автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез системы управления летательным аппаратом для мониторинга и применения средств пожаротушения

УДК 621.396.967.7 На правах рукописи

АНТИПОВА Анна Андреевна

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах).

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ЯНВ Z013

005048638

Москва 2012

005048638

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Научный руководитель - Шахтарин Борис Ильич,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и технике РФ, Лауреат Государственной премии СССР.

Официальные оппоненты:

- профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник Колтышев Евгений Евгеньевич (ВУНЦ «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е.Жуковского и Ю.А. Гагарина»);

- кандидат технических наук, начальник отдела Разин Анатолий Анатольевич (НИИП ИМ; В.В.Тихомирова)

Ведущая организация - ОАО «Корпорация « Фазотрон - НИИР» Защита состоится «12 » февраля 2013г. в 14 час. 30 мин. .на заседании диссертационного совета ДС 212.141.02 при Московском государственном университете им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) по адресу: 105005, Москва, Госпитальный переулок, д. 10, МГТУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при Московском государственном университете им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан «2<5?» декабря 2012г.

Ученый секретарь кандидат технических наук,

диссертационного совета доцент Муратов И.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Предметом исследования диссертационной работы являются робототехнические средства пожаротушения, наведения которых летом 2010г. было недостаточно эффективным вследствие ограниченных возможностей оптических средств прицельного сброса огнегасящего состава в условиях плохой видимости.

Тушение пожаров при помощи авиационных средств, проводится путем многократных сбросов воды на очаги пожара. Для этой цели противопожарный вариант пилотируемого или беспилотного самолета, вертолета, аэростата и других аппаратов оборудуется водяными баками и может заправляться водой, как на аэродроме, так и самостоятельно в режиме глиссирования на водной поверхности. Использование авиационных бомб типа АСП-500 обеспечивает стопроцентную доставку массы огнегасящего состава в зону пожара, а взрывной способ диспергирования состава создает дополнительный фактор пожаротушения - воздушную ударную волну. Современные средства пожаротушения на основе использования технологии азотного пожаротушения имеют высокую эффективность по накрытию зон горения, разрушения вертикального теплового потока - «тепловой трубы», засасывающей воздух в зону горения.

Значительные проблемы возникают при пожаротушении лесных массивов. В этом случае очаг пожара характеризуется большой пространственной протяженностью и сильной задымленностью, что затрудняет прицельное использование оптических средств пожаротушения.

В этом случае использование РЛС может помочь в решении данной проблемы. Так как дым не препятствует распространению радиолокационного сигнала, а эффективная площадь отражения (ЭПО) горящих деревьев отличается от ЭПО зеленого лесного массива, то на индикаторе РЛС будет хорошо видна граница очага пожара, по которой можно выполнить прицельный сброс воды и других средств. С течением времени ЭПР горящих объектов может упасть до минимальных значений, однако, использование радиолокационных ориентиров в окрестности зоны возгорания позволяет прицельно применять средства пожаротушения.

Анализ разрешающей способности различных видов систем обзора и наблюдения показывает, что для эффективного наведения средств пожаротушения необходимо создание визирной системы на основе оптической системы и РЛС с синтезированной апертурой (РСА). Поэтому объектом исследования является средство пожаротушения с радиолокационной системой, работающей в режиме синтезирования апертуры.

Однако РСА обеспечивают обнаружение объектов не по курсу носителя, а в переднебоковом секторе. Поэтому наведение средств пожаротушения требует наведения специальных и сложных приемов. В этом случае обнаружение наземных объектов производится в переднебоковом секторе с последующим разворотом носителя или управляемого средства пожаротушения (УСПТ) и наведением средств пожаротушения при прицеливании по расчетной точке или

вынесенному ориентиру, т.е. без наблюдения объекта возгорания, практически «вслепую».

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности применения средств пожаротушения в любых метеорологических условиях на основе РЛС в режиме синтезированния апертуры антенны.

Границы исследования. В диссертационной работе рассматриваются способы применения радиолокационных систем и алгоритмы обработки принимаемых сигналов.

Для достижения указанной цели в работе решается актуальная научная задача, заключающаяся в разработке траектории и метода наведения УСГГТ на очаг возгорания и алгоритмов измерения координат точки применения УСПТ (сброса огнегасящего состава) путем сопровождения малоразмерного наземного объекта и ориентира в РСА, позволяющие обеспечивать высокую точность в условиях плохой визуальной видимости.

Для решения поставленной научной задачи в диссертационной работе решены следующие частные задачи:

1 .Проведен анализ природной и климатической обстановки в зоне пожара и рассмотрены особенности применения авиационных средств пожаротушения;

2.Обоснованы пути повышения эффективности радиоэлектронного комплекса на основе РЛС с синтезированной апертурой.

3.Обоснованы требования, предъявляемые к системам и методам наведения УСПТ в точку сброса огнегасящего состава;

4.Предложены траектории носителя УСПТ с СА в горизонтальной плоскости в зависимости от требований по разрешающей способности;

5.Получено уравнения промаха при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность синтезированного РЛИ;

6.Синтезирован алгоритм траекторного управления наблюдением для обеспечения заданной разрешающей способности в УСПТ с СА;

7.Синтезированы алгоритмы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта с использованием дополнительной информации от ориентиров;

8. Для получения количественных характеристик показателей эффективности синтезированной системы разработана цифровая имитационная модель наведения УСПТ и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта;

9.Сформированы предложения по техническим характеристикам и структуре УСПТ с РСА.

Методы исследования. Задачи, представляющие научный интерес решены на базе статистической теории оптимального управления и приема сигналов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

— обосновании методики применения летательного аппарата со средствами мониторинга и пожаротушения на основе радиолокационных систем;

— оптимизации алгоритма управления боковой перегрузкой УСПТ для движения по траектории, обеспечивающей требуемое линейное азимутальное разрешение.

— оценке ошибок наведения (промаха) УСПТ при движении по траектории с постоянной боковой перегрузкой.

— оптимизации алгоритмов сопровождения координат точки прицеливания с использованием дополнительной информации от ориентиров.

— разработке математической модели наведения УСПТ на очаг возгорания и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта

Практическая ценность работы:

¡.Обоснована целесообразность применения РЛС с синтезированной апертурой, предназначенной для обеспечения высокоэффективного мониторинга и пожаротушения в условиях плохой визуальной видимости и на больших дальностях.

2. Разработаны требования к техническим характеристикам и алгоритмы функционирования высокоточной системы наведения УСПТ.

3. Разработана модель движения УСПТ на очаг возгорания и программы обработки принимаемого сигнала.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика применения летательного аппарата для мониторинга местности и применения средств пожаротушения на основе РЛС с синтезированной апертурой.

2. Алгоритмы траекторного управления средством пожаротушения, оснащенного РЛС с синтезированной апертурой, в горизонтальной плоскости.

2. Точностные характеристики (промах) управляемого средства пожаротушения при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность.

3. Алгоритм автоматического сопровождения точки применения огнегасящего состав с использованием дополнительной информации от ориентиров.

