Телеуправление

Телеуправлением называется управление ракетой, осуществляемое с командного пункта. Если контроль за целью и ракетой осуществляется оператором, а команда управления формируется им путем отклонения рукоятки на пульте управления, то такая система телеуправления называется ручной. Если оператор только контролирует цель, а контроль ракеты и выработка команд автоматизированы, то СУ называется полуавтоматической. Если автоматизирован и контроль за целью – СУ автоматическая.

Для выработки команд должны обнаруживаться (измеряться) отклонения ракеты от правильного полета на цель. В зависимости от метода измерения этих отклонений системы телеуправления можно разбить на два вида:

– телеуправление первого вида – с непосредственным контролем цели;

– телеуправление второго вида – с контролем цели посредством аппаратуры, расположенной на ракете.

Принцип телеуправления первого вида приведен на рис. 4.12 а. Здесь: КП – командный пункт, УР – управляемая ракета, Ц – цель.

Принцип телеуправления второго вида – с контролем цели посредством бортовой аппаратуры, показан на рис.4.12 б. В этом случае отклонение ракеты от правильного полета на цель обнаруживается измерительной аппаратурой, установленной на ракете (канал контроля цели), и передается с ракеты на КП по каналу передачи данных контроля. На основании данных, полученных по этому каналу, на КП вырабатываются команды управления, передаваемые на ракету по каналу управления.

При телеуправлении первого вида различают системы командного управления и управления по лучу (радио, лазерному).

Системы командного управления относятся к наиболее распространенным системам телеуправления.

Рис. 4.12. Блок-схемы телеуправления: а – первого вида; б – второго вида

Для управления полетом ракеты в командных системах телеуправления предусматриваются каналы управления в вертикальной (по углу тангажа) и горизонтальной (по углу рыскания) плоскостях.

Для стабилизации ракеты по углу крена (повороту ракеты относительно продольной оси) на ракете обычно реализуется автономный канал управления с гироскопическим датчиком угла крена.

Для контроля цели (ракеты) используется какой-либо вид энергии, излучаемый или отражаемый целью (ракетой). В зависимости от вида используемой энергии контроль может быть визуальным (при использовании видимых лучей света), тепловым (при использовании ИК-излучений), радиотехническим и лазерным. Выбор средства контроля за положением цели определяется ее типом и характером движения.

Способ контроля положения ракеты может несколько отличаться от контроля положения цели, так как на ракете можно установить специальные устройства, облегчающие этот контроль. При визуальном контроле такими устройствами могут быть трассеры, ИК-лампы, а при радиотехническом – радиоответчик.

В состав любой линии телеконтроля и телеуправления всегда входит линия связи, к которой относится передатчик, приемник и физическая среда.

В практике телеуправления находят применение, как проводные электрические и оптоволоконные линии связи, так и беспроводные (радио, оптические), причем последние могут быть непрерывного или импульсного излучения.

Системы управления с проводной линией связи являются наиболее простыми и широко распространенными.

Системы лучевого наведения состоят из радио-локатора наведения или лазерного излучателя, установленного на пункте управления, и бортовой аппаратуры ракеты. Излучение принимается и анализируется бортовой аппаратурой ракеты, которая вырабатывает управляющие сигналы, заставляющие ракету лететь по оси энергетического луча.

Отличительной особенностью систем наведения по лучу является то, что в них отсутствует устройство для передачи командных сигналов и система контроля положения ракеты относительно цели.

Рассмотрим более подробно физические основы наведения ракеты на цель по лучу радиолокационной станции (РЛС). Эта станция должна решать две задачи:

– обеспечивать автоматическое сопровождение цели радиолучом;

– создавать в поперечных сечениях луча такой характер изменения напряженности электромагнитного поля, который позволял бы приемнику, установленному на борту ракеты, определять величину и направление отклонения ракеты от оси луча и вырабатывать команды, выполняя которые ракета выходила бы на ось луча.

РЛС определяет дальность до цели по времени между моментом излучения сигнала и моментом приема сигнала, отраженного от цели:

,

где с – скорость распространения радиоволн (скорость света).

Скорость сближения цели с РЛС определяется с использованием эффекта Доплера, то есть изменения частоты принимаемого сигнала по сравнению с частотой излучаемого, если между передатчиком и приемником есть скорость сближения:

, (4.8)

где , – частоты передаваемого и принимаемого сигналов.

