автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Использование радиолокационной станции с синтезированием апертуры на лопасти несущего винта вертолета

МОСКОВСКИЙ ИЕСШУТ ИН2ЕНЕГОВ ГИВДМХОЯ АВИАЦИИ

Для служебного пользования Зкэ.Я? 86

На прозах рукописи

• ВОЙШ ОЛЬГА БОРИСОВНА

УД{: 621.396.967

ИСПОЛЬЗОВАНИЙ РАДЮЛОадИОНКОП СТА1ЦИИ С аШГЕЗЖОВАШЕМ АНЕРТ/га НА ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВйНТА ВЕРТОЛЁТА.

Специальность: 05.12.04 Радиолокация - и радионавигация,

•- АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

.Москва - ЮТ г.

/'1 У У/1 ■■'■■'-

., '• . У'"' ''

Диссертация выполнена в Московском ордена Ленина к орден: Октябрьской революции авиационном института имени Серго Орджоникидзе .

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Офягошлыше оппоненты: доктор технических наук, профессо;

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

' Защита оосвоится 26 февраля 1993 года в 10 чао. на васед нии Специализированного Совета К.072.05,03 Московского инстич та инженеров гражданской авиации по адреоу: 125493, Моокза, ул.Пулковская, 6-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГА. Автореферат разослан января 1993 г. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печг просим направлять по адресу: 125493, Москва, Кронштадтский б: вар, д.20 на имя Ученого секретаря Специализированного Соватг

Учений секретарь Специализированного

Советь, к.т.н. М.МЛОемаханов

Баклицкий Вячеслав Константинович

Николай Иванович Григорьев; доктор технических наук Александр Валентинович Прохоров

радиоприбороотроения (НШРП)

\

.¿У/7

£1^____гэ ^г.

-3-

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ.'

Актуальность работы .Пилотирование вертолёта на предельно малых высотах, необходимое для решения ряда военных н народно- I хозяйственных задач, требует проведения исследований путей ; построения комплекса технических средств обеспечения полёта ¡. вертолёта с облётом препятствий в горизонтальной плоскости* В настоящее время такой комплекс средств на борту вертолёта г отсутсвует. Данная работа направлена на решение вопросов радиолокационного обеспечения функциоонирования пилотажно- : навигационного комплекса /ПЖ/ вертолёта в режиме полёта на предельно малых высотах. Решение этих вопросов на основе системного подхода, использования новейших достижений радио- ; локационной техники и перспективных методов построения систем автоматического управления является актуальным. }

Г^бога выполнена в соответствии с планом проведения ■ ;

научных исследований МИ, Секции, прикладных проблем Вэсоийекой '• Академии Наук./ тема II? 8С8/187-92 шифр " ИТИ5Т-ШТ7, НТК ВВС / теиа 49-92 шифр "Взлан-ГА"/.

Цель и задачи исследования:

- разработать метода построения высокоэффективной рэ.^иоло-

)

кациошой системы для обеспечения полёта вертолёта на предель- ; но малых высотах, исследовать и обосновать пути использования, высококачественной радиолокационной информации дли построения систем управления вертолётом в рассматриваемом ре жиле. .

Для достижения поставленной цели необходимо бнло последовательно решить следутацие задачи»

1. Проанализировать особенности режима полёта вертолёта на предельно малих высотах.

2. Провести исследование рассматриваемого рзкима полёта

только по визуальной информации для определения ооновных ограничений при использовании такой информации. ____

3. формулировать и обосновать требования, к бортовым, радиолокационным датчикам информации.

4. Проанализировать влияние динамических свойств вертолёта и его основных элементов на точностные характеристики бортового радиолокационного датчика информации.

5. Исследовать метода построения и технические возможности радиолокационных датчиков с синтезированием апертуры* на лопасти несущего винта вертолёта.

6. Предложить структуры систем обработки радиолокационной информации;

7. Разработать принципы построения элементов вертолётных ПНК на основе использования радиолокационных станций

с синтезированием апертуры на лопасти несущего винта.

8. {^зработагь методы использования радиолокационной информации для создания оптимальных алгоритмов управления . вертолётом на предельно малых высотах.

Методы исследования. При решении перечисленных задач ■ использованы методы анализа восприятия визуальной информации; метода.исследования радиолокационных и радионавигационных систем; метода анализа и синтеза ПНК; методы исследования вертолёта как носителя радиолокационного датчика информации и как объекта автоматического управления на основе решения обратных задач динамики и методы машинного моделировании.

