КОРАБЕЛЬНЫЙ АРТИЛЛЕРИЙСКИЙ КОМПЛЕКС С РЕЖИМОМ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КОРПУСА КОРАБЛЯ
SHIPBOARD ARTILLERY SYSTEM WITH COMPENSATORY MODE OF DEFORMATION INFLUENCE OF SHIP BODY

Изобретение относится к области вооружений, а более конкретно к артиллерийским комплексам, входящим в состав вооружения боевых надводных кораблей.
Корабельный артиллерийский комплекс представляет собой совокупность артиллерийской установки (АУ) с боеприпасами и системы управления, включающей, в свою очередь, радиолокационную или оптико-электронную станцию (РЛС или ОЭС) с палубным постом (ПП) обнаружения/сопровождения цели и прибор управления стрельбой (ПУС), обеспечивающий выработку полных углов вертикального и горизонтального наведения (ПУВН и ПУГН) АУ на основе текущих координат и параметров движения сопровождаемой цели, параметров движения своего корабля, внешней баллистики боеприпаса, отстояний ПП от АУ и метеоусловий стрельбы. Для выполнения указанных функций ПУС корабельного арткомплекса включает построитель координат (ПК), баллистический вычислитель (БВ) и обратный преобразователь координат (ОПК).
Параметры движения своего корабля, в том числе текущие значения килевой Ψ(t) и бортовой θ(t) качки корабля, используемые в ПУС системы управления, вырабатываются корабельной инерциально-навигационной системой - центральной гироскопической системой (ЦГС), входящей в состав оборудования корабля.
Функциональная схема типового корабельного арткомплекса, являющегося аналогом предлагаемого изобретения, приведена на Фиг.1.
Обозначено:
1 - радиолокационная или оптико-электронная станция (РЛС или ОЭС); обнаружения/сопровождения цели;
2 - палубный пост РЛС или ОЭС;
3 - построитель координат (ПК), обеспечивающий пересчет сферических координат сопровождаемой цели D(t), q(t), ε(t) из нестабилизированной корабельной системы координат в стабилизированную с учетом текущих значений килевой и бортовой качки;
4 - баллистический вычислитель, обеспечивающий выработку вектора скорости сопровождаемой цели, решение задачи встречи снарядов с целью (с учетом отстояний АУ от ПП, внешней баллистики снарядов, метеоусловий стрельбы) и выработку углов наведения АУ в стабилизированной системе координат;
5 - обратный преобразователь координат (ОГЖ), обеспечивающий пересчет углов наведения АУ в полные углы ПУВН, ПУГН в нестабилизированной корабельной системе координат с учетом текущих значений килевой и бортовой качки;
6 - артиллерийская установка;
7 - центральная гироскопическая система корабля (ЦТС), обеспечивающая измерение килевой и бортовой качки корабля.
Недостатком типового корабельного арткомплекса является отсутствие в нем учета деформаций корпуса корабля на волнении моря (на качке корабля), проявляющихся в виде угловых смещений осей территориально разнесенных ПП и АУ между собой и относительно ЦГС корабля.
Вопрос измерения и учета деформаций корпуса корабля, снижающих точность артиллерийской стрельбы, обрел особую актуальность в последнее время, поскольку с созданием нового поколения корабельного артвооружения с точностными характеристиками, улучшенными за счет использования современных технических достижений в области механики, радиолокации (оптико-электроники), автоматики и вычислительной техники, а также за счет внедрения новых методов метеобаллистической подготовки стрельбы, деформации корпуса корабля становятся определяющим фактором, ограничивающим эффективность корабельной артиллерии.
В настоящее время известны методы измерения деформаций протяженных морских объектов (надводных кораблей и судов) с помощью специальных технических средств, например посредством установки на корабле нескольких оптических лазерных приемников, направленных на единый лазерно-оптический репер (патент РФ №2032144), или путем совместной обработки информации от инерциально-навигационной системы корабля и датчиков угловых скоростей, устанавливаемых в контрольных точках объекта (см. Реферат доклада А.Б. Торопова, В.А. Тупысева на конференции «Навигация и управление движением», 2005 г., г. Санкт-Петербург).
Известен также измеритель деформаций корпуса корабля (изделие ИДК), обеспечивающий при совместной работе с корабельной инерциально-навигационной системой (ЦГС) выработку и выдачу потребителю информации об углах статической и динамической деформаций корпуса корабля в месте установки входящего в состав ИДК прибора ГК.
