Способ приведения летательного аппарата к наземному объекту

Способ приведения летательного аппарата к наземному объекту

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системам навигации летательных аппаратов (ЛА), в частности к системам автономной навигации ЛА, включающим в свой состав бортовые радиолокационные средства, обеспечивающие приведение летательных аппаратов (в том числе их наведение и посадку) к наземным объектам (ориентирам, маякам) по радиолокационным изображениям (РЛИ) этих объектов, получаемым на фоне земной поверхности с использованием синтезирования антенного раскрыва (САР).

Известен [1] способ приведения ЛА к наземному объекту, который реализуется автономно с использованием бортовой радиолокационной станции (БРЛС) малого радиуса действия.

В качестве указанного объекта в [1] рассматривается взлетно-посадочная полоса (ВПП). При заходе на посадку и в процессе полета по посадочной траектории БРЛС путем сканирования реальной диаграммой направленности антенны обеспечивает индикацию изображения ВПП в реальном масштабе времени. При отклонении от посадочной траектории в горизонтальной плоскости фиксируется несимметричность контура радиолокационного изображения ВПП. Глиссада снижения выдерживается путем наложения метки глиссадной дальности на радиолокационное изображение торца ВПП.

Несимметричность контура ВПП и смещение метки глиссадной дальности относительно начала взлетно-посадочной полосы обеспечивают возможность получения оценок отклонений ЛА от посадочной траектории в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Устранение этих отклонений обеспечивает приведение ЛА к началу ВПП.

Недостатком данного способа приведения ЛА к наземному объекту является формирование радиолокационного изображения этого объекта путем сканирования земной поверхности реальной диаграммой направленности антенны БРЛС. Данное обстоятельство определяет возможность получения РЛИ с высоким разрешением только на малых дистанциях до наземного объекта, необходимость обужения диаграммы направленности антенны путем обеспечения работы БРЛС в высокочастотной области радиолокационного диапазона электромагнитных волн и, как следствие, малую дальность работы БРЛС в сложных погодных условиях.

Известен [2] способ приведения ЛА к наземным объектам, при котором возможность радиолокационного наблюдения этих объектов в полете на борту ЛА обеспечивается с помощью бортовых радиолокационных средств, использующих синтезирование антенного раскрыва или доплеровское обужение диаграммы направленности антенны.

Известный способ [2] заключается в формировании такой (криволинейной) траектории полета ЛА в горизонтальной плоскости, которая обеспечивает возможность получения РЛИ наземного объекта с высоким линейным азимутальным разрешением. Величина этого разрешения Δl связывается с бортовым пеленгом наземного объекта в соответствии с выражением

Δ l = D λ Δ F 2 ( − D ˙ ) sin ( ϕ Г ) ,                                                                             ( 1 )

где D - дальность от ЛА до наземного объекта;

( − D ˙ ) - скорость сближения ЛА с наземным объектом;

λ - длина волны БРЛС;

ΔF - полоса пропускания доплеровского фильтра;

φ_Г - бортовой пеленг наземного объекта в горизонтальной плоскости (при этом предполагается, что бортовой пеленг наземного объекта определяется как угол между вектором скорости ЛА и направлением на наземный объект в горизонтальной плоскости).

В соответствии с известным способом [2] сигнал управления Δ_Г летательным аппаратом (параметр рассогласования) в горизонтальной плоскости формируют по соотношению

Δ Г = N 0 ( − D ˙ ) ( ω Г + Δ ω Г Т Р ) − j Г ,                                                                 ( 2 )

где N₀ - навигационный параметр, рассчитываемый с учетом дальностей начала и конца наведения;

ω_Г - значение угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости;

Δω_ГТР - значение требуемого приращения (смещения) угловой скорости линии визирования в горизонтальной плоскости;

j_Г - значение поперечного ускорения наводимого летательного аппарата в горизонтальной плоскости.

