БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к средним по взлетной массе, малоскоростным, средневысотным беспилотным летательным аппаратам (БЛА).
К основным направлениям использования предлагаемого БЛА относятся: дистанционный мониторинг окружающей среды, разведка, целеуказание и нанесение боевых ударов. При этом, одной из важных летно-технических характеристик является продолжительность полета.
Широкий спектр применения БЛА требует от их создателей разработки большого многообразия целевых нагрузок-датчиков: видеокамер, многоспектральных приемников ИК диапазонов, многодиапазонных средств радиотехнической и радиолокационной разведок и др.
Учитывая, что грузоподъемность БЛА средней дальности (СД) и малой дальности (МД) различного назначения невелика (до 50…100 кг), возникает актуальная задача разработок целевых нагрузок в весьма ограниченных массогабаритах.
Известен БЛА средней и малой дальности характеризующийся наличием фюзеляжа, выполненного с покрытием, снижающим радиолокационную заметность, в котором размещены отсек бортового оборудования, включающий радиоэлектронную аппаратуру и отсек полезной (целевой) нагрузки - комплекс обороны, обзорную систему (см. патент РФ на полезную модель №143213, от 25.02.2014 г. МПК В64С 5/02).
Известно решение (см. патент РФ №2533779 от 11.09.2012 г. МПК G01S 7/40, D64C 39/02), в котором в имитационно-испытательных комплексах радиолокационных средств используют БЛА, содержащий, фюзеляж, крылья, оперение, двигатель, устройство посадки. В фюзеляже БЛА размещены в средней ее части навигационная система, подключенная к спутниковой навигационной системе (СНС), в носовой части - измерительная радиоэлектронная система, антенна, которая установлена в частях фюзеляжа, выполненных с радиопрозрачным покрытием.
Недостатком известных БЛА является ограниченный круг решаемых задач, т.к. использование в известных БЛА многофункциональных и многодиапазонных радиолокаторов и многоцелевых нагрузок ограничено грузоподъемностью БЛА СД и МД (до 50…100 кг), в результате чего возникает актуальная задача разработок целевых нагрузок в весьма ограниченных массогабаритных показателях. Наибольшие трудности возникают при разработке многодиапазонных бортовых радиолокаторов из-за наличия в их составе антенных систем, масса и габариты которых определяются используемым частотным диапазоном.
Выбор диапазонов радиолокаторов определяется задачами БЛА, типом лоцируемых целей, требованием экономии временных ресурсов, с целью уменьшить временной интервал обнаружения и др.
Практика показывает, что ключевым вопросом получения детальных радиолокационных изображений (РЛИ) высокого качества является необходимость компенсации приводящих к их расфокусировке фазовых искажений в радиосигнале, связанных с траекторными нестабильностями полета и вибрациями корпуса БЛА, и, как следствие, отклонением фазового центра антенны (ФЦА) от заданной траектории движения.
При оперативной работе и при необходимости повышения точности определения координат получать детальные радиолокационные изображения (РЛИ) необходимо непосредственно на борту БЛА в реальном масштабе времени без какого-либо вмешательства оператора в процесс обработки радиолокационной информации. В этом случае задача получения РЛИ резко усложняется, поскольку отсутствие точных навигационных данных приводит к:
- расфокусировке изображения,
- появлению в изображении паразитной амплитудной модуляции,
- снижению контрастности изображения,
- нестыковке фрагментов изображения,
- появлению в изображении геометрических искажений,
- отсутствию «привязки» изображения к местности.
Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, является расширение функциональных возможностей БЛА, получения детальных РЛИ, повышение разрешающей способности в режиме картографирования, точности определения координат объектов в режимах разведки и целеуказания.