Недостатками изделия ИДК являются существенные ограничения по условиям его эксплуатации, исключающие возможность установки его приборов на открытой палубе в непосредственной близости от ПП и АУ, необходимость выделения специальных корабельных помещений для размещения приборов ИДК, обеспечивающих климатические требования, электропитание и удобство обслуживания аппаратуры, а также большое время готовности ИДК к работе в условиях качки корабля (до 120 мин после включения), обусловленное длительностью процедуры фильтрации данных в интересах определения статической деформации корпуса.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение влияния динамических деформаций корпуса корабля на точность выработки стрельбовых данных в арткомплексе без использования специальных технических средств прямых измерений указанных деформаций путем дополнения штатного состава корабельного арткомплекса новыми функциональными устройствами и связями, обеспечивающими учет в приборе управления стрельбой арткомплекса фактических (реальных) значений килевой и бортовой качек в местах размещения палубного поста и артустановки.
Для этого в корабельном артиллерийском комплексе (арткомплексе) с режимом компенсации влияния деформаций корпуса корабля (далее «режим компенсации»), содержащем артиллерийскую установку, связанную с радиолокационной или оптико-электронной станцией (РЛС или ОЭС) слежения за целью через прибор управления стрельбой, содержащий последовательно соединенные построитель координат для пересчета текущих координат сопровождаемой цели из нестабилизированной корабельной системы координат в стабилизированную систему координат, баллистический вычислитель, вырабатывающий углы наведения артустановки по вертикали и горизонту, и обратный преобразователь координат для пересчета углов наведения артустановки из стабилизированной в нестабилизированную корабельную систему координат и использующий для пересчета текущих координат сопровождаемой цели и углов наведения артиллерийской установки сигналы килевой и бортовой качки корабля, поступающие из центральной гироскопической системы (ЦТС) корабля, на неподвижной части палубного поста РЛС (или ОЭС) и артиллерийской установки в плоскостях килевой и бортовой качки корабля устанавливаются датчики угловой скорости (ДУС) и в состав арткомплекса введены канал формирования и коммутации сигналов килевой качки и канал формирования и коммутации сигналов бортовой качки для построителя координат (ПК ПУС), канал формирования и коммутации сигналов килевой качки и канал формирования и коммутации сигналов бортовой качки для обратного преобразователя координат (ОПК ПУС), каждый из каналов формирования и коммутации сигналов килевой или бортовой качки содержит ДУС, соединенный с входом двухпозиционного двухполюсного переключателя, переводящего арткомплекс из штатного режима в режим компенсации деформаций, на другой вход переключателя поступают сигналы соответствующей качки с выхода центральной гироскопической системы корабля (ЦГС), один из выходов переключателя соединен с входом транслятора-запоминателя сигнала качки, измеряемого ЦГС, а другой выход - с интегратором угловой скорости качки, измеряемой ДУС, выходы интегратора и транслятора-запоминателя соединены с входами сумматора, выходы сумматоров каналов формирования и коммутации сигналов килевой или бортовой качки соединены с входами «соответствующей качки» построителя координат и обратного преобразователя координат прибора управления стрельбой.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании в приборе управления стрельбой арткомплекса в режиме компенсации, вместо значений килевой и бортовой качек, измеряемых корабельной ЦГС, фактических (реальных) значений килевой и бортовой качек в местах установки ПП и АУ арткомплекса, для чего штатный состав типового корабельного арткомплекса дополняется новыми функциональными устройствами и связями, обеспечивающими учет влияния динамических деформаций корпуса корабля без использования специальных технических средств их прямых измерений типа лазерных приемников и изделий ИДК.
Предпосылки для повышения точности стрельбы вытекают при этом из приведенного ниже анализа ошибок артиллерийской стрельбы, обусловленных деформациями корпуса корабля:
Деформации корпуса корабля в процессе эксплуатации можно подразделить на статическую деформацию, обусловленную, например, изменением загрузки судна за счет принятия на борт и последующего расхода топлива и боеприпасов, и динамические деформации, вызванные воздействием волнения моря при прохождении кораблем вершин и подошв волн.
Наличие статической деформации корпуса корабля приводит к систематической ошибке артиллерийской стрельбы, неизменной на протяжении длительного времени и компенсируемой предусмотренными в современных арткомплексах средствами и методами (использованием телевизионного устройства оперативного контроля согласования (ОКС) оптико-механических осей АУ и ПП, пристрелкой поправок, корректурой по воздушному или морскому реперу и др.).
Что касается динамических деформаций корпуса корабля на волнении моря, то они вызывают переменную во времени ошибку стрельбы, проявляющуюся в процессе обстрела цели в виде случайных отклонений (блуждания) центра группирования снарядов относительно цели, что не только снижает вероятность попадания в цель, но также затрудняет определение и компенсацию систематической ошибки стрельбы указанными выше средствами и методами.
В результате, с усилением волнения моря и увеличением динамических деформаций корпуса корабля эффективность стрельбы типового корабельного арткомплекса снижается, что обуславливает актуальность реализации в арткомплексе предлагаемого режима компенсации.
