Тренажер оператора радиопеленгационного метеорологического комплекса
SIMULATOR FOR THE OPERATOR OF RADIO DIRECTION-FINDING METEOROLOGICAL COMPLEX

Изобретение относится к области тренажеростроения и может быть использовано для подготовки оператора радиопеленгационного метеорологического комплекса (РПМК) приемам комплексного зондирования атмосферы (КЗА).
Целью изобретения является разработка тренажера оператора, обеспечивающего привитие практических навыков работы с аппаратурой РПМК без выпуска реального радиозонда.
Техническим результатом является приближение процесса работы оператора на тренажере к реальной работе на метеокомплексе, а также расширение функциональных возможностей тренажера.
В настоящее время метеорологическое обеспечение стрельбы артиллерии осуществляется с помощью радиопеленгационного метеорологического комплекса РПМК-1 [1], [2]. Метеорологическое обеспечение заключается в проведении КЗА и доведении полученного метеобюллетеня «Метеосредний» до подразделений артиллерии. В дальнейшем метеобюллетень используется для определения метеорологических условий, учитываемых при стрельбе [3, ст. 26].
Бюллетень «Метеосредний» представляет собой документ, включающий средние значения отклонений температуры и плотности воздуха от табличных значений, а также средние значения направления и скорости ветра в слоях атмосферы от земли до стандартных высот [4, с. 114-115]. Значения стандартных высот приведены в [1, л. 51]. Средним ветром на стандартной высоте называется рассчитанный ветер, усредненный в слое от земли до данной стандартной высоты. В качестве табличных значений метеопараметров приняты значения, характеризующие среднее физическое состояние атмосферы [5, с. 139-140].
КЗА проводится радиозондовым шаропилотным способом, суть которого заключается в следующем. Радиозонд, являющийся измерителем параметров атмосферы, подвязывается с помощью шнура к шаропилотной резиновой оболочке, наполненной легким газом (водородом или гелием), и выпускается в полет. Шаропилотная оболочка под действием подъемной силы поднимается вверх с вертикальной скоростью 5-6 м/с и одновременно перемещается в горизонтальном направлении в сторону ветра. При этом радиозонд излучает непрерывный сигнал, по которому метеорологическая РЛС измеряет его угловые координаты (азимут и угол места). Для измерения дальности до радиозонда передатчик метеокомплекса излучает СВЧ импульсы, которые, распространяясь в пространстве, достигают радиозонда. Радиозонд отвечает на запросные импульсы в виде короткой паузы в своем излучении, и этот ответ принимается антенной РЛС. По времени задержки ответного сигнала относительно запросного импульса аппаратура РЛС определяет дальность до радиозонда.
На корпусе радиозонда закреплен термистор, с помощью которого измеряется температура воздуха и преобразуется в электрическое напряжение. Это напряжение зашифровывается в сигнал радиозонда и передается в пространство. РЛС метеокомплекса выделяет температуру из сигнала радиозонда и, используя координатную информацию, рассчитывает метеорологический бюллетень «Метеосредний».
Организация и проведение КЗА является сложным процессом, требующим высокой квалификации оператора метеокомплекса. После окончания зондирования оператор должен успеть за ограниченное время подготовить аппаратуру к очередному зондированию, не допуская ошибок при вводе данных.
Срыв КЗА приводит к срыву метеорологического обеспечения и, как следствие, - к снижению эффективности стрельбы артиллерии. Поэтому оператор метеокомплекса должен иметь твердые практические навыки работы с аппаратурой метеокомплекса.
Привитие оператору практических навыков по работе с аппаратурой метеокомплекса целесообразно производить с помощью тренажера, способного имитировать элементы боевой работы на метеокомплексе, максимально приближенные к реальной работе.
Известен артиллерийский метеокомплекс, обеспечивающий зондирование атмосферы [6, с. 132-140]. Он содержит радиолокационную станцию, пункт управления и обработки результатов измерения метеопараметров, радиозонды. Тренировка оператора производится при проведении реального зондирования на данном метеокомплексе, при этом оператор получает необходимый опыт проведения КЗА, однако, каждый выпуск радиозонда связан со значительными материальными и трудовыми затратами. Кроме того, радиозонд в процессе зондирования занимает воздушное пространство, что требует отдельного согласования. Поэтому обучение оператора занимает значительное время и связано с организационными сложностями, что является недостатком данного способа.
