Способ индивидуального наведения летательного аппарата на воздушную цель в составе плотной группы

Изобретение относится к системам самонаведения летательных аппаратов (ЛА) на воздушные цели (ВЦ) с использованием бортовых радиолокационных систем (БРЛС) и может использоваться для наведения самолетов и ракет на отдельную ВЦ в составе плотной группы целей. Технический результат заключается в осуществления траекторного управления ЛА, которое решает задачу разрешения отдельной ВЦ в плотной группе и, одновременно с этим, задачу ее перехвата. Заявленный способ заключается в том, что при обнаружении плотной группы целей в обнаружителе групповой цели ЛА в его бортовой радиолокационной системе (БРЛС) измеряют и получают оптимальные оценки дальности от ЛА до центра группы, скорости сближения ЛА с ней и угловой скорости линии визирования центра группы с ЛА, после чего, на основе сформированных оценок, вычисляют сигнал управления поперечным ускорением, при этом закон управления устраняет несоответствия не только по угловой скорости линии визирования ВЦ, но и по бортовому пеленгу ВЦ. 6 ил.

 

Изобретение относится к системам самонаведения летательных аппаратов (ЛА) на воздушные цели (ВЦ) с использованием бортовых радиолокационных систем (БРЛС) и может использоваться для наведения самолетов и ракет на отдельную ВЦ в составе плотной группы целей. Под плотной группой здесь и далее понимается группа целей, объекты которой не разрешаются ни по углу, ни по дальности классическими способами.

Для систем высокоточного оружия класса «воздух - воздух» проблема повышения точности индивидуального наведения на цель в составе плотной группы является одной из самых актуальных, и она включает в себя два аспекта. Первый связан с качественным улучшением разрешающей способности БРЛС до значений, позволяющих разрешать цели в плотной группе. Второй связан непосредственно с разработкой высокоточных методов наведения на движущиеся цели.

Среди различных видов разрешения наиболее сложно обеспечить разрешающую способность по углу ввиду естественных ограничений, определяемых шириной диаграммы направленности, которая зависит от размеров антенны и длины волны.

Перспективным направлением улучшения разрешающей способности по углу в однопозиционных БРЛС является применение траекторного управления наблюдением [1], суть которого состоит в переходе от типового разрешения по углу, определяемого шириной диаграммы направленности, к разрешению по доплеровским частотам на основе эффекта доплеровского обострения луча (ДОЛ), что обеспечивается в процессе полета носителя БРЛС по специальной траектории.

Для реализации ДОЛ полет должен выполняться под некоторым углом относительно направления движения цели, в то время как для ее перехвата необходимо лететь либо на нее, либо в упрежденную точку встречи [2]. Таким образом, траектория должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: обеспечивать разрешение цели в группе за счет ДОЛ и в то же время - минимальный промах в процессе наведения на нее.

В качестве прототипа рассматривался патент №2253082 от 27.05.2005 г., бюл. №15 [3], согласно которому для разрешения с помощью ДОЛ и перехвата цели в составе плотной группы также предлагается использовать траекторное управление наблюдением. Однако в прототипе закон управления определяется одной и той же координатой состояния, в качестве которой выступает угловая скорость линии визирования (ЛВ), и для разрешения цели в группе, и для минимизации промаха, что осложняет одновременное решение этих подзадач.

Таким образом, задачей изобретения является разработка способа индивидуального наведения ЛА на ВЦ в составе плотной группы, при котором закон управления устраняет несоответствие требуемых и фактических координат состояния не только по угловой скорости ЛВ, но и по углу между направлением собственной скорости ЛА и направлением на цель (бортовому пеленгу).

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в осуществления траекторного управления ЛА, которое решает задачу разрешения отдельной ВЦ в плотной группе и, одновременно с этим, задачу ее перехвата.

Заявленный технический результат достигается за счет наличия в законе управления ЛА составляющих, обеспечивающих реализацию режима ДОЛ, а также составляющую, отвечающую за минимизацию линейного промаха на конечном участке наведения.

