Анализ применения гироскопов в самоходных РЛС обнаружения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. 

Том 11. Вып. 3. 2012.

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ГИРОСКОПОВ В САМОХОДНЫХ РЛС ОБНАРУЖЕНИЯ

Суханов В.В., Жендарёв М.В.

Аннотация

В настоящее время возможно объединение функций измерения углов рассогласования между плоскостями горизонта и самохода, на котором установлена обзорная РЛС, в интересах систем стабилизации и навигации в одном гироскопе, вместо двух дублирующих друг друга. В статье рассмотрены вопросы работы гироскопов систем стабилизации и инерциальной навигации.

Ключевые слова: гироскоп, система стабилизации, система навигации.

Annotation

ANALYSIS OF USE GYROSCOPES TO ASSAULT RADAR DETECTION

Suhanov V. V., Zhendarev M. V.

It is now possible to share functionality angle measurement error between the planes of the horizon and the self-propelled, on which the surveillance radar, in the interest of stabilization and navigation in a single gyro, instead of two overlapping each other. The article deals with questions of the gyro stabilization and inertial navigation.

Key words: gyro, stabilization system, navigation system.

В РЛС комплексов военного назначения, решающих задачу обнаружения, как в движении, так и на месте, для удержания в пространстве вертикальной оси вращения антенны перпендикулярно плоскости горизонта, и как следствие, максимума диаграммы направленности антенны (ДНА), предназначена система стабилизации. Необходимость этого связана с быстро изменяющимся углом между плоскостью самохода и плоскостью горизонта. Жёсткая связь оси вращения антенны с шасси, на котором установлена антенна, приведёт к пропорциональному изменению угла между максимумом ДНА и плоскостью горизонта. Для решения задачи стабилизации исполнительные устройства должны постоянно отрабатывать рассогласования между плоскостями самохода и горизонта.

Целью статьи является анализ работы гироскопов систем стабилизации и инерциальной навигации.

Сначала рассмотрим основные достоинства и недостатки, присущие гироскопам как элементам систем инерциальной навигации.

Достоинства: прежде всего автономность, так как на их работе не сказываются погодные условия; системы инерциальной навигации не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность (не генерируют электромагнитного излучения, выдающего собственное присутствие). самоход радиолокационный станция навигация

Недостатки: их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, в частности горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат (но только не в том случае, когда объект находится на Южном или Северном полюсе; в этом случае направление вертикали коллинеарно оси земного вращения и система не может определить азимут). Процесс выставки занимает несколько минут. Общее правило таково, что чем меньше время выставки, тем ниже чувствительность и точность системы.

Так же большим недостатком систем инерциальной навигации с гироскопами является то, что их ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. Кроме того, из-за многочисленных малых погрешностей измерения амплитуда этих колебаний со временем увеличивается. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления всей системы инерциальной навигации, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок.

Если накопленная ошибка становится слишком большой, её можно корректировать с помощью внешних вспомогательных средств. Тогда система становится неавтономной. К таким внешним навигационным средствам относятся доплеровские радиолокационные станции, системы астроориентации, радиолокационные средства определения местоположения.

Для оптимального использования данных, поступающих от внешних вспомогательных средств, нужно, чтобы тщательно учитывались характеристики и погрешности этих и бортовых навигационных средств. Оптимальное объединение данных разных источников обеспечивает «обобщенный фильтр Калмана», названный по имени американского математика венгерского происхождения Ф.Калмана, опубликовавшего в 1961 году свой метод фильтрации. Эта вычислительная процедура представляет собой алгоритм, допускающий компьютерную реализацию. Он применяется почти во всех инерциальных навигационных системах.

Однако, в автономных самоходных радиолокационных средствах обзора воздушного пространства распространение получили системы инерциальной навигации с гироскопами, использующими ручную корректировку накапливаемых со временем ошибок. Это связано с простотой реализации. Кроме того, получили распространение гироскопы с комбинированной коррекцией: автоматической - одной или двух осей (внутренней и внешней рамок) при резком появлении угла рассогласования между плоскостью самохода и плоскостью горизонта и ручная коррекция слишком большой накопленной ошибки. Рассмотрим работу указанных гироскопов в составе системы стабилизации оси вращения антенны в плоскости горизонта.

