Тема10. Автоматические системы для получения информации двухсредным аппаратом о внешних объектах в дальней и ближней зонах в гидросреде и воздушной среде.

( 2 часа, СРС – 1,5 час)

Автоматические системы для получения информации двухсредным аппаратом о внешних объектах чаще всего называют системами целеуказания (СЦУ).

Эти системы являются подсистемами комплекса бортовых автоматических систем. Назначение систем целеуказания это определение координат внешних объектов относительно ДСА. Координаты внешних объектов измеряются в связанной системе координат ДСА как показано на рис. Внешний объект находится в точке . Тогда координатами объекта в связанной системе координат будут , , . Более удобными с точки зрения определения и использования являются координаты , , . Координату называют дальностью до цели, угол – азимут цели, угол – угол места цели. Координаты , , и , , связаны следующими соотношениями , , . Системы целеуказания ДСА подразделяются на два класса. Один класс – СЦУ подводного участка движения. Другой класс – СЦУ надводного участка движения. Первоначально рассмотрим СЦУ подводного участка движения. Материальной основой для определения координат цели являются физические поля моря и аппаратура, позволяющая измерять параметры физических полей моря и по определенному алгоритму вычислять координаты цели. В плане техники определения координат цели физические поля моря разделяют на три категории. 1) Физические поля в море, создаваемые целью. Эти поля являются основой для определения координат цели. 2) Физические поля в море, создаваемые ДСА. По влиянию цели на эти физические поля на ДСА определяют координаты цели. 3) Цель в море создает физические поля, и ДСА в море создает физические поля. По влиянию физического поля, создаваемого целью, на физическое поле, создаваемое ДСА бывает возможным получить некоторую информацию о цели. Рассмотрим возможности использования полей первой категории. Наиболее важным с точки зрения определения координат цели является шумовое гидроакустическое поле. Системы ЦУ, использующие шумовое гидроакустическое поле цели, называют пассивными гидроакустическими СЦУ. Основное преимущество пассивных систем ЦУ состоит в том, что сам ДСА в меньшей степени подвержен обнаружению целью. Например, ракета «Ястреб», двигаясь по спирали с неработающим двигателем, практически не создает шумовых полей, а сама может обнаруживать поля цели. Основной недостаток СЦУ, основанный на полях первой категории, состоит в том, что невозможно определить дальность до цели из одной точки размещения ДСА. Можно определить только азимут и угол места цели . Используя при движении ДСА несколько точек отсчета и , можно определить дальность до цели. Например, для неподвижной цели как показано на рис, определяя углы , и расстояние между точками , можно рассчитать , . Однако неподвижных целей практически не бывает, а если и встречается , то определить пассивными методами пеленги ее невозможно, т.к. неподвижные объекты создают чрезвычайно малое шумовое поле. Для определения координат движущейся цели используют более двух точек отсчета пеленгов при движении ДСА. Например, если , то нужно использовать три точки отсчета. Следует иметь ввиду, что много точечный отсчет требует дополнительное время на получение информации о дальности. Точность этой информации невелика. Применяется в аппаратах с большим запасом хода (если успеет), например в ПЛ. При использовании второй категории физических полей в большинстве случаев ДСА создает вне аппарата гидроакустическое поле. Цель, попав в это поле, отражает некоторую часть энергии поля по разным направлениям в том числе и по направлению ДСА. Определив направление прихода отраженной волны, можно получить - азимут цели и -угол места цели. По длительности распространения акустической волны от ДСА до цели и от цели до ДСА определяют дальность до цели. По разности частот отраженного и излученного гидроакустических сигналов определяют радиальную скорость цели. Подобные системы целеуказания называют активными гидролокаторами. В настоящее время можно считать активные гидролокаторы самыми информативными СЦУ на подводном участке движения. Основной недостаток активных систем СЦУ состоит в том, что ДСА позволяет себя достаточно легко обнаружить. В принципе при сближении ДСА и цели обнаружение ДСА целью может произойти раньше, чем обнаружение цели двухсредным аппаратом. При использовании третьей категории физических