Внешняя баллистика. Оптические и радиотехнические методы внешнетраекторных измерений

Содержание

 

Введение 3

1 Измерение  дальности 5

1.1 Оптические  методы измерения дальности 5

1.2 Радиотехнические  средства измерения дальности 11

2 Определение  углового положения объекта 15

2.1 Определение  углового положения объекта в  пространстве 15

2.2 Определение  углового положения объекта относительно  центра масс 19

3 Определение  координат встречи с целью 22

Заключение 27

Список литературы 28

 

 

Введение

Измерения, проводимые в  процессе летных испытаний, предназначены для определения и анализа реального движения ракет и космических аппаратов (КА). По результатам измерений и последующей их обработки должно быть принято решение о степени соответствия реальных характеристик ЛА заданным на них требованиям, т. е. должно быть принято решение об эффективности испытываемого ЛА.

В процессе полета ЛА находится  под воздействием реальных сил и моментов сил, обусловленных работой маршевых и управляющих двигателей, влиянием атмосферы, гравитационного и магнитных полей и ряда других факторов. Для объективного суждения о результатах полета и получения от каждого из них возможно большей информации предусматривается выполнение обширной программы измерений.

Поскольку движение ЛА как  твердого тела складывается из поступательного  движения центра масс и вращательного  движения относительно центра масс, в число измеряемых параметров должны быть включены параметры, определяющие эти два движения,

К ним относят, например, координаты и составляющие вектора скорости, определяющие положение ЛА в принятой системе координат, углы Эйлера, направляющие косинусы и угловые скорости вращения относительно центра масс.

Для оценки процессов, протекающих  на борту ЛА, и воздействия на него внешней среды в состав программы измерений должны быть введены параметры, характеризующие функционирование его бортовых систем и агрегатов, а также параметры, определяющие состояние окружающей внешней среды. Это — давление, температура, вибрации, напряжение электрического тока в различных системах объекта, плотность и температура атмосферы, характеристики магнитного и гравитационного полей планеты, характеристики системы жизнеобеспечения состояния космонавтов и т. п.

Все измерения, проводящиеся в процессе летных испытаний, в  зависимости  от типа   измерительной   аппаратуры   и  способа передачи сообщений принято подразделять на внешнетраекторные и радиотелеметрические.

Внешнетраекторные измерения проводятся для определения параметров действительного движения центра масс ЛА, а в некоторых случаях и для определения его угловой ориентации относительно принятой системы координат.

 

1 Измерение дальности

Как указывалось ранее, одним  из важнейших навигационных параметров, используемых для определения местоположения объекта в пространстве, и проведения других внешнетраекторных измерений является дальность, представляющая собой кратчайшее расстояние от места наблюдения до какой-либо точки на борту летательного аппарата. В настоящее время для определения дальности в баллистических экспериментах используются две группы методов:

1.   оптические;

2.   радиотехнические.

1.1 Оптические методы измерения дальности

Для проведения оптических измерений могут использоваться установки двух видов : 1) с подвижной оптической частью и узким полем зрения объектива; 2) с неподвижной оптической частью и широким полем зрения объектива.

К первому виду оптических установок относятся кинотеодолиты, кинетелескопы и космические секстанты; ко второму — широкоугольные баллистические камеры (фототеодолиты).

Кинотеодолиты — это оптические углоизмерительные средства, предназначенные для слежения за объектом с Земли. Кинотеодолит сочетает в себе теодолит для отсчета углов азимута α и места β, оптической оси объектива и киноаппарат для фотографирования объекта и показаний углоизмерительных шкал на пленку.

Управление кинотеодолитом осуществляется: двумя операторами, один из которых сопровождает объект по углу азимута, а второй — по углу места. В процессе слежения за объектом положение оптической оси объектива  кинотеодолита по углу азимута α может изменяться в пределах 0≤α≤360° , а по углу места β — в пределах 0≤β≤90°.

