Разработка и исследование индикаторного быстродействующего подвеса широкоугольного приемного узла высокоточной системы наведения с использованием волоконно-оптических гироскопов

Специфика применения датчиков угловых скоростей.

Задача борьбы с бронетехникой противника всегда являлась и является крайне важной задачей. В последнее время из-за все более усиливающейся защиты танков от ПТУР (как пассивной, так и активной) все чаще ставится задача поражения бронетехники сверху, где броня значительно тоньше, а средства защиты обычно не устанавливаются.

Все разработки в данной области, как отечественные, так и зарубежные, можно разделить на три основные категории:

1). Комплексы с лазерной подсветкой цели.

Примерами такого вида комплексов являются отечественные разработки «Смельчак», «Сантиметр», «Краснополь» и иностранный комплекс «Копперхед». Все эти комплексы наводятся на лазерное пятно, которым необходимо подсвечивать цель. Причем в «Смельчаке» и «Сантиметре» используется метод «погони», реализуемый с помощью флюгера, а в «Краснополе» и «Копперхеде» — метод пропорционального наведения, реализуемый с помощью механических (силовых) гироскопов.

Эти комплексы имеют ряд недостатков. Во-первых, необходимость лазерной подсветки сильно ограничивает область их применения. Во-вторых, наведение с флюгером дает возможность осуществить только один метод наведения — метод погони, который неэффективен при работе по быстро движущейся цели и при сильном ветре, а механические гироскопы позволяют вести поиск цели в крайне малом диапазоне углов (порядка 3°) при скоростях сканирования не более 80 град/сек. Еще один недостаток систем с механическими гироскопами — большая масса самих гироскопов, приводящая к увеличению общего веса изделия.

2). Самонаводящиеся комплексы, работающие в миллиметровом диапазоне.

Пример — английский комплекс «Мерлин» .

3). Комплексы, работающие в тепловом диапазоне.

Все данные комплексы еще только находятся в разработке. Примером разработки такого рода является шведский комплекс «Стрик» .

Преимуществом этого комплекса и комплекса «Мерлин» является то, что они не требуют лазерной подсветки цели. Недостатком же по сравнению с вышеупомянутыми четырьмя комплексами является необходимость применения более чувствительных приемников. Другие недостатки, связанные с тем, что в обоих этих комплексах применяются механические гироскопы, рассмотрены выше.

Данная работа посвящена проблеме поражения танков самонаводящимся устройством (СНУ). Рассматривается работа такого устройства, поднятого на некоторую характерную высоту (ниже средней высоты облачности, 600-И550 м).

После выстреливания СНУ на высоте 600ч-650 м стабилизируется по направлению относительно вертикали по крену и тангажу.

Начиная с высоты 600 м, оптическая система сканирует земную поверхность для обнаружения цели.

Обнаружив цель, ГСН определяет параметры отклонения траектории СНУ относительно цели, вырабатывает команды на органы управления для коррекции траектории и обеспечения прямого попадания в цель.

Главная особенность разрабатываемой системы — полная автоматизация и автономность функционирования, все происходит автоматически, без участия оператора.

Современные технологии определили выбор варианта ГСН с применением ФПУ в виде 8-ми элементной линейной фотоматрицы с электронным охлаждением в сочетании с линзовым объективом. Указанная оптическая система размещена в двухосной карданной системе, управляемой по команде бортовой ЭВМ с углами прокачки ±20°.

В системе управления и стабилизации оптической системы вместо традиционного механического гироскопа используется трехосный датчик угловых скоростей (ДУС) на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Эта структура позволяет перенести центр тяжести требований по быстродействию и точности на узел ДУСов и бортовую ЭВМ, то есть на электронные блоки, обладающие потенциально более высокими точностями и быстродействием, а также более технологичными в производстве.

Система ДУСов по сравнению с механическими гироскопами обладает следующими преимуществами: значительное уменьшение габаритов и веса изделия и возможность отключения стабилизации, например, для сканирования (для силового трехосного гиростабилизатора (TTC) это невозможно, т. к. гироскоп препятствует любому повороту, в том числе и тому, который необходим). ДУС же не препятствует задаваемому программно повороту, что позволяет при сканировании осмотреть большой участок поверхности земли (до 6 га), что значительно повышает вероятность обнаружения цели.

