КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА СОПРОВОЖДЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
COMBINED SYSTEM FOR TRACKING MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к автоматическому регулированию, предназначено для систем автоматического наблюдения и сопровождения за подвижными объектами в пространстве преимущественно с качающегося основания и может быть использовано для управления воздушным движением.
Известна телевизионно-оптическая система сопровождения со следящим стробом, содержащая телевизионную камеру, устройство обработки видеосигнала, решающее устройство, привод наведения [1] (Барсуков Ф.И. Величкин А.И., Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов. - М.: Советское радио, 1979. - 256 с., стр.232, рис.7.17, аналог).
Недостатком данной телевизионной системы является недостаточная точность сопровождения целей с подвижного основания из-за отсутствия системы стабилизации оптической линии визирования и, как следствие, наличие динамической инерционности исполнительного привода и контура электронного слежения. Эта система неспособна к автоматическому захвату объекта на автосопровождение.
Известна также телевизионно-оптическая система [2] (Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение. - 1988, стр.8, 9, рис.4, аналог), содержащая последовательно соединенные телевизионный датчик, устройство усиления и обработки сигнала, вычислительное устройство (в совокупности образующие пеленгатор) и исполнительный орган. Исполнительный орган, выполняющий функции блока наведения и стабилизации, кинематически связан с оптико-электронным (телевизионным) датчиком пеленгатора.
В известной системе переход в автоматический режим осуществляется посредством предварительного разворота пеленгатора на предназначенный для сопровождения объект таким образом, чтобы он оказался в пределах окна захвата внутри поля зрения. Однако при увеличении угловых скоростей и ускорений визирования объекта вероятность перехода в автоматический режим сопровождения падает. Это объясняется, с одной стороны, падением контраста изображения объекта, перемещающегося относительно растра (см. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение. - 1988, стр.209-212), с другой стороны, если предварительный разворот пеленгатора осуществляется в полуавтоматическом режиме с участием человека-оператора, увеличиваются ошибки сопровождения высокоскоростного объекта оператором в силу ограниченности его динамических характеристик, приводящих к недопустимым переходным процессам в оптико-электронной системе, вызывающим срыв автосопровождения [3] (Цибулевский И.Е. Человек как звено следящей системы. - М., Наука, 1981. - 288 с.)
Недостатком оптических систем сопровождения является их высокая чувствительность к метеоусловиям и оптическим помехам, таким как атмосферная дымка, туман, дымопылевые помехи, засветки от ярких источников света и т.д., что объясняется работой телекамеры в видимой области спектра.
Известен также радиолокатор сопровождения, содержащий передатчик, приемник, последовательно соединенные антенну, двигатель вращения облучателя, генератор опорных напряжений, блок выделения сигналов ошибки, устройство наведения и стабилизации [4] (Динамика следящих приводов. / Под ред. Л.В.Рабиновича. - М.: Машиностроение, 1982. - 496 с., стр.132, рис.2.26), [5] (Радиолокационные устройства. / Под ред. В.В.Григорина-Рябова. - М.: Советское радио. - 1970, стр.570, рис.21.12, аналог).
Недостатком радиолокатора является чувствительность к средствам радиоэлектронного излучения и затруднительность работы при малых углах места из-за близости подстилающей поверхности.
7
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является свободная от основных недостатков телевизионной и радиолокационной систем известная система сопровождения и наблюдения за объектами в пространстве преимущественно с подвижного основания, которая состоит из последовательно соединенных оптико-электронного пеленгатора, блока сравнения, первого коммутатора и блока фильтрации, последовательно соединенных блока памяти, второго коммутатора и сумматора, последовательно соединенных локационного пеленгатора и формирователя логики режимов, а также устройства наведения и стабилизации. Локационный и оптико-электронный пеленгаторы механически соединены между собой и имеют кинематическую связь с выходным валом устройства наведения и стабилизации. Второй выход локационного пеленгатора подключен ко второму входу второго коммутатора, третий вход которого соединен с первым выходом оптико-электронного пеленгатора. Второй выход второго коммутатора связан со входом устройства наведения и стабилизации, чей второй выход подключен ко второму входу сумматора, выходом соединенного со входом оптико-электронного пеленгатора. Выход блока фильтрации соединен со вторым входом первого коммутатора, второй выход которого подключен ко входу блока памяти. Второй выход оптико-электронного пеленгатора соединен со вторым входом формирователя логики режимов, чьи первый и второй выходы подключены соответственно к управляющим входам первого и второго коммутаторов, второй вход блока сравнения соединен со вторым выходом локационного пеленгатора [6] (Патент РФ, № 2197002, МПК G01S 13/66, 17/66, прототип).
В известной системе сопровождения обеспечивается автоматический захват на автосопровождение объекта оптико-электронным пеленгатором за счет введения величин разъюстировки между локационным и оптическим пеленгаторами и текущих динамических ошибок на следящий строб. Повышается устойчивость сопровождения объекта за счет обеспечения возможности перехода сопровождения с локационного режима в оптический и обратно. Кроме того, обеспечивается автоматизация определения величины разъюстировки между локационным и оптическим каналами.
Указанные известные системы наведения (аналог, прототип) предназначены для сопровождения наблюдаемого объекта. При использовании пеленгаторов для одновременного сопровождения наблюдаемого объекта, а также обеспечения вывода и сопровождения собственного объекта до его встречи с наблюдаемым объектом возможны срывы автосопровождения в связи с возможным переходом пеленгаторов на сопровождение иного объекта из находящихся в поле зрения пеленгаторов. Срыв автосопровождения связан с ухудшающейся помехозащищенностью пеленгаторов при выводе собственного объекта (дымопылевые помехи, яркая плазма двигателя собственного объекта, значительно превышающая по фону параметры сопровождаемого объекта).
