УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ЦЕЛИ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
DEVICE FOR DETERMINATION OF AEROSPACE TARGET MOTION PARAMETRES IN ACTUAL TIME SCALE

Группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, относится к области определения пространственных параметров движения летящих целей, например, при учебном авиационном или ракетно-космическом нападении, и может быть использована при создании средств обнаружения, регистрации, захвата и наблюдения за летящими авиакосмическими целями с единовременной обработкой результатов измерений в реальном масштабе времени и автоматическим сопровождением объектов измерения с подвижных и/или стационарных измерительных постов для обеспечения возможности уничтожения объектов.
Уровень техники в этой области представлен следующими техническими решениями.
Известно устройство для определения параметров движения цели, которое относится к области радиолокации, в частности к методам восстановления траектории цели в разнесенной радиолокации. Технический результат - возможность определения положения цели до пересечения ею линии базы (соединяющей фазовые центры антенн передающей и приемной позиций). Для этого в устройство введены блок экстраполяции измеряемых параметров и блок вычисления момента времени пересечения целью линии базы пересечения целью линии базы (см. патент РФ №2124220 по заявке: №97117868/09, приоритет от 1997.10.29, МПК: G01S 13/06, патентообладатель: Нижегородский НИИ радиотехники, авторы: Бляхман А.Б и др.).
Известно также устройство для определения параметров движения объекта, в частности, восстановления траектории цели в разнесенной радиолокации. Технический результат - повышение точности определения местоположения объекта (см. патент РФ №2154840 по заявке 99120267/09, приоритет от 1999.09.22, МПК: G01S 13/06, патентообладатель: Нижегородский НИИ радиотехники, авторы Бляхман А.Б и др.).
Известно, кроме того, устройство для определения параметров движения цели, относящееся к области радиолокации, в частности к методам восстановления траектории цели в разнесенной радиолокации. Технический результат - повышение точности определения пеленга в случае расширения зоны пеленгации за счет увеличения числа парциальных каналов (см. патент РФ №2168740 по заявке 99120044/09, приоритет от 1999.09.20, МПК: G01S 13/06, патентообладатель: Нижегородский НИИ радиотехники, автор Колосов Р.А.).
Недостатком известных устройств является ограниченность их применения - известные устройства относятся к области радиолокации, т.е. являются радиотехническими средствами траекторных измерений, без использования единовременного контроля меняющегося положения летящего объекта другими методами, что снижает точность и достоверность результатов измерений.
Известен способ определения координат местоположения составляющих вектора скорости, дальности и траекторных измерений навигирующимся объектом по навигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем заключается в том, что принимают сигналы спутников и по принятым эфемеридным данным вычисляют некоторые математические параметры. Технический результат - повышение точности (см. патент РФ №2152048 по заявке №98114364/09, приоритет от 1998.07.28, МПК: G01S 5/00, патентообладатель: НПО прикладной механики им. ак. М.Ф.Решетнева, авторы Армизонов Н.Е. и др.).
Известен также способ построения двумерного радиолокационного изображения воздушной цели по траекторным нестабильностям ее полета, основанный на использовании двух РЛС, причем одна из них должна иметь возможность перестройки частоты от импульса к импульсу (см. патент РФ №2180445, по заявке №2000114138/09, приоритет от 2000.06.06, МПК: G01S 13/89, патентообладатель и соавтор Митрофанов Д.Г.).
Известна командно-стрельбовая информационно-управляющая система берегового базирования, предназначенная для сбора и обработки информации, выработки сигналов управления системами вооружения и может быть использовано в командно- стрельбовых информационно-управляющих системах берегового базирования. Задача - создание командно-стрельбовой информационно-управляющей системы берегового базирования, обладающей универсальностью, более широкими функциональными возможностями, повышенной надежностью функционирования и отказоустойчивостью (см. патент РФ №2176818 по заявке №2000131078/09, приоритет от 2000.12.14, МПК: G06F 15/16, патентообладатель: ЦНИИ "Гранит", авторы Никольцев В.А. и др.).