01
02
B
Для реализации поставленной задачи в беспилотном летательном аппарате, содержащем фюзеляж, в котором установлены измерительное радиоэлектронное устройство, навигационную систему, подключенную к спутниковой навигационной системе, крылья, оперение, двигатель, измерительное радиоэлектронное устройство выполняют в виде малогабаритного интегрированного двухдиапазонного радиолокатора, содержащего радиочастотный модуль (РЧМ), и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), причем РЧМ включает двухдиапазонный антенный модуль, передатчики СВЧ и УВЧ диапазонов и приемозадающий модуль, при этом двухдиапазонный антенный модуль состоит из интегрированной апертуры двух антенных систем - антенной решетки СВЧ-диапазона и двухканальной антенны УВЧ диапазона, микроэлектромеханической бесплатформенной инерциальной системы (МЭМС БИНС), расположенной в непосредственной близости к фазовому центру интегрированной апертуры антенн, антенная решетка СВЧ-диапазона выполнена в виде волноводно-щелевой антенной решетки (ВЩАР) и соединена с двухосным приводом, выполненным с возможностью перемещения в двух плоскостях, двигатель двухосного привода антенны по оси азимута жестко закреплен снизу на монтажной платформе радиолокатора и представляет собой подвижную часть, а на оси наклона привода антенны по каналу угла места закреплена ВЩАР, двухканальная антенна УВЧ-диапазона размещена непосредственно на ВЩАР, антенны имеют суммарные и разностные входы и выходы, по осям разностных выходов антенных систем расположены многоканальный СВЧ-приемник и двухканальный УВЧ-приемник, а на осях суммарных входов-выходов антенных систем, представляющих собой первые входы и выходы, - циркулятор и коммутатор соответственно, при этом вторые выходы циркулятора и коммутатора соединены с вторыми входами СВЧ- и УВЧ-приемников соответственно, а вторые входы циркулятора и коммутатора с выходами передатчиков СВЧ- и УВЧ-диапазона волн, приемозадающий модуль содержит унифицированный приемник промежуточной частоты, двухдиапазонный синтезатор частот и синхросигналов управления, выходы приемозадающего модуля соединены с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ), включающей интегрированный цифровой приемник, соединенный с центральным процессором, и интегрированным программным обеспечением (ИПО), первый и второй входы унифицированного приемника промежуточной частоты соединены с суммарным и разностным выходами СВЧ-приемника, третий вход с первым из выходов синтезатора частот и синхросигналов, суммарный и разностный выходы приемника промежуточной частоты соединены с первым и вторым входами интегрированного цифрового приемника, второй и третий выходы двухдиапазонного синтезатора частот и синхросигналов управления соединены с третьим и четвертым входами СВЧ-приемника, четвертый и пятый выходы СЧС к третьему и четвертому входам УВЧ-приемника, при этом шестой и седьмой выходы СЧС, обозначенные F, соединены со вторым и третьим входами передатчика (ПРД1), восьмой и девятый выходы СЧС, обозначенные F, соединены со вторым и третьим входами передатчика (ПРД2), десятый и одиннадцатый выходы СЧС, обозначенные F и ТИ, соединены с третьим и четвертым входами ЦПРМ 14, к пятому и шестому входам интегрированного цифрового приемника подключены суммарный и разностный выходы УВЧ-приемника, причем «вход-выход» БЦВМ соединен по интерфейсу управления РЧМ с двухдиапазонным синтезатором частот и синхросигналов управления и двухосным приводом антенного модуля, при этом антенный модуль, выведен и установлен в обтекателе фюзеляжа в центре БЛА, при этом обтекатель выполнен радиопрозрачным, а приемозадающий модуль, приемники и передатчики СВЧ- и УВЧ-диапазонов, БЦВМ малогабаритного интегрированного двухдиапазонного радиолокатора, и навигационную систему, выполненную в виде бесплатформенной инерциальной навигационной системы, располагают на монтажной платформе, прикрепленной к корпусу беспилотного летательного аппарата внутри фюзеляжа.
