Методы определения местоположения ЛА

Радиотехнические методы внешнетраекторных измерений

Аппаратура внешнетраекторных измерений, основанная на радиотехническом принципе, по сравнению с оптической обладает большей дальностью слежения и более универсальна. Она позволяет определять не только угловые координаты ЛА, но и дальность до объекта, его скорость, направляющие косинусы линии дальности и т.д.

Измерение дальности в радиотехнических системах сводится к определению времени задержки t_D прихода излучаемых или отраженных радиосигналов, которые пропорциональны дальности

D=ct_D,

где с =3×10⁸ м/с — скорость распространения радиоволн.

В зависимости от вида используемого сигнала определение t_D может производиться измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига, относительно опорного сигнала. Наибольшее практическое применение нашли импульсный (временной) и фазовой методы. В каждом из них измерение дальности может осуществляться как беззапросным, так и запросным способом. В первом случае дальность D=ct_D, во втором — D=0,5ct_D.

При беззапросном импульсном методе на борту ЛА и на Земле устанавливаются высокоточные хронизаторы х₁ и х₂, синхронизируемые перед запуском (Рис. 9.5). В соответствии с импульсами u₁ хронизатора х₁ бортовой передатчик П излучает импульсные сигналы с периодом Т. Наземное приемное устройство П_р принимает их через t_D=D/c. Интервал t_D между импульсами наземного хронизатора u₂ и импульсами u₁ на выходе приемника соответствует измеряемой дальности.

При запросном импульсном методе сигнал посылается наземным передатчиком, принимается бортовым приемником и ретранслируется обратно.

Рис. 9.5. Принцип измерения дальности импульсным беззапросным методом.

Точность этих методов повышается с увеличением частоты импульсов.

Фазовый метод измерения дальности заключается в том, что запаздывание сигнала определяется по фазовому сдвигу между запросным и ответным сигналом (Рис. 9.6).

Рис. 9.6. Фазовый метод измерения дальности

Наземный передатчик излучает колебания:

u₁=A₁sin(w₀t+j₀)=A₁sinj₁,

где А₁ — амплитуда,

w₀ — круговая частота,

j₀ — начальная фаза,

j₁ — фаза колебаний сигнала.

Бортовая аппаратура ретранслирует сигнал u₁, а наземный приемник принимает сигнал

u₂=A₂sin[w₀(t+t_D)+j₀+j_A]=A₂sinj₂,

где j_А — фазовый сдвиг, обусловленный прохождением сигнала в аппаратуре, определяемый расчетным или экспериментальным путем.

Изменение фазы колебаний сигнала u₂ относительно u₁ определяется отношением:

j_D=j₂-j₁=w₀t_D=LpD/(T₀c),

откуда дальность

где l₀ — длина волны.

При измерении угловых параметров движения ЛА радиотехническими средствами наибольшее распространение получили амплитудные и фазовые методы.

Амплитудный метод основан на сравнении амплитуд сигналов при различных положениях передающей или принимающей антенны. При этом возможны два варианта выполнения угломерных систем: амплитудные пеленгаторы и маяки. В первом случае передающее устройство П располагается на ЛА, а диаграмма направленности наземного приемного устройства П_р периодически занимает положение I или II (Рис. 9.7).

Рис. 9.7. Амплитудный метод измерения угловых параметров

Если угол a =0, то уровень сигнала при обоих положениях диаграммы направленности будет одинаковым. Если a ¹0, то амплитуды сигналов будут различны, и по их разности можно вычислить угловое положение ЛА.

В том случае, когда информацией об угловом положении надо располагать на борту ЛА, применяют амплитудный маяк. Для этого на земле устанавливается передатчик, а диаграмма направленности наземной антенны сканирует, периодически занимая положения I и II. Сравнивая амплитуды сигналов, принимаемых бортовым приемником, определяется угловое положение ЛА.

Фазовый метод основан на измерении разности расстояний от ЛА до двух базисных точек О₁ и О₂ (Рис. 9.8).

Рис. 9.8. Фазовый метод определения угловых параметров

При этом расстояния до объекта R₁ и R₂ определяются по разности фаз Dj гармонических колебаний, излучаемых источником, расположенном в пунктах О₁ и О₂. Косинус направляющего угла q определяется:

где В — расстояние между пунктами О₁ и О₂.

Примером комплекса внешнетраекторных измерений, применяемом в полигонной практике, может служить система «Трасса» (Рис. 9.10). Данная аппаратура, разработанная и выпускаемая СКБ измерительной аппаратуры НТИИМ, использует координатно-угломеро-базовый принцип.

Она состоит из двух следящих телевизионных теодолитов 1, системы управления 2, системы синхронизации единого времени 3, системы регистрации и обработки информации 4. Система «Трасса» позволяет получать информацию о координатах, скорости, коэффициенте лобового сопротивления, а также наблюдать поведение объекта на экране монитора.

