Способ наведения летательных аппаратов на наземные объекты

Способ наведения летательных аппаратов на наземные объекты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системам наведения летательных аппаратов (ЛА) на наземные объекты, в частности к системам автономного наведения (самонаведения) ЛА, включающим в свой состав бортовые радиолокационные средства (БРЛС), обеспечивающие наведение летательных аппаратов на наземные объекты по радиолокационным изображениям (РЛИ) этих объектов, получаемым с использованием синтезирования антенного раскрыва (CAP).

Под способом наведения аналогично [1, 2, 3] понимается закон формирования требуемой фазовой траектории наводимого объекта, определяемый правилом формирования сигналов траекторного управления.

Специфической особенностью автономного наведения ЛА с бортовыми радиолокационными средствами, использующими режимы CAP, на наземные объекты является необходимость формирования криволинейных траекторий наведения ЛА с целью обеспечения требуемого линейного разрешения РЛИ, формируемых БРЛС в указанных режимах.

При определенных допущениях, указанных в [4, стр.143,…, 152], для обеспечения требуемого линейного азимутального Δl_Т разрешения РЛИ наземного объекта, формируемого БРЛС с CAP, траектория движения ЛА должна быть такой, чтобы бортовой пеленг этого объекта φ_ГТ удовлетворял условию

ϕ Г Т = arcsin ( λ D 2 V П T С Δ l Т ) ,       ( 1 )

где: D - значение дальности от наводимого ЛА до наземного объекта;

V_П - значение путевой скорости ЛА;

λ - длина волны бортовой радиолокационной станции;

T_С - время синтезирования антенного раскрыва БРЛС.

Очевидно, что для наземных объектов, скорость изменения положения которых, как правило, пренебрежимо мала по сравнению со скоростью полета наводимых ЛА, траектории наведения ЛА, удовлетворяющие (1), при фиксированных начальных значениях D и V_П, детерминированном законе изменения V_П, а также фиксированных Δl_Т, λ, ΔT_С определяются единственным образом, исходя из требуемых значений φ_ГТ. С учетом этого задача наведения ЛА с БРЛС, использующими CAP, на наземные объекты может рассматриваться как задача формирования криволинейных траекторий наведения, максимально приближающихся к требуемым.

Известен [2] способ наведения ЛА на наземные объекты с использованием БРЛС с CAP, в соответствии с которым измеряют значения дальности от наводимого ЛА до наземного объекта и скорости их сближения, значения бортового пеленга наземного объекта и угловой скорости его линии визирования в горизонтальной плоскости, значения скорости наводимого ЛА и его ускорения 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 D ω Г − j Г ,       ( 2 )

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;

D - 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 проекцией вектора скорости ЛА на горизонтальную плоскость (земную поверхность) и направлением на наземный объект в этой 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 радиолокационных изображений, формируемых БРЛС наводимого ЛА в горизонтальной плоскости, который рассчитывают по соотношению

ϕ Г Т = arcsin ( D   λ   Δ F V Δ l Т ) ,       ( 3 )

где: λ - длина волны бортовой радиолокационной станции;

ΔF - полоса пропускания доплеровского фильтра;

V - значение скорости (путевой) наводимого ЛА;

Δl_Т - требуемое линейное разрешение в горизонтальной плоскости.

Недостатками известного способа [2] являются:

1. Формирование траектории ЛА, наводимого на наземный объект, осуществляется только в горизонтальной плоскости.

2. Обеспечивается не точное, а преимущественное наведение по бортовому пеленгу, формируемому с учетом требуемого угла упреждения, или по угловой скорости линии визирования. «Вес ошибок по бортовому пеленгу и угловой скорости линии визирования» [2] может изменяться путем манипуляции значениями коэффициентов q_φГ, q_ωГ.

Наиболее близким аналогом (прототипом) настоящего изобретения является известный способ наведения [3] летательных аппаратов на наземные объекты, в соответствии с которым измеряют значения скорости сближения наводимого летательного аппарата и наземного объекта, угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости, а также поперечного ускорения наводимого летательного аппарата в горизонтальной плоскости и формируют сигнал управления летательным аппаратом в горизонтальной плоскости (параметр рассогласования) по соотношению, соответствующему методу пропорционального наведения со смещением

Δ Г = N 0 ( − D ˙ ) ( ω Г + Δ ω Г Т Р ) − j Г ,     ( 4 )

