УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ НАБЛЮДАЕМОГО ФЕРРОМАГНИТНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2022 года по МПК G05D1/12 G01C21/00 G01V3/08 G01R33/02 

Изобретение относится к устройствам для определения координат и параметров движения ферромагнитных объектов, обладающих магнитным полем, например, имеющих ферромагнитный корпус из железа, стали, обладающий намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля [1].

Известно устройство для измерения координат и определения параметров движения обнаруженного и наблюдаемого объекта (цели) - система самонаведения, являющееся прототипом изобретения [2, с. 158-162]. Ею оснащается подвижный наблюдающий объект (ракета или торпеда) для обнаружения и наблюдения движущейся цели и наведения на нее в процессе наблюдения. Система самонаведения имеет координатор цели в виде угломера, измеряющего только направление на цель, или локатора, измеряющего направление и дистанцию до цели.

Системы самонаведения бывают [2, с. 158-159]:

- в зависимости от характера воспринимаемой энергии - радиотехническими, тепловыми, световыми и акустическими;

- в зависимости от места расположения первичного источника энергии - активными, полу активными и пассивными.

Системы самонаведения реализуют различные методы наведения: погони, прямого наведения, наведения с постоянным углом упреждения или с последовательными упреждениями, различающиеся ориентацией вектора скорости ракеты или торпеды относительно линии визирования обнаруженной и наблюдаемой цели [1, с. 162]. Расчет параметров сложной траектории их наведения обеспечивает счетно-решающий прибор, входящий в состав системы самонаведения.

Недостатком существующих систем самонаведения является их подверженность искусственным помехам со стороны цели, в результате воздействия которых координаты наблюдаемой цели не измеряются и вектор ее скорости не определяется.

Целью изобретения является разработка не подверженного помехам устройства, служащего для определения координат и параметров движения обладающего магнитным полем ферромагнитного объекта и предназначенного для оснащения подвижного наблюдающего (инспектирующего) объекта. Не подверженность помехам достигается, в частности, использованием для наблюдения за ферромагнитным объектом модульного магнитометра, поскольку присущие таким объектам характеристики магнитного поля трудно или невозможно изменить [1].

Поставленная цель достигается благодаря тому, что для оснащения подвижного наблюдающего объекта предлагается устройство для определения координат и параметров движения наблюдаемого ферромагнитного объекта, включающее координатор наблюдаемого объекта и счетно-решающий прибор, отличающееся тем, что, вместо координатора наблюдаемого объекта используются модульный магнитометр и прибор-диспетчер.

Модульный магнитометр необходим для физического обнаружения и наблюдения подвижным наблюдающим объектом искомого ферромагнитного объекта и замера модуля вектора магнитной индукции его магнитного поля.

Прибор-диспетчер обеспечивает выполнение условий для наиболее точного определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта, для чего он:

- выдает управляющий сигнал в бортовую систему управления наблюдающего объекта для необходимых изменений его курса и скорости, величина и знак которых обеспечивают повышение точности расчета счетно-решающим прибором координат и параметров движения наблюдаемого объекта;

- определяет число необходимых измерений модуля вектора магнитной индукции объекта магнитометром, обеспечивающих заданную точность расчета счетно-решающим прибором координат и параметров движения наблюдаемого объекта;

- инициирует выдачу данных в счетно-решающий прибор для расчета курса и скорости наблюдающего объекта для выполнения заданного маневра относительно наблюдаемого объекта, например, сближения с ним на заданное расстояние или вплотную.

Точность расчета координат и параметров движения наблюдаемого магнитометром объекта зависит от:

- величины модуля вектора магнитной индукции магнитного поля наблюдаемого объекта, определяемой магнитной массой объекта и расстоянием до него;

- величины и знака изменения курса и/или скорости наблюдающего объекта в период выполнения замеров магнитного поля обнаруженного объекта;

- числа выполненных измерений модуля вектора магнитной индукции магнитного поля обнаруженного объекта.

Признаком точности определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта в предположении о его движении постоянными курсом и скоростью является малое изменение расчетных значений параметров движения по мере выполнения измерений модуля вектора магнитной индукции.