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими причинами:

- использованием в качестве модели состояния управляемого объекта модель, содержащую законы изменения бортового пеленга и угловой скорости ЛВ;

- использованием локальной оптимизации на основе математического аппарата статистической теории оптимального управления;

- наличием известных способов и аппаратуры информационного обеспечения, необходимого для реализации предлагаемого способа наведения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в разработке с использованием метода локальной оптимизации способа индивидуального наведения ЛА, обеспечивающего устранение несоответствий между требуемыми и текущими значениями бортового пеленга и угловой скорости ЛВ для реализации режима ДОЛ, а также за минимизацию линейного промаха на конечном участке наведения для перехвата цели.

Метод локальной оптимизации на основе математического аппарата статистической теории оптимального управления позволяет [4] для системы

предназначенной для отработки процесса

при наличии измерений

сформировать сигнал управления

оптимальный по минимуму функционала качества

В (1)-(5): х_т и х_у - n-мерные векторы управляемых и требуемых координат состояния в текущие моменты времени t; F_y и F_т - матрицы, определяющие динамические свойства подсистем (1) и (2); u - r-мерный (r≤n) вектор управления; B_y - матрица эффективности управления; z - m-мерный (m≤2 м) вектор измерений; Н - матрица связи х и z; ξ_y и ξ_и - гауссовские центрированные векторы состояния и измерений с известными матрицами спектральных плотностей; Q, K - матрицы штрафов за точность функционирования и экономичность; - векторы оптимальных оценок процессов х_т и х_у; - операция условного математического ожидания.

Отличительной особенностью закона управления (4), кроме простоты, является то, что он не требует априорного знания временного интервала функционирования, обеспечивая оптимизацию системы наведения на каждый момент времени.

В общем случае, наведение необходимо осуществлять как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Ниже рассмотрен синтез закона управления лишь для горизонтальной плоскости, в предположении, что закон управления для вертикальной плоскости будет аналогичным.

Для решения задачи синтеза необходимо знать закон изменения требуемых значений бортового пеленга и угловой скорости ЛВ, иметь модель управляемых (текущих) координат и сформировать сам закон управления.

Рассмотрим зависимость линейного разрешения БРЛС по азимуту от взаимного расположения носителя БРЛС и двух, близкорасположенных, не разрешаемых по углу и движущихся с одинаковыми скоростями и в одном направлении целей.

Пусть на носителе, находящемся в точке О_н (фиг. 1) на удалении от цели и близкорасположенной к ней цели, движущемся со скоростью под углом ϕ_н к О_ц1, формируется сигнал подсвета с длиной волны λ, который после отражения от цели принимается приемником БРЛС. На фиг. 1 - требуемое линейное разрешение по азимуту; Δϕ - угловое расстояние между целями О_ц1 и О_ц2, ϕ_н - бортовой пеленг цели; ϕ_ц - угол между направлением скорости цели и линией визирования, ω - угловая скорость вращения линии визирования на цель О_ц1, j_н - поперечное ускорение носителя.

Тогда доплеровская частота сигнала, принимаемого от цели О_ц1,

В свою очередь, доплеровская частота принимаемого от цели О_ц2 сигнала, удаленной от цели О_ц1 на расстояние определяется как

Разложив (7) в ряд Тейлора с линейным приближением, получим:

где было учтено равенство (6) и соотношение для малых углов.

Чтобы разрешить цели О_ц1 и О_ц2 по доплеровской частоте, полоса пропускания доплеровского фильтра БРЛС не должна превышать величины

Поскольку полоса доплеровского фильтра ΔF и длина волны λ известны, то можно предъявить требования к бортовому пеленгу цели ϕ_н:

Из (11) следует, что для реализации требуемого линейного разрешения траектория полета носителя должна быть такой, чтобы бортовой пеленг обладал значением не меньше, чем

При этом, учитывая, что из (10) получаем требования к угловой скорости линии визирования:

Анализ (12) и (13) позволяет заключить, что бортовой пеленг ϕ_нт и угловая скорость ω_т, необходимые для достижения требуемого линейного разрешения зависят как от параметров системы обработки (λ, ΔF), так и от условий применения (Д, V_н, V_ц и ϕ_ц).

Для синтеза закона управления (4) следует иметь модели состояния (1), (2) и функционал качества (5). Выбор исходных моделей состояния осуществляется исходя из назначения системы, возможности измерения координат состояния и их связей с требованиями, предъявляемыми к системе. Рассматриваемая системы предназначена для решения двух задач, разрешения целей в плотной группе и высокоточного наведения объекта управления в точку применения оружия с минимальным расходом энергии.