4. Технические требования и выбор области нахождения ориентира для применения УСПТ на основе РЛС с синтезированной апертурой.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: - корректностью использования известного математического аппарата; достаточной обоснованностью принятых допущений и предположений, а также отсутствием противоречий между новыми

теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и известными частными результатами других исследований;

результатами цифро-натурного моделирования системы высокоточного наведения УСПТ с синтезированной апертурой.

Внедрение результатов исследований

Реализация и внедрение результатов данной работы проводилась в рамках заданных НИЭР и ОКР при проектировании новых и модернизации существующих образцов техники. Основные положения работы используются при обосновании технических требований к РЛС с СА. Материалы диссертации реализованы также при выполнении НИР и ОКР промышленности и в учебном процессе МГТУ им. Н.Э.Баумана на кафедре СМ5. Результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, были также использованы при формировании требований к модернизируемым и перспективным авиационным радиолокационным системам.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались автором на научно-технических конференциях в период 2008-2012 гг., в заказывающих и научно-исследовательских организациях МЧС

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 2 отчетах по НИР, в 3 статьях, одно учебное пособие и докладывались на 3 научно-технических конференциях, а также на заседаниях кафедры СМ5. МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы составляет 177 страниц, включая список литературы из 42 наименований на 4 страницах, 88 рисунков, схем и графиков, а также титульного листа.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и решаемые задачи, определены предмет, объект и рамки исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна работы и её практическая значимость, реализация и апробация работы, изложено краткое содержание разделов.

В первой главе проведен анализ особенностей наведения авиационных средств (самолетов, вертолетов, аэростатов и т.п.) при тушении пожаров, обоснованы требования к перспективным средствам и рассмотрены варианты их создания.

Важнейшую роль в своевременном выявлении (предупреждении) и ликвидации пожаров, экологических и техногенных катастроф играют летательные аппараты, оснащенные системами наблюдения и средствами пожаротушения. Тушение пожаров при помощи летательных аппаратов производится путем многократных сбросов воды на очаги пожара. Для этой цели противопожарный вариант управляемого средства пожаротушения (УСПТ), к которым относятся пилотируемые и беспилотные самолеты,

вертолеты, аэростаты и другие аппараты, оборудуются водяными баками с возможностью заправляться водой, как на аэродроме, так и самостоятельно в режиме глиссирования на водной поверхности. Максимально эффективно задача пожаротушения решается при наличии водоема недалеко от места пожара. В этом случае пожаротушение ведется по кольцевой схеме: самолет производит забор воды, направляется к очагу пожара, делает сброс и вновь возвращается на водоем для нового забора воды.

Анализ угловой разрешающей способности различных видов визирных систем (табл.1) показывает, что для эффективного наведения средств пожаротушения необходимо создание придельной системы на основе комплексирования РЛС с синтезированной апертурой (РСА)

Таблица 1

Системы панорамные РЛС РЛС бокового обзора глаз человека РСА оптические системы

Угловое разрешение 1°...3° 0,2°...0,3° 5-Ю'3 10Л..10"5 10Л..10"6

Бортовая РЛС предназначена для мониторинга земной поверхности и

определения района наведения средств, ведения доразведки в заданном районе, обнаружения точки прицеливания и наведения на неё средств пожаротушения в сложных метеоусловиях и на больших дальностях.

Хорошее качество изображения местности может быть получено при высокой разрешающей способности РЛС по дальности и азимуту. Эти требования выполняются, если величина площади элемента разрешения бЭ, реально разрешаемой РЛС, в 5... 10 и более раз меньше площади объекта наблюдения: остров, поле, лес, аэродром, река и другие крупные площадные объекты. Радиолокационное изображение должно быть сформировано с разрешением, обеспечивающем раздельное наблюдение объектов. Кроме того, от разрешающей способности РЛС зависит контраст точечного объекта на фоне местности. Данные требования удовлетворяются при разрешающей способности РЛС, равной 5...10 м по азимуту и дальности.

Дальность действия и сектор обзора РСА должны обеспечивать обнаружение района наведения средств пожаротушения и крупных ориентиров (для навигации). Учитывая сравнительно низкие точности навигационных систем и быстрое старение разведывательных данных для обнаружения района пожара необходимо иметь изображение местности размером не менее 30x30 км2 в секторе ±60° относительно вектора скорости самолета на дальности до 300 км. На этапе ведения доразведки и обнаружения точки прицеливания дальность действия РЛС сокращается до величины безопасности нахождения носителя в зоне огня или радиоактивного заражения, т.е. до 10...30 км. Для обеспечения целеуказания в районе пожара необходимо иметь радиолокационное изображение местности, обеспечивающее идентификацию типовых наземных объектов. В этом случае размер зоны обзора должен быть соизмерим с размером района водозабора, аэродрома посадки, района наведения средств пожаротушения и т.п. Этим требованиям удовлетворяет сектор (3...5)х(3...5) км2.

Таким образом, современные бортовые PJIC с синтезированной апертурой обеспечивают селекцию целей на фоне земной поверхности в любое время суток и при любой погоде без захода носителя в опасную зону. Обнаружение малоразмерных целей на больших дальностях независимо от метеоусловий успешно решается в настоящее время только с помощью РСА. Однако РСА обеспечивают обнаружение объектов не по курсу носителя, а в переднебоковом секторе. В связи с этим необходимо разработать требуемую траекторию движения УСПТ и оптимизировать закон управления летательным аппаратом.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам, связанным с оптимизацией траектории движения летательного аппарата для обеспечения синтезирования с постоянным линейным азимутальным разрешением 5x=const:

& = м , (1)

2ХС 2КСГС sin р

где А.-длина волны PJIC; R-дальность картографирования; Ус-скорость движения робототехнического средства; Тс-время синтезирования; Xc=VcTc-интервал синтезирования; р-угол визирования.

Для сохранения постоянства 5х и сближения с точкой наведения УСПТ (Рис.1) движение носителя описывается системой дифференциальных ускорений, с начальными условиями в точке А:

M) = -Vcosj3(t), Д(0) = Д0;

= ^ = *(О) = *0; (2)

' Т Д(() ик На

Дальность, угол пеленга и курсовой угол, в произвольный момент времени t (точка В), обозначены как Д(0, (3(t) и 9(t) соответственно, 6Рса=^Хс - ширина луча синтезированной антенны.

v

Рисунок 1. д

Решение системы (2) описывает уравнение окружности, дуга которой проходит через центр картографирования (точку применения - ТП). На рис.2 изображены траектории движения УСПТ с целью получения разрешающей способности 10,20 и 30м на дальности Д0=15км и угле визирования р0=60°. Анализ кривых свидетельствует о том, что радиус кривизны траектории движения УСПТ находится в обратной зависимости от величины требуемого разрешения.

6000 г. м. 2000 0

-2000 -4000 -6000 -8000 -10000

-5000 0 5000 Д™, м 15000

Рисунок 2.

Движение по окружности характеризуется постоянной перегрузкой. Величина боковой перегрузки определяется радиусом разворота г и с учетом зависимости радиуса от разрешающей способности, получим выражение для требуемой перегрузки УСПТ и радиуса виража г: V ЛИ ?

