Устройство определения координат

Устройство определения координат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиолокационных технических средств определения координат точек вылета (падения) баллистических объектов.

Как следует из известных источников, в РЛС разведки огневых позиций стреляющих систем [1, 2, 3] для определения координат точек вылета (падения) применялись различные устройства, реализующие математические методы, обусловленные поставленными задачами и возможностями вычислительной техники.

По сущности технического решения наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство определения координат точек вылета (падения) баллистических целей [4], реализованное в изделии "Зоопарк-1" [2, 3] и выбранное за прототип.

В устройстве, принятом за прототип, получаемые в результате автосопровождения баллистической цели (снаряда, мины, ракеты) на траектории амплитуды сигналов, соответствующие значениям текущих прямоугольных координат цели, сглаживаются полиномом второй степени. В результате сглаживания находятся оценки координат, скорости и ускорения для конца интервала сопровождения по трем координатам, характеризующим положение цели в пространстве. По этим оценкам рассчитываются оценки координат, скорости и ускорения для середины интервала наблюдения, их горизонтальные составляющие и значение баллистической функции Е, по которым производится распознавание класса стреляющих систем. Далее осуществляется определение координат точек вылета (падения) путем численного дифференцирования уравнений полета баллистического тела с учетом только сопротивления воздуха на каждом шаге экстраполяции.

Устройство определения координат, выбранное за прототип, приведено на фиг.1 в виде блок-схемы, описывающей последовательность решения отдельных задач [4] при определении координат точек вылета (падения) по параметрам, получаемым в результате автосопровождения баллистической цели на траектории.

На фиг.1:

1 - блок сглаживания (в [4] - модуль СГ);

2 - блок преобразования сглаженных координат (в [4] - модуль СРТ);

3 - блок распознавания (в [4] - модуль РАСП);

4 - блок анализа класса стреляющих систем (в [4] описана в модуле ЭКСТР);

5 - первый блок расчета функции лобового сопротивления (в [4] - модуль АВ);

6 - второй блок расчета функции лобового сопротивления (в [4] - модуль АВ);

7 - блок экстраполяции (в [4] - модуль ЭКСТР);

8 - блок учета кривизны Земли (в [4] - модуль ЭКСТР);

9 - блок выдачи информации.

Устройство, принятое за прототип, работает следующим образом.

На вход блока 1 поступает информация о прямоугольных координатах траектории полета баллистического объекта, получаемая в результате радиолокационного сопровождения цели. В блоке 1 осуществляется расчет по полиному второй степени ([4] п.3.8, [5]) оценок прямоугольных координат, скоростей и ускорений цели для конца интервала наблюдения. В блоке преобразования сглаженных координат 2 производится пересчет полученных оценок прямоугольных координат траектории полета баллистического объекта (цели), его скоростей и ускорений в середину интервала наблюдения, расчет горизонтальных составляющих скоростей и ускорений, а также баллистической функции Е ([4] п.3.9, [6]). По знаку баллистической функции и по условной плотности вероятности ([4] п.3.13, [7]) в блоке распознавания класса стреляющих систем 3 производится отнесение отметки к 1, 2, 3, 4, 5 или 6 классам. В блоке анализа класса стреляющих систем 4 производится отнесение отметки к 1 или 2 классу (артиллерия, минометы) или к 3, 4, 5, 6 классам (РСЗО, тактические ракеты, системы с активно-реактивным снаряжением).

Если цель относится к классам "артиллерия" или "миномет" (классы 1 и 2), управление с выхода 2 передается на первый блок расчета функции лобового сопротивления по закону сопротивления воздуха 1943 года - блок 5 ([4] п.3.10.1). Если цель относится к классам 3, 4, 5, 6, управление выхода 1 передается на второй блок расчета функции лобового сопротивления по закону сопротивления воздуха 1958 года - блок 6 ([4] п.3.10.2).

