Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Список принятых сокращений

Введение

1. Обоснование необходимости автоматизации процесса поддержания дистанции между танками на марше

1.1 Анализ параметров процесса движения танков в колонне, отрицательно влияющих на выполнение основных задач марша

1.2 Анализ возможных технических средств реализации задачи измерения дальности до лидирующего танка при движении танковой колонны

1.3 Физические принципы построения радиолокационного измерителя дальности

1.4 Расчет параметров радиолокационной станции

2. Разработка варианта системы автоматического поддержания дистанции между танками на марше

2.1 Разработка функциональной схемы и принцип действия САПД ТМ

2.2 Разработка функциональной схемы и принцип действия приёмно-передающего блока

2.3 Разработка функциональной схемы и принцип действия блока определения и отображения информации

2.4 Разработка функциональной схемы и принцип действия блока обработки параметров

2.5 Разработка принципиальной схемы, расчет ее элементов и принцип действия блока стабилизации напряжения

3. Разработка предложений по совершенствованию САПД ТМ

3.1 Особенности эксплуатации радиолокационных датчиков измерения дистанции

3.2 Предложения по совершенствованию САПД ТМ

4. Военно-техническое обоснование проекта

4.1 Повышение боевой эффективности

4.2 Оценка качества работы системы

Заключение

Список используемой литературы

Приложение



Список принятых сокращений

САПД ТМ - система автоматического поддержания дистанций между танками на марше,

РЛС - радиолокационная станция, система

УЗ - ультразвук,

ТВС - телевизионная система,

ППБ - приёмо-передающий блок,

БООД - блок определения и отображения дальности,

БСИД - блок счёта импульсов дистанции, ерунда

БОП - блок обработки параметров,

ИБ - исполнительный блок,

БСН - блок стабилизации напряжения,

ИУ - индикаторное устройство,

ПУ - пороговое устройство,

ПК - преобразователь кода,

Д изм - измеренная дальность,

Д опт - оптимальная дальность,

УПЧ - усилитель промежуточной частоты,

СТН - стабилизатор напряжения,

ИЦ - исполнительный цилиндр,

ЭПК - электропневмоклапан,

АБ - аккумуляторные батареи,

БСР - блок силовых реле.



Введение

Вся история военного искусства представляет собой непрерывный процесс развития средств и способов ведения войны. Изменялось и совершенствовалось оружие и другая военная техника, а в связи с этим изменялись и способы ведения войны. Развитие способов ведения боевых действий сопровождалось увеличением пространственных размеров поля боя, сражения и войны в целом.

Если проследить за процессом изменения пространственных размеров боевых действий, то можно найти определённую закономерность, которая заключается в следующем: размеры поля боя, сражения и всей войны возрастали пропорционально увеличению мощности и дальнобойности вооружения и повышению манёвренных возможностей вооружённых сил.

До 19-го века включительно войны ограничивались той территорией, на которой непосредственно велись боевые действия. Площадь, на которой велось сражение, хорошо обозревалась с одного командного пункта.

Процесс увеличения пространственного размаха боёв и операций (в первую и вторую мировую войны) сопровождался изменением масштабов войск.

Чем больше становился район боевых действий, тем чаще возникала потребность в совершении тактического и оперативного манёвров в интересах достижения победы над врагом. Одновременно с этим увеличились роль и значение передвижений войск и глубины манёвра. Достижение успеха в любом бою и операции всё больше зависело от быстроты манёвра войск. Уже в ходе минувшей войны танковым войскам очень часто приходилось перемещаться как на поле сражений, так и за пределами районов боевых действий. Эти передвижения составили примерно 60% времени всех боевых действий.

В ближайшем будущем роль передвижений ещё больше повысится. Высокоманевренный характер боевых действий, возможность массовых потерь и необходимость быстрого наращивания усилий войск первого эшелона, возросшие возможности противника по нарушению перевозок войск железнодорожным транспортом, а также увеличение маршевых возможностей танковых войск, всё это может явиться причиной того, что большая часть деятельности танковых войск будет заключаться в передвижении в походных построениях. Кроме того условия передвижения будут несравненно сложнее. Войска и коммуникации на любом удалении от фронта могут подвергнуться воздействию средств ядерного нападения, авиации, воздушных десантов и т. д., поэтому любой марш даже за пределами района боевых действий становится сложной боевой задачей. Нельзя не учитывать, что передвижения танковых войск могут совершаться в любое время года, днём и ночью, при любой погоде, на различной местности, часто без дорог, что резко увеличивает возможность допущения ошибки механиком-водителем вследствие физической усталости, психического «истощения».

Таким образом, актуальная задача повышения маршевых возможностей (а как следствие - повышения качества выполнения боевой задачи) может быть частично решена за счёт максимального облегчения труда механика-водителя. Данная задача решается путём автоматизации процессов управления танка, т. е. создания систем, дублирующих действия механика-водителя.

Одна из таких систем - система автоматического поддержания дистанций между танками на марше (САПД ТМ) представлена в данном дипломном проекте.

В первой главе проекта дано обоснование необходимости автоматизации поддержания дистанций между танками на марше. В данной главе приведён анализ основных параметров процесса движения танка в колонне, отрицательно влияющих на выполнение задач марша. На основе анализа возможных технических решений по реализации задачи поддержания дистанции выделено самое рациональное и раскрыты физические принципы его функционирования.