птр=-]бт? ^"^гК -агатС 0 ;) + г = У21 птг, (3)

Тс 2 УсТсах дх

где §=9.8м/с2 — ускорение свободного падения.

Точность наведения УСПТ характеризуется кратчайшим расстоянием между точкой ТП и траекторией его полета. Считая движение УСПТ с постоянной перегрузкой, в работе получена величина промаха:

Д2

к = (о> - сотг), где со и соТР — истинная и требуемая величина угловой

скорости линии визирования.

Таким образом, оптимальная траектория наведения УСПТ является окружность, радиус которой обратно пропорционален линейной разрешающей способности, а величина перегрузки не превышает 1,5§.

В третьей главе на основе статистической теории оптимального управления синтезируется алгоритм траекторного управления УСПТ и проводятся исследования системы обработки отраженного сигнала, которая обеспечивает высокоточное измерение азимута и дальности и бессрывное сопровождение наземных объектов.

В качестве критерия оптимальности выбран один из наиболее простых локальных функционалов качества, который имеет вид:

/ = м{[х7.Д0-хД0№гЛ')-ху(')]+ к(')Ки(/ц (4)

где <2 - неотрицательно определенная матрица штрафов за текущую точность

[х7р(1)-хД1;)]; К - положительно определенная матрица штрафов за величину сигналов управления и =В.1; J - вектор перегрузок, В - матрица эффективности

7

управления.

Сигнал управления, оптимальный по минимуму локального функционала качества (4), для канала бокового управления представляет собой весовую сумму ошибок управления по углу и угловой скорости:

X X

/ = [в -Д.„)+-^-(й) - аТР) = ——A/J + — Aa>, где Д„, и сотр зависят от

' КД TF> RVcfa Д

требований к системе наведения. Xp=qplkj, Ха = q0¡ / k¡ - отношения

коэффициентов штрафов за точность слежения по углу и угловой скорости к коэффициенту штрафа за сигнал управления (соотношения штрафов на точность и экономичность). Вес ошибок по углу и угловой скорости, определяющий перераспределение приоритетов в законе управления, зависит от соотношения штрафов Xp=q^/kj и Ха ~ qa I kj. Отношения Х^ и Ха должны быть такими, чтобы при максимально возможных значениях ошибок управления А/3 и Асо, для минимальных значений дальности Д и скорости сближения VC5 требуемые поперечные перегрузки не превышали допустимые значения.

Для решения задачи измерения времени задержки и доплеровской частоты (азимута) сигналов точечных отражателей была проведен синтез оптимального и разработка двумерного дискриминатора дальности и доплеровской частоты. Модель сигнала, отраженного от точечного объекта, представляет собой последовательность радиоимпульсов с амплитудой, распределенной по закону Рэлея и равномерно распределенной начальной фазой. Параметры радиоимпульса и частота повторения импульсов обеспечивает однозначную дальность и требуемую разрешающую способность по дальности.

Структурная схема обработки принимаемого сигнала (рис.3) состоит из антенно-фидерной системы для реализации приемо-передающей антенны с суммарно-разностной ДНА, многоканального приемника с АЦП и процессора обработки сигналов (ПОС), а также из автономных датчиков параметров полета с системой пересчета координат и блока управления антенной.

Рисунок 3.

В многомерном дискриминаторе ПОС производится синтезирование апертуры в каждом канале дальности и вычисление отклонений истинных координат от

оценочных, а затем фильтрация координат в многомерном комплексном следящем фильтре

Синтезированный на основе статистической теории оптимального управления и оценивания дискриминатор представляет собой нелинейное устройство, и при непосредственной реализации в бортовой аппаратуре возникает ряд проблем технической реализуемости. Это вызвано сложностью формирования первой и второй производной корреляционного интеграла по параметру. Принцип работы практически реализуемого частотно - временного дискриминатора заключается в вычислении невязок но дальности ДД и частоте А{ исходя из положения на РЛИ двумерного строба дальности и доплеровской частоты (рис.4) по формулам:

= ^--= --= (5)

2 IX 2

ч и

где Уу значения амплитуды принимаемого колебания в соответствующих стробах дальности и фильтрах доплеровских частот полученного РЛИ, >1д-относительное рассогласование по дальности, Ыр относительная расстройка по частоте, 6Д, 8Г - ширина строба дальности и фильтра доплеровских частот, соответственно. Мд иМг - размер «окна обнаружения» по задержке и частоте.

На рисунках 4, 5 изображены дискриминационная и флуктуационная характеристики канала доплеровской частоты разработанного дискриминатора при весовой обработке окном Хемминга для различных соотношений сигнал/шум. На основе их анализа были получены коэффициенты наклона Кд, Кг линейной части дискриминационной характеристики и СКО шумов измерений соответствующих параметров

1ОД 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Д1 Рисунок 4.

бг 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ЛШ Рисунок 5.

Таким образом, эквивалентную линейную статистическую модель нелинейного дискриминатора можно представить в виде:

= ДЛг, + адК~; = ьд + адК-< Ц-п,

8 5 8 ' (6)

=у-длгг + у "о у"»

где Кд, К у - крутизны дискриминаторов; а„, <7; - нормированные СКО шумов измерений, п0 - белый гауссовский шум с единичной спектральной плотностью и нулевым математическим ожиданием.

Для осуществления эффективного наведения УСПТ необходимо с требуемой точностью оценивать параметры относительного перемещения центров масс носителя и точки примененния. Для повышения устойчивости и бессрывности наведения, в составе контура сопровождения целесообразно использовать информационную избыточность в виде информации от точечных радиолокационных (РЛ) отражателей. Используя такой ориентир, можно обеспечить малые флуктуационные ошибки за счет большого отношения сигнал-шум и надежное сопровождение при широкой полосе автоселектора, необходимой для уменьшения динамических ошибок. Принцип использования дополнительной информации от ориентиров заключается в том, что при перемещении УСПТ происходит изменение координат точки применения и ориентира пропорционально проекциям скорости сближения точка применения-ЛА и ориентир-ЛА. Так называемые проекции выноса ориентира относительно точки применения на оси декартовой системы координат, являются функциями, которые пропорциональны разности координат ориентира и точки применения:

*„(') = хт(0 + А,; У„Л0 = УАО + *,(') = 2т(<) + Д,-

Координаты точки применения считались подвижными со скоростями Исходя из этого, предложена модель состояния (при

использовании информации от одного ориентира), описываемая системой 10

разностных уравнений для одной координаты (для других координат идентичные):

хт(к) = хт(к-\) + Т-Ух{к-\) , *г(0) = хто; (7)

К(к) = гх(к-+ К(0) = ух0- (8)

Ах(к) = Ах(к-1), Дх(0) = Д,0; (9)

При условии наблюдений дальностей до точки применения и ориентира Дт и Д0р, углов визирования \|/т, ут, \|/ор, уор и доплеровских частот Гдт, {дор на фоне белых шумов П;(к):

г, (к) = Дт (к) + И] (к) = ^хгг+угт+12т + щ {к); 22{к) = Ц/т{к) + п2(к) = аг^{гт /хт) = п2(к); г,(к) = гт(к) + п(к) = аг^(ут /^х2т+г2т) + л4(¿);