Далее управление с выходов блоков 5 или 6 передается на блок экстраполяции 7, где по зависимостям ([4], п.3.11), представляющих собой систему дифференциальных уравнений в дискретном виде, ведется расчет координат и соответствующих им проекций вектора скорости до высоты Н(i)-Нм ([4], п.3.11), что соответствует средней высоте местности в данном районе относительно высоты расположения РЛС. В данных уравнениях рассматривается движение относительно плоскости горизонта материального тела в однородном поле силы тяжести с учетом только лобового сопротивления воздуха [6]. Затем управление передается на блок учета кривизны Земли - 8 и потом на блок выдачи информации - 9, который осуществляет передачу данных о разведанных целях на экраны мониторов автоматизированных рабочих мест командира и оператора РЛС, а также передачу их по каналам связи на командный пункт разведки.

Как показали результаты моделирования по математической модели устройства определения координат, подтвержденные данными испытаний на полигоне, в случаях, когда скорость ветра была менее 10 м/с в режиме определения координат точек вылета при времени экстраполяции до 10-12 с, метеорологические и геофизические факторы (скорость и направление ветра, изменение давление, температуры, плотности воздуха по слоям, вращение Земли) не оказывают существенного влияния на точность определения координат точки выстрела.

Однако с увеличением дальности расположения "РЛС - точка вылета" или "РЛС - точка падения" и, соответственно, ввиду этого приближения наблюдаемого участка траектории к ее вершине увеличивается время экстраполяции в точку вылета или падения. На больших дальностях по условиям наблюдаемости цели на траектории возможна экстраполяция через вершину траектории. Это приводит к тому, что время экстраполяции до точки выстреливания может достигать половины и более всего полетного времени баллистического объекта на траектории, т.е. порядка 15-20 с. В этих условиях неучет метеорологических и геофизических факторов приводит к уменьшению точности определения координат точек вылета (падения) сопровождаемых объектов. Ошибки при этом достигают 75-110 м, а в некоторых критических случаях и значительно больше, в зависимости от времени экстраполяции, скорости ветра, типа стреляющей системы, скорости полета цели и угла наклона траектории относительно горизонтальной плоскости.

Недостатком прототипа является неучет перечисленных выше факторов, что приводит к снижению точности определения координат точек вылета (падения) баллистических целей при увеличении времени экстраполяции и в неблагоприятных метеоусловиях.

Целью настоящего изобретения и техническим результатом является повышение точности определения координат точек вылета (падения) баллистических целей при их сопровождении РЛС на больших дальностях и в неблагоприятных метеоусловиях.

Указанная цель достигается тем, что производится анализ знака вертикальной составляющей скорости цели в средней точке участка наблюдения Vh0, времени экстраполяции по параметрам наблюдаемого участка траектории и скорости ветра. В зависимости от их значений выбирается метод экстраполяции траектории в точку вылета (падения).

Если Vh0≤0 - участок наблюдения цели находится на вершине траектории или на ее нисходящем участке и экстраполяцию траектории необходимо проводить соответственно с вершины траектории или через нее, что однозначно свидетельствует о большом времени экстраполяции. При этих условиях необходим учет геофизических и метеорологических факторов, влияющих на точность определения координат точек вылета (падения). Это достигается использованием системы полных дифференциальных уравнений, учитывающих все перечисленные факторы.

Если Vh0>0 - участок наблюдения цели находится на восходящем участке траектории и поэтому требуется уточнение вида экстраполяции путем анализа величины времени экстраполяции. Анализ приближенного времени экстраполяции можно провести по зависимости:

где Н_РЛС - высота позиции РЛС;

Н_М - предполагаемая высота позиции цели;

Н0 - высота полета цели в средней точке участка наблюдения;

Vh0 - вертикальная скорость полета цели в средней точке участка наблюдения;

t_экстр - время экстраполяции;

Е - баллистическая функция, учитывающая сопротивление воздуха в средней точке участка наблюдения.