В выражении (1), преобразованном к виду

( − D ˙ ) sin ( ϕ Г ) D = λ Δ F 2 Δ l ,                                                               ( 3 )

левая часть (3) в первом приближении соответствует угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости при его визировании в этой плоскости с бортовым пеленгом φ_Г.

Значение Δω_ГТР рассчитывают с учетом (3) и коэффициента К_УСТ, определяющего точность наведения и стабилизацию требуемого линейного разрешения (Δl=Δl_Т) в горизонтальной плоскости по соотношению

Δ ω Г Т Р = К У С Т λ Δ F 2 Δ l Т                                                                             ( 4 )

Недостатками известного способа [2] являются:

1. Формирование траектории ЛА, приводимого к наземному объекту, осуществляется только в горизонтальной плоскости.

2. Оценка значения требуемого приращения (смещения) угловой скорости линии визирования в горизонтальной плоскости, формируемая согласно (4), не учитывает возможного разброса и изменения скорости полета ЛА, от величины которой, как известно, зависит размер синтезируемой апертуры антенны БРЛС, а следовательно, и величина линейного разрешения формируемого РЛИ наземного объекта в горизонтальной плоскости.

3. При реализации приведения ЛА к наземному объекту в соответствии с известным способом [2] не осуществляется проверка степени соответствия обеспечиваемого угла φ_Г бортового пеленга наземного объекта в горизонтальной плоскости его требуемому значению φ_ГТ.

Последний из указанных недостатков отсутствует в известном, принятом за прототип способе [3] приведения ЛА с помощью БРЛС с САР к наземным объектам, в соответствии с которым измеряют значения бортового пеленга наземного объекта и угловой скорости его линии визирования в горизонтальной плоскости и формируют сигнал управления Δ_Г летательным аппаратом в горизонтальной плоскости по соотношению

Δ Г = q ϕ Г k j Г V С Б ( ϕ Г − ϕ Г Т ) + q ω Г k j Г Д ω Г − j Г ,                                                                   ( 5 )

где q_φГ, q_ωГ - коэффициенты, определяющие точность наведения по бортовому пеленгу и угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости;

k_jГ - коэффициент, определяющий экономичность наведения ЛА в горизонтальной плоскости;

Д - значение дальности от наводимого ЛА до наземного объекта;

V_СБ - значение скорости сближения наводимого ЛА с наземным объектом;

φ_Г - значение бортового пеленга наземного объекта в горизонтальной плоскости (при этом предполагается, что бортовой пеленг наземного объекта определяется как угол между вектором скорости ЛА и направлением на наземный объект в горизонтальной плоскости);

ω_Г - значение угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости;

j_Г - значение ускорения наводимого ЛА в горизонтальной плоскости;

φ_ГТ - требуемый угол упреждения, обеспечивающий требуемое линейное азимутальное разрешение в горизонтальной плоскости, который рассчитывают по соотношению

ϕ Г Т = arcsin ( Д λ Δ F 2 V Δ l T ) ,                                                                 ( 6 )

где λ - длина волны бортовой радиолокационной станции;

ΔF - полоса пропускания доплеровского фильтра;

V - значение скорости наводимого ЛА;

Δl_T - требуемое линейное разрешение в горизонтальной плоскости.

Однако практическое применение известного способа [3] при приведении ЛА к наземным объектам в условиях существенного изменения высоты полета ЛА наталкивается на значительные трудности, в том числе связанные с влиянием вертикальной составляющей скорости полета ЛА на характеристики линейного разрешения радиолокационных изображений наблюдаемого наземного объекта, формируемых БРЛС с САР.

Формирование сигналов управления ЛА в вертикальной плоскости влечет за собой изменение направления вектора скорости ЛА в этой плоскости и, соответственно, изменение величины путевой скорости полета ЛА. В свою очередь это изменение влечет за собой изменение величины азимутального линейного разрешения РЛИ, формируемых БРЛС с САР. За счет вертикальной составляющей скорости полета ЛА, возможно возникновение искажений РЛИ, проявляющихся в увеличении размытости и развороте синтезированных радиолокационных изображений.