Исходными данными для отработки углов наклона максимума ДНА в плоскости горизонта являются:

курсовой угол самохода или угол в горизонтальной плоскости между продольной осью самохода и направлением на север, если станция размещена на самоходном шасси;

углы наклона самохода в продольной и поперечной плоскостях относительно плоскости горизонта;

угол наклона оси вращения обзорной антенны относительно плоскости самохода в продольной и поперечной плоскостях.

Датчиком указанных выше рассогласований выступает трёхстепенной астатический гироскоп с вертикальным расположением оси кинетического момента (рис.1) и устройством горизонтальной коррекции. Съём электрических сигналов, пропорциональных синусу и косинусу углов наклона относительно двух взаимно перпендикулярных осей («корма-нос» и «правый борт-левый борт»), производится с соответствующих синусно-косинусных трансформаторов.

При отклонении вертикальной оси гироскопа системы стабилизации антенны от действительной вертикали, предусмотрена коррекция оси гироскопа. Работа системы коррекции заключается в следующем. С контактов жидкостного маятникового датчика, например внешней рамки гироскопа, снимается электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения, который после усиления подаётся на обмотку коррекционного мотора. Этот мотор создаёт момент, под действием которого гироскоп прецессирует в сторону уменьшения угла отклонения до положения нулевого сигнала с жидкостного маятникового датчика. Аналогично действует система коррекции при отклонении относительно оси внутренней рамки. Таким образом, при движении самохода, на котором размещена РЛС обзора воздушного пространства, постоянно производится коррекция оси гироскопа в плоскости горизонта.

Рисунок 1.

Для решения задачи определения собственного положения самоходной РЛС в топографической системе координат используется аппаратура навигации. Кроме того, аппаратура навигации вырабатывает сигнал об изменении угла в плоскости горизонта между направлением на север и продольной осью самохода при движении в условиях среднепересечённой местности. Датчиком указанных выше рассогласований в состав аппаратуры навигации входит трёхстепенной гироскоп, выполняющий функции гирокурсоуказателя.

Рисунок 2.

Чтобы трёхстепенной гироскоп мог выполнять функции гирокурсоуказателя, необходимо, чтобы ось вращения ротора гироскопа лежала в плоскости горизонта (на рис.2 плоскость XOY) и сохраняла неизменным своё положение в этой плоскости относительно земных ориентиров. Для этой цели в гироскопе навигационной системы применены системы горизонтальной и азимутальной коррекции. Работа системы коррекции в гироскопе навигационной системы аналогична описанной выше для гироскопа системы стабилизации оси вращения антенны в плоскости горизонта.

Таким образом, в состав аппаратуры самоходной РЛС обзора должны входить минимум два трёхстепенных гироскопа. Они решают похожие задачи в интересах разных систем.

С появлением возможности ориентирования станции при помощи спутникового навигационного оборудования улучшаются ряд характеристик. Некоторыми из них являются: ускорение процесса подготовки РЛС к работе, более высокая точность определения текущих координат и угла в плоскости горизонта между направлением на север и продольной осью самохода, значительно увеличивается время автономной работы за счёт меньшего энергопотребления и др. Кроме того, это позволяет получить большую скорость стабилизации диаграммы направленности антенны, используя возможности антенн с электрическим сканированием по сравнению с механическим.

До введения в состав современных РЛС приёмников спутниковой навигации систем Глонасс и Navstar такая необходимость объяснялась требованием раздельного включения указанных выше систем стабилизации и навигации. Причём к системе навигации предъявлялось требование обеспечения автономным источником энергоснабжения. Характерно, что питание гироскопов для этих систем осуществляется от одного источника трёхфазного напряжения, как правило, автономного преобразователя тока «постоянный ток (от бортсети) - трёхфазный переменный ток 36 В частотой 400 Гц».

В настоящее время, когда спутниковая навигационная система играет доминирующую роль, а гироскопическая - дублирующую, отпадает необходимость в автономном энергоснабжении для системы навигации.

Анализ технических характеристик гироскопов систем стабилизации и навигации в самоходных РЛС обзора позволяет сделать вывод о том, что абсолютная предельная погрешность определения углов рассогласования у них различна. Однако, в гироскопах систем навигации эта характеристика лучше. Это в свою очередь позволяет сделать вывод о возможности использования, для решения задачи стабилизации оси вращения антенны в плоскости горизонта, сигналы, подаваемые на обмотки коррекционных моторов внутренней и наружной рамок гироскопа системы навигации.

Литература

1. Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теории гироскопов. М., Издательство Московского университета. 1983. 248 с.

Размещено на Allbest.ru