где Wx0, Wy0 - проекции вектора сглаженного ускорения на оси Х и Y соответственно (рассчитываются в блоке преобразования сглаженных координат - блок 2);

Vx0, Vy0 - проекции вектора сглаженной скорости на оси Х и Y соответственно (рассчитываются в блоке преобразования сглаженных координат - блок 2).

Зависимость (1) представляет собой нелинейное уравнение относительно времени экстраполяции t_экстр. Уравнение (1) можно решить любым известным численным методом [8], например, методом деления отрезка пополам. Для этого представим уравнение (1) в виде

F(t_экстр)=0,

где

F(t_экстр)=|Vh0|t_экстр+4,9·t_экстр ²-3,27·|Е|·t_экстр ³-(Н_РЛС-Н_М-Н0).

Первая производная функции F(t_экстр) имеет вид:

F'(t_экстр)=|Vh0|+9,8·t_экстр-9,81·|Е|·t_экстр ².

Выберем начальное приближение для t_экстр: t₀=0. Формула для n+1 приближения имеет вид:

Критерием окончания итерационного процесса будет условие:

|t_n+1-t_n|<0,1 с.

По полученному значению t_экстр и величине скорости ветра Vv:

- при 0,7 Vv+t_экстр>=14 определение координат точек вылета (падения) производится по полной системе дифференциальных уравнений с учетом геофизических и метеорологических факторов;

- при 0,7 Vv+t_экстр<14 определение координат точек вылета (падения) производится по упрощенной системе дифференциальных уравнений (блоки 7, 8).

Необходимость применения и упрощенной, и полной систем дифференциальных уравнений объясняется тем, что применение только полной системы дифференциальных уравнений увеличивает вычислительные и временные затраты на экстраполяцию и, следовательно, снижает пропускную способность РЛС. При работе же в реальной целевой обстановке число целей, находящихся на большой дальности (более 35 км), составляют не более 20-25% от общего целевого потока, но они чаще всего представляют собой средства большей степени важности, и, вследствие этого, необходимо более точное определение их координат. Поэтому необходимо применять адаптивный подход к выбору систем обработки информации.

Система полных дифференциальных уравнений представлена в нормальной земной системе координат OXHY. Ее начало находится в точке, соответствующей проекции РЛС на поверхность сферы радиусом R_з=6371000 м. Ось Х направлена на север, ось Н - вертикально вверх, ось Y дополняет систему координат до правой. Система дифференциальных уравнений движения центра масс баллистического тела в центральном поле силы тяжести имеет вид:

Интегрирование системы дифференциальных уравнений ведется до высоты, соответствующей району предполагаемого расположения точки вылета (падения) цели.

Функциональные зависимости, используемые в системе дифференциальных уравнений, имеют вид:

E_r=C·Ht(τ)·G(V_r),

G(V_r)=4,736·10^-4·V_r·C_X(V_r),

g(h)=g₀·(1-0.3147·10^-6·h),

h=r-R_з,

где

Vx0, Vy0, Vh0 - начальные условия по скорости (проекции вектора скорости V на оси X, Y, Н соответственно в средней точке участка сопровождения - блок 2),

Н0 - высота средней точки участка сопровождения,

С - баллистический коэффициент,

C_X(V) - функция лобового сопротивления воздуха, рассчитываемая по формулам:

- для 1 и 2 классов

при V≤272 м/с C_X(V)=0,155;

при 272<V≤339 м/с C_X(V)=0,524+0,0025·V;

при 339<V≤400 м/с C_X(V)=0,000955·V;

при V>400 м/c C_X(V)=0,475-0,0002325·V;

- для 3, 4, 5, 6 классов

при V≤288 м/с C_X(V)=0,306;

при 288<V≤363 м/с C_X(V)=0,8+0,00385·V;

при 363<V≤435 м/с C_X(V)=0,47+0,00035·V;

при 435<V≤585 м/с C_X(V)=0,935-0,00073·V;

при V>585 м/с C_X(V)=0,715-0,00034·V;

τ(h), Vv_X(h), Vv_Y(h) - действительные значения на высоте h температуры воздуха, проекций скорости ветра Vv на оси Х и Y нормальной земной системы координат - рассчитываются по данным метеорологического бюллетеня "Метеосредний" при подготовке к работе и хранятся в блоке 10,

R_з=6371000 м,

g₀=9,78049.

