что такое рлс на судне
Что такое радиолокационная станция?
Радиолокационная станция (или сокращенно РЛС) — это устройство, измеряющее время отражения излученного импульса от объекта и пеленг этого объекта относительно своего местоположения. Никакой другой судовой навигационный прибор, кроме РЛС, не способен предоставить такую же информацию об объектах, находящихся вокруг судна, а это значит, что РЛС представляет собой важное средство обеспечения безопасности судоходства.
Использование радиолокационных станций
Первая радиолокационная станция была разработана во время Второй мировой войны. Сегодня на рынке представлены РЛС, подходящие для использования на всех типах судов, включая и небольшие рыболовецкие, и прогулочные суда. Несмотря на то, что среди владельцев маломерных судов популярностью пользуются и такие судовые устройства, как навигационные эхолоты и GPS-приемники, радиолокационная станция остается одним из наиболее важных навигационных средств. Именно она способна обеспечить безопасность навигации в полной темноте или в тумане.
Возьмем, например, прокладчик курса. Он может показать только приблизительное местонахождение объекта, в то время как радиолокационная станция точно покажет, где находятся те или иные объекты, в том числе береговая линия, движущиеся суда, маяки и буи. РЛС решит проблему и в случае, когда объекты не нанесены на карту: судоводитель будет предупрежден о возможном препятствии на его пути.
Назначение РЛС
Главная функция любой радиолокационной станции — предупреждение столкновений. Также она обеспечивает информированность судоводителя о местонахождении судов, берега и других объектов. Среди остальных функций РЛС можно выделить следующие:
Как работает радиолокационная станция
Антенна излучает радиоимпульсы в определенном направлении. Когда импульс наталкивается на какой-либо объект, например, судно или остров, часть энергии импульса возвращается к антенне. Направление, в котором повернута антенна при получении отраженного сигнала, является направлением цели, давшей такое отражение. Так как радиоволны распространяются практически с постоянной скоростью, время, требующееся для возвращения отраженного сигнала к антенне, является мерой дальности цели.
Как РЛС определяет расстояние
Радиоимпульс проходит в прямом и обратном направлении, но для определения расстояния до цели требуется только половина времени его пути. Следующее уравнение показывает, как определяется расстояние:
где c — скорость радиоимпульса (3 x 108 м/с)
T — время между передачей радиоимпульса и приемом отраженного эхосигнала
D — расстояние
Как радиоволны, так и световые волны распространяются практически с постоянной скоростью, равной 300000 км/с (186000 миль/с); поэтому РЛС может обрабатывать огромные объемы информации за очень короткое время. Для сравнения, гидролокатор и эхолот используют при работе ультразвуковые волны. Так как скорость распространения ультразвуковых волн составляет 2420 км/с (1500 миль/с), обработка сигнала осуществляется гораздо медленнее, чем в случае РЛС.
Как РЛС определяет пеленг
РЛС определяет расстояние до цели путем измерения количества времени, которое требуется для возвращения отраженного эхосигнала к антенне. Пеленг на цель определяется по направлению, из которого возвращается отраженный эхосигнал.
Антенна поворачивается на 360° вокруг своей вертикальной оси с использованием специального механизма. Чтобы добиться высокой разрешающей способности по пеленгу, антенна передает радиочастотные (РЧ) импульсы в форме узконаправленного луча. «Суперлучи» имеют ширину в горизонтальной плоскости порядка 1 (одного) градуса и меньше, обеспечивая высокую точность определения пеленга. Чем меньше ширина луча, тем точнее можно определить пеленг на цель.
Как РЛС отображает цели
Радиолокационные цели отображаются на так называемом индикаторе кругового обзора (ИКО). По сути, это диаграмма направленности антенны в полярных координатах, в середине которой расположено передающее импульсы судно. Эхосигналы от целей принимаются и отображаются в направлении, соответствующем относительному пеленгу, на расстоянии от центра ИКО, соответствующем их удалению от своего судна. Ранние модели РЛС отображали цели, а также лишь некоторые графические данные, например, курсовую черту и кольца дальности. Чтобы увидеть изображение на экране, нужен был специальный козырек для защиты от световых помех.
