AN / FPS-16 с высокой точностью наземную моноимпульсная одного объекта слежения РЛС (SOTR), широко используется в НАСА пилотируемой космической программы ВВС США и армии США. Точность радиолокационной установки AN / FPS-16 такова, что данные о местоположении, полученные от целей с точечным источником, имеют угловые ошибки азимута и возвышения менее 0,1 миллирадиана (приблизительно 0,006 градуса) и ошибки дальности менее 5 ярдов (5 м). с отношением сигнал / шум 20 децибел или выше.
Моноимпульсный радар слежения FPS-16
Первый моноимпульсный радар был разработан в Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) в 1943 году для преодоления угловых ограничений существующих конструкций. Моноимпульсный метод позволяет определять угол одновременно для каждого отдельного принятого импульса. Это усовершенствование радарной технологии обеспечивает десятикратное увеличение угловой точности по сравнению с предыдущими радарами управления огнем и ракетами на больших дальностях. Моноимпульсный радар теперь является основой всех современных радаров слежения и управления ракетами. Хотя моноимпульсный радар был разработан независимо и тайно в нескольких странах, Роберт Моррис Пейдж из NRL, как правило, является автором изобретения и имеет патент США на этот метод.
Метод моноимпульса был впервые применен к ракетной системе Nike-Ajax , раннему американскому континентальному оружию ПВО. Было сделано много улучшений для обеспечения более компактной и эффективной схемы волновода с подачей моноимпульсной антенны и сравнения лепестков, так что моноимпульсный радар слежения стал общепринятой системой слежения для военных и гражданских агентств, таких как НАСА и FAA .
Работа NRL над моноимпульсными радарами в конечном итоге привела к созданию AN / FPS-16, разработанного совместно NRL и RCA в качестве первого радара, разработанного специально для ракетных дальностей. AN / FPS-16 использовался для управления запусками первых космических спутников США Explorer 1 и Vanguard 1 с мыса Канаверал в 1958 году.
FPS-16 и Проект Меркурий
Моноимпульсный радар слежения C-диапазона (AN / FPS-16), использованный в проекте «Меркурий», по своей сути был более точным, чем его аналог с коническим сканированием S-диапазона, радар слежения на очень больших расстояниях (VERLORT). Радиолокационная система AN / FPS-16 была представлена на атлантическом ракетном полигоне с установками, включая мыс Канаверал , Гранд Багама , Сан-Сальвадор , Вознесение и остров Восточный Гранд Багама в период с 1958 по 1961 год. Диапазон в Вумере, в Южной Австралии, также был связан с сетью НАСА для Меркурия и более поздних миссий. Системы помощи и телеметрии NASA Acq были размещены вместе с австралийским радаром.
Для обеспечения надежности в предоставлении точных данных о траектории космический корабль «Меркурий» был оборудован совместными радиобуями C-диапазона и S-диапазона. Наземные радиолокационные системы должны были быть совместимы с радиолокационными маяками космических кораблей. Радиолокатор FPS-16, используемый на большинстве национальных ракетных полигонов, был выбран для соответствия требованиям C-диапазона. Хотя изначально он имел дальность действия всего 250 морских миль (460 км), большинство радиолокационных станций FPS-16, выбранных для проекта, были модифицированы для работы на расстоянии до 500 морских миль (900 км), что требовалось НАСА, и были модифицированы. Были получены комплекты для остальных систем. В дополнение к базовой радиолокационной системе необходимо было также предоставить необходимое оборудование для обработки данных, чтобы данные могли передаваться со всех точек на компьютеры.
