Разработка программно-алгоритмического обеспечения при измерении траекторных параметров объектов

Боеприпасы нового поколения: бронебойно-подкалиберные с повышенной дальностью поражения, активно-реактивные, кассетные, корректируемые, самоприцеливающиеся, боеприпасы с газогенераторами и т. п. отличаются существенным усложнением конструкции и функционированием в процессе выстрела, на траектории полета и при взаимодействии с целью[1,2]. Повышается их могущество, дальность полета и точность поражения цели. Все большее значение в полигонных испытаниях, проводимых на всех этапах их создания (НИР, ОКР, серийное производство), приобретает контроль за внешнетраекторными измерениями с повышенной дальностью и точностью, направленные на составление таблиц стрельбы, отработку систем управления объектом в полете, наведение его на цель и т. п. Низкий уровень технических характеристик применяемой контрольно-измерительной аппаратуры не обеспечивает современных требований к внешнетраекторным измерениям малоразмерных объектов реактивной и ствольной артиллерии. Аппаратурная база ведущих артиллерийских полигонов страны оснащена доплеровскими измерителями скорости непрерывного излучения Х-диапазона длин радиоволн, имеющими потенциальную дальность действия до 300 000 калибров объектов, движущихся строго по баллистической траектории[3]. Необходима специализированная высокоинформативная, быстродействующая и надежная аппаратура, обеспечивающая контроль за объектами на траектории вплоть до 400 000 калибров, измерение параметров их поступательного движения с погрешностью не более 1 — 3 м по координатам, 0.1 — 0.2% по скорости, адаптированная к условиям многоцелевой обстановки на измерительной трассе. В настоящее время аппаратуры такого класса в Российской Федерации нет.

Поэтому актуальной становится научная задача разработки программно-алгоритмического обеспечения приборно-аппаратного комплекса для контроля за функционированием объекта на траектории и измерения координат полета объекта.

Объект исследования. Методы контроля и измерения траекторных параметров объектов.

Предмет исследования — алгоритмическое обеспечение радиоволнового многочастного приборно-аппаратного комплекса для измерения наклонной дальности, углового положения, радиальной скорости, а также координат объекта.

Целью работы является научно обоснованная разработка программно-алгоритмического обеспечения приборно-аппаратного комплекса для измерения кинематических и динамических характеристик объектов, в том числе, траектория которых отличается от баллистической траектории.

В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование особенностей физических процессов, сопровождающих процесс измерения дальности до объекта, при использовании двухчастотного фазового метода и электромагнитных волн с частотной модуляцией.

2. Разработка алгоритма определения наклонной дальности, учитывающий особенности движения объектов, в том числе, по траектории, отличающейся от баллистической.

3. Разработка на основе уравнений внешней баллистики алгоритма определения траекторных параметров, а также дальности, угловых координат и радиальной скорости объекта.

4. Разработка алгоритма определения угловых координат объекта с целью управления электроприводом поворотной платформы приборно-аппаратного комплекса и получения координат на всей траектории полета.

5. Оценка погрешностей алгоритмов и потенциальной дальности действия приборно-аппаратного комплекса. 6.

Методы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, теории внешней баллистики, статистического анализа и математической статистики.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается:

1. использованием адекватного математического аппарата, в том числе: уравнений внешней баллистики, методов теории обработки сигналов, численных методов решения систем дифференциальных уравнений;

2. согласованностью результатов математического моделирования и результатов натурных испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработан алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

2. Разработан алгоритм определения внешнетраекторных параметров движения объекта, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда путем сравнения расчетных и измеренных данных.

3. Разработан радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

4. Разработана методика измерения координат объектов, траектория движения которых отличается от баллистической траектории.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

2. Алгоритм определения внешнетраекторных параметров, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда путем сравнения расчетных и измеренных данных.

3. Радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

4. Методика измерения координат объектов, траектория движения которых отличается от баллистической траектории.

Практическая значимость. Проведено исследование особенностей радиоволновых измерений внешнетраекторных параметров движения летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода, в том числе, наклонной дальности, а также фазоразностного принципа определения угловых координат объекта. Предложенная двухпараметрическая итерационная процедура, основанная на сравнении математической модели полета объекта, описываемой системой уравнений внешней баллистики, с реально полученными данными, позволяет определить с заданной точностью внешнетраекторные параметры движения объекта. Результаты диссертационной работы использованы при разработке нового прибора измерения координат на Федеральном казенном предприятии «Нижнетагильский институт испытания металлов».

В первом разделе рассмотрены радиоволновые доплеровские методы измерения параметров движения объектов, в том числе двухчастотный фазовый метод для определения наклонной дальности и моноимпульсный фазоразностный метод для определения угловых координат. Проведенный анализ позволил сделать обоснованный вывод о том, что данные методы целесообразно использовать при разработке приборно-аппаратного комплекса измерения координат внешнебаллистической траектории объектов. В тоже время показана необходимость разработки новых алгоритмов обработки цифровых сигналов, в которых учитываются особенности движения исследуемых объектов.

Вторая глава посвящена рассмотрению модифицированного двухчастотного метода измерения дальности и соответствующего алгоритма обработки измерительной информации. Необходимость его разработки обусловлена тем, что ограничения классического 8 двухчастотного фазового метода определения дальности до объекта связаны с невозможностью регистрации сигналов, частоты которых близки по значению и не удовлетворяют условию < ДУз/2 ([4, С. 94]).