Известен имитатор сигнала радиозонда (ИСРЗ) [7, л. 86], входящий в состав метеокомплекса 1Б77, позволяющий проводить обучение и тренировки расчета комплекса без реального выпуска радиозонда. Методика проведения тренировок расчета с использованием ИСРЗ изложен в [8, л. 125-126]. Недостатком данного имитатора является существенные отличия от реальной работы на метеокомплексе. Эти отличия заключаются в следующем:
1). Положение некоторых органов управления в режиме тренажера не соответствует их положению при реальной работе. Так, при обучении на тренажере тумблер «АНТ ЭА» устанавливается в положение «ЭА», в то время как при реальной работе он должен быть положение «АНТ»; так же вместо наведения антенны на радиозонд антенна наводится на произвольное направление. Данные несоответствия приводят к неправильному запоминанию оператором элементов боевой работы.
2). На экране индикатора в сигнале радиозонда отсутствует ответная пауза, что не позволяет отработать порядок захвата радиозонда на автосопровождение по дальности.
3). Отсутствует сигнал ошибки по азимуту и углу места, что не позволяет отработать порядок захвата радиозонда на автосопровождение по угловым координатам при нахождении его на точке выпуска.
4). Значения угловых координат и текущей температуры воздуха в ходе полета сами не изменяются, что не позволяет получить навык контроля хода температуры и ветра с высотой.
Указанные отличия работы с имитатором от реальной работы снижают эффективность обучения оператора.
Известен тренажер, реализованный в радиопеленгационном метеорологическом комплексе РПМК-1 в виде программного обеспечения (ПО) «Тренажер 05» [9, л. 80], позволяющий проводить тренировки расчета комплекса без реального выпуска радиозонда.
Недостатками данного тренажера являются:
1). Вместо реальных органов управления используются управляющие клавиши ЭВМ (на клавиатуре), что не позволяет прививать навыки работы с реальной аппаратурой.
2). При имитации полета радиозонда возможно лишь ограниченное число (девять) имитационных траекторий полета радиозонда, выбираемые оператором. Каждая из этих траекторий определяет профиль ветра (распределение ветра по высоте). Возможность сформировать новую траекторию в данном ПО отсутствует, что не позволяет проводить имитации полета радиозонда при различных состояниях атмосферы.
3). Операции, требующие реального управления аппаратурой изделия (наведение антенны на ориентир или на зонд, захват ответной паузы в сигнале зонда по дальности и т.п.) проводятся условно, считая, что эти операции уже выполнены, что не позволяет прививать навыки реальной работы.
Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) принят тренажер из состава радиопеленгационного метеорологического комплекса РПМК-1 [9, л. 82]. Данный тренажер позволяет проводить тренировку оператора в режиме «Полет на земле» без реального выпуска радиозонда. Структурная схема тренажера представлена на фиг. 1.
Тренажер (прототип) включает в себя:
панели управления БЩ6.01, БЩ6.02, с помощью которых оператор управляет работой аппаратуры;
видеомонитор и контрольный индикатор, с помощью которых оператор контролирует ввод данных и получает визуальную информацию о процессе зондирования;
блок БЩ6.4, с помощью которого оператор включает ИСРЗ;
передающую и приемную системы с генератором опорных напряжений (ГОН);
систему управления антенной;
антенну с эквивалентом антенны и переключателем «Антенна-Эквивалент»;
имитатор сигнала радиозонда (ИСРЗ);
электронно-вычислительная машина (ЭВМ).
Панели управления БЩ6.01, БЩ6.02 представляют собой пульты с органами управления радиолокатором, алфавитно-цифровой клавиатурой и манипулятором типа «Мышь». Контрольный индикатор представляют собой блок с электронно-лучевым индикатором, на который выводится аналоговая информация (сигнал радиозонда с ответной паузой, метеосигнал и др.
Видеомонитор представляет собой ЖК экран, на который выводится цифровая и графическая информация (координаты радиозонда, измеренная температура воздуха, угловое положение антенны и др.).
