СПОСОБ САМОНАВЕДЕНИЯ СТУПЕНИ ПЕРЕХВАТА Российский патент 2001 года по МПК F41G7/22 

Изобретение относится к способам самонаведения ступени перехвата (СП) на цель, движущуюся под воздействием гравитационного поля Земли. Предполагается, что действие других сил пренебрежимо мало по сравнению с силой тяжести. Изобретение относится к способам самонаведения, использующим при наведении информацию о дальности до цели, угловой скорости линии визирования (ЛВ) и обеспечивающим поражение малоразмерных целей прямым попаданием. Измерение дальности производится на основе оценки влияния на угловые перемещения ЛВ импульсов тяги, прикладываемых к СП.

Способ также применим для управления СП, выпущенными по целям, осуществляющим такой маневр, который не приводит к существенному отклонению истинной скорости сближения цели и СП от априорно задаваемой на конец перехвата скорости сближения.

Способ применим для СП, управляющее усилие которых создается реактивными многоразовыми двигателями.

Предполагается, что получение угломерной информации с борта СП осуществляется при помощи пассивных матричных фотоприемных устройств.

Наиболее широко для автономного наведения СП используется принцип пропорциональной навигации [1, 2]. Для реализации данного принципа наведения с борта СП необходимо и достаточно измерять угловую скорость ЛВ СП - цель. При реализации данного способа наведения в основном принимается, что измерение угловой скорости ЛВ производится при помощи пассивных либо радиолокационных, либо оптических средств. Управляющее ускорение СП, в соответствии с принципом пропорциональной навигации, определяется по выражению:
a = N₀V_ϕ, (I)
где N - навигационная константа;
V - скорость сближения;
ϕ - угловая скорость вращения ЛВ "СП - цель".

Если на борту СП кроме информации о угловых перемещениях ЛВ имеется информация о текущей дальности до цели, скорости сближения с целью, то это дает возможность существенно улучшить динамику СП. Наличие данной информации позволяет хорошо прогнозировать текущее значение пролета на участках сближения СП и цели, когда за время сближения цель за счет собственного ускорения не сможет существенно повлиять на величину пролета. В [3] представлен способ наведения СП на конечной стадии перехвата при помощи одноразового твердотопливного реактивного двигателя с заданной величиной тяги. В соответствии с данным способом наведения двигательная установка ДУ включается в момент, когда располагаемая энергетика СП достаточна для погашения промаха, определенного на основе информации о угловых перемещениях ЛВ и либо априорно задаваемых значений дальности до цели и скорости сближения, либо поступающих на борт незадолго до включения ДУ.

При отсутствии информации о сигнальных характеристиках цели измерение дальности до цели производится при помощи активных средств. Известны способы активного определения дальности до цели с борта СП при помощи лазерных и радиолокационных систем [4], [5].

Пассивные оптические инфракрасные системы с матричными фотоприемными устройствами, измеряющими угловую скорость ЛВ с борта перехватчика, обладают дискретностью измерений угловых перемещений ЛВ на некотором интервале времени [6] . Поэтому на этом интервале времени измеренное бортовой аппаратурой перехватчика значение угловой скорости ЛВ будет оставаться постоянным. И, следовательно, на этом интервале времени будет постоянным управляющее ускорение, которое определяется по формуле (I). А это, как показывают исследования, не позволяет добиться прямого попадания в малоразмерную цель.

Кроме этого, при наведении на слабо или не маневрирующую цель методом пропорциональной навигации тратится излишне много топлива на компенсацию начального промаха. Так, если бы на начало наведения была информация о значении промаха, то можно было его или часть его скомпенсировать на начальной стадии наведения. В случае наведения по методу пропорциональной навигации компенсация промаха растягивается на весь процесс наведения. Ясно, что при этом тратится больше топлива на компенсацию одного и того же промаха при прочих равных условиях (скорость сближения, начальная дальность между СП и целью), чем в случае компенсации большей части промаха в начале наведения.