Функциональная схема корабельного арткомплекса с режимом компенсаций влияния деформаций корпуса корабля, обеспечивающим учет реальных перемещений ПП и АУ в плоскостях килевой и бортовой качки, приведена на Фиг.2.
Обозначено:
1 - радиолокационная или оптико-электронная станция (РЛС или ОЭС) обнаружения/сопровождения цели;
2 - палубный пост РЛС или ОЭС;
3 - построитель координат (ПК), обеспечивающий пересчет сферических координат сопровождаемой цели D(t), q(t), ε(t) из нестабилизированной корабельной системы координат в стабилизированную с учетом текущих значений килевой и бортовой качки;
4 - баллистический вычислитель, обеспечивающий выработку вектора скорости сопровождаемой цели, решение задачи встречи снарядов с целью (с учетом отстояний АУ от ПП, внешней баллистики снарядов, метеоусловий стрельбы) и выработку углов наведения АУ в стабилизированной системе координат;
5 - обратный преобразователь координат (ОПК), обеспечивающий пересчет углов наведения АУ в полные углы ГГУВН, ПУГН в нестабилизированной корабельной системе координат с учетом текущих значений килевой и бортовой качки;
6 - артиллерийская установка;
7 - центральная гироскопическая система корабля, обеспечивающая измерение килевой и бортовой качки корабля;
<mrow><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
8 - датчик угловой скорости
, установленный на основании палубного поста (поз.2) в плоскости килевой качки корабля;
9, 14, 19, 24 - двухпозиционные двухполюсные переключатели, обеспечивающие коммутацию сигналов качки при переводе арткомплекса из штатного режима в режим компенсации деформаций;
<mrow><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
10 - интегратор угловой скорости
, измеренной ДУС (поз.8);
ЦГС
0
ЦГС
0
11 - транслятор TP-ЗУ сигнала Ψ(t) килевой качки корабля, измеряемой ЦГС, с функцией запоминания значения Ψ(t) в момент t включения режима компенсации (в момент срабатывания переключателей 9, 14, 19, 24);
ДУС
0
ЦГС
12 - сумматор выходного сигнала Ψ(t) интегратора 10 с запомненным в TP-ЗУ (поз.11) значением Ψ(t);
<mrow><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
13 - датчик угловой скорости
, установленный на основании палубного поста (поз.2) в плоскости бортовой качки корабля;
<mrow><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
15 - интегратор угловой скорости
, измеренной ДУС (поз.13);
ЦГС
0
ЦГС
0
16 - транслятор TP-ЗУ сигнала θ(t) бортовой качки корабля, измеряемой ЦТС, с функцией запоминания значения θ(t) в момент t включения режима компенсации;
ДУС
0
ЦГС
17 - сумматор выходного сигнала θ(t) интегратора 15 с запомненным в TP-ЗУ (поз.16) значением θ(t);
<mrow><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
18 - датчик угловой скорости в
, установленный на основании артустановки (поз.6) в плоскости бортовой качки корабля;
<mrow><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
20 - интегратор угловой скорости
, измеренной ДУС (поз.18);
ЦГС
0
ЦГС
0
21 - транслятор TP-ЗУ сигнала θ(t) бортовой качки корабля, измеряемой ЦГС, с функцией запоминания значения θ(t) в момент t включения режима компенсации;
ДУС
0
ЦГС
22 - сумматор выходного сигнала θ(t) интегратора 20 с запомненным в TP-ЗУ (поз.21) значением θ(t);
<mrow><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
23 - датчик угловой скорости
, установленный на основании артустановки (поз.6) в плоскости килевой качки корабля;
<mrow><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
25 - интегратор угловой скорости
, измеренной ДУС (поз.23);
ЦГС
0
ЦГС
0
26 - транслятор TP-ЗУ сигнала Ψ(t) килевой качки корабля, измеряемой ЦГС, с функцией запоминания значения Ψ(t) в момент t включения режима компенсации;
ДУС
0
ЦГС
27 - сумматор выходного сигнала Ψ(t) интегратора 25 с запомненным в TP-ЗУ (поз.26) значением Ψ(t).
Как следует из сравнения функциональных схем арткомплексов, приведенных на Фиг.1 и Фиг.2, реализация режима компенсации влияния деформаций корпуса корабля обеспечивается путем внедрения в штатный состав корабельного арткомплекса ряда функциональных устройств, которые могут быть сгруппированы в четыре идентичных по составу канала, обведенных на Фиг.2 пунктирными рамками:
ПП
- канал формирования сигнала килевой качки Ψ(t) для построителя координат (поз.3), включающий устройства 8, 9, 10, 11, 12;
ПП
- канал формирования сигнала бортовой качки θ(t) для построителя координат (поз.3), включающий устройства 13, 14, 15, 16, 17;
АУ
- канал формирования сигнала бортовой качки θ(t) для обратного преобразователя координат (поз.5), включающий устройства 18, 19, 20, 21, 22;
АУ
- канал формирования сигнала килевой качки Ψ(t) для обратного преобразователя координат (поз.5), включающий устройства 23, 24, 25, 26, 27.