С другой стороны, изменения положения ЛА в горизонтальной плоскости влекут за собой изменения угла наклона линии визирования наземного объекта. При этом могут существенным образом меняться условия визирования наземного объекта в вертикальной плоскости, проявляющиеся в нежелательных флуктуациях мощности отраженных радиолокационных сигналов, а также в изменении разрешения формируемых РЛИ по горизонтальной дальности.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа приведения ЛА, оснащенных БРЛС с САР, к наземным объектам путем реализации такого траекторного управления ЛА в земной системе координат, при котором одновременно обеспечиваются:

высокая точность приведения летательных аппаратов к наземным объектам с использованием на борту ЛА БРЛС с САР (технический результат изобретения);

стабилизация линейного разрешения формируемых БРЛС с САР радиолокационных изображений наземных объектов как по азимуту, так и по горизонтальной дальности;

минимальные искажения РЛИ наземных объектов, формируемых БРЛС с САР в процессе приведения ЛА к этим объектам.

Технический результат изобретения заключается в получении высокой точности приведения летательных аппаратов к заданным наземным объектам, с использованием бортовых радиолокационных средств (БРЛС) с синтезированием антенного раскрыва (САР).

Технический результат изобретения достигается путем формирования траекторий полета ЛА, обеспечивающих возможность получения с минимальными искажениями радиолокационных изображений наземных объектов, формируемых БРЛС с САР в процессе приведения ЛА к этим объектам, а также стабилизацию линейного разрешения указанных радиолокационных изображений наземных объектов по дальности и азимуту.

Известно, что доплеровская частота радиолокационного сигнала, отраженного от неподвижного точечного объекта, наблюдаемого с борта ЛА, зависит от величины угла отклонения линии визирования этого объекта от направления вектора скорости летательного аппарата и определяется соотношением

F d ( ϕ Н ) = 2 V r λ = 2 V cos ( ϕ H ) λ                                                                             ( 6 )

где V_r - скорость сближения носителя БРЛС (ЛА) с наблюдаемым объектом (радиальная скорость);

V - скорость полета ЛА;

φ_Н - угол отклонения линии визирования наблюдаемого объекта от направления вектора скорости ЛА (в плоскости визирования объекта, образуемой линией его визирования и вектором скорости ЛА);

λ - длина волны зондирующих сигналов БРЛС. Это соотношение при визировании наземного точечного объекта и рассмотрении полета ЛА в подвижной нормальной системе координат (НСК), как, например, показано на фиг.1, может быть записано с использованием горизонтальной V_П (путевой) и вертикальной V_Y составляющих скорости полета ЛА

F d ( ϕ Г , ε ) = 2 ( V П cos ( ϕ Г ) cos ( ε ) + V Y sin ( ε ) ) λ ,                                                               ( 7 )

где φ_Г - угол отклонения проекции линии визирования наблюдаемого объекта на горизонтальную плоскость XOZ (земную поверхность) от проекции направления вектора скорости ЛА на эту же плоскость (азимутальный угол);

ε - угол наклона линии визирования наземного наблюдаемого точечного объекта.

Приравнивая (6) и (7), нетрудно показать, что углы φ_Г и φ_Н связаны между собой соотношением

ϕ Г = arccos ( cos ( ϕ H ) cos ( Θ ) cos ( ε ) − t g ( Θ ) t g ( ε ) ) ,                                             ( 8 )

где Θ - угол наклона вектора скорости ЛА.

С использованием разложения (7) в кратный ряд Тейлора [4], в линейном приближении, для точки на земной поверхности, направление на которую отстоит от направления на рассматриваемый точечный наземный объект на малые углы Δφ_Г в горизонтальной плоскости и Δε в вертикальной плоскости можно записать:

F d ( ϕ Г + Δ ϕ Г , ε + Δ ε ) = F d ( ϕ Г , ε ) + Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ ϕ Г ) + Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ ε ) ,                                                             ( 9 )

где

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ ϕ Г ) = ∂ F d ( ϕ Г , ε ) ∂ ϕ Г Δ ϕ Г ,   Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ ε ) = ∂ F d ( ϕ Г , ε ) ∂ ε Δ ε                                                             ( 10 )

- величины, характеризующие изменение доплеровской частоты отраженного сигнала при смещении направления визирования рассматриваемого наземного объекта соответственно на угол Δφ_Г в горизонтальной плоскости и угол Δε в вертикальной плоскости.