Требуемое линейное разрешение определяемое интервалом между целями в группе, можно обеспечить соответствующим выбором угла ϕ_н=ϕ_нт и угловой скорости линии визирования ω=ω_т. В свою очередь, точность наведения на цель характеризуется величиной промаха [2]

где - скорость сближения объекта управления с целью, и для его уменьшения необходимо минимизировать величину ω.

Модель, учитывающая геометрические связи между абсолютными и относительными координатами движения, определяется соотношениями кинематического звена [4]:

которая получена с учетом того, что а цели не маневрируют.

Достоинством модели (15), в которой - шумы состояния, является ее адаптируемость к условиям применения, обусловленная учетом маневра носителя за счет поперечного ускорения j_н, и зависимость ω от дальности и скорости сближения. Следует подчеркнуть, что ω, j_н, Д и достаточно просто измеряются существующими датчиками.

Синтез закона управления, совместно наилучшего по разрешающей способности, точности наведения самолета и экономичности будем выполнять при условии, что соблюдаются следующие допущения:

- известны интервалы между целями определяющие требуемую линейную разрешающую способность по азимуту;

- цели движутся в произвольном направлении с известной постоянной скоростью;

- известен диапазон располагаемых перегрузок и допустимый промах, величина которого определяется согласно (14);

- на борту наводимого объекта имеются достаточно точные измерители дальности целей и скорости сближения с ними;

- канал наведения в вертикальной плоскости не влияет на канал наведения в горизонтальной плоскости.

Функционал качества (5), характеризующий эффективность закона управления с разрешением целей в плотной группе, должен учитывать ошибки по углу ϕ_нт - ϕ_н и угловой скорости ω_т - ω, используемые для обеспечения требуемого линейного разрешения, ошибки по угловой скорости ω_h - ω, минимизирующие промах (14), и расход энергии на сигналы управления j_н в (15). С учетом этих особенностей минимизируемый функционал качества (5) может быть представлен в следующем виде:

где q₁₁, …, q₃₃ - штрафы за точность выдерживания линейного разрешения по азимуту и величину промаха, k_j - штраф за величину сигнала управления.

Сравнивая (15) с (1), а (16) с (5), получаем:

Используя (17) в (4), имеем:

Поскольку в идеале требуемое значение промаха h=0, то значение угловой скорости ω_h=0. Тогда закон управления определяется соотношением

Анализ полученного закона позволяет прийти к следующим заключениям:

- сигнал управления определяется ошибками управления, которые характеризуются несоответствием текущих значений ϕ_н, ω требуемым ϕ_нт, ω_т. При этом на больших расстояниях, когда ω≈0 и основной вклад в управление вносят первые два слагаемые, обеспечивая требуемое линейное разрешение по азимуту. По мере уменьшения Д увеличивается вклад третьего слагаемого и на небольших расстояниях превалирующей становится задача обеспечения минимального промаха;

- веса ошибок управления зависят от соотношения штрафов (q₂₁+q₃₁)/k_j, (q₂₂+q₃₂)/k_j и (q₂₃+q₃₃)/k_j. При этом, манипулируя их величинами можно управлять моментом перехода от управления, обеспечивающего стабилизацию линейного разрешения, к управлению, минимизирующему промах;

- для реализации способа наведения по закону (19) БРЛС должна формировать оценки дальности до целей, скорости сближения с ними и угловой скорости линии визирования.

Структура одного из возможных вариантов системы индивидуального наведения ЛА на отдельную ВЦ в составе плотной группы, элементы которой не разрешаются обычными приемами, при использовании заявляемого способа наведения, иллюстрируется фиг. 2.

БРЛС 1 осуществляет просмотр зоны ответственности, выполняет прием и пространственную селекцию сигналов (целей) за пределами элемента разрешения, определяемого значениями разрешающих способностей по угловым координатам, дальности и скорости сближения.

Сигналы, отраженные от целей группы, находящихся внутри одного элемента разрешения, попадают в один доплеровский фильтр. С выхода БРЛС 1 сигналы поступают в обнаружитель групповой цели 2.

Если интервалы измеряемых углов, дальности и скорости сближения, определяемые параметрами выходного сигнала БРЛС 1, не превышают ни одного соответствующего значения разрешающей способности по этим координатам, то обнаружитель групповой цели 2 принимает решение об ее отсутствии (наличии одиночной цели), и в вычислителе сигналов управления 3 формируется сигнал управления согласно одному из традиционных методов наведения.