Задачей предполагаемого технического решения является повышение точности и устойчивости сопровождения наблюдаемого объекта, обеспечение сопровождения низколетящих маневрирующих объектов, повышение помехозащищенности комбинированной системы сопровождения при выводе и последующем вводе собственного объекта в поле зрения телевизионного пеленгатора или в диаграмму направленности локационного пеленгатора для его наведения основным локационным или телевизионным пеленгатором до его встречи с сопровождаемым объектом.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что в комбинированную систему сопровождения подвижных объектов, содержащую локационный и оптико-электронный пеленгаторы, первые выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя логики режимов, обеспечивающего переход системы сопровождения в локационный и оптический режимы работы и обратно, устройство наведения и стабилизации, включающее в себя последовательно соединенные преобразователь координат из стабилизированной системы координат в нестабилизированную и привод наведения и стабилизации, выходной вал которого является выходным валом устройства наведения и стабилизации, первый сумматор, первый и второй коммутаторы, входы управления которых соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя логики режимов, а локационный и оптико-электронный пеленгаторы механически соединены между собой и установлены на общей платформе, имеющей кинематическую связь с выходным валом устройства наведения и стабилизации, дополнительно введены последовательно соединенные первый сглаживающий фильтр и устройство автоматического сопровождения, причем вход первого сглаживающего фильтра соединен со вторым выходом локационного пеленгатора, а выход устройства автоматического сопровождения - с входом устройства наведения и стабилизации, механически связанные с общей платформой с пеленгаторами гироскопический датчик угла и измеритель угловой скорости платформы, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого сумматора, выход которого подключен ко второму входу привода наведения и стабилизации, третий вход которого соединен с третьим выходом формирователя логики режимов, блок управления оптико-электронной системы, вход которого подключен ко второму выходу оптико-электронного пеленгатора, а выход - к входу гироскопического датчика угла, последовательно соединенные дополнительный локационный пеленгатор с переключаемой шириной диаграммы направленности, установленный на общей платформе с локационным и оптико-электронным пеленгаторами с возможностью автономного наведения по курсу и углу места первым управляемым приводом, и система управления дополнительным локационным пеленгатором, содержащая последовательно соединенные функциональный преобразователь и второй сумматор, а также последовательно соединенные первый блок коррекции, обеспечивающий требуемые динамические свойства системы управления дополнительного локационного пеленгатора, и первый управляемый привод, который через первую механическую передачу кинематически связан с дополнительным локационным пеленгатором, первый выход которого соединен с третьим входом формирователя логики режимов, третий и четвертый коммутаторы, управляющие входы которых подключены соответственно к четвертому и пятому выходам формирователя логики режимов, третий сумматор, блок выработки сигналов упреждения, обеспечивающий формирование и задание сигнала отворота дополнительного локационного пеленгатора от согласованного с основным локационным пеленгатором положения, блок фиксированной поправки, обеспечивающий подачу фиксированной поправки в систему управления дополнительного локационного пеленгатора, пороговый элемент и последовательно соединенные блок расчета высоты и блок расчета поправок, обеспечивающий расчет угла внеосевого сопровождения для формирования искусственной ошибки слежения, получаемой как сумма угла внеосевого сопровождения и угла наклона антенны локационного пеленгатора, причем выход блока выработки сигнала упреждения подключен к входу первого коммутатора, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, выход блока фиксированной поправки соединен со вторым входом второго коммутатора, выходом соединенного со вторыми входами второго и третьего сумматоров, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого коммутатора, выход которого подключен к входу первого блока коррекции, первый и второй входы блока расчета высоты соединены соответственно с третьим выходом локационного пеленгатора и вторым выходом привода наведения и стабилизации, а его второй выход - с входом порогового элемента, выход которого подключен к четвертому входу формирователя логики режимов, второй вход блока расчета поправок подключен к четвертому выходу локационного пеленгатора, а выход - ко второму входу третьего коммутатора, выход которого соединен со вторым входом устройства автоматического сопровождения.
Устройство автоматического сопровождения содержит последовательно соединенные первый интегратор, блок сравнения, второй интегратор, а также усиливающий элемент, входом соединенный с первым входом первого интегратора, а выходом со вторым входом блока сравнения, причем первым и вторым входами устройства автоматического сопровождения являются соответственно первый и второй входы первого интегратора, а выходом - выход второго интегратора.
Функциональный преобразователь содержит последовательно соединенные второй сглаживающий фильтр и усилитель с переменным коэффициентом усиления.
Первый блок коррекции, обеспечивающий требуемые динамические свойства системы управления дополнительного локационного пеленгатора, содержит последовательно соединенные первый и второй нелинейные элементы, пятый коммутатор, последовательно соединенные масштабный усилитель и четвертый сумматор, а также пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, при этом вход пятого коммутатора подключен к входу первого нелинейного элемента, выход второго нелинейного элемента подключен к входу управления пятого коммутатора, первый и второй выходы которого подподключены соответственно к входу масштабного усилителя и входу пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора, причем входом первого блока коррекции является вход пятого коммутатора, а выходом - выход четвертого сумматора.
Привод наведения и стабилизации содержит последовательно соединенные второй блок коррекции, обеспечивающий требуемые точность и динамические показатели качества регулирования выходной координаты привода наведения и стабилизации, шестой коммутатор, второй управляемый привод и вторую механическую передачу, второй выход которой подключен ко второму входу второго блока коррекции, при этом первым, вторым и третьим входами привода наведения и стабилизации являются соответственно первый вход второго блока коррекции, второй и управляющий входы третьего коммутатора, а выходами - выходной вал и второй выход второй механической передачи.
Параметры передаточных функций для первого и второго сглаживающего фильтра определяются спектральным составом шума и полезного сигнала локационного пеленгатора, а для устройства автоматического сопровождения - требуемыми характеристиками точности работы системы управления локационного пеленгатора.
