Внешняя баллистика. Оптические и радиотехнические методы внешнетраекторных измерений

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».