Всю информацию, необходимую  для расчета координат ЛА, содержит кинопленка, отснятая при кинотеодолитных измерениях. На каждом кадре пленки фиксируется изображение ЛА, условный индекс кинотеодолита, номер кадра для привязки его к единому времени, угломерные шкалы для отсчета углов места и азимута положения оси главного телескопа и координатная сетка, определяющая положение его оптической оси. Схема кадра пленки, отснятого в процессе кинотеодолитных измерений, приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема кинотеодолитного кадра

В левом нижнем углу расположена  шкала угла азимута, в центре —  шкала угла места, а в правом углу даны номер кадра пленки и индекс теодолита.

В момент «захвата» объекта  главным телескопом кинотеодолита, а также в процессе слежения за быстро перемещающейся целью перекрестие координатной сетки, как правило, не совпадает с определенной точкой объекта, выбранной для слежения. Это говорит о том, что угловые координаты объекта не соответствуют координатам, зафиксированным на кинопленке, так как они справедливы для центра перекрестия. В этом случае для определения координат объекта при расшифровке кинопленки  необходимо  вводить  поправки в углы  азимута ∆α и места Δβ.

Рисунок 2 – Схема широкоугольной баллистической камеры

Тогда действительные угловые координаты ЛА будут равны: α=α_{0Δα, β=β0Δβ}.

Знак поправки зависит  от расположения объекта относительно координационной сетки. Так, например, если объект находится в первом квадрате, поправки в углах азимута и места положительны, и отрицательны, если объект находится в третьем квадрате.

Возможности оптических измерений  могут быть расширены при    замене кинотеодолитов на длиннофокусные телескопы. Такие кинотелескопы имеют более совершенную оптику и позволяют измерять не только угловые координаты объекта, но также и его ориентацию относительно осей опорной системы координат.

Широкоугольные  баллистические камеры (фототеодолиты), представляющие собой сочетание теодолита и фотоаппарата, применяются для точного определения направления на объект (углов α’ и β’) относительно известного и неподвижного в пространстве положения оптической оси объектива камеры, задаваемого углами α₀ и β₀ в измерительной системе координат (рис. 3). Очевидно, что такая схема измерений при известном фокусном расстоянии объектива эквивалентна кинотеодолитной, т. е. сводится к определению углов азимута α ее и места β объекта. Высокая точность углов достигается за счет установки оптической оси камеры по звездам.

Примером комплекса внешнетраекторных измерений может служить система «Трасса», разработанная и выпускаемая СКБ измерительной аппаратуры ФГУП «НТИИМ» [59], использующая координатно-угломеро-базовый принцип (рис. 3).

Рисунок 3 – Система внешнетраекторных измерений «Трасса»:

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

 

Система «Трасса» позволяет  получать информацию о координатах, скорости, коэффициенте лобового сопротивления, а также наблюдать поведение объекта на экране монитора.

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/сек,

-   частота регистрации угловых координат объекта - 25-50 кадров/сек

Оптические методы, описанные  выше, позволяют определять угловые координаты объекта с достаточно высокой точностью, суммарная средняя квадратическая ошибка определения углов визирования достигает 1’. В то же время применение фото и кинотеодолитов при изучении движения маломерных объектов, таких как артиллерийские и реактивные снаряды, вблизи от места пуска наталкивается на серьезные трудности, связанные с малым временем визирования. Особенно сложно решается этот вопрос при исследовании движения боеприпасов на начальном участке траектории при стрельбе очередью или залпом.

В последнее время в  связи с бурным развитием видеотехники, особенно цифровой, разрабатываются методы фиксации положения объекта с помощью видеокамер.

Так, предприятием ФГУП «ГНПП  «Сплав» разработана система  фиксации положения реактивных снарядов при проведении залповых пусков, основным элементом которой является видеокамера  «Panasonic М-9500». Для обработки ин формации используется компьютер «Pentium 133/64/1,2 Гц», оснащенный камерами ввода информации «M1RO VIDEO DC- 20». На рис. 4 показана упрощённая измерительная схема, дающая возможность проследить положение снарядов в залпе в плоскости, перпендикулярной продольной оси пакета направляющих (или любой близкой к ней). Оптическая ось камеры направляется параллельно продольной оси пакета БМ. Камера устанавливается в плоскости стрельбы, её положение относительно оси пакета фиксируется.

