информации на магнитном носителе и выполнять другие функции в соответствии с требованиями ИМО.

Отличительные особенности РЛС «Ряд»:

1. Приёмопередатчики 3-х см диапазона с импульсной мощностью 20 кВт и более построены на базе магнетронов с безнакальным автокатодом. Данные магнетроны имеют время безотказной наработки в условиях эксплуатации более 10000 часов, обеспечивают мгновенную готовность к работе и существенно упрощают передатчик.

2. Шестиметровые антенны РЛС запитываются СВЧ-энергией в центре, что позволяет получить высокую разрешающую способность по дальности при длительности импульса 50 - 70 Нс и устраняет зависимость направления излучения от несущей частоты импульсов.

3. В приводах антенн используются маховая стабилизация скорости обзора и плавный пуск/остановка.

4. Электропитание изделия осуществляется от однофазной или трехфазной сети 220/380 В, 50 Гц.

5. Предусмотрено оперативное снижение средней мощности излучения в 2 и 4 раза.

6. Управление работой радиолокационного приемо-передающего модуля (РППМ) с пульта управления осуществляется по последовательному интерфейсу типа RS. К пульту управления может быть подключено несколько (до четырех) РППМ различных длин волн (мм; см; дм), что позволяет создать многоканальный радиолокационный комплекс.

7. Встроенный контроль работоспособности приборов, блоков, узлов.

11.4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУДОВЫХ РАДАРАХ ТИПОВ

«Bridge Master», «Furuno»

Высокая надежность, удобство в эксплуатации, высокие тактико-технические характеристики, современный дизайн радаров типов «Bridge Master», «Furuno», «Simrad», давно снискали заслуженное уважение у судоводителей всего мира.

В разделе 16.1 главы 16 приведены примеры современных РЛС/САРП типов «Bridge Master», «Furuno», в которых помимо решения основных задач — обнаружения и определения координат целей — имеется целый набор функций, существенно расширяющих их возможности. Такие РЛС устанавливаются на судах, где требуются радары высокого разрешения с высокой скоростью сканирования. Применение цветных электронно-лучевых трубок либо цветных дисплеев обеспечивает нормальную читаемость изображения при освещении рабочего места оператора дневным светом.

Судовые радары «Bridge Master»(Великобритания, фирма «Decca») разработаны и выпускаются сериями 180, 250 и 340 с эффективным диаметром радиолокационного изображения 180, 250 и 340 мм соответственно.

Так, серию 180 и 250 представляют современные радиолокационные станции, соответствующие требованиям IMO для судов водоизмещением до 10000 т, как основные, и свыше 10000 т, как дополнительные. Такие РЛС обеспечивают захват и сопровождение до 40 целей. Предусмотрена возможность проигрывания маневра курсором и/или скоростью (вариант САРП) и построения географической карты, используя дигитайзер, с отображением до 500 элементов карты. Контур «своего судна» изображается на малых шкалах до 1,5 миль. Ввод данных от других судовых навигационных приборов с отображением их на экране радара позволяет решать различные навигационные задачи. Предусмотрено широкое использование индексных линий и зон безопасности в сочетании с визуальной и звуковой сигнализацией. В зависимости от освещённости рабочего места имеется возможность установки пяти уровней освещенности экрана.

В таблице 11.1 приведены основные отличительные технические данные судовых радаров «Bridge Master» серий 180 и 250.

Табл. 11.1

Радары «Bridge Master» серии 340 включают в себя технические данные радаров серии 180 и 250. Кроме того, они отличаются увеличенным эффективным диаметром экрана (340 мм) и могут сопрягаться с электронной картографической системой «NAVI-SAILOR». Имеется более широкий спектр выбора антенн, дисплеев с возможностью подключения различных судовых приборов для создания комплексной навигационной системы. Импульсная мощность радаров данной серии может достигать до 30 кВт (модель С343). Размеры применяемых антенн колеблются от 1.8 до 3.6 м. Режим истинного движения возможен на шкалах от 0,75 до 48 миль.

Радары данной серии имеют улучшенные характеристики режима САРП. Так, автоматический захват и сопровождение 40 целей возможен на дистанции от 0,25 до 20 миль. Применение улучшенного видеопроцессора позволяет отслеживать цели на малых шкалах при сильном волнении. Более подробно о работе радаров «Bridge Master» в режиме САРП изложено в разделе 16.1 главы 16.