Система FPS-16, первоначально запланированная для сети слежения за проектом «Меркурий» , не имела адекватных дисплеев и элементов управления для надежного обнаружения космического корабля в отведенное время. Вследствие этого с производителем был заключен контракт на предоставление модификаций приборного радиолокационного обнаружения (IRACQ) [Увеличение диапазона сбора данных]. Для околоземных космических аппаратов основным ограничением FPS-16 была механическая коробка передач, представлявшая собой замечательное инженерное решение. Однако для цели на расстоянии, как правило, например, 700 морских миль (1300 км; 810 миль) при обнаружении сигнала [AOS], радар отслеживал второй раз вокруг, то есть импульс, полученный в этот межимпульсный период, был таким из-за ранее переданного импульса, и он будет указывать на дальность действия 700 нм (1300 км; 810 миль). По мере того, как диапазон закрывается, возвратный импульс становится все ближе и ближе ко времени, в которое должен произойти следующий импульс передатчика. Если бы им было позволено совпадать, помня, что переключатель передачи-приема отключил прием (Rx) и подключил передачу (Tx) к антенне в этот момент, трек был бы потерян. Таким образом, IRACQ предоставил электронную систему измерения дальности, функция которой заключалась в обеспечении необходимых стробирующих импульсов на каналы приемника Az и El, чтобы система могла поддерживать отслеживание угла. В системе использовался кварцевый генератор, управляемый напряжением [VCXO], в качестве тактового генератора для счетчиков дальности. Система с ранним / поздним затвором вырабатывала напряжение ошибки, которое либо увеличивало [для закрывающейся цели], либо уменьшало [для открывающейся цели] тактовую частоту, тем самым вызывая генерацию затворов для отслеживания цели. Кроме того, когда цель достигла указанного диапазона менее 16000 ярдов (15 км), он взял на себя генерацию запускающих импульсов передатчика и задержал их на 16000 ярдов (15 км), что позволило принятым импульсам пройти через Большой взрыв. , как это было названо, нормально синхронизированных Tx-импульсов. Оператор радара, в то время как IRACQ поддерживает угловое слежение, будет поворачивать систему дальности от минимальной до максимальной, чтобы восстановить отслеживание цели на ее истинной дальности <500 морских миль (900 км). Когда цель прошла через точку наибольшего сближения (PCA) и увеличилась в диапазоне, процесс повторялся при индикации максимальной дальности. Самыми сложными были проходы, в которых орбита была такой, что цель подходила к ППШ на дальности, скажем, 470 морских миль. Этот проход потребовал от оператора радара очень напряженной работы, так как радар закрылся, а затем быстро открылся в зоне действия Большого взрыва. Консоль IRACQ содержала С-осциллограф, связанный с небольшим джойстиком, который давал оператору С-осциллографа возможность управлять сервосистемами угла антенны, чтобы он мог регулировать угол наведения для получения сигнала. IRACQ включал в себя генератор сканирования, который приводил антенну в движение по одному из нескольких заранее определенных шаблонов поиска вокруг номинальной позиции наведения, при этом желательно, чтобы IRACQ обнаружил цель как можно раньше. Существенной особенностью этой модификации является то, что она позволяет просматривать все входящие видеосигналы и позволяет устанавливать только угловую дорожку. После захвата космического корабля в диапазоне углов. Другие особенности системы IRACQ включали дополнительные режимы углового сканирования и элементы управления фазированием радара, позволяющие осуществлять многократный радиолокационный опрос радиомаяка космического корабля. Добавление измерителя колебаний гетеродина маяка позволило определить дрейф частоты космического корабля-передатчика.
В начале программы установки было решено, что дальность действия Bermuda FPS-16 должна быть увеличена за пределы 500 миль (800 км). При ограничении дальности 500 миль (800 км) космический корабль можно было отслеживать всего за 30 секунд до отключения маршевого двигателя ракеты-носителя (SECO) во время критической фазы ввода. За счет увеличения дальности действия до 1000 миль (2000 км) космический корабль мог быть приобретен раньше, и дополнительные данные могли быть предоставлены компьютеру Бермудских островов и консорту динамики полета. Эта модификация также увеличила вероятность наличия достоверных данных для полета. запретительное решение после SECO.