Для определения текущего значения мгновенного промаха и соответственно для определения длительности импульса тяги, потребного для компенсации данного мгновенного промаха, с борта СП необходимо, кроме угломерной информации о движении ЛВ, измерять дальность до цели и скорость сближения с целью. Под текущим мгновенным промахом здесь понимается минимальное расстояние между СП и целью, которое будет получено, если с данного момента относительная скорость цели будет постоянна по модулю, и будет равномерно вращаться под действием относительного ускорения, связанного с действием гравитационного ускорения Земли. При наведении на не маневрирующую или слабо маневрирующую цель, движущуюся под действием гравитационного поля тяготения, такое предположение позволяет с достаточной для прямого попадания точностью определять значение мгновенного промаха на дальностях захвата цели инфракрасной угломерной аппаратурой СП. В способе наведения [3] скорость сближения и дальность до цели задается априорно, исходя из условий применения СП. Погрешности измерений координат цели до пуска СП неизбежно приведут к отличиям априорно задаваемых значений скорости сближения дальности до цели от реальных значений этих параметров. Соответственно это приводит к таким величинам промахов, которые не позволяют говорить о поражении малоразмерных целей.

Использование активных систем для измерения с борта СП дальности приводит к росту массы бортовой аппаратуры и массы самой СП относительно массы СП, с борта которой измеряются только угловые перемещения ЛВ при помощи пассивной инфракрасной системы. Рост массы СП при прочих равных условиях приводит к ухудшению маневренных характеристик перехватчика и соответственно уменьшает максимальное значение промаха, которое может скомпенсировать СП.

В [7] представлен способ измерения дальности и соответственно скорости сближения без использования активных средств. Измерение дальности производится с использованием угломерной информации о перемещении ЛВ, получаемой с использованием пассивных средств. Определение дальности производится в результате решения оптимизационной задачи по минимизации суммы квадрата невязки между измеренными значениями углов перемещения ЛВ и рассчитанными значениями углов перемещения. Расчет значений углов перемещения углов ЛВ осуществляется на основе известных значений собственных координат СП, ее ускорений, угловых координат ЛВ относительно связанной с СП системы координат. При работе данного алгоритма предполагается, что на СП непрерывно действует управляющее ускорение, величина которого измеряется инерциальным блоком и используется в численном алгоритме определения дальности. В соответствии с данным алгоритмом измерение угловых перемещений ЛВ производится с борта СП в непрерывном режиме. Вне зависимости от того работают двигатели перехватчика или нет.

В соответствии со способом [7] определение дальности до цели производится на протяжении всего полета перехватчика по одному алгоритму. Не предполагается разделения на участок дальнего и ближнего наведения.

Способ, представленный в [7], выбран в качестве прототипа.

Так как управляющее ускорение СП достигает значительных величин, то измерение угловых перемещений ЛВ во время работы двигательной установки (ДУ) СП приводит к росту погрешностей измеренных значений углов перемещения ЛВ. Погрешности в измерениях углов перемещения ЛВ связаны с вибрацией корпуса СП во время работы ДУ. С другой стороны для обеспечения требований по поражению малоразмерных целей необходимо обеспечить высокоточное определение углов перемещения ЛВ. Поэтому ухудшение точности измерений углов перемещения ЛВ приведет к снижению точности расчетов по определению дальности до цели и соответственно снизит точность определения, потребного для погашения текущего промаха значения ускорения перехватчика. В итоге погрешности в измерениях углов перемещения ЛВ приводят к таким значениям промахов, что нельзя говорить об эффективном поражении малоразмерных целей.

Решаемая техническая задача заключается в повышении точности самонаведения за счет исключения влияния на погрешности измерения угловых перемещений ЛВ ускорений, создаваемых ДУ СП и определяемых по ним дальности до цели и скорости сближения, а также потребной длительности импульса тяги ДУ СП, обеспечивающей компенсацию текущего промаха.

Ожидаемый от реализации технический результат состоит в обеспечении преимущественно прямого попадания в малоразмерную цель и одновременном снижении массы СП за счет отсутствия дальномерной аппаратуры.

Предполагается, что наведение СП состоит из двух этапов. Первый - дальнее наведение. На данном этапе производят циклическое определение дальности до цели и скорости сближения СП с целью. В соответствии с определенными значениями дальности до цели и скорости сближения с целью производят определение потребной для компенсации текущего мгновенного промаха длительности импульса тяги двигательной установки СП. Второй - ближнее наведение. На данном этапе для расчета дальности до цели и потребной длительности импульса тяги используют значение скорости сближения, полученной на первом этапе.

