ВИЗИРНО-ДАЛЬНОМЕРНОЕ УСТРОЙСТВО РУЧНОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ЦЕЛЕЙ, СОПРЯГАЕМОЕ С ПРИБОРОМ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛЬБОЙ КОРАБЕЛЬНОЙ АРТИЛЛЕРИЙСКОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ УТОЧНЕНИЯ ТЕКУЩИХ КООРДИНАТ СОПРОВОЖДАЕМОЙ В РУЧНОМ РЕЖИМЕ ЦЕЛИ
SIGHTING-DISTANCE MEASURING DEVICE OF MANUAL TARGET TRACKING, WHICH IS ADJOINED TO CONTROL INSTRUMENT THROUGH FIRING OF SHIP ARTILLERY PLANT, AND METHOD FOR SPECIFYING CURRENT COORDINATES OF MANUALLY TRACKED TARGET

Изобретение относится к области корабельной артиллерии и предназначено для использования на кораблях совместно с автоматическим прибором управления стрельбой артиллерийской установки.
Для управления стрельбой корабельных артиллерийских установок (АУ) до настоящего времени широко используются палубные визирные колонки (ВК) с механическим кольцевым прицелом, обеспечивающие дистанционное наведение АУ на сопровождаемую цель путем синхронного отслеживания приводами вертикального и горизонтального наведения АУ датчиков положения ВК по углу места и курсовому углу соответственно.
На оператора-наводчика ВК с кольцевым прицелом помимо задач визуального поиска, выбора и идентификации цели возложены функции:
- глазомерного определения дальности, курса и скорости сопровождаемой цели;
- выбор ракурсного кольца и точки визирования цели, определяющих углы упреждения АУ;
- удержания точки визирования цели на выбранном ракурсном кольце в условиях качки корабля.
С учетом указанных функций результативность стрельбы АУ при управлении от ВК существенно зависит от внешних условий и подготовки оператора.
В целях снижения влияния глазомерных операций на точность стрельбы от визирной колонки разработано «Прицельное устройство для управления огнем корабельной малокалиберной артустановки» (RU 2368859 C1), включающее палубную ВК, с установленным на ней лазерным биноклем-дальномером (ЛБД), и автоматический построитель углов упреждения АУ в процессе ручного сопровождения цели.
Однако, несмотря на инструментальное измерение дальности и автоматизацию выработки углов упреждения АУ, в указанном прицельном устройстве сохранилась зависимость точности наведения артиллерийской установки от качества ручного сопровождения цели, обусловленная синхронной связью АУ с визирной колонкой. Учитывая, что ошибки ручного сопровождения цели оператором-наводчиком возрастают в условиях качки корабля, успешное применение прицельного устройства продолжает существенно зависеть от человеческого фактора.
Устранение данного недостатка возможно только путем отказа от синхронной связи АУ с прицельным устройством с включением в контур наведения артиллерийской установки прибора управления стрельбой (ПУС) типа ПУС, используемых в корабельных радиолокационных и оптико-электронных системах автоматического управления АУ для выработки полных углов наведения по вертикали (ПУВН) и горизонту (ПУГН) артиллерийской установки с учетом качки и рыскания корабля.
Техническим результатом является устранение влияния на точность артиллерийской стрельбы ошибок ручного сопровождения цели, обусловленных физическими возможностями оператора-наводчика прицельного устройства, в особенности в реальных условиях качки и рыскания корабля, обеспечение выработки текущих координат сопровождаемой в ручном режиме цели в формате и с точностями, свойственными радиолокационным и оптико-электронным системам автоматического слежения, сопрягаемым с прибором управления стрельбой артиллерийской установки (ПУС АУ), за счет использования в визирно-дальномерном устройстве (ВДУ) предлагаемого способа уточнения текущих координат цели, сопровождаемой в ручном режиме.