Радар VERLORT соответствовал требованиям S-диапазона с небольшими изменениями. Важными из них были добавление специальных возможностей отслеживания угла и дополнительных режимов углового сканирования. На базе ВВС Эглин во Флориде радар MPQ-31 использовался для слежения в S-диапазоне за счет увеличения дальности действия в соответствии с требованиями проекта «Меркурий» . Аппаратура обработки данных была практически такой же, как у FPS-16. Оборудование для преобразования и передачи координат было установлено в Эглине, чтобы позволить MPQ-31 и FPS-16 передавать трехкоординатные данные на радары Атлантического ракетного полигона (AMR) через центральную систему распределения и обработки аналоговых данных (CADDAC).
Транспондер радара C-диапазона
Радиолокационный ответчик C-диапазона (модель SST-135C) предназначен для увеличения дальности и точности наземных радиолокационных станций, оснащенных радиолокационными системами AN / FPS-16 и AN / FPQ-6. Радиолокационные станции C-диапазона в Космическом центре Кеннеди, вдоль Атлантического ракетного полигона и во многих других местах по всему миру обеспечивают возможности глобального отслеживания. Начиная с транспортных средств 204 и 501, два радиолокационных транспондера C-диапазона будут установлены в приборном блоке (IU) для обеспечения возможности радиолокационного отслеживания независимо от положения транспортного средства. Такое расположение более надежно, чем необходимые схемы переключения антенн, если будет использоваться только один транспондер.
Работа транспондера
Транспондер принимает кодированный или одиночный импульсный запрос от наземных станций и передает одноимпульсный ответ в той же полосе частот. Для приема и передачи используется общая антенна. Транспондер состоит из пяти функциональных систем: супергетеродинного приемника, декодера, модулятора, передатчика и источника питания. Дуплексер (ферромагнитный циркулятор с 4 портами) обеспечивает изоляцию между приемником и передатчиком. Опрашивающие импульсы направляются от антенны к приемнику, а ответные импульсы направляются от передатчика к антенне. Преселектор, состоящий из трех коаксиальных резонаторов, ослабляет все радиочастотные сигналы вне диапазона приема. Принятый сигнал гетеродинируется до промежуточной частоты 50 МГц в смесителе и усиливается в усилителе ПЧ, который также содержит детектор. В случае кодированной передачи модуль декодера обеспечивает импульсный выход только в том случае, если существует правильный интервал между принимаемыми парами импульсов. Выходной импульс декодера направляется на модулятор, который преобразует его в мощный, точно сформированный и точно задержанный импульс, который подается на магнетрон для создания ответного импульса. Предусмотрено шесть выходов телеметрии: уровень входного сигнала, частота повторения входных импульсов (PRF), температура, падающая мощность, отраженная мощность и ответная PRF.
Полупроводники используются во всех схемах, за исключением гетеродина и магнетрона.
Работа радиолокационной наземной станции
Наземные радиолокационные станции определяют положение транспортного транспондера C-диапазона путем измерения дальности, азимутального угла и угла места. Диапазон вычисляется из времени прохождения импульса, а отслеживание угла осуществляется с помощью моноимпульсных методов сравнения амплитуд. Одновременно за маяком могут следить до четырех радиолокационных станций.
Сеть пилотируемых космических полетов НАСА (MSFN) Радар C-диапазона
Типы наземных импульсных радаров C-диапазона сети пилотируемых космических полетов NASA (MSFN) включают AN / FPS-16, AN / MPS-39, AN / FPQ-6 и AN / TPQ-18. MPS-39 - это переносной прибор, использующий технологию фазированных решеток с космическим питанием; TPQ-18, мобильная версия FPQ-6. Индикатор AN (первоначально «Армия – Флот») не обязательно означает, что армия, флот или военно-воздушные силы используют оборудование, а просто то, что номенклатура типа была присвоена в соответствии с системой военной номенклатуры. Значение трехбуквенных префиксов; FPS, MPS, FPQ и TPQ:
- FPS - исправлено; радар; обнаружение и / или дальность и пеленг
- МПС - наземный, мобильный; радар; обнаружение и / или дальность и пеленг
- FPQ - исправлено; радар; специальные или сочетание целей
- TPQ - наземный, транспортабельный; радар; специальные или сочетание целей.
РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКТ AN / FPS-16ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ------------------------Тип представления: ЭЛТ с двойным следом, Дисплеи типа A / R и R.Данные передатчика - Номинальная мощность: пиковая 1 МВт (магнетрон фиксированной частоты); Пиковая мощность 250 кВт (настраиваемый магнетрон). Частота Фиксированное: 5480 плюс-минус 30 МГц Настраиваемый: от 5450 до 5825 МГцЧастота следования импульсов (внутренняя): 341, 366, 394, 467, 569, 682, 732, 853, 1024, 1280, 1364 или 1707 импульсов в секундуШирина импульса: 0,25, 0,50, 1,0 мксКодовые группы: макс. 5 импульсов, в пределах ограничения рабочего цикла датчика 0,001.Данные приемника радара - Коэффициент шума: 11 дБ Промежуточная частота: 30 МГц Полоса пропускания: 8 МГц Узкая полоса пропускания: 2 МГц Динамический диапазон регулировки усиления: 93 дБШирина ворот Отслеживание: 0,5 мкс, 0,75 мкс, 1,25 мкс Регистрация: 1,0 мкс, 1,25 мкс, 1,75 мксПокрытие Диапазон: от 500 до {{convert | 400000 | ярдов | м | -5 | abbr = on}} Азимут: 360 ° непрерывный Высота: от минус 10 до плюс 190 градусовПропускная способность сервопривода Диапазон: от 1 до 10 Гц (вар) Угол: от 0,25 до 5 Гц (var)Требования к рабочей мощности: 115 В переменного тока, 60 Гц, 50 кВ · А, 3 фазы
Принцип работы
AN / FPS-16 - это моноимпульсный радар C-диапазона, использующий волноводный гибридно-лабиринтный компаратор для получения информации об угловом треке. Компаратор принимает РЧ-сигналы от группы из четырех рупоров, расположенных в фокусе параболического отражателя высотой 12 футов (4 м). Компаратор выполняет сложение векторов и вычитание энергии, полученной каждым рупором. Данные отслеживания высоты генерируются в компараторе как разница между суммами двух верхних сигналов. Ошибка отслеживания азимута - это разница между суммами двух пар вертикальных рупоров. Векторные суммы всех четырех рупоров объединяются в третьем канале. Используются три смесителя с общим гетеродином и три полосы ПЧ 30 МГц; по одному для сигналов азимута, возвышения и суммы.
Тот же кластер с четырьмя рогами используется для передачи RF. Выходной сигнал передатчика поступает в лабиринт компаратора, который теперь распределяет исходящую мощность поровну между всеми четырьмя рупорами. Приемники защищены трубками TR во время передачи.
Рупорный узел расположен примерно в фокусе параболического рефлектора высотой 12 футов (4 м) . Во время цикла передачи энергия равномерно распределяется между четырьмя рогами. Во время цикла приема выходные сигналы рычагов компаратора возвышения и азимута представляют величину углового смещения между положением цели и электрической осью. Рассмотрим внеосевую цель - изображение смещено от фокальной точки, а разница в интенсивности сигнала на поверхности рогов указывает на угловое смещение. Условие наведения на цель вызовет одинаковые и синфазные сигналы на каждом из четырех рупоров и нулевой выходной сигнал от рычагов угла места и азимута.
Суммарные, азимутальные и угловые сигналы преобразуются в сигналы ПЧ 30 МГц и усиливаются. Затем фазы сигналов угла места и азимута сравниваются с суммарным сигналом для определения полярности ошибки. Эти ошибки обнаруживаются, коммутируются, усиливаются и используются для управления сервоприводами позиционирования антенны. Часть опорного сигнала обнаруживается и используется в качестве сигнала слежения за диапазоном видеосигнала и в качестве дисплея осциллографа. Для поддержания точности угловой системы требуется высокоточное крепление антенны.