Начальные условия интегрирования по координатам (X0,Y0,H0) и проекциям скорости (Vx0,Vy0,Vh0) формируются в блоке 2. Начальные условия по переменной π в (2) определяются интегрированием системы дифференциальных уравнений:

при начальных условиях h₀=h_мст,

где ΔН_мст и h_мст - отклонение давления на уровне метеостанции от нормального и ее высота (данные берутся из метеорологического бюллетеня "Метеосредний" и хранятся в блоке 10).

На фиг.2 изображена блок-схема предлагаемого устройства, позволяющего производить определение координат точек вылета (падения) баллистических целей по результатам радиолокационного наблюдения с большей точностью.

Устройство включает в себя следующие блоки:

1 - блок сглаживания;

2 - блок преобразования сглаженных координат;

3 - блок распознавания;

4 - блок анализа класса стреляющих систем;

5 - первый блок расчета функции лобового сопротивления;

6 - второй блок расчета функции лобового сопротивления;

7 - блок экстраполяции;

8 - блок учета кривизны Земли;

9 - блок выдачи информации;

10 - блок памяти;

11 - блок анализа знака вертикальной составляющей скорости;

12 - блок экстраполяции полиномом 3-й степени;

13 - блок сравнения с порогом;

14 - второй блок экстраполяции.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В процессе автосопровождения информация о прямоугольных координатах траектории полета баллистического объекта, получаемая в результате радиолокационного сопровождения цели, и данные о метеорологических условиях в районе работы РЛС (бюллетень "Метеосредний") поступают на вход блока памяти 10, где они запоминаются. С его первого выхода текущие прямоугольные координаты полета цели поступают на вход блока сглаживания 1 и одновременно со второго выхода данные о метеоусловиях передаются на входы блока сравнения с порогом 13 и второго блока экстраполяции 14 - блока экстраполяции по полной системе дифференциальных уравнений (2-3), где сохраняются и используются после передачи управления этим блокам. В блоке 1 вырабатываются сглаженные оценки прямоугольных координат, скоростей и ускорений цели в конце интервала наблюдения. Далее в блоке преобразования сглаженных координат 2 осуществляется пересчет сглаженных прямоугольных координат, скоростей и ускорений в середину интервала наблюдения, расчет горизонтальных составляющих скоростей и ускорений в середине интервала наблюдения, а также расчет баллистической функции Е. После чего в блоке распознавания 3 осуществляется отнесение полученной отметки к 1, 2, 3,4, 5 или 6 классам по знаку баллистической функции и по условной плотности вероятности. Далее в блоке анализа класса стреляющих систем 4 производится отнесение отметки к классам 1, 2 (артиллерия, минометы) или к классам 3, 4, 5, 6 (РСЗО, тактическая ракета на пассивном участке, тактическая ракета на активном участке, снаряды с активно-реактивным снаряжением).

Если цель относится к классам 1 или 2, управление с выхода 2 передается на первый блок расчета функции лобового сопротивления по закону сопротивления воздуха 1943 года - 5.

Если цель относится к классам 3, 4, 5 или 6, управление с выхода 1 передается на второй блок расчета функции лобового сопротивления по закону сопротивления воздуха 1958 года - блок 6.

Далее управление с выходов блоков 5 или 6 передается на блок анализа знака вертикальной составляющей скорости Vh0 - блок 11:

- если Vh0≤0, управление с выхода 2 блока анализа знака вертикальной составляющей скорости 11 передается на вход второго блока экстраполяции 14 - блок экстраполяции траектории по полной системе дифференциальных уравнений (2), (3);

- если Vh0>0, управление с выхода 1 блока 11 передается на вход блока экстраполяции полиномом 3-й степени (1) 12, где приближенно определяется время экстраполяции t_экстр из средней точки участка наблюдения до уровня предполагаемой высоты точки вылета (падения) цели.