В качестве иллюстрации на чертежах приведены: фиг.1 - функциональная схема предлагаемой системы сопровождения для одного канала управления, фиг.2 - функциональная схема устройства автоматического сопровождения, фиг.3 - частотные характеристики устройства автоматического сопровождения, фиг.4 - блок-схема функционального преобразователя, фиг.5 - функциональная схема первого блока коррекции, фиг.6 - осциллограммы работы контура дополнительного локационного пеленгатора, фиг.7 - функциональная схема привода наведения и стабилизации, фиг.8 - диаграмма направленности локационного пеленгатора, фиг.9 - иллюстрация возникновения эффекта переотражения.
С-Н
Система сопровождения состоит из локационного 1 (ЛПл) и оптико-электронного 2 (ОЭПл) пеленгаторов, установленных на общей платформе (по крайней мере их приемные устройства), формирователя логики режимов 3 (ФЛР), устройства наведения и стабилизации 4 (УНС), состоящего из последовательно соединенных преобразователя координат из стабилизированной системы координат в нестабилизированную 5 (ПК) и привода наведения и стабилизации 6 (ПНС), первого сумматора 7 (Сум 1), первого 8 (Ком 1) и второго 9 (Ком 2) коммутаторов, первого сглаживающего фильтра 10 (СФ 1) устройства автоматического сопровождения 11 (УАС), гироскопического датчика угла 12 (ГДУ), измерителя угловой скорости 13 (ИУС), блока управления оптико-электронной системы 14 (БУ), дополнительного локационного пеленгатора с переключаемым полем зрения 15 (доп. ЛПл), системы управления дополнительного локационного пеленгатора 16 (СУ), включающей в себя последовательно соединенные функциональный преобразователь 17 (ФП) и второй сумматор 18 (Сум 2), а также последовательно соединенные первый блок коррекции 19 (БК 1), первый управляемый привод 20 (УП 1) и первую механическую передачу 21 (МП 1), третьего 22 (Ком 3) и четвертого 23 (Ком 4) коммутаторов, третьего сумматора 24 (С3), блока выработки сигналов упреждения 25 (БВСУ), блока фиксированной поправки 26 (БВП), порогового элемента 27 (ПЭ), блока расчета высоты 28 (БРВ), блока расчета поправок 29 (БРП).
Устройство автоматического сопровождения содержит первый интегратор 30 (Инт 1), блок сравнения 31 (БС), второй интегратор 32 (Инт 2), усиливающий элемент 33 (УЭ).
Функциональный преобразователь содержит второй сглаживающий фильтр 34 (СФ 2) и усилитель с переменным коэффициентом усиления 35 (УПКУ).
Первый блок коррекции содержит первый 36 (НЭ 1) и второй 37 (НЭ 2) нелинейный элементы, пятый коммутатор 38 (Ком 5), масштабный усилитель 39 (МУ), четвертый сумматор 40 (С4), ПИД-регулятор 41 (ПИД).
Привод наведения и стабилизации содержит второй блок коррекции 42 (БК2), шестой коммутатор 43 (Ком 6), второй управляемый привод 44 (УП 2), вторую механическую передачу 45 (МП 2).
Все используемые составные части комбинированной системы сопровождения являются известными или могут быть получены из известных устройств путем их объединения известными методами.
Оптико-электронный пеленгатор может быть выполнен как это описано в [1] (Барсуков Ф.И., Величкин А.И., Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов. - М., Советское радио, 1979). Локационный пеленгатор может быть взят аналогичным [7] (Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоэлектронные системы самонаведения. - М., Радио и связь, 1982, стр.219, рис.6.1), можно также использовать и лазерную локационную установку. Коммутаторы могут быть реализованы на герконах, реле, электронных ключах и т.п. Блоки сравнения, фильтрации, а также сумматоры могут быть реализованы на операционных усилителях [8] (Тетельбаум И.И., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М., Энергия, 1978) или цифровых микросхемах. Формирователь логики режимов, пороговый элемент могут быть изготовлены на базе логических микросхем [9] (Павлов В.В. Управляющие устройства логического типа. - М., Энергия, 1968). Преобразователь координат из стабилизированной системы координат в нестабилизированную и из нестабилизированной системы координат в стабилизированную могут быть сделаны, как это описано в [10] (Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. - М., Наука, 1978). Устройство наведения и стабилизации может быть реализовано как в прототипе, на базе гидравлических, электрических двигателей и сервоприводов как описано в [11] (Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М., Энергоиздат, 1981). При необходимости работы при больших углах возвышения или существенных значениях амплитуды качек, когда система может потерять устойчивость в результате возникновения положительных перекрестных связей из-за несовпадения измерительной и исполнительной систем координат, УНС дополняется преобразователем координат. Например, УНС может представлять собой последовательно соединенные преобразователь координат из стабилизированной системы координат пеленгатора в нестабилизированную систему координат сервопривода и сам привод наведения и стабилизации совместно с механической передачей. Выходной вал привода наведения и стабилизации ПНС при этом является выходным валом устройства наведения и стабилизации. Блоки коррекции БК при известных требованиях к приводу наведения и стабилизации и системе сопровождения могут быть сформированы по правилам, изложенным в [12] (Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М., Наука, 1973) с реализацией аппаратной части на основе методов, приведенных в [8] (Тетельбаум И.И., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М., Энергия, 1978). ПИД-регулятор реализован в соответствии с рекомендациями, приведенными в [12], синтез параметров регулятора и примеры реализации и моделирования регулятора в составе динамической системы приведены в [13, 14] (Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с., Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLad 5.3/б.х - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.: ил.). Гироскопический датчик угла (корректируемый позиционный гироскоп) может быть реализован, как это изложено в [15] (Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М., Мир, 1982. - стр.401-407). Блок расчета высоты и блок расчета поправок могут быть реализованы в цифровом микроконтроллере на базе сигнальных процесссоров семейства ADSP 2106X, характеристики которых и рекомендации по применению приведены в [16, 17], а аналитические выражения для расчета высоты и поправок, программно реализованные в цифровом микроконтроллере, получены на основе законов движения твердого тела и приведены в описании работы системы сопровождения.