Для осуществления привязки положения каждого попавшего  в кадр снаряда к моменту его старта видеокамера доработана. Доработка, позволяющая фиксировать время старта каждого снаряда, заключается в подключении к штатной системе единого времени специально разработанной схемы, обеспечивающей появление (или исчезновение) в кадре заранее известной информации. Использование цифровых видеокамер позволяет осуществить привязку положения PC на траектории к моменту старта по информации, получаемой с помощью звукового канала ВК.

Рисунок 4 – Положение  измерительного поста относительно боевой машины

 

Точность определения  углов в предлагаемой схеме по предварительным оценкам составляет от 30 с до 1 мин, а погрешность измерения  линейных величин на дальностях до 2500 м составляет не более 0,5 м. Кроме того, данная схема позволяет получить не только взаимное положение снарядов друг относительно друга с дискретностью до 0,02 с в условных единицах (пикселях) по вертикали и горизонтали кадра, но и в метрах, что дает возможность оценить рассеивание снарядов в залпе по двум координатам с определением центра рассеивания.

Данная система позволяет  решать следующие задачи:

-   измерять параметры активного участка траектории реактивных снарядов;

-  определять координаты воздушных разрывов и разрывов на местности;

-   определять параметры движения каждого снаряда в залпе на старте;

-   измерять параметры функционирования снарядов у цели.

При этом система является автономной и может быть установлена  на любом участке траектории. Недостатками этой системы являются: сложность  эксплуатации при больших отрицательных температурах и меньшая дальность эффективной съемки по сравнению с фоторегистрирующими станциями и кинотеодолитами. 

1.2 Радиотехнические средства измерения дальности

Аппаратура внешнетраекторных измерений, основанная на радиотехническом принципе, по сравнению с оптической обладает большей дальностью слежения и более универсальна.

Используя различные методы радиотехнических измерений, можно определить не только угловые координаты ЛА, но также его наклонную дальность, разность или сумму дальностей от двух измерительных пунктов, радиальную скорость и направляющие косинусы линии дальности в принятой системе координат.

Измерение дальности в  радиотехнических системах сводится к определению временной задержки t_D прихода излучаемых или отраженных радиосигналов, пропорциональной дальности D = c t_D (где с — скорость распространения радиоволн, равная 3∙10⁸ м/с).

В зависимости от вида используемого  сигнала оценка временной задержки t_D может производиться измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига, относительно опорного сигнала. Широкое практическое применение в аппаратуре внешнетраекторных измерений для измерения дальности нашли импульсный (временной) и фазовый методы. В каждом из этих методов измерение дальности может осуществляться как беззапросным, так и запросным способом. В первом случае дальность до объекта D = ct_D, а во втором D = 0,5ct_D.

Импульсный метод

При беззапросном импульсном методе на борту ЛА и на Земле устанавливают соответственно высокостабильные хронизаторы х₁  и х₂ (рис. 3, а), синхронизируемые перед запуском ЛА. В соответствии с импульсами u₁ хронизатора х₁ бортовой передатчик П с периодом Т излучает импульсные радиосигналы (рис. 3, б). Наземное приемное устройство Пр принимает эти сигналы через t_D=D/c. Интервал t_D между импульсами и₂ наземного хронизатора и импульсами и_х на выходе приемника соответствует измеряемой дальности. Главное условие правильного измерения дальности—синхронная работа наземного и бортового хронизаторов.

Рисунок 5 – Принцип измерения дальности

При запросном  импульсном методе (рис. 6) сигнал, посылаемый наземным передатчиком П1, принимается бортовым приемником Пр1 и ретранслируется обратно. Одновременно с посылкой запросного импульса на измеритель ИЗМ посылается импульс и₁, означающий начало интервала t_D, соответствующего измеряемой дальности. Момент прихода ретранслированного импульса и₂ означает конец интервала t_D.