Счетно-решающий прибор предназначен для определения:

- координат и параметров движения наблюдаемого объекта;

- траектории подвижного наблюдающего объекта для выполнения заданного маневра относительно наблюдаемого объекта, например, сближения с ним на заданное расстояние или вплотную.

Определение координат и параметров движения наблюдаемого объекта осуществляется путем их вычисления счетно-решающим прибором в результате решения систему уравнений баланса относительного положения и перемещения наблюдающего и наблюдаемого объектов и закона изменения модуля вектора магнитной индукции с изменением расстояния между объектами.

Для расчета координат и параметров движения наблюдаемого объекта выполняется не менее пяти измерений модульным магнитометром модуля вектора магнитной индукции в произвольных точках траектории наблюдающего объекта с хотя бы одним изменением его курса и/или скорости.

Решение системы уравнений баланса относительного положения и перемещения наблюдающего и наблюдаемого объектов и закона изменения модуля вектора магнитной индукции с изменением расстояния между объектами включает следующее.

Известно, что уровень модуля вектора магнитной индукции подчиняется закону Био-Савара-Лапласа [1]:

где r - текущее расстояние (дистанция) между объектами;

k - некоторый коэффициент.

Знание соотношения (1) позволяет составить систему уравнений, связывающих измерения модуля H_i, вектора магнитной индукции в нескольких точках (i=1, …, N) траектории наблюдающего объекта с координатами (x_i, y_i) наблюдающего объекта и координатами (X_z,i, Y_z,i) наблюдаемого объекта. Первое траекторное измерение i=1 при нахождении наблюдающего объекта в точке с координатами (х₁, у₁) приводит к уравнению:

где X_z,0, Y_z,0 - начальные координаты обнаруженного подвижного объекта в момент t₁=0 первого измерения его модуля вектора магнитной индукции.

Второе уравнение для другой точки i=2 (х₂, у₂) с учетом движения объектов имеет вид:

В целом N измерений приводят к системе уравнений:

где X_z,0, Y_z,₀ - координаты обнаруженного объекта в момент t₁ первого измерения его модуля вектора магнитной индукции;

V_z,x, V_z,y - параметры движения обнаруженного объекта (V_z, K_z) в проекциях на оси координат:

В указанных уравнениях приняты следующие обозначения: t_i - текущее время, x_i и y_i - текущие значения координат наблюдающего объекта, H_i - текущее значение модуля вектора магнитной индукции наблюдаемого объекта, X_z,0 и Y_z,0 - расчетные значения начальных координат наблюдаемого объекта, V_zx - расчетное значение проекции скорости наблюдаемого объекта на ось X, V_zy - расчетное значение проекции скорости наблюдаемого объекта на ось Y, X_zi и Y_zi - расчетные текущие значения координат наблюдаемого объекта.

Для однозначного определения координат и параметров движения (курса и скорости) наблюдаемого объекта требуется выполнить хотя бы один маневр наблюдающего объекта с изменением курса и/или скорости и произвести не менее пяти измерений модуля вектора магнитной индукции.

Таким образом, программа движения наблюдающего объекта для решения счетно-решающим прибором поставленной задачи, реализуемая прибором-диспетчером, должна включать:

- выполнение не менее пяти замеров модуля вектора магнитной индукции H_i(i=1, …, N; N≥5) наблюдаемого объекта в позициях (точках) нахождения наблюдающего объекта с координатами (x_i, y_i);

- выполнение наблюдающим объектом хотя бы одного изменения его курса и/или скорости, величина и знак которых обеспечивают повышение точности расчета счетно-решающим прибором координат и параметров движения наблюдаемого объекта;

- выполнение наблюдающим объектом количества измерений модуля вектора магнитной индукции магнитного поля наблюдаемого объекта, обеспечивающего заданную точность определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта, которая равна величине изменения расчетных значений параметров движения по мере выполнения измерений модуля вектора магнитной индукции.

Этапы решения задачи по определению координат и параметров движения наблюдаемого объекта и выполнения заданного маневра относительно наблюдаемого объекта, например, сближения с ним на заданное расстояние или вплотную, показаны на фиг. 1…4.