Изобретение поясняется чертежом, где на
фиг. 1 дано изображение описываемого беспилотного летательного аппарата;
фиг. 2 представлена функциональная схема малогабаритного бортового радиоэлектронного оборудования;
на фиг. 3 показана блок-схема приемозадающего модуля, со структурой подсоединения к элементам радиолокатора;
на фиг. 4 показана двухдиапазонная антенная сборка СВЧ-антенны в виде ВЩАР и УВЧ-антенны на двухосном антенном приводе;
на фиг. 5 отображен двухосный привод антенного модуля;
на фиг. 6 показан вид радиопрозрачного обтекателя под фюзеляжем, в котором размещена интегрированная апертура антенного модуля;
на фиг. 7 приведена схема компоновки узлов интегрированного многофункционального бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО);
на фиг. 8 показано расположение элементов БРЭО на монтажной платформе внутри фюзеляжа и отсек обтекателя под фюзеляжем для антенного модуля, а) вид сбоку, б) вид сверху.
На чертеже обозначены: фюзеляж 1 беспилотного летательного аппарата, бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) 2, в центральной части под фюзеляжем обтекатель 3, крылья 4 (см. фиг. 1). БРЭО 2 содержит радиолокатор и навигационную систему, подключенную к спутниковой навигационной системе. Радиолокатор выполнен на базе малогабаритного интегрированного двухдиапазонного радиолокатора (фиг. 2), и содержит радиочастотный модуль (РЧМ) 5, включающий антенный модуль 6, состоящий из интегрированной апертуры 7, циркулятора 8, сверхвысокочастотного приемника (СВЧ-ПРМ) 9, ультравысокочастотного приемника (УВЧ-ПРМ) 10, коммутатора (КМТ) 11, микроэлектромеханической бесплатформенной инерциальной системы (МЭМС БИНС) - 12, установленной в непосредственной близости от интегрированной апертуры 7 антенного модуля 6, привода 13, приемозадающий модуль (ПЗМ) 14 с интегрированным двухдиапазонным синтезатором частот и синхросигналов управления (СЧС) 15, передатчик СВЧ (сантиметрового) диапазона радиоволн (ПРД1) 16, передатчик УВЧ (дециметрового) диапазона радиоволн (ПРД2) 17, и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) 18, в которую входят интегрированный цифровой приемник (ЦПРМ) 19, соединенный с входом-выходом с центральным процессором 20, интегрированное программное обеспечение (ИПО) 21. Навигационная система БРЭО выполнена в виде бесплатформенной инерциальной системы (БИНС) 22. ПЗМ 14 включает унифицированный приемник 23 промежуточной частоты (ПЧ-ПРМ) для СВЧ (Ku- и X) диапазонов и интегрированный двухдиапазонный синтезатор частот и синхросигналов управления 15 (см. фиг. 3). Сборка антенны СВЧ-диапазона 24 выполненной в виде волоконно-щелевой антенной решетки (ВЩАР), и антенны 25 УВЧ-диапазона показана на фиг. 4); двухосный привод 26 содержит двигатели каналов по оси угла места 27 и оси по азимуту 28 (см. фиг. 5).
Интегрированная апертура 7 антенного модуля 6 включает двухканальную волноводно-щелевую антенную решетку 24 (ВЩАР) СВЧ-диапазона, с размещенными на ней вибраторами - двухканальной антенны УВЧ-диапазона 25 и двухосным приводом 26 (фиг. 4 и фиг. 5.)
Двигатель двухосного привода 26 антенны по оси азимута 28 жестко закреплен снизу на монтажной платформе 29 радиолокатора, а на оси наклона привода 27 антенны по каналу угла места закреплена ВЩАР 24. (фиг. 6). В непосредственной близости апертур антенн 24 и 25 установлена МЭМС БИНС 12. Антенный модуль 6 выведен и установлен под обтекателем 3 фюзеляжа в центральной ее части, выполненным радиопрозрачным, (фиг. 6). Сверху на монтажной платформе 29 размещены и закреплены в корпусе фюзеляжа узлы радиолокатора: ПЗМ 14, приемники 9 и 10, передатчики СВЧ 16 и УВЧ 17 диапазонов, БЦВМ 18, а также БИНС 22.
