способ наведения вращающейся ракеты с релейным приводом рулевого органа и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ наведения вращающейся ракеты с релейным приводом рулевого органа, включающий формирование модулированного излучения на пусковом устройстве, прием излучения на ракете и выработку сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, модуляцию этих сигналов периодическими по углу крена ракеты релейными трехпозиционными сигналами С( ) и S( ), сдвинутыми друг относительно друга на угол /2, формирование сигнала линеаризации, синфазного с периодическими по углу крена сигналами, суммирование промодулированных сигналов управления и сигнала линеаризации, формирование релейного двухпозиционного сигнала посредством определения знака этой суммы и преобразование полученного релейного сигнала управления в отклонение рулевого органа, отличающийся тем, что сигнал линеаризации формируют по условию n=2, причем где - частота сигнала линеаризации, - частота вращения ракеты по крену, в случае, если



где - время запаздывания привода рулевого органа, и по условию n=4 в случае, если



при этом моменты времени t₀ изменения значения n с условия n=2 на условие n=4 устанавливают по зависимости или в ближайший момент времени после времени t₀ , соответствующий переключению сигнала С( ) с отрицательного уровня на нулевой уровень.

2. Система наведения вращающейся ракеты с релейным приводом рулевого органа, включающая источник излучения на пусковом устройстве, оптически связанный с ним приемник излучения, формирователи сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, входы которых соединены с выходом приемника излучения, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго модуляторов, суммирующий усилитель, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго модуляторов, гироскопический датчик угла крена, первый выход которого соединен со вторым входом первого модулятора, а второй выход соединен со вторым входом второго модулятора, входом формирователя сигнала линеаризации и первым входом логического устройства, причем сигналы с первого и второго выходов гироскопического датчика угла крена являются релейными трехпозиционными, сдвинутыми друг относительно друга на угол /2, третий модулятор, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала линеаризации, второй вход соединен с выходом логического устройства, а выход соединен с третьим входом суммирующего усилителя, двухпозиционный релейный элемент, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, привод рулевого органа, вход которого соединен с выходом двухпозиционного релейного элемента, а также источник временного сигнала, отличающаяся тем, что в нее введены инвертирующий усилитель, вход которого соединен со вторым выходом гироскопического датчика угла крена, второй суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с первым выходом гироскопического датчика угла крена, а второй вход соединен с выходом инвертирующего усилителя, логический инвертор, вход которого соединен с выходом источника временного сигнала, RS-триггер, синхронизируемый фронтом, первый S-вход которого соединен с выходом источника временного сигнала, второй R-вход соединен с выходом логического инвертора, третий С-вход синхронизации соединен с выходом второго суммирующего усилителя, а выход соединен со вторым входом логического устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки систем наведения (СН) ракет и может быть использовано в комплексах ПТУР и ЗУР.

Одной из задач, решаемых при разработке СН вращающихся по углу крена ракет, является повышение точности их наведения на цель.

Известен способ наведения вращающейся ракеты, реализованный в устройстве формирования релейных сигналов управления (патент RU № 2184921, МПК⁷ F41G 7/00, F42B 15/01, 03.04.00), включающий формирование модулированного излучения на пусковом устройстве, прием излучения на ракете и выработку сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, модуляцию этих сигналов периодическими по углу крена ракеты сигналами, формирование сигнала линеаризации, синфазного с периодическими по углу крена сигналами, по условию n=3, причем

где ₀ - частота сигнала линеаризации, - частота вращения ракеты по крену, суммирование промодулированных сигналов управления и сигнала линеаризации, формирование релейного двухпозиционного сигнала посредством определения знака этой суммы, преобразование полученного релейного сигнала управления в отклонение рулевого органа.