Во второй главе проекта произведена реализация идеи радиолокационной САПД ТМ на уровне структурных схем, как самой системы, так и её составных частей. Разработана функциональная схема системы и описаны режимы её работы.

В третьей главе дипломного проекта даны особенности эксплуатации радиолокационных датчиков измерения дистанции, выявлены их основные недостатки, а также рассмотрены способы устранения этих недостатков. В процессе работы показана возможность создания более современных и перспективных систем автоматизации движения танка на основе принципов заложенных в данной системе; краткое описание которых представлено в последнем разделе третьей главы.

В четвертой главе дано военно-техническое обоснование разработанной системы, произведена оценка рациональности использования САПД ТМ

.

1. Обоснование необходимости автоматизации процесса поддержания дистанции между танками на марше

Танковые подразделения являются основной ударной силой Сухопутных войск. К ним предъявляются требования по поддержанию постоянной боевой готовности, по эффективному выполнению поставленной задачи при любых погодных условиях, в любое время года и суток, в любой тактической обстановке за счёт постоянного и чёткого взаимодействия, широкого применения манёвра подразделениями и огнём.

Повышение эффективности боевого применения танков в значительной степени обусловлено улучшением качественных характеристик систем, обеспечивающих маршевые возможности подразделения. Основные усилия при разработке таких систем должны быть направлены на увеличение средней скорости движения колонны, на уменьшение времени выхода в заданный район, уменьшение вероятности столкновений, снижение потерь из-за технических отказов и неисправностей аппаратуры, систем и агрегатов танка, обеспечения возможностей движения в любых метеоусловиях, днём и ночью, сохранения работоспособности механика-водителя для быстрого развёртывания подразделений, уменьшение влияния уровня подготовки механика-водителя и вступления в бой с ходу.

Результаты исследований показывают ограниченные возможности человека в определении условий и правильном выборе режима движения в колонне танков. Применение специальных приборов, позволяющих получить быструю информацию об изменениях условий движения впереди идущей машины, позволит существенно сократить время, точнее определить расстояние, правильно выбрать безопасный режим движения, повысив тем самым среднюю скорость марша.

Одним из путей решения этих задач является автоматизация процессов управления движением, использования датчиков входной информации, способных работать в любых дорожных условиях, вычислительных, преобразующих и согласующих устройств, средств отображения информации, которые образуют информационно-управляющую систему (ИУС). ИУС принято называть совокупность устройств, обеспечивающих преобразование информации с момента её получения до выработки управляющих сигналов (команд). В совокупности с другими радиоэлектронными устройствами ИУС должны стать посредниками между внешними дорожными условиями и механиком-водителем, причём не только в части исполнительных функций, увеличивающих реакцию машины на возникающие препятствия, усиления и разнообразия её сенсорных свойств, но и в части её интеллектуальных способностей за счёт применения искусственного интеллекта, обеспечивающего помощь человеку в принятии логических решений вплоть до автоматического управления колонной танков.

Основной задачей марша является своевременное прибытие в назначенный район с заданной степенью боевой готовности. Своевременность и боевая готовность задаются исходя из маршевых возможностей подразделения, которые, в свою очередь, в значительной степени зависят от приспособленности системы управления танком для движения в колонне. Степень приспособленности системы управления движением танка в колонне определяется такими обобщёнными показателями, как средняя скорость движения подразделения на марше (без учёта времени на привалы) или величиной суточного перехода, а также количеством боевых машин, завершивших марш с сохранением всех своих боевых возможностей.

1.1 Анализ параметров движения танков в колонне, отрицательно влияющих на выполнение основной задачи марша

Далее покажем какие условия совершения марша отрицательно влияют на выполнение основной задачи марша, но вместе с тем могут быть учтены и сведены к минимуму при применении автоматической системы управлением движения колонны танков:

Погодно-климатические условия совершения марша характеризуют состояние воздушной среды и её изменение связанное с природными явлениями. С одной стороны метеорологические факторы оказывают положительный эффект, обеспечивая скрытное передвижение колонны, с другой стороны, под действием метеорологических факторов могут измениться условия правильного восприятия местности, в частности дороги, сама дорожная обстановка. Характерной особенностью неблагоприятных факторов погодно-климатических условий для движения танков является их вероятностный характер. При этом возможно сочетание неблагоприятных факторов, в значительной степени ограничивающих движение танка в колонне.

Наибольшее влияние на движение танка в колонне оказывают осадки в виде дождя и снега, а также туман, запыление или задымление воздуха. При использовании оптических средств наблюдения механика-водителя это ведёт к сокращению информационного поля танка, затрудняется восприятие информации, необходимой для управления движением. При использовании других систем, например радиолокационных - влияние неблагоприятных погодных факторов изменяются, и в ряде случаев становится несущественным. Это определяет целесообразность использования специальных и комбинированных сенсорных датчиков в условиях плохой видимости.