Если же эти интервалы превышают хотя бы одно из значений разрешающей способности по углам, дальности и скорости сближения, то в обнаружителе 2 формируется сигнал наличия групповой цели, поступающий в вычислитель сигналов управления 3. В такой ситуации БРЛС 1 измеряет дальность до центра группы целей, скорость сближения с ним, его скорость, угол между направлением скорости центра группы и его ЛВ, а также угловую скорость ЛВ.

Кроме того, от собственных датчиков ЛА 5 в вычислитель сигналов управления 3 начинают поступать измеренные значения собственной скорости и курса ЛА. На основе входных данных вычислитель сигналов управления 3 формирует сигналы управления по закону (19), подаваемые в систему управления ЛА 4. В системе управления ЛА 4 осуществляется преобразование сигналов управления в отклонения рулевых органов, под действием которых ЛА изменяет свое пространственное положение, реализуя криволинейную траекторию полета, необходимую для получения желаемого линейного разрешения по углам.

При выходе ЛА на требуемую траекторию начинает осуществляться режим ДОЛ, и сигналы, отраженные от целей группы, попадают в разные доплеровские фильтры. БРЛС 1 начинает формировать измерения не по центру группы, а по каждой отдельной цели в группе, отраженные сигналы от которых разрешились по частоте.

При этом БРЛС 1 отбирает цель с максимальным уровнем сигнала и передает ее измерения в вычислитель сигналов управления 3, в котором согласно закону (19) по измерениям от выбранной цели из группы вычисляется сигнал управления и подается в систему управления ЛА 4.

Исследования закона управления (19) проводились по результатам имитационного моделирования полета носителя и трех целей, движущихся на малых интервалах друг от друга, в переднюю полусферу носителя, при условии, что соблюдались следующие допущения:

- скорости носителя и целей принималась постоянными, равными V_н=300 м/с и V_ц=250 м/с соответственно, при этом полет целей прямолинейный;

- шумы состояния в (15) отсутствуют и управление безынерционно;

- в качестве показателей эффективности функционирования способа наведения на цель в составе плотной группы были приняты промах h, текущее поперечное ускорение j_н управляемого объекта и текущее линейное разрешение по азимуту .

При моделировании полагалось, что точка начала наведения носителя имеет координаты z_н0=20 км, x_н0=10 км, координаты целей z_n=z_n+1=z_n-1=80 км, x_n=60 км, z_n-1=59,75 км, z_n+1=60,25 км, т.е. интервал между объектами в плотной группе составляет =250 м. При этом считалось, что на носителе используется типовая бортовая импульсно-доплеровская РЛС [5] с полосой фильтра ΔF=50 Гц. Цель наведения - обеспечить разрешение целей в группе с дальнейшим наведением на Ц_n.

Проверялось три варианта управления - для обеспечения линейного разрешения =250 м, =200 м и =150 м. На фиг. 3 приведены траектории участников наведения, полученные в результате эксперимента.

Результаты иллюстрируют успешное наведение на цель по плавной криволинейной траектории для всех трех вариантовПри этом, чем меньше требуемое линейное разрешение, тем большей кривизной обладает траектория. Маркерами на фиг. 3 выделены точки начала движения объектов и точки перехвата цели.

График зависимостей текущих значений обеспечиваемого линейного разрешения по азимуту, а также их требуемые значения представлены на фиг. 4. Полученные результаты свидетельствуют, что полет согласно предлагаемому способу наведения позволяет быстро достичь требуемые значения разрешения и обеспечить их в процессе наведения для всех трех вариантов.

На фиг. 5 приведены графики дальности до цели и промаха, рассчитываемого по формуле (14). Из рисунка видно, что дальность и промах эффективно уменьшаются после начала наведения. При этом, чем более жесткие требования предъявляются к обеспечению заданного линейного разрешения (и, соответственно, чем больше кривизна траектории), тем большее время занимает процесс перехвата.

Для оценки возможности практического применения закона управления (19) представляют интерес значения поперечного ускорения (перегрузки, испытываемые наводимым объектом) в процессе наведения. График зависимости поперечного ускорения от времени представлен на фиг. 6.