Точность определения угловых координат цели зависит от угла раствора луча, который может быть доведен до 1°, но и такой узкий луч не обеспечивает высокой точности. Для ее достижения используется вращение луча относительно антенны, так называемое коническое сканирование.

Рассмотрим работу параболической антенны с механическим приводом излучателя (рис. 4.13). Такие антенны применялись на РЛС первых поколений.

Рис. 4.13. Схема слежения за целью РЛС с параболической антенной:

а – схема создания равносигнальной зоны; б – характер изменения отраженного от цели сигнала; 1 – параболический отражатель; 2 – излучатель; 3 – основной лепесток диаграммы направленности антенны.

Каждая антенна характеризуется диаграммой направленности (ДН). На ее границах мощность излучения существенно меньше, чем у излучателя. Если излучатель 2 расположить в фокусе F параболического отражателя 1, то ось лепестка X_л (рис. 4.13, а) будет совпадать с осью отражателя X_отр. Напряженность электромагнитного поля на оси лепестка будет максимальной, а на границах его поперечного сечения существенно меньшей. Использование этого эффекта для определения угловых координат цели не обеспечивает высокой точности из-за больших размеров поперечного сечения луча.

Точность определения угловых координат можно существенно повысить, если лепестки ДН заставить вращаться относительно оси отражателя X_отр так, чтобы его ось образовала коническую поверхность с вершиной, лежащей в фокусе отражателя F, то есть осуществить коническое сканирование луча. Для обеспечения конического сканирования луча ДН излучатель антенны 1 смещают относительно оси отражателя и заставляют его вращаться в фокальной плоскости. Вращение осуществляется электродвигателем. В этом случае напряженность электромагнитного поля во всех точках сечения луча будет меняться по гармоническому закону на частоте сканирования. Если цель находится в точке Ц₁, то отраженный от нее сигнал будет изменяться, как показано на рис. 4.13, б.

Исключение будут составлять точки, лежащие на оси отражателя X_отр, и если цель находится в точке Ц₀, то отраженный от нее сигнал не будет промодулирован по амплитуде (рис. 4.13, б). Ось отражателя будет осью равносигнальной зоны. Амплитуда сигнала А будет пропорциональна отклонению цели R от оси равносигнальной зоны.

Для определения направления отклонения, характеризуемого углом φ (рис. 4.13, а), излучатель одновременно с основным сигналом передает опорный сигнал, промодулированный на частоте вращения. Разница фаз основного и опорного сигналов, характеризуемая интервалом времени Δt (рис. 4.13, б), пропорциональна углу φ (рис. 4.13, а), определяющему направление отклонения цели от оси равносигнальной зоны. Параметры φ и Δt позволяют выработать команду на приводные двигатели антенны, выполняя которую они наводят ось отражателя на цель. Азимут и угол места оси отражателя будут угловыми координатами цели.

Если РЛС работает не в режиме сопровождения цели, а в режиме формирования луча для наведения ракеты, то характер его конического сканирования не меняется, что позволяет приемнику ракеты определить ее координаты относительно оси луча и выработать команду на выведение ракеты на ось луча, направленную на цель или в предполагаемую точку встречи с целью.

Революционным шагом в развитии РЛС явилось появление нового вида антенн – фазированных антенных решеток (ФАР). В узлах решетки с прямоугольными или треугольными ячейками располагаются излучатели с независимым подводом энергии (рис. 4.14, а).

а б

Рис. 4.14. Схема устройства ФАР:

а – фрагмент решетки; б – структурная схема ФАР

Сигналы, подаваемые на соседние излучатели (элементы) с помощью управляемых ЭВМ устройств, называемых фазовращателями, претерпевают фазовые сдвиги, что позволяет создавать лучи с любой формой ДН (в том числе многолучевой) и любым характером сканирования. Переход от механического сканирования к электрическому увеличивает скорость сканирования на несколько порядков. РЛС с ФАР позволяют в реальном масштабе времени решать несколько задач:

– осуществлять поиск целей в секторе ±60° по азимуту (у выпуклых решеток он еще больше) и 1…90° по углу места;

– производить сопровождение нескольких десятков целей; определять их кинематические параметры и прогнозировать изменение траектории;

– контролировать полет нескольких ракет и осуществлять их наведение на разные цели по радиокомандам или по радиолокационным лучам.