Двухдиапазонный малогабаритный радиолокатор совместно с инерциальной системой в виде БИНС, подключенной к спутниковой навигационной системе (СНС) составляет бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) Прием отраженных зондирующих сигналов сантиметрового диапазона осуществляется с помощью ВЩАР 24 по суммарному (Σ1) и разностному по азимуту (Δа1) каналам. Для передачи принимаемого ВЩАР 24 сигнала по суммарному каналу (Σ1) выход циркулятора 8 соединен с первым входом СВЧ-ПРМ 9. Для передачи принимаемого сигнала по каналу, разностному по азимуту (Δa1), второй выход ВЩАР 24 соединен со вторым входом СВЧ-ПРМ 9.
Прием отраженных зондирующих сигналов УВЧ-диапазона осуществляется с помощью антенного устройства УВЧ-диапазона 25 по суммарному (Σ2) и разностному по азимуту (Δа2) каналам. Для передачи принимаемого антенным устройством сигнала по суммарному каналу (Σ2) выход коммутатора 11 соединен с первым входом УВЧ-ПРМ 10. Для передачи принимаемого сигнала по каналу, разностному по азимуту (Δа2), второй выход антенного устройства УВЧ-диапазона 25 соединен со вторым входом УВЧ-приемника 10.
При синтезе апертуры радиолокатора возникает необходимость компенсации искажений комбинированного изображения из-за траекторных нестабильностей, связанных с отклонением БЛА от прямолинейного движения. Траекторные нестабильности на интервале обзора могут быть определены с помощью МЭМС БИНС 12, размещенной вблизи фазового центра интегрированной апертуры 7 антенного модуля 6. Для компенсации указанных нестабильностей их оценки вносятся в поправки к сигналам радиолокатора.
МЭМС БИНС 12 интегрирована в единый комплекс с приводом антенны ВЩАР с возможностью движения по азимуту и углу места и составляет подсистему стабилизации двухосным приводом.
В основе организации описываемого интегрированного двухдиапазонного радиолокатора лежит программный способ управления режимами и параметрами радиолокатора, реализуемый ИПО 21 БЦВМ 18, - обеспечивающей работу составных частей радиолокатора с разделением во времени в каждом такте. При этом все внутренние и внешние сигналы СЧС синхронизированы единым сигналом с запрограммированным на исполнение функций цифрового автомата, управляемого от БЦВМ 18, который формирует в режиме реального времени цифровые квадратурные сигналы.
01
При работе СЧС 15 в режиме формирования сигналов СВЧ-диапазона формируется сигнал излучения F.
02
При работе СЧС 15 в режиме формирования сигналов УВЧ-диапазона формируется сигнал несущей F УВЧ-диапазона.
01
02
01
02
Г1
Г2
В
Функционирование двухдиапазонного радиолокатора выполняется следующим образом (см. фиг. 2-3). В каждом тактовом интервале (ТИ) работы радиолокатора в центральном процессоре 20 БЦВМ 18 под управлением ИПО 21 вычисляются параметры, используемые для управления в последующем такте модулями СЧС 15, интегрированным ЦПРМ 19 и приводом 13, для чего «вход-выход» БЦВМ 18 соединен по интерфейсу управления РЧМ с СЧС 15 и приводом 13, с МЭМС БИНС 12, и БИНС 22, (фиг. 2 и фиг. 3) а «вход-выход» центрального процессора 20 соединен с интегрированным ЦПРМ 19. В соответствии с заданными параметрами управления интегрированный СЧС 15 формирует сигналы несущих частот F и F. При этом выход СЧС 15, обозначенный F, соединен со вторым входом передатчика (ПРД1) 16, выход СЧС, обозначенный F, соединен со вторым входом передатчика (ПРД2) 17, выход СЧС, обозначенный F, соединен с третьим входом СВЧ-ПРМ 9, выход, обозначенный F, соединен с третьим входом УВЧ-ПРМ 10, выход, обозначенный ИЗП1, соединен с первым входом ПРД1 16, выход, обозначенный ИЗП2, соединен с первым входом ПРД2 17, выход, обозначенный ИЗО1, соединен с четвертым входом СВЧ-ПРМ 9, выход, обозначенный ИЗО2, соединен с четвертым входом УВЧ-ПРМ 10, а выходы СЧС, обозначенные F и ТИ, соединены с третьим и четвертым входами ЦПРМ 19.
