АВИАЦИОННАЯ ПРИЦЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к авиационной технике и позволяет выполнять применение отделяемых от летательного аппарата средств по подвижным наземным, надводным и воздушным объектам-целям с пространственного маневра.
Известен метод прицеливания при сбросе грузов в точку земной поверхности с маневрирующего летательного аппарата (ЛА) - метод интерактивного прицеливания (см.: А.Г.Моисеев. Статистическая теория оптимального прицеливания: учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС.- М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2008..; Моисеев А.Г., Айвазян С.А. «Интерактивные системы управления применением вертолета» статья в Сборнике трудов 3-го форума Российского Вертолетного Общества. - М., 24-25 марта 1998 г. с. VП1-37 - VIII-42).
Реализация этого метода в авиационной прицельной системе (АПрС), в общем виде представленной на фиг.1 (см.: A.M.Краснов, Г.А.Донгаев, Е.М.Пермяков, А.И.Щукин, С.Н.Шашков, Р.Ф.Хисматов, А.Г.Моисеев, В.И.Давыдов, Н.А.Сахаров. Авиационные прицельно-навигационные системы. Учебник.. М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2006), осуществляется следующим образом.
ËÀ
ÑÐ
Ö
На вход информационно-навигационной подсистемы 1 поступают сигналы от датчиков информации о фазовых координатах ЛА - Х и среды - X. Визирно-прицельная подсистема 2 включает в себя системы автоматического и ручного визирования и сопровождения целей и прицельные индикаторы (многофункциональные индикаторы и КАИ - коллиматорный авиационный индикатор). На вход визирно-прицельной подсистемы с одной стороны поступает информация о фазовых координатах целей - X, с другой стороны, с выхода вычислительно-коммутационной подсистемы 3 поступают сигналы для формирования прицельно-пилотажной информации, отображаемой на прицельных индикаторах, коммутационные и управляющие сигналы, обеспечивающие режимы работы систем визирования и сопровождения целей. На вход вычислительно-коммутационной подсистемы поступают сигналы от бортовых коммутационных устройств (от кабинных переключателей видов применяемых отделяемых средств, режимов прицеливания и т.д.). С выхода вычислительно-коммутационной подсистемы поступают управляющие сигналы Ū на системы автоматического управления (САУ) ЛА (в режиме автоматического или полуавтоматического управления ЛА при прицеливании).
В вычислительно-коммутационной подсистеме для обеспечения процесса интерактивного прицеливания решаются следующие задачи (см. фиг.2):
- задача обработки прицельно-навигационной информации (блок 4 «ОПрНИ»);
- задача внешней баллистики отделяемых средств (блок 5 «ВБ»);
- задача экстраполяции движения объектов-целей (блок 6 «ЭДЦ»);
- задача расчета требуемого положения объекта-цели, определяющего положение на прицельном индикаторе прицельной марки (ПМ) (блок 7 «РПМ»);
- задача расчета положения на прицельном индикаторе метки объекта-цели (МЦ) (блок 8 «РМЦ»);
- задача расчета прогнозируемого движения ЛА (блок 9 «РПД ЛА»);
- задача внешней баллистики отделяемых средств с прогнозируемого положения ЛА (блок 10 «ПВБ»);
- задача расчета прогностической прицельной информации, а именно угловых координат: точек линии прогнозируемых требуемых положений (ЛПТП) цели, исходящей из ПМ; точек линий границ Г1, Г2 области возможного прицеливания с первого захода (блок 11 «РППИ»);
- задача вычисления вектора управления Ū, подаваемого на вход САУ в режиме автоматического или полуавтоматического интерактивного прицеливания (блок 12 «ВВУ»);
- задача формирования на прицельном индикаторе прицельной информации в виде ПМ, ЛПТП, исходящей из ПМ, МЦ, линий границ области возможного прицеливания с первого захода (блок 13 «ФПИ»).