Дорожные условия - это совокупность геометрических характеристик и транспортно-эксплуатационных свойств несущего основания (дороги, местности) непосредственно влияющих на возможности и параметры движения колонны. Основными геометрическими характеристиками несущего основания являются: продольный и поперечный профиль трасс, длина их прямых и криволинейных участков. Геометрические характеристики трасс определяют возможные положения боевых машин в процессе движения колонны. Для дорог общего назначения характеристики трасс регламентированы нормами проектирования, предусматривающими в зависимости от категории дорог определённые ограничения продольно-поперечных участков, минимальных размеров поворота, минимальной ширины проезжей части, ширины обочины и т.д. Так, например, максимальная расчётная скорость на дорогах различной категории колеблется от 60 до 150 км/ч, расчётная скорость на пересечённой местности - от 40 до 120 км/ч, в горной местности - от 30 до 80 км/ч. Ширина дорог изменяется от 4,5 до 15 метров, наименьшие радиусы поворотов - от 125 до 1000 метров, наибольшие продольные уклоны - от 70 до 30 процентов. Геометрическая дальность видения поверхности дороги изменяется от 75 до 250 метров.

Скорость движения подразделений зависит от выучки и физической закалки личного состава, от возможностей и умения командиров вести колонну, технического состояния машин, состояния маршрутов, погоды, времени года и суток, а также от организации и обеспечения марша. Эту зависимость можно практически свести к нулю в процессе совершения марша, используя сервопневматические приводы, обладающие высокой степенью реагирования.

Условия дорожной обстановки - это совокупность параметров, характеризующих наличие и состояние местных предметов, элементов обустройства дороги и других участков движения, способных повлиять на управление движением танка в колонне и колонны в целом. Дорожная обстановка воспринимается в зоне информационного поля приборов наблюдения механика-водителя. Размеры информационного поля должны ограничиваться дорожными условиями и дорожной обстановкой. Минимально-необходимая дальность видимости дороги (из соображения безопасности) при различных скоростях приведена в таблице 1.1.



Таблица 1.1 - Минимально необходимая дальность видимости дороги, м

Состояние дороги	Скорость движения, км/ч.
	20	40	60	80
Асфальтобетон сухой (ц =0,8) Асфальтобетон влажный (ц =0,4) Грунтовая дорога сухая (ц=0,6)	16 18 17	25 29 27	38 44 41	46 54 50

При применении технических средств управления с большим быстродействием - фактическая дальность видимости может быть значительно меньше, чем указано в таблице 1.1.

Чем меньше влияние этих факторов, тем лучше организована система выше степень её приспособленности.

На примере движения одиночной колонны покажем поддержание каких параметров движения должно быть возложено на автоматическую систему управления движением танков в колонне.

Подразделение совершает марш одной колонной в составе главных сил части или самостоятельно, находясь в передовом отряде или авангарде при дистанции между машинами 25 - 50 метров. Походный порядок подразделения, особенно при совершении марша в преддверии вступления в бой, должен обеспечивать наименьшую уязвимость от поражения ядерным оружием, ВТО, ударов авиации, быстроту развёртывания в боевой порядок, возможность свободного маневрирования при развёртывании. В этом случае дистанции между машинами могут быть 100 - 150 метров.

В идеале, средняя скорость движения колонны должна быть равна средней технической скорости движения одиночной машины в данных дорожных условиях.

Система управления, обеспечивающая такую скорость движения, при условии сохранения боеспособности подразделения, может быть признана идеальной. Средняя техническая скорость движения современных боевых машин достигает по грунтовой дороге 35 - 45 км/ч, по шоссе - 45 - 60 км/ч. Однако, опыт маршевой подготовки войск показывает, что средняя скорость движения колонны на 25 - 30 процентов ниже среднетехнической скорости одиночной машины [1]. Это объясняется тем, что при движении в колонне увеличивается время преодоления препятствий, возрастает неравномерность движения, снижается эффективность вождения машины механиком-водителем высокой квалификации. Общее число препятствий и промежутков времени между ними характеризуются средней протяжённостью беспрепятственного пробега, средним числом препятствий на 1 километр пути или вероятностью встречи препятствий при движении колонны. Движение танка в колонне можно также рассматривать как встречу с обобщённым препятствием. Характеристикой танка, в этом случае, помимо естественной скорости и направления движения, является и относительное направление движения колонны, состав колонны, дистанция между машинами.

При отсутствии препятствий, дистанции между машинами изменяются пропорционально скорости движения машин в колонне и в этом случае практически не отличаются от свободного движения одиночной машины. Когда же на маршруте встречаются препятствия, профиль рельефа трассы становится сложным или появляются участки местности с плохим сцеплением - ритмичное движение танков в колонне, а следовательно и самой колонны нарушается. Кроме того, средняя скорость зависит от допустимого времени реакции механика-водителя. Психофизиологические исследования показывают, что время реакции человека после 2 - 4 часов непрерывной работы достигает значения 0,5 - 1 секунды.

В условиях тумана, пыли, дождя и при расстоянии между машинами до 5 метров, механик-водитель успевает получить информацию о впереди идущем танке и принять меры для безопасного движения только в том случае если скорость движения машины меньше 18 км/ч [1].

Командир подразделения (батальона), находясь в танке впереди колонны, имеет возможность оперативного управления подчинёнными по радиоканалу только в случае непосредственного столкновения с противником или угрозе воздушного нападения, в процессе же совершения марша информацию о состоянии машин подразделения, их местонахождение в колонне, о количестве отставших машин и т.д., командир может получить посредством приборов наблюдения или по радио (что не всегда надёжно), находящихся на рабочем месте. Это приводит к необходимости ограничения максимальной дистанции между машинами и, как следствие, длины колонны. Проанализировав эту информацию, делаем вывод: основные параметры движения колонны танков, поддержание которых должно стать основной функцией автоматической системы управления движением, являются - максимальная скорость движения машин в колонне (для данных условий местности) при постоянной (минимальной) величине дистанции между танками. Другими словами подобная автоматическая система является системой автоматического поддержания дистанции между танками на марше (САПД ТМ).