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

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

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

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

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

Значение требуемого приращения (смещения) угловой скорости линии визирования наземного объекта в горизонтальной плоскости определяется, исходя из условия обеспечения требуемого разрешения Δl РЛИ, формируемых БРЛС с CAP, связываемого с бортовым пеленгом φ_Г наземного объекта в соответствии с выражением

Δ l = D   λ   Δ F 2 ( − D ˙ ) sin ( ϕ Г ) = ,     ( 5 )

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. В выражении (5), преобразованном к виду

( − D ˙ ) sin ( ϕ Г ) D =   λ   Δ F 2 Δ l = ,     ( 6 )

левая часть 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 в [3] рассчитывают с учетом коэффициента K_УСТ,

определяющего точность наведения и стабилизацию требуемого линейного разрешения (Δl=Δl_Т) в горизонтальной плоскости по соотношению

Δ ω Г Т Р = K У С Т   λ   Δ F 2 Δ l Т .     ( 7 )

Недостатками известного способа [3] являются:

1. Формирование траектории ЛА, наводимого на наземный объект, осуществляется только в горизонтальной плоскости.

2. Оценка значения требуемого приращения (смещения) угловой скорости линии визирования в горизонтальной плоскости, формируемая согласно (7), 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 наведения ЛА на наземный объект в соответствии с известным способом [3] не осуществляется проверка степени соответствия обеспечиваемого угла φ_Г бортового пеленга наземного объекта в горизонтальной плоскости его требуемому значению φ_ГТ.

Основным недостатком известных способов [2, 3] наведения на наземные объекты ЛА с использованием бортовых радиолокационных средств (БРЛС) с синтезированием антенного раскрыва (CAP) является то, что указанное наведение осуществляется только в одной (горизонтальной) плоскости.

Отсутствует учет влияния вертикальной составляющей скорости полета ЛА на характеристики линейного разрешения радиолокационных изображений наблюдаемого наземного объекта, формируемых БРЛС с CAP в процессе наведения ЛА.

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

С другой стороны, движение ЛА в горизонтальной плоскости в общем случае влечет за собой изменение угла наклона линии визирования наземного объекта. При этом могут существенным образом меняться условия визирования этого объекта, проявляющиеся в нежелательных флуктуациях мощности отраженных радиолокационных сигналов, а также изменяется разрешение формируемых РЛИ по горизонтальной дальности.

Технический результат изобретения заключается в получении высокой точности наведения летательных аппаратов на наземные объекты, осуществляемого с использованием бортовых радиолокационных средств с CAP.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа наведения летательных аппаратов, оснащенных БРЛС с CAP, на наземные объекты путем реализации такого траекторного управления ЛА, при котором одновременно обеспечиваются:

высокая точность наведения летательных аппаратов на наземные объекты с использованием на борту ЛА БРЛС с CAP;

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

минимальные искажения РЛИ наземных объектов, формируемых БРЛС с CAP в процессе наведения ЛА на эти объекты.

Известно, что доплеровская частота радиолокационного сигнала, отраженного от неподвижного наземного точечного объекта, наблюдаемого с борта ЛА, зависит от величины скорости летательного аппарата, определяемой относительно какой-либо неподвижной земной системы координат, и угла отклонения линии визирования наземного объекта от направления вектора указанной скорости летательного аппарата. Значение этой частоты определяется соотношением

F d = 2 V r λ = 2 V cos ( ϕ ) λ         ( 8 )

где: V_r - скорость сближения носителя БРЛС (ЛА) с наблюдаемым

объектом (радиальная скорость);

V - скорость ЛА относительно неподвижной земной системы координат;

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

λ - длина волны зондирующих сигналов БРЛС.

Определив с использованием БРЛС с CAP значение F_d, доплеровской частоты радиолокационных сигналов, отраженных от наземного точечного объекта, зная величину скорости полета ЛА, можно получить оценку угла φ.

ϕ = a r cos ( λ F d 2 V )       ( 9 )

Рассматривая F_d как функцию:

угла φ_Г - отклонения проекции линии визирования наблюдаемого объекта на горизонтальную плоскость XOZ (земную поверхность, как это показано на рисунке фиг.1) от проекции вектора скорости ЛА (совпадающей по направлению с осью ОХ) на эту же плоскость (азимутальный угол);

угла ε - наклона линии визирования наблюдаемого наземного точечного объекта,

соотношение (8) можно записать в виде

F d ( ϕ Г , ε ) = 2 ( V П cos ( ϕ Г ) cos ( ε ) + V Y sin ( ε ) ) λ ,     ( 10 )

где:

V_П - горизонтальная (путевая) составляющая скорости полета ЛА;

V_Y - вертикальная составляющая скорости полета ЛА.