0
k
k
Ö
Тр
Тр
Тр
На прицельном индикаторе (ПИ) в поле зрения летчика отображается исходящая из ПМ линия прогнозируемых требуемых пеленгов (угловых положений) (ЛПТП) объекта-цели, строящаяся в виде функции времени прогноза τ изменяющегося от τ=t до τ в предположении того, что ЛА на этом интервале времени будет лететь с неизменным управлением U(τ)=const, равным управлению в данный текущий момент t, т.е. U(τ)=U(t), τ∈[t, τ]. Задача летчика при прицеливании методом «ЛПТП» состоит в совмещении путем управления ЛА объекта-цели с ЛПТП (с любой ее точкой) и фиксации наблюдаемого объекта-цели на этой пинии. Если фиксация объекта-цели на ЛПТП осуществлена, то это означает, что при практически постоянном управлении U(t) ЛА выйдет в точку "точного" сброса груза, т.е. в точку, где фактический пеленг объекта-цели φ(t) равен требуемому пеленгу φ(t) и сброшенный груз попадет в выбранный объект-цель. Точка φ(t) представляет собой традиционную прицельную марку. Линия прогнозируемых требуемых пеленгов цели φ(τ) может вычисляться, либо по результатам интегрирования дифференциального уравнения динамики конечного состояния двухступенчатой динамической системы "ЛА - Груз" (применение такого способа целесообразно в случае использования автоматического или полуавтоматического управления ЛА при прицеливании с отображением ЛПТП при применении методов оптимального управления, требующих математического описания расчетного промаха - конечного состояния двухступенчатой динамической системы «ЛА - Груз» в виде дифференциального уравнения), либо вычисление прогнозируемых требуемых положений цели может осуществляться на основании решения задачи внешней баллистики АСП с учетом ветра, математически примененного с прогнозируемого, в общем случае, пространственного маневра ЛА, по прогнозируемой (на время τ), в общем случае, подвижной цели. Ветер, как известно, может быть учтен также и другим путем, а именно: путем использования так называемой приведенной скорости цели.
Линия прогнозируемых требуемых пеленгов цели представляет собой геометрическое место точек прогнозируемых положений прицельной марки на прогнозируемом движении ЛА с учетов прогнозируемого положения цели, ветра и решения задачи баллистики сбрасываемого груза, определяемых на основе измеренных текущих значений фазовых координат ЛА - объекта-цели и ветра. В случае неподвижного объекта-цели и при безветрии ЛПТП совпадает с отображением, в общем случае кривой «линии разрывов». При построении ЛПТП контролируется прогнозируемый полет ЛА, что позволяет определять возможное нарушение в будущем полете условий безопасности, связанные с высотой полета ЛА ниже допустимой или попадания ЛА в область разлета и (или) рекашетирования элементов отделяемых грузов. Участки ЛПТП, где по расчетам могут быть нарушены условия безопасности, отмечаются пунктирной линией или другим цветом. Летчик, наблюдая эту информацию, может для обеспечения безопасности в будущем полете принять меры путем изменения полета ЛА в настоящий момент времени t.
Ã1Â
Ã1Ã
Ã2Â
Ã2Ã
0
k
На прицельном индикаторе, также отображаются линии границ области прицеливания с первого захода (Г1) и (Г2), строящиеся по угловым координатам φ(τ), φ(τ), φ(τ), φ(τ) аналогично ЛПТП в прогнозируемом времени τ, изменяющемся от τ=t до τ в предположении того, что ЛА на этом интервале времени будет лететь с максимальной допустимой нормальной перегрузкой вправо (Г1) и влево (Г2) (см. фиг.4).