ЭВМ производит расчет метеобюллетеня по первичным данным о ветре и температуре.
Принцип действия тренажера заключается в следующем [9, л. 82].
При подаче питания на аппаратуру метеокомплекса и включении с блока БЩ6.4 имитатора сигнала радиозонда (ИСРЗ) последний формирует сигнал, аналогичный сигналу реального радиозонда, который выводится на контрольный (осциллографический) индикатор БЩ5.2. В этом сигнале также заложен сигнал о температуре воздуха, которую можно изменять регулировками «МЕТЕО ПЛАВНО», «ГРУБО» и «ТОЧНО» на блоке БЩ6.4. Включение передающей системы производится с панели БЩ6.01, при этом формируется СВЧ сигнал, который поступает на переключатель «АНТ-ЭА». В режиме тренажера тумблер «АНТ-ЭА» на панели БЩ6.01 устанавливают в положение «ЭА» (эквивалент антенны), при этом СВЧ сигнал передатчика поступает не в антенну, а поглощается нагрузкой (это делается для защиты обучаемых в классе от излучения). Это является отличием от реальной работы, поскольку при реальной работе тумблер «АНТ-ЭА» устанавливается в положение «АНТ» (в противном случае СВЧ сигнал не будет излучаться в пространство). Ввод коэффициентов радиозонда и термистора производится оператором с клавиатуры (панели БЩ6.02), при этом ЭВМ рассчитывает температуру в соответствии с введенными коэффициентами и положениями регулировок «МЕТЕО ПЛАВНО», «ГРУБО» и «ТОЧНО» на блоке БЩ6.4. Рассчитанная температура выдается на экран видеомонитора.
Имитация выпуска радиозонда в полет производится с панели БЩ6.01 нажатием клавиши «ПУСК» и одновременным включением тумблера «ИМИТАЦИЯ ПОЛЕТА». По этой команде ЭВМ формирует увеличение дальности, в результате чего имитируется полет радиозонда.
При работе с тренажером система управления антенной (СУА), которая с помощью электропривода изменяет положение антенны, находится в ручном режиме, поэтому антенна неподвижна и направление полета не изменяется, следовательно, расчетный ветер имеет постоянное направление. Это является существенным отличием от реальных условий, поскольку не отражает реальное распределение ветра в атмосфере.
Рассчитанные ЭВМ метеопараметры, в том числе метеобюллетень, выводятся на видеомонитор.
В процессе имитации полета радиозонда имеют место следующие отличия от реального зондирования:
тумблер «ГОН» не включается. Данный тумблер управляет работой генератора опорных напряжений (ГОН), обеспечивающего формирование сигнала ошибки по угловым координатам радиозонда. Поскольку в режиме тренажера реальный радиозонд отсутствует, то включать ГОН нет необходимости;
захват зонда по угловым координатам и дальности на автоматическое сопровождение не производится (по той же причине - отсутствие реального радиозонда). Система управления антенной и дальномер в автоматический режим не переводятся (данные системы при работе с тренажером находятся в ручном режиме);
на экране индикатора в сигнале радиозонда отсутствует ответная пауза, по которой определяется дальность до радиозонда;
значения угловых координат в ходе полета сами не изменяются. Допускается изменять их в очень небольших пределах с помощью органов управления;
значение текущей температуры самостоятельно не изменяются. Допускается изменять их регулировками «МЕТЕО ПЛАВНО» «ГРУБО» и «ТОЧНО» в допустимых пределах.
Таким образом, штатный тренажер метеокомплекса РПМК-1 позволяет проводить тренировку оператора без реального выпуска радиозонда, однако обладает недостатками:
1). Положение некоторых органов управления в режиме тренажера не соответствует их положению при реальной работе. Так, в режиме тренажера тумблер «АНТ-ЭА» устанавливает в положение «ЭА», тумблер «ГОН» не включается, система управления антенной и дальномер находятся в ручном режиме. В то же время при реальной работе указанные тумблеры должны быть включены, а системы - находиться в автоматическом режиме. В противном случае невозможно автосопровождение радиозонда при его выпуске по угловым координатам и дальности. Данное несоответствие приводит к неправильному запоминанию оператором элементов боевой работы.