-8-

KPATKQE СОдаРДАНЙЕ РАБОТЫ.

• Вз введении проведён краткий анализ режимов работы вертолёта и показано, что наиболее сложным является полёг на предельно малых высотах с облётом препятствий в горизонтальной плоскости, рис. Г в. На основе существующих публикаций по рассматриваемому вопросу сфорцулирован круг задач, которые необходимо реиить в процессе исследования. Обоснована актуальность и сформулирована цель работы, определены основные направления и методы исследования.

Легший раздел посвящен анализу особенностей построения пилотажно-навигационного или прицельно-навигационного /ГОЖ/ комплекса вертолёта для обеспечения различных режимов полёта. Показана необходимость введения дополнительных элементов в структуру коютлекса. Подробно рассмотрен процесс полёта вертолёта на предельно малых высотах при использовании только визуальной информации. Обоснована необходимая последовательность операций, выполняемых экипажем при лаловысотном полёта по визуальной информации. Эта последовательность наглядно представлена в виде алгоритма, рис,2, где:

КПП - конечный пункт маршрута; S - ширина свободного коридора;

минимальная безопасная пгррина коридора; R - дальность до препятствия; if - угол направления полёта.

На основании рассмотрения последовательности операций для пилотирования вертолёта на предельно, малых высотах по визуальной информации можно сделать следующие выводы:

Содержание работы и её объём. Диссертация состоит [з введения, пяти глав, заключения, списка используемой мтера1уры /55 наименований/ и 3 приложений.

Работа содержит 453 страниц основного текста, включая 54 рисунков и 8 таблиц.

Положения, выносимые на защиту. Ка основании провеянных исследований сформулированы следукицие основные поло-:ениа, которые выносятся на защиту:

1. Методика системного исследования требований к бортовыы: ¡ертолётным информационным датчикам, позволяющая учитывать арактеристики самого вертолёта при полёте на пределвно

алых высотах. •

2. Научно-техническое обоснование использования в качества сновного бортового датчика информации для обеспечения полёт,а

I рассматриваемом режиме радиолокационной станции о синтези-юванием апертуры акте но я, расположенной на лопасти несущего мнта,

3. Роль и место РЛЗ в структуре основных элементов :ош1лекса управления вертолётом яа предельно малых высотах.

4. Алгоритмфптимального управления вертолётом по радио-юкационной информации в реяиме полёта на предельно малых исотах, разработанные та основе решения обратных задач [инаыики.

£

(

N

ы

i À__/

\V-\

ч

/

£

о Í 3 iû-

«o

- ко -

Ж

К(№Ц полета

Рис. г

-н-

- выполнение полёта на предельно малых высотах в облётом препятствий в горизонтальной плоскости по визуальной информации может осуществляться з идеальных метеоусловиях при хорошей видимости. Полёт в этом режиме ночью практически невозможен;

- оценка дальности осуществляется очень приближённо,

в то время как направление полёта оценивается достаточно точно;

- ширина коридора определяется грубо на основе опыта пилота.

Поэтому может оказаться, что при подлёте к препятствиям вертолёт не сможет пройти между ними.

Проведённый анализ применения датчиков информации, позволяющих обеспечить полёт на предельно малых высотах, показал, что:

- рассматриваемый режим является наиболее сложным для еюллажа и требует высокоточной информации о препятствие;

А »

- существует определённая последовательность логических. операций, необходимая для полёта вертолёта в рассматриваемом режиме, которая может быть осуществлена тольцо опытными эшпалами, состоящими из двух пилотов;

- полёг в рассматриваемом режиме по визуальной информации практически невозможен в ночных: условиях;

- использование оптических и лазерных датчиков затруднено, так как на предельно малых высотах велика вероятность попадания в туман или пылевое облако;

-"телевизионные датчики.требуют наличия прозрачной атмосфзры и работают только при хорошей освяцённооти;

- тепловые датчики реагируют лишь на определённые \

!

объекты; ;

- для управления вертолётом в рассматриваемом режима наиболее

- 42. ~

целесообразно использовать РЛ датчики информации.