СН, реализующая этот способ (патент RU № 2184921, МПК⁷ F41G 7/00, F42B 15/01, 03.04.00), включает источник излучения (ИИ) на пусковом устройстве, оптически связанный с ним приемник излучения (ПИ) на ракете, формирователи сигналов управления в вертикальной (ФСУВ) и в горизонтальной (ФСУГ) плоскостях, входы которых соединены с выходом ПИ, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго модуляторов, суммирующий усилитель (СУ), первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго модуляторов, гироскопический датчик угла крена ракеты (ГДУК), первый выход которого соединен со вторым входом первого модулятора, а второй выход соединен со вторым входом второго модулятора, причем сигналы с первого и второго выходов ГДУК являются релейными трехпозиционными, сдвинутыми относительно друг друга на угол /2, формирователь сигнала линеаризации (ФСЛ), вход которого соединен со вторым выходом ГДУК, логическое устройство (ЛУ), вход которого соединен со вторым выходом ГДУК, третий модулятор, первый вход которого соединен с выходом ФСЛ, второй вход соединен с выходом ЛУ, а выход соединен с третьим входом СУ, двухпозиционный релейный элемент (РЭ), вход которого соединен с выходом СУ, а также привод рулевого органа (ПРО), вход которого соединен с выходом двухпозиционного РЭ.

Недостатком данного способа и СН является то, что реализуемое соотношение n частоты сигнала линеаризации ПРО (соответственно частоты формируемого одноканального релейного сигнала управления ПРО) и частоты вращения ракеты по крену постоянно и не зависит от изменения характеристик ракеты и ПРО в течение полетного времени. Сигнал управления ПРО в этой СН в течение всего полета ракеты формируется на утроенной частоте вращения по крену.

Наиболее близким к предлагаемому является способ наведения вращающейся ракеты с релейным ПРО (патент RU № 2310151, МПК F41G 7/00 (2006.01), F42B 15/01 (2006.01), 20.12.05), включающий формирование модулированного излучения на пусковом устройстве, прием излучения на ракете и выработку сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, модуляцию этих сигналов периодическими по углу крена ракеты сигналами, формирование сигнала линеаризации, синфазного с периодическими по углу крена сигналами, по условию n=3 до момента включения маршевого двигателя ракеты и после его выключения, а во время работы маршевого двигателя по условию n=2, причем ,

где ₀ - частота сигнала линеаризации, - частота вращения ракеты по крену, суммирование промодулированных сигналов управления и сигнала линеаризации, формирование релейного двухпозиционного сигнала посредством определения знака этой суммы, преобразование полученного релейного сигнала управления в отклонение рулевого органа.

СН, реализующая этот способ (патент RU № 2310151, МПК F41G 7/00 (2006.01), F42B 15/01 (2006.01), 20.12.05), включает ИИ на пусковом устройстве, оптически связанный с ним ПИ, ФСУВ и ФСУГ, входы которых соединены с выходом ПИ, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго модуляторов, СУ, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго модуляторов, ГДУК, первый выход которого соединен со вторым входом первого модулятора, а второй выход соединен со вторым входом второго модулятора, входом ФСЛ, входом первого ЛУ и первым входом второго ЛУ, источник временного сигнала (ИВС), выход которого соединен со вторым входом второго ЛУ, третий модулятор, первый вход которого соединен с выходом ФСЛ, второй вход соединен с выходом первого ЛУ, третий вход соединен с выходом второго ЛУ, а выход соединен с третьим входом СУ, двухпозиционный РЭ, вход которого соединен с выходом СУ, а также ПРО, вход которого соединен с выходом двухпозиционного РЭ, причем сигналы с первого и второго выходов ГДУК являются релейными трехпозиционными, сдвинутыми относительно друг друга на угол /2.

СН работает следующим образом. ПИ на ракете принимает модулированное излучение, формируемое ИИ на пусковом устройстве. Сигналы линейных рассогласований h_y , h_z между положением ракеты и осью луча с выходов ФСУВ и ФСУГ преобразуются из измерительной системы координат (СК), ориентированной относительно земли, во вращающуюся, связанную с ракетой, СК путем их модуляции релейными трехпозиционными, сдвинутыми относительно друг друга на угол /2 сигналами С( ), S( ) с выходов ГДУК.

ФСЛ на основе информации с ГДУК реализует на каждом периоде вращения ракеты по углу крена пилообразный сигнал U_л вида (n=4):

где А_л - амплитуда сигнала U_л.