Для достижения указанного результата предлагаемое визирно-дальномерное устройство содержит визирную колонку (ВК), состоящую из вращающейся части с установленным на ней датчиком положения ВК по курсовому углу (КУ) и качающейся части с установленными на ней лазерным биноклем-дальномером (ЛБД) и датчиком положения ВК по углу места (УМ). От известных в настоящее время устройств ВДУ отличается тем, что на качающейся части ВК установлена кнопка синхронизации (подачи команды на излучение лазера ЛБД), а в состав ВДУ введены электронный хронометр, фиксирующий моменты излучения лазерного дальномера ЛБД и измеряющий интервалы времени между последним и предыдущим моментом измерения дальности, и последовательно соединенные блок перевода отсчетов датчиков положения ВК по УМ и КУ в стабилизированную сферическую систему координат, селектор формирования дискретных значений стабилизированных координат УМ и КУ цели в моменты измерения дальности D до цели, преобразователь дискретных значений стабилизированных сферических координат D, УМ и КУ цели в прямоугольную стабилизированную систему координат и экстраполятор, обеспечивающий запоминание и экстраполяцию дискретных декартовых координат цели для использования их в ПУС АУ. При этом ЛБД соединен по входу с кнопкой синхронизации (подачи команды на излучение лазера ЛБД), а по выходу - с входом преобразователя дискретных значений стабилизированных сферических координат D, УМ и КУ цели в прямоугольную стабилизированную систему координат. Другие два входа преобразователя соединены с выходами селектора формирования дискретных значений УМ и КУ в моменты измерения дальности до цели, два сигнальных входа которого соединены с выходами блока перевода отсчетов датчиков положения ВК по УМ и КУ в стабилизированную сферическую систему координат, а хронирующий вход селектора соединен с кнопкой синхронизации (подачи команды на излучение лазера ЛБД), соединенной также с входом электронного хронометра. Блок перевода отсчетов датчиков положения ВК по УМ и КУ в стабилизированную сферическую систему координат соединен по входам с соответствующими датчиками ВК, а по входам сигналов бортовой, килевой качки и курса корабля - с корабельной системой гиростабилизации (СГС). Выходы преобразователя дискретных значений стабилизированных сферических координат D, УМ и КУ цели в прямоугольную стабилизированную систему координат X, Y, Н соединены с соответствующими тремя входами экстраполятора, хронирующий вход которого соединен с выходом электронного хронометра, а три выхода по сигналам экстраполированных декартовых координат цели - с входами прибора управления стрельбой ПУС АУ.
Реализованный в ВДУ способ уточнения текущих координат сопровождаемой в ручном режиме цели заключается в том, что в процессе ручного сопровождения цели в моменты точного совмещения линии визирования ВК с целью:
- измеряют дальность до цели и фиксируют соответствующий момент времени с помощью электронного хронометра;
- определяют мгновенные (дискретные) значения угла места и курсового угла цели в моменты измерения дальности;
- преобразовывают дискретные значения сферических координат цели в декартовы координаты цели в прямоугольной стабилизированной системе координат и запоминают их до следующего момента измерений;
- определяют интервал времени между последним и предыдущим моментами точного совмещения линии визирования ВК с целью;
- на основе изменения дискретных значений декартовых координат цели за интервал времени между двумя последовательными измерениями определяют составляющие скорости цели в прямоугольной стабилизированной системе координат;
- экстраполируют дискретные значения декартовых координат цели, соответствующие последнему моменту измерения;
- подают экстраполированные значения декартовых координат цели на соответствующие входы прибора управления стрельбой для использования их в качестве текущих координат сопровождаемой цели.
Как указано выше, практическое использование предлагаемого ВДУ связано с включением в контур наведения АУ прибора управления стрельбой типа ПУС, применяемого в корабельных радиолокационных и оптико-электронных системах автоматического управления артиллерийскими установками для выработки полных углов наведения (ПУВН, ПУГН) с учетом качки и рыскания корабля.
Примечание. Используемые в корабельных артсистемах ПУС представляют собой счетно-решающий прибор (вычислитель), обеспечивающий выработку полных углов наведения ПУВН, ПУГН артиллерийской установки на основе информации о текущих координатах цели, положении и параметрах движения корабля-носителя, размещении палубного поста и артиллерийской установки на корабле, метеобаллистических факторах, действующих во время стрельбы и др. В обеспечение своего функционирования ПУС использует уравнения внешней баллистики применяемых в АУ боеприпасов и сопрягается на корабле с радиолокационным или оптико-электронным средством автоматического сопровождения цели, корабельной системой гиростабилизации (СГС), корабельным ЛАГом, метеостанцией и другими обеспечивающими средствами.
Для снижения влияния человеческого фактора и обеспечения эффективного использования ПУС в составе контура наведения АУ на сопровождаемую в ручном режиме цель в ВДУ необходимо обеспечить независящую от ошибок ручного сопровождения выработку текущих координат сопровождаемой цели в требуемом для ПУС формате и с точностями, сопоставимыми с радиолокационной или оптико-электронной системой автоматического слежения.
Предлагаемое ВДУ включает в свой состав палубную визирную колонку с лазерным биноклем-дальномером, обслуживаемую оператором-наводчиком, и аппаратуру, обеспечивающую выработку и выдачу в ПУС достоверных текущих координат сопровождаемой цели в стабилизированной прямоугольной системе координат независимо от наличия ошибок ручного сопровождения.