Работа комбинированной системы сопровождения происходит следующим образом. Пеленгаторы 1, 2 (ЛПл, ОЭПл) ведут слежение за объектом одновременно и выдают, сигналы пропорциональные угловому отклонению сопровождаемого объекта от линии визирования независимо один от другого. Устойчивость сопровождения объекта и возможность восстановления сопровождения в автоматическом режиме в случае перерыва оптической связи или потери объекта пеленгатором обеспечивается построением системы сопровождения подвижных объектов. Система сопровождения включает в себя локационный 1 (ЛПл) и оптико-электронный 2 (ОЭПл) пеленгаторы, механически соединенные между собой и имеющие кинематическую связь с выходным валом устройства наведения и стабилизации 4 (УНС). Пеленгаторы 1,2 последовательно соединены с первым и вторым входами формирователя логики режимов 3 (ФЛР), первый, второй третий, четвертый и пятый выходы которого подключены к управляющим входам коммутаторов 8, 9, 22, 23, 43 (Ком 1), (Ком 2), (Ком 3), (Ком 4), (Ком 6). Возможность перехода сопровождения с локационного режима в оптический и обратно обеспечивается переключением структур с помощью контактов коммутатора 43 (Ком 6). Коммутатор 43 (Ком 6) может находиться в двух состояниях - включенном или выключенном. Включен - режим управления УНС 4 от ОЭПл 2, выключен - режим управления УНС 4 от ЛПл 1.
с-н
Локационный режим сопровождения объектов обеспечивается структурой контура, включающего приемник, передатчик, антенный переключатель, синхронизатор системы сопровождения по дальности и угловым координатам и устройство наведения и стабилизации. Приемник, передатчик, антенный переключатель, синхронизатор системы сопровождения по угловым координатам в совокупности представляют собой локационный пеленгатор. Локационный пеленгатор (ЛПл) 1 определяет положение объекта относительно оси диаграммы направленности антенны. Сигналы о положении объекта после первого сглаживающего фильтра 10 (СФ1) и устройства автоматического сопровождения (УАС) 11 подаются на вход устройства наведения и стабилизации (УНС) 4 и оно осуществляет разворот локационного пеленгатора (ЛПл) 1 до тех пор, пока объект не окажется на оси диаграммы направленности. УНС 4 позволяет также компенсировать качки носителя, поступающие на вход (УНС) 4 после их суммирования с сигналом управления в преобразователе координат (ПК1) 5.
Оптический режим системы сопровождения обеспечивается структурой, содержащей последовательно соединенные телевизионный датчик, устройство усиления и обработки сигнала, вычислительное устройство в совокупности образующее оптико-электронный пеленгатор ОЭПл 2, устройство коррекции, реализованное в блоке управления оптико-электронной системы (БУ) 14, гироскопический датчик угла (ГДУ) 12, блок измерения угловой скорости (ИУС) 13, первый сумматор (С1) 7 и УНС 4. Исполнительный орган УНС 4 общий для ЛПл 1 и ОЭПл 2. С учетом того, что управляющие сигналы содержат информацию о качках носителя, исполнительный орган выполняет функции устройства наведения и стабилизации и кинематически связан с оптико-электронным датчиком пеленгатора 2.
н-с
Сопровождение подвижного объекта происходит следующим образом. Разворот пеленгаторов 1, 2 в направлении объекта осуществляется по сигналу от комплекса, в который входит комбинированная система сопровождения. Данные по целеуказанию поступают на вход БУ (14) или на вход УАС 11 локационной системы. После коррекции в БУ и УАС сигнал целеуказания поступает на вход УНС 4. УНС 4 отрабатывает сигнал целеуказания в вертикальной и горизонтальной плоскостях, совмещая изображение объекта с оптической осью визирования или диаграммой направленности ЛПл с некоторым угловым рассогласованием. После разворота пеленгаторов 1, 2 в направлении объекта с точностью, достаточной для взятия его на автосопровождение, пеленгаторы 1, 2 осуществляют его захват и начинают вырабатывать его угловые координаты относительно оптической оси оптико-электронного пеленгатора 2 или оси антенны радиолокатора 1. При наличии изображения объекта в стробируемом участке поля зрения ОЭПл 2 или в поле диаграммы направленности ЛПл 1 пеленгаторами формируется признак «Готовность», после чего контур телевизионного автомата или локационной системы отрабатывает измеренное рассогласование, совмещая центр строба с изображением объекта или центр оси локационного пеленгатора с визируемым объектом. Для того чтобы исключить из сигнала составляющую от качки и уменьшить перекрестные связи между каналами, сигнал локационного пеленгатора пересчитывают в стабилизированную систему координат преобразователем координат ПК1, например по зависимостям (1).
с
c
где δε, δβ - сигналы рассогласования в нестабилизированной системе координат; δε, δβ - сигналы рассогласования в стабилизированной системе координат; γ - угол скрутки нестабилизированной системы координат ([10], стр.138). В результате преобразования нестабилизированных координат в стабилизированную систему удается учесть качки носителя. Учет качек уменьшает рассогласование между линией визирования и осью диаграммы направленности. Здесь следует отметить, что для работы преобразователя координат необходимо измерение качек носителя, но поскольку это очевидно, соответствующие блоки и их связи с преобразователем координат специально не рассматриваются.
Сигнал рассогласования положения объекта относительно центра строба или центра диаграммы направленности с выхода пеленгатора 1, 2 поступает на корректирующее устройства БУ оптико-электронной системы 14 или после фильтрации фильтром 10 на вход корректирующего устройства 11 локационной системы, где проводятся такие операции над ним, чтобы, обеспечивая устойчивость системы, добиться требуемых параметров по точности и характеристикам переходных процессов (см. подробнее [12]).
