Следящая наблюдательная система

 

Изобретение относится к области систем слежения за подвижными объектами, в том числе с качающегося основания, а также может быть использовано для правления воздушным движением. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации и надежности автосопровождения, повышении плавности движения платформы и улучшении условий для работы пеленгаторов с накоплением сигнала. Следящая система состоит из блока наведения и стабилизации, пеленгатора, преобразователя из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатора, корректирующего устройства, преобразователя из стабилизированной в инструментальную систему координат, гироскопического датчика угла, преобразователя из инструментальной в исполнительную систему координат и имитатора гироскопического датчика угла. Один из входов коммутатора является входом системы для связи с внешними системами. Гироскопический датчик угла расположен на той же платформе, что и приемное устройство пеленгатора. 2 ил.

Следящая наблюдательная система относится к области систем слежения за подвижными объектами, в том числе с качающегося основания, она также может быть использоваться для управления воздушным движением.

Известна система сопровождения, состоящая из радиолокационной станции и устройства наведения и стабилизации ([1], стр. 132, рис. 2.26), в которой радиолокационная станция определяет положение объекта относительно оси диаграммы направленности антенны. Сигналы о положении объекта подаются на вход устройства наведения, и оно осуществляет разворот радиолокационной станции до тех пор, пока объект не окажется на оси диаграммы направленности. Отсутствие в этой системе устройств для измерения качек носителя затрудняет ее использование с качающегося основания.

Известна также радиолокационная система ([2], стр. 570, рис. 21.12), содержащая приемник, передатчик, антенный переключатель, синхронизатор, системы сопровождения по дальности и угловым координатам и систему гиростабилизации. Системы сопровождения по угловым координатам выдают на двигатели поворота антенны сигналы, пропорциональные положению объекта относительно оси диаграммы направленности антенны, и двигатели поворачивают антенну до совмещения объекта с осью диаграммы направленности. Система гиростабилизации позволяет компенсировать качки носителя.

Двигатели вместе с системой гиростабилизации образуют блок наведения и стабилизации. Приемник, передатчик, антенный переключатель, синхронизатор, системы сопровождения по угловым координатам в совокупности представляют собой пеленгатор.

Поскольку при сопровождении объекта необходим пересчет координат из стабилизированной системы в исполнительную, при том, что гидродатчики не находятся непосредственно на поворачиваемой платформе и, следовательно, величина сигнала, соответствующего качке, определяется недостаточно точно.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является оптико-электронная следящая система [3], содержащая последовательно соединенные оптико-электронный блок (ОЭБ), блок определения координат, первый преобразователь координат, коммутатор, корректирующее устройство, второй преобразователь координат, исполнительное устройство. Выход исполнительного устройства кинематически связан с оптико-электронным блоком. Второй вход коммутатора служит для управления от внешних систем. Первый преобразователь координат служит для пересчета из измерительной (инструментальной) системы координат ОЭБ в стабилизированную сферическую систему координат. Второй преобразователь координат служит для пересчета из стабилизированной сферической системы координат в нестабилизированную сферическую систему координат исполнительного устройства (ИУ). В этой системе оптико-электронный блок и блок определения координат образуют в совокупности оптико-электронный пеленгатор, а исполнительное устройство с учетом того, что управляющие сигналы содержат информацию о качках носителя, выполняет функции блока наведения и стабилизации.

В этой системе также сигнал, соответствующий качкам, определяется недостаточно точно, так как необходим пересчет координат из стабилизированной системы в исполнительную, при том, что гиродатчики не находятся непосредственно на поворачиваемой платформе.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности стабилизации и надежности автосопровождения, повышение плавности движения платформы и улучшение условий для работ пеленгаторов с накоплением сигнала.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в следящую наблюдательную систему, состоящую из последовательно соединенных блока наведения и стабилизации, пеленгатора, преобразователя из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатора и корректирующего устройства, причем второй вход коммутатора является входом связи с внешними системами, введены имитатор гироскопического датчика угла и последовательно соединенные преобразователь из стабилизированной в инструментальную систему координат, гироскопический датчик угла и преобразователь из инструментальной в исполнительную систему координат, выходом соединенный с первым входом блока наведения и стабилизации, при этом выход корректирующего устройства соединен со входом преобразователя из стабилизированной в инструментальную систему координат и со входом имитатора гироскопического датчика угла, выход которого соединен со вторым входом блока наведения и стабилизации, а второй вход - со вторым выходом блока наведения и стабилизации. Гироскопический датчик угла механически связан с пеленгатором.