Предложенный модифицированный двухчастотный метод отличается от известного метода тем, что используемые в нем частоты отстройки Л/а"2, Д/3&bdquo-3, А/з1|4 удовлетворяют условию, при котором регистрация сигнала возможна для двухчастотного зондирования движущегося объекта.

Далее во втором разделе описан разработанный автором алгоритм определения угловых координат полета объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях, блок-схема которого представлена на рис. 2.11. Данный алгоритм, позволяющий определить пеленг на объект, завершает решение задачи определения координат центра масс объекта и углов между радиус-вектором центра масс объекта и ортами сферической системы координат. В связи с тем, что измеряемой ПАК величиной является разность фаз сигналов, поступающих с многоканального радиоприемного устройства, использование данного алгоритма предполагает проведение калибровки базовых расстояний между приемными антеннами, что позволяет вычислить текущие значения углов отклонения объекта от нормали к апертуре антенной системы прибора.

В связи с тем, что существует, в том числе, необходимость измерения параметров движения объектов, движение которых не может быть описано классической системой уравнений внешней баллистики, в третьем разделе разработан алгоритм определения внешнетраекторных параметров данных объектов. За основу измеренных данных берутся координаты полета объекта. Данный алгоритм основан на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс объекта на основе сравнения расчетных и измеренных данных.

В четвертом разделе на основе использования известных формул и статистической теории радиолокации ([4, С. 92], [5, С. 80, С. 93]) получены оценки погрешностей алгоритмов обработки сигнала и аппаратно-измерительного комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция «Проектирование систем вооружения и измерительных комплексов» (г. Нижний Тагил, 2009 -2011 г.);

2. Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистики» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

3. Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов и ученых «Актуальные проблемы развития системы артиллерийского вооружения в современных условиях» ЦНИИ «Буревестник» (г. Нижний Новгород, 2010 г.);

4. Всероссийская научно-техническая конференция VII конференция Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» (г. Саров, 2011 г.);

5. Международная научно-техническая конференция «Седьмые Окуневские чтения» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.);

6. Всероссийский научно-технический семинар «Артиллерийское вооружение России — 2011» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.);

7. На заседаниях научно-технического совета Нижнетагильского института испытания металлов.

Публикация работы: По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является комплексным исследованием многочастотных радиолокационных методов измерения внешней баллистики, задачи которых поставлены автором.

Алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

Алгоритм определения внешнетраекторных параметров, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда на основе сравнения расчетных и измеренных значений координат.

Радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

Алгоритм определения угловых координат объекта, используемых для управления электроприводом поворотной платформы приборно-аппаратного комплекса и получения координат на всей траектории полета.

Оценка погрешностей алгоритмов и потенциальной дальности действия приборно-аппаратного комплекса.

При выполнении работы автор пользовался консультациями канд. техн. наук Чванова А. Е., Чижова Г. В., Бородина В. П., Шакирова М. Р., Абушкевич В.Ф.

4.3 Выводы.

1. Выполнена оценка потенциально достижимой дальности действия прибора, удовлетворяющей требованиям точности, проводимых им измерений. Установлено, что рассматриваемый параметр, вычисленный для.

132 идеализированных условий применения прибора, составляет около 394 000 калибров испытуемого объекта.

2. Проведена оценка СКО по измерению наклонной дальности объекта, которая составила ±-1м при соотношении «сигнал/шум» равного (625 раз) 28 дБ.

3. Получено требуемое СКО по углам в обеих плоскостях ±0.3 мрад в условиях отношения «сигнал/шум» равного 30 дБ, что также удовлетворяет полученному соотношению в приборно-аппаратном комплексе.

4. Проведен анализ работы математической модели полета объекта, в котором сравнивался параметр «начальная скорость» с использованием программного обеспечения. Относительная средняя погрешность определения начальной скорости составила 0.01%.

Заключение

.

1. Проведено исследование особенностей физических процессов, сопровождающих процесс измерения дальности до объекта, при использовании двухчастотного фазового метода и электромагнитных волн с частотной модуляцией. В основу приборно-аппаратного комплекса измерения координат положен многоканальный двухчастотный моноимпульсный фазовый метод измерения дальности.

2. Предложен модифицированный двухчастотный радиоволновой метод измерения дальности до объекта и разработан новый алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

3. На основе уравнений внешней баллистики разработан алгоритм определения на основе измерительной информации внешнетраекторных параметров объекта, а также дальности, угловых координат и радиальной скорости объекта.

4. Разработан алгоритм определения в реальном режиме времени угловых координат объекта, значения которых используются для управления электроприводом поворотной платформы приборно-аппаратного комплекса.

5. Проведена оценка СКО по измерению наклонной дальности объекта, которая составила ±1 м при соотношении «сигнал/шум» равного (625 раз) 28 дБ. Получено требуемое СКО по углам в обеих плоскостях ±0.3 мрад в условиях отношения «сигнал/шум» равного 30 дБ. Относительная средняя погрешность определения начальной скорости составила 0.01%. Потенциальная дальность действия комплекса составила 394 000 калибров.