Во второй разделе обоснованы и сформулирована требования к РЛ информации. Показано, что в рассматриваемом режиме необходимо располагать высокоточной информацией о линей-how угловом расстоянии мезду объектами, то есть о конфигурации своеобразного коридора, в котором может быть осу-щесвлён полёт на предельно малых высотах. Обосновано значение шириш этого коридора. Подробно рассмотрен процесс маловысотного полёта по РЛ информации с огибанием препятствий в горизонтальной плоскости. Предложена структурная схема устройства формирования коридор полёта на индикаторе РЛС.

fopwa коридора представляется на индикаторе PJIG в виде специальных меток дальности, расстояние которых от РЛС вычисляется по выражению

_ ^cSCYe), Vp-Чр

^^ ± csc Yp),Гр* n i)

где: ■у - текущий угол между осыб шправления полёта и границей коридора, Yp" направление полёта.

Обоснованы и сфор^лированы требования к характерней! кам РЛ датчик облёта препятствий / максимальная и мини- -ыальная дальности действия, разрешающая способность по азумуту и дальности, точность измерения/. Показано, что расскамриваешГ. режим полёта может быть осуществлён только по РЛ шфрлации, то есть при полном отсутствии визуальной I в жбеп метеоусловиях и даже ночью/.

Надо устаювлзпо, что рассматриваемый режим полёта монет выполняться только при наличии РЛ датчика о очень высоко'} разрешающей способностью по угловда координатам, которая не может быть получена с помощь» обычных РЛ станций. Псзтслу возникла необходимость в проведении исследований по использованию различных элементов конструкции вертолёта, и в частности лопастей несущего винта для создания такого датчика.

Третий раздел посвящен исследованию влияния динамических свойств вертолёта на характеристики бортового РЛ оборудования. Рассмотрены особенности использования вертолёта как носителя РЛ станций. Вертолёт рассматривается как сложная динамическая система. Проведена оценка вибраций и перемещений отдельных элементов конструкции вертолёта. Анализ принципов работы вертолёта показал, что по своей конструкции вертолёт. является самыы сложным в управлении атмосферным летательным аппаратом и поэтому экипаж должен быть постоянно обеспечен оперативной навигационной информацией.

Известно, что влияние неоднородностей атмосферы, порывистого ветра приводит к значительному отклонению центра масс: вертолёта от рассчётного при выполнении «аловысот-ного полёта. Эти отклонения шнуг достигать величин? более I и за 5-10 с полёта.

Амплитуда вибраций элементов конструкции на определённых скоростях полета могут достигать 0,о ми. Основным источником вибраций фюзеляжа являются "проходные" гармоники колебаний! лопастей несущего винта, которые чорэз втулку воздействуют на фйзеляя. !!а режимях висекия и

вертикального набора высоты углы крена могут достигать 2-3 О помощью автопилота удаётся уменьшить значение отклонения положения центра масс вертолёта и направлений его строител ных осей в полёте. Однако, автопилот АП34В обеспечивает при полёте в спокойной атмосфере точность задерживания: направления ±1,5° /26,4 ырад/

крена ±0,5° /8,79 мрад/

тангажа ±-0,5° /8,79 мрад/

высоты ± 8 м.

Показано, что колебания угла тангажа вызывают такое ян перемещение оси диаграммы направленности РЮ в вертикаль» плоскости. Это существенно снижает разрешающую способкост РЛС по угловым координатам. Подробный анализ колебаний показал, что размещение РЛС ка феозеяяже сильно ограничива разрешающую способность РЛС.

С целью анализа возможностей установки антенны РЛС на лопасти несущего винта было проведено подробное иссле^ вание изменения положения лопасти несущего винта в разлив ных режимах додача. Проведена оценка установочных углов, маховых движений и колебаний лопасти несущего винта. В р< зультате атих исследований получены конкретные цифровые характеристики, положенные в основу расчётов влияния пол< жения лопасти на основные параметры, установлено;) на ней бортово?, РЛС, Рассмотрены значения азимутальной разраша-вщей способности для различных длин волн. Показано, что поперечные размеры существующих лотастей несущего винта .позволяют разместит» в них высокоэффективные аятенные системы, ¿^аичёты зыполнаш для лопасти шириной 500 мм, высотой 50 мм и для длин валн , % =т мл,.Я =1 см и Я «Г При рассмотренном размере лопасти м указанны длинах еогп «ожн,> получить тири1<у диаграммы направленности от О, Т2°,