Известно устройство контроля сложной системы, в частности летательного аппарата, предназначенное для контроля сложной системы. Задача - повышение надежности за счет получения достоверной информации непосредственно при сообщении данных от устройства контроля при появлении некоторой дополнительной информации (см. патент РФ №2126528, по заявке №96124503/09, приоритет от 1996.12.20, МПК: G06F 17/60, патентообладатель: Аэроспасъяль Сосьете Насьональ Эндюстриель (FR) Франция, авторы: Лота Раймон, Лежар Татам Лидии).
Известен также комплекс бортовых траекторных измерений, который может быть использован для исследования характеристик летательных аппаратов на всех участках полета. Задача - повышение точности определения параметров пространственного положения летательного аппарата (см. патент РФ №2116666, по заявке №95117763/09, приоритет от 1996.12.20, МПК: G06F 17/00, патентообладатель: Аэроспасъяль Сосьете Насьональ Эндюстриель (FR) Франция; авторы Климов В.Т. и др.).
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, при использовании вышеперечисленных известных объектов техники и технологии, относится то, что известные оптико-электронные станции не стабильны в траекторных измерениях при их использовании в различных климатических поясах, что снижает надежность и точность траекторных измерений пространственных параметров координат движения целей в реальном масштабе времени.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу в группе технических решений, объединенных единым изобретательским замыслом, является способ определения составляющих вектора скорости (и других пространственных параметров движения цели в реальном масштабе времени), который относится к области полигонных испытаний образцов военной техники и может быть использовано при определении параметров движения целей по данным фоторегистрирующих оптических средств траекторных измерений. Достигаемым техническим результатом применительно к траекторным оптическим измерениям является повышение точности определения составляющих вектора скорости цели в каждой точке наблюдения, для чего, в частности, выполняется фоторегистрация цели на фоне опорных точек и дополнительно выполняются замеры скорости изменения координат цели в каждой точке измерения (см. патент РФ №2143099 по заявке №97122062/28, приоритет от 1997.12.26, МПК: G01C 11/04, патентообладатель: ЦНИИ Министерства обороны РФ, автор Якушин С.М.).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству в заявленной группе изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является устройство для осуществления способа определения составляющих вектора скорости (и других пространственных параметров движения цели в реальном масштабе времени), реализующее запатентованную технологию определения по упомянутому способу (см. тот же патент РФ №2143099 по заявке №97122062/28, приоритет от 1997.12.26, МПК: G01C 11/04, патентообладатель: ЦНИИ Министерства обороны РФ, автор Якушин С.М.).
Известные по данному патенту РФ №2143099 способ (технология) определения пространственных параметров перемещающейся цели и используемая для выполнения способа аппаратура (устройство), которая реализует заявленный по упомянутому патенту способ, предусматривают использование средств ограниченного контроля за целью (фактически - моноконтроль), что в целом снижает уровень надежности, достоверности и стабильности результатов измерений.
Сущность заявленной группы изобретений заключается в следующем.
Единая задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, связанных между собой единым творческим изобретательским замыслом, - повышение надежности и достоверности траекторных измерений пространственных параметров координат перемещающихся целей в реальном масштабе времени.
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленной группы изобретений, связанных между собой единым изобретательским замыслом, заключается в повышении стабильности определения параметров движения неопознанных целей путем обеспечения возможности обнаружения, автоматического захвата и последующего непрерывного сопровождения динамичных объектов авиационной и ракетно-космической техники при различных полетных режимах с обеспечением возможности определения параметров взаимного расположения летящих объектов в непрерывном режиме при регистрации траектории их полета и времени срабатывания боевого снаряжения в момент вспышки в течение суток в сложных метеоусловиях, в стабилизации непрерывного режима процесса управления системой слежения за объектом, при оптимизации параметров угла расходимости с увеличением диапазона дальности обнаружения и регистрации цели.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе определения траекторных параметров движения цели в реальном масштабе времени, включающее фотооптическую регистрацию полетных параметров цели с фиксацией ее динамических параметров по траектории наблюдения и математическую обработку результатов оптико-цифровых измерений для выявления пороговой величины степени агрессии при перемещении цели и принятия боевого решения, одновременно с фотооптической регистрацией полетных параметров цели производят непрерывно-дискретное азимутально-горизонтальное сканирование цели, совмещая сканирование по времени с дуговым трехмерным безинерционным перемещением сканирующего источника, относительно неподвижной оси репера с известными параметрами в трехмерной системе координат, а боевое решение принимают в момент регистрации полетных параметров цели, превышающих установленную пороговую величину степени агрессии.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также тем, что в известном устройстве для определения параметров движения цели в реальном масштабе времени, включающем комплекс регистрации полетных параметров цели, содержащий блок фотооптической регистрации траекторных параметров цели и блок фиксации динамических параметров цели по траектории наблюдения, функционально взаимодействующие с блоком управления и цифровой обработки результатов измерений, причем комплекс регистрации полетных параметров установлен на поворотно-опорном реперном основании с возможностью азимутально-горизонтального дугового безинерционного перемещения относительно неподвижной оси репера основания при сканировании цели, при этом система регистрации полетных параметров цели дополнительно снабжена устройством сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения, функционально связанным с блоком фотооптической регистрации полетных параметров с образованием модуля системы автоматического сканирования, обнаружения, регистрации и сопровождения цели, установленного с возможностью непрерывно-дискретного сканирования траекторных параметров последней при азимутально-горизонтальном перемещении образованного узла системы автоматического сканирования.
Единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также тем, что устройство сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения выполнено в виде оптико-электронного тепловизуального прибора, снабженного оптико-электронным объективом и сенсорным безинерционным устройством наведения и регистрации момента вспышки.
Единый технический результат по объекту-устройству достигается также тем, что оптико-электронный объектив устройства сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения установлен с возможностью автоматического непрерывно-дискретного изменения фокусного расстояния.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для определения параметров движения цели в реальном масштабе времени, предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы изобретений - способа определения траекторных параметров движения цели в реальном масштабе времени, при этом оба объекта заявленной группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта-устройства, так и для объекта-способа, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений.
При этом определение из перечня выявленных аналогов прототипов - как для способа, так и для устройства - наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем единому техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Для проверки соответствия каждого из объектов заявленной группы изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого из объектов заявленной группы изобретений, результаты которого показывают, что каждый из объектов заявленной группы изобретений не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение усматриваемого заявителем единого технического результата, в частности, в каждом из объектов заявленной группы изобретений не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.
Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию патентного законодательства "изобретательский уровень".
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого из объектов заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата заключаются в следующем.
Устройство для определения параметров движения цели в реальном масштабе времени содержит:
- комплекс регистрации полетных параметров цели, который состоит:
- из блока фотооптической регистрации траекторных параметров цели;
- блок фиксации динамических параметров цели по траектории наблюдения.
Комплекс регистрации полетных параметров установлен на поворотно-опорном реперном основании с возможностью азимутально-горизонтального дугового безинерционного перемещения относительно неподвижной оси репера основания при сканировании цели.
Оба вышеупомянутых блока комплекса регистрации функционально взаимодействуют с блоком управления и цифровой обработки результатов измерений.
Комплекс регистрации полетных параметров цели дополнительно снабжен устройством сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения.
Устройство сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения функционально связано с блоком фотооптической регистрации полетных параметров с образованием модуля системы автоматического сканирования, обнаружения, регистрации и сопровождения цели.
Оптико-электронный теодолит в составе устройства, как один из основных источников объективной информации, предназначен для слежения за перемещающимися в воздушном пространстве целями и получения измерительной информации для определения угловых координат положения этих целей.
Оптико-электронный теодолит состоит из основания в виде опорно-поворотного устройства и смонтированных на нем измерительных каналов.
Получение полной информации о траектории целей и других объектов, которые могут различаться как габаритами, так и скоростью полета, а также переменной величиной - расстоянием от объектива до объекта, предъявляют повышенные требования к измерительным каналам.
Различают три основные конструкции опорно-поворотных устройств для оптико-электронный теодолита: U-образная, Т-образная и комбинированная.
Наиболее проста U-образная схема, в которой измерительный канал располагается на пересечении азимутальной и горизонтальной осей. При такой компоновке строго соблюдаются геометрические зависимости.
Т-образная схема позволяет устанавливать до четырех каналов, смещенных с азимутальной оси, но это требует вычислительных средств для учета поправок.
Комбинированная схема включает основные элементы первых двух схем, поэтому конструктивно сложнее, отличается значительными габаритами и весом, что не всегда компенсируется удобством ее эксплуатации.
Обычно выбирают компактную надежную и легко модернизируемую Т-образную схему опорно-поворотного устройства оптико-электронного теодолита.
Датчики азимута и угла места (датчики углов) устройства предназначены для определения положения осей опорно-поворотного устройства.
Особое внимание при выборе типа датчиков углов обращалось на обеспечение точностных, динамических и температурных характеристик устройства, а также на конструктивные особенности опорно-поворотного устройства.
Для измерения упомянутых угловых перемещений используются аналоговые, аналогово-цифровые и цифровые датчики угла. Они воспринимают контролируемое входное перемещение и преобразуют его в выходной сигнал, пригодный для дальнейшего преобразования и обработки.
Первичные преобразователи угловых перемещений обычно работают по разомкнутой схеме, поэтому выдаваемая ими измерительная информация не корректируется в последующем, что предъявляет к ним дополнительные требования по достоверности выходной информации.
На сегодняшний день и в России и за рубежом выпускается ряд преобразователей, построенных на принципе изменения контролируемой физической величины в зависимости от углового перемещения (индуктивные, индукционные, емкостные, резистивные, потенциометрические, и т.д.). Такие датчики находят широкое применение в промышленности, авиации, военной технике. Часто они работают в самых жестких условиях, так как обладают широким диапазоном рабочих температур и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
Качественные технические характеристики выпускаемых модификаций датчиков постоянно совершенствуется.
Например, современный угловой потенциометрический датчик может иметь такие характеристики:
- температурный диапазон: - 70 до плюс 140°С;
- диапазон угловых перемещений: 350°±10°;
- чувствительность: 0.001° и выше;
- линейность: до ±0.02%;
- ударопрочность: до 50 g.
Основной недостаток таких угловых датчиков - ограниченная точность, обусловленная физическими причинами. Необходимая точность в единицы угловых секунд обеспечивается лишь при минимальном угле поворота. При круговом повороте, например = 360°, для обеспечения необходимой точности приходится использовать сложные многоотсчетные датчики. Конструкция их значительно усложняется, появляются проблемы согласования грубых и точных отсчетов между собой.
Все угловые датчики подразделяются на два больших класса: позиционные (абсолютные) и накапливающие (относительные). Особенностью накапливающих датчиков является необходимость привязки их углового положения после включения питания. Это приводит к увеличению времени подготовки изделия к работе, кроме того, до момента привязки система может работать в неконтролируемом режиме. Несмотря на это накапливающие датчики получили очень широкое распространение благодаря относительной простоте конструкции и малые габариты.
Перспективными считаются датчики углов поворота с магнитной градуировкой. Такие датчики обладают повышенной стойкостью к воздействию климатических и механических факторов.
При обеспечении измерений дальности до летящей цели за десятки километров от устройства определения параметров с использованием лазерных дальномеров при выполнении траекторных измерений динамичных объектов в реальных условиях возникает ряд некоторых трудностей, обусловленных особенностями лазерных дальномеров:
- возможность работы на максимальной дальности при угле места не менее 15°;
- малой величина угла расходимости лазерного луча и др.
Малая величина угла расходимости лазерного луча накладывает жесткие ограничения на быстродействие измерений.
По этой причине перспективным является применение в качестве блока измерения дальности РЛС с фазированной решеткой. Современная элементная база и компьютерные технологии позволяют создать РЛС с характеристиками измерения дальности, которые будут соответствовать требованиям заявленного устройства. При этом трудности при выполнении измерений дальности до цели, характерные для применения в этих целях лазерного дальномера, при применении РЛС отсутствуют. Поэтому разработчики и изготовители оптико-электронных средств траекторных измерений в своих изделиях применяют РЛС с фазированной решеткой для измерения дальности до ЛА.
Ниже приведены основные характеристики одного из дальномерных радаров:
- дальность: 0-200 км;
- интервал скоростей цели: 5-3500 м/с;
- время обнаружения: 0,1-0,5 с;
2
- дальность обнаружения: до 75 км (при ЭПР=1 м);
2
- точность при дальности до 30 км (при ЭПР=1 м).
Модуль системы автоматического сканирования установлен с возможностью непрерывно-дискретного сканирования траекторных параметров цели при азимутально-горизонтальном перемещении образованного узла системы автоматического сканирования с учетом определения погрешностей процесса сканирования и внесения расчетных поправок.
Устройство регистрации момента вспышки предназначено для регистрации в реальном масштабе времени момента срабатывания боевого снаряжения средств поражения не хуже 5 мкс.
Характеристики вспышки:
- время нарастания потока излучения до max значения: 0,8±0,10 мкс;
- длительность вспышки: 0,4-1 с.
В устройствах регистрации момента вспышки обычно использовались фоторезисторы. Быстродействие фоторезисторов такого типа составляет 20-100 мкс.
В последнее время созданы быстродействующие фотодиоды для диапазона 1,4-2,5 мкм. Их быстродействие составляет меньше одной мкс и зависит от размера чувствительного элемента, а пороговая чувствительность достаточно высока при использовании термоэлектрического охлаждения чувствительного слоя.
Основные технические характеристики качественного фотоприемника следующие:
1. Способность обнаружения при чувствительности Д<sub>λmax</sub>
- 5·10<sup>11 </sup>Вт<sup>-1</sup>Гц<sup>1/2 </sup>см;
2. Средняя величина способности обнаружения
в диапазоне длин волн 1,7-2,5
3,5·10<sup>11</sup> Вт<sup>-1</sup>Гц<sup>1/2 </sup>см;
3. Спектральный диапазон работы
1,8-3,0 мкм;
4. Токовая чувствительность
1,6 А/Вт;
5. Температурный диапазон
-50 - +80°С.
Оптико-электронный объектив устройства сканирования и регистрации момента вспышки боевого снаряжения установлен с возможностью автоматического непрерывно-дискретного изменения фокусного расстояния.
Основными техническими характеристиками, которые обеспечивают стабильность работы устройства в реальных условиях эксплуатации являются:
- программно-информационная совместимость блоков устройства;
- максимальный диапазон угловых измерений оптико-электронного блока;
- диапазон статистической и систематической погрешностей измерения координат цели;
- надежность работы устройства при максимальных скоростях и ускорениях объекта;
- оптико-световые характеристики объективов (яркость, контрастность, резкость, чувствительность, разрешающая способность, величина углов поля зрения и пр.).
Синхронной работой оптико-электронных устройств при определении параметров движения цели в реальном масштабе времени оптимизируется с учетом влияния систематических погрешностей:
технология ведения поиска по обнаружению, регистрации, захвата цели с определением параметров ее движения в реальном масштабе времени в любое время суток, при единовременной обработке результатов измерений для дальнейшего автоматического сопровождения цели и ее параметров измерения как с временных, так и со стационарных измерительных постов для определения степени агрессивности летящих объектов и последующего боевого уничтожения агрессивных угрожающих объектов с определением координат района взаимного положения цели и носителя боевого заряда;
определение координат, взаимного положения авиационно-космических целей в пространстве с регистрацией траектории их полета и времени срабатывания боевого заряда с использованием электронно-оптических средств;
скорость создания упорядоченной АБД (автоматизированной базы данных) электронно-оптических измерений, которые в последующем используются для определения тенденций существующих зависимостей после математической обработки результатов измерений с доступом к системе спутниковой навигации "ГЛОНАСС" (GPS).
Способ (технология) определения траекторных параметров движения цели в реальном масштабе времени включает:
выполнение фотооптической регистрации полетных параметров цели с фиксацией ее динамических параметров по траектории наблюдения;
математическую обработку результатов оптико-цифровых измерений для выявления пороговой величины степени агрессии при перемещении цели и принятия боевого решения;
одновременно с фотооптической регистрацией полетных параметров цели выполняют непрерывно-дискретное азимутально-горизонтальное сканирование цели;
сканирование совмещают по времени с дуговым трехмерным безинерционным перемещением сканирующего источника относительно неподвижной оси репера с известными параметрами в трехмерной системе координат;
боевое решение принимают в момент регистрации полетных параметров цели, превышающих установленную пороговую величину степени агрессии.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средства, воплощающие заявленную группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, при их осуществлении, предназначены для определения пространственных параметров движения летящих целей, например, при учебно-боевом авиационном или ракетно-космическом нападении, и могут быть использованы для обнаружения, регистрации, захвата и слежения за летящими авиакосмическими целями с единовременной обработкой результатов измерений в реальном масштабе времени при автоматическом сопровождении летящих объектов измерения с подвижных и/или стационарных измерительных постов для боевого уничтожения агрессивных угрожающих объектов;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.