Наибольшие перегрузки носитель испытывает в начальные моменты наведения, что связано с выходом на требуемое направление движения, но значения перегрузок не превышают допустимые пределы. После выхода на траекторию носитель обладает небольшими значениями поперечного ускорения вплоть до поражения цели.

Проведенные эксперименты доказали работоспособность предложенного способа наведения, реализуемого законом (19) управления наводимым объектом, который позволяет обеспечить разрешение цели в плотной группе и одновременно с этим осуществить ее перехват в составе плотной группы и при этом не накладывает ограничения на его практическую реализацию.

По результатам исследований можно заключить, что усиление требований к линейному разрешению приводит к увеличению значений бортового пеленга цели и угловой скорости линии визирования, поперечного ускорения носителя, что в конечном итоге приводит к более сильному отклонению траектории от прямолинейной.

Для осуществления наведения по закону (19) требуется знание оценок дальности до цели, скорости сближения с ней, скорости цели, угла между направлением скорости цели и ЛВ, угловой скорости ЛВ, собственной скорости наводимого ЛА и бортового пеленга, которые формируются по известным типовым алгоритмам [6].

Перечень использованных источников

1. Григорьев Ф.Н., Кузнецов Н.А., Серебровский Л.П. Управление наблюдением в автоматических системах. - М.: Наука. 1986.

2. Авиационные системы радиоуправления: учебник для военных и гражданских ВУЗов и научно-исследовательских организаций. / В.И. Меркулов, B.C. Чернов, В.А. Гандурин, В.В. Дрогалин, A.Н. Савельев. Под ред. В.И. Меркулова. - И.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. - 423 с.

3. Патент на изобретение №2253082 от 27.05.2005 г., бюл. №15, «Способ наведения летательного аппарата на отдельную воздушную цель в составе плотной группы». Авторы: Меркулов В.И., Самарин О.Ф., Францев В.В., Челей Г.С.

4. Информационно-измерительные и управляющие радиоэлектронные системы и комплексы. Монография / Под ред. B.C. Вербы. - М.: Радиотехника, 2020. - 490 с.

5. Система управления вооружением модернизированного истребителя [Текст]: учебное пособие / [А.В. Аврамов, С.Л. Иванов, В.В. Шевченко, B.Т. Янковский; под общ. ред. А.В. Аврамова]. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. - 240 с.

6. Автоматическое сопровождение целей в РЛС интегрированных авиационных комплексов. Многоцелевое сопровождение. Т. 3. Монография. В 3-х томах / Под ред. B.C. Вербы. - М.: Радиотехника, 2018. - 392 с.

Способ индивидуального наведения летательного аппарата (ЛА) на воздушную цель в составе плотной группы, заключающийся в том, что при обнаружении плотной группы целей в обнаружителе групповой цели ЛА в его бортовой радиолокационной системе (БРЛС) измеряют и получают оптимальные оценки дальности от ЛА до центра группы скорости сближения ЛА с ней и угловой скорости линии визирования центра группы с ЛА после чего на основе сформированных оценок по закону

вычисляют сигнал управления поперечным ускорением j_н ЛА, где:

q₂₂, q₂₃, q₃₂, q₃₃ - весовые коэффициенты штрафов за точность управления по угловой скорости;

k_j - весовой коэффициент штрафа за величину сигнала управления;

требуемое значение угловой скорости линии визирования;

ΔF - ширина полосы пропускания доплеровского фильтра БРЛС;

λ - длина волны БРЛС;

- требуемое линейное разрешение БРЛС,

отличающийся тем, что дополнительно вычисляют составляющую j_нϕ

устраняющую несоответствие требуемого и текущего значения бортового пеленга, где

q₂₁, q₃₁ - весовые коэффициенты штрафов за точность управления по углу;

оценка требуемого значения бортового пеленга центра группы;

V_ц, V_н - скорости центра группы и управляемого ЛА;

- оценка угла между направлением скорости центра группы и линией визирования,

после чего на основе вычисленного значения (1) формируют модифицированный сигнал управления по правилу

далее, после выхода ЛА на требуемую траекторию и разрешения отдельных целей в группе, в БРЛС выбирают цель с максимальным уровнем отраженного сигнала, измеряют и получают оптимальные оценки дальности от ЛА до выбранной цели, скорости сближения ЛА с ней, бортового пеленга цели с ЛА, угловой скорости линии визирования цели с ЛА и формируют сигнал управления ЛА согласно правилу (2).