Все использованные блоки и устройства являются известными или могут быть выполнены из известных блоков, соединенных известным образом.

Пеленгатор, блок наведения и стабилизации могут быть выполнены как в [3] или [2]. Преобразователь из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатор, корректирующее устройство аналогичны описанным в [3]. Преобразователи из стабилизированной в инструментальную и из инструментальной в исполнительную системы координат могут быть сделаны, как это описано в [4]. Гироскопический датчик угла (корректируемый позиционный гироскоп) может быть сделан, как это изложено в [5], стр. 401-407.

Имитатор гироскопического датчика угла (ГДУ) представляет собой устройство, моделирующее функционирование ГДУ, и может быть выполнено на аналоговой [6] или цифровой [7] элементной базе.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемой следящей наблюдательной системы для одного канала управления, а на фиг.2 - возможный вариант построения имитатора ГДУ.

Следящая система состоит из последовательно соединенных блока наведения и стабилизации (БНС) 1, пеленгатора 2, преобразователя из инструментальной в стабилизированную систему координат (ПКИнС) 3, коммутатора 4, корректирующего устройства (КУ) 5, преобразователя из стабилизированной в инструментальную систему координат (ПКСИн) 6, гироскопического датчика угла 7, преобразователя из инструментальной в исполнительную систему координат (ПКИнИс) 8, выходом соединенного с первым входом БНС 1, и имитатора гироскопического датчика угла (ИмГ) 9, первым входом соединенного с выходом КУ 5, а вторым - со вторым выходом БНС, выход же ИмГ соединен со вторым входом блока наведения и стабилизации. Гироскопический датчик угла расположен на той же платформе, что и приемное устройство пеленгатора.

Работа системы осуществляется следующим образом. После того как по сигналу от внешней системы, поступающему на второй вход коммутатора 4, пеленгатор развернут в направлении объекта с точностью, достаточной для взятия его на сопровождение, пеленгатор осуществляет его захват и начинает вырабатывать его угловые координаты относительно оптической оси или оси антенны пеленгатора. Для того чтобы исключить из сигнала составляющую от качки и уменьшить перекрестные связи между каналами, сигнал с выхода пеленгатора пересчитывают в стабилизированную систему координат, например по зависимостям (1): где δε, δβ - сигналы рассогласования в инструментальной системе координат; δε_c, δβ_c - сигналы рассогласования в стабилизированной системе координат; γ - угол скрутки инструментальной системы координат (см. [4], стр. 138).

Через коммутатор 4 полученный в ПКИнС сигнал поступает на вход корректирующего устройства 5, где проводятся такие операции над ним, чтобы, обеспечивая устойчивость системы, добиться требуемых параметров по точности и характеристикам переходных процессов (подробнее см. [8]).

Чтобы обеспечить совпадение измерительных осей ГДУ 7 с положением инструментальной системы координат, на него подается сигнал коррекции. Этот сигнал с одной стороны должен выдаваться в инструментальной СК, а с другой - этот сигнал должен соответствовать угловой скорости, так как постоянному сигналу на входе ГДУ в первом приближении соответствует прецессирование с постоянной скоростью (для малоинерционного и линейного моментного датчика коррекции ГДУ). Поэтому в преобразователе 6 из стабилизированной в инструментальную систему координат над сигналом из КУ 5 проводятся операции, позволяющие получить сигнал, пропорциональный скорости в инструментальной системе координат (2): где - сигналы управления прецессией в инструментальной системе координат; - сигналы управления прецессией в стабилизированной системе координат.

ГДУ, расположенный на три же платформе, что и приемное устройство пеленгатора, измеряет качки в той же инструментальной системе координат. Поскольку положение его измерительных осей соответствует желаемому, а не фактическому положению платформы, сигнал на выходе ГДУ 7 представляет собой ошибку наведения и стабилизации, замеренную в инструментальной системе координат. Для управления сервоприводами блока наведения и стабилизации 1 необходимо произвести соответствующий пересчет. Эта операция выполняется в ПКИнИс. Пересчет из инструментальной в исполнительную систему координат может быть осуществлен по формулам (3): где δε_н, δβ_н - ошибки наведения и стабилизации в исполнительной системе координат;
δε_г, δβ_г - ошибки наведения и стабилизации в инструментальной системе координат;
ε^н_ц - угол места платформы в исполнительной системе координат.