Рисунок 6 – Принцип измерения дальности

 Дальность до ЛА определяется по формуле  D=0,5c(t_D-t₀), где t₀ — задержка сигнала в наземной и бортовой аппаратуре.

Точность измерения дальности  повышается при увеличении частоты  запросных импульсов. Предельная частота  определяется максимальной дальностью измерения и находится из условия: 0<t_D<T.

Интервал t_D между запросными и ответными импульсами (рис. 7) можно измерить последовательным заполнением его импульсами с частотой F. Число импульсов n=τ_DE=τ_p/T₀,соответствующее измеряемой дальности, поступает на устройство осреднения или в вычислительное устройство.

Рисунок 7 – Метод измерения интервала запаздывания

Фазовый метод измерения дальности заключается в том, что запаздывание сигнала, определяется по фазовому сдвигу между запросным и ответным сигналами. Здесь также применяется запросный метод, так как он обеспечивает более высокую точность и надежность.

Наземный передатчик излучает колебание u₁=A₁sin(ω₀t+φ₀)=Asinφ₁ (рис. 6), где A₁— амплитуда, ω₀— круговая несущая частота, φ₀ —начальная фаза, φ₁ — фаза колебаний сигнала.

Рисунок 8 – Фазовый метод измерения дальности

Бортовая аппаратура ЛА ретранслирует  сигнал щ, а наземный приемник принимает сигнал u₂=A₂sin[ω₀(t+τ_D)+φ₀+φ_A]=A₂sinφ₂

где φ_A — фазовый сдвиг, обусловленный прохождением сигнала в наземной и бортовой аппаратуре. Он может быть вычислен или определен экспериментально.

Изменение фазы колебаний  сигнала и₂ относительно u₁  (см. рис. 8) определяется соотношением φ_D=φ₂-φ₁=ω₀τ_D=LπD/(T₀c), откуда D= -точность измерения дальности определяется длиной волны и точностью измерения фазового сдвига . Современные фазометры обеспечивают максимальную ошибку δ.

Однозначность измерения  дальности обеспечивается подсчетом числа циклов полного изменения фаз с начала движения объекта, использованием многошкальных фазовых дальномеров или априорных данных о траектории движения ЛА.

 

2 Определение углового положения объекта

Определение углового положения  летательного аппарата в пространстве имеет большое значение, как при  проведении его испытаний, так и  при выполнении заданной траектории полета. При этом следует различать  углы, определяющие положение центра масс ЛА (или какой-нибудь другой точки  на его порту) относительно земли, и  углы, определяющие положение ЛА относительно осей, проходящих через его центр масс. Значения первых (углы азимута, шеста), являющихся, по сути, навигационными параметрами, позволяют определить положение объекта как материальной точки в пространстве и найти дальность до него от выбранной точки отсчета. Углы ориентации ЛА относительно какой-либо оси, проходящей через центр масс (например, углы рысканья, крена, тангажа), позволяют определить величины и направления воздействия аэродинамических сил и моментов, найти значения необходимых управляющих усилий для корректировки траектории полета.

2.1 Определение углового положения объекта в пространстве

При измерении угловых  параметров движения (азимута α и угла места β) радиотехническими средствами наибольшее распространение получили амплитудные и фазовые методы. Поскольку методы измерения углов α и β одинаковы, в дальнейшем рассматривается методика измерения только одного угла.