Первое ЛУ обеспечивает инверсию исходного сигнала линеаризации U_л на четверти оборота вращения ракеты по углу крена согласно зависимости:

Второе ЛУ, управляемое не только сигналом со второго выхода ГДУК, но и сигналом с выхода ИВС, формирует сигнал в соответствии с зависимостью:

где t₁ - момент времени, связанный с включением маршевого двигателя (МД);

t₂ - момент времени, связанный с выключением МД.

Скорректированный сигнал линеаризации U_л1 =ijU_л с выхода третьего модулятора имеет вид:

при t<t₁ и t>t₂ (условие n=3)

при t₁ t t₂ (условие n=2):

После суммирования промодулированных рассогласований со скорректированным сигналом линеаризации на СУ и определения знака суммы двухпозиционным РЭ результирующий выходной сигнал управления

V=sign(h_y C( )+h_zS( )+U_л1),

поступающий на одноканальный релейный ПРО ракеты, является двухпозиционным релейным, обеспечивающим управление на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В течение времени t<t₁ и t>t₂ (на участках излета) этот сигнал формируется на утроенной частоте вращения ракеты по крену, а в течение времени t₁ t t₂ (на участке работы МД) - на удвоенной.

ПРО осуществляет отработку этого сигнала, т.е. перекладку рулей в соответствии с изменением его знака. Вращающаяся по углу крена ракета демодулирует отклонение рулей , в результате чего в каждой из плоскостей создается управляющий момент, соответствующий исходным линейным рассогласованиям h _y, h_z.

Известный способ и реализующая его СН применяются для ракет с высокой начальной скоростью и последующим включением МД на среднем участке полета. Этот способ наиболее эффективен при низком быстродействии ПРО, поскольку формирование сигнала линеаризации по условию n=2 и n=3 не приводит к ухудшению точности, которое может возникать при n>3 из-за искажений релейного сигнала управления при его отработке ПРО.

Если же быстродействие ПРО позволяет отрабатывать сигнал управления без искажений при n>3, то целесообразно формировать управляющий сигнал на более высокой частоте (например, по условию n=4) для уменьшения амплитуды методических помех в колебательной составляющей углов атаки и скольжения ракеты, что объясняется следующим.

В сигнале управления ПРО помимо полезной (несущей информацию об отклонениях ракеты от оси луча) составляющей на частоте вращения ракеты по углу крена содержатся (из-за релейности сигнала) высшие гармоники частоты вращения, являющиеся методическими помехами. С точки зрения динамических свойств, планер ракеты представляется передаточной функцией колебательного звена с постоянной времени, обратно пропорциональной частоте собственных колебаний ракеты (А.А.Лебедев, В.А.Карабанов. «Динамика систем управления беспилотными летательными аппаратами». М.: «Машиностроение», 1965, с.113, зависимость 2.124, с.108, зависимость 2.93), т.е. является фильтром, подавляющим частоты, превышающие частоту собственных колебаний ракеты, в том числе частоту ₀.

Эти методические помехи, не будучи полностью подавлены планером, присутствуют в углах атаки и скольжения в виде высокочастотных колебаний, амплитуда которых уменьшается при увеличении частоты сигнала управления (параметра n).

Недостатком данного способа и СН является то, что при формировании сигнала линеаризации по условиям n=2 и n=3 на отдельных участках полета ракеты возможно увеличение амплитуды колебательных составляющих ее углов атаки и скольжения, ухудшающее условия поражения целей и в некоторой степени снижающее продольную скорость ракеты вследствие возрастания лобового сопротивления.

Формирование управляющего сигнала на более высокой частоте, например, по условию n=4 (с целью уменьшения амплитуды методических помех) может также не являться оптимальным на всем участке полета, а допустимо лишь на тех участках, где ПРО отрабатывает такой сигнал без искажений. Условием правильной отработки сигнала ПРО является то, что его фазовое запаздывание , определяемое по зависимости

,

где - время запаздывания ПРО, не превосходит некое пороговое значение.