Таким образом, при выполнении задачи марша в указанных выше условиях, современные системы управления движением колонны танков, в том числе и экипаж, как элемент этой системы, сталкивается с различного рода противоречиями, основными из которых являются противоречия:

1) между необходимостью движения машин с максимальной скоростью, определяемой их потенциальными возможностями, и необходимостью сокращения, при этом, длины колонны и дистанций между машинами с целью быстрого развёртывания и вступления в бой с ходу, а также с целью оперативного управления колонной сигнальными средствами и уменьшением времени преодоления препятствий;

2) между необходимостью уменьшения длины колонны и увеличивающейся, при этом, вероятностью поражения от ВТО и авиации противника. При угрозе воздушного нападения дистанция между машинами должна быть увеличена до 100 - 150 метров;

3) между необходимостью увеличения длины суточного перехода и сохранением работоспособности экипажа (необходимостью выделения времени на отдых).

Одним из путей разрешения этих противоречий является автоматизация процесса управления колонной танков на марше, создание информационно-управляющей системы движения колонны танков.

Основной принцип реализации проектирования такой системы, как было указано выше, есть автоматизация поддержания дистанции между танками на марше.

Это вызывает необходимость постоянного измерения дальности до лидирующего (впереди идущего) танка. Далее, для примера, будем рассматривать систему ведущий (лидирующий) - ведомый (отстающий) танк, как основное звено, составляющее структуру колонны.

1.2 Анализ возможных технических средств реализации задачи измерения дальности до лидирующего объекта

Для проведения сопоставительного анализа технических средств измерения дальности до лидирующего объекта проведём их классификацию по типу физического поля передачи данных (рисунок 1.1):

- ультразвуковой;

- магнитный;

- оптический;

- акустический;

- лазерный;

- электростатический;

- радиолокационный;

- механический;

- телевизионный;

Многие из перечисленных физических способов передачи данных используются только в специальных областях и для решения нашей задачи непригодны. Поэтому рассмотрим наиболее распространённые способы определения дальности.

Телевизионный измеритель дальности - совокупность оптических, радиоэлектронных и оптоэлектронных устройств, служащих для восприятия, передачи на расстояние и воспроизведения визуальной информации. Принцип действия телевизионных измерителей основан на способности некоторых материалов изменять свои свойства под действием лучистой энергии, при воздействии электрического или магнитного поля. В системах управления движением объекта, телевизионные измерители используются в качестве бортовых средств наблюдения, датчиков информации о дорожных препятствиях или как внешние наблюдательные устройства. Телевизионные измерители находят всё большее применение на подвижных объектах: это, например, разработка малогабаритной телевизионной установки (МТУ), одним из назначений которой является осмотр непосредственно прилегающей к маршруту движения танка дорожной поверхности или использование телевизионных систем в качестве внешних измерителей скорости движения подвижных объектов и т.д. Наряду с наблюдением местности, телевизионные системы (ТВС) позволяют измерять дальность и угловые координаты объектов. Измерение дальности с помощью телевизионных систем может осуществляться практически теми же методами, что и в оптических системах. Так, например, японская фирма NISSAN разработала систему интеллектуального круиз-контроля Intelligent Cruise Control (рисунок 1.2). Она автоматически поддерживает заданную дистанцию до впереди идущего объекта или скорость, которая была задана изначально.



Система предназначена для облегчения управления при следовании за лидером, который движется в том же направлении, что и мы. В состав системы входит датчик дистанции, который обнаруживает впереди идущий объект. Датчик размещён спереди ведомой машины. В основном, он реагирует на сигнал от световозвращателей лидера. Если датчик дистанции обнаруживает впереди объект, движущийся медленнее, чем сам ведомый, то система адаптивного контроля снизит скорость и будет поддерживать заданную дистанцию до лидера. Так же система адаптивного контроля управляет подачей топлива в двигатель и при необходимости может включать тормозную систему (до 25% максимальной эффективности торможения).

Рисунок 1.2 - Работа системы поддержания безопасной дистанции (Adaptive Cruise Control - ACC)

Дальность действия датчика дистанции составляет около 120 метров, однако рабочая зона датчика ограничена. Для того чтобы система ICC могла поддерживать заданную дистанцию и регулировать скорость, идущий впереди объект должен находиться в рабочей зоне датчика.

Если ведущий танк резко затормозит, то дистанция до него уменьшится также резко, но система ICC будет не в состоянии замедлить ведомый танк с достаточной интенсивностью. В этом случае включится звуковой сигнализатор, и начнут мигать соответствующие сигнализаторы на дисплее. Это предусмотрено, для того чтобы предупредить о необходимости предпринять экстренные действия.