С-Н
Поскольку диаграмма направленности луча (1-2 град) локационного пеленгатора (ЛПл) 1 существенно больше величины следящего строба (1-5 мрад) оптико-электронного пеленгатора (ОЭПл) 2 и, как правило, превышает по величине погрешность целеуказания, первоначально объект берется на автосопровождение локационным пеленгатором. Он выдает признак автосопровождения объекта в формирователь логики режимов (ФЛР) 3, который обеспечивает подключение сигнала со второго выхода ЛПл 1 после преобразования координат и фильтрации на вход устройства автоматического сопровождения. После коррекции в УАС 11 сигнал ЛПл 1 подается на вход устройства наведения и стабилизации (УНС) 4. Поступающие на вход УНС 4 стабилизированные координаты визируемого объекта для управления приводом наведения и стабилизации (ПНС) 6 преобразуются в нестабилизированные в преобразователе координат (ПК) 5. Он может быть реализован, например, с использованием зависимостей, предложенных в [10]:
Н
H
где ε, q - углы наведения УНС в нестабилизированной системе координат;
С
С
ε, β - углы наведения УНС в стабилизированной системе координат;
Q, ψ, θ - углы курса, тангажа и крена носителя соответственно.
Выходной вал ПНС (6) разворачивает пеленгаторы 1, 2 или их передающие устройства в сторону объекта таким образом, чтобы объект оказался на оси диаграммы направленности локационного пеленгатора ЛПл 1.
Однако погрешность определения координат объекта с помощью ЛПл 1 существенно выше, чем с помощью ОЭПл 2. Поэтому целесообразно перевести управление устройством наведения и стабилизации (УНС) 4 на сигнал от ОЭПл 2. Для этого необходимо обеспечить попадание изображения от объекта в часть поля зрения ОЭПл 2, соответствующую стробу. Поскольку процессу сопровождения, особенно за высокоскоростными объектами с быстродвижущегося носителя, присущи динамические ошибки, необходимо обеспечить перемещение следящего строба по полю зрения в соответствии с текущей величиной ошибки. Когда изображение объекта оказывается в стробе и сигнал от него становится отличным от фона, ОЭПл 2 выдает в ФЛР 3 информацию об этом со своего первого выхода. ФЛР 3 подключает с помощью шестого коммутатора (Ком 6) 43 вход второго управляемого привода (УП 2) 44 УНС (4) через гироскопический датчик угла (ГДУ) 12 к выходу БУ оптико-электронной системы 14. Выход локационного пеленгатора (ЛПл) 1 отключается от входа УНС 4. В этом режиме выходной вал УНС 4 стремится развернуть пеленгатор 2 так, чтобы изображение объекта оказалось в центре растра, соответствующем положению оптической оси ОЭПл 2. Точность слежения за объектом возрастает. Дополнительный эффект повышения точности определения координат достигается за счет того, что в контур оптической системы сопровождения введен гироскопический датчик угла (ГДУ) 12 и блок измерения угловых скоростей (БИС) 13.
вых
max
max
В ряде практических применений комбинированной системы возникает задача вывода и последующего сопровождения собственного объекта вплоть до его встречи с визируемым основными пеленгаторами объектом. При выводе собственного объекта на линию визирования основных пеленгаторов возможен срыв автосопровождения из-за яркого факела собственного объекта и значительных дымопылевых помех двигателя собственного объекта. Дымопылевые помехи затеняют наблюдаемый объект, а яркий факел собственного объекта представляет из себя более контрастный объект для ЛПл и ОЭПл, в связи с чем возможен переход сопровождения пеленгатором с визируемого объекта на собственный. Вывод собственного объекта осуществляется дополнительным локационным пеленгатором. Для исключения явлений перезахвата в предлагаемом техническом решении вывод собственного объекта производится под углами 4-6 град к линии визирования основных пеленгаторов (ЛПл и ОЭПл) с последующим плавным вводом собственного объекта на линию визирования основных пеленгаторов. Разворот дополнительного пеленгатора на угол 4-6 град к линии визирования сопровождаемого объекта происходит по сигналу с БВСУ (25) с помощью замкнутого по углу первого управляемого привода УП1 (20). Замыкание по угловому положению первого управляемого привода дополнительного локационного пеленгатора (15) осуществляется с помощью блока сравнения С3 (24) и коммутатора Ком 4 (23). На один из входов блока сравнения С3 (24) подается сигнал обратной связи по углу с одного из выходов первой механической передачи (21), а на другой вход С3 (24) через первый коммутатор (Ком 1) 8 - сигнал управления с БВСУ (25). Выходной сигнал с выхода С3 через контакты коммутатора (Ком 4) 23 подключается через БК1 (19) на вход первого управляемого привода (УП1) 20, при этом другими контактами Ком 4 (23) отключает сигнал дополнительного локационного пеленгатора от первого блока коррекции (19) и, соответственно, от управляемого привода (20). После входа собственного объекта в диаграмму направленности дополнительного локационного пеленгатора в упрежденной точке по сигналу с формирователя логики режимов начинается плавный ввод собственного объекта на линию визирования основных пеленгаторов (1), (2). Сигнал управления с БВСУ (25), поступающий на вход замкнутого по углу первого управляемого привода (УП1) 20 дополнительного локационного пеленгатора, начинает плавно уменьшаться по закону α=α-кt, где α - 4-6 град, t - время согласования (0,6-0,8) сек, k - коэффициент, определяемый из условия равенства нулю выходного сигнала с (БВСУ) 25 на момент окончания ввода собственного объекта. По мере согласования диаграммы направленности дополнительного локационного пеленгатора с линией визирования основных пеленгаторов (при достижении ошибки δ<10 мрад) вывод и сопровождение собственного объекта осуществляется контуром, замыкающимся по сигналу с дополнительного локационного пеленгатора, для чего ФЛР (3) с помощью контактов коммутатора Ком 4 (23) отключается обратная связь по углу с выхода первого управляемого привода (20), а также сигналы с выхода БВСУ (25) и сумматора С3 (24). Для управления первым управляемым приводом (УП1) 20 коммутатор Ком 4 (23) подключает сигнал дополнительного локационного пеленгатора к системе управления доп. ЛПл (16). Такое решение задачи вывода собственного объекта исключает влияние помех на работу основных пеленгаторов и определяет наличие дополнительного локационного пеленгатора, который осуществляет захват собственного объекта и его последующий ввод в сигнал управления основного пеленгатора. Дополнительный локационный пеленгатор устанавливается на одной платформе с основными пеленгаторами и имеет собственное автономное наведение по курсу и углу места. Необходимость захвата собственного объекта в упрежденной точке, точный последующий ввод собственного объекта на линию визирования основных пеленгаторов определяет широкий угол обзора дополнительного локационного пеленгатора. Дополнительный локационный пеленгатор может иметь несколько антенн - антенну захвата собственного объекта и ряд антенн с различными диаграммами направленностями от широкой к узкой. Переход автосопровождения на антенну с широкой диаграммы на узкую осуществляется автоматически в соответствии с величинами ошибок контура дополнительного локационного пеленгатора для вывода собственного объекта. Малым ошибкам вывода соответствует узкая диаграмма направленности и наоборот.