Полученный сигнал поступает на первый вход блока наведения и стабилизации 1, который под действием этого сигнала стремится совместить положение платформы с расположенными на ней приемным устройством пеленгатора и гироскопическим датчиком угла с положением линии визирования на объект. Таким образом осуществляется слежение за объектом.

Даже наличие только этого контура слежения уже дает преимущество по сравнению с прототипом по точности стабилизации, так как измеритель качек находится непосредственно на стабилизируемом объекте и измеряет качки в той же системе координат, в которой определяются отклонения линии визирования от положения платформы пеленгатором. Уменьшение же ошибок стабилизации уменьшает уровень динамических воздействий на следящий контур пеленгатора и повышает плавность движения платформы (под плавностью понимается скорость изменения ошибки по углу). В результате повышается точность определения координат объекта и уменьшается вероятность срыва сопровождения. Кроме того, повышение плавности движения платформы приводит к улучшению работы пеленгаторов, в которых используется накопление сигнала, так как уменьшается его ослабление из-за перемещения линии визирования относительно платформы от отсчета до отсчета (см. [9], стр. 209-212).

Однако использование системы наведения и стабилизации с корректируемым гироскопом имеет свои ограничения. Во-первых, скорость прецессии ограничена моментом, развиваемым моментным датчиком, и не может быть сколь угодно большой. Во-вторых, диапазон измеряемых углов ограничен и обычно не превышает нескольких градусов. То есть сопровождение может быть сорвано, если ошибка БНС превысит зону ограничения ГДУ или скорость движения линии визирования превысит возможную скорость прецессии даже при том, что приводы БНС 1 могут ее развивать.

В указанных случаях целесообразно использовать информацию о качках от внешней системы, например, аналогично выполненному в прототипе. Однако тогда будут иметь место две существенно различные структуры слежения за объектом, что создаст существенные трудности при смене одного режима на другой. Чтобы избежать этого, в процессе стабилизации по внешним данным необходимо создать контур аналогичный контуру слежения, когда стабилизация идет с использованием ГДУ. Для этого используется имитатор ГДУ 9 (см. фиг.2). В ИмГ выполняются следующие операции: во-первых, в модели прецессии 10 (в простейшем случае интеграторе) по сигналу с выхода корректирующего устройства определяют требуемое положение линии визирования в стабилизированной системе координат; во-вторых, в преобразователе из стабилизированной в измерительную систему координат (ПКСИс) 11 получают требуемые угловые положения поворачиваемой платформы; в-третьих, в сумматоре 12 сравнивают полученный сигнал с текущим положением платформы, получая сигнал, аналогичный тому, который в сравнимых условиях был бы получен с выхода ПКИнИс 8. Этот сигнал подается на второй вход блока наведения и стабилизации 1.

Здесь следует отметить, что при прочих равных условиях угловые скорости движения линии визирования увеличиваются по мере приближения объекта наблюдения к пеленгатору. Но одновременно с этим увеличиваются и угловые размеры объекта. А по мере роста угловых размеров и уменьшения дальности до объекта снижаются требования к ошибке наведения платформы и неплавности, так как, во-первых, увеличивается уровень сигнала от объекта, а, во-вторых, постоянному линейному отклонению точки пересечения осевой линии пеленгатора с плоскостью, перпендикулярной ей и проходящей через объект до центра объекта, соответствует арксинусоидальная от дальности зависимость отклонения линии визирования от осевой линии платформы. То есть по мере приближения объекта постоянному значению угловой ошибки будет соответствовать синусоидально по модулю) растущее значение линейного отклонения.

Очевидно, что для переключения входов управления в БНС должен иметься коммутатор, первый и второй входы которого были бы соединены с первым и вторым входами БНС, а выход - со входом исполнительного устройства БНС. Управление этим коммутатором может осуществляться от внешней системы по критериям, указанным выше (при выполнении условий нормальной работы ГДУ принимается сигнал управления с первого входа, в противном случае - со второго). Использование датчиков положения в сервоприводах также является обычной практикой. Что касается преобразователя из стабилизированной в исполнительную систему координат, он может быть реализован, например, с использованием зависимостей (4):

где ε_н, q_н - требуемые углы наведения исполнительного устройства;
ε_c, β_c - расчетное положение линии визирования в стабилизированной системе координат;
α, ψ, Θ - углы курса, тангажа и крена носителя соответственно.