Амплитудный метод измерения угловых параметров основан на сравнении амплитуд сигналов при различных положениях передающей или приемной антенны. Возможны два варианта выполнения угломерных систем: амплитудные пеленгаторы и маяки. В первом случае передающее устройство располагается на ЛА, а диаграмма направленности наземного приемного устройства периодически занимает положение I или II (рис. 9).   Если угол α=0, т. е. ЛА   находится в равносигнальном

 

направлении OO₁, то уровень сигнала при обоих положениях диаграммы направленности будет одинаковым. Если угол α≠0, т. е. ЛА отклонился от равносигнального направления, то амплитуда сигнала при положении I диаграммы направленности будет больше, чем при положении II. По разности амплитуд в различных положениях диаграммы направленности определяют угловое отклонение ЛА от равносигнального направления ОО₁.

Рисунок 9 – Амплитудный метод угловых параметров

Точность измерения углов  амплитудными пеленгаторами-определяется в основном шириной диаграммы направленности на уровне половинной мощности. Максимальная ошибка измерения угла при большом отношении сигнал/шум составляет примерно 2% ширины диаграммы направленности на уровне половинной мощности.

В том случае, если информацией  об угловом положении необходимо располагать на борту ЛА, применяется  амплитудный маяк. Для этого на Земле устанавливается передатчик, а диаграмма направленности наземной антенны сканирует, периодически занимая положения I и II. Путем сравнения амплитуд принимаемых сигналов бортовым приемником определяется угловое положение ЛА.

Фазовый метод измерения угловых параметров основан на измерении разности расстояний от ЛА до двух базисных точек О₁ и О₂ (рис. 10, а). При этом расстояние определяется измерением разности фаз Δφ гармонических колебаний, излучаемых источником колебаний, расположенном в пункте О₁, и колебаний, ретранслированных на ЛА и принятых в том же пункте.

Из рис. 10, б следует что

Рисунок 10 – Фазовый метод определения угловых параметров

Заменяя фазовые единицы  временем  t,  получим

(где — время прохождения волны от пункта О₁ до объекта и обратно, Т_о — период колебаний).

Умножая на скорость света с, получим

2R₁=λ₀       1

где R₁— расстояние от пункта О₁ до ЛА; λ₀=cT₀ — длина волны.

Измеряя в пунктах О₁ и О₂ фазы колебаний излучаемых источником колебаний, расположенном на ЛА, определяем их разность Δφ. Очевидно, что Δφ пропорциональна разности наклонных  дальностей R₁-R₂=ΔR₁₂  от  КЛА  до  точек   О₁   и   О₂:

ΔR₁₂=λ₀       2

Принимая направления, по которым распространяются колебания, параллельными, что справедливо при ΔR₁₂>>B (рис. 10, в), запишем ΔR₁₂ в виде

ΔR₁₂= Bcos θ.

Отсюда определяем косинус  направляющего угла θ. С учетом соотношения (5) он равен

λ₀      3

Соотношение (6) можно переписать в виде

sin (90° - θ=sinμ=λ₀.

В     2я

При очень малых μ(θ  —>90°) sin μ≈μ, тогда

μ =λ₀       4

Отсюда точность измерения  углового параметра

Δμ=      5

определяется отношением длины волны λ_о к базе В и точностью измерения фазового сдвига . Как и при измерении дальности — 3,6°.

Таким образом, изменяя отношения λ_о/B, можно обеспечить необходимую точность измерения μ. Так при λ_о = 3 см и допустимой погрешности δμ=0,1   измерительная база  B≥30 м.

 

 

2.2 Определение углового  положения объекта относительно  центра масс

Так как точность выполнения заданной траектории полёта зависит  от точности ориентации осей системы  координат, связанной с ЛА относительно земной системы координат, то важной задачей внешнебаллистических исследований является определение углового положения объекта. Эти измерения осуществляются следующими способами:

-   с использованием свободного гироскопа;

-   с использованием оптико-электронных приборов;

-   с помощью инерциальных датчиков.

При использовании гироскопических  датчиков угловое положена ЛА регистрируется по положению внешней рамки гироскопа. При полёте ЛА под действием управляющих команд и внешних возмущений связанная система координат OX₁Y₁Z₁ центр которой находится в центре масс объекта, изменяй своё положение относительно стартовой системы OX₀Y₀Z₀.