Комбинированная система сопровождения имеет три основных контура сопровождения:
- контур с локационным пеленгатором (ЛПл) 1;
- контур с оптико-электронным пеленгатором (ОЭПл) 2;
- контур вывода и последующего вывода собственного объекта в сигналы управления основных 1, 2, пеленгаторов.
Проблема обеспечения требуемых точностных характеристик локационного и оптического контуров связана со специфическими особенностями работы пеленгаторов 1, 2 в составе системы сопровождения.
Применение в составе системы сопровождения оптико-электронного пеленгатора 2, в котором работа чувствительного органа построена на принципе накопления сигнала, требует для обеспечения работы чувствительного элемента малого уровня динамических воздействий на следящий контур и отсутствия колебаний линии визирования, ослабляющих накопленный сигнал из-за перемещения линии визирования относительно платформы от отсчета до отсчета. Точностные характеристики и высокая плавность работы оптической системы управления обеспечена выбором структуры оптико-электронной системы управления - введением гироскопического датчика угла (ГДУ) 12 и организацией в контуре сопровождения дополнительного астатизма по управлению за счет перевода привода наведения и стабилизации (ПНС) 6 в интегрирующий режим работы с помощью коммутатора (Ком 6) 43. Введение в контур оптической системы гироскопического датчика угла 12, установленного на той же платформе, что и приемное устройство пеленгатора, позволяет измерять качки в той же системе координат, что и приемное устройство пеленгатора 2. Поскольку положение измерительных осей (ГДУ) 12 соответствует желаемому, а не фактическому положению платформы, сигнал на выходе (ГДУ) 12 представляет собой ошибку наведения и стабилизации, замеренную в нестабилизированной системе координат, и является сигналом управления для (УНС) 4.
Такое построение оптической системы дает преимущество по точности стабилизации, так как измеритель качки находится непосредственно на стабилизируемом объекте. Уменьшение ошибок стабилизации уменьшает уровень динамических воздействий и повышает плавность движения платформы (под плавностью понимается скорость изменения ошибки по углу). Дополнительное повышение точности работы системы обеспечено введением астатизма по управлению за счет перевода с помощью коммутатора (Ком 6) 43 следящего привода (ПНС) 6 в интегрирующий режим. Увеличение ошибки стабилизации за счет замыкания обратной связи привода не по абсолютной скорости качки, а по скорости двигателя, компенсируется с помощью измерителя абсолютной угловой скорости (ИУС) 13 платформы с установленными на ней пеленгаторами 1, 2.
Рекомендованное построение оптической системы управления позволяет значительно повысить точность определения координат объекта (ошибка определения координат не превышает 0.05-0. мрад) и плавность наведения оптического пеленгатора 2 и в итоге уменьшить вероятность срыва сопровождения при работе системы сопровождения в оптическом режиме.
Основная проблема обеспечения точности определения координат в локационном режиме работы системы сопровождения - это шумы блока выделения ошибок измерения координат объекта чувствительным элементом локационного пеленгатора 1. Помеха в управляющем сигнале имеет широкий спектральный состав и в большинстве случаев работы локационного пеленгатора 1 в разы превышает информационную составляющую. Наличие помех в информационном канале ставит серьезные проблемы по обеспечению точности работы локационной системы. Учитывая ограниченные линейные зоны элементов локационной системы, решить задачу простым увеличением коэффициентов усиления не представляется возможным из-за насыщения элементов и, в конечном счете, потере устойчивости системой сопровождения.
В предлагаемой локационной системе сопровождения с электроприводом антенны зеркального типа структура системы управления построена с косвенной системой стабилизации, в которой качки носителя замеряются автономным гироскопическим прибором носителя и передаются на вход локационной системы по системе функциональных связей. Задача фильтрации сигнала локационного пеленгатора для обеспечения точности работы локационной системы решается применением первого сглаживающего фильтра (СФ1) 10 высокого порядка. Использование фильтров высокого порядка для подавления шумов локационного пеленгатора широко используется в радиолокации. Последнее стало возможным в связи с появлением быстродействующих сигнальных процессоров. Аппаратная и программная реализация фильтра 2-42 порядка описана в [15] (Руководство пользователя по сигнальным процессорам семейства ADSP-2100 / Пер. с англ. О.В.Луневой: под ред. А.Д.Викторова. СПб. гос. ун-т. - СПб., 1997. - 520 с., стр.340). Цифровой фильтр с конечно-импульсной характеристикой, полученный непосредственно из уравнений дискретной свертки
X(n), Y(n) - вход и выход фильтра в момент времени n;
K
h(n) - коэффициент в момент времени n,
реализуется за счет каскадирования - последовательного включения нескольких секций с соответствующими коэффициентами. Каскадирование обеспечивает высокий порядок фильтра, при этом секции могут масштабироваться отдельно друг от друга и затем каскадироваться для получения минимального квантования коэффициентов и минимальных накапливающихся ошибок.