1
2
K
Ц
K
ВК
K
ВК
K
Ц
K
Ц
K
В основу создания ВДУ положен тот факт, что в процессе ручного сопровождения цели со свойственными данному режиму ошибками, тем не менее, в эпизодические моменты времени t, t…t… цели, когда оператору-наводчику удается достаточно точно совместить изображение наблюдаемой цели с перекрестием в поле зрения лазерного бинокля-дальномера (т.е. в моменты, обеспечивающие возможность измерения дальности D(t) до цели лазерным дальномером ЛБД), отсчеты датчиков положения ВК по углу места ε(t) и курсовому углу q(t) с точностью до ширины узконаправленного луча лазерного дальномера соответствуют истинным значениям угла места ε(t) и курсового угла q(t) цели, т.е.
ВК
K
Ц
K
ВК
K
Ц
K
ε(t)=ε(t) q(t)=q(t).
Ц
K
Ц
K
Ц
K
K
Учитывая, что значения ε(t), q(t) и D(t) измеряются нерегулярно (в случайные моменты времени t) и в нестабилизированной (палубной) сферической системе координат, задача сопряжения ВДУ с ПУС сводится к преобразованию этих дискретных (точных) значений координат цели в непрерывные стабилизированные декартовы координаты цели, используемые в ПУС для выработки ПУВН, ПУГН артиллерийской установки.
На чертеже представлена структурная схема построения и взаимодействия ВДУ с прибором управления стрельбой АУ, где обозначено:
1 - лазерный бинокль-дальномер (ЛБД) на качающейся части ВК;
ВК
2 - датчик положения ВК по углу места ε(t);
ВК
3 - датчик положения ВК по курсовому углу q(t);
4 - кнопка синхронизации (подачи команды на излучение лазерного дальномера ЛБД);
ВК
ВК
5 - блок перевода отсчетов датчиков ВК по УМ и КУ (нестабилизированных координат ε(t), q(t)) в стабилизированные координаты
Ц
K
Ц
K
6 - селектор формирования дискретных значений стабилизированных сферических координат цели ε(t), β(t) из непрерывных значений координат  датчиков визирной колонки;
Ц
K
Ц
K
Ц
K
K
K
K
7 - преобразователь дискретных значений стабилизированных сферических координат ε(t), β(t) и D(t) цели в дискретные значения декартовых координат х(t), y(t), h(t) в стабилизированной прямоугольной системе координат (ось Х соответствует направлению на север, Y - направлению на восток, а Н - в зенит);
k
k-1
8 - электронный хронометр, фиксирующий моменты времени излучения лазерного дальномера ЛБД и измеряющий интервал времени Δt между последним t и предыдущим t моментами измерения дальности D(t);
K
K
K
9 - экстраполятор, обеспечивающий запоминание и преобразование дискретных значений декартовых координат х(t), y(t), h(t) сопровождаемой цели в непрерывные координаты х(t), y(t), h(t) для использования в ПУС АУ;
ПУС АУ - прибор управления стрельбой артустановки;
СГС - корабельная система гиростабилизации;
АУ - артиллерийская установка с приводами вертикального и горизонтального наведения.
Функционирование ВДУ, реализующего способ определения текущих координат сопровождаемой в ручном режиме цели, осуществляется следующим образом.
ВК
ВК
ВК
ВК
Оператор-наводчик ВК после обнаружения и идентификации цели, пользуясь биноклем ЛБД 1, сопровождает выбранную цель по углам, пытаясь совместить ее изображение с перекрестием в поле зрения бинокля. При этом с датчиков угла места и курсового угла ВК текущие координаты ε(t) и q(t) поступают на соответствующие входы блока 5 перевода отсчетов датчиков ВК по УМ и КУ (нестабилизированных координат ε(t), q(t)) в стабилизированные координаты  На другие три входа указанного блока 5 поступают значения бортовой θ(t), килевой ψ(t) качек и курса своего Qc(t) корабля соответственно.
ВК
ВК
Блок 5 с использованием приведенных ниже известных зависимостей (Л.Н.Преснухин, Л.А.Соломонов, В.Н.Четвериков, В.Ф.Шаньгин. «Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления», «Высшая школа», М., 1970) переводит нестабилизированные сферические координаты ε(t), q(t) в стабилизированные
ВК
где ε - угол места ВК в сферической нестабилизированной системе координат;
ВК
q - курсовой угол ВК в сферической нестабилизированной системе координат;
- угол места ВК в сферической стабилизированной системе координат;
- курсовой угол ВК в сферической стабилизированной системе координат;
- азимут ВК в сферической стабилизированной системе координат;
θ - угол бортовой качки;
ψ - угол килевой качки;
С
θ - курс свой корабля.