Почти все более поздние модели РЛС используют ЖК-дисплеи или мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Дисплеи такого типа обеспечивают стабильное, яркое, нетемнеющее отображение радиолокационных эхосигналов на монохромном или цветном экране в зависимости от модели. Изображение хорошо видно даже при ярком солнечном свете. На экране отображается различная информация в цифровом формате, чтобы пользователь всегда имел полное представление об окружающей навигационной обстановке.
Дальность действия РЛС
Атмосферные условия и форма цели, материал и ракурс в небольшой степени влияют на дальность действия РЛС. Тем не менее в общем случае дальность действия РЛС вычисляется по следующей формуле:
D – расстояние от антенны до горизонта цели. При нормальных атмосферных условиях это расстояние на 6% больше, чем оптический горизонт. Это вызвано тем, что радиоволны преломляются вследствие атмосферных изменений.
Чем выше антенна или цель расположены над поверхностью моря, тем больше дальность обнаружения цели. Например, если антенна расположена на высоте 9 м над уровнем моря, а высота цели 16 м, на экране прибора можно будет увидеть эхосигнал от этой цели на расстоянии 15 миль.
Аномальные условия распространения радиоимпульсов
При определенных атмосферных условиях могут образоваться воздушные каналы, которые влияют на распространение радиоимпульсов и, в свою очередь, на дальность действия РЛС. Если радиоимпульсы отклоняются вниз, они могут пройти большее расстояние, таким образом увеличивая дальность обнаружения целей. Это явление называется сверхрефракция. Противоположное явление, когда радиоволны отклоняются вверх и уменьшается дальность обнаружения целей, называется субрефракция.
Радиолокация
Морские радары и РЛС в теории и в каталоге
Но это лишь в качестве вступления. Теперь немного теории. Что же такое радиолокационная станция и как с ней работать?
Освещение надводной обстановки на судне является обязанностью оператора радиолокационной станции. Поэтому понимание предоставляемой информации и возможность применения этих сведений на практике в части, касающейся осуществления безопасности мореплавания, является основой его служебной деятельности. С учетом этих факторов оператор должен не только правильно интерпретировать и использовать снимающуюся с индикатора информацию, но и понимать возможности и физику действия непосредственно радиолокации, радиолокационной станции.
Основой правильной интерпретации информации оператором РЛС является сравнение отображаемых данных на мониторе радара и фактических явлений, связанных с этой индикацией. Атмосферные явления, эфирные помехи, объект, засветка от других факторов — все это необходимо учитывать. Сравнение визуальной картинки с надводной обстановкой и сведениями, поступающими посредством технического сбора РЛС, предоставит оператору самое верное восприятие информации от радара. Лучше всего отображение объектов производить в условиях хорошей видимости, для возможности последующей их классификации только по отраженному сигналу.
Основные функции РЛС
РЛС также может быть использована в навигационных целях при определении места по пеленгу и дистанции до приметных точек, с исчислением их на навигационной карте.
Физика радиолокации
Электромагнитное излучение в исходящем посыле радиолокационной станции зависит от внешних факторов воздействия среды (атмосферы) и геометрии его распространения (по прямой). Это делает невозможным обнаружение объектов, находящихся за зрительным горизонтом от точки установки радара. При идеальных условиях распространения луча, когда отсутствует влияние внешних факторов на излучение и уровень затухания принят за 0, существует формула подсчета:
Метрическая система измерения.
В памятке оператору радиолокационной станции зачастую для упрощения расчета дальности обнаружения приводится схема, где по высоте антенны морскогорадара можно определить или дальность обнаруживаемой цели, или ее высоту по дальности. Зачастую в условиях открытого моря и работы с судами имеют место ошибочные подсчеты в связи с расчетом высоты цели от ватерлинии до антенны, но рассеиваемая площадь антенн судна минимальна и сигнал начинает отражаться от непосредственно мачты или верхней крыши цели. Данное обстоятельство необходимо принимать к приведенным расчетам.