Фазовое запаздывание ПРО может быть практически постоянным на протяжении всего полета (как указано в описании ближайшего аналога) или переменным в случае, если частота вращения ракеты по крену не пропорциональна ее продольной скорости.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение в течение всего полета высокой точности наведения одноканальной вращающейся ракеты с релейным двухпозиционным ПРО, фазовое запаздывание которого существенно переменно, при одновременной минимизации амплитуды колебательных составляющих ее углов атаки и скольжения.

Для решения поставленной задачи на различных участках полета необходимо формирование вида сигнала линеаризации (соответственно релейного сигнала управления) с таким соотношением n, при котором оптимально линеаризуется ПРО с точки зрения его работы с минимальными искажениями и снижается влияние методических помех на качество процессов наведения.

Поставленная задача решается за счет того, что по сравнению с известным способом наведения вращающейся ракеты с релейным ПРО, включающим формирование модулированного излучения на пусковом устройстве, прием излучения на ракете и выработку сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, модуляцию этих сигналов периодическими по углу крена ракеты релейными трехпозиционными сигналами С( ) и S( ), сдвинутыми относительно друг друга на угол /2, формирование сигнала линеаризации, синфазного с периодическими по углу крена сигналами, суммирование промодулированных сигналов управления и сигнала линеаризации, формирование релейного двухпозиционного сигнала посредством определения знака этой суммы и преобразование полученного релейного сигнала управления в отклонение рулевого органа, в предлагаемом способе сигнал линеаризации формируют по условию n=2, причем ,

где ₀ - частота сигнала линеаризации, - частота вращения ракеты по крену, в случае, если

,

где - время запаздывания привода рулевого органа, и по условию n=4 в случае, если

при этом момент времени t₀ изменения значения n с условия n=2 на условие n=4 устанавливают по зависимости

или в ближайший после времени t ₀ момент времени , соответствующий переключению сигнала С( ) с отрицательного уровня на нулевой уровень.

Этот момент времени определяется по зависимости

где - период вращения ракеты по углу крена,

при указанном переключении сигнала С( ).

Сущность способа заключается в том, что изменение вида сигнала линеаризации производят по времени или не только по времени, но и по углу крена, причем момент переключения устанавливают таким образом, чтобы на половине периода вращения ракеты однократно реализовывалась дополнительная команда вверх, что обеспечивается переключением при переходе сигнала С( ) с отрицательного уровня на нулевой уровень. Фактически на этой половине периода сигнал линеаризации соответствует условию n=3, описанному в ближайшем аналоге. Реализация дополнительной команды вверх является приоритетной, поскольку ракета летит в условиях близости подстилающей поверхности.

При произвольной фазе переключения может возникать сбой в команде управления случайного характера, а в случае переключения по другим фронтам сигнала С( ) дополнительная команда будет реализовываться вниз, вправо или влево (что менее предпочтительно, чем вверх).

В СН, реализующую предлагаемый способ, включающую ИИ на пусковом устройстве, оптически связанный с ним ПИ, формирователи сигналов управления в вертикальной ФСУВ и горизонтальной ФСУГ плоскостях, входы которых соединены с выходом ПИ, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго модуляторов, СУ, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго модуляторов, ГДУК, первый выход которого соединен со вторым входом первого модулятора, а второй выход соединен со вторым входом второго модулятора, входом ФСЛ и первым входом ЛУ, причем сигналы с первого и второго выходов ГДУК являются релейными трехпозиционными, сдвинутыми относительно друг друга на угол /2, третий модулятор, первый вход которого соединен с выходом ФСЛ, второй вход соединен с выходом ЛУ, а выход соединен с третьим входом СУ, двухпозиционный РЭ, вход которого соединен с выходом СУ, ПРО, вход которого соединен с выходом двухпозиционного РЭ, а также ИВС, введены инвертирующий усилитель (ИУ), вход которого соединен со вторым выходом ГДУК, второй СУ, первый вход которого соединен с первым выходом ГДУК, а второй вход соединен с выходом ИУ, логический инвертор (ЛИ), вход которого соединен с выходом ИВС, RS-триггер, синхронизируемый фронтом, первый S-вход которого соединен с выходом ИВС, второй R-вход соединен с выходом ЛИ, третий С-вход синхронизации соединен с выходом второго СУ, а выход соединен со вторым входом ЛУ.