Качество наведения на подвижный объект (время регулирования, перерегулирование) и динамическая точность в радиолокационной системе обеспечиваются за счет устройства автоматического сопровождения (УАС) 11, функциональная схема УАС показана на фиг.2. УАС имеет в своем составе два интегратора и создает в контуре радиолокационного сопровождения астатизм второго порядка по управлению. Амплитудно-частотные характеристики УАС приведены на фиг.3. Введение астатизма второго порядка в контур сопровождения подвижного объекта обеспечивает требуемые точностные характеристики контура сопровождения радиолокационной системы. Применение шумоподавляющего фильтра (СФ1) 10 и реализация повышенного порядка астатизма по управлению с помощью (УАС) 11 обеспечивает устойчивость и требуемую точность системы сопровождения в широком диапазоне изменения постоянных времени элементов системы в процессе их функционирования.
Установка основных и дополнительного локационного пеленгатора на одной платформе определяют требования к системе управления дополнительного локационного пеленгатора. Дополнительный локационный пеленгатор должен отрабатывать отвороты (управление по углу) на 4-6 град. Для исключения влияния поворота платформы с дополнительным локационным пеленгатором на качество работы основных пеленгаторов заданные углы отворота должны отрабатываться без рывков и колебаний с перерегулированием относительно установившегося положения не более 1-2% и с заданным временем отработки. В то же время в малом (в согласованном с локационным и оптико-электронным пеленгаторами положении) необходимо обеспечить точный ввод собственного объекта на линию визирования основных пеленгаторов. Точность вывода должна быть не хуже 0,1-0,5 мрад. Высокая точность согласования и отработка углов отворота с заданным временем без перерегулирования и колебаний определяют структуру и аппаратное построение системы управления дополнительного локационного пеленгатора. Для задания углов отворота дополнительного локационного пеленгатора в систему управления введен дополнительный блок выработки сигналов упреждения БВСУ (25), обеспечивающий формирование и задание по сигналу с формирователя логики режимов (3) через первый коммутатор (8) сигналов отворота на третий блок сравнения С3 (24). Первый управляемый привод УП1 (20) в режиме отработки углов отворота замыкается по угловому положению, замеряемому с помощью датчиков угла. В качестве датчиков угла используются точные цифровые датчики с 16 разрядами для обработки текущего углового положения. Для обеспечения высокой точности в контуре дополнительного локационного пеленгатора при выводе собственного объекта организовано управление с повышенным порядком астатизма относительно управляющего воздействия. Дополнительный порядок астатизма вводится за счет первого управляемого электропривода (УП1) 20, работающего в режиме управления по скорости. Точность при малых ошибках управления и заданное время отработки управления без перерегулирования определяется введением в контур управления блока коррекции БК1 (19) в виде устройства с переключаемой структурой (УПС) - фиг.5. УПС позволяет формировать управление в двух режимах - при отработке больших и малых сигналов управления. При отработке угла отворота 4-6 град, когда ошибка регулирования большая, работает канал пропорционального управления через контакты коммутатора Ком 5 (38) и масштабный усилитель МУ (39). В малом, когда ошибка регулирования достигает величин менее 10 мрад, работает высокоточное ПИД регулирование через контакты коммутатора Ком 5 (38) и ПИД - регулятор (41). Переключение регуляторов осуществляет коммутатор Ком 5 (38), а управление коммутатором Ком 5 происходит сигналом ошибки, проходящим через нелинейные элементы НЭ1 (36) и НЭ2 (37). НЭ1 выполнен в виде блока модуля, а НЭ2 - в виде компаратора с зоной нечувствительности. Зона нечувствительности НЭ2 (37) настраивается на величину ошибки, при которой осуществляется переключение регуляторов каналов управления в большом и малом. Такое построение корректирующего устройства решает задачу обеспечения противоречивых требований обеспечения устойчивости замкнутой системы в большом при отработке отворотов в 4-6 град (отработка управления без перерегулирования) и точности регулирования при малых ошибках управления. Малые ошибки обеспечиваются за счет создания повышенного порядка астатизма применением ПИД-регулятора (41) и работой первого управляемого привода УП1 (20) в режиме отработки управления по скорости. Требуемое время регулирования 0,6-0,8 сек в системе обеспечивается за счет выбора коэффициентов УПС - интегральной (41) и пропорциональной (39) составляющей управления, а также динамикой замкнутого по скорости управляемого привода 20. Подробно выбор коэффициентов регуляторов и настройка систем регулирования с заданными параметрами переходного процесса описана в [13] (Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.). Для корректной работы системы управления дополнительного пеленгатора с целью исключения влияния нелинейности пеленгационной характеристики дополнительного пеленгатора на точность работы контура управления в системе управления использовано также специальное устройство ФП (17). ФП (17) имеет статическую характеристику, обратную статической характеристике дополнительного локационного пеленгатора. Сложение статической характеристики (ФП) (17) и пеленгационной характеристики дополнительного локационного пеленгатора обеспечивает линейную характеристику блока «ФП - дополнительный локационный пеленгатор». Из изложенного видно, что реализация первого блока коррекции БК1 (19) с переключаемой структурой позволяет при отработке больших сигналов управления отрабатывать их с заданным временем регулирования при отсутствии перерегулирования и высокой точностью отработки заданных управлений. Полученные параметры: точность регулирования статическая 0,1-0,2 мрад, динамическая ошибка - не более 0,5 мрад, перерегулирование - σ=1-2%, регулируемое время отработки - от 0,5 до 1,5 сек. На фиг.6 приведены осциллограммы работы системы управления дополнительного ЛПл при отработке сигналов отворота с позиционным управляемым приводом и согласование линии визирования дополнительного ЛПл при вводе собственного объекта в зону управления основных пеленгаторов.