г,Ск) = ^(¿) + (*) = У 2 \т> + л4(А):

Я • т]хг + ут+гт

(к) = Д0Р (*) + п, (к) = ^ + Ах)2 + 0/г + Ау)2 + {гт + Аг) + и5 (¿);

(А) = (£) + и6 (£) = агсг^[(гг + Дг) /(хГ + Дх) + п6 (к)} { \ >7+А,

27(к) = Г„„+п7(к) = агсЩ

^(хт+Ах)2 +{гт +А г)2

Л^(хт+АхУ+(ут+АуГ + (гт+А,У с учетом измеренных значений параметров собственного движения, необходимо оценить вектор координат Хт=

к К Д, Л ^ А, ^Г К

Для построения комплексного многомерного следящего фильтра (КМСФ) на основе уравнений состояния и наблюдения при указанных условиях наблюдения, воспользуемся алгоритмом локальной гауссовской аппроксимации апостериорной плотности распределения вектора оцениваемых параметров X, а именно алгоритмом расширенного фильтра Калмана в дискретном времени: Хк = .Хк_, +КРк -(хк -8к {хк}), Х0 =Х(0);

К р. = Рк-н1.чг,;

Рк-1 Рк-, +Ок)-' .«Г1 -Нк; Р0 =р(о)

где Хк = ■ Хк_, - экстраполированное значение вектора фазовых

„ _а8(х)

координат. Матрица

представляет собой крутизны

дискриминационных характеристик в точке оценки координат на к-том шаге.

Применение этого метода в данном случае оправдано тем, что измерение параметров осуществляется после обнаружения и предварительного измерение координат цели в БРЛС, при достаточно высоком выходном отношении сигнал/помеха тракта обработки радиосигнала, когда ошибки целеуказания не превышают диапазона устойчивых измерений многомерного дискриминатора.

Полученные выражения для оценки одной координаты (для других идентичные)

хт {к)=г, (к) -соБг, {к) ■ соэг, (к), (1 о)

А, (&) = (к) ■ соБг, (к) • созгб (к) - г, (к) • соъ2г (к) -соБг, (к);

определяют однозначное решение уравнений измерений относительно нулевых производных фазовых координат, что говорит о наблюдаемости системы.

Исследование особенностей функционирования алгоритмов сопровождения точки применения УСПТ с использованием дополнительной информации от ориентиров проводились путем моделирования алгоритмов сопровождения при наведении УСПТ в заданную точку. Для обеспечения постоянства траектории от эксперимента к эксперименту и исключения зависимости СКО ошибок фильтрации от разброса траекторий, при вычисления параметра рассогласования использовались истинные значения фазовых координат.

На рисунке 9 представлены зависимости точностных характеристик алгоритма сопровождения точки встречи и 1-го ориентира от дальности при различной ориентации системы координат. В качестве точностного показателя использовалась сумма взвешенных текущих дисперсий ошибок фильтрации координат объекта и их производных, при соотношении сигнал-фон в канале объекта 15 дБ и 30 дБ в канале ориентира:

Х(к)-Х(к) (} Х(к)-Х(к)

(П)

Коэффициенты я;; диагональной матрицы штрафов (3, выбирались равными единице для координат объекта и 0,1 — для скорости.

Исследование влияния локальной гауссовской аппроксимации на точность оценивания параметров показало, что наименьшие ошибки имеют место при ориентации оси Ох на точку применения (\|/=0). Проведенные исследования показали наличие значительной корреляционной связи составляющих фазовых координат, что делает нецелесообразной декомпозицию вектора состояния по координатным осям. На рисунке 10 представлены зависимости СКО ошибок алгоритма сопровождения от дальности при различных методах применения УСПТ (кривая 1 - использование синтезированного алгоритма применения, кривая 2 -использование прямого метода применения). Из анализа графиков следует, что выбор алгоритма наведения, существенно влияет на точностные характеристики алгоритма сопровождения. Так при наведении по закону,

__^ - 660 ) 1-ДГ».

! Д

г

^ - 23.1 - 13.7____/____

У5Г.,

I

|.......

, 7Е7 - и.»

_______- 1\

1УООО 5001) Ди.

Рисунок 9.

5000 Ди. м- о

Рисунок 10.

обеспечивающему постоянное линейное разрешение, суммарные взвешенные ошибки меньше в 2 раза по сравнению с прямым наведением, а в плоскости синтезирования имеют практически постоянное значение, тогда как ошибки при прямом методе применения уменьшаются пропорционально дальности до объекта пожаротушения.

На рисунке 11 представлены результаты исследований точностных характеристик алгоритмов при сопровождении от нуля до 5 ориентиров.

\

_ X.

.....»-О ориентиров ---- 1 ориентир ---- 2 ориентира - 3 ориентира — .. - 4 ориентира ——— 5 ориентиров .....Ну|

I ! !

| : I I

Лг. --.Г. ШшШШ

Рис. 11. Рис.12

Анализ зависимостей, изображенных на рисунке 11 показывает, что существенное уменьшение СКО ошибок фильтрации координат наблюдается при включении в контур сопровождения одного ориентира. В дальнейшем, при сопровождении других ориентиров, происходит лишь незначительное уменьшение СКО ошибок фильтрации фазовых координат.

Таким образом, для обеспечения высокоточного бессрывного сопровождения координат точки применения УСПТ рекомендуется применять в контуре сопровождения информации от одного мощного ориентира и при этом можно ориентировать ось Ох системы координат УСПТ на точку применения.

В четвертой главе разработана математическая модель системы применения УСПТ и проведено имитационное моделирование для решения задач, связанных со сложным многофакторным анализом и определением показателей эффективности разработанных алгоритмов, а также для обеспечения наглядности получаемых результатов. Обобщенная структурная схема математической модели системы применения УСПТ изображена на рис.12.

В состав контура входят информационно-измерительная система (ИИС), система автоматического управления самолетом (САУ) и сам летательный аппарат (ЛА) или УСПТ. Координаты точки применения УСПТ характеризуются вектором фазовых координат ХТР, а состояние ЛА - вектором Ху.. На основе сравнения Хт и Ху формируется параметр рассогласования Д, преобразуемый управляющей системой в вектор управляющих воздействий

отклонения рулей 5Р. На входе ИИС присутствуют координаты ориентира Х0р и вектор шумов измерений пи, а летательный аппарат находится в турбулентной атмосфере, характеризуемой случайным вектором пу.

Траектория, по которой осуществляется наведение УСПТ в горизонтальной плоскости на выбранную точку, представляет собой дугу окружности, Параметры рассогласования для управления траекторией применения вычислялись на основе оцененных координат точки применения и ориентиров, т.е. контур применения был замкнут. УСПТ описывался инерционным звеном, характеристики которого описываются следующими выражениями:п(к) = пгг(к)-а(п(к)-птр(к)), а = ИЪс, \п\<Ъ, где п - боковое ускорения носителя, к - дискретный момент времени.

Модуль вектора скорости объекта применения считался постоянным на всем интервале применения и составлял V = 100 м/с. Датчики параметров собственного движения УСПТ (акселерометры и гирскопы) моделировались с систематической и флуктуационной ошибками.