Предлагаемое изобретение поясняется графическим материалом.

Структура предлагаемой СН приведена на фиг.1, где 1 - ИИ, 2 - ПИ, 3 - ФСУВ, 4 - ФСУГ, 5 - первый модулятор (M1), 6 - второй модулятор (М2), 7 - первый СУ (СУ1), 8 - ГДУК, 9 - ФСЛ, 10 - ИУ, 11 - третий модулятор (М3), 12 - двухпозиционный РЭ, 13 - релейный ПРО, 14 - ЛУ, 15 - ИВС, 16 - второй СУ (СУ2), 17 - ЛИ, 18 - RS-триггер (Т), синхронизируемый фронтом.

На фиг.2 представлены сигналы с выходов элементов предлагаемой СН, поясняющие ее работу.

Входной релейный сигнал управления ПРО V и его выходной сигнал в предлагаемой СН при значениях фазового запаздывания 0,15 (27°) и 0,22 (40°) представлены на фиг.3 для условия n=2 и на фиг.4 для условия n=4 (на обоих чертежах при величинах команд h_y/А_л=0,3; h_z/A_л=0).

На фиг.5 представлены возможные зависимости частоты вращения по крену, временного и фазового запаздывания ПРО от полетного времени t, а также реализуемого соотношения n для предлагаемого способа наведения.

Предлагаемая СН (фиг.1) работает следующим образом.

ПИ 2 на ракете принимает модулированное излучение, формируемое ИИ 1 на пусковом устройстве. Сигналы линейных рассогласований h_y, h_z между положением ракеты и осью луча с выходов ФСУВ 3 и ФСУГ 4 преобразуются из измерительной СК, ориентированной относительно земли, во вращающуюся, связанную с ракетой СК путем их модуляции на модуляторах 5, 6 релейными трехпозиционными, сдвинутыми относительно друг друга на угол /2 сигналами С( ), S( ) с выходов ГДУК 8.

Сигнал с выхода ИВС 15 j_ИВС (фиг.2) в момент времени t₀, априорно установленный по зависимости (1), переключается с логического уровня «0» на логический уровень «1», а по окончании времени функционирования (оно устанавливается в аппаратуре равным максимально возможному полетному времени ракеты) устанавливается в «0».

Этот сигнал поступает на первый S-вход RS-триггера 18, а на второй R-вход RS-триггера 18 поступает этот же сигнал, логически проинвертированный на ЛИ 17 (сигнал j_ЛИ на фиг.2).

На третий С-вход RS-триггера 18 поступает двухуровневый сигнал синхронизации, передний фронт которого совпадает с переключением сигнала С( ) с ГДУК 8 с отрицательного уровня на нулевой уровень. Сигнал синхронизации j_СУ2 получен как разность сигналов С( ) и S( ) с выходов ГДУК 8 с помощью СУ2 16 и ИУ 10. Для того чтобы уровни сигнала с выхода СУ2 16 составляли «0» и «1», на этом сумматоре производится дополнительное суммирование указанной разности с сигналом, равным «1», и нормировка его с коэффициентом 0,5.

Сигнал j_T с выхода RS-триггера 18 (фиг.2) равен «0» до момента времени и «1» после этого момента:

т.е. однократное переключение триггера происходит после времени t₀ в соответствии с зависимостью (2) при ближайшем переднем фронте сигнала синхронизации. По окончании работы аппаратуры выходной сигнал RS-триггера 18 возвращается в исходное положение (поскольку происходит изменение сигнала на его S-входе и R-входе), что обеспечивает возможность многократного пуска аппаратуры.