Следует отметить, что все функциональные устройства, входящие в состав вышеуказанных каналов, за исключением датчиков угловой скорости (ДУС поз.8, 13, 18, 23), могут быть реализованы в арткомплексе путем доработки штатных алгоритмов программного обеспечения построителя координат (поз.3) и обратного преобразователя координат (поз.5), что позволяет ограничить конструктивные (аппаратные) доработки типового корабельного арткомплекса по внедрению режима компенсации только установкой соответствующих ДУС-ов на основаниях ПП и АУ и обеспечением электрических связей между указанными ДУС-ми и прибором управления стрельбой (ПУС) арткомплекса.
Функционирование корабельного арткомплекса с режимом компенсации происходит следующим образом.
ЦГС
ЦГС
Перед включением режима компенсации, когда переключатели поз.9, 14, 19 и 24 находятся в исходном положении, в ПУС арткомплекса используются сигналы килевой и бортовой качек, вырабатываемые корабельной ЦГС. Указанные сигналы Ψ(t)  и θ(t), пройдя через нормально замкнутые контакты переключателей поз.9, 14, 19 и 24, трансляторы ТР-ЗУ (поз.11, 16, 21 и 26) и сумматоры (поз.12, 17, 22 и 27), поступают в построитель координат (поз.3) и в обратный преобразователь координат (поз.5) прибора управления стрельбой (ПУС), обеспечивая выработку данных наведения АУ (ГТУВН, ГГУГН) в полном соответствии со штатным режимом функционирования типового арткомплекса. Сигналы с выходов датчиков ДУС (поз.8, 13, 18 и 23), установленных на ПП и АУ, в данном режиме не используются.
<mrow><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
ДУС
ДУС
ЦГС
ЦГС
0
ЦГС
0
ЦГС
0
ЦГС
0
ЦГС
ДУС
ДУС
ПП
ПП
АУ
АУ
При включении режима компенсации (при срабатывании переключателей поз.9, 14, 19 и 24) сигналы ДУС (поз.8, 13, 18 и 23) через замыкающие контакты вышеуказанных переключателей подключаются к входам интеграторов (поз.10, 15, 20 и 25), обеспечивающих пересчет измеряемых угловых скоростей
и
в значения угловых величин Ψ(t) и θ(t). Одновременно, при включении режима компенсации, трансляторы ТР-ЗУ (поз.11, 16, 21 и 26) запоминают последние отсчеты килевой и бортовой качек корабля Ψ(t), θ(t), измеренные ЦГС, транслируя их «замороженные» значения Ψ(t)  и θ(t) на сумматоры (поз.12, 17, 22 и 27) на протяжении длительности всего режима компенсации. Суммируя «замороженные» значения Ψ(t)  и θ(t) с текущими значениями Ψ(t) и θ(t), поступающими с выходов интеграторов (поз.10, 15, 20 и 25), сумматоры (поз.12, 17, 22 и 27) обеспечивают формирование сигналов Ψ(t), θ(t), Ψ(t), θ(t), с привязкой их к единой корабельной вертикали, сформированной в ЦГС.
ПП
ПП
АУ
АУ
Сформированные в режиме компенсации сигналы Ψ(t), θ(t) и Ψ(t), θ(t) соответствуют фактическим значениям углов килевой и бортовой качки в местах расположения ПП и АУ с учетом динамических деформаций корпуса корабля, исключая тем самым влияние указанных деформаций на точность выработки стрельбовых данных (ПУВН, ПУГН) в арткомплексе.
Достоинствами предлагаемого корабельного артиллерийского комплекса с режимом компенсации влияния деформаций корпуса корабля являются:
- простота и экономичность реализации, не требующей использования дорогостоящих технических средств прямых измерений деформаций корпуса корабля типа изделий ИДК (сопоставимых по стоимости с ЦГС) и исключающей необходимость проведения конструктивных доработок корабля по размещению, установке, запитке и обслуживанию аппаратуры указанных технических средств;
- возможность практической реализации изобретения путем незначительной доработки штатных арткомплексов, в том числе находящихся в эксплуатации на кораблях, в части установки ДУС-ов на основаниях ГШ и АУ арткомплекса, трансляции сигналов ДУС-ов на ПУС арткомплекса и доработки программного обеспечения ПУС.
Литература
1. Реферат доклада А.Б. Торопова, В.А. Тупысева на конференции «Навигация и управление движением», 2005 г., г. Санкт-Петербург.
2. RU 2032144 C1.