Способ самонаведения СП заключается в измерении углов перемещения ЛВ и времени перемещения (f_пер) на эти углы, последующем расчетном определении значений скорости сближения с целью (V_сбл) и дальности до цели (S_ц) с учетом измеренных изменений углового положения ЛВ. Способ отличается тем, что наведение производят в два этапа с сообщением СП импульсов тяги, необходимых для компенсации текущего промаха, а измерение углов перемещения ЛВ и t_пер, определение значений V_сбл, S_ц производят до приложения импульса тяги и после него. Это позволяет проводить измерение углов перемещения ЛВ с большей точностью и соответственно увеличивать точность определения V_сбл, S_ц и, как следствие, увеличивать точность самонаведения СП. На этапе дальнего наведения первый импульс тяги сообщают заданной величины и длительности, а последующие определяют по вычисленным значениям V_сбл, S_ц и угла между вектором относительной скорости и дальности. Измерения и вычисления на этапе дальнего самонаведения выполняются до выполнения условия пребывания ЛВ в пределах заданного угла в течение заданного интервала времени. Данные параметры задаются априорно, исходя из условий применения СП. При выполнении условия осуществляют переход на ближнее наведение. На этапе ближнего наведения определяют дальность до цели S_ц на основе известного значения V_сбл, полученного на этапе дальнего наведения, и повторяют измерение угла перемещения ЛВ и t_пер, определение S_ц вычисление импульса тяги и сообщение его СП.

Перечень фигур графического изображения
На фиг. 1 схема относительного движения цели иллюстрирует способ определения дальности S_ц и скорости сближения V_сбл по угломерной информации, полученной до и после приложения импульса тяги ДУ перехватчика.

На фиг. 2 схема относительного движения иллюстрирует определение дальности на этапе ближнего наведения.

Измерение дальности до цели производят на основе измерений угловых перемещений ЛВ и времен перемещения ЛВ на эти углы. В качестве иллюстрации работы способа определения дальности на фиг.1 представлена упрощенная схема движения цели относительно СП. Схема составлена в соответствии с предположением, что вектор относительной скорости цели не изменяется по модулю и равномерно вращается на участке оценки дальности до цели.

Обозначения, представленные на фиг.1, имеют следующий смысл: R₁, R₂, R₃, R₁₁, R₂₁, R₃₁ - дальности до цели в моменты фиксации с борта перехватчика положений ЛВ;
ϕ₁,ϕ₂,ϕ₁₁,ϕ₂₁ - измеряемые с борта перехватчика углы перемещения ЛВ;
δβ₁,δβ₃,δβ₁₁ - углы между вектором относительной скорости цели и вектором дальности;
S, E - точки начала и конца приложения вектора тяги перехватчика к вектору относительной скорости цели;
1-S-E-2 - участок относительной траектории, на котором производится измерение дальности до цели и скорость сближения.

Ниже представлены зависимости, в соответствии с которыми производится определение дальности до цели. Вывод зависимостей осуществлялся в соответствии со следующими предположениями:
- модуль вектора относительной скорости постоянен на участке 1-S-E-2;
- углы ϕ₁,ϕ₂,ϕ₁₁,ϕ₂₁, δβ₁,δβ₃,δβ₁₁ малы, и можно принять, что синус данных углов равен самому углу в радианах, а косинус равен единице;
- вектор тяги перпендикулярен вектору относительной скорости на участке приложения тяги к вектору скорости перехватчика;
- предполагается, что тяга ДУ СП бесконечно быстро включается и выключается;
- масса СП остается постоянной на участке подачи импульса ДУ;
- на борту СП имеется информация о собственном положении в некоторой инерциальной системе координат.

Способ определения дальности состоит из следующих этапов.

1. С борта СП производят измерение углов перемещения ЛВ ϕ₁,ϕ₂ и времен перемещения τ₁,τ₂ ЛВ на углы (см. фиг.1) ϕ₁ϕ₁+ϕ₂. Получение данной информации с борта СП осуществляют при пассивном движении СП (при выключенной ДУ).

2. В точке S к СП прикладывают импульс тяги с характеристиками (длительность τ_imp и величина тяги P), которые запоминают на борту СП.

3. В точке E двигательную установку выключают. Измеряют углы перемещения ЛВ ϕ₁₁,ϕ₂₁ и времена перемещения τ₁₁,τ₂₁ на углы ЛВ ϕ₁₁,ϕ₂₁+ϕ₁₁ (см. фиг. 1) соответственно.

4. На борту СП осуществляют численную процедуру, результатом которой является значение скорости сближения и дальности до цели в точке 2 (см. фиг. 1). Численная процедура включает в себя следующие этапы.