Для Δφ_Г, Δε, с учетом их предполагаемой малости, справедливо

Δ ϕ Г = Δ l D Г ,   Δ ε = Δ d sin ( ε ) D H ,                                                     ( 11 )

где Δl - линейное азимутальное отклонение наблюдаемого объекта на земной поверхности, соответствующее Δφ_Г. Знак Δl определяется знаком Δφ_Г;

Δd - линейное отклонение наблюдаемого объекта на горизонтальной плоскости (земной поверхности) по направлению горизонтальной проекции линии визирования объекта, соответствующее Δε, как показано на фиг.2.

D_Г, D_H соответственно горизонтальная и наклонная дальности от ЛА до наземного объекта.

Из (10), с учетом (11), а также того, что

V П = V cos ( Θ ) ,   V Y = V sin ( Θ ) ,                                                                                                       ( 12 )

где Θ - угол наклона вектора скорости ЛА ( t g ( Θ ) = V Y V П ) , можно записать:

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ l ) = − 2 V cos ( Θ ) sin ( ϕ Г ) Δ l cos ( ε ) λ D Г ,                                                                             ( 13 )

Δ F d ( φ Г , ε , Δ d ) = 2 V Δ d sin ( ε ) λ D H ( cos ( Θ ) cos ( φ Г ) sin ( ε ) − sin ( Θ ) cos ( ε ) ) .                           ( 14 )

Данными выражениями определяется разность

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ l , Δ d ) = Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ l ) + Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ d )                                                       ( 15 )

доплеровских частот сигналов, отраженных от точечных наземных объектов, наблюдаемых в условиях, характеризующихся параметрами (φ_Г, ε, Θ, V, D_H, λ), и отстоящих друг от друга на величину Δd и Δl.

Также (15), в первом приближении, характеризует ширину доплеровского спектра радиолокационных сигналов, отражаемых малоразмерным наземным объектом или участком местности, имеющим протяженность Δd и Δl соответственно по горизонтальной продольной и поперечной дальностям, при его радиолокационном наблюдении с борта ЛА.

Если величина Δd не превышает величины элемента разрешения БРЛС по дальности, формируемого за счет амплитудной или внутриимпульсной модуляции зондирующих сигналов БРЛС, то при наблюдении наземного объекта, имеющего пренебрежимо малую протяженность по азимуту (Δl=0), величина ΔF_d (φ_Г, ε, Δd) определяет степень азимутальной размытости радиолокационной отметки от наблюдаемого объекта на РЛИ, формируемом с использованием САР.

Если величина Δd превышает величину элемента разрешения БРЛС по дальности, формируемого за счет амплитудной или внутриимпульсной модуляции зондирующих сигналов БРЛС, то величина ΔF_d(φ_Г, ε, Δd) также определяет степень разворота радиолокационного изображения этого объекта при его формировании в системе координат «доплеровская частота - дальность».

Оба указанных эффекта приводят к искажению радиолокационных изображений наземных объектов, формируемых БРЛС ЛА в полете при использовании САР.

Данные искажения, очевидно, отсутствуют при выполнении условия

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ d ) = 0.                                                                                   ( 16 )

Выполнение этого условия при заданных φ_Г и ε≠0, как следует из (14), обеспечивается в том случае, когда

cos ( Θ ) cos ( ϕ Г ) sin ( ε ) − sin ( Θ ) cos ( ε ) = 0                                                     ( 17 )

или угол наклона траектории полета ЛА в процессе синтезирования антенного раскрыва

Θ = a r c t g ( cos ( ϕ Г ) t g ( ε ) ) .                                                                                                               ( 18 )