Гистограммы распределения попаданий по оси Ох и 0г для 1000 реализаций эксперимента представлены на рисунках 13 и 14. Закон, описывающий плотность вероятности попадания аппроксимирован двумерной гауссовской плотностью вероятности с соответствующими характеристиками. Круговое вероятностное отклонение составило 5м. 12

N. %

10 8 6

4

0.

3.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполнения диссертационной работы осуществлен комплексный анализ средств пожаротушения, показаны направления повышения их эффективности на основе РЛС с синтезированной апертурой, разработаны алгоритмы обработки сигналов в РЛС и оптимизированы методы применения УСПТ. Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1.Одним из основных требований к прицельно-навигационным системам комплекса пожаротушения является всепогодность и круглосуточность. Решение этой задачи, прежде всего, связано с обеспечением обнаружения слабоконрастных протяженных объектов, а также малоразмерных объектов в 14

сложных метеоусловиях и ночью с помощью РЛС с синтезированной апертурой.

2. Для уменьшения вероятности срыва и перенацеливания на более сильные отражения в составе контура применения радиолокационной системы управляемого средства доставки целесообразно использовать информационную избыточность в виде информации от точечных радиолокационных отражателей - ориентиров.

3. На основе анализа траекторий носителя в горизонтальной плоскости для формирования требуемого линейного азимутального разрешения установлено, что требуемая траектория имеет вид окружности с радиусом кривизны, зависящим от параметров линейного разрешения.

4.На основе математического аппарата статистической теории оптимального управления и оценивания был осуществлен синтез системы управления УСПТ и автоматического сопровождения координат наземного объекта.

5.Моделированием работы контура наведения УСПТ были получены статистические характеристики оцениваемых координат точки наведения в зависимости от условий пуска и количества выбранных ориентиров. Анализ полученных характеристик позволил сделать вывод о целесообразности использования 1 ориентира и закона наведения с постоянной угловой скоростью линии визирования. При этом вероятность бессрывного сопровождения возрастает с 75% до 97%. Анализ реального линейного разрешения в горизонтальной плоскости показало, что на всей траектории применения оно ухудшается не более, чем на 10%.

6.Предложен вариант реализации разработанных алгоритмов в РЛС с СА, который обеспечивает применение УСПТ с круговым вероятностным отклонением около 5м. Вычислительные затраты, необходимые для реализации разработанных алгоритмов, составляют порядка 105 операций/с и могут быть обеспечены с помощью современных БЦВМ.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖЕНО ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.Антипова A.A., Дорофеев В.О. Требования к РЛС с синтезированной апертурой при мониторинге и тушении пожаров. //Вопросы радиоэлектроники, Серия РЛТ. 2012. №2. С.3-12

2. Антипова A.A., Чезганов Н.Ф., Шахтарин Б.И. Дальномерно-доплеровский метод измерения параметров полета и положения воздушного судна при снижении по глиссаде.// Наука и образование: Электронное научно-техническое издание, - 2012. №9. С.70-84.

3. Антипова A.A., Шуклин А.И. Обнаружение сигнала с неизвестной частотой. //Труды ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина/ Под ред. О.В. Васильева. М., 2011.С. 17-24.

4. Отчет по НИР Синхронизация в радиосвязи и навигации. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, Руководитель темы Борзов А.Б. Исп. Антипова A.A. и др., ГР№01200710182, инв.№ 3672 -М., 2007г. -246 с.

5. Исследование алгоритмов синхронизации в системах связи. Раздел 2.4: Научно-технический отчет по НИР Фундаментальные проблемы создания АУИС. Шифр «КЕДР-5» / НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рук. Темы Борзов А.Б. Исп. Антипова A.A. и др.: ГР№: 012-009-648-25. инв.№ 3679 -М., 2010г. -246 с.

6. Синтезаторы частот: Учебное пособие / Б.И. Шахтарин, [и др.] — М.: Горячая линия—Телеком, 2007. — 128 с.

Антипова A.A.

Подписано к печати 25.12.12. Заказ №877 Ооъем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499)263-62-01

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ АВИАЦИИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ КОНТРОЛЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ.

1.1 Использование авиационных средств при решении задач пожаротушения, патрулирования, спасения и десантирования.

1.2. Основные требования, предъявляемые к системе самонаводящегося средства пожаротушения и прицельной системе.

1.3. Анализ современных систем наведения средств пожаротушения.

1.4 Анализ методов наведения управляемых авиационных средств.

2. СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ТРАЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЗАДАННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ В

РЛС С СА.

2.1. Постановка задачи синтеза оптимального управления траекторией движения носителя РЛС с С А.

2.2. Анализ требуемой траектории движения носителя РЛС с С А в горизонтальной плоскости.

2тЗ-Вывод уравнения промаха при движении носителя, обеспечивающего требуемую разрешающую способность РЛИ.

2.4 Синтез закона управления поперечной перегрузкой самонаводящегося средства для формирования требуемой траектории.

3 СИНТЕЗ АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

СОПРОВОЖДЕНИЯ НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА.

3.1 Разработка двумерного дискриминатора дальности и доплеровской частоты.

3.1.1 Модели отраженных сигналов в РЛС с С А.

3.1.2 Синтез оптимального дискриминатора.

3.1.3 Разработка практически реализуемого дискриминатора дальности и доплеровской частоты.

3.1.4 Статистические характеристики практически реализуемого дискриминатора дальности и доплеровской частоты.

3.2 Синтез алгоритма сопровождения малоразмерного наземного объекта.

3.2.1 Выбор и обоснование исходных математических моделей состояния.

3.2.2 Алгоритм фильтрации координат объекта пожаротушения и ориентира в дискретном времени.

3.2.3 Анализ наблюдаемости системы.

3.3 Точностные характеристики алгоритма сопровождения.

3.3.1 Выбор и обоснование априорной информации.

3.3.1 Исследование влияния траектории движения носителя РСА на дисперсию оцениваемых координат.

3.3.2 Исследование влияния количества сопровождаемых ориентиров на дисперсию оцениваемых координат цели.

--------------—ЗгЗтЗ Анализ влияния количества сопровождаемых ориентиров на вычислительные затраты.

4 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ТЕХНЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ.

4.1 Исследование характеристик алгоритма сопровождения малоразмерного наземного объекта в составе замкнутого контура самонаведения методом математического моделирования.

4.2 Цели и задачи имитационного моделирования.

4.2.1 Исследование точностных характеристик контура наведения

РЛСсСА.

4.2.2 Анализ срывов сопровождения объекта.

4.2.3 Анализ точностных характеристик сопровождения координат цели.

4.3 Предложения по технической реализации разработанных алгоритмов.

4.3.1 Предложения по ТТХ и структуре РЛС с С А в режиме сопровождения объекта пожаротушения.

4.3.2 Обоснование выбора области бессрывного сопровождения ориентиров и минимальной дальности формирования РЛИ.