С использованием разложения (10) в кратный ряд Тейлора [5], в его 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 ) ,     ( 11 )

где:

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                                           ( 12 )

- 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 ,       ( 13 )

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 рисунке фиг.2.

D, D_Г соответственно дальность от ЛА до наземного объекта и горизонтальная дальность от ЛА до наземного объекта. Из (11), с учетом (12), а также того, что

V П = V cos ( Θ ) ,                           V Y = V sin ( Θ ) ,       ( 14 )

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

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ l ) = − 2 V cos ( Θ ) sin ( ϕ Г ) cos ( ε ) λ D Г ,       ( 15 )

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ l ) = 2 V Δ d sin ( ε ) λ D ( cos ( Θ ) cos ( ϕ Г ) sin ( ε ) − sin ( Θ ) cos ( ε ) ) ,       ( 16 )

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 ) ,       ( 17 )

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

Также (17), в первом приближении, характеризует ширину доплеровского спектра радиолокационных сигналов, отражаемых малоразмерным наземным объектом или участком местности, имеющим протяженность Δd и Δl соответственно по горизонтальной дальности, и азимуту при его радиолокационном наблюдении с борта ЛА.

Если величина Δd соответствует величине 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 CAP.

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 в частотной области.

Оба указанных эффекта могут приводить к искажению радиолокационных изображений наземных объектов, формируемых БРЛС ЛА в полете при использовании CAP.

Данные искажения, очевидно, отсутствуют при выполнении условия

Δ F d ( ϕ Г , ε , Δ d ) = 0.       ( 18 )

Выполнение этого условия, как следует из (16), обеспечивается в том случае, когда

cos ( Θ ) cos ( ϕ Г ) sin ( ε ) − sin ( Θ ) cos ( ε ) = 0,       ( 19 )

или при заданных φ_Г и ε≠0 угол наклона траектории полета ЛА в процессе синтезирования антенного раскрыва

Θ = a r c t g ( cos ( ϕ Г ) t g ( ε ) ) .       ( 20 )

В этом случае горизонтальная проекция линии визирования наблюдаемого точечного наземного объекта является касательной к изодопе (линии равного доплеровского сдвига частоты [6]), проходящей через этот объект в горизонтальной плоскости (по земной поверхности), а вектор скорости ЛА в плоскости XOY направлен в точку (ВЦ), как показано на рисунке фиг.1, образованную пересечением перпендикуляра (НО-ВЦ) к горизонтальной проекции (О-НО) линии визирования наземного объекта, проходящего через этот объект и принадлежащего горизонтальной плоскости, 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 Г В Ц ;                                 cos ( ϕ Г ) = D Г D Г В Ц     ( 21 )

где: Y_ЛА - высота полета ЛА;

D_ВЦ - дальность от ЛА до точки ВЦ,

D_ГВЦ - горизонтальная дальность от ЛА до точки ВЦ,

при их подстановке в (20).

Точка ВЦ при этом может рассматриваться в качестве виртуального наземного объекта, на который должно осуществляться наведение ЛА в текущий момент времени.

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

Θ = arcsin ( cos ( ϕ ) sin ( ε ) ) ,         ( 22 )

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

Данное утверждение подтверждается соотношениями:

sin ( ε ) = − Y Л А D ;                   sin ( Θ ) = − Y Л А D В Ц ;                                 cos ( ϕ Г ) = D D В Ц     ( 23 )

при их подстановке в (22).

Соотношение (22) отражает те условия формирования траектории полета ЛА в процессе его наведения на наземный объект, при которых БРЛС с CAP 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 CAP в процессе наведения ЛА на наземный объект, целесообразно осуществление стабилизации линейной разрешающей способности этих изображений по азимуту и горизонтальной дальности. При этом существенно упрощаются процедуры обработки РЛИ, с использованием которых осуществляется наведение ЛА на наземный объект.

Стабилизация требуемой разрешающей способности БРЛС с CAP по горизонтальной дальности (Δd_Т=const) при использовании в БРЛС модулированных зондирующих сигналов, как следует из рисунка фиг.2, требует поддержания постоянства угла визирования наземного объекта в вертикальной плоскости (ε=ε_Т=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_Т=const) формируемого РЛИ при выполнении условий визирования наземного объекта, представленных на рисунке фиг.1, требуется обеспечивать отклонение направления линии визирования этого объекта от направления вектора скорости ЛА в плоскости, образуемой вектором скорости ЛА и указанной линией визирования (плоскости визирования наземного объекта), аналогично (I):

ϕ Т = arcsin ( λ D 2 V T С Δ l Т ) ,         ( 24 )

где: T_С - время синтезирования антенного раскрыва БРЛС;

V - скорость ЛА относительно неподвижной земной системы координат.

