На правах рукописи

БЕЛОЗЁРОВ ВАДИМ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТРАЕКТОРНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ

Специальность:

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена в Федеральном казенном предприятии «Нижнетагильский институт испытания металлов»

Научный руководитель: Руденко Валерий Лукич доктор технических наук, академик РАРАН

Официальные оппоненты: Ларкин Евгений Васильевич доктор технических наук, профессор ТулГУ, зав. каф. «Робототехника и автоматизация производства»

Поршнев Сергей Владимирович доктор технических наук, профессор кафедры информационных технологий УрФУ

Ведущая организация: ФГУП «ЦНИИТОЧМАШ», г. Климовск, Московская область

Защита состоится «29» мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ004.013.02 при Институте механики Уральского отделения Российской Академии наук по адресу: Россия, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики УрО РАН.

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ004.013.02, д.т.н., профессор Тарасов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Боеприпасы нового поколения: бронебойноподкалиберные с повышенной дальностью поражения, активно-реактивные, кассетные, корректируемые, самоприцеливающиеся, боеприпасы с газогенераторами и т.п. отличаются существенным усложнением конструкции и функционированием в процессе выстрела, на траектории полета и при взаимодействии с целью. Повышается их могущество, дальность полета и точность поражения цели. Все большее значение в полигонных испытаниях, проводимых на всех этапах их создания (НИР, ОКР, серийное производство), приобретает контроль за внешнетраекторными измерениями с повышенной дальностью и точностью, направленные на составление таблиц стрельбы, отработку систем управления объектом в полете, наведение его на цель и т. п.

Низкий уровень технических характеристик применяемой контрольноизмерительной аппаратуры не обеспечивает современных требований к внешнетраекторным измерениям малоразмерных объектов реактивной и ствольной артиллерии. Аппаратурная база ведущих артиллерийских полигонов страны оснащена доплеровскими измерителями скорости непрерывного излучения Х-диапазона длин радиоволн, имеющими потенциальную дальность действия до 300000 калибров объектов, движущихся строго по баллистической траектории. Необходима специализированная высокоинформативная, быстродействующая и надежная аппаратура, обеспечивающая контроль за объектами на траектории вплоть до 400000 калибров, измерение параметров их поступательного движения с погрешностью не более 1 – 3 м по координатам, 0.1 – 0.2 % по скорости, адаптированная к условиям многоцелевой обстановки на измерительной трассе.

В настоящее время аппаратуры такого класса в Российской Федерации нет.

Поэтому актуальной становится научная задача разработки программно-алгоритмического обеспечения приборно-аппаратного комплекса для контроля за функционированием объекта на траектории и измерения координат полета объекта.

Объект исследования. Методы контроля и измерения траекторных параметров объектов.

радиоволнового многочастного приборно-аппаратного комплекса для измерения наклонной дальности, углового положения, радиальной скорости, а также координат объекта.

Целью работы является научно обоснованная разработка программно-алгоритмического обеспечения приборно-аппаратного комплекса для измерения кинематических и динамических характеристик объектов, в том числе, траектория которых отличается от баллистической траектории.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

сопровождающих процесс измерения дальности до объекта, при использовании двухчастотного фазового метода и электромагнитных волн с частотной модуляцией.

2. Разработка алгоритма определения наклонной дальности, учитывающий особенности движения объектов, в том числе, по траектории, отличающейся от баллистической.

3. Разработка на основе уравнений внешней баллистики алгоритма определения траекторных параметров, а также дальности, угловых координат и радиальной скорости объекта.

4. Разработка алгоритма определения угловых координат объекта с целью управления электроприводом поворотной платформы приборноаппаратного комплекса и получения координат на всей траектории полета.

5. Оценка погрешностей алгоритмов и потенциальной дальности действия приборно-аппаратного комплекса.

Методы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, теории внешней баллистики, статистического анализа и математической статистики.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается:

1. использованием адекватного математического аппарата, в том числе: уравнений внешней баллистики, методов теории обработки сигналов, численных методов решения систем дифференциальных уравнений;

2. согласованностью результатов математического моделирования и результатов натурных испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработан алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

2. Разработан алгоритм определения внешнетраекторных параметров, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда путем сравнения расчетных и измеренных данных.

3. Разработан радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

4. Разработана методика измерения координат объектов, траектория движения которых отличается от баллистической траектории.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

2. Алгоритм определения внешнетраекторных параметров, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда путем сравнения расчетных и измеренных данных.

3. Радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

4. Методика измерения координат объектов, траектория движения которых отличается от баллистической траектории.