Вышеприведенный фактор справедлив и к остальным целям. Необходимо помнить принцип распространения сигнала от радара: распространяется он конусом, соответственно, имеет мертвую зону, дальность которой зависит от рельефа местности в зоне работы РЛС, местонахождения самой станции, её высоты, угла посыла импульса и технических параметров РЛС. В идеальных условиях на прямой местности исходя из принципов тригонометрии дальность равна произведению высоты местонахождения антенны РЛС на косинус угла 90° – ½ угла излучения РЛС.
Суда, способные выйти на глиссер, изменяют свою горизонтальную плоскость работы и увеличивают угол мертвой зоны. Для уменьшения данного эффекта на таких судах используются элементы силового крепежа под углом, которые при рабочем ходе судна на глиссере выводят радар в плоскость, параллельную воде, тем самым возвращая работу РЛС в нормальный режим.
 | На этом примере данная установка радара представлена в действии: когда судно вышло на глиссер, радар остался в плоскости, параллельной плоскости земли. |
Но мертвая зона характеризуется не только дальностью прихода луча к поверхности земли, но и отражающими свойствами и материалом поверхности. Ряд структур имеют свойство поглощать радиоволны, что делает их незаметными для РЛС, на этих принципах основывается производство судов «стелс». В данном случае оператор должен понимать, что при пологой береговой черте и интенсивном подъеме в глубине берега, с большей вероятностью отражение и прорисовка на мониторе РЛС будут иметь непосредственно самовозвышение, а не прилегающие к акватории берега. Это необходимо учитывать и штурману, и судоводителю и оператору, тем самым, пользуясь навигационными картами и лоциями, а также визуальным наблюдением, характеризовать береговую черту, основываясь на показания из нескольких источников.
Шумоподавление
При работе с радиолокационными станциями оператор неоднократно сталкивается с помехами и использует фильтры для их устранения. В большинстве случаев помехи, при исправно рабочем радаре, бывают от волнения моря и от различных атмосферных осадков.
Волны
В прохладную погоду акватория может подвергаться большому волнению, которое будет отображаться на радиолокационной станции как береговая черта или отдельные возникающие цели, так как вода обладает отражающими свойствами. При увеличении шумоподавления общая рябь будет убрана, но тогда реальные объекты (маленькие суда или навигационные знаки), по размеру не превышающие волны, также не будут отображаться на мониторе радара. Данный фактор необходимо учитывать с усилением визуального наблюдения.
Атмосферные осадки
При атмосферных осадках возможность пользоваться шумоподавлением также остается, но тут вступает в силу принцип поглощения сигнала водой, и объекты, находящиеся за стеной осадков, могут быть не видны из-за ослабления сигнала водной завесой и снятия чувствительности с приемника РЛС шумоподавлением.
Сами осадки между собой могут отличаться: град, снег, дождь, морось; соответственно, их отображение тоже различается. Чем интенсивнее воздушная пелена, тем больше осадки похожи на береговую черту. Опытный оператор может установить уровень и тип осадков по отображению индикации на дисплее РЛС. В современных радарах чувствительность и возможность индикации при цифровой обработке повышены, что снижает влияние атмосферных помех и волнения на индикацию надводной обстановки.
Рабочие частоты
Судовые радиолокационные станции могут производить излучение сигнала в двух частотных диапазонах:
В нашем каталоге представлены радары X-диапазона и S-диапазона от ведущих мировых производителей морской электроники.
Для радиолокационных станций обоих диапазонов различают разрешающие способности, которые могут зависеть от угла и от дальности.