Но на фоне всех этих положительных качеств, система имеет ряд существенных недоработок и недостатков, а именно:

1) автоматический контроль ICC предназначен только для облегчения управления и не выполняет функции предупреждения столкновения;

2) система ICC не может автоматически адаптироваться к дорожным условиям;

3) адаптивный контроль не остановит автоматически ведомого, на котором он установлен, в случае остановки впереди идущего;

4) система ICC не снижает скорость и не предупреждает механика-водителя о приближении к стоящим или медленно движущимся объектам;

5) система не эффективна:

- на дорогах с закруглением малого радиуса;

- при движении в ненастную погоду (проливной дождь, густой туман, обильный снегопад и т.д.);

- если впереди находится яркий источник света (движение на закат или восход солнца);

- при движении по участкам трассы с часто повторяющимися подъёмами и спусками;

6) система ICC будет не в состоянии поддерживать заданную дистанцию, если датчик не обнаруживает сигнал от световозвращателей. Это возможно при следующих условиях:

- если снег или грязь покрывают корпус датчика дистанции;

- световозвращатели покрыты снегом или забрызганы грязью;

- световозвращатели на впереди идущем объекте отсутствуют, повреждены или чем-то загорожены.

Кроме того, на функционирование датчика влияет маневрирование, холмистость местности и извилистость дороги. Так при входе в поворот или при выходе из закругления датчик может временно не обнаруживать лидера, движущегося впереди, или, наоборот, в рабочую зону датчика системы ICC могут попадать другие объекты, движущиеся параллельно. В таких случаях система ICC может автоматически увеличивать или уменьшать скорость, что крайне не желательно.

Наиболее распространённым способом дальнометрирования является триангуляционный метод, при котором при известной базе - расстоянии между телекамерами определяется направление осей визирования удалённого предмета. Искомая дальность является высотой треугольника, одной из сторон которого является база, а прилежащие к ней углы осями визирования. Другим также распространённым способом является метод измерения дальности путём изменения резкости перефокусирования объектива.

В стандартных ТВС дальность до известных по размерам объектов (боевая техника, человек и т.д.), может определяться путём сравнения видимых и эталонных размеров элементов изображения (кстати, различных по высоте экрана).

К недостаткам данного способа определения дальности можно отнести следующие моменты:

- относительная сложность обработки телевизионных изображений,

обладающих большой информативностью (свыше 10Е6 бит);

- противоречие между возможностями обеспечения достаточных углов зрения и дальностью видения ТВС, т.е. при увеличении углов поля зрения и неизменной чёткости изображения неизбежно будет уменьшаться дальность видения ТВС и, соответственно, ограничиваться максимальные скорости по условиям безопасности движения:

, (1.1)



где, k - коэффициент, учитывающий эксплуатационные свойства АТС и условия их движения.

Ультразвуковые измерители - в отличие от радиолокационных и лазерных измерителей, использующих электромагнитные волны, ультразвуковые устройства создают упругие колебания среды. Ультразвук (УЗ) представляет собой упругие колебания с частотой ѓ, превышающей 15 - 20 КГц. Диапазон частот УЗ делится на три поддиапазона:

- низкий 15 - 100 КГц,

- средний 100 - 10 МГц,

- высокий 10 - 10³ МГц.

Упругие колебания с частотой 10³ - 10⁷ МГц, называемые гиперзвуком, практически не распространяются в газах и жидкостях. Широкое применение ультразвук получил в гидролокации, обеспечивая обнаружение и определение координат объектов расположенных в воде. Ультразвуковые колебания применяются в технологических, научных целях, медицине. Принцип измерения дальности ультразвуковыми измерителями производится по времени запаздывания отражённого сигнала, для чего могут использоваться как импульсные, так и непрерывные УЗ - сигналы. Наибольшее применение получили импульсные сигналы.

При импульсном методе измерения дальности генератор, генерирующий при этом электрические колебания УЗ - частот. Эти колебания воздействуют на электроакустический излучатель (преобразователь). В воздушной среде используют пьезоэлектрические, электродинамические и другие излучатели. Электрические импульсы с выхода преобразователя усиливаются и поступают на измеритель дальности. При выборе частоты УЗ возникает противоречие: с ростом частоты увеличивается затухание и снижается величина генерируемой мощности, с уменьшением частоты невозможно сформировать узкую ДН и короткие импульсы. Разработанные ультразвуковые системы, работающие в воздушной среде, генерируют колебания на частотах от 30 до 200 КГц, излучают импульсы длительностью в десятки миллисекунд, что обеспечивает разрешающую способность по дальности, равную всего нескольким метрам.

При реальных величинах мощности излучения и чувствительности приёмных преобразователей - дальность действия известных активных ультразвуковых измерителей дальности в воздушной среде не превышает 15 - 30 метров, что ограничивает области их применения.

Ультразвук, распространяясь в воздухе, быстро затухает, что вызвано поглощением и рассеянием на неоднородностях (каплях жидкости). Величина затухания зависит от частоты ѓ, а также от давления и влажности воздуха. Затухание УЗ с ростом частоты увеличивается примерно по квадратичной зависимости, что ограничивает возможности применения в воздушной среде верхней части среднего и высокого поддиапазона ультразвуковых частот.

Скорость распространения ультразвука в воздухе, в отличие от электромагнитных колебаний, в значительной степени зависит от состояния атмосферы, влажности и температуры. Так, при изменении температуры на один градус относительное изменение скорости составляет 0,17 %. Значительное влияние на скорость ультразвука оказывают гидрометеоры (дождь, снег, туман).

Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом.