Излучение зондирующих сигналов производится по суммарным Σ1 и Σ2 каналам интегрированной апертуры 7, для чего выход передатчика (ПРД1) 16 соединен с входом циркулятора 8, «вход-выход» которого соединен с суммарным каналом ВЩАР 24, а выход передатчика (ПРД2) 17 соединен с коммутатором 7, управление которым производится от СЧС 15 сигналом ИЗП2, а «вход-выход» которого соединен с суммарным каналом УВЧ-антенны 25.
Основная навигационная система БЛА реализована в виде бесплатформенного блока чувствительных элементов БИНС, назначением которого является измерение практически непрерывное (с частотой более 200 Гц) угловых скоростей и ускорений в связанной с БЛА системе координат. Данные об измеренных угловых скоростях и ускорениях поступают БЦВМ 18, где производится вычисление геометрических координат центра масс БЛА, составляющих путевой скорости и углов пространственного положения центра масс БЛА относительно нормальной земной системы координат (НЗСК). Поскольку антенный модуль 6 малогабаритного двухдиапазонного радиолокатора, удален от центра масс БЛА, а также учитывая траекторные нестабильности на интервале обзора, вызванных движениями двигателей привода 27 и 28, необходимым является приведение их в соответствие с навигационными параметрами и параметрами ориентации интегрированной апертуры 7 антенного модуля 6 (фазового центра антенн - ФЦА). Для решения указанной задачи в непосредственной близи фазового центра масс размещают малогабаритную микроэлектромеханическую бесплатформенную навигационную систему МЭМС БИНС 12, которая измеряет угловые скорости и ускорения ФЦА (либо площадки вблизи ФЦА), на которой закреплена МЭМС БИНС 12. Данные измерений МЭМС БИНС 12 также поступают в БЦВМ 18.
Для коррекции ошибок счисления координат и составляющих путевой скорости по измерениям основной БИНС 22, в БЦВМ 18 поступают данные о координатах и путевой скорости в земной системе координат с выхода приемника глобальной спутниковой инерциальной системы. На основании трех данных векторов параметров навигации и ориентации:
- вектора положения НЗСК относительно земной инерциальной системы координат;
- векторов параметров навигации и ориентации центра масс БЛА относительно НЗСК;
- вектора параметров ориентации и навигации ФЦА относительно центра масс БЛА в БЦВМ осуществляется вычисление параметров навигации и ориентации ФЦА в земной инерциальной системе координат.
Тогда пользуясь измерениями дальности, угла места и угла азимута сканируемого участка земной поверхности с помощью двухдиапазонного радиолокатора в БЦВМ 18 вычисляют координаты сканируемого участка земной поверхности. При этом по данным, получаемым от БИНС, в двухдиапазонном радиолокаторе в реальном масштабе времени осуществляется управление лучом антенны, периодом повторения зондирующих импульсов, положением зоны приема и параметрами опорных функций.
БИНС 22, комплексированная с приемником глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) (на чертеже не показано), установлена на общей монтажной платформе 29 с элементами и узлами малогабаритного двухдиапазонного радиолокатора, в которой предусмотрены посадочные места для ПЗМ 14 приемников 9 и 10 и передатчиков СВЧ диапазона 16 и УВЧ диапазона 17, БЦВМ 18, и расположены внутри фюзеляжа. Антенный модуль 6, выполненный в виде малогабаритных антенн совместно с миниатюрным МЭМС БИНС, выведен и установлен в обтекателе фюзеляжа в центре БЛА, выполненным радиопрозрачным. Таким образом, миниатюризация блоков и раздельное их расположение позволяет уменьшить массогабаритные показатели и при оперативной работе достигается повышение точности определения координат, получение детальных радиолокационных изображений непосредственно на борту БЛА в реальном масштабе времени без какого-либо вмешательства оператора в процесс обработки радиолокационной информации.
Такая архитектура обеспечивает решение всех задач многофункционального комплекса, легко адаптируясь для использования не только на БЛА, но и вообще на широком классе ЛА. Легкость адаптации заключена в модульности построения и использования стандартных интерфейсов в аппаратной и программной подсистемах.