Радиолокаторы — детище противовоздушной обороны, впервые появились на военных кораблях в годы Второй мировой войны и первоначально использовались для обнаружения воздушных и надводных целей. Обладая высокими по тем временам возможностями, они, тем не менее, оказались не востребованными гражданским флотом — громоздкие и недостаточно надежные, они занимали слишком много места на транспортных и пассажирских судах и, главное, требовали для эксплуатации специально обученного и многочисленного персонала.
Судовой радиолокатор прописался в ходовой рубке гражданских судов лишь после освоения диапазона волн длиной 3 см, применение которых позволило резко сократить размеры антенн и приемо-передающих устройств, и появления новых электронных компонентов, существенно повысивших надежность радара и предельно упростивших его эксплуатацию.
В течение долгого времени использованию радиолокации на яхтах, даже достаточно крупных, препятствовали неприемлемо большие размеры и энергопотребление существующих радаров. Возможность их установки на относительно небольшие суда появилась лишь после широкого внедрения микроэлектроники, в первую очередь — твердотельных СВЧ-приборов, микропроцессоров и больших жидкокристаллических матриц (экранов), позволивших, в сочетании с современными методами обработки сигналов, получить компактные, надежные, экономичные и удобные в эксплуатации даже на небольшом судне радары.
Прежде чем переходить к обзору конкретных приборов, кратко познакомимся с основными элементами и принципами работы радиолокатора.
Назначение и работу радиолокатора хорошо иллюстрирует пришедшее из-за океана широко распространенное название — радар (RADAR) — аббревиатура слов: Radio Detection And Ranging — радиообнаружение и измерение дальности.
Любой радиолокатор имеет три основных элемента — сканирующую антенну, приемопередатчик и дисплей (рис. 1). В современных судовых радарах два первых элемента объединяются в отдельный модуль, обычно называемый сканером.
При работе вращающаяся в горизонтальной плоскости антенна радара излучает вырабатываемые передатчиком короткие высокочастотные импульсы (так называемые "зондирующие импульсы") и принимает отраженные от различных объектов сигналы. Приемник выделяет отраженные сигналы из шумов и передает их на дисплей, в котором осуществляется их обработка и отображение окружающего пространства на экране индикатора кругового обзора. Наблюдая на экране радиолокационную обстановку вокруг судна, оператор производит визуальное обнаружение целей (под целью в радиолокации понимается любой обнаруженный радаром объект), измерение их дальности и азимута относительно судна и управление работой радара.
Основные характеристики радаров
Функциональные возможности радиолокатора определяются рядом характеристик, понимание которых позволяет сделать правильный выбор аппарата, в той или иной степени удовлетворяющего потребностям владельца именно этого судна. Познакомимся с некоторыми из них.
Дальность действия. Дальность действия радара, указываемая в его паспортных данных — это его важнейший, но далеко не однозначный показатель, и в реальных условиях дальность обнаружения различных целей не всегда будет совпадать с заявленной.
Дальность обнаружения зависит от многих факторов — отражательной способности цели (характеризуемой так называемой ЭПР — эффективной поверхностью рассеивания), ее контрастностью по отношению к фону, высотой антенны и цели, состоянием атмосферы и моря. Поэтому данная характеристика задается дифференцированно по типам целей и условиям работы радара.
В соответствии с требованиями Международной Морской Организации(IMO), при нормальных условиях распространения радиоволн, высоте установки антенны РЛС 15 м над уровнем воды и при отсутствии помех от моря, РЛС должна обеспечивать четкую индикацию:
1. Береговой черты: при высоте берега до 60 м — на расстоянии до 20 морских миль; при высоте берега до 6 м — на расстоянии до 7 морских миль.
2. Надводных объектов:
- судов валовой вместимостью 5000 т — на расстоянии 7 морских миль независимо от ракурса;
- небольшого судна длиной 10 м — на расстоянии 3 морских миль;
- объектов, аналогичных навигационному бую, имеющих ЭПР приблизительно 10 м2 — на расстоянии 2 морских миль.
Поскольку обнаружение целей возможно только при наличии прямой видимости, то, зная высоту установки антенны радара и ориентировочную высоту цели, можно определить предельную дальность ее обнаружения в морских милях, пользуясь известным выражением:
где h1 и h2 — высота установки антенны и высота цели над уровнем моря.