Подставка для антенны FPS-16 представляет собой деталь с прецизионной обработкой, спроектированную с жесткими допусками, собираемую в чистых от пыли помещениях с кондиционированием воздуха, чтобы предотвратить деформацию во время механической сборки. Постамент установлен на железобетонной башне для обеспечения механической жесткости. Электронное оборудование смонтировано в двухэтажном бетонном здании, которое окружает башню, чтобы уменьшить коробление башни из-за солнечного излучения.
В радаре используется параболическая антенна высотой 12 футов (4 м), обеспечивающая ширину луча 1,2 градуса в точках половинной мощности. В системе диапазона используются импульсы длительностью 1,0, 0,5 или 0,25 микросекунды. Ширина импульса и prf могут быть установлены с помощью кнопок. Можно выбрать двенадцать частот повторения от 341 до 1707 импульсов в секунду. Предусмотрен разъем, через который на модулятор могут подаваться импульсы от внешнего источника. Посредством внешней модуляции можно использовать код от 1 до 5 импульсов.
Для потенциометра, синхронизатора и цифровой информации по всем трем координатам предусмотрены смещения данных. Цифровые данные азимута и возвышения поступают от аналого-цифровых кодировщиков оптического типа. Для каждого параметра используются два кодировщика с редуктором с разрешением неоднозначности. Данные для каждого угла представляют собой 17-битное слово кода Грея в последовательной форме. Перекрывающиеся биты неоднозначности удаляются, и данные преобразуются из циклического кода Грея в прямой двоичный код перед записью для передачи в компьютер. Сервопривод диапазона представляет 20-битное прямое двоичное слово в последовательной форме после разрешения неоднозначности и преобразования кода. Используются однотипные оптические энкодеры.
Постамент антенны AN / FPS-16 установлен на бетонной башне размером 12 на 12 футов (4 на 4 м), которая возвышается на 27 футов (8 м) над уровнем земли. Центр установленной антенны находится примерно на 36 футов (11 м) над уровнем земли. Электронное оборудование, вспомогательная система, участок технического обслуживания и т. Д. Размещены в двухэтажном здании из бетонных блоков размером 20 x 9 x 7 м. Здание окружает башню-постамент, но не прилегает к ней. Этот метод строительства помещает башню в кондиционированную среду здания с оборудованием и обеспечивает защиту от солнечного излучения и других погодных явлений, которые снижают присущую системе точность. Требования к питанию для каждой станции: 120/208 В, ± 10 В, 4-проводное, 60 Гц; 175 кВ · А.
Модели AN / FPS-16
AN / FPS-16 и AN / FPQ-6 - это радиолокационные системы слежения за С-диапазоном. Их основные характеристики сравниваются в следующей таблице.
Характеристики наземной радиолокационной станции------------------------------------ AN / FPS-16 AN / FPQ-6 --------- ---------Диапазон частот (МГц). . 5400-5900 5400-5900Пиковая мощность (МВт) ...... 1,3 3,0Размер антенны (метры) .... 3,9 9,2Усиление антенны (дБ) ...... 47 52Коэффициент шума приемника (дБ) 6,5 8Угловая точность (единицы). . . 0,15 0,1Точность дальности (метры) .. 4.5 3.0
AN / FPS-16 (XN-I)
Первая экспериментальная модель была сделана с радиочастотной системой X-диапазона и линзовой антенной. Позже он был изменен на С-диапазон с рефлекторной антенной. Этот радар был дополнительно модифицирован для использования на Vanguard и теперь установлен на Атлантическом ракетном полигоне, авиабаза Патрик, Флорида.
AN / FPS-16 (XN-
Всего было изготовлено два экземпляра этой модели. Один был установлен на острове Гранд Багама, BWI, а другой остался в RCA (ныне Lockheed Martin), Мурстаун, штат Нью-Джерси. Эти радары почти идентичны более поздним серийным моделям.