Эффективность ФАР во многом определяется числом излучателей, которое может доходить до нескольких тысяч, что неизбежно отражается на стоимости РЛС.

Наведение ракет по радиолокационному лучу вдоль земной поверхности вызывает много трудностей из-за отражения луча от земли и появления сложной интерференционной картины.

Основная ставка в этом случае делается на использование лазерного луча. При пуске ракета встреливается в луч, наведенный на цель. Фотоприемник, установленный в донной части ракеты, и бортовая аппаратура позволяют определить положение ракеты в поперечном сечении луча и выработать команду, выполняя которую ракета автоматически выходит на ось луча. Для осуществления телеориентирования ракеты в поперечном сечении луча лазерное излучение модулируется специальными дисками с нанесенными на них непрозрачными растрами (метками) (рис.4.15).

Растры нанесены на половинах двух модулирующих дисков. Эти диски синхронно вращаются с периодом Т. Ось лазерного луча проходит через точку пересечения вертикальной оси диска, канала тангажа и горизонтальной оси диска канала курса. В течение первой половины периода вращения луч лазера перекрывается растрами диска канала курса, в течение второго полупериода – растрами диска канала тангажа.

Рис. 4.15. Логика формирования управляющего сигнала в зависимости от отклонения ракеты от оси луча

На рис. 4.15 модулирующие диски представлены в положении, когда тангажный диск закончил свою работу, а диск канала курса только начинает модуляцию луча. Развертка модулирующей дорожки канала курса показана над сечением луча.

Если ракета движется в вертикальной плоскости, проходящей через ось луча, т.е. не имеет отклонений по курсу, то фотоприемник в течение первого полупериода будет принимать только опорную частоту f ₅, и команда по каналу курса вырабатываться не будет.

Если ракета сместилась вправо на величину h _z, то фотоприемник в течение промежутка времени 0,5Т- t₁, будет принимать опорную частоту f ₅, а за время t₁ – частоту f₁.

Факт приема частоты f₁ указывает на то, что ракета отклонилась вправо, а величина этого отклонения может характеризоваться величиной

, (4.9)

которая по своей сути является коэффициентом команды по каналу курса. Появление на фотоприемнике сигнала с частотой f₂ будет характеризовать смещение ракеты по курсу влево на относительную величину

. (4.10)

Через полпериода (0,5 Т) модуляция луча лазера будет осуществляться диском канала тангажа. При нулевом смещении ракеты (h_y=0) фотоприемник будет воспринимать только опорную частоту f₅, если же ракета ушла вверх (h_y>0), то фотоприемник после регистрации в течение времени 0,5Т- t₃ частоты f₅ в течение времени t ₃ будет воспринимать частоту f₃. Частота f₃ указывает на направление смещения, а амплитуда смещения будет характеризоваться величиной

. (4.11)

Появление на фотоприемнике сигнала с частотой f₄ будет характеризовать отклонение ракеты по тангажу вниз на относительную величину

. (4.12)

Таким образом, используя систему модуляции поперечного сечения луча лазера, бортовая аппаратура ракеты в состоянии выработать команды, выполняя которые, ракета будет отслеживать движение оси луча, т.е. перемещение движущейся цели. Для обеспечения соизмеримости диаметра луча и размера цели угол раствора луча автоматически уменьшается по мере удаления ракеты от точки пуска. Рассмотренная система теленаведения ракеты в лазерном луче используется во многих отечественных комплексах управляемого вооружения (КУВ) бронетанковой техники.

Преимуществом лучевых систем является возможность одновременного ведения в луче нескольких ракет.

Телеуправление второго вида позволяет определять координаты цели в системе координат, связанной с приближающейся к цели ракетой, что повышает точность наведения. При этом некоторые системы наведения этого вида допускают участие оператора в процессе наведения.

Основным недостатком управления с помощью оператора является влияние его субъективных свойств на качество и точность управления, однако управление с помощью оператора обладает и существенным преимуществом – гибкостью управления и повышенной помехозащищенностью.

Система телеуправления с телевизионной головкой и с использованием волоконнооптического канала связи для передачи изображения дает наиболее детальное изображение цели при сравнительно небольших затратах на реализацию такой системы.