ÖÂ
ÖÃ
ТрÂo
ТрÃo
ТрÂi
ТрÃi
Ã1Âi
Ã1Ãi
Ã2Âi
Ã2Ãi
0
k
0
xg
yg
zg
xg
yg
zg
xg
yg
zg
xg
yg
zg
Öxg
Öyg
Özg
Öxg
Öyg
Özg
Öxg
Öyg
Özg
Âxg
Âzg
ЛПТП и линии Г1, Г2 границ области прицеливания с первого захода строятся по точкам, соединяющимися, в частности прямыми линиями. Угловые координаты точек φ, φ, φ, φ, φ, φ, φ, φ, φ,, φ, , определяются на основании измеряемых в текущий момент времени t и обработанных в блоке «ОПрНИ» (и пересчитанных некоторых из них путем преобразования координат) значений векторов фазовых координат: ЛА - ; объекта-цели - ; и ветра -  фазовые координаты прогнозируемых на интервале времени τ∈[τ,τ], τ=t движения: ЛА -  и объекта-цели - , где v, v, v; w, w, w; J, J, J; J, J, J - проекции векторов соответственно воздушной, земной (путевой) скоростей, ускорения ЛА на оси нормальной системы координат; ϑ, ϕ, γ - углы тангажа, рыскания и крена ЛА; D, D, D; w, w, w; J, J, J; w, w - проекции соответственно векторов дальности, земной скорости, ускорения объекта-цели и земной скорости ветра на оси нормальной системы координат. Элементы векторов ,  фазовых координат прогнозированного движения ЛА и цели помечены нижнем индексом «p».
i
0
gÖ
i
i
gÖ
i
i
gÖ
i
i
i
i
gOC
i
gOC
i
gOC
i
i
g
g
g
Фазовые координаты  и  прогнозируемого движения соответственно ЛА и объекта-цели определяют, в частности, путем интегрирования в ускоренном масштабе времени дифференциальных уравнений движения ЛА и экстраполяции движения объекта-цели соответственно. В каждой i-ой временной точке τ, (, τ=t) прогнозируемого движения ЛА решается задачи баллистики отделяемого средства и решается задача экстраполяции (на время движения отделяемого средства) движения объекта-цели. Определяются точка попадания отделяемого средства в «плоскость рассеивания» относительно объекта-цели и вектор промаха ,представленный через проекции в нормальной прямоугольной системе координат, где: х(τ+Т(τ)), y(τ+Т(τ)), z(τ+T(τ)) - прогнозируемые на время τ и время Т(τ) полета отделяемого средства координаты объекта-цели в нормальной системе координат; x(τ), y(τ), z(τ) - координаты точки попадания отделяемого в момент времени τ от прогнозируемого ЛА средства в «плоскость рассеивания» в нормальной системе координат. Нижний индекс «g» означает принадлежность данных проекций нормальной системе координат. Ось Oy совпадает с местной вертикалью, ось Ox является горизонтальной и направлена в некотором заданном направлении, например на север, ось Oz образует правую тройку, точка О начала координат совпадает с центром массы ЛА в данный текущий момент времени t. При применении отделяемого средства по наземным и надводным объекта-целям «плоскостью рассеивания» является горизонтальная плоскость, проходящая через объект-цель; при применении отделяемого средства по воздушным объектам-целям в качестве «плоскости рассеивания» на практике принимается плоскость, проходящая через цель и перпендикулярная вектору дальности цели относительно ЛА.
i
0
0
1,g
Вычисляют вектор , τ, (, τ=t) прогнозируемой требуемой дальности объекта-цели от положения ЛА в текущий момент времени t. Вектор  определяет линейные координаты линии прогнозируемых требуемых положений цели - ЛПТП. Исходная точка ЛПТП, соответствующая временной точке τ=t, является требуемой для попадания отделяемого средства в объект-цель точкой положения объекта-цели в данный текущий момент времени t. Эта точка отображается на КАИ в виде прицельной марки - ПМ. Вычисляют угловые координаты ЛПТП , , определяющие ориентацию вектора  относительно индикаторной системы координат,  - вектор прогнозируемой требуемой дальности цели представленный через проекции на оси связанной системы координат, обозначаемой нижним индексом «1»; A - матрица перехода от нормальной к связанной системе координат,
Ã1Âi
Ã1Ãi
Ã2Âi
Ã2Ãi
Ã1Âi
Ã1Ãi
Ã2Âi
Ã2Ãi
Угловые координаты φ, φ, φ, φ,.  точек линий Г1 и Г2 границ области прицеливания с первого захода вычисляются аналогично вычислениям угловых координат точек ЛПТП, с тем лишь отличим, что угловые координаты линий Г1 и Г2 вычисляются в предположении, что ЛА на прогнозируемом времени  будет лететь с максимальной допустимой перегрузкой вправо (при вычислении угловых координат φ, φ линии Г1) и влево (при вычислении угловых координат φ, φ линии Г2).