По полученному t_экстр и значению скорости ветра Vv, поступающему со второго выхода блока памяти 10, в блоке сравнения с порогом 13 производится сравнение:

- если 0,7Vv+t_экстр>=14, управление с выхода 2 блока сравнения с порогом 13 передается на второй блок экстраполяции 14.

Таким образом, управление на вход второго блока экстраполяции 14 передается либо с второго выхода блока анализа вертикальной составляющей скорости - 11, либо с второго выхода блока сравнения с порогом 13, при этом во втором блоке экстраполяции 14 уже хранятся метеоданные, поступившие с второго выхода блока памяти 10.

- если 0,7 Vv+t_экстр<10, управление с выхода 1 блока сравнения с порогом 13 передается на блок экстраполяции 7, где производится расчет координат точки вылета (падения) по упрощенным зависимостям, и далее на блок учета кривизны Земли 8.

С выходов второго блока экстраполяции 14 или блока учета кривизны Земли 8 управление передается на вход блока выдачи информации 9 - блок выдачи данных, который осуществляет передачу данных о разведанных целях на экраны мониторов автоматизированных рабочих мест командира и оператора РЛС, а также передачу их по каналам связи на командный пункт разведки.

Использование заявляемого устройства, как показали расчеты, проведенные на модели и по имеющимся в распоряжении авторов записям реальных параметров траекторий полета различных баллистических целей (минометы, гаубицы, РСЗО, тактические ракеты), повышает точность определения координат точек вылета (падения) на больших дальностях и в неблагоприятных метеоусловиях по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) на 20%. При этом время, затрачиваемое на обработку общего потока целей, находящихся на различных дальностях обнаружения, увеличивается незначительно (не более чем на 5%).

Литература

1. Jane's International Defense Review. - 2000. - № 3. - P.36-37, 39-43.

2. ADJ: ASIAN DEFENCE JOURNAL, март 2001, с.20-23.

3. Оружие России, каталог т. I. Вооружение Сухопутных Войск, 1996-1997 гг., АО "Милитэри Пэрэйд", 1996-1997 гг., Москва, с.106-107.

4. БД. 00001-03 13 01. С.105-120, с.125-131.

5. Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. М.: Советское радио, 1971, с.142-144.

6. Дмитриевский А.А. М.: Машиностроение, 1972, с.166-173.

7. Жданюк Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. М.: Советское радио, 1978, с.72-74.

8. Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, с.155-161.

Устройство определения координат, содержащее последовательно соединенные блок сглаживания, блок преобразования сглаженных координат, блок распознавания, блок анализа класса стреляющих систем, первый выход которого через первый блок расчета функции лобового сопротивления, а второй его выход через второй блок расчета функции лобового сопротивления соединены между собой, а также блок экстраполяции, выход которого соединен с последовательно соединенными блоками учета кривизны Земли и выдачи информации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок памяти, последовательно соединенные блок анализа знака вертикальной составляющей скорости, блок экстраполяции полиномом 3-ой степени, блок сравнения с порогом, а также второй блок экстраполяции, при этом вход блока анализа знака вертикальной составляющей скорости соединен с объединенными выходами первого и второго блоков расчета функции лобового сопротивления, а первый выход блока памяти соединен с входом блока сглаживания, второй выход блока памяти соединен с входами второго блока экстраполяции и блока сравнения с порогом, первый выход которого соединен с входом блока экстраполяции, а второй его выход, объединенный с вторым выходом блока анализа знака вертикальной составляющей скорости и вторым выходом блока памяти, соединен с входом второго блока экстраполяции, выход которого соединен с входом блока выдачи информации, являющегося выходом устройства.