Ц
K
Ц
K
Стабилизированные сферические координаты  и  с выходов блока 5 поступают на входы временного селектора 6 формирования дискретных значений стабилизированных сферических координат цели ε(t), β(t).
Ц
K
Ц
K
Ц
K
Ц
K
Ц
K
Ц
K
K
K
K
Ц
K
Осуществляя ручное сопровождение цели по углам, оператор-наводчик ВК в моменты совпадения изображения цели с перекрестием в поле зрения бинокля ЛБД 1 кратковременно нажимает кнопку 4 синхронизации (подачи команды на излучение лазерного дальномера ЛБД). При нажатии кнопки 4 лазерный дальномер ЛБД производит разовое измерение текущей наклонной дальности D(t). Одновременно импульсная команда на излучение лазерного дальномера с кнопки 4 поступает на входы селектора 6 и на запуск электронного хронометра 8. При поступлении импульсной команды с кнопки 4 на вход селектора 6 последний вырезает из поступивших на его входы непрерывных стабилизированных координат  и  дискретные значения координат цели ε(t), β(t), поступающие далее на соответствующие входы преобразователя 7 дискретных значений стабилизированных сферических координат ε(t), β(t) и D(t) цели в дискретные значения декартовых координат х(t), y(t), h(t) в стабилизированной прямоугольной системе координат. При этом с выхода лазерного бинокля-дальномера 1 на третий вход преобразователя 7 приходит измеренное дискретное значение наклонной дальности D(t) до цели.
Ц
K
Ц
K
Ц
K
ц
K
В преобразователе 7 с использованием приведенных ниже формульных зависимостей производится перевод дискретных значений стабилизированных сферических координат  D(t) в дискретные декартовы координаты х(t), y(t) и h(t) в стабилизированной прямоугольной системе координат.
Ц
K
Ц
K
Ц
K
d(t)=D(t)·cosε(t)
Ц
K
Ц
K
Ц
K
x(t)=d(t)·sinβ(t)
Ц
K
Ц
K
Ц
K
y(t)=d(t)·cosβ(t)
Ц
K
Ц
K
Ц
K
h(t)=D(t)·sinε(t),
Ц
K
где d(t) - дальность цели горизонтальная.
K
K
K-1
Полученные дискретные декартовы координаты цели с выхода преобразователя 7 поступают на соответствующие входы экстраполятора 9, на четвертый вход которого поступает значение интервала времени Δt между последним t и предыдущим t, моментами измерения дальности до цели.
Ц
K
Ц
K
Ц
K
K
X
Y
H
Ц
Ц
Ц
В экстраполяторе 9 на основе поступивших на его входы и запомненных сигналов x(t), y(t), h(t) и Δt по приведенным ниже формульным зависимостям производятся вычисление составляющих скорости цели V, V, V и выработка непрерывных (экстраполированных) координат цели х(t), y(t), h(t), поступающих далее на соответствующие входы прибора управления стрельбой ПУС, вырабатывающего полные углы наведения АУ по вертикали (ПУВН) и горизонту (ПУГН)
K
X
K
x(t)=x(t)+ ν·(t-t)
K
Y
K
y(t)=y(t)+ν·(t-t)
K
H
K
h(t)=h(t)+ν·(t-t)
Как следует из приведенного описания визирно-дальномерного устройства, сопряженного с ПУС, точность поступающих в ПУС текущих координат сопровождаемой ВК цели и, соответственно, точность выработки в ПУС полных углов наведения АУ не зависят от ошибок ручного сопровождения цели оператором-наводчиком ВК в интервалах между моментами излучения лазерного дальномера. Необходимым условием функционирования данной ВДУ является только обеспечение оператором-наводчиком ВК в процессе сопровождения цели двух или более моментов совмещения изображения цели с перекрестием в поле зрения бинокля ЛБД для дискретных измерений дальности и истинных угловых координат подлежащей обстрелу цели.
Литература
1. RU 2368859 C1, F41G 5/20, ОАО «КБ «Аметист», 14.02.2008, «Прицельное устройство для управления огнем корабельной малокалиберной артустановки».
2. Л.Н.Преснухин, Л.А.Соломонов, В.Н.Четвериков, В.Ф.Шаньгин. «Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления», изд. «Высшая школа», М., 1970.
3. RU 2192034 C1, G05D 3/12, ГУП «КБ приборостроения», 27.10.2002. «Система сопровождения».