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.