AN / FPS-16 (XN-3)
Это была экспериментальная версия AN / FPS-16 (XN-2), которая включает комплект модификации мощностью 3 мегаватта, комплект круговой поляризации, комплект коррекции данных и комплект телевизионного прицеливания. Этот радар был установлен в RCA, Мурстаун, штат Нью-Джерси.
AN / FPS-16AX
Это серийный AN / FPS-16, модифицированный в соответствии с (XN-3). Таким образом были модифицированы три радара, расположенные на ракетном полигоне Уайт-Сэндс, и один, расположенный в Мурстауне, штат Нью-Джерси. AN / MPS-25 - это обозначение серийной модели AN / FPS-16, смонтированной на прицепе.
AN / FPQ-4
Это адаптация AN / FPS-16, которая была сделана для использования в качестве целеуказателя в наземной системе Talos. На WSMR были установлены две модели. Еще две модели с доработками были установлены на корабль для использования на Атлантическом ракетном полигоне проекта DAMP . Пятый такой радар был установлен в RCA, Moorestewn, NJ, как часть исследовательского центра Project DAMP .
РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКТ AN / FPS-16ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ--------------------------------------КОМПОНЕНТЫ КОЛИЧЕСТВО ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ЕД. (Дюймы) (Фунты)---------- --- ------------------ --------Электронное управление усилителем 1 3,1 x 3,7 x 10,4 6AM-1751 / FPS-16Тюнинг Привод 1 3,1 x 3.ix 10 3ТГ-55 / ФПС-16 Управляющая электрическая частота 1 3,7 x 4,7 x 19,2 6C-2278 / FPS-16Управляющий усилитель 1 3,7 x 1,7 x 17,2 5C-2276 / FPS-16Кондиционер 1 32 x 56 x 73 1500Кондиционер 1 18 x 72 x 76 1500Питание накала усилителя 13 3,7 x 3,7 x 5 1Усилитель компенсации угла 2 8,2 x 15,5 x 19,5 24(Азимут и высота)Блок управления углом 1 8,2 x 15,5 x 19,5 20AM-1760 / FPS-16Усилитель угловой ошибки 2 8,2 x 13,7 x 19,5 21(Азимут и высота)Угловой сервоусилитель 2 2,5 x 6 x 19,5 10(Сервопривод азимута; сервопривод высоты)Суммирующий усилитель углов 2 12,2 x 15,5 x 19,5 24(Азимут и высота)Азимутальный драйвер-усилитель 1 8,2 x 13,7 x 19,5 21AM-1759 / FPS-16
Рекомендации
- Радиолокационная установка - Тип: AN / FPS-16. ВВС США TM-11-487C-1, Том 1, MIL-HDBK-162A. 15 декабря 1965 г.
- RM Пейдж. Точное отслеживание угла с помощью радара. Отчет NRL RA-3A-222A, 28 декабря 1944 г.
- Патент США № 2 929 056, выданный Р. М. Пейджу, «Радар слежения с одновременным изменением угла обзора», март 1960 г.
- Л.А. Гебхард. Эволюция военно-морской радиоэлектроники и вклад лаборатории военно-морских исследований. Отчет NRL 8300, 1979.
- Публикация НАСА SP-45, "Краткое изложение проекта Меркурий, включая результаты четвертого пилотируемого орбитального полета, 15 и 16 мая 1963 года. Октябрь 1963 года".
- Danielsen, EF; Дюке Р.Т. Сравнение измерений FPS-16 и GMD-1 и методы обработки данных о ветре. Журнал прикладной метеорологии, вып. 6, выпуск 5, стр. 824–836, 10/1967.
- Скоггинс, Дж. Р. Оценка подробных данных о ветре, измеренных с помощью радиолокатора FPS-16 / сферического аэростата. НАСА Tech. Примечание TN D-1572, 30 с. 1963 г.
- Хойхьелле, Дональд Л. AN / FPS-16 (AX) Радарное моделирование и компьютерное моделирование. Регистрационный номер информационного центра оборонных технологий: AD0738167, White Sands Missile Range N Mex Instrumentation Directorate, 25 стр., Февраль 1972 г.