ФСЛ 9 на основе информации с ГДУК 8 реализует на каждом периоде вращения ракеты по углу крена пилообразный сигнал U_л вида (условие n=2):

Выходной сигнал j_ЛУ ЛУ 14 (фиг.2) формируется согласно зависимости:

Сигнал j_ЛУ при обеспечивает инверсию исходного сигнала линеаризации U _л на 2-х четвертях оборота вращения ракеты по углу крена, а при оставляет сигнал линеаризации без изменения.

В результате скорректированный сигнал линеаризации U_л1 =j_ЛУ U_л с выхода третьего модулятора 11 (фиг.2) имеет вид:

при (условие n=2)

при (условие n=4)

После суммирования промодулированных рассогласований со скорректированным сигналом линеаризации на первом СУ 7 и определения знака суммы двухпозиционным РЭ 12 результирующий выходной сигнал

V=sign(h_yC( )+h_zS( )+U_л1),

поступающий на одноканальный релейный ПРО 13 ракеты, является двухпозиционным релейным, обеспечивающим управление на основе ШИМ и в течение времени формируется на удвоенной частоте вращения ракеты по крену, а в течение времени - на учетверенной.

ПРО 13 осуществляет отработку этого сигнала, т.е. перекладку рулей в соответствии с изменением его знака. Вращающаяся по углу крена ракета демодулирует отклонение рулей , в результате чего в каждой из плоскостей создается управляющий момент, соответствующий исходным линейным рассогласованиям h _y, h_z и возвращающий ракету к оси луча.

Представленные на фиг.3, 4 выходные сигналы ПРО свидетельствуют, что для условия n=2 входной сигнал управления ПРО V отрабатывается без искажений как при значениях фазового запаздывания 0,15 (27°), так и 0,22 (40°). Для условия n=4 при значении фазового запаздывания 0,22 (40°) возникают амплитудные и фазовые искажения выходного сигнала ПРО, неизбежно ухудшающие точность наведения. Исходя из этого установлено пороговое значение (0,17 0,20) или 31 36°, по достижении которого производят переключение с условия n=2 на условие n=4 (или с условия n=4 на условие n=2) согласно зависимости (1).

На фиг.5 приведены типовые характеристики ракеты с начальной закруткой по углу крена: ее частота вращения по крену, временное и фазовое запаздывание ПРО от полетного времени t, а также реализуемое согласно предложенному способу соотношение n. Как видно, фазовое запаздывание ПРО постоянно лишь начиная с некоторого момента времени, а до этого момента оно существенно переменно и больше (в той степени, насколько частота вращения больше ее аэродинамической составляющей). Для ракет с такими характеристиками соотношение n изменяется со значения 2 на значение 4 приблизительно на 1,5 с полета.

В качестве RS-триггера и логического инвертора могут быть использованы схемы, представленные в книге У.Титце, К.Шенк. «Полупроводниковая схемотехника». - М.: "Мир", 1983, с.117,107.

В качестве остальных элементов СН могут быть использованы устройства, представленные в ближайшем аналоге.

Преимуществом предлагаемого способа и реализующей его СН является повышение точности наведения ракет с релейным ПРО с переменным фазовым запаздыванием (например, в ракетах со стартовой закруткой на начальном участке полета оно больше, чем на последующем) за счет формирования команд управления, оптимальных в течение всего времени полета, а именно на удвоенной частоте вращения ракеты по крену, когда фазовое запаздывание ПРО больше заданного порогового значения, и на учетверенной частоте вращения, когда фазовое запаздывание ПРО меньше порогового значения.

Качество наведения повышается посредством:

- улучшения условия работы ПРО при его большом фазовом запаздывании за счет уменьшения количества переключений уровней релейного сигнала управления на периоде вращения, сформированного на более низкой - удвоенной - частоте вращения по крену;

- уменьшение амплитуды колебательных составляющих углов атаки и скольжения на других участках полета за счет формирования сигнала на более высокой - учетверенной - частоте вращения по крену.

Применение предлагаемого способа и СН позволяет обеспечить высокую точность наведения вращающихся по углу крена одноканальных ракет с релейными ПРО с переменным фазовым запаздыванием.