СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА
GUIDED MISSILE GUIDANCE SYSTEM

Предлагаемая система наведения управляемого снаряда относится к области вооружения, а именно к разработке полуавтоматической лучевой системы управления (системы телеориентирования), и может использоваться в комплексах ПТУРС и ЗУРС.
В настоящее время лучевая система управления находит широкое применение как в отечественных комплексах управляемого вооружения, например, "Кастет", "Бастион", "Свирь", "Рефлекс", так и в зарубежных, например "SPEAR" (фирмы Diehl, Германия) (В.И.Бабичев, В.В.Ветров, А.В.Игнатов, А.Р.Орлов, Основы устройства и функционирования артиллерийских управляемых снарядов, изд. ТулГУ, Тула, 2003 г, с.75 [1]).
Известна система наведения снарядом "SPEAR", которая содержит на командном пункте последовательно установленные источник лазерного излучения, модулирующий растр, сканирующий в плоскости, перпендикулярной направлению излучения лазера, и оптическую систему, а на борту снаряда - оптический приемник и блоки выделения координат и формирования команд управления. На командном пункте формируется оптический луч, направленный на цель, и создается в поперечном сечении луча с помощью растра изображение ("картинка"), несущее информацию о координатах снаряда. На борту снаряда фотоприемник преобразует оптические сигналы в электрические, на основании которых далее формируются команды управления снарядом.
Основными недостатками указанной системы наведения являются:
- недостаточная скрытность процесса управления, т.к. оптический луч имеет в районе цели большие размеры в поперечном сечении (например, в комплексе "SPEAR" в конце наведения 4 м × 4 м) и непрерывно облучает цель за время наведения;
- недостаточная эффективность управления, т.к. не обеспечивается одновременная стрельба несколькими комплексами по одной цели из-за разрушения изображения ("картинки") в сечении луча при одновременном облучении цели.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
3
4
1
2
На фиг.1 представлена блок-схема известной системы наведения, принятой за прототип и используемой в комплексе "Бастион", где 1 - пункт управления, 2 - импульсный источник излучения, 3 - блок сканирования, 4 - оптическая панкратическая система, 5 - оптический прицел, 6 - снаряд, 7 - приемник излучения. Система наведения содержит источник лазерного излучения, модулирующее устройство с растровыми дисками, сканирующими в плоскости, перпендикулярной направлению излучения лазера и оптическую систему, установленные на пункте управления ([1], с.46-48, рис.2.7), и приемник излучения и блок выработки команд, размещенные на борту снаряда. На пункте управления формируют луч, модулированный пятью частотами f, f, f, f, f. Поперечное сечение луча представляет собой поле управления снарядом. В зависимости от положения снаряда в поле управления приемник излучения постоянно принимает комбинацию пачек импульсов информационных частот f - при нахождении снаряда от центра поля управления справа, f - слева, f - вверху, f - внизу. Кроме того, ПИ постоянно принимает импульсы частотой f, необходимые для нормирования сигнала по мощности. Приемник излучения преобразовывает принимаемый оптический сигнал в электрический. Блок выработки команд с помощью избирательных фильтров, настроенных на частоты f, f, осуществляет выделение последовательности импульсов, длительность которой пропорциональна координате Y снаряда относительно центра поля управления. С помощью избирательных фильтров, настроенных на частоты f, f, осуществляется выделение последовательности импульсов, длительность которой пропорциональна координате Z снаряда относительно центра поля управления. В результате выделяются координаты снаряда по отношению к оси луча, в соответствии с которыми управляют положением снаряда.
Основными недостатками прототипа являются:
- недостаточная скрытность процесса управления, т.к. оптический луч постоянно направлен в сторону цели и непрерывно облучает большое пространство в районе цели (для комплекса "Бастион" 6×6 м на протяжении полета и 80 м × 80 м в начале управления);
- не обеспечивается одновременная стрельба несколькими комплексами по одной цели из-за разрушения изображения в поперечном сечении луча (разрушения частотноманипулированной "картинки") при совмещениии нескольких лучей, что снижает эффективность системы управления;
- использование широтно-импульсной модуляции оптического луча с частотным разделением каналов передачи информации о координатах снаряда не обеспечивает высокой помехоустойчивости системы управления от естественных оптических помех и засветок.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости системы наведения снарядом по оптическому лучу.