4а. Для точки 1 задают некоторое значение дальности до цели Rl_i в точке 1, лежащее в априорно заданном интервале.

4b. Так как на борту СП имеется информация о собственном положении в некоторой инерциальной системе координат, то вычисляют относительное гравитационное ускорение , нормальное к ЛВ. Вектор определяют в результате проектирования вектора относительного гравитационного ускорения на плоскость перпендикулярную вектору Вектор определяют в соответствии с выражением:

где - вектор, определяющий положение перехватчика в геоцентрической, инерциальной системе координат;
- вектор гравитационного ускорения, действующего на СП;
- итерационно задаваемый вектор дальности между перехватчиком и целью.

Вектор определяют в соответствии с выражением:

где Rl_i - итерационно задаваемое значение дальности до цели в точке 1;
- единичный вектор, определяющий направление с СП на цель.

Единичный вектор определяют на борту СП на основе измерений углового положения цели относительного СП.

4с. На основе полученной угломерной и временной информации определяют значение относительной скорости цели V_отн и угол δβ₃. Значение относительной скорости определяют по формуле:

Значение угла δβ_3/ определяют в соответствии с выражением:

где V_отн - значение относительной скорости, определенное по формуле (3).

4d. Определяют значение угла δβ₁₁ (см. фиг. 1) по формуле:

где U_n = p/m - ускорение, нормальное к относительной скорости и создаваемое ДУ СП;
m - масса СП на момент включения ДУ;
P - тяга ДУ СП.

4е. Вычисляют дальность до цели на момент выключения ДУ СП:
R_*= R_1i-V_отн(τ₁+τ₂+τ_imp); (7)
4f. Повторяют процедуру 4b, по определению нормальной к вектору относительной скорости, составляющей относительного ускорения A_n2. В процедуре 4b вместо значения Rl_i используют значение дальности до цели, определенное по формуле (7).

4g. По формуле (4) определяют значение относительной скорости сближения V_отн2 с учетом следующих замен:
A_n------A_n2;
ϕ₁,ϕ₂---------ϕ₁₁,ϕ_21;
τ₁,τ₂---------τ₁₁,τ₂₁;
Rl_i -------R_*.

4h. Определяют значение угловой скорости ЛВ в точке Е, соответствующее измерениям, проведенным после приложения импульса тяги:

где

4I. Значение угловой скорости ЛВ, вычисленное по формуле (8), определяют по формуле:

4j. Минимизируют разность

до выполнения условия
E < eps, (12)
где eps - задаваемая точность расчетов.

Минимизацию разности производят в процессе вариаций значения дальности Rl_i и пересчете с новым значением дальности по пунктам 4b-4j до выполнения условия (12).

4k. Определяют значение дальности до цели R₃₁, угла между вектором относительной скорости и вектором дальности δβ₃₁. Определение этих значений производится по формулам:
R₃₁ = R_* - V_отн τ₂₁;

Определение значения относительной скорости в точке 2 производится автоматически в процессе итераций по пунктам 4a-4j.

5. С обновленными значениями скорости сближения, дальности до цели и угла между вектором относительной скорости и дальности производят вычисление потребного для компенсации текущего значения промаха импульса тяги. Вычисление потребного импульса тяги производят по формуле:

После отработки двигателем длительности импульса тяги, определенной по формуле (14), СП переходит в режим проведения угловых измерений. После того как произведут измерения следующих двух углов между соседними положениями ЛВ и времен перемещения, повторяют всю процедуру уточнения дальности и скорости сближения (пункты 1-5).

Переключение на ближнее наведение осуществляют при выполнении определенного критерия. Критерием является значение временного интервала τ_nop, в течение которого ЛВ пребывает в пределах задаваемого угла ϕ_nop. Если время пребывания ЛВ в пределах заданного угла ϕ_nop больше то производят переход на ближнее наведение. Значения параметров ϕ_nop и τ_nop определяют для конкретной начальной кинематики треугольника встречи.

На этапе ближнего наведения дальность определяют на основе значения скорости сближения, полученной на этапе дальнего наведения. Значения скорости сближения фиксируют на протяжении всего участка ближнего наведения. Алгоритм ближнего наведения можно использовать и в случаях, когда априорно задаваемая скорость сближения на конец перехвата незначительно отличается от реальной скорости сближения. Предполагают, что на этапе ближнего наведения можно пренебречь действием гравитационного ускорения на вектор относительной скорости цели. С учетом этого допущения дальность до цели определяют следующим образом.