2). На экране индикатора в сигнале радиозонда отсутствует ответная пауза, что не позволяет отработать порядок захвата радиозонда на автосопровождение по дальности.
3). Отсутствует сигнал ошибки по азимуту и углу места, что не позволяет отработать порядок захвата радиозонда на автосопровождение по угловым координатам при нахождении его на точке выпуска.
4). Значения угловых координат и текущей температуры воздуха в ходе полета сами не изменяются, что не позволяет получить навык контроля хода температуры и ветра с высотой.
5) Отсутствует возможность изменения знака вертикальной скорости радиозонда, имитирующего его падение после разрыва оболочки, что не позволяет оператору уяснить соответствующие признаки и получить навык принятия решения об окончании зондирования.
Таким образом, штатный тренажер не предусматривает выполнение некоторых важных операций, требующих реального управления аппаратурой изделия (захват ответной паузы зонда на автосопровождение по дальности, захват зонда на автосопровождение по угловым координатам и т.п.), что значительно снижает его возможности по обучению оператора.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка тренажера оператора радиопеленгационного метеорологического комплекса РПМК-1, свободного от недостатков прототипа, что обеспечит эффективное обучение оператора, способного безошибочно проводить КЗА.
Технический результат достигается тем, что в известный тренажер, включающий панели управления БЩ6.01, БЩ6.02, видеомонитор, контрольный индикатор БЩ5.2, блок БЩ6.4, передающую и приемную системы с генератором опорных напряжений, систему управления антенной, антенну с эквивалентом антенны и переключателем «Антенна-Эквивалент», имитатор сигнала радиозонда (ИСРЗ) и ЭВМ, дополнительно введены: блок исходных данных инструктора и контроллер тренажера, управляющий режимами работы тренажера (фиг. 2). Также в ЭВМ введена программа расчета траектории полета радиозонда на основании данных о ветре, вводимых в блок исходных данных инструктора. За счет введения данной программы возможно моделирование множества траектории полета радиозонда, соответствующих реальным профилям ветра.
Блок исходных данных инструктора представляет собой алфавитно-цифровую клавиатуру, с помощью которой в ЭВМ вводится следующая информация:
данные о ветре (направление и скорость наземного ветра, а также распределения величин направления и скорости ветра по высотам);
координаты пункта зондирования (дальности и азимута);
наземная температура воздуха;
максимальная высота зондирования.
Контроллер тренажера содержит:
формирователь сигнала ошибки по угловым координатам;
формирователь ответной паузы радиозонда;
формирователь температурного сигнала;
контроллер переключателя «Антенна-Эквивалент»;
контроллер ошибок оператора.
Предлагаемый тренажер работает следующим образом.
После включения аппаратуры по программе, заложенной в ЭВМ, производится переход аппаратуры метеокомплекса в режим «Ожидание» [9, п. 3.1.2.3].
Включение тренажера производится при включении ИСРЗ тумблером, расположенным на блоке БЩ6.4. При этом ИСРЗ формирует сигнал, аналогичный сигналу реального зонда, который наблюдается на контрольном (осциллографическом) индикаторе БЩ5.2. Одновременно контроллер переключателя «АНТ-ЭА» (из состава контроллер тренажера) подключает выход передающей системы к поглощающей нагрузке (эквиваленту) независимо от положения тумблера «АНТ-ЭА» на панели БЩ6.01. Это необходимо для защиты от облучения обучаемых и инструктора.
На панели БЩ6.02 размещена клавиатура, с которой оператор при работе на тренажере вводит начальные данные согласно [9, п. 3.5.1-3.5.2]. Правильность ввода оператор контролирует по видеомонитору. Введенные данные сохраняются в памяти ЭВМ.
Формирователь сигнала ошибки (СО) по угловым координатам формирует гармоническое напряжение, амплитуда которого имитирует величину углового отклонения оси антенны от направления на радиозонд, а фаза - угловое направление данного отклонения. Напряжение СО формируется по команде из ЭВМ на основании азимута, вводимого в блок исходных данных инструктора «Координаты пункта зондирования» при включении тумблера «ГОН» на панели БЩ6.01. Напряжение СО подается в систему управления антенной и используется для изменения положения антенны (с помощью электропривода).