-45В четвёртом разделе .приведены результаты исследований

возможности исполыаовашя лопасти несущего винта д^я создания РЛС о синтезированной апертурой. С помощью такой отанции может быть получено радиолокационное изображение, позволяющее обеспечквь полёт вертолёта с облётом препятствий в горизонтальной плоскости. Проводится сравнительная оценка угловой разрешающей способности различных датчиков. РЛ изображение такого высокого качества не может быть получено с помощью других традиционных датчиков. Рассмотрена возмояности использования лопасти для создания нефокусированной и фокусированной синтезированной апертуры в различных диапазонах волн. Показано, что применение дафокусированной апертуры при синтезировании на лопасти винта нецелесообразно. На основании дальнейшего развития работ немецкого исследователя Г.!{лаузинга были получены ласчётные соотношения для случаев расличноио взаимного расположения вертолёта и цели. На основа этих соотношений приедена оценка предельно допустимых значений азимутальной разрешающей способности. Показано влияние положения лопасти в процессе вращения на значение допплеровской частоты. Проведена оценка целесообразного значения сектора положения лопасти для эффективного синтезирования апертуры. Установлено, что наиболее целесообразно использовать сектора не более 90°. При синтезировании в таком секторе при фокусировке на Я = 2 ш можно получить азимутальное разрешение при:

X = I мм равно© 20 си,А = I см разное 2 м,X. = I м равное 200 и.

Исследования, проделанные в этом раздел-. позволили: - обосновать необходимость использования дта рассматриваемого режима полёта РЛ£ с С А. на'лопасти несущего пинта, работающей в си и ми. диапазонах волн.

-46- разработать структурную схецу РЛС с СА. m лопасти несущего

винта, которая могет обеспечить высокоэффективное синтезирование при малонысотком полёте и даяеночы:*;

- определить нео&годаинв связи такой станции с другими, вертомётныш датчиками информации. Связи РЛС с.другюм датчиками удобно проследить по рис.З, где:

КГ - когерентный генератор,ПСО - переключатель сектора обзора, BPS - Ибгтолётш»: вызотэцер, ДСВ - датчик скорости вращения, ПР - генератор раззёртки, ГХШ - генератор стробиштульса, ГШ - генератор высокой частоты, АЦД - аналого-цифровой преоборазователь сбуферной намятые /БП/, С1 - смеситель, 5 - фильтр, В05 - вычислитель опорной функции, П - блок памяти, К - коррелятор в квадратурных каналах, СК - схема возведения з квадрат, ¿Е} - сумматор, V ' - вычислитель квадратього корня, ЦЛП - цифро-аналоговый преобразователь, ЙВД КО - индикатор кругового обзора, ШС - генератор меток коридора, ЯГ - пулы1 управления, ТА - усилитель мощности, АН - антенный переключатель, Ш - импульсный модулятор, УВЧ - усилитель высокой частоты, ^ /2 - фазовращатель на .

£ /г.

- предложить структурную схему многофункциональной вертолётной РЛС, на которую получено поло.гительное решение ВНйй ШЭ,

Йгздел пятый посвящен разработке структурных схем алгоритмов систем автоматического управления вертолётом в режиме полёта на предельно малых высотах с использованием радиолокационной информации. Конструирование этих

- ш-

алгоритмов проводилось на основе метода обратных задач динамики, Разработанные алгоритма обеспечивают выполнение маловысотного полёта за минимальное время.

Маршрут ыаловысотного полёта состоит из отдельных участков. Перед пролётом каздого участка экипаж должен развернуть вертолёт на заданный угол за заданное время. Затем на прямолинейном участке набрать максимальную скорость полёта и сбросить её до заданного значения в течении определённого времени движения. Это время определяется дальностью до препятствия, информация о которой получается от радиолокационного датчика. После етого необходимо оценить обстановку и развернуть вертолёт на новый угол по курсу. Информация о развороте так т получается от радиолокационного датчика. После этой операции вертолёт снова разгоняется до максимально возможной скорости, значение которой определяется динами-чэсими свойствами вертолёта и протяжённостью второго участка. Эти операции повторяются при пролёте каждого последующего участка. .

Анализ методов построения алгоритмов, минимизирующих общее время полёта, показал, что для определения структурных охеы алгоритмов управления целесообразно испогь-зовать методы обратных задач динамики. Шли разработаны структурные схемн алгоритмов управления угловыми скоростями вращения сс^ЛЛ с^/^У, ^ Г"^^ , углами крет£№), курса тангажа , шеотой полёта Н

I и дальностью полёта на иавдом участке движения {<:).

Обцая структурная схема системы управления вертолётом с синтезированной апертурой на лопасти пинта представлена на рис.4, где изображён блок РЛС с СА, гысокоточ-

«о

г

рис- А .