В июле и начале августа 2010 года в Европейской части России, в Поволжье и на Урале сложилась катастрофическая ситуация с лесными пожарами. По масштабу лесных пожаров, количеству пострадавших деревень и по жертвам среди населения, катастрофа перекрыла уровень 1972года. В 1972 году было 26509 пожаров, а в 201 Огоду — 40169 пожаров, при тушении задействовано 165 и 360 тыс. человек, 15 и 26.5 тыс. единиц техники соответственно. Новая угроза - пожары в зонах атомных АЭС и зонах заражения в результатах аварий на Чернобыльской АЭС и других объектах. Задымление объединилось в сплошное облако, протянувшееся с запада на восток более чем на три тысячи километров и поднявшееся в стратосферу на высоту до 12км.

Главная роль в тушении пожаров принадлежит МЧС и подведомственным этому министерству организациям. Именно МЧС координировало работы по тушению лесных и торфяных пожаров, привлекала добровольцев и армейские подразделения, координировало усилия всех участников по ликвидации пожаров и обеспечивало их техникой и оборудованием. Вершиной всех сил, занятых на тушении лесных и торфяных пожаров, является авиации МЧСг Наряду с непосредственным тушением пожаров авиации отводилась важная роль на мониторинг районов стихийных действий с целью определения размеров горящих лесов и торфяников, определение наиболее опасных районов, оценка нанесенного ущерба и ряд других задач.

Тушение пожаров при помощи летательных аппаратов производится путем многократных сбросов воды на очаги пожара. Для этой цели противопожарный вариант пилотируемого и беспилотного самолета, вертолета, аэростата и других аппаратов оборудуется водяными баками и может заправляться водой, как на аэродроме, так и самостоятельно в режиме глиссирования на водной поверхности. Максимально эффективно пожаротушение при наличии водоема недалеко от места пожара. В этом случае пожаротушение ведется по кольцевой схеме: самолет производит забор воды, направляется к очагу пожара, делает сброс и вновь возвращается на водоем для нового забора воды.

Значительные проблемы возникают при пожаротушении лесных массивов. В этом случае очаг пожара характеризуется большой пространственной протяженностью и сильной задымленностью, что затрудняет прицельное использование средств пожаротушения.

В этом случае использование РЛС может также помочь в решении данной проблемы. Так как дым не препятствует распространению РЛ сигнала, а ЭПР горящих деревьев отличается от ЭПР лесного массива, то на индикаторе РЛС будет хорошо видна граница очага пожара, по которой можно выполнить прицельный сброс воды и других средств. С течением времени ЭПР горящих объектов может упасть до нулевых значений, однако, использование радиолокационных ориентиров в окрестности зоны возгорания позволяет прицельно применять средства пожаротушения.

При использовании традиционных авиационных сливных средств пожаротушения в зону огня попадает незначительное количество сбрасываемого огнегасящего состава. Это объясняется экранированием зоны пожара восходящим конвективным потоком горячего воздуха, и, как следствие, не дос-----тигается необходимая точность группирования центров падения водяных масс по отношению к местоположению очага пожара.

Использование авиационных бомб типа АСП-500 обеспечивает стопроцентную доставку массы огнегасящего состава в зону пожара, кроме того, взрывной способ диспергирования состава создает дополнительный фактор пожаротушения - воздушную ударную волну. Снаряжаться АСП-500 может как в полевых, так и в заводских условиях. АСП-500 предусматривает использование беспилотной авиации, а также позволяет решать задачи пожаротушения без привлечения в зону пожара дополнительного числа людей и спецтехники, что особенно актуально при ведении работ по тушению пожаров в зонах ограниченного доступа (радиоактивного, химического заражения и т.п.).

Современные средства на основе технологии азотного пожаротушения имеют высокую эффективность по накрытию зон горения, разрушения вертикального теплового потока - «тепловой трубы», засасывающей воздух в зону горения. При этом использование таких средств требует высокой точности целеуказания и наведения средств доставки.

Анализ разрешающей способности различных видов систем обзора и наблюдения показывает, что для эффективного наведения средств пожаротушения необходимо создание визирной системы на основе РЛС с синтезированной апертурой (РСА). Поэтому объектом исследования является средство пожаротушения с радиолокационной системой, работающей в режиме синтезирования апертуры. Однако РСА обеспечивают обнаружение объектов не по курсу носителя, а в переднебоковом секторе. Поэтому наведение средств пожаротушения требует наведения специальных и сложных приемов. В этом случае обнаружение наземных объектов производится в переднебоковом секторе с последующим разворотом носителя или управляемого средства пожаротушения (УСПТ) и наведением средств пожаротушения при прицеливании по расчетной точке или вынесенному ориентиру, т.е. без наблюдения объекта возгорания^ практически «вслепую».

Целью диссертационной работы является повышение эффективности применения средств пожаротушения в любых метеорологических условиях на основе РЛС в режиме синтезирования апертуры антенны.

Границы исследования. В диссертационной работе рассматриваются способы применения радиолокационных систем и алгоритмы обработки принимаемых сигналов.

Для достижения указанной цели в работе решается актуальная научная задача, заключающаяся в разработке метода наведения УСПТ на очаг возгорания и алгоритмов измерения координат точки применения УСПТ (сброса огнегасящего состава) путем сопровождения малоразмерного наземного объекта и ориентира в РСА, позволяющие обеспечивать высокую точность в условиях плохой визуальной видимости.

Для решения поставленной научной задачи в диссертационной работе решены следующие частные задачи:

1 .Проведен анализ природной обстановки в зоне пожара и рассмотрены особенности применения авиационных средств пожаротушения;

2.Обоснованы пути повышения эффективности радиоэлектронного комплекса на основе РЛС с синтезированной апертурой.

3.Обоснованы требования, предъявляемые к системам и методам наведения УСПТ в точку сброса огнегасящего состава;

4.Предложены траектории носителя УСПТ с С А в горизонтальной плоскости в зависимости от требований по разрешающей способности;

5.Получено уравнения промаха при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность синтезированного РЖ;

6.Синтезирован алгоритм траекторного управления наблюдением для обеспечения заданной разрешающей способности в УСПТ с СА;

7.Синтезированы алгоритмы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта с использованием дополнительной информации от ориентиров;

8.Для получения количественных характеристик показателей эффективности синтезированной системы разработана цифровая имитационная модель наведения УСПТ и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта;

9.Сформированы предложения по техническим характеристикам и структуре УСПТ с СА.

Методы исследования. Задачи, представляющие научный интерес решены на базе статистической теории оптимального управления и приема сигналов.

Научная новизна диссертационной работы: обоснованы технические характеристики средств пожаротушения с радиолокационной системой наблюдения, контроля и управления в режиме синтезирования апертуры. оптимизирован алгоритм управления боковой перегрузкой управляемого средства пожаротушения (УСПТ) для движения по траектории, обеспечивающей требуемое линейное азимутальное разрешение. оценены ошибки наведения (промах) УСПТ при движении по траектории с постоянной боковой перегрузкой. оптимизированы алгоритмы сопровождения координат точки применения УСПТ с использованием дополнительной информации от ориентиров. разработана математическая модель контура наведения УСПТ на очаг возгорания и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта.

Практическая ценность работы:

1.Обоснована целесообразность применения РЛС с синтезированной апертурой, предназначенной для обеспечения высокоэффективного мониторинга и "пожаротушения в' условиях плохой визуальной видимости и на больших дальностях.