В этом случае горизонтальная проекция линии визирования наблюдаемого точечного наземного объекта является касательной к изодопе (линии равного доплеровского сдвига частоты [5]), проходящей через этот объект в горизонтальной плоскости (по земной поверхности), а вектор скорости ЛА в плоскости XOY направлен в точку (ВЦ), как показано на фиг.1, образованную пересечением перпендикуляра (НО-ВЦ) к горизонтальной проекции (О-НО) линии визирования наземного объекта, проходящего через этот объект и принадлежащего горизонтальной плоскости XOZ, с вертикальной плоскостью XOY, которой принадлежит вектор скорости летательного аппарата.

Последнее утверждение подтверждается соотношениями:

t g ( ε ) = Y Л А D Г ;   t g ( Θ ) = Y Л А D В Ц ;   cos ( φ Г ) = D Г D В Ц                                                                       ( 19 )

где Y_ЛА - высота полета ЛА;

D_ВЦ - горизонтальная дальность от ЛА до точки ВЦ, при их подстановке в (18).

Точка ВЦ при этом может рассматриваться как виртуальный объект, к которому должно осуществляться приведение ЛА в текущий момент времени.

В условиях геометрического построения, соответствующего фиг.1, отрезок (НО-ВЦ) также перпендикулярен линии визирования наземного объекта и при этом справедливо следующее соотношение:

t g ( ϕ H ) = cos ( ε ) t g ( ϕ Г ) ,                                                                                                       ( 20 )

где φ_Н - угол отклонения направления вектора скорости ЛА от линии визирования наземного объекта.

Соотношение (18) отражает те условия формирования траектории полета ЛА в процессе его приведения к наземному объекту, при которых БРЛС с САР обеспечивает формирование РЛИ наземного объекта с наименьшими искажениями, возникающими за счет наличия вертикальной составляющей скорости полета ЛА.

Помимо обеспечения минимальных искажений радиолокационных изображений, формируемых БРЛС с САР в процессе приведения ЛА к наземному объекту, целесообразно осуществление стабилизации линейной разрешающей способности этих изображений по азимуту и горизонтальной дальности. При этом существенно упрощаются процедуры обработки РЛИ, с использованием которых осуществляется приведение ЛА к наземному объекту.

Стабилизация требуемой разрешающей способности БРЛС с САР по горизонтальной дальности (Δd_T=const) при использовании в БРЛС модулированных зондирующих сигналов, как следует из фиг.2, требует поддержания постоянства угла визирования наземного объекта в вертикальной плоскости (ε=ε_T=const).

При обеспечении постоянства угла визирования наземного объекта в вертикальной плоскости снижаются уровень и частота флуктуации радиолокационных сигналов, отраженных от этого объекта, обусловленных изрезанностью его диаграммы обратного рассеяния в вертикальной плоскости.

Для стабилизации требуемого линейного азимутального разрешения (Δl_T=const), формируемого РЛИ в условиях визирования наземного объекта, представленных на фиг.1, необходимо обеспечивать боковое отклонение направления линии визирования этого объекта от направления вектора скорости ЛА в наклонной плоскости, образованной вектором скорости ЛА и указанной линией визирования (плоскости визирования наземного объекта), в соответствии с известной формулой [6]:

ϕ H T = arcsin ( λ D H 2 V T C Δ l T ) ,                                                                 ( 21 )

где Т_C - время синтезирования антенного раскрыва БРЛС.

Из (20) при условии, что обеспечивается выполнение требования (ε=ε_T=const), для требуемого угла отклонения горизонтальной проекции линии визирования наземного объекта от горизонтальной проекции вектора скорости ЛА получим:

ϕ Г T = a r c t g ( 1 cos ( ε Т ) t g ( ϕ Н Т ) ) ,                                                                       ( 22 )

и, из (18), требуемый угол наклона вектора скорости ЛА в процессе синтезирования антенного раскрыва БРЛС:

Θ T = a r c t g ( cos ( ϕ Г Т ) t g ( ε T ) ) .                                                                       ( 23 )