Формирователь ответной паузы формирует паузу в сигнале радиозонда, временная задержка которой относительно запросного импульса соответствует дальности до радиозонда, причем, эта дальность изменяется в соответствии с формируемыми значениями направления и скорости ветра на узловых высотах. Начальное положение ответной паузы соответствует дальности, вводимой в блок исходных данных инструктора «Координаты пункта зондирования». Сигнал, соответствующий положению ответной паузы, подается на контрольный индикатор БЩ5.2, наблюдается на его экране и используется для захвата на автосопровождение по дальности.
Формирователь температурного сигнала формирует импульсный сигнал, в который зашифрована информация о температуре воздуха. Начальное значение температуры соответствует наземной температуре, введенной в блок исходных данных инструктора. В дальнейшем производится уменьшение температуры с увеличением высоты в соответствии с табличным градиентом температуры, равным минус 0,006328° на метр высоты [5, с. 140]. Температурный сигнал подается в ЭВМ и используется для расчета метеобюллетеня.
Контроллер переключателя «Антенна-Эквивалент» подключает выход передающей системы к поглощающей нагрузке (эквиваленту) независимо от положения тумблера «АНТ-ЭА» на панели БЩ6.01.
Контроллер ошибок оператора фиксирует ошибочные действия оператора. На данный контроллер поступает информация о введенных параметрах с клавиатуры, а также о положении органов управления. Контроллер ошибок оператора формирует код ошибки, если к моменту начала зондирования положение органов управления не соответствует [9, п. 3.6.1]. Также контроллер ошибок оператора формирует код ошибки, если оператор допустил ошибку при вводе коэффициентов радиозонда и термистора. Данные коды ошибок передаются в ЭВМ, где преобразуются в диагностические сообщения и высвечиваются на видеомониторе. Диагностические сообщения об ошибках используются для оценки действий оператора.
Имитация выпуска радиозонда в полет производится ЭВМ при нажатии на панели БЩ6.01 клавиши «ПУСК» и одновременном включении тумблера «ИМИТАЦИЯ ПОЛЕТА». При этом ЭВМ выдает в формирователь ответной паузы команду на увеличение дальности, а в формирователь СО по угловым координатам команду на изменение сигнала ошибки по азимуту и углу места. В результате имитируется полет радиозонда и в ЭВМ происходит формирование траектории радиозонда. Изменение дальности радиозонда и угловых координат производится по специально разработанной программе, записанной память ЭВМ.
Формирование программой ЭВМ траектории радиозонда проводится методом кусочно-линейной аппроксимации, сущность которого заключается в замене реальной гладкой траектории короткими отрезками прямых, длина которых должна быть настолько мала, чтобы можно было пренебречь погрешностью такой замены. Из блока исходных данных инструктора в ЭВМ вводятся данных о ветре - значения направления и скорости ветра на т.н. узловых высотах. Узловые высоты - введенный нами термин, означает высоты, которые делят слои, заключенные между стандартными высотами, на более мелкие слои. От количества узловых высот зависит степень «гладкости» формируемой траектории полета радиозонда
Исходными данными для формирования траектории полета радиозонда (которые вводит инструктор) являются:
h
вертикальная скорость подъема радиозонда (V) - принимается постоянной в течение данного полета;
распределение направления и скорости ветра по высоте, задаваемое в виде значений направлений и скоростей ветра на узловых высотах.
На интервалах высот между узловыми высотами принято линейное распределение направления и скорости ветра:
1
0
1
0
где α(H), V(H) - направление и скорость ветра на высоте H; Кα, Кα, Кν, Кν - линейные и аддитивные коэффициенты, определяющие ход зависимости между узловыми высотами.
Линейные и аддитивные коэффициенты, определяются по формулам линейной интерполяции:
i
i-1
i
i-1
i
i-1
где α, α, V, V - направление и скорость ветра на текущей и предыдущей узловых высотах, задаваемые инструктором; H, H - текущая и предыдущая узловые высоты; i - номер узловой высоты.