Поставленная задача решается за счет того, что в системе наведения управляемого снаряда, содержащей импульсный источник излучения, последовательно соединенные блок сканирования и съюстированную с оптическим прицелом оптическую панкратическую систему, расположенные на пункте управления, и размещенный на борту снаряда приемник излучения, введены на пункте управления последовательно соединенные второй импульсный источник излучения и блок формирования двух плоских ортогональных лучей, установленный между источниками излучения и блоком сканирования, кинематически связанным с введенным датчиком углового положения, последовательно соединенные блок литерности и формирователь импульсного кода, а также первый синхронизатор, выход которого соединен с синхронизирующими входами блока литерности и формирователя импульсного кода, третий вход которого соединен с выходом датчика углового положения, а первый и второй выходы - с входами соответственно первого и второго импульсных источников излучения, а на борту снаряда введены последовательно соединенные блок стробирования сигнала и анализатор импульсного кода, а также блок стробирующих импульсов и второй синхронизатор, выход которого соединен с синхронизирующими входами анализатора импульсного кода и блока стробирующих импульсов, выход которого соединен с первым входом блока стробирования сигнала, при этом выход приемника излучения соединен со вторыми входами блока стробирования сигнала и блока стробирующих импульсов.
На пункте управления известной лучевой системы введен блок формирования двух плоских ортогональных лучей, сканируемых по курсу и тангажу перпендикулярно своей плоскости, что повышает скрытность процесса управления за счет малой мгновенной площади и короткой длительности засветки местности в районе цели. Введением на пункте управления синхронизатора, блока литерности и формирователя импульсного кода обеспечивается передача по сканируемым лучам информации о пространственном положении в виде время-импульсной модуляции на определенной для данного комплекса литерности (засекреченности), что повышает эффективность при одновременной стрельбе несколькими комплексами и также скрытность управления за счет импульсного режима излучения (малая средняя мощность излучения). Кроме того, введением на борту снаряда блока стробирования принимаемого сигнала, блока стробирующих импульсов, бортового синхронизатора и анализатора импульсного кода достигается выделение на борту координат снаряда, передаваемых на своей литерности, временная селекция и анализ принимаемой время-импульсной информации в короткие моменты облучения, что повышает помехоустойчивость системы управления. Время-импульсный способ кодирования заключается в том, что передаваемая информация преобразовывается во временную задержку между импульсами излучения.
На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемого устройства, где дополнительно к блокам известного устройства добавлены следующие блоки: 8 - формирователь импульсного кода, 9 - блок формирования двух плоских ортогональных лучей, 10 - второй импульсный источник излучения, 11 - первый синхронизатор, 12 - датчик углового положения лучей, 13 - блок литерности, 14 - блок стробирования сигнала, 15 - блок стробирующих импульсов, 16 - второй синхронизатор, 17 - анализатор импульсного кода.
Л
К
Т
В
И
ОБ
На фиг.3 представлен вид время-импульсного кода, принимаемого на борту снаряда в моменты облучения его сканируемыми плоскими лучами, где О - опорный импульс, Л - литерный импульс, Кк и Кт - импульсы, несущие информацию о координатах снаряда по курсу и тангажу соответственно, τ - литерный интервал, τ и τ - координатные интервалы, τ - временная шкала кодирования координат, τ - длительность кодовой последовательности, τ - длительность облучения снаряда сканируемым лучом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На пункте управления 1 в направлении цели посылают два плоских сканируемых луча. Световой поток от первого импульсного источника излучения 2 блоком формирования плоских ортогональных лучей 9 концентрируется в узкий пучок, вытянутый в вертикальном направлении, а световой поток от второго импульсного источника излучения 10 блоком формирования 9 концентрируется в узкий пучок, вытянутый в горизонтальном направлении. Суммарный крестообразный пучок с блока 9 направляется на блок сканирования 3, выполненный в виде оптического клина, приводимого во вращательное движение электроприводом. Блок сканирования 3 осуществляет последовательное качание лучей. При этом луч, диаграмма излучения которого вытянута по вертикали, сканирует по курсу, а луч с диаграммой, вытянутой по горизонтали, сканирует по тангажу. Синхронно с блоком сканирования 3 вращается датчик углового положения лучей 12, на выходе которого вырабатываются сигналы о пространственном положении луча относительно среднего значения, совпадающего с линией прицеливания. Световой сигнал с блока сканирования 3 поступает на панкратическую оптическую систему 4, которая непрерывно в процессе полета снаряда производит изменение масштаба изображения сканируемых лучей, обеспечивая тем самым постоянное поле управления снарядом на траектории. Жестко с объективом панкратической системы 4 связан оптический прицел 5, прицельная марка которого совпадает с центром поля управления снарядом.