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны становилось все труднее и труднее, а затем вовсе и зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым проводится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект(пеленг цели). Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение. Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1.5, при использовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны. Угловой раствор луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0 . 1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем. Следовательно габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе используется соотношение: L = ct/2, где L - расстояние до объекта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно. Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный фазовый или фазоимпульсный. Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Погрешность такого метода измерения 30см. Зарубежные специалисты считают, что для решения ряда практических задач (что соответствует и нашей задаче) это вполне достаточно. При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.

Лазерные измерители - работают в оптическом диапазоне частот от 3•10№і до 10¹⁵ Гц. Достоинством лазерных измерителей - является более высокая разрешающая способность, чем у радиолокационных. Меньшая длина волны позволяет при малых размерах антенны получить узкие ДН и формировать короткие импульсы (до 10П№І с.). Основным недостатком лазерных измерителей для данной автоматической системы САПД ТМ является опасность загрязнения оптической части лазерного измерителя, что может свести все преимущества данного способа к нулю.

Радиолокационные измерители - впервые разработанные в тридцатых годах, нашли широкое применение для обнаружения, определения параметров и координат движения наземных, воздушных, космических и подводных объектов.

В радиолокации применяются сверхвысокочастотные колебания (СВЧ), находящиеся в диапазоне 50 - 40000 Гц. Что связано со следующими их свойствами:

- постоянством скорости и прямолинейностью их распространения;

- возможностью при ограниченных размерах антенны создавать узкие лучи;

- значительным отражением от реальных объектов;

- относительно простым конструкторским исполнением.

Таким образом, в результате анализа решений по реализации задачи поддержания дистанции и учитывая условия совершения марша, можно сделать вывод, что наиболее рациональным, отвечающим основным требованиям к САПД ТМ следует считать способ использования радиолокационного измерителя дистанции.

1.3 Физические принципы построения радиолокационного измерителя дистанции

РЛС - это радиоэлектронное устройство, предназначенное для обнаружения объектов в пространстве, измерения их координат, дальности до них и других характеристик. РЛС излучает электромагнитную энергию и обнаруживает эхосигнал, приходящий от отражённых объектов, а также определяет его характеристики (если есть необходимость). РЛС представляет собой активное устройство, так как для обнаружения цели и определения её характеристик в ней используется радиолуч, формируемый и направляемый в заданную точку пространства непосредственно радиолокационной станцией. Способность определять расстояние до цели с относительно высокой точностью представляет собой основное характерное свойство РЛС.

Существует много видов РЛС, отличающихся друг от друга назначением, особенностями устройства, принципами боевого применения и т.д. Однако абсолютное большинство РЛС объединяет использование импульсного метода излучения радиоволн в пространство.

Принцип действия радиолокационного измерителя дистанции основан на свойстве радиолокационного луча отражаться от встречной поверхности сложной конфигурации.

В радиолокационных устройствах могут использоваться отражённые или ответные сигналы. В ответной системе на лидирующий объект устанавливают радиолокационный ответчик, вырабатывающий при облучении сигналом с ведомого танка (запросчика) ответный сигнал, принимаемый приёмником РЛС отстающего танка. В следствии значительного уровня принимаемого сигнала ответные системы обладают большей дальностью действия, но очень сложны по своему конструктивному исполнению.

В данной «пассивной» (отражательной) системе определение параметра «дистанция» производится по отражённому от впередиидущего танка сигналу, а точнее, по времени его задержки. Система не отличается большой сложностью, и в тоже время, позволяет определять дальность с необходимой точностью.

Как и в любом радиолокационном устройстве здесь применяются СВЧ (сверхвысокочастотные) колебания, находящиеся в диапазоне от 50 до 40000 МГц (в зависимости от цели применения), что связано со следующими свойствами:

- постоянством скорости и прямолинейностью их распространения;

- возможностью при ограниченных размерах антенны создавать узкие лучи;

- значительным отражением от реальных объектов.

Постоянство скорости распространения волны позволяет по времени прохождения электромагнитной энергии до объекта и обратно (tэ) определить дальность (дистанцию - Д) до объекта. Так как за время tэ энергия проходит расстояние 2Д со скоростью света С=3•10⁵ км/с, то С•t=2Д. Следовательно, дальность до объекта:

(1.2)

Измерение дальности в радиолокационной системе, таким образом, сводится к определению времени запаздывания отражённого от объекта сигнала tэ относительно момента его излучения. Скорость распространения электромагнитных колебаний в воздухе незначительно отличается от скорости в вакууме и мало изменяется. Относительное отклонение скорости равняется:

(1.3)

где #С - отклонение скорости электромагнитных колебаний от среднего значения. Ошибка в измерении дальности из-за отклонений (флуктуаций) скорости распространения электромагнитных волн:

(1.4)

Прямолинейность распространения электромагнитной волны позволяет измерять, кроме того, угловые координаты.

Электромагнитная волна, падающая на объект, находящийся в атмосфере и отличающийся от неё своими свойствами, возбуждает в нём токи (токи проводимости в проводниках и токи смещения диэлектриках). Объект становится излучателем, поэтому явление отражения часто называют вторичным излучением. Способность среды отражать радиоволны характеризуется коэффициентом отражения, равным отношению напряжённости электрического поля отражённой Еотр и падающей Епад волн у отражающей поверхности.