-20- *

низ сигналы с которого поступают на блок (формирования параметров движения на прямолинейны:: участках , Ъ-ъи И ¿фР, где:

Ъ - длительность процессов изменения углов крена, курса-и тангажа, - длительность изменения скорости движения вертолёта относительно существующей оси, у^- скорость по ),

Н - высота полёта,

д-лльность до препятствия, В схецу входит блок формирования коэффициентов алгор мов управления к££, к^-, зависящих от задан

ных законов управления параметрами движения. Эти коэффициенты входят в структурные схемы алгоритмов управлений, на выходе которых получены законы изменения управляющих сил и управляющих моментов.

В результате проведённых исследований путей построения систем автоматического управления вертолётом в режиме ыаловысотного полёта подучены следующие результаты:

- разработана и предложена методой.. составления структурных схем алгоритмов управления вертолётом

ь режиме маловысотного полёта с максимальным использованием информации с различных РЛ датчиков;

- обоснована методика расчёта параметров структурных сЗсем алгоритмов управления;

- получены алгоритмы вычислений на Ш\5 РС динамики движения вертолёта;

- результат моделирования показали, что предложения алгоритмы обеспечивают оптимальные и адаптивные законы управления по радиолокационной информации;

- 2< ~

- разработанные на основе использования методов обратных задач динамики алгоритмы управления позволяют повысить положение центра масс вертолёта;

- разработанные алгоритмы и программы вычислений имеют достаточно универсальную структуру и могут

быть использованы для проектирования систем управления вертолётами различных классов. . .

Заключение. Анализ резльтатов исследований, проведённых я диссертационной работе, показывает, что основные цели и задачи работы выполнены. Результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведено всесторонее исследование режима полёта вертолёта на предельно малой высоте, в результате которого показано, что:

- полёт в этом режиме по визуальной информации может осуществляться опытными экшшеаш, состоявший из двух лётчиков на малой скорости в идеальных метеоусловиях

И только в дневное время;

- исполызование телевизионных и ИК датчиков в этом режиме затруднено,

2. Показано, что маловысотгай полёт с огибанием препятствий в горизонтальной плоскости может бить осуществлён по радиолокационной информации, получаемой от РЛС о высокой разрешающей способностью.

3. Исследование динамически свойств вертолёта показало, что в реате полёта на малой высоте

корпус вертолёта подвергается интенсивным воздействиям внешних и внутренних возмущений, ухудшающих уазрепгаюцуг способность и точностные характеристики бортовых РЛС.

-224. Проведено научно-техническое обоснование использования в качества основного бортового датчика в рассматриваемом режиме радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенной, расположенной на концк лопасти несущего винта вертолёта. - - .

5, Вазработайа структурная схема вертолётной РЛС с форсированной синтезированной апертурой на лопасти несущего винта" р использованием элементов комплекса управления вертолётом.

6. Разработана и предложена методика составления структурных схем алгоритмов оптимального управления вертолётом в рассматриваемом режиме по радиолокационной информации, получаемой от РЛС с СА на лопасти несущего винта,

?. Результаты моделирования показали реализуемость алгоритмов и возможность их использования для управления вертолётами различных классов при использовании высококачественной радиолокационной информации.

Литература:

по материалам диссертации опубликованы следующие работы

I. Статья " Сравнительный анализ бортовых радиолокационных датчиков подповерхностного зондирования и традиционных радиолокационных датчиков" в тематическом сборнике трудов института, редколлегия 27, ?М:МАИ,1990 г.

г. Статья " Анализ возможностей использования вращения лопасти несущего винта вертолёта для создания РЛС о нефокусированной синтезированной апертурой", -Мгйэвестиа ВУЗов, 1ЭЭ1 г.

3. Тезисы доклада с "Тезиоах докладов Всесоюзной

-23~

научно-техничеокой конференции4, г.Кйев,ШГА,1991 г.

4. Матвриалн в научно-технический отчёт 0Ш-2С МАИ -М:МАИ,1989 г.

5. Подучено положительное решение ВНИК ШЭ по заявке Р 4919392/09 /0221Б8/, приоритет от 13.03.91, Ш 93015 13/04,13/90 "Вертолётная радиолокационная отанция", авторы: З.К.Боклицкнй. О.Б.Зойнич.

Подлизано к яечатя 32.01.93 г. Печать офсетная 1,5 уч.изд.л. 1,39 увл.пэч.л. Заказ й 421/2,2^9 Тирах 100 вез.

Московский институт инженеров грааданской авиедии РИО МИИГА

125493 Москва, ул.Пулковская, 6а