Электрические сигналы о положении каждого сканируемого луча в поле управления с датчика 12 подаются на третий вход формирователя импульсного кода 8, на второй вход которого поступают сигналы с блока литерности 13. Синхронизатор 11 вырабатывает тактовые импульсы, поступающие на синхронизирующие входы формирователя кода 8 и блока литерности 11.
И
Формирователь импульсного кода 8 непрерывно вырабатывает кодовые последовательности (фиг.3) длительностью τ, в которых заложена информация о литерности и положении сканируемых лучей по курсу и тангажу (информация о координатах снаряда при его облучении). Вид ограниченного количества кодовых последовательностей вырабатываемых формирователем 8 по каналу курса представлен на фиг.3а, по каналу тангажа - на фиг.3б.
Блок литерности 13 вырабатывает опорный и литерный импульсы, и литерный интервал между этими импульсами, определяющий литерное кодирование передаваемой по лучам информации. Этот интервал устанавливается до пуска снаряда одинаковым для наземной и бортовой аппаратур каждого отдельного комплекса ПТУРС. Неточность установки определяется нестабильностью работы синхронизаторов 11 и 16, которая обычно незначительна.
К
Т
Цифровой сигнал с датчика углового положения о пространственном положении луча в формирователе кода 8 преобразуется во временной интервал τ в канале курса и τ в канале тангажа между литерными и координатными импульсами.
В
Осуществляется время-импульсная модуляция сигнала о положении лучей во временных шкалах τ.
Импульсный код канала курса с формирователя 8 подается на источник излучения 2а канала тангажа - на источник излучения 10. Источники излучения под действием управляющих сигналов с формирователя 8 вырабатывают короткие световые импульсы.
Плоские оптические лучи последовательно сканируют один по курсу, второй по тангажу, и последовательно излучают сигналы в направлении цели. Вертикальный луч в момент сканирования по курсу модулируется кодовой последовательностью, в которой заложена информация о литерности и его положении относительно линии прицеливания, а луч, сканируемый по тангажу, модулируется кодовой последовательностью, содержащей информацию также о литерности и его пространственном положении. Благодаря работе панкратического объектива оптической системы 4, размеры поля управления, в пределах которого сканируют лучи, в поперечном сечении постоянны на траектории полета снаряда.
ОБ
ОБ
И
Бортовая аппаратура снаряда 6 осуществляет прием оптического сигнала и преобразует его приемником излучения в электрический сигнал. Прием сигнала происходит только в моменты пересечения сканируемыми лучами приемника 8 за время τ (фиг.3). При пересечении приемника плоским лучом, сканируемым по курсу, принимаемый сигнал имеет вид (фиг.3а), а при пересечении лучом, сканируемым по тангажу, принимаемый сигнал имеет вид (фиг.3б). Частота сканирования лучей выбирается из условия, чтобы длительность облучения была больше двух длительностей кодовой последовательности τ≥2τ для обеспечения надежности приема информации на борту снаряда.