полей цель создает в окружающей среде физическое поле и ДСА создает свое физическое поле для анализа физического поля цели. В этом случае информацию о цели получают не путем отражения волн от цели, а путем анализа физического поля, создаваемого целью. По этому принципу работают так называемые подследные системы СЦУ. Они позволяют обнаружить след, совместно с системой управления траекторией движения ДСА удерживать движение аппарата в следе и в итоге поразить цель. Наиболее развиты сейчас гидроакустические подследные СЦУ. Цель при движении за счет вращения винтов и кавитации на винтах (вихревой кавитации) оставляет за собой след с повышенной концентрацией микропузырей. Гидроакустические свойства следа отличаются от свойств окружающей среды в основном по уровню реверберационного сигнала. Контраст уровня реверберационных сигналов может быть обнаружен средствами активной гидролокации и использован в системах самонаведения. Упомянем о СЦУ на воздушном участке движения. В большинстве случаев ДСА используют электромагнитные поля самых различных диапазонов волн, начиная от радиоволн и кончая оптическим диапазоном. Используются электромагнитные поля, создаваемые целью. Первое это поля от радиотехнических средств, которыми во множестве оснащены современные цели. Второе это инфрокрасное излучение целей за счет работы энергетических установок. Третье это электромагнитное поле в оптическом диапазоне за счет естественного освещения целей дневным светом. Использование этих полей приводит к созданию пассивных СЦУ и получению информации по азимуту и углу места цели . Активные системы целеуказания в основном используют диапазон радиоволн сантиметрового диапазона – бортовые радиолокаторы. Нужно помнить, что, обладая максимальной информативностью, активные системы обладают существенным недостатком. Системы обнаружения, расположенные на цели, обнаружат ДСА раньше, чем он - цель. Поэтому нецелесообразно сразу после старта включать активную СЦУ. В начальной стадии движения нужно как можно дольше использовать предварительную информацию о цели. В настоящее время достаточно эффективно использование на начальной стадии движения ДСА информации о цели, получаемой с разведовательных спутников в процессе движения аппарата. На некоторых ДСА существуют системы СЦУ ближней зоны. Информация с этих систем используется в системах неконтактного подрыва БЧ в точках минимального сближения с целью. (если расстояние меньше допустимого). В основном это активные СЦУ с малым радиусом действия. На подводном участке движения ДСА системы СЦУ ближней зоны существуют в двух вариантах. В первом варианте - это гидроакустические СЦУ ближней зоны. Они представляют собой активный гидролокатор, работающий в высокочастотной части ультразвукового диапазона 0,75 – 1,25 мгц. На таких частотах дальность действия гидролокатора не превышает нескольких метров. Диаграмма направленности антенны гидролокатора СЦУ ближней зоны обычно симметрична относительно продольной оси аппарата и направление максимума диаграммы направленности отклонено от продольной оси примерно на 70 градусов, как показано на рисунке. Следует иметь ввиду, что гидроакустические СЦУ ближней зоны неудовлетворительно работают вблизи поверхности воды. Граница вода - воздух может быть воспринята как цель за счет почти 100% отражения гидроакустической волны от границы раздела сред. Во втором варианте - это электромагнитные СЦУ ближней зоны. Принцип действия таких систем состоит в следующем. Вокруг аппарата создается электромагнитное поле на частоте бортового электропитания (500 – 1000 гц.). Центр излучения размещается в задней части аппарата. В передней части аппарата размещается приемное устройство (катушки индуктивности). При отсутствии вблизи аппарата тел со значительно отличающимися электромагнитными свойствами приемная система настраивается так, чтобы ее выходной сигнал был близок к нулю (балансируется). Как только вблизи (несколько метров) появляется, например, стальной предмет система разбалансировывается. На выходе приемного устройства появляется значительный сигнал переменного тока , и факт обнаружения цели можно считать состоявшимся. На воздушном участке движения ДСА системы СЦУ ближней зоны в основном являются электромагнитными системами, работающими в СВЧ диапазоне электромагнитных волн. Тема 11. Наведение двухсредных аппаратов в воздушной среде и гидросреде. Телеуправление и самонаведение. Методы самонаведения.