Разрешающая способность по азимуту характеризует возможность отображения на дисплее РЛС двух располагающихся близко целей как двух разных объектов при равной удаленности этих точек от антенны РЛС. Данная способность зависит от длины приемной части антенны и от длины волны излучения, при этом чем больше антенная часть, тем данная способность будет лучше. В связи с этим есть требование резолюции ИМО, которая обязывает все судовые РЛС обеспечивать разрешающей способностью по азимуту лучше, чем 2,5°.
Так как зависимость прямо пропорциональна длине антенной части и обратно пропорциональна длине волны, то выведены соотношения длины антенной части и излучающего диапазона. Так, для РЛС, работающих в X-диапазоне, длина излучающей части антенны должна составлять не менее 120 сантиметров, а для S-диапазона — уже порядка 360 сантиметров. Это усложняет использование радаров S-диапазона на небольших судах, где большая антенная часть радара не будет уместна.
Измерения
Тем самым точность измерения зависит не только от верности измерения угла на объект, но и от правильности юстировки радара относительно диаметральной плоскости судна. Юстировка проводится в срок, указанный по регламенту технического обслуживания на каждую РЛС в отдельности.
Дальность до цели определяется по индикации на мониторе. В большинстве РЛС используются два вида колец дальности, которые отображают окружность, где радиус — от расположения радиолокационной станции до метрической отметки. Как правило, используется несколько неподвижных колец дальности с шагом в несколько миль, давая оценочную обстановку по дальности, с более точным подвижным кольцом, которое путем органов управления можно подвести до отметки цели с индикацией дальности кольца на одной из рабочих областей дисплея. Это позволит насколько возможно точно определить местонахождение цели.
Дальность вкупе с пеленгом дает полную информацию по объекту, а их изменения по времени также информируют оператора об элементах движения цели. По точкам с изначальной дальностью и пеленгом и последующими их изменениями, где каждой точке присваивается свое значение, возможно построить вектор скорости и рассчитать предполагаемое месторасположение цели через определенный промежуток времени, с учетом неизменных параметров ЭДЦ.
Минимальный диапазон дальности и мертвая зона имеют между собой принципиальное различие, хотя и характерны по схожести индикации. Минимальный диапазон обозначает отсутствие сливания цели и судна, на котором работает радар. При разном использовании параметров дальности, данная характеристика разная. При этом также основным фактором будет излучающая способность цели, и чем она будет больше, тем соответствующий диапазон — меньше. У ИМО есть требования к минимальному диапазону дальности: в соответствии с резолюцией MSC.192(79) цель с отражающей поверхностью 10 м 2 должна отображаться на дисплее на дистанции не менее 40 метров. Все радиолокационные станции, одобренные регистром (Российским речным регистром, Российским морским регистром судоходства и другими) удовлетворяют этому требованию. Для максимального уменьшения данного параметра необходимо на шкале индикации использовать как можно меньшую шкалу дальности.
Ложные сигналы
Несмотря на современные технологии, использующиеся в радиолокационных станциях, существует вероятность индикации ложных сигналов на мониторе. Многие из них возникают из-за состояния среды распространения радиоволн, но многие — по другим параметрам, которые можно и нужно предусмотреть.
Работа нескольких РЛС в одном частотном диапазоне
В портах, узкостях и местах интенсивного судоходства возникает ситуация работы нескольких радиолокационных станций в одном частотном диапазоне, что приводит к приему сигнала, излучаемого другой РЛС. Это отображается в виде последовательного расположения точек на дисплее, которые появляются в разных местах экрана, и так как они дублируют посыл другого радара, то могут быть легко распознаны своей геометрической правильностью построения. Данная проблема решается сменой частоты работы радиолокационной станции.
