УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ И СОПРОВОЖДЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ИСКАЖЕНИЙ ПЕЛЕНГАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ АНТЕННА-ОБТЕКАТЕЛЬ
DIRECTION-FINDING AND TRACKING DEVICE WITH DISTORTION COMPENSATION OF DIRECTION-FINDING CHARACTERISTIC OF ANTENNA DOME SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в пеленгационных системах и системах сопровождения различных объектов.
Известно, что пеленгационная характеристика антенных систем является линейной только на ограниченном участке. Еще более сложный характер пеленгационная характеристика приобретает, если антенна укрыта радиопрозрачным обтекателем. Взаимодействие антенны с радиопрозрачным обтекателем в системе антенна-обтекатель (А-О) сопровождается смещением равносигнального направления и изменением крутизны пеленгационной характеристики, причем обе величины являются функциями угла отклонения оси антенны от оси обтекателя. Смещение равносигнального направления приводит к появлению пеленгационных ошибок при определении направления на объект [В.А. Каплун. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектирование). М.: Советское радио, 1974, стр. 6], а функциональная зависимость крутизны пеленгационной характеристики не позволяет в полной мере скомпенсировать пеленгационные ошибки в системах сопровождения, где кроме самой пеленгационной ошибки существенное влияние оказывают также производные пеленгационной характеристики второго и более высокого порядка.
Известно устройство для пеленгации и сопровождения целей, состоящее из многоканальной пеленгационной антенны, пеленгационного приемника и электромеханического привода пеленгационной антенны, в котором выходы пеленгационной антенны соединены с входами пеленгационного приемника, выходы которого соединены с входами электромеханического привода пеленгационной антенны, а выход электромеханического привода механически соединен с пеленгационной антенной, которая также механически соединена с датчиком углов поворота пеленгационной антенны [Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Советское радио, 1970, стр. 22]. Если антенна такого устройства укрыта радиопрозрачным обтекателем, то выдача целеуказания, а также сопровождение цели осуществляется с пеленгационной ошибкой, вносимой радиопрозрачным обтекателем.
Известно также устройство сопровождения с компенсацией пеленгационных ошибок системы антенна-обтекатель, принятое за прототип, содержащее последовательно соединенные пеленгационную антенну и пеленгационный приемник, электромеханический привод, выходы которого механически соединены с пеленгационной антенной, которая механически соединена с датчиком углов поворота пеленгационной антенны, устройство хранения узловых данных, вычислитель координат ближних узлов, вычислитель аппроксимирующих сплайнов, датчик текущих параметров сопровождения, причем выходы датчиков углов поворота пеленгационной антенны соединены с угломерными входами вычислителя координат ближних узлов и с угломерными входами вычислителя аппроксимирующих сплайнов, параметрические входы которого соединены с выходами датчика текущих параметров сопровождения, задающие выходы вычислителя аппроксимирующих сплайнов соединены с входам устройства хранения узловых данных, выходы которого подключены к входам вычислителя аппроксимирующих сплайнов, узловые выходы которого соединены с входами вычислителя координат ближних узлов, выходы которого соединены с входами координат ближних узлов вычислителя аппроксимирующих сплайнов, выходы которого соединены с входами поправок вычитающего устройства, входы которого соединены с выходами пеленгационного приемника, а выходы подключены к входам электромеханического привода [Описание изобретения к патенту RU 2284534 C1, 2005, G01S 13/00].
Одним из недостатков известных устройств пеленгации и сопровождения с компенсацией пеленгационных ошибок системы антенна-обтекатель является низкая точность компенсации, обусловленная тем, что пеленгационная характеристика системы А-О полагается линейной, а ее крутизна - равной крутизне пеленгационной характеристики антенны без обтекателя. Однако в общем случае на ее линейном участке искажения пеленгационной характеристики в системе А-О проявляются в следующем: во-первых, происходит смещение нуля пеленгационной характеристики и появление пеленгационной ошибки; во-вторых, меняется крутизна (наклон) ее линейного участка в процессе функционирования системы А-О; в-третьих, появляются нелинейные искажения пеленгационной характеристики более высокого порядка. Все эти искажения являются функциями углового положения обтекателя относительно антенны. В существующих устройствах компенсация искажений пеленгационной характеристики системы А-О осуществляется путем учета лишь смещения нуля пеленгационной характеристики, при этом изменения крутизны и нелинейные искажения пеленгационной характеристики в процессе функционирования системы А-О не учитываются, что приводит к погрешностям сопровождения.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности компенсации пеленгационных ошибок за счет учета искажений пеленгационной характеристики системы А-О в части изменений крутизны, а также нелинейных искажений пеленгационной характеристики системы А-О второго и более высокого порядка.