Взаимная их ориентация определяется тремя параметрами: углом рыскания ψ, углом тангажа ϑ и крена γ (рис. 11).

Гироскопический датчик в  зависимости от ориентации вектора  кинетического момента Н и внешних рамок может измерять какие-либо два угла из трёх, Поэтому, используя показания двух гироскопических датчиков, можно определить значения углов ψ, ϑ, γ.

Из-за наличия геометрических ошибок и наличия критических  углов (70-75ᴼ), при которых нормальное функционирование гироскопа вследствие совмещения рамок прекращается, измеренные углы не совпадают с действительными. Поэтому для определения действительных углов используются формулы пересчёта, вид которых определяется ориентацией гироскопа.

 

 

Рисунок 11 – Определение углового положения ЛА с помощью гироскопических датчиков

 

При измерении углов ориентации оптико-электронным способом на порту  ЛА устанавливается космический  секстант, позволяющий определять и  новые расстояния между небесными  и земными ориентирами, угловые  диаметры планет и т.п. Значения полученных углов пересчитываются в некоторую систему координат, связанную с гиростабилизированной платформой ЛА. Далее визир перенацеливается вручную или автоматически на другой ориентир и производится отсчёт в той же системе координат. Сравнение этих отсчётов позволяет определить углы ориентации ЛА.

Кроме космического секстанта  могут использоваться оптико-электронные пеленгаторы и системы оптических датчиков, установленные на внешней оболочке корпуса ЛА.

Точность измерения углов  данным методом весьма высока и во многом зависит от прогибов и вибраций основания, на котором установлены датчики. Поэтому их устанавливают на одном жёстком основании в непосредственной близости друг от друга. Высокая точность оптических методов позволяет использовать их для коррекции показаний свободных гироскопов.

Инерциальные датчики являются автономными измерителями углов ориентации ЛА и не требуют наличия каких-либо неподвижных точек. Принцип их действия основан на свойстве грузика сохранять некоторое время свое положение в пространстве при малом изменении углов ориентации ЛА. Инерциальный датчик может измерять одну составляющую угла, если известны ню другие, например, по результатам оптических измерений.

Примером инерциального  датчика может служить трёхкомпонентный феррозондовый датчик, применяемый  на измерительной системе «Вектор-1», позволяющей определять пространственную ориентацию боеприпаса на траектории (рис. 12).

Рисунок 12 – Феррозондовая измерительная система «Вектор-1»

 

Основные технические  характеристики данной системы имеют  следующие значения:

-   диапазон измеряемых углов, град ........................................360;

-   погрешность измерения, град   .............................................1,5;

-   потребляемая мощность, Вт ................................................0,27;

-   масса, кг       ........................................................................0,26;

-   ударная устойчивость, g  ..................................................30000.

 

3 Определение координат  встречи с целью

Дальность стрельбы и кучность боя являются важнейшими характеристиками БП, от которых во многом зависит  их эффективность. Определение этих характеристик при полигонных испытаниях заключается в нахождении координат точек падения БП на местности или точек попадания в вертикальный щит.

При определении дальности  и кучности стрельбы по местности  огонь ведётся при угле возвышения, соответствующем углу максимальной дальностей специально подготовленной площадке, нивелированной относительно горизонта огневой позиции и имеющей геодезическую привязку.

Опытная дальность определяется по зависимости:

 

где , – координаты орудия;

, – средние значения координат в n счётных выстрелах;

, – координаты отдельных точек падения.

Срединные отклонения, характеризующие  кучность боя, определяются при стрельбе по местности:

Вд=0,6745, Вд=0,6745,

при стрельбе по вертикальному щиту:

Вд=0,6745, Вд=0,6745.

Точки падения снарядов фиксируются  методом засечек разрывов углом  мерительными визирными приборами  с трёх наблюдательных вышек, а координаты определяются методом обмера с помощью  мерной ленты.

Другим способом определения  координат БП при встрече с  целью является применение комплекса  видеоаппаратуры «Трасса».