Обычно в паспортных данных на судовые радары приводят максимальную (инструментальную) дальность, составляющую для подавляющего большинства компактных яхтенных радаров 16 морских миль.
В реальных условиях радиолокационное наблюдение ведется, как правило, на меньших расстояниях, определяемых потребностями судовождения. В этих случаях использование развертки экрана с максимальной дальностью не целесообразно, так как это приводит к существенной избыточности информации и к уменьшению размеров цели, что затрудняет ее обнаружение. Поэтому в радарах существует несколько так называемых шкал дальности — значений, в пределах которых может работать радар.
Например, популярный среди владельцев небольших судов радар Raytheon SL72 имеет следующий набор шкал:
Дальность (миль): 0.125; 0.25; 0.5; 0.75; 1.5; 3.0; 6.0; 12; 24 Такое большое количество шкал позволяет получать и общее представление об окружающем пространстве на больших расстояниях, и детальное радиолокационное изображение на дальностях, представляющих наибольший интерес с точки зрения обеспечения безопасности плавания. Кроме того, в некоторых радарах имеется возможность выделения и просмотра отдельных участков окружающего пространства в укрупненном масштабе.
Ошибки определения координат цели. Для любого навигационного прибора, определяющего местоположение, важнейшим показателем является ошибка определения местоположения. Судовой радар определяет две координаты цели: дальность относительно антенны и направление (азимут) относительно линии направления (истинного, магнитного, направления движения).
Ошибка определения расстояния портативных радаров обычно составляет (0.9÷1)% максимального значения используемой шкалы дальности, ошибка определения направления ±1°.
Скорость вращения антенны. Этот параметр определяет скорость обновления информации на экране радара и особенно важен при управлении скоростными судами.
Скорости вращения антенн портативных радаров достаточно высокие: у уже известных нам SL72 и SL74 она составляет 27 об./мин., а у некоторых аналогичных (например, у JRC Radar-1000) и более, что позволяет использовать их на всех доступных скоростях передвижения по воде.
Функциональные возможности
Функциональные возможности радаров определяют удобство работы с прибором и способность получения той или иной информации. Для понимания того, что может современный радар, снова обратимся к нашему знакомому SL72, а точнее — к работе с ним.
Обнаружение целей. Обнаружение любых объектов осуществляется визуально на экране локатора. Небольшие объекты — суда, буи, островки — отображаются в виде ярких точек на фоне различных помех, возникающих от собственных шумов приемника, от волн и атмосферных осадков, маскирующих отметки от целей.
Для выделения отметок от целей на фоне помех в судовых радарах предусмотрены различные функции — регулировка усиления приемника, подавление отражений от волн и дождя, расширение отметки (введение так называемого "следа эхо") и ряда других ухищрений.
Определение координат. Как уже отмечалось, судовой радиолокатор определяет две координаты в своей местной системе — дальность и азимут относительно судна.
Измерение дальности. Дальность до цели может определяться тремя способами — при помощи колец дальности, при помощи курсора и при помощи маркера переменного расстояния VRM.
Если посмотреть на экран радара, первое, что бросается в глаза — это находящиеся на нем концентрические кольца. Количество колец и расстояния между ними жестко связаны с используемыми шкалами дальности. Для измерения расстояния до цели достаточно подсчитать количество колец между ее отметкой и центром экрана, умножить это число на расстояние между кольцами и прибавить оцененное на глаз приблизительное расстояние отметки от внутренней кромки ближайшего по направлению к центру кольца. Понятно, что такой способ дает наглядную и быструю, но весьма грубую оценку, поэтому для получения точных значений используют два других способа.
Курсор — это отметка на экране в виде перекрестия, управляемая при помощи клавиш или трекбола. Чтобы измерить дальность до цели, достаточно поместить перекрестие на внутреннюю кромку отметки, после чего искомое значение вместе со значением азимута высветится в углу экрана.
Подвижный маркер расстояний VRM — это кольцо на экране, радиус которого может выбираться оператором. Изменяя величину радиуса, совместим наружную кромку кольца с внутренней границей отметки цели — и вы получите значение расстояния до цели, высвеченное в углу экрана.