Горизонтальные проекции вектора скорости радиозонда определяются соотношениями:
i-1
Текущие прямоугольные координаты радиозонда на требуемой высоте рассчитываются суммированием координат на предыдущей узловой высоте H с приращением координат на текущей высоте:
где Δх, Δу - приращение прямоугольных координат зонда.
i-1
Приращение прямоугольных координат зонда на требуемой высоте рассчитывается интегрированием по времени функции скорости (7), (8) на интервале времени, в котором нижней границей является момент времени, соответствующий предыдущей узловой высоте H, а верхней границей - момент времени, соответствующий текущей высоте:
Вследствие того, что проекции вектора скорости (9), (10) являются функциями высоты, а в выражениях (11), (12) производится интегрирование по времени, то для соответствующего перехода от высоты ко времени (учитывая допущение о постоянстве вертикальной скорости в течение всего полета) используется соотношение:
h
где V - вертикальная скорость радиозонда; t - время.
Подставляя выражения (9), (10) в (11), (12) и учитывая (1), (2), (13), получаем:
Интегрируя данные выражения, после соответствующих преобразований и введения обозначений выражений, окончательно получаем выражения для приращения прямоугольных координат зонда на текущей высоте:
где
Таким образом, с помощью формул (9), (10), а также (16), (17) моделируются текущие прямоугольные координаты радиозонда, т.е. траектория его полета. Моделирование траектории полета происходит до максимальной высоты зондирования, введенной инструктором в блоке исходных данных. При достижении моделируемым зондом максимальной высоты зондирования ЭВМ формирует отрицательную вертикальную скорость радиозонда и уменьшение высоты радиозонда, т.е. его падение, по наблюдению которого оператор принимает решение о завершении зондирования и нажимает на панели БЩ6.01 клавишу «СТОП» и на экране монитора кнопку «Вывод» [9, п. 3.8.1]. При этом прекращается формирование ЭВМ траектории полета радиозонда.
По сформированной траектории полета радиозонда ЭВМ рассчитывает метеобюллетень, который выводится на видеомонитор.
Возможность ввода в блок исходных данных инструктора любых значений ветровых характеристик на узловых высотах позволяет имитировать траектории радиозонда и, соответственно, ветровые профили, близкие к реальным, что приближает работу на тренажере к реальным условиям.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность обучения операторов за счет приближения процесса работы на тренажере к условиям реальной работе на метеокомплексе, а также расширения функциональных возможностей тренажера.
Источники информации
1. Изделие 1Б44. Техническое описание. Часть 1. БЕ1 400063 ТО. 2006 г. 216 л.
2. Рудианов Г.В., Осипов Ю.Г., Саенко А.Г., Дядюра А.В. Устройство и эксплуатация радиопеленгационного метеорологического комплекса РПМК-1. Учебное пособие. - СПб.: РГГМУ, 2012. - 168 с.
3. Правила стрельбы и управления огнем артиллерии. Дивизион, батарея, взвод, орудие (ПСиУО-96), часть I. 1996.
4. Коновалов А.А., Николаев Ю.В. Внешняя баллистика. Под ред. Коновалова А.А. ЦНИИ информации. 1979. 228 с.
5. Курс артиллерии. Книга 3. Внешняя баллистика. Метеорология в артиллерии. Полная подготовка данных для стрельбы. Под общ. ред. Блинова А.Д. Военное издательство. - М:. 1948. 288 с.
6. Л.С. Савкин, Б.Д. Лебедев. Метеорология и стрельба артиллерии. Москва, Воениздат, 1974 г.
7. Межвидовой радиопеленгационный метеорологический комплекс. Изделие 1Б77. Руководство по эксплуатации. Часть 1. Описание и работа. УВДК.462419.003РЭ. 2018 г.
8. Межвидовой радиопеленгационный метеорологический комплекс. Изделие 1Б77. Руководство по эксплуатации. Часть 2. Описание и работа. УВДК.462419.003РЭ1. 2018 г.
9. Изделие 1Б44. Инструкция по эксплуатации. Часть 2. БЕ1 400063 ИЭ1. 2006.