Цифрами на них обозначены: 1 - обнаруженный и наблюдаемый по источнику магнитного поля ферромагнитный объект, 2 - наблюдающий объект, 3 - координаты наблюдаемого объекта в моменты измерения модульным магнитометром модуля вектора магнитной индукции его магнитного поля, 4 - координаты наблюдающего объекта в моменты измерения им модуля вектора магнитной индукции наблюдаемого объекта, 5 - траектория движения наблюдаемого объекта, 6 - траектория движения наблюдающего объекта, 7 - счетно-решающий прибор, 8 - прибор-диспетчер, 9 - бортовая система управления наблюдающего объекта, 10 - координаты наблюдаемого объекта в момент занятия наблюдающим объектом заданной позиции (11).

На фиг. 1 показаны траектории движения (5) и (6), соответствующие наблюдаемому объекту (1) и наблюдающему за ним объекту (2), оснащенному устройством определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта. Точки (3) и (4) соответствуют местам нахождения указанных объектов в моменты замеров модуля вектора магнитной индукции наблюдаемого объекта (1).

На фиг. 2 показана работа счетно-решающего прибора (7) при решении задачи 1 определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта и прибора-диспетчера (8) по управлению процессом решения задачи. Входными величинами в счетно-решающий прибор являются: t_i - текущее время, x_i и y_i - текущие значения координат наблюдающего объекта, H_i - текущее значение модуля вектора магнитной индукции наблюдаемого объекта, V_нi - текущие значения скорости наблюдающего объекта, К_нi - текущие значения курса наблюдающего объекта. Выходными величинами являются текущие координаты X_zi и Y_zi и параметры движения V_zx и V_zy наблюдаемого объекта. Решение системы уравнений (4) начинается при количестве измерений N≥5. Задача продолжает решаться до момента времени, пока не будут выполнены неравенства

где ΔV_z.задан - заданное значение погрешностей параметров движения, определяющее их точность.

На фиг. 3 проиллюстрировано, что после достижения заданной точности определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта прибор-диспетчер (8) передает в счетно-решающий прибор (7) значения курсового угла q_зад наблюдаемого объекта-цели и дистанции до нее D_зад в заданную позицию относительно наблюдаемого объекта-цели для решения задачи 2 расчета параметров маневрирования V_н и К_н наблюдающего (инспектирующего) объекта в эту позицию.

На фиг. 4 показаны траектории объектов и точки их нахождения (9) и (10) в момент занятия наблюдающим объектом заданной позиции 10 относительно наблюдаемого объекта.

Техническим результатом изобретения является не подверженное помехам устройство, служащее для определения координат и параметров движения обладающего магнитным полем ферромагнитного объекта и предназначенное для оснащения подвижного наблюдающего (инспектирующего) объекта, в частности, для сближения с наблюдаемым объектом в целях инспектирования на заданную дистанцию или вплотную.

Источники информации, использованные при выявлении изобретения:

1. Семевский Р.Б., Аверкиев В.В., Яроцкий В.А. Специальная магнитометрия. - СПб: Наука, 2002. - 228 с.

2. Новиков А.В. Противолодочное ракетное оружие. Теоретические основы. - СПб: ВМИ, 2007. - 438 с.

Устройство для определения координат и параметров движения наблюдаемого ферромагнитного объекта содержит координатор наблюдаемого объекта и счетно-решающий прибор, включающий модульный магнитометр и прибор-диспетчер. Обеспечивается повышение точности определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта. 4 ил.

Устройство для определения координат и параметров движения наблюдаемого ферромагнитного объекта, содержащее счетно-решающий прибор, отличающееся тем, что координатор наблюдаемого объекта содержит модульный магнитометр и прибор-диспетчер, при этом:

модульный магнитометр выполнен с возможностью замера модуля вектора магнитной индукции искомого ферромагнитного объекта,

прибор-диспетчер выполнен с возможностью:

- выдачи управляющего сигнала в бортовую систему управления наблюдающего объекта для необходимых изменений его курса и/или скорости;

- определения числа необходимых измерений модуля вектора магнитной индукции ферромагнитного объекта магнитометром;

- инициирования выдачи данных в счетно-решающий прибор;

счетно-решающий прибор выполнен с возможностью определения координат и параметров движения наблюдаемого объекта, а также вычисления траектории движения наблюдающего объекта для выполнения заданного маневра относительно наблюдаемого объекта.