Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, работающих по земной поверхности

УДК 629.054:001.891.54(075.8)
ББК 39.671-52в6я73
          П53
Авторы:
В. Г. Важенин, Н. А. Дядьков, А. С. Боков, А. К. Сорокин,
Ю. В. Марков, Л. Л. Лесная

Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей 
Уральского технического института связи и информатики (замзав-
кафедрой доц., канд. техн. наук Н. В. Будылдина);
Костоусов Виктор Борисович, канд. физ.-мат. наук, доц., начальник отдела 
Института математики и механики УрО РАН

П53
    Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, 
работающих по земной поверхности : учебное пособие / В. Г. Важенин  
[и др.] ; под общ. ред. В. Г. Важенина. — Екатеринбург : Изд-во Урал.  
ун-та, 2015. — 208 c.

ISBN 978-5-7996-1612-0

Представлен теоретический материал, необходимый для освоения вопросов 
построения современных бортовых радиолокационных систем и устройств навигации 
летательных аппаратов, работающих по земной поверхности; полунатурно-
го моделирования в условиях, максимально приближенных к реальным условиям 
их применения; методов, алгоритмов и путей построения имитаторов принимаемых 
сигналов, в том числе в режиме реального времени. 
Для студентов, обучающихся по программе магистратуры по направлению подготовки «
Радиотехника» по дисциплинам «Теория и техника радиолокации и радионавигации», «
Проблемы современной радиолокации», а также для студентов, 
обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы».

Библиогр.: 74 назв. Рис. 109. Прил. 1.

УДК 629.054:001.891.54(075.8)
ББК 39.671-52в6я73

ISBN 978-5-7996-1612-0 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2015

Основные сокращения

АКФ — автокорреляционная функция
АС — антенная система
АСИ — антенная система имитатора
АСП — антенная система моноимпульсного пеленгатора
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БНК — бортовой навигационный комплекс
БПФ — быстрое преобразование Фурье
БРЛС — бортовая радиолокационная станция
БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина
ВКФ — взаимнокорреляционная функция
ВПП — взлетно-посадочная полоса
ВЧГ — высокочастотная головка
ГУН — генератор, управляемый напряжением
ДИСС — доплеровский измеритель составляющих вектора ско-
рости
ДН — диаграмма направленности
ДНА — диаграмма направленности антенны
ДОР — диаграмма обратного рассеяния
ИМ — импульсная модуляция
ИНС — инерциальная навигационная система
ИОС-РВ — имитатор отраженного сигнала радиовысотомера
ИС-БЦВМ — имитаторы сигналов для комплексной отладки про-
граммного обеспечения БЦВМ
КБО — комплекс бортового оборудования
КРИСС — корреляционный измеритель составляющих вектора 
скорости
ЛА — летательный аппарат
ЛЧМ — линейная частотная модуляция
ММ — математическая модель
МО — Министерство обороны
НЛЧМ — несимметричная линейная частотная модуляция
НСК — нормальная система координат

Основные сокращения

НЧ — низкая частота
ОАО «УПКБ «Деталь» — открытое акционерное общество «Ураль-
ское проектно-конструкторское бюро «Деталь»
ОДО — облако дипольных отражателей
ОКР — опытно-конструкторская работа
ОРС — обнаружение, распознавание и сопровождение
ПАС — программно-аппаратные средства
ПНМ — полунатурное моделирование
ППУ — приемопередающее устройство
ПРД — передатчик
ПрУ — приемное устройство
ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина
РВ — радиовысотомер
РВС — радиовысотомерная система
РЛИ — радиолокационные изображения
РЛО — радиолокационное оборудование
РЛС — радиолокационная станция
РСА — радиолокатор с синтезированной апертурой
СВЧ — сверхвысокая частота
СКО — среднеквадратическое отклонение
СЛЧМ — симметричная линейная частотная модуляция
ССК — связанная система координат
ТТХ — тактико-технические характеристики
УНЧ — усилитель низких частот
УПМ — установка полунатурного моделирования
УЭПР — удельная эффективная площадь расселения
ФКМ — фазокодоманипулированный
ФМ — физическая модель
ФНЧ — фильтр низких частот
ФФ — формирующий фильтр
ФЦО — фоноцелевая обстановка
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦОС — цифровая обработка сигнала
ЧД — частотный дискриминатор
ЧМ — частотная модуляция
ЧМ РВ — радиовысотомер с частотной модуляцией
ЭПР — эффективная площадь рассеяния
ЭЦ — элементарная цель