Данная прицельная система из-за ограничения поля зрения прицельного индикатора (ПИ), на котором отображается ЛПТП и линии границ Г1 и Г2, не позволяет выполнять прицельную достатку грузов с произвольных криволинейных траекторий, так как метод "ЛПТП" требует визуального (через коллиматорный авиационный индикатор (КАИ) - в случае его применения) контакта с целью или отметкой цели (в случае применения любого другого прицельного индикатора) и линией "разрывов" - ЛПТП в течение всего процесса выведения летательного аппарата в точку прицельного отделения груза.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении возможностей для маневрирования при доставке грузов с криволинейных траекторий, не ограниченных полем зрения ПИ, как в автоматическом, так и в ручном режимах управления ЛА при прицеливании с отображением ЛПТП при применении принудительно отделяемых средств как по подвижным наземным, надводным и воздушным объектам-целям либо, автоматически сопровождаемых с помощью локационных систем ЛА, либо с известными заранее фазовыми координатами, либо с определяемыми путем счисления на основе их значений, полученных при привязке к объектам-целям (при целеуказании).
Указанный результат достигается путем введения в коммутационно-вычислительную подсистему выше описанной авиационной прицельной системы между блоками «РППИ» и «ФПИ» дополнительных блоков (см. фиг.3):
- блока 14 «АПМиМЦ» анализа нахождения точек положения ПМ и МЦ внутри или вне зоны ПИ;
- блока 15 «ППИ» переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора, а именно переноса прицельной марки, ЛПТП, метки цели, линий границ области прицеливания с первого захода и создание псевдо прицельной марки (ППМ), псевдо ЛПТП (ПЛПТП), псевдо метки цели (ПМЦ), линий псевдо границ области прицеливания с первого захода (ПГ1), (ПГ2) (см. фиг.5).
Введенные блоки «АПМиМЦ» и «ППИ» обеспечивают отображение на прицельном индикаторе псевдо прицельной марки (ППМ), исходящей из нее псевдо ЛПТП ПЛПТП) и псевдо цели (ПЦ), формируемых переносом значений их угловых координат из невидимой зоны в видимую зону ПИ путем их масштабирования. В случае, когда цель и (или) прицельная марка, а также ЛПТП находятся в видимой зоне ПИ, используется режим интерактивного прицеливания, описанный выше (используемый в видимой зоне ПИ). В случае выхода цели и (или) прицельной марки за пределы поля зрения, соответственно КАИ или ПИ применяется режим интерактивного прицеливания в невидимой зоне КАИ или ПИ с отображением псевдо метки цели (ПМЦ), псевдо прицельной марки (ППМ), псевдо ЛПТП (ПЛПТП) и линий псевдо границ (ПГ1) и (ПГ2). Дополнительное введение в случае прицеливания в не видимой зоне ПИ, а также использование в случае прицеливания в видимой зоне ПИ, линий ÏÃ1, ÏÃ2, Ã1, Ã2, исходящих из ППМ и ПМ соответственно, указывающих границы области прицеливания с предельно допустимыми перегрузками ЛА с первого захода обеспечивает летчика информацией для правильного принятия решения о прицеливании с первого захода или осуществления повторного захода на объект-цель. Отображение в виде пунктирных участков ЛПТП или псевдо ЛПТП областей прогнозируемого полета ЛА (см. фиг.4), в которых возможно нарушение условий безопасности полета, связанное с полетом в этих областях на высоте ниже допустимой, или с попаданием ЛА в область разлета или рекашетирования элементом отделяемых от ЛА средств, или с полетом в условиях сложного рельефа местности и пр. обеспечивает летчика информацией, наблюдая которую он, заблаговременно может путем управления ЛА принять меры по устранению возможного попадания ЛА в условия нарушения условий безопасности полета. Тем самым обеспечивается расширение возможностей прицеливания с произвольных маневров ЛА (не ограниченных полем зрения ПИ), однотипность действий летчика при прицеливании как в видимой, так и в не видимой зоне ПИ, информированность летчика о возможности прицеливания с первого захода, обеспечивается повышение уровня безопасности полета ЛА при прицеливании.