Мнимое изображение
Один из видов ложных сигналов — это мнимое изображение или зеркальное изображение. Данный эффект достигается при наличии в непосредственной близости от действия радиолокационной станции крупного экранирующего объекта, будь то мост, гидротехническое сооружение или крупное судно. При отражении сигнала от цели электромагнитные волны распространяются в разные стороны, и, достигнув крупный объект («зеркало»), отражаются снова. При этом отражение поменяет пеленг, так как придет с направления на объект, и дальность, так как фактическое расстояние пройденной волны будет равно сумме от РЛС до цели, от цели до объекта и от объекта обратно к РЛС; данную дальность и воспримет радар как верную. Опытный оператор РЛС учитывает местонахождение крупных объектов, способных отражать сигнал, и принимает мнимый сигнал за ложный, не обозначая его целью.
Отражения от объекта лучей «боковых лепестков»
Также к ложным сигналам относятся отражения от объекта лучей «боковых лепестков». Данный сигнал слабее и отображается на том же расстоянии, что и истинная цель, но по другому пеленгу. Как правило, при уменьшении усиления или увеличении шумоподавления, такая эхолокация пропадает и не принимается за цель.
Многократно отраженные эхосигналы от одной цели
Также к отражению несколько раз от одной цели относятся многократно отраженные эхосигналы от одной цели. Данный эффект возникает при близком расположении цели и своего судна. Тогда при посыле эхосигнал отражается от цели и воспринимается РЛС. При этом отраженные лучи также повторно отражаются и от своего борта, который тоже имеет отражаемую поверхность, тем самым генерируя новый посыл сигнала в сторону цели, который, в свою очередь, снова отражается. И так может происходить несколько раз. На дисплее радара происходит отображение примерно на одном расстоянии, на одном пеленге уменьшающихся целей. Дальность до каждой цели равна дальности отстояния судов между собой. Данный лжесигнал возможно учесть при визуальном обнаружении цели. Или учесть при появлении эффекта множественных сигналов на одном пеленге, равноудаленных друг от друга с затуханием полезной индикации.
Теневые зоны
Кроме ложных сигналов, оператору необходимо учитывать возможные теневые зоны. Данный фактор опасен слепым сектором, по которому цели не индицируются на мониторе, но могут и вызывать интерес со стороны штурмана и судоводителя, и представлять опасность. Данное явление возникает при расположении на пусти сигнала крупных объектов, «загораживающих» пространство для радара. Как правило, слепой сектор возникает при непосредственном расположении антенны радара рядом с мачтой или другим объектом.
Теневую зону необходимо принять к расчетам и вести там другие виды наблюдения. При монтаже радарной антенны необходимо избегать возникновения данного эффекта, за этим следит инспекция и при составлении проекта данный фактор учитывается как один из основополагающих при выборе места размещения антенны. На судах, где владелец или капитан сам выбирает место для монтажа радарной антенны, необходимо принять данный фактор к учету. Может использоваться элемент силового крепежа или постамент для поднятия антенны над выступающими частями, тем самым устранив их негативное влияние на работу радиолокационной станции.
Сигналы от других устройств
Также необходимо принять во внимание отраженные сигналы иных средств, таких как, например, радиолокационный ответчик. РЛО является необходимым оборудованием на судне по требованию ИМО для обеспечения ГМССБ (глобальной морской системы спасения при бедствии). Ответчик при попадании в воду в случае бедствия судна начинает работать как радиолокационная станция и подавать сигнал в диапазон 9 ГГц. Сигналы посылаются разного уровня и с разной длительностью, тем самым отображаясь на мониторе как ряд последовательных сигналов на одном пеленге с уменьшением интенсивности. Тем самым проходящее судно, или судно-спасатель, или самолет-спасатель может верно выбрать пеленг излучения и в кратчайшие сроки прибыть к месту бедствия.
Радионавигационные приборы
Судовая радиолокационная станция (РЛС) предназначена для обнаружения надводных объектов и берега, определения места судна, обеспечения плавания в узкостях, предупреждения столкновения судов (рис. 3.10).
В РЛС используется явление отражения радиоволн от различных объектов, расположенных на пути их распространения, таким образом, в радиолокации используется явление эха. РЛС содержит передатчик, приемник, антенно-волноводное устройство, индикатор с экраном для визуального наблюдения эхосигналов.