Предисловие

В 

настоящем учебном пособии приведены результаты работ 
по полунатурному моделированию современных и перспективных 
бортовых радиолокационных систем и устройств, 
работающих по земной поверхности. Результаты получены при проведении 
совместных работ научно-исследовательского института радиоэлектронных 
систем летательных аппаратов (НИИ РАСЛА), кафедры 
радиоэлектроники информационных систем УрФУ и ОАО «УПКБ 
«Деталь» корпорации «Тактическое ракетное вооружение» и в рамках 
аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного 
потенциала высшей школы (2009–2011 годы) по проекту «Разработка 
методов и исследование алгоритмов имитации электромагнитных 
полей и сигналов в раскрыве приемных антенн бортовых радиолока-
ционных систем обзора земной поверхности».
В учебном пособии использованы результаты, полученные науч-
ным сотрудником, канд. техн. наук Соловьяновым А. В. (гл. 3) и веду-
щим инженером Вдовкиным К. А. (параграф 2.3).
Авторы учебного пособия выражают искреннюю благодарность 
ОАО «УПКБ «Деталь» (генеральный директор — главный конструк-
тор Пономарев Л. И.) за активную поддержку работы.
Авторы также выражают свою признательность за научно-техни-
ческое сотрудничество Нестерову Ю. Г., Мухину В. В., Иофину А. А., 
Калмыкову Н. Н., Нестерову М. Ю., Сиротину А. Н., Щербакову Д. Е., 
Золотову Б. Ф., Зонову М. В.

1. Назначение, принципы построения,  
алгоритмы функционирования  
и особенности моделирования современных 
и перспективных бортовых РЛС,  
работающих по земной поверхности

В 

последние годы все более широкое развитие получают бор-
товые радиолокационные станции (БРЛС), использующие 
сигналы, отраженные или рассеянные земной поверхно-
стью. Основными задачами, решаемыми этими БРЛС, является как 
навигация ЛА по земной поверхности (измерение параметров дви-
жения, определение и коррекция местоположения), так и обнаруже-
ние, распознавание и классификация объектов, находящихся на зем-
ной и водной поверхности [1], [2], [4], [5], [6], [7], [11]–[14], [17], [18], 
[21], [23], [25], [38], [49], [50].
Актуальной задачей являются как совершенствование существу-
ющих БРЛС, так и разработка и отладка новых перспективных РЛС.
Общим для всех этих систем является то, что они или использу-
ют в качестве информационного сигнала сигнал, отраженный земной 
поверхностью, или решают задачи обнаружения объектов на фоне та-
кого сигнала.
При имитации работы автономных БРЛС одной из основных за-
дач является построение математической модели сигнала, отраженно-
го от протяженной земной поверхности, и физическая его имитация. 
Наиболее эффективно данную задачу можно решить, только учитывая 
особенности построения, функционирования и применения БРЛС.
В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы имита-
ции сигнала и моделирования БРЛС для двух наиболее распростра-
ненных классов:

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

1) бортовые РЛС, работающие в режиме обзора земной поверх-
ности и решающие задачи обнаружения и распознавания наземных 
и надводных объектов на фоне отражения от поверхности;
2) бортовые радиолокационные измерители параметров движения 
ЛА относительно земной поверхности (измерители высоты и составляющих 
вектора скорости).