(1.5)

Реальные объекты обычно имеют сложные поверхности и, поэтому результирующий отражённый сигнал образуется в результате интерференции волн, отражённых различными частями объекта. При повороте объекта изменяется соотношение полей создаваемых его отдельными частями, что вызывает изменение величины отражённого сигнала, но для данной системы это не будет являться недостатком, а одним из положительных свойств, обеспечивающих максимальную безопасность экипажа при маневре лидирующего танка (см. Принцип действия прибора САПД ТМ). Интенсивность отражения в каждом зависит от конфигурации объекта, его размеров и положения по отношению к падающей волне (ракурса).

Отражающие свойства объектов характеризуются эффективной отражающей поверхностью Sэ, численно равной размерам площадки, перпендикулярной к направлению распространения радиоволны, равномерно отражающей электромагнитную энергию во всех направлениях и создающей на входе приёмника такой же отражённый сигнал, как и расположенный на той же дальности реальный объект. Величина Sэ зависит от электромагнитных свойств, геометрических размеров, конфигурации, ракурса объекта, а так же от длины волны.

Радиолокационные объекты характеризуются так же диаграммой отражения, представляющей собой графическую зависимость эффективной отражающей поверхности Sэ (или мощности отражённого сигнала) от ракурса. Диаграмма отражения от кормовой поверхности танка показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Диаграмма отражения электромагнитного импульса от танка, где 1 - 30 дБ, 2 - 15 дБ, 3 - 5 дБ.

На практике часто пользуются общими значениями Sэ, определяемыми экспериментальным путём.

Среднее значение зависит от типа объекта, длины волны и составляет:

- 0,2 - 1 квадратных метров - для человека;

- 2 - 10 квадратных метров - для автомобиля;

- 25 - 28 квадратных метров - для БМП;

- 30 - 35 квадратных метров - для танка.

Максимальная дальность действия в свободном пространстве радиолокационного устройства зависит от многих параметров станции и отражающих свойств объекта.

(1.6)

где Pн - излучаемая мощность,

G - коэффициент усиления передающей антенны,

Sа - эффективная площадь приёмной антенны,

Pпр - чувствительность приёмника.

(1.7)

где N - коэффициент шума приёмника,

k - постоянная Больцмана (1,38•10ПІі Вт / (Гц•Град)),

T - эквивалентная шумовая температура,

?f - полоса пропускания приёмника.

(1.8)

где Np - коэффициент различимости, равный отношению порогового сигнала (Pп) к чувствительности приёмника Рпр и зависящий от вида оконечного устройства и метода обработки сигнала.

СВЧ волны по своим физическим свойствам приближаются к световым волнам; они почти не обладают дифракцией, поэтому устойчивая передача сигнала осуществляется в пределах прямой видимости. При длине волны короче 20см необходимо учитывать поглощение радиоволн в атмосфере. Особо заметно поглощение в сантиметровом диапазоне. Здесь основную роль играют поглощения энергии кислородом и парами воды, которые содержаться в атмосфере. Зависимость измерения предельно большого расстояния до объекта для различных длин волн при различной интенсивности осадков показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Зависимость Дпр = ѓ (R), где R- интенсивность осадков

1 - 0,25 мм/ч; 2 - 1,25 мм/ч; 3 - 2,5 мм/ч; 4 - 12,5 мм/ч; 5 - 25 мм/ч; 6 - 50 мм/ч [2]

Для условий средней полосы при интенсивности осадков 12,5 мм/ч (4) и необходимой измеряемой дальности (по условиям марша) не менее 200 метров, наиболее подходящей длиной волны является - 0,5 мм.

Кроме того, при работе на волнах короче 20 см необходимо учитывать поглощение радиоволн в атмосфере. Особенно заметно поглощение в сантиметровом диапазоне. Здесь основную роль играют поглощения энергии кислородом и парами воды, которые содержатся в атмосфере. Зависимость затухания энергии радиоволн от длины волны (в следствии поглощения парами воды) показана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Кривая зависимости затухания энергии радиоволн от длины волны (в следствии поглощения парами воды)

Диапазон 0,5 мм вполне отвечает требованию достаточного распространения в воздухе с любой величиной влажности.

1.4 Расчет параметров радиолокационной станции

Исходные данные:

Минимальное расстояние действия РЛС:

Максимальное расстояние действия РЛС:

Мощность в импульсе:

Эффективная площадь облучаемого танка:

Коэффициент поглощения «падающей» на танк мощности:

Коэффициент направленности передающей антенны:

Эффективная площадь приемной антенны:

Скорость света:

Дальность до облучаемого объекта:

Расчет параметров:

Определение длительности импульса:

(1.9)

Определение максимального интервала времени между импульсами tmax, в течение которого сигнал достигает цели и возвращается к станции:

(1.10)

Определение частоты повторения импульсов F:

(1.11)



Определение плотности потока мощности излучения при номинальном режиме работы:

(1.12)

Определение мощности излучения, «падающей» на весь объект:

(1.13)

Не вся мощность излучения, «падающая» на объект, будет от него отражаться. Большая часть этой мощности будет объектом поглощаться. Мощность излучения, отражаемая объектом, будет равна:

(1.14)

Мощность излучения, отражаемая объектом, будет рассеиваться во всем пространстве, окружающем танк. Плотность потока мощности излучения, отражаемой танком, в месте нахождения приемной антенны радиолокационной станции будет равна:

(1.15)



Мощность отраженного сигнала, подводимая ко входу приемника радиолокационной станции, будет равна:

(1.16)

Предельная дальность радиолокационной станции Дmax будет определяться пиковой мощностью излучения Ри, минимальной мощностью Pпр min, которую необходимо подвести ко входу приемника (чтобы можно было обнаружить сигнал), и всеми остальными величинами, входящими в выражение (1.14).