( 2 часа, СРС – 1,5 час)

При изложении этой темы будет рассмотрено наведение ДСА на цель и законы управления, реализующие тот или иной метод наведения. Существуют пять классических методов наведения аппарата на цель. 1) Наведение по лучу. 2) Прямое наведение. 3) Наведение с упреждением. 4) Параллельное сближение. 5) Пропорциональное сближение. Эти пять классических методов непосредственно используются в реальных аппаратах или используются как основа для построения реальных методов наведения. Рассмотрим поочередно каждый из пяти классических методов наведения. Наведение по лучу. Суть наведения по лучу состоит в следующем. Рассматриваются три точки. Точка А – точка, в которой находится наводящийся аппарат. Точка С - точка, в которой находится цель. Точка N - точка, из которой визируется цель. Точка N может быть неподвижной или движущейся. Наведение аппарата А по лучу состоит в том, чтобы он оставался на линии, соединяющей точку N и точку С (см. рис.). Из точки N визируется цель - точка С (измеряется угол ), и визируется аппарат – точка А (измеряется угол ). Вычисляется . Величина передается на аппарат. Система управления траекторией движение аппарата повернет аппарат так чтобы . Если движение аппарата начинается из направления на цель, то траектория аппарата может быть представлена, как показано на рисунке. В начале наведения аппарат находится в точке 1А , а цель – в точке 1С. Встречается аппарат и цель в точке 6А ( 6С). Особенность траектории наведения по лучу характерна тем, что при отсутствуют участки с бесконечно большой угловой скоростью разворота аппарата. Исторически наведение по лучу начало использоваться на воздушном участке движения аппарата (в системах ПВО). Углы визирования и измерял радиолокатор, размещенный в точке N. Разность по радиоканалу передавалось на аппарат и использовалось в системе управления траекторией движения. При старте аппарата чаще всего , и аппарат выполнял начальный маневр прежде чем выйти кривую сближения по лучу. В настоящее время наведение по лучу используется на воздушном участке при неподвижной и подвижной точке N. На подводном участке движения аппарата непосредственно наведение по лучу не используют. Применяют похожие варианты этого метода, в частности теленаведение. Прямое наведение. Это метод сближения, при котором вектор скорости аппарата непрерывно направляется на цель. Кривую сближения при прямом наведении иногда называют кривой погони или собачьей кривой. Кривая сближения при варианте догона имеет вид Кривая сближения при варианте встречного движения имеет вид Особенность траектории сближения при прямом наведении состоит в следующем. Независимо каково сближение –встречное или вдогон, аппарат атакует цель сзади. При встречном движении аппарата и цели на заключительном участке сближения требуется большая угловая скорость разворота аппарата , а при возможно потребуется . Иначе случится промах. Реализация больших угловых скоростей разворота аппарата существенно усложняет конструкцию аппарата. Несмотря на этот недостаток метод прямого наведения широко применяется на практике. Это объясняется в основном малым объемом информации при целеуказании – необходимо знать только углы азимута и места. Метод прямого наведения применяется на воздушном и подводном участках движения. Наведение с упреждением. Это метод сближения, при котором угол между направлением скорости аппарата и направлением аппарат – цель остается постоянным. Кривая сближения при наведении с упреждением в варианте догона имеет следующий вид. Символом обозначен угол упреждения. Следует обратить внимание, что аппарат поражает цель под углом к вектору скорости цели, а не точно вдогон. Траектория сближения при встречном движении имеет вид. На этом рисунке также видно, что аппарат сближается с целью не сзади, а вообще с передней полусферы. Параметры траектории на участке атаки зависят от и углов и . Возможно даже бесконечно большое значение угловой скорости разворота аппарата при атаке ( ). Это возможно при . В случае можно подобрать такой угол упреждения , который не вызывает бесконечно большой угловой скорости разворота. Следует иметь ввиду, что при аппарат вообще не попадет в цель, а будет совершать движение вокруг цели. Параллельное сближение. Это метод сближения, при котором направление аппарат – цель остается в пространстве неизменным. Для прямолинейного движения цели метод параллельного сближения является частным случаем наведения с упреждением. Часто этот метод называют наведением в упрежденную точку. Пропорциональное сближение. Это метод сближения, при котором угловая скорость вращения вектора скорости аппарата пропорциональна угловой скорости вращения линии аппарат – цель. Для написания уравнений движения воспользуемся следующим рисунком В соответствии с приведенным рисунком для и имеем , ,

. Первое уравнение представляет продольную скорость расстояния между целью и аппаратом. Второе – поперечную скорость расстояния между целью и аппаратом. Третье уравнение описывает зависимость, указанную в определении метода пропорционального сближения. Интегрируя третье уравнение, получим , где начальное значение угла . Если принять и , то получим прямое наведение. Если принять и , то получим прямое наведение с упреждением. Если принять , то будем иметь параллельное сближение. Приведенные уравнения имеют аналитическое решение только для . В других случаях исследования требуется проводить только в численном виде.

131