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

1.1.1. Общая характеристика БРЛС

Основной тенденцией современного этапа развития бортовых радиолокационных 
систем обзора земной поверхности является разработка 
и создание многофункциональных БРЛС, решающих задачи переднего, 
бокового или секторного обзора, формирования радиолокационного 
изображения подстилающей поверхности, распознавания и классификации 
распределенных целей на фоне естественных и искусственных 
помех, выбора и сопровождения целей в соответствии с заданной логикой 
работы и полетным заданием. Кроме того, как правило, в современных 
БРЛС производится оценка помеховой обстановки и обнаружения 
источников излучения и также существуют режимы наведения 
на постановщики активных помех и источники излучения.
Обобщенная структура БРЛС обзора земной поверхности и ее взаимодействие 
с бортовым оборудованием и внешней средой приведена 
на рис. 1.1.1 [6], [8], [10], [11]–[14], [23]–[25].
Практически во всех современных БРЛС обзора земной поверхности 
используются сложные широкополосные зондирующие сигналы, 
обеспечивающие высокое разрешение по дальности и угловой координате (
доплеровской частоте). В источнике [11] показано, что с учетом 
современных средств цифрового формирования и обработки сигналов 
наиболее предпочтительными являются импульсные сигналы 
с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Типичной последовательностью режимов работы на различных 
стадиях полета может быть:
— на участке подлета к зоне выполнения задачи боковой обзор, 
в том числе с синтезированием апертуры для коррекции траектории 

1. Назначение, принципы построения, алгоритмы функционирования и особенности моделирования...

по радиолокационной карте местности, передний обзор для управления 
полетом на малых высотах в режиме огибания рельефа;
— секторный обзор и обнаружение целей при входе в зону выполнения 
задачи;
— боковой обзор в зоне выполнения задачи с синтезированием 
апертуры для формирования радиолокационного портрета сложных 
распределенных целей, их классификации, уточнения координат и вы-
бора цели для сопровождения.

Рис. 1.1.1. БРЛС обзора земной поверхности  
и ее взаимодействие с КБО и внешней средой

Высокая разрешающая способность по дальности и угловым коор-
динатам, требуемая для решения этих задач, обеспечивается исполь-
зованием сложных широкополосных сигналов с высокой разрешаю-
щей способностью как по дальности, так и по доплеровскому сдвигу 
совместно с моноимпульсным принципом измерения угловых коор-
динат.
С учетом изложенных тенденций построения БРЛС задачей полу-
натурного моделирования становится оценка не только классических 

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

тактико-технических характери-
стик (ТТХ) РЛС, таких как раз-
решающая способность по даль-
ности и угловым координатам, 
вероятности правильного обна-
ружения, пропуска цели, ложной 
тревоги, погрешности оценки ко-
ординат цели, но и вероятностных 
характеристик процедур класси-
фикации целей и отработка логи-
ки работы РЛС — смены режимов 
работы, параметров сигнала, вы-
бора целей и т. д.
В последние годы все бо-
лее широкое развитие получают 
принципиально новые авиацион-
ные РЛС бокового обзора для об-
наружения наземных (надводных) 
объектов на фоне земных и мест-
ных покровов [11], [17], [18], [23], 
[24]. В современных РЛС боково-
го обзора предусматривается обе-
спечение высокой разрешающей 
способности, что позволяет по-
лучать изображения местности 
и местных объектов, приближа-
ющиеся по своему качеству к аэ-
рофотоснимкам (рис. 1.1.2, а, б), 
а также определять их коорди-
наты с высокой точностью [32]. 
На рис. 1.1.2 показаны оптиче-
ские изображения городской за-
стройки и промзоны, на которые 
наложены радиолокационные изо-
бражения (РЛИ). Появляется так-
же возможность наблюдения объ-
ектов в любых метеорологических 
условиях на фоне земной поверх-

а

б

Рис. 1.1.2. Радиолокационные 
изображения:

а — РЛИ фрагмента городской застройки 
с разрешением 10 см; б — РЛИ промзоны 
с разрешением 30 см