Практическая значимость. Проведено исследование особенностей радиоволновых измерений внешнетраекторных параметров движения летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода, в том числе, наклонной дальности, а также фазоразностного принципа определения угловых координат объекта. Предложенная двухпараметрическая итерационная процедура, основанная на сравнении математической модели полета объекта, описываемой системой уравнений внешней баллистики, с реально полученными данными, позволяет определить с заданной точностью внешнетраекторные параметры движения объекта. Результаты диссертационной работы использованы при разработке нового прибора измерения координат на ФКП «НТИИМ».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция «Проектирование систем вооружения и измерительных комплексов» (г. Нижний Тагил, – 2011 г.).

2. Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистики» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.).

3. Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов и ученых «Актуальные проблемы развития системы артиллерийского вооружения в современных условиях» ЦНИИ «Буревестник» (г. Нижний Новгород, 2010 г.).

4. Всероссийская научно-техническая конференция VII конференция Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» (г.

Саров, 2011 г.).

5. Международная научно-техническая конференция «Седьмые Окуневские чтения» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).

6. Всероссийский научно-технический семинар «Артиллерийское вооружение России – 2011» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).

7. На заседаниях научно-технического совета Нижнетагильского института испытания металлов.

Публикация работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является комплексным исследованием многочастотных радиолокационных методов измерения внешней баллистики, задачи которых поставлены автором.

Алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

Алгоритм определения внешнетраекторных параметров, основанный на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс снаряда на основе сравнения расчетных и измеренных значений координат.

Радиоволновой метод непрерывного измерения координат объекта на внешнебаллистической траектории полета.

Алгоритм определения угловых координат объекта, используемых для управления электроприводом поворотной платформы приборноаппаратного комплекса и получения координат на всей траектории полета.

Оценка погрешностей алгоритмов и потенциальной дальности действия приборно-аппаратного комплекса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации и ее актуальность, определены цели и задачи диссертационной работы, описана структура работы, сформулированы научная и практическая ценность диссертации, приведены основные результаты, полученные в диссертации.

В первом разделе рассмотрены радиоволновые доплеровские методы измерения параметров движения объектов, в том числе двухчастотный фазовый метод для определения наклонной дальности и моноимпульсный фазоразностный метод для определения угловых координат, принципиальные схемы которых представлены на рисунках 1 и 2, соответственно.

Рисунок 1 – Двухчастотный фазовый метод измерения дальности Рисунок 2 – Моноимпульсный фазоразностный принцип Проведенный анализ позволил сделать обоснованный вывод о том, что данные методы целесообразно использовать при разработке приборноаппаратного комплекса измерения координат внешнебаллистической траектории объектов. В тоже время показана необходимость разработки новых алгоритмов обработки цифровых сигналов, в которых учитываются особенности движения исследуемых объектов.

модифицированного двухчастотного метода измерения дальности и соответствующего алгоритма обработки измерительной информации.

Необходимость его разработки обусловлена тем, что ограничения классического двухчастотного фазового метода определения дальности до объекта связаны с невозможностью регистрации сигналов, частоты которых близки по значению и не удовлетворяют условию д з / (Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. — М., 1973, «Сов. радио».— С. 94). Значения частот отстройки и соответствующие им размеры зон однозначности, а также оценки точности вычисления наклонной дальности для измерителей, в которых используются электромагнитные волны с частотами в диапазоне 1040010600 МГц, при отношении «сигнал/шум»

30 дБ представлены в таблице 1. (Отметим, что грубые измерения с использованием сигналов частот fЗ1, fЗ2, fЗ3 применяются только для уточнения декады, соответствующей местоположения объекта, в то время как точная оценка его наклонной дальности дается по результату измерений разности фаз между доплеровскими сигналами, являющимися откликами на сигналы частот fЗ0, fЗ4.) Предложенный модифицированный метод отличается от известного метода тем, что предложенные частоты отстройки f Зм1, f Зм 2, f Зм 3, f Зм удовлетворяют условию, при котором регистрация сигнала возможна для двухчастотного зондирования движущегося объекта.

Таблица 1 – Частоты отстройки с размерами зон однозначности и точности для получения наклонной дальности в классическом методе Отстройки отстройки, кГц однозначности, м Для практического использования данного метода автором был разработан соответствующий алгоритм определения наклонной дальности, блок-схема которого представлена на рисунке 3, соответствующие значения частот отстройки и соответствующие им размеры зон однозначности, а также оценки точности вычисления наклонной дальности для измерителей, в которых используются электромагнитные волны с частотами в диапазоне 1040010600 МГц, при отношении «сигнал/шум