1. С борта СП производят измерение двух углов перемещения ЛВ ϕ₁,ϕ₂ и времен перемещения τ₁,τ₂ ЛВ на углы ϕ₁ϕ₁+ϕ₂ (см. фиг. 2) соответственно. Получение данной информации с борта СП осуществляют при пассивном движении СП.

2. С учетом угломерной информации и информации о скорости сближения производят определение дальности до цели. Дальность до цели в конце цикла измерений R₃ определяют по формуле:

3. Определяют угол δβ₃ между вектором относительной скорости и вектором дальности в конце цикла измерений:

4. Определяют длительность импульса тяги, компенсирующего текущий промах. Длительность импульса определяют по формуле (14). При этом в формуле (14) производят следующие замены:
V_отн2 ----- V_отн
δβ₃₁------------δβ₃.
R₃₁ ------ R₃
Во время ближнего наведения на борту СП циклически повторяют вышеуказанные пункты 1-4.

Источники информации
1. А.А Лебедев, Л.С. Чернобровкин. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М., Машиностроение. 1973. - 615 с., ил. Стр. 1.

2. Под ред. Е.А. Федосова. Проектирование систем наведения. М., Машиностроение. 1975. - 295 с., ил. Стр. 1.

3. Патент России N 2021577, F 41 G 7/22, опубл. 15.10.94, БИ N 19. Стр. 2, 4.

4. Ю. М. Казаринов и др. Радиотехнические системы. М., Советское радио. 1968, 496 с., ил. Стр. 3.

5. P. Межерис. Лазерное дистанционное зондирование. М., Мир. 1987. Стр. 5.

6. Ю. М. Астапов, Д.В. Васильев, Ю.И. Заложенов. Теория оптико-электронных систем. М., Наука. 1988, 326 с., ил. Стр. 3.

7. Патент США N 5660355, F 42 B 15/01, опубл. 1997. Стр. 7.

Изобретение относится к способам самонаведения ступени перехвата (СП) на цель, движущуюся под воздействием гравитационного поля Земли. Способ дальнего и ближнего наведения СП обеспечивает преимущественно прямое ее попадание в малоразмерную цель за счет увеличения точности измерений углов перемещения линии визирования, а также снижение массы СП за счет отсутствия дальномерной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что наведение производят в два этапа с сообщением СП импульсов тяги, необходимых для компенсации текущего промаха, а измерение углов перемещения линии визирования и времен перемещения, определение значений скорости сближения и дальности до цели производят до приложения импульса тяги и после него. На этапе дальнего наведения первый импульс тяги сообщают заданной величины и длительности, а последующие определяют по вычисленным значениям скорости сближения и дальности до цели и угла между вектором относительной скорости и дальности. Этап дальнего наведения осуществляют до выполнения условия пребывания ЛВ в пределах заданного угла в течение заданного интервала времени. На этапе ближнего наведения определяют дальность до цели на основе известного значения скорости сближения, полученного на этапе дальнего наведения, и повторяют измерение углов перемещения линии визирования и времен перемещения линии визирования на эти углы, вычисляют импульс тяги и сообщают его СП. 2 ил.

Способ самонаведения ступени перехвата (СП), заключающийся в измерении углов перемещения линии визирования (ЛВ) и времен перемещения (t_пер) на эти углы, последующем расчетном определении значений скорости сближения (V_сбл) и дальности до цели (S_ц) с учетом измеренных изменений углового положения ЛВ, отличающийся тем, что наведение производят в два этапа с сообщением СП импульсов тяги, необходимых для компенсации текущего промаха, а измерение углов перемещения ЛВ и t_пер, определение значений V_сбл и S_ц производят до приложения импульса тяги и после него, причем на этапе дальнего наведения первый импульс тяги сообщают заданной величины и длительности, а последующие определяют по вычисленным значениям V_сбл, S_ц и угла между вектором относительной скорости и дальности и повторяют измерение и вычисления до выполнения условия пребывания ЛВ в пределах заданного угла в течение заданного интервала времени, после чего на этапе ближнего наведения определяют дальность до цели на основе постоянной V_сбл, полученной на этапе дальнего наведения, и повторяют измерение угла перемещения ЛВ и t_пер, определение значения S_ц, вычисление импульса тяги и сообщение его СП.