При этом значения (φ_Т, ε_Т) в соответствии с (22) определяют требуемый угол наклона вектора скорости ЛА в процессе синтезирования антенного раскрыва БРЛС

Θ Т = arcsin ( cos ( ϕ T ) sin ( ε T ) )       ( 25 )

При наведении на наземные объекты стабилизированных по крену летательных аппаратов, управление которыми осуществляется путем формирования нормального и бокового (поперечных) ускорений, являющихся проекциями вектора полного ускорения ЛА на оси O₁Y₁, O₁Z₁ прямоугольной показанной на рисунке фиг.1 подвижной системы координат O₁X₁Y₁Z₁, начало которой (O₁) совпадает с ЛА, ось O₁X₁ совпадает с вектором земной скорости ЛА, ось O₁Y₁ принадлежит вертикальной плоскости, проходящей через ось O₁X₁, а ось O₁Z₁ дополняет систему координат до правой, для условий синтезирования антенного раскрыва БРЛС, соответствующих рисунку фиг.1, должно обеспечиваться выполнение следующего соотношения

t g ( ϕ Т Б ) = cos ( Θ T ) cos ( ε T ) t g ( ϕ T ) ,       ( 26 )

где: φ_БТ - требуемое значение угла φ_Б бокового отклонения проекции линии визирования наземного объекта на наклонную плоскость X₁O₁Z₁ (в которой осуществляется продольное движение ЛА по направлению оси O₁X₁, а также боковое управление ЛА) от направления вектора скорости ЛА.

Значения φ_БТ, Θ_Т, получаемые с использованием соотношений (24), (25), (26), определяют требуемую траекторию полета ЛА в процессе его наведения на наземный объект, при заданном ε_Т=const. Траекторию, обеспечивающую минимальные искажения радиолокационных изображений, формируемых БРЛС с CAP в полете, и стабилизацию требуемого линейного разрешения этих изображений, как по горизонтальной дальности, так и по азимуту.

Несоответствие текущих значений параметров (φ_Б, ε, Θ), характеризующих траекторию полета ЛА в процессе его наведения на наземный объект, их требуемым значениям (φ_БТ, ε_Т, Θ_Т) обуславливает необходимость осуществления соответствующего траекторного управления полетом ЛА.

При наведении ЛА на наземные объекты с использованием предлагаемого способа должна осуществляться оценка текущих отклонений (невязок) от требуемых значений:

угла φ_Б - бокового отклонения проекции линии визирования наземного объекта на наклонную плоскость бокового управления ЛА от направления вектора скорости ЛА (рисунок фиг.1),

Δ ϕ Б = ϕ Б Т − ϕ Б ;     ( 27 )

угла ε - наклона линии визирования наземного объекта в вертикальной плоскости,

Δ ε = ε Т − ε ;     ( 28 )

угла Θ наклона вектора скорости ЛА в вертикальной плоскости,

Δ Θ = Θ Т − Θ .     ( 29 )

Для условий синтезирования антенного раскрыва БРЛС, соответствующих рисунку фиг.1, с учетом соотношения (26) в линейном приближении величина Δφ_Б связана с величиной

Δ ϕ = ϕ Т − ϕ                                                                               ( 30 )

текущего отклонения угла φ, оцениваемого по соотношению (9), от его требуемого значения φ_Т соотношением

Δ ϕ Б = K ϕ Δ ϕ ,                                 ( 31 )

где:

K ϕ = cos ( ε Т ) cos ( Θ Т ) cos 2 ( ε Т ) cos 2 ( ϕ Т ) + cos 2 ( Θ Т ) sin 2 ( ϕ Т ) .       ( 32 )

При реализации синтезирования антенного раскрыва величина φ поддается непосредственной и весьма точной оценке (до десятых долей градуса и выше).

При формировании сигналов управления (Δ_Б, Δ_Н,) стабилизированного по крену ЛА в боковой и нормальной плоскостях управления следует учитывать, что угол ε визирования наземного объекта в вертикальной плоскости изменяется, как при управлении ЛА по курсу, так и по тангажу. Отклонение (Δε) этого угла от требуемого значения, обусловленное действием сигналов управления, формируемых в плоскости бокового управления, как и отклонение (ΔΘ) от требуемого значения угла наклона вектора скорости ЛА должно