Цель работы — разработка алгоритмов управления осью оптической системы, установленной на кардановом подвесе, обеспечивающих вычерчивание оптической осью на земной поверхности траектории с заданными пространственными и временными параметрами, определяемыми требованиями поиска цели на большой площади за короткий временной промежуток, точности определения углового положения и слежения за движущейся целью. При этом применяется новая индикаторная система стабилизации с использованием ДУСов на основе ВОГ.

В первой главе выведены кинематические и динамические уравнения движения карданова подвеса, рассмотрен способ задания силового момента управления, проведено математическое моделирование на основе вышеуказанных уравнений, рассмотрены его результаты, основным из которых является подбор коэффициентов пропорциональности отклонению утла и угловой скорости относительно инерциальной системы отсчета в уравнениях для силовых моментов.

Во второй главе рассмотрен состав и основные части реального карданова подвеса, подробно рассмотрены волоконно-оптические гироскопы (устройство и принцип работы), показаны алгоритмы работы подвеса в основных режимах, рассмотрен состав экспериментального макета и результаты его испытаний.

В третьей главе рассмотрена задача распознавания цели на фоне помех. В ней предложены алгоритмы устранения фонового сигнала и собственных шумов приемника, а также ложных срабатываний по флюктуациям рельефа.

Четвертая глава посвящена анализу результатов.

В приложениях представлен полный текст программы, реализующей алгоритмы работы карданова подвеса (приложение 1), подробное описание этой программы (приложение 2), а также описание программы математической модели работы карданова подвеса (приложение 3).

Научная новизна.

1. Получены системы уравнений с введением трения относительно земной поверхности для расчета управляющих моментов по заданному закону движения оси приемника.

2. Составлены алгоритмы работы подвеса с волоконно-оптическими гироскопами в режимах «Арретирование», «Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Практическая ценность.

Разработанные алгоритмы позволили:

1). повысить вероятность поражения цели в условиях сложной целевой обстановки;

2). обеспечить большой угол поиска цели и малое время сканирования кадра;

3). снизить время установки оси приемника в заданное угловое положение благодаря введению тормозящего момента, пропорционального угловой скорости в инерциальной системе отсчета;

4). обеспечить стабилизацию оптической оси изделия, избежав при этом применения громоздких механических гироскопов (за счет применения волоконно-оптических гироскопов);

5). результаты исследования использованы в реальной ОКР.

Достоверность результатов обеспечиваются экспериментальными данными математического моделирования и лабораторными испытаниями приемного узла СНУ.

На защиту выносятся:

1. Вывод и применение систем уравнений для расчета управляющих моментов, обеспечивающих заданный закон движения оси приемника с введением трения относительно земной поверхности.

2. Подбор коэффициентов в уравнениях для силовых моментов с помощью математического моделирования.

3. Алгоритмы работы подвеса в режимах «Арретирование», «Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Заключение

.

Были достигнуты следующие результаты:

1. Выведены уравнения, по которым движется и управляется объектив в подвесе, чтобы «вычертить» на земле заданную траекторию.

2. С помощью созданной математической модели был произведен подбор коэффициентов для управления датчиками моментов.

3. Разработаны алгоритмы работы карданового подвеса в необходимых рабочих режимах.

4. Написана программа, осуществляющая эти алгоритмы.

5. Проведены эксперименты, подтверждающие справедливость подбора коэффициентов и работоспособность алгоритмов.

6. Достигнуты следующие параметры изделия:

1). Диапазон углов поиска цели — 24°.

2). Точность определения координат — 2'.

3). Скорость сканирования — 240 град/сек (осмотр одного кадра за 0.7 секунды).

Эти параметры значительно превосходят все существующие в настоящее время системы (в первую очередь, по диапазону углов поиска цели и скорости сканирования), например «Смельчак», «Сантиметр», «Краснополь», «Копперхед», «Мерлин» и «Стрик». Это превосходство достигнуто тем, что в данном комплексе применен принципиально новый способ управления — с использованием волоконно-оптических гироскопов, а не механических гироскопов или флюгеров, как в вышеуказанных комплексах, а также использован высокоскоростной бортовой микрокомпьютер.

В целом разработан и исследован узел стабилизации и сканирования для нового поколения ГСН для высокоточных боеприпасов на основе современной элементной базы.