Используя это соотношение, выражение для Дmax может быть написано в следующем виде:

(1.17)

Определение энергии в импульсе, Дж:

(1.18)

Выражение для средней мощности радиолокационной станции имеет вид:

(1.19)



Определение коэффициента заполнения:

(1.20)

Определение средней мощности РЛС:



2. Разработка реализации системы автоматического поддержания дистанции между танками (САПДТ ТМ) на марше

2.1 Разработка функциональной схемы и принцип действия САПД ТМ

Несмотря на многообразие задач, решаемых различными системами управления движением, различие применяемых методов, принципов и элементов представляется возможным в том случае, если использовать принцип системного подхода, наметить общие закономерности анализа проектирования, как всей системы управления, так и отдельных подсистем и блоков, входящих в её состав.

Наличие большого числа функциональных связей, входных, а часто и выходных сигналов помех, создаёт определённые трудности при выборе оптимального варианта системы, её проектирования.

Вопросами построения, разработки, оптимизации сложных систем занимается область техники, получившая название системотехники или техники больших систем. Методы, используемые в системотехнике, позволяют выбрать оптимальный вариант построения системы.

Одни из основных принципов системного подхода можно сформулировать следующим образом

- совокупность подсистем представляет собой иерархическую структуру, состоящую из подсистем определённого ранга, определённым образом связанных друг с другом:

- характеристики подсистем определяются требованиями, предъявляемыми к подсистемам, стоящим на более высокой ступени иерархии.

На рисунке 2.1 представлена иерархическая структура возможной бортовой системы управления движением, состоящая из семи рангов. Горизонтальные линии показывают связи между подсистемами одного ранга, вертикальные - между подсистемами разных рангов. Штриховые линии разделяют подсистемы разных рангов. Возможно также продолжение этой структуры путём разделения каждого элемента на более мелкие.

Рисунок 2.1 - Иерархическая структура бортовой системы управления движением



При проектировании подсистем любого ранга формулируется целевое назначение, требования к параметрам и осуществляется выбор оптимального способа достижения цели, включающего метод решения задачи и структурную схему устройства, реализующего этот метод. Для этого сравниваются различные варианты достижения цели, на основе оценки эффективности каждого способа принимается решение о выборе конкретного варианта. Разрабатываются схемы (функциональная, структурная, принципиальная и др.).

В первой главе был проведён анализ возможных технических средств реализации задачи измерения дальности. В третьей - раскрыты физические принципы построения радиолокационного измерителя дальности. На основе результатов анализа и требований, предъявляемых к системе (на основе задания к дипломному проекту) - появляется возможность непосредственно приступить к проектированию САПД.

Учитывая опыт проведения общевойсковых учений с боевой стрельбой по движущимся безэкипажным танкам - мишеням («Дозор - 86», «Осень - 88») в качестве исполнительного элемента системы автоматического поддержания дистанции танковой колонны следует выбрать исполнительные механизмы с гидропневматическими приводами аппаратуры СДУ-100 Р [1]. Указанная система дистанционного управления позволяет последовательно передавать до 10 команд на расстоянии до 40км. Однако при разработке аппаратуры СДУ - 100 Р не предъявлялись высокие требования к точности соблюдения траектории движения, ввиду малого времени его жизни на поле боя (десятки секунд) и не учтены возможности перестановки машин в колонне в ходе совершения марша. Требования к разрабатываемой системе являются более жёсткими и, следовательно, требуют значительной доработки вышеупомянутой аппаратуры. Прежде, чем перейти к изложению способов возможной доработки системы СДУ - 100 Р определим, какие механические требования к разрабатываемой системе являются определяющими.

Основное требование - требование, вытекающее из самого названия системы - требование соблюдения оптимальной длины колонны, а именно: дистанция между двумя соседними танками в колонне должна стремиться к постоянной величине (в процессе движения) - 50 +(-) 20 м., средняя скорость движения колонны на марше - не менее 14 +(-) 2 км /ч., время движения колонны - не меньше 30 минут, количество бронеобъектов - не менее - 14 единиц.

Построение танковой колонны с заданными характеристиками возможно при следующих доработках системы СДУ - 100 Р:

1) Использование радиолокационных датчиков с целью регулирования дистанции между ближайшими объектами;

2) Использование оптических (лазерных) датчиков с целью регулирования дистанции между ближайшими объектами;

3) Использование электромеханических датчиков с целью регулирования дистанции между ближайшими объектами;

4) Регулировка подачи топлива в двигатель с целью стабилизации скорости танка с использованием радиокоманд и радиомаяка;

5) Использование индивидуальных датчиков скорости движения танков в колонне.

Первый и пятый способы доработки СДУ - 100 Р были проведены во время испытаний, проведённых войсковой частью №33157 летом 1990 года [1], и показали что регулировка подачи топлива в двигатель с целью стабилизации скорости движения танка не имеет необходимой точности, также, что использование индивидуальных датчиков не позволяет обеспечить необходимую точность стабилизации интервала и скорости движения [2].

...