2. Разработаны требования к техническим характеристикам и алгоритмы функционирования высокоточной системы наведения УСПТ.

3. Разработана модель движения УСПТ на очаг возгорания и программы обработки принимаемого сигнала.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1 .Методика применения летательного аппарата для мониторинга местности и применения средств пожаротушения на основе PJIC с синтезированной апертурой.

2. Алгоритмы траекторного управления средством пожаротушения, оснащенного PJIC с синтезированной апертурой, в горизонтальной плоскости.

2. Точностные характеристики (промах) управляемого средства пожаротушения при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность.

3. Алгоритм автоматического сопровождения точки применения огнега-сящего состав с использованием дополнительной информации от ориентиров.

4. Технические требования и выбор области нахождения ориентира для применения УСПТ на основе PJIC с синтезированной апертурой.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректностью использования известного математического аппарата;

- достаточной обоснованностью принятых допущений и предположений, а также отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и известными частными результатами других исследований;

- результатами цифро-натурного моделирования системы высокоточного наведения УСПТ с синтезированнбйапёрт^рой.

Внедрение результатов исследований Реализация и внедрение результатов данной работы проводилась в рамках заданных НИЭР и ОКР при проектировании новых и модернизации существующих образцов техники. Основные положения работы используются при обосновании технических требований к PJ1C с СА. Материалы диссертации реализованы также при выполнении НИР и ОКР промышленности и в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре СМ5. Результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, были также использованы при формировании требований к модернизируемым и перспективным авиационным радиолокационным системам

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались автором наЗ научно-технических конференциях в период 2008-2012 гг., в заказывающих и научно-исследовательских организациях Министерства по чрезвычайным ситуациям, а также на заседаниях кафедры СМ5 МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в двух отчетах по НИР, в 3 статьях и докладывались на 3 научно-технических конференциях, а также на заседаниях кафедры СМ5 МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы составляет 177 страниц, включая список литературы из 42 наименований на 4 страницах, 88 рисунков, схем и графиков, а также титульного листа.

Основные выводы по работе сводятся к следующему: 1. РЛС с синтезированной апертурой, лежащие в основе современного и перспективного авиационного прицельного комплекса обеспечивают высокоточное обнаружение малоразмерных наземных объекетов и измерение их координат в любых метеоусловиях и на большом удалении без захода носителя в зону поражающих факторов очага пожара.

Для устранения ограничений применения УСПТ при действии в неблагоприятных метеоусловиях необходимо применять УСПТ с РЛС, Для устранения недостатков существующих РЛС при действии по малоразмерным наземным объектам необходимо использование принципа синтезирования апертуры, с использованием в контуре сопровождения информации от мощных сигналов рядом расположенных ориентиров;

Для обеспечения синтезирования апертуры антенны в РЛС с СА необходимо использование алгоритма траекторного управления носителем РЛС, позволяющим обеспечить требуемые характеристики азимутального разрешения, а также обеспечивающий минимальные отклонения от объекта;

2. На основе анализа траекторий носителя в горизонтальной плоскости для формирования требуемого линейного азимутального разрешения установлено, что требуемая траектория имеет вид окружности с радиусом кривизны, зависящим от параметров линейного разрешения. Анализ уравнений движения по требуемой траектории показал, что для обеспечения требуемого разрешения при постоянной скорости и интервале синтезирования необходимо обеспечить постоянство угловой скорости линии визирования, равное отношению угла синтезирования к интервалу синтезирования.

3. Анализ существующих методов наведения и уравнения промаха показал, что неучет требований по угловой скорости ЛВ приводит к ухудшению реальной разрешающей способности. Для удовлетворения требований по минимизации промаха и обеспечения требуемого линейного азимутального разрешения был осуществлен вывод уравнения промаха при движении по криволинейной траектории, позволяющий одновременно учитывать как требования по минимизации промаха, так и требования по обеспечению требуемого разрешения.

4. Для обеспечения требуемой линейной разрешающей способности был синтезирован закон управления поперечной перегрузкой носителя. Проведенные исследования на основе математической модели показали, что данный закон обеспечивает формирование требуемого разрешения на траектории и обеспечивает минимизацию промаха. При этом вид траектории совпадает с требуемой траекторией описываемой дифференциальными уравнениями, что подтверждает обоснованность сделанных выводов.

5. На основе математического аппарата статистической теории оптимального оценивания (СТОО) был осуществлен раздельный синтез многомерного дискриминатора и следящего фильтра. Исходя из условий реализуемости, было выполнено построение дискриминатора на основе разностной схемы, с осуществлением нормировки сигнала. Были получены коэффициент передачи и уровень шумов дискриминатора для полезного сигнала с флуктуирующей амплитудой и гауссовском шумовом воздействии. Данные характеристики использовались при синтезе следящей системы.

6. При построении следящего фильтра в качестве дополнительной информации использовались функциональные зависимости между координатами объекта и ориентира, которые в НСК представляют собой постоянные величины в виде разности соответствующих координат между объектом и ориентиром.

7. Были получены статистические характеристики оцениваемых координат объекта в зависимости от условий пуска и количества выбранных ориентиров. Анализ полученных характеристик позволил сделать вывод о целесообразности использования 1 ориентира и применении закона наведения, синтезированного во 2-й главе.

8. Проведено имитационное моделирование работы следящей системы при наведении УСПТ на объект, параметры рассогласования для управления траекторией наведения в данном случае вычислялись на основе истинных координат объекта (контур наведения - разомкнут). Для выбранных начальных условий, когда цель находится на оси Ох НСК, ошибки оцениваемых фазовых координат при сопровождении объекта и ориентира на момент окончания наведения составляют: сгх=2,3 м/с, <7ух=0,35 м/с, сгу=13,3 м/с, <туу=0,36 м/с, сг2=2,3 м/с, сгу2=0,33 м/с.

9. Сравнение суммарной интегральной ошибки показало уменьшение интегральной ошибки от 1,8 до 20 раз для системы сопровождения цели и ориентира по сравнению с системой, не использующей сигналы от ориентиров.

10. В ходе исследований, проведенных в рамках НИР, был разработан алгоритм имитационного моделирования. В результате имитационного моделирования были получены характеристики КВО, вероятности срыва сопровождения и точностные характеристики системы сопровождения при наведении на объект в составе замкнутого контура наведения, характеризующие эффективность синтезированных алгоритмов сопровождения координат объекта.

11. Значение КВО для принятых условий составляет В5х=5ч-6,4м. Анализ полученных значений КВО и сравнение их со значениями КВО для современных УСПТ, позволяет сделать вывод, что разработанный алгоритм сопровождения и алгоритм траекторного наведения целесообразно применять в составе систем прицельного пожаротушения наземных объектов.

12. Вероятность бессрывного сопровождения объекта при принятых условиях составляет 97%, что на 20% больше по сравнению с эталонной системой сопровождения, не использующей дополнительную информацию от ориентира.