Рис. 9.10. Система внешнетраекторных измерений “Трасса”:

1-следящий телевизионный теодолит; 2-система управления; 3-система синхронизации единого времени; 4-системы регистрации и обработки информации

Основные характеристики системы «Трасса» приведены ниже:

— погрешность измерения угловых координат при угле места до 60 град:

- в статике - 15 угл.сек

- в динамике - 30 угл.сек,

— максимальные параметры сопровождения объекта

- угловая скорость - 50 град/сек,

- угловое ускорение - 50 град/сек²,

— частота регистрации угловых координат изображений объекта – 25-50 кадров/сек.

Важнейшей задачей внешнебаллистических исследований является определение пространственного местоположения центра масс ЛА, которое однозначно определяется тремя пространственными координатами. При этом в навигации используются понятия поверхностей и линий положения.

Под поверхностью положения понимают геометрическое место точек местоположения ЛА в пространстве, характеризуемое постоянным значением измеряемого навигационного параметра (например, угла места, угла азимута, дальности и т.п.). Под линией положения, понимают пересечение двух поверхностей положения.

Положение точки в пространстве может быть определено пересечением двух линий положения, трех поверхностей положения и линии положения с поверхностью положения.

В соответствии с видом измеряемых параметров различают следующие пять методов определения местоположения ЛА: угломерный, дальномерный, суммарно и разностно-дальномерный и комбинированный.

Угломерный метод основан на одновременном измерении углов визирования ЛА из двух различных точек. Он может быть основан как на оптическом, так и на радиотехническом принципах.

При кинотеодолитном методе поверхностью наложения при a=const является вертикальная плоскость, а поверхностью положения при b=const — круговой конус с вершиной в точке О (Рис. 9.11, а).

Рис. 9.11. Определение координат объекта кинотеодолитным методом,

а) поверхность и линия положения, б) схема определения координат

Пересечение их определяет линию положения, совпадающую с образующей конуса. Следовательно для определения местоположения ЛА необходимо определить координаты точки пересечения двух линий положения OF₁ и OF₂ (Рис. 9.11, б), полученных одновременно с двух измерительных пунктов О₁ и О₂.

В соответствии с рассматриваемой схемой координаты ЛА определяются по формулам:

где В — расстояние между измерительными пунктами,

R — радиус Земли в данной местности.

При использовании дальномерного метода координаты ЛА определяются точкой пересечения трех сферических поверхностей положения с радиусами, равными дальности D. Однако при этом возникает неопределенность, связанная с тем, что три сферы имеют две точки пересечения, для исключения которой используют дополнительные способы ориентирования.

Разностно и суммарно-дальномерный метод основан на определении разности или суммы дальностей от ЛА до двух измерительных пунктов. В первом случае поверхностью положения является двухполостной гиперболоид и для определения координат объекта необходимо иметь еще одну (ведущую) станцию. Во втором случае поверхность положения имеет вид эллипсоида.

Комбинированный метод обычно используется в радиолокационных системах, когда местоположение ЛА определяется как точка пересечения сферической поверхности положения с радиусом равным дальности (D=const), конической поверхности положения (b=const) и вертикальной поверхности положения (a=const).

Доплеровский метод определения скорости и местоположения ЛА основан на эффекте изменения частоты несущего сигнала, излучаемого передатчиком и воспринимаемого приемным устройством в зависимости от скорости их относительного перемещения:

F_д=¦_пр-¦₀,

где F_д — частота Доплера,

¦_пр — частота принимаемого сигнала,

¦₀ — частота передаваемого сигнала.

Измерение частоты Доплера может быть проведено беззапросным или запросным методом. При беззапросном методе радиальная скорость ЛА при длине волны сигнала l₀, определяется:

V_r=F_дl₀,

при запросном методе:

V_r=F_дl₀/2.

Для определения дальности следует проинтегрировать результаты измерения скорости полета за время движения объекта от начальной точки. При расчете координат используются зависимости для суммарно-дальномерных систем.

Схемы определения параметров ЛА, основанные на эффекте Доплера, приведены на рисунке 9.12.

а) б)

Рис. 9.12. Схема определения координат ЛА доплеровским методом:

а) без ретрансляции сигналов, б) с ретрансляцией сигналов

При проведении внешнетраекторных измерений движения ЛА малых размеров (пуль, артиллерийских и реактивных снарядов) используются доплеровские полигонные радиолокационные станции ДС 104, ДС 204, ДС 304 изготавливаемые НТИИМ.

Рис. 9.13. Доплеровские полигонные радиолокационные станции

ДС 104, ДС 204, ДС 304

Они используют запросный метод и позволяют определять скорости на любом участке траектории, текущие координаты в вертикальной плоскости, вычислять ускорения, числа Маха, коэффициент лобового сопротивления, средние и срединные отклонения начальной скорости в группе выстрелов.

Основные технические характеристики станции ДС 304 следующие:

— минимальный калибр - 5мм,

— диапазон скоростей - 50 – 2000 м/с,

— дальность действия - 50000 м,

— погрешность измерения скорости - 0,1%,

— частота зондирующего сигнала - 10,5 ГГц,

— уровень генерируемой мощности сигнала - 400 мВт.

Дата добавления: 2014-01-07