rÃð
Ãð
Ãð
Границы видимой зоны ПИ задаются в полярной системе координат О, ν функцией r=r(ν). На фиг.4 изображена индикация прицельной информации в видимой зоне ПИ, на фиг.5 изображена индикация прицельной информации, построенная путем переноса ее из не видимой в видимую зону ПИ.
TpÂo
TpÂ
0
TpÃo
TpÃ
0
ÖÂ
ÖÃ
Ï
Ö
Ö
Ö
Ãð
Ö
Ï
Ï
Ãð
Ï
Ï
Ãð
Ï
Ö
Ï
ÃÐ
Ö
Ö
Ö
Ö
Ï
ÃÐ
Ï
Ï
Ï
Функционирование блока «АПМиМЦ» анализа нахождения точек положения ПМ и МЦ внутри или вне зоны ПИ осуществляется в соответствии с алгоритмом, схема которого изображена на фиг.6. В блоке «АПМиМЦ» по фактическим значениям φ=φ(τ), φ=φ(τ) и φ, φ соответственно угловых координат прицельной марки (ПМ) и объекта-цели (МЦ), поступаемым соответственно с выхода блока «РПМ» и «РМЦ» вычисляют их полярные координаты соответственно ,  и , , где числа n и n выбираются в соответствии той четвертью плоскости, в которой находится рассматриваемая точка «ПМ» или «МЦ». Вычисляют расстояния Δ=r-r(ν) и Δ=r-r(ν) до границы ПИ соответственно точки «Ц» и «ПМ». Определяют, выходит ли точка «ПМ» за пределы границы ПИ, т.е. выполняется ли неравенство r≻r(ν) или нет? При выполнении этого неравенства проверяют больше ли расстояние выхода за границу ПИ точки «Ц» по сравнению с расстоянием выхода за границу ПИ точки «ПМ», т.е. выполняется ли неравенство Δ≻Δ или нет? В случае выполнения этого неравенства вычисляют масштабный коэффициент К=r(ν)/r по расстоянию r точки «Ц», дальше выходящей за границу, нежели точка «ПМ». При невыполнении неравенства Δ≻Δ вычисляется масштабный коэффициент К=r(ν)/r по расстоянию r точки «ПМ». В случае, когда обнаружено, что ПМ и МЦ не выходят за границы ИП, масштабный коэффициент К принимается равным единице.
0
Функционирование блока «ППИ» переноса прицельной информации из невидимой в видимую зону ПИ, формирования псевдо прицельной информации, а именно положения псевдо прицельной марки (ППМ), определяемой угловыми координатами , ; псевдо метки цели (ПМЦ), определяемой угловыми координатами , ; псевдо ЛПТП (ПЛПТП) (исходящей из ППМ), точки которой определяются угловыми координатами , , ; линий псевдо границ ПГ1, ПГ2 области прицеливания с первого захода, определяемых угловыми координатами , , , , , осуществляется в соответствии с алгоритмами, схема которого изображена на фиг.7. С использованием значения масштабного коэффициента К вычисляются масштабированные значения угловых координат псевдо цели - ПЦ, псевдо прицельной марки - ППМ, точек псевдо ЛПТП - ПЛПТП, точек псевдо 1-й и 2-й границ области прицеливания с первого захода, соответственно по формулам , , , , , , , . Угловые координаты псевдо прицельной марки - ППМ являются координатами псевдо ЛПТП - ППЛТП при значении i=0, соответствующем временной точке τ=t. Значения угловых координат , , , , , , , , ,  поступают в блок «ФПИ» формирования прицельной информации на ПИ».