ности и своевременного обнаружения малоразмерных слабоотража-
ющих наземных объектов.
Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований по-
казывает, что основными направлениями совершенствования радио-
локационных систем является разработка новых методов обнаружения 
наземных и морских объектов, а также поиск новых систем обработки 
сложных радиолокационных сигналов. Это связано с тем, что за по-
следнее время в ведущих странах мира огромное внимание уделяется 
радиомаскировке объектов, особенно относящихся к военной технике.
Как показывает анализ научно-исследовательских работ, резуль-
таты которых опубликованы за последние годы, к перспективным ме-
тодам современной радиолокации, позволяющим эффективно обе-
спечивать обнаружение и распознавание практически любого класса 
объектов, относят:
— использование сложных сигналов;
— использование широкополосных или сверхширокополосных 
сигналов;
— обнаружение объектов и определение их координат по анализу 
собственного радиотеплового излучения (пассивная локация);
— использование в системах различных диапазонов радиоволн.
Под определение РЛС обнаружения и распознавания наземных 
и надводных объектов попадает большое количество различных РЛС 
[23]. К ним относятся активные авиационные РЛС, корабельные и бе-
реговые РЛС, а также бортовые РЛС, устанавливаемые на различные 
виды беспилотных летательных аппаратов. Все эти виды РЛС различаются 
по используемому диапазону длин волн, виду излучаемого сигнала, 
тактике их применения и ряду других параметров и характеристик.
В качестве примеров можно привести характеристики некоторых 
БРЛС.

1. Модульная мультисенсорная система наблюдения и разведки 
РЛС HISAR (фирма-разработчик Laytheon Electronic Systems, США). 
Объединенная система наблюдения и разведки HISAR, представляющая 
собой РЛС с синтезированной апертурой (SAR) I-/J-диапазона 
частот, предназначена для пограничного наблюдения, дистанционного 
сбора данных и проведения всех типов мониторинга (загрязнение 
нефтью, вырубка леса, экономические зоны).
Система HISAR обеспечивает следующие режимы работы:
— широкомасштабный поиск с разрешением 20 м;

1. Назначение, принципы построения, алгоритмы функционирования и особенности моделирования...

1.1. Бортовые РЛС, работающие по земной поверхности

— объединенный режим SAR/MTI обзора полосы местности с разрешением 
6 м в диапазоне 20–110 км;
— режим SAR — пятна (телескопического обзора) с разрешением 
1,8 м.

2. Бортовая РЛС наземного наблюдения ASTOR с высоким разре-
шением формирования изображений (Великобритания). Програм-
ма ASTOR спонсируется МО Великобритании и предназначена для 
обеспечения детального наблюдения за ходом сухопутного сражения 
и наземными войсками противника. Данная РЛС должна обеспечить 
получение с высоким разрешением данных о стационарных объектах 
(образов) и обнаружение подвижных целей.
Первичным радиолокационным датчиком системы принята 
РЛС с синтезированной апертурой с индикацией движущейся цели 
(SAR/MTI).

3. Радиолокатор для поверхностного наблюдения J-диапазона РЛС 
AN/APS-144 (фирма-разработчик AIL Systems Inc., США).
Система AN/APS-144 модульная с быстрой перестройкой часто-
ты, когерентная импульсно-доплеровская РЛС, разработанная для 
наблюдения за наземной и надводной тактической обстановкой. Ос-
новными режимами работы радиолокатора являются обнаружение по-
верхностной (наземной или надводной) движущейся цели, воспроиз-
ведение изображения в режиме SAR, перехват.
Эта РЛС предназначена для поверхностного наблюдения с пило-
тируемых самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппара-
тов за транспортными наземными средствами и персоналом, судами, 
низколетящими самолетами с крылом неизменяемой геометрии, вер-
толетами.

1.1.2. Особенности моделирования сигналов БРЛС

Обобщенной мерой разрешающей способности является так назы-
ваемый разрешаемый объем РЛС. Обычно считают, что разрешаемый 
объем характеризует совместную разрешающую способность по даль-
ности и угловым координатам. Он ограничен шириной луча по поло-
винной мощности и длиной элемента разрешения по дальности.
Понятие разрешаемого объема позволяет дать определение точеч-
ной цели: ее размеры должны быть много меньше размеров разреша-