Описанная выше работа локационной системы сопровождения (в том числе и при выводе собственного объекта) возможна для антенн зеркального типа при сопровождении подвижных объектов с высотой полета над поверхностью более 10-15 метров. При сопровождении подвижных объектов с высотой полета менее 10 метров резко ухудшается помехозащищенность локационной системы в связи с деформацией диаграммы направленности и наличием ложных объектов, обусловленным появлением переотраженных сигналов. Эффект появления ложного объекта за счет переотражения поясняется фиг.9.
С целью исключения явления переотражения и обеспечения сохранности диаграммы направленности при сопровождении объектов на высотах полета менее 10 метров локатор переводится из равносигнальной зоны работы (относительно оси) на работу в боковом липестке диаграммы направленности, фиг.8. Данный режим реализуется через формирование искусственной ошибки слежения, получаемой как сумма угла вне осевого сопровождения и угла наклона антенны радиолокатора в стабилизированной системе координат. Дополнительная поправка в ошибку слежения для основного локационного пеленгатора рассчитывается в соответствии с выражениями:
p
где h - высота визируемого объекта, рассчитанная в БРВ;
и
Д - дальность до визируемого объекта, измеренная локационным пеленгатором;
з
R - радиус земного шара, 8500000 м.
Высота, входящая в выражение (4), рассчитывается в зависимости от измеренной дальности до визируемого объекта и угла наклона антенны радиолокатора в соответствии с выражением:
и
где Д - дальность до визируемого объекта, измеренная локационным пеленгатором;
АП
φ - угол наклона антенны радиолакатора.
Рассчитанное по зависимости (5) значение высоты в БРВ (28) поступает на пороговый элемент (ПЭ) 27 и блок расчета поправки (БРП) 29. При сопровождении объекта с высотой полета менее 10-15 метров срабатывает пороговый элемент, подавая сигнал в (ФЛР) 3 на перевод комбинированной системы в режим сопровождения низколетящего объекта. ФЛР 3 подает управляющие сигналы на коммутаторы Ком 2 и Ком 3. Коммутатор Ком 2 обеспечивает подачу фиксированной поправки 3 мрад с блока БФП (26) в СУ 16 дополнительного пеленгатора на сумматоры С2 (18) и С3 (24), а коммутатор Ком 3 (22) подает из блока (БРП) 29 рассчитанное по зависимости (4) дополнительное значение угла для внеосевого сопровождения, который суммируется с углом антенны в стабилизированной системе координат на (УАС) 11. Суммарное значение угла поднимает антенну локационного пеленгатора, который начинает пеленговать визируемый объект не в равносигнальной зоне относительно оси антенны, а вне оси, на боковом лепестке диаграммы направленности. Учитывая инерционность интеграторов автомата сопровождения (УАС) 11, формирование искусственной ошибки на выходе УАС обеспечивает плавный перевод комбинированной системы на режим работы на боковом лепестке диаграммы направленности и плавный вывод на работу в равносигнальную зону относительно середины оси диаграммы направленности радиолокатора при изменении высоты полета объекта и соответствующем снятии поправки формирователем логики работы ФЛР (3). В динамических режимах работы системы сопровождения исключаются скачки и колебания линии визирования. Переключение режима работы на боковой лепесток обратно не влияет на устойчивость сопровождения визируемого объекта.
Таким образом, в заявленном техническом решении за счет применения дополнительного локационного пеленгатора, блока выработки сигналов упреждения, блоков расчета высоты и блока расчета поправки, для перевода работы локационной системы при сопровождении низколетящих объектов из равносигнальной зоны на боковой лепесток диаграммы направленности при использовании высокоточных локационной и телевизионной систем управления обеспечивается:
- повышение устойчивости сопровождения объектов локационным и оптико-электронным пеленгаторами;
- повышение помехозащищенности системы сопровождения, выражающееся в возможности сопровождения объектов пеленгаторами при выводе собственного объекта с исключением ложных захватов;
- повышенная точность ввода собственного объекта с регулируемым временем ввода;
- автономная работа дополнительного локационного пеленгатора и исключение влияния его работы на работу основных пеленгаторов;
- устойчивая работа дополнительного локационного пеленгатора при отработке больших (несколько градусов) и малых (единицы мрад) управлений при высокой точности подхода пеленгатора к заданному положению;
- возможность вывода и сопровождения визируемого и собственного объектов на малых высотах полета (сопровождение движущихся объектов вне оси локационного пеленгатора).
Источники информации
1. Барсуков Ф.И., Величкин А.И., Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов. - М., Советское радио, 1979. - 256 с., аналог.
2. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отд., 1988. - 224 с.
3. Цибулевский И.Е. Человек как звено следящей системы. - М., Наука, 1981. - 288 с., аналог.
4. Динамика следящих приводов / Под ред. Л.В.Рабиновича.- М.: Машиностроение, 1982. - 496 с., стр.132, рис.2.26, аналог.
5. Радиолокационные устройства / Под ред. В.В.Григорина-Рябова. - М.: Советское радио, 1970. - 680 с., стр.570, рис. 21.12 аналог.
7
6. Патент РФ №2197002, МПК G01S 13/66, 17/66, 2003 г., прототип.
7. Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоэлектронные системы самонаведения.- М., Радио и связь, 1982. - 304 с.
8. Тетельбаум И.И., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М., Энергия, 1978. - 246 с., ил.
9. Павлов В.В. Управляющие устройства логического типа. - М., Энергия, 1968.
10. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. - М., Наука, 1978. - 320 с.: ил.
11. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М., Энергоиздат, 1981. - 576 с.
12. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М., Наука, 1973. - 768 с.
13. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.
14. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLad 5.3/6.х - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.: ил.
15. Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М., Мир, 1974. - 526 с.
16. DESIGNER′S REFERENS MANUAL. - Analog Devices Inc. USA, 1996.
17. ADSP-2106X SHARC, User Manual, Second editional (7-96). - Analog Devices Inc. USA. - 1996.