Л
В
Л
Т
Л
В
Сигнал с приемника излучения 7 поступает на первый вход блока стробирования сигнала 14, на второй вход которого поступает сигнал с блока стробирующих импульсов 15. Блок стробирования сигнала 14 пропускает сигналы с приемника только в моменты стробирующих импульсов. Блок стробирующих импульсов 15 запускается от синхронизатора 16 в момент прихода опорного импульса с приемника 7. После прихода опорного импульса блок 15 вырабатывает стробирующие импульсы через время, равное литерному интервалу τ, а затем стробирущие импульсы длительностью τ через время, равное минимальным интервалам τ и τ. Для обеспечения синхронности выработки временного интервала литерности τ и положения временных шкал τ на снаряде и пункте управления синхронизаторы 11 и 16 выполнены идентичными. Благодаря применению временного стробирования принимаемого сигнала и работы бортовой аппаратуры на прием только в моменты облучения литерным импульсным кодом достигается повышение помехоустойчивости системы управления от оптических помех.
К
Т
Сигнал с блока стробирования 14 поступает на вход анализатора импульсного кода 17, который производит преобразование кодовых сигналов в аналоговые, измеряя интервалы τ и τ, соответствующие координатам снаряда по курсу Z и тангажу Y.
В соответствии с выделенными координатами вырабатываются команды управления снарядом, приводящие его к линии прицеливания. Использование в предлагаемой системе время-импульсной модуляции и информации о координатах снаряда повышает помехоустойчивость системы от фона и засветок. Известно, что время-импульсная модуляция передаваемого сигнала обеспечивает лучшую помехоустойчивость по сравнению с другими видами модуляции (С.Е.Здор, В.Б.Широков. Оптический поиск и распознавание, изд-во Наука, М., 1973 г.).
Предлагаемая система управления снарядом при помощи оптического луча по сравнению с известными обладает следующими преимуществами:
- обеспечивает высокую эффективность управления снарядами при одновременной стрельбе несколькими комплексами по одной цели благодаря литерному кодированию информации о координатах снаряда, передаваемой с пункта управления на снаряд по сканируемым оптическим лучам;
- обеспечивает высокую помехоустойчивость управления благодаря использованию кодово-импульсной модуляции передаваемой информации с применением временной селекции. Бортовая аппаратура на основе время-импульсной модуляции является более дешевой, имеет малые габаритно-весовые характеристики (легко поддается микроминиатюризации) по сравнению с аппаратурой других видов передачи информации, обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью;
- обеспечивает высокую скрытность процесса наведения снарядов благодаря использованию узких сканируемых лучей, работающих в импульсном режиме, что делает невозможным обнаружение излучения штатными средствами дневного и ночного видения из-за малой длительности и малой средней мощности облучения.
Предлагаемая система наведения может быть выполнена следующим образом. Источники излучения представляют собой, например, инжекционные полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (Справочник по лазерной технике, под ред. А.П.Напартовича, М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с.145, рис.2.89). Блок формирования посредством линз формирует световой поток от импульсных источников излучения в узкие вытянутые пучки и может быть выполнен на основе схемы на рис.7.2, с.251, Лазерная локация, под ред. Н.Д.Устинова, М.: Машиностроение, 1984 г. Блок сканирования выполнен на основе вращающегося оптического клина, приводимого во вращение электроприводом (Л.З.Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники, М.: Советское радио, 1978 г., с.211-212, рис.5.17, а). Датчик углового положения может быть выполнен, например, на основе фотоэлектрического преобразователя угла в код (Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления, под ред. Л.Н.Преснухина, М.: Высшая школа, 1970 г., с.299, 325). Формирователь импульсного кода представляет собой аналого-цифровой преобразователь, выполненный, например, на основе схемы рис.10.7, с.290-291, В.П.Демидов, Н.Ш.Кутыев, Управление зенитными ракетами, М.: Военное издательство, 1989 г. [2]). Синхронизаторы 11 и 16 и блок литерности выполнены на основе кварцевого генератора (М.Мэндл, 200 избранных схем электроники. Мир, М., 1980 г., с.86 [3]). Блок стробирования сигнала 14 представляет собой, например, электронные ключи или логические схемы И (с.176-177 [3]). Блок стробирующих импульсов 15 представляет собой многоразрядный счетчик с регистром, выполненный, например, на основе микросхем К531ИЕ16 (В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы, М.: Радио и связь, 1987 г.). Анализатор импульсного кода 17 может быть выполнен, например, на основе цифроаналоговых преобразователей (с.291-293 [2]).
Высокая эффективность предлагаемой системы управления подтверждена в разработанном противотанковом комплексе "Вихрь".