Принцип работы РЛС следующий. Передатчик станции вырабатывает мощные высокочастотные импульсы электромагнитной энергии, которые с помощью антенны посылаются в пространство узким лучом. Отраженные от какого-либо объекта (судна, высокого берега и т. п.) радиоимпульсы возвращаются в виде эхосигналов к антенне и поступают в приемник. По направлению узкого радиолокационного луча, который в данный момент отразился от объекта, можно определить пеленг или курсовой угол объекта. Измерив, промежуток времени между посылкой импульса и приемом отраженного сигнала, можно получить расстояние до объекта.
Так как при работе РЛС антенна вращается, излучаемые импульсные колебания охватывают весь горизонт. Поэтому на экране индикатора судовой РЛС создается изображение окружающей судно обстановки. Центральная светящаяся точка на экране индикатора РЛС отмечает место судна, а идущая от этой точки светящаяся линия показывает курс судна.
Изображение различных объектов на экране радара может быть ориентировано относительно диаметральной плоскости судна (стабилизация по курсу) или относительно истинного меридиана (стабилизация по норду). Дальность «видимости» РЛС достигает несколько десятков миль и зависит от отражательной способности объектов и гидрометеорологических факторов.
Судовые РЛС позволяют за короткий промежуток времени определить курс и скорость встречного судна и избежать, таким образом, столкновения.
Все суда должны обеспечивать радиолокационную прокладку на экране РЛС, для этого их оборудуют системой автоматической радиолокационной прокладки (САРП). САРП выполняет обработку радиолокационной информации и позволяет производить (рис. 3.11):
— ручной и автоматический захват целей и их сопровождение;
— отображение на экране индикатора векторов относительного или истинного перемещения целей;
— выделение опасно сближающихся целей;
— индикацию на табло параметров движения и элементов сближения целей;
— проигрывание маневра курсом и скоростью для безопасного расхождения;
— автоматизированное решение навигационных задач;
— отображение элементов содержания навигационных карт;
— определение координат местоположения судна на основе радиолокационных измерений.
Автоматическая информационная система (АИС) является морской навигационной системой, использующей взаимный обмен между судами, а также между судном и береговой службой для передачи информации о позывном и наименовании судна для его опознавания, координатах, сведений о судне (размеры, груз, осадка и др.) и его рейсе, параметрах движения (курс, скорость и др.) с целью решения задач по предупреждению столкновений судов, контроля за соблюдением режима плавания и мониторинга судов в море.
Электронные картографические навигационные информационные системы (ЭКНИС) являются эффективным средством навигации, существенно сокращающим нагрузку на вахтенного помощника и позволяющим уделять максимум времени наблюдению за окружающей обстановкой и выработке обоснованных решений по управлению судном (рис. 3.12).
Основные возможности и свойства ЭКНИС:
– проведение предварительной прокладки;
– проверка маршрута на безопасность;
– ведение исполнительной прокладки;
– автоматическое управление судном;
– отображение «опасной изобаты » и «опасной глубины»;
– запись информации в электронный журнал с возможностью дальнейшего проигрывания;
– ручная и автоматическая (через Internet) корректура;
– подача сигнала тревоги при приближении к заданной изобате или глубине;
– дневная, ночная, утренняя и сумеречная палитры;
– электронная линейка и неподвижные метки;
– базовая, стандартная и полная нагрузка дисплея;
– обширная и дополняемая база морских объектов;
– база приливов более чем в 3000 точек Мирового Океана.
Спутниковая система навигации – это система, состоящая из наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов (рис. 3.13).
GPS – это глобальная навигационная спутниковая система определения местоположения Global Position System. Система включает группировку низкоорбитальных навигационных спутников, наземные средства слежения и управления и самые разнообразные, служащие для определения координат. Принцип определения своего места на земной поверхности в глобальной системе позиционирования
заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее трёх) – с известными параметрами их орбит на каждый момент времени, и вычислении по изменённым расстояниям своих координат.