13. Точностные характеристики системы сопровождения определяются на основе СКО ошибок фильтрации координат объекта, которые имеют следующие значения: сгх= 2,5 (2,0) м/с, сгух=0,28 (0,26) м/с, <ту= 2,5

2,0) м/с, сгуу=0,29 (0,28) м/с, <т2=3,5 (2,4) м/с, оу2=0,37 (0,33) м/с. СКО ошибок фильтрации выноса ориентира составляет: сгд =1,9 (1,4)м, о-Ду=1,6(1,0) м, сгд2=2,5(1,9)м.

14. Анализ реального линейного разрешения 51 в горизонтальной плоскости, полученного в результате моделирования показывает, что полученное разрешение соответствует требуемому (81хр=10 м.), максимальное величина ошибки выдерживания требуемого разрешения не превышает 20%. Это подтверждает работоспособность алгоритма наведения и контура сопровождения при наведении на объект.

15. Предложена структурная схема алгоритмов двумерного дискриминатора и системы сопровождения координат объекта, позволяющая эффективно селектировать сигналы от малоразмерных наземных объектов. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования. Вычислительные затраты, необходимые для реализации разработанных алгоритмов, могут быть обеспечены с помощью современных бортовых процессоров.

16. Проведено обоснование области оптимального местоположения ориентиров, которые возможно сопровождать бессрывно. Расположение данной области необходимо учитывать при выборе точки захвата РЛС на сопровождение объекта и ориентира (точка начала самонаведения).

Линейные размеры и площадь зоны расположения ориентиров, при компенсации квадратичного набега фазы на краях РЛИ, равны:

8бсо=1>15 км2.

Линейные размеры и площадь зоны расположения ориентиров при использовании гармонического анализа для обработки сигнала равны:

166

8бсо=0,404 км2.

Использование гармонического анализа целесообразно только в начальном этапе на этапе формирования РЛИ и сравнения его с эталонным для идентификации и захвата объекта и ориентира на сопровождение. После этапа захвата объекта и ориентира на сопровождение, формирование РЛИ не представляется необходимым, более предпочтительным является использование алгоритма обработки сигналов на основе формирования опорных сигналов для каждой сопровождаемой точки, компенсирующих квадратичный фазовый набег. В этом случае, размер зоны выбора ориентиров имеет максимально возможный размер.

167

1. Меркулов В.И. Радиоэлектронные системы управления самолетом и его оружием - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2001. 244 с.

2. Авиационные системы радиоуправления. Радиоэлектронные системы самонаведения / под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. М.: Радиотехника. 2003. Том 2. 389 с.

3. Меркулов В.И., Курилкин В.В., Шуклин А.Е. Алгоритм траекторно-го управления ракетой «воздух-поверхность», использующей синтезирование апертуры антенны.// Радиотехника. 2000. № 3. С.69-75

4. Меркулов В.И., Курилкин В.В., Саблин В.Н., Шуклин А.Е. Алгоритм пропорционального самонаведения ракет «воздух-поверхность» с синтезированием апертуры антенны. //-Радиотехника. 2000. № 7. С.47-54.

5. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земли / под ред. Г.С. Кондратенкова. -М.: Радиотехника. 2005. 368 с.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. 1986. 544 с.

7. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. 624 с.

8. Дудник П.Н., Чересов Ю.Н. Авиационные радиолокационные устройствам.: ВВИА. 1986. 538 с.

9. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. / под ред. B.C. Кельзона. - М.: Сов.Радио. 1972. 568 с.

10. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. / В.Н. Антипов и др.; под ред. В.Т. Горяинова. М.: Радио и связь. 1988. 304 с

11. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь. 1981. 416 с.

12. Фалькович С.Е. Оценка параметров сигнала. М.: Сов. Радио. 1970.336 с.

13. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. Учебное пособие для вузов. М.: Радиотехника. 2003. 400 с.

14. Тихонов В.И. Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь. 1991. 608 с.

15. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А Васин и др.; под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 672 с.

16. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. 4.1 / под. ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова М.: Радиотехника. 2004. 312 с.

17. Авиационные приборы и навигационные системы / O.A. Бабич и др.; под ред. O.A. Бабича. М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского. 1981. 640с.

18. Проблемы и пути развития авиационных измерительных средств / O.A. Бабич и др. М.: Вопросы кибернетики, № 96. 1983. 3-15 стр.

19. Авиационные радиоэлектронные комплексы. М.С. Ярлыкови др. -М.: Издание ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1994. 135 с.

20. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. -М.: Радио и связь. 1986. 296 с.

21. Ярлыков М.С., Миронов М.А. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь. 1993. 464 с

22. Максимов М.В., Горгонов Г.И., Чернов B.C. Авиационные системы радиоуправления. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1984. 364 с.

23. Радиолокационные станции обзора Земли. / Г.С. Кондратенков и др.; под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радио и связь. 1983. 272 с.

24. Кириллов В.И. Бомбометание М.: Военное издательство МО СССР. 1960. 376 с.

25. Радиолокационные станции бокового обзора. / А.П. Реутови др. -М.: Радио и связь. 1970. 360 с.

26. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы М. Наука. 1989.432 с.

27. Викулов О.В. Траекторное управление наблюдением в активной радиолокационной системе самонаведения. -М.: Радиотехника. (Радиосистемы вып. 6). 1995. №11. С. 81-85

28. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. Линейные преобразования. М.: Горячая линия-Телеком. 2010. Том 1. 464 с.

29. Шахтарин Б.И. Обнаружение сигналов. М.: Гелиос ЛРВ. 2006.488 с.

30. Блудов A.A., Колтышев Е.Е., Минкин Д.Ю. Радиолокационные методы по картам местности / под общ. Ред. Блудова A.A. Спб.: Владом Северо-Запад. 2011. 208с.

31. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов. Р.П. Бы-стров и др. / под ред. Р.П. Быстрова и A.B. Соколова. М.: Радиотехника. 2008. 320с.

32. Радиоизмерительные и электронные системы в короткой части миллиметрового диапазона радиоволн. Н.С.Акишин и др. М.: Зарубежная радиоэлектроника. 1999. №5. С.22-66.

33. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. B.C. Верба и др. М.: Радиотехника. 2010. 680 с.

34. Канащенков А.И. Формирование облика авиационных систем управления вооружением. М.: Радиотехника., 2006. 336 с.

35. IMARK многочастотный бортовой комплекс радиолокационного обзора с синтезированной апертурой. A.B. Манаков и др. - М.: Радиотехника. 1997. №8. С. 50-61.

36. Толстов Е.Ф., Яковлев A.M., Карповов O.A. Радиолокационный комплекс аппаратуры наблюдения в программе "Открытое небо". М. Радиотехника. №11. 1995. С. 55-68.

37. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.: Наука. 1986. 189 с.

38. Есепкина H.A., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиометры и радиотелескопы. М.: Наука. 1973. 416 с.

39. Красик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: МГТУ им. Баумана. 2001. 174 с.

40. Саблин В.Н. Разведывательно-ударные комплексы и радиолокационные системы наблюдения земной поверхности. М.: ИПРЖ. 2002. 181 с.

41. Аттектов A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации: Учебное пособие, для вузов / под ред. В.С.Зарубина, А.П.Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2001. 440с.

42. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. М.: Мир. 1989. - 540 с.171