Следует отметить, что углы качек носителя используются также в ПКИнС и ПКСИн для расчета угла скрутки γ, наряду со стабилизированными углами линии визирования. Поскольку использование этой информации очевидно и она может быть получена от внешней системы либо частично выработана самой следящей наблюдательной системой, подробно эти связи не описываются.

Из изложенного видно, что сопровождение объекта, в случае когда нет возможности использовать ГДУ, осуществляется с помощью контура, в который входят пеленгатор 2, преобразователь 3 из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатор 4, корректирующее устройство 5, имитатор ГДУ 9 и блок наведения и стабилизации 1. В связи с использованием в обоих контурах большого числа общих блоков, включая корректирующее устройство, при переходе из режима в режим нет необходимости вводить начальные условия во все блоки системы. Кроме того, вне зависимости от режима происходит параллельная обработка сигнала с выхода корректирующего устройства 5 гироскопическим датчиком угла совместно с преобразователем 8 из инструментальной в исполнительную систему координат и имитатором ГДУ 9. Это также позволяет уменьшить рассогласование на входах БНС при переходе из режима в режим.

Таким образом повышение точности стабилизации и повышение плавности движения приемного устройства пеленгатора обеспечивается за счет введения в состав следящей наблюдательной системы гироскопического датчика угла, механически связанного с приемным устройством пеленгатора и обеспечением коррекции положения его измерительных осей в соответствии с текущим положением линии визирования. Повышение надежности автосопровождения достигается как за счет уменьшения ошибок блока наведения и стабилизации в случае использования ГДУ и улучшения условий работы пеленгаторов, использующих накопление сигнала, в результате повышения плавности движения, так и использования дополнительного контура с привлечением информации о качках от внешней системы, но структурно аналогичного контуру с ГДУ. Дополнительно повышение надежности автосопровождения обеспечивается из-за уменьшения рассогласования на входах БНС при переходе из режима в режим как за счет использования общих блоков в разных режимах, так и за счет параллельной работы блоков, не используемых в двух контурах одновременно.

Источники информации
1. "Динамика следящих приводов". / Под ред. Л. В. Рабиновича, М., "Машиностроение", 1982 г., стр. 132, рис. 2.26, аналог.

2. "Радиолокационные устройства"./ Под ред. В.В. Григорина-Рябова, М., "Советское радио", 1970 г., стр. 570, рис. 21.12, аналог.

3. Патент Российской федерации 2168753, МПК⁷ G 05 D 3/12, 2000 г., прототип.

4. Ривкин С.С. "Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании", М., "Наука", 1978 г.

5. Магнус К. "Гироскоп. Теория и применение", М., "Мир", 1974 г., стр. 401-407.

6. Титце У., Шенк К. "Полупроводниковая схемотехника", М., "Мир", 1982 г.

7. Франк Т. С. "РДР-11 архитектура и программирование", М., "Радио и связь", 1986 г.

8. Бесекерский В.А., Попов Е.П. "Теория систем автоматического регулирования", М., "Наука", 1973 г.

9. Грязин Г.Н. "Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения", Л. , "Машиностроение", Ленинградское отд-е, 1988, стр. 209-212.

Формула изобретения

Следящая наблюдательная система, состоящая из последовательно соединенных блока наведения и стабилизации, пеленгатора, преобразователя из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатора и корректирующего устройства, причем второй вход коммутатора является входом системы, предназначенным для связи с внешними системами, отличающаяся тем, что в ее состав введены имитатор гироскопического датчика угла и последовательно соединенные преобразователь из стабилизированной в инструментальную систему координат, гироскопический датчик угла и преобразователь из инструментальной в исполнительную систему координат, выходом соединенный с первым входом блока наведения и стабилизации, при этом выход корректирующего устройства соединен со входом преобразователя из стабилизированной в инструментальную систему координат и со входом имитатора гироскопического датчика угла, выход которого соединен со вторым входом блока наведения и стабилизации, второй его вход соединен со вторым выходом блока наведения и стабилизации, а гироскопический датчик угла механически связан с пеленгатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2