Измерение направления. Направление отсчитывается от курсовой линии — вертикальной линии на экране, совпадающей с диаметральной плоскостью судна. При наличии магнитного компаса или гирокомпаса, сопрягаемых с радаром, отсчет азимута может осуществляться от магнитного или истинного направления на Север.
Измерение направления может осуществляться при помощи курсора (аналогично измерению дальности) либо с использованием линии электронного маркера пеленга EBL.
Электронный маркер пеленга EBL — это исходящая из центра экрана линия (иногда называемая "линией электронного пеленга"), положение которой может управляться оператором. При помощи органов управления наводят маркер на середину отметки, после чего считывают высвеченные в углу экрана значения азимута, либо получают их по шкале направлений, находящейся на краю экрана.
Определение координат — широты и долготы цели. При сопряжении с приемником спутниковой навигации или приемоиндикатором радионавигационных систем "Лоран" или "Декка" радар может определять и высвечивать на экране широту и долготу выбранных целей.
Помимо решения основных задач — обнаружения и определения координат целей — современные радиолокаторы обладают набором функций, существенно расширяющих их возможности. Познакомиться с ними мы можем на примере радара Raytheon SL72. Выбор этой модели объясняется тем, что она входит в комплект информационно-сопрягаемых в формате SeaTalk приборов Raytheon, представленных в "КиЯ" №169. Но для начала познакомимся с прибором.
Радиолокатор SL72 состоит из двух элементов — дисплея SL70 с 7-дюймовым (17.5 см по диагонали) жидкокристаллическим экраном и закрытым 18-дюймовым (47 см в диаметре) сканером, обеспечивающим дальность действия 24 мили. Дисплей SL70 может работать также с более солидным 24дюймовым сканером с дальностью действия 48 миль — такая модель имеет название SL74.
При взгляде на переднюю панель радара бросается в глаза полное отсутствие каких-либо рукояток настройки и переключателей — все управление и настройки осуществляются клавишами с использованием экранных транспарантов и меню.
Характерной особенностью SL72 является многооконный режим работы дисплея. Помимо основного радиолокационного изображения в нижней части экрана располагаются так называемые "Data Boxes" — окна, в которых находится навигационная информация, получаемая от связанных с радаром датчиков — компаса, приемника GPS, эхолота, лага, а также данные о положении на экране курсора и маркеров направления и дальности (рис. 2).
При помощи дополнительных экранных окон можно выделить сектор контроля, положение курсора, получить графическое изображение "Highway", используемое в приемниках GPS для судовождения по путевым точкам и маршрутам. И, наконец, можно наблюдать общую радиолокационную картину одновременно с выделенным и растянутым участком находящегося на экране пространства.
Однако этим не исчерпываются все возможности полиэкрана — созданный на базе дисплея SL70 радар-чартплоттер RL72RC позволяет получать на экране электронную карту, радиолокационную картину окружающего пространства, а также оба изображения одновременно (рис. 3). При этом при работе в режиме чартплоттера выполняются все присущие ему функции — отображение карты, обозначение своего места и трассы движения, путевые точки и маршруты, характеристики движения и пр.
Интерфейс судовых радиолокаторов позволяет использовать их в составе навигационных систем, имеющих единый международный протокол обмена NMEA 0183. Радары SL72 и RL72RC, в отличие от других, имеют еще и протокол обмена SeaTalk, что позволяет сопрягать их с приборами Autohelm и Raytheon, получать от них и отображать на экране большой объем навигационной информации.
В настоящее время производители судовой радиоэлектроники выпускают большое количество моделей радиолокаторов для малого флота. В прилагаемой таблице приведены сравнительные характеристики некоторых наиболее распространенных в нашей стране радаров.
На более крупных судах, не столь стесненных объемом помещений и возможностями источников электропитания, используются компактные радары с дисплеями на электронно-лучевых трубках, обладающие более крупными и яркими экранами с высокой разрешающей способностью (Raytheon R70 и JRC Radar-2000 с 7-дюймовым экраном; JRC JMA-2253 и Furuno М 1832 с 10-дюймовыми экранами).
При выборе радиолокатора для своего судна следует иметь в виду, что для его приобретения необходимо получить разрешение Главного управления по надзору за связью в РФ (Госсвязьнадзор), при этом прибор должен иметь Сертификаты Службы Морского Флота и Регистра Морского Судоходства РФ.