Указанная цель достигается за счет того, что в известное устройство пеленгации и сопровождения, содержащее последовательно соединенные пеленгационную антенну, пеленгационный приемник, электромеханический привод, выходы которого механически соединены с пеленгационной антенной, которая механически соединена с датчиком углов поворота пеленгационной антенны, устройство хранения узловых данных, вычислитель координат ближних узлов, вычислитель аппроксимирующих сплайнов, датчик текущих параметров сопровождения, причем выходы датчика углов поворота пеленгационной антенны соединены с угломерными входами вычислителя координат ближних узлов и с угломерными входами вычислителя аппроксимирующих сплайнов, параметрические входы которого соединены в выходами датчика текущих параметров сопровождения, задающие выходы вычислителя аппроксимирующих сплайнов соединены с входами устройства хранения узловых данных, выходы которого подключены к входам вычислителя аппроксимирующих сплайнов, узловые выходы которого соединены с входами вычислителя координат ближних узлов, выходы которого соединены с входами координат ближних узлов вычислителя аппроксимирующих сплайнов, дополнительно введено устройство решения уравнения компенсации, сигнальные входы которого подключены к выходам пеленгационного приемника, а выходы подключены к входам электромеханического привода, N входов коэффициентов пеленгационной характеристики устройства решения уравнения компенсации подключены к N выходам текущих значений коэффициентов пеленгационной характеристики вычислителя аппроксимирующих сплайнов, где N - количество коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-О, причем значение N выбирается равным N≥2.
На рис. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства, где:
1 - пеленгационная антенна;
2 - радиопрозрачный обтекатель;
3 - пеленгационный приемник;
4 - устройство решения уравнения компенсации;
5 - электромеханический привод;
6 - датчик углов поворота пеленгационной антенны;
7 - вычислитель координат ближних узлов;
8 - вычислитель аппроксимирующих сплайнов;
9 - устройство хранения узловых данных;
10 - датчик текущих параметров сопровождения.
Пеленгационная антенна 1 заключена в радиопрозрачный обтекатель 2. Выходы пеленгационной антенны 1 соединены с входами пеленгационного приемника 3, выходы которого соединены с сигнальными входами устройства решения уравнения компенсации 4, выходы которого соединены с входами электромеханического привода 5. Выходы электромеханического привода 5 механически соединены с пеленгационной антенной 1, которая также механически соединена с датчиком углов поворота 6. Выходы датчика углов поворота 6 соединены с угломерными входами вычислителя координат ближних узлов 7 и с угломерными входами вычислителя аппроксимирующих сплайнов 8, задающие выходы которого подключены к входам устройства хранения узловых данных 9, выходы которого соединены с входами вычислителя аппроксимирующих сплайнов 8. Выходы датчика текущих параметров сопровождения 10 соединены с параметрическими входами вычислителя аппроксимирующих сплайнов 8, N выходов коэффициентов пеленгационной характеристики вычислителя аппроксимирующих сплайнов соединены с N входами коэффициентов пеленгационной характеристики устройства решения уравнения компенсации 4.
0A-O
1A-O
2A-O
nA-O
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Все поле возможных значений углов поворота пеленгационной антенны в обтекателе разбивается в выбранной системе координат (например, декартовой) на сектора. Точка в месте сопряжения смежных секторов называется узлом и определяется координатами узла. Каждому i-тому узлу соответствует семейство коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-О C, C, C, …, C, определяемых в соответствии с патентами [патент RU 2287834 С1, приоритет от 14.06.2005, G01R 29/10. Измеритель пеленгационных характеристик], [патент RU 2442181 С1, приоритет от 02.08.2010, G01R 29/10. Измеритель пеленгационных характеристик систем антенна-обтекатель]. Это семейство узловых данных для различных параметров сопровождения размещается в устройстве хранения узловых данных 9.
0A-O
1A-O
2A-O
nA-O
1
2
0A-O
1A-O
2A-O
nA-O
В процессе сопровождения из устройства хранения узловых данных 9 по запросу вычислителя аппроксимирующих сплайнов 8 извлекается семейство узловых данных и размещается в вычислителе аппроксимирующих сплайнов 8. Далее в вычислителе координат ближних узлов 7 в результате анализа текущей угломерной информации об углах поворота пеленгационной антенны подбираются ближние узловые точки (не менее 3-х точек), координаты которых расположены в непосредственной близости от текущих значений углов поворота пеленгационной антенны. Затем по узловым данным этих ближних точек в вычислителе аппроксимирующих сплайнов 8 формируются локальные сплайны (при 3-х узловых точках это плоскость) и вычисляются значения локальных сплайнов, соответствующие текущим значениям коэффициентов разложения пеленгационной характеристики C, C, C, …, C в зависимости от текущих значений углов поворота пеленгационной антенны α и α. Алгоритм вычисления локальных сплайнов описан в [Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Изд-во физико-математической литературы, 2002, стр. 81-87]. В результате вычисления локальных сплайнов определяются текущие значения N коэффициентов разложения пеленгационной характеристики C, C, C, …, C, которые используются затем в устройстве решения уравнения компенсации 4 для решения уравнения компенсации, имеющего вид:
изм
где: β - аргумент в уравнении компенсации;
n - степень полинома.
0A-O
1A-O
2A-O
nA-O
В вычислителе аппроксимирующих сплайнов на основе узловых данных вычисляются текущие значения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики C, C, C, …, C, соответствующие текущим параметрам: угловому положению пеленгационной антенны относительно обтекателя, частоте и поляризационным характеристикам падающей на систему А-О электромагнитной волны, температуре обтекателя и т.д.
A-O
ист
изм.К
Как видно, уравнение компенсации (1) содержит N коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-О, причем N=n+1, вычисляемых в вычислителе аппроксимирующих сплайнов 8, а также текущее значение сигнала β(β) с выхода пеленгационного приемника 3. В общем случае, поскольку пеленгационная характеристика задается полиномом n-й степени, решение данного уравнения может дать n значений корней, включая комплексные числа. Из физических соображений следует, что направлению на цель, измеренному системой А-О в устройстве сопровождения с компенсацией, будет соответствовать действительный корень β уравнения (1) с минимальным значением модуля.
изм.KN
изм.KN
ист
изм.KN
ист
изм.KN
Абсолютная погрешность определения направления на цель с учетом компенсации определяется как ε(β)=β-β, где β - направление на цель, измеренное устройством пеленгации и сопровождения с компенсацией, учитывающее N коэффициентов разложения пеленгационной характеристики, а β - истинное направление на цель. Очевидно, что при увеличении количества N коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-О за счет более точного определения функции пеленгационной характеристики направление на цель определяется с учетом компенсации с меньшей погрешностью и ε(β)→0 при N→∞. На практике значение N выбирают, исходя из требований к точности компенсации и имеющихся резервов долговременной памяти устройств хранения.
0A-O
1A-O
iA-O
0A-O
1A-O
В частном случае при N=n+1=2 для решения уравнения компенсации используются данные о значении двух коэффициентов C и C, а коэффициенты C при i≥2 полагаются равными нулю. Отметим, что если коэффициент C характеризует смещение нуля пеленгационной характеристики, то коэффициент C учитывает изменения крутизны пеленгационной характеристики и тем самым позволяет реализовать в предлагаемом устройстве принципиально новый эффект повышения точности сопровождения. Дальнейшее увеличение значения N позволяет дополнительно увеличить точность сопровождения за счет учета искажений пеленгационной характеристики 2-го и более высокого порядка.
изм.KN
изм.БК
ист
A-O
ист
A-O
ист
A-O
ист
БК
А
измБК
измБК
A-O
ист
К1
A-O
ист
К2
KN
измKN
измKN
На рис. 2 наглядно иллюстрируется эффект повышения точности сопровождения и пеленгации за счет уменьшения абсолютной погрешности ε(β) определения направления на цель с увеличением значения N. Там же для сравнения приведена абсолютная погрешность ε(β) определения направления на цель без компенсации. Если цель находится в направлении β относительно оптической оси антенны в отсутствие обтекателя (рис. 2), то при наличии обтекателя на выходе пеленгационного приемника без компенсации будет зафиксирован сигнал β(β), соответствующий точке А на реальной пеленгационной характеристике системы А-О β (β). Очевидно, что сигналу β (β) будет соответствовать точка А на пеленгационной характеристике β (β) антенны в отсутствие обтекателя, и на выходе системы А-О будет зафиксировано значение β с абсолютной погрешностью ε(β). Этому же сигналу β (β) будет соответствовать точка А на пеленгационной характеристике системы А-О для N=1 (рис. 2). Аналогично сигналу β (β) будет соответствовать точка А на пеленгационной характеристике системы А-О для N=2 (рис. 2) и точка A на пеленгационной характеристике системы А-О для N=n+1 (рис. 2). На рис. 2 приведены также значения β для N=1, 2, (n+1), а также соответствующие им значения абсолютных погрешностей ε(β). Из рис. 2 видно, что при N≥2 учет изменений крутизны пеленгационной характеристики, а также учет искажений 2-го и более высокого порядка приводит к реализации принципиально нового качественного эффекта в части уменьшения погрешностей пеленгации и сопровождения по сравнению с прототипом.
Таким образом, вновь введенное устройство решения уравнения компенсации при N≥2 и новые связи между элементами в предлагаемом устройстве позволяют учитывать нелинейные искажения и изменения крутизны пеленгационной характеристики в процессе функционирования системы А-О, что обеспечивает повышение точности устройства пеленгации и сопровождения с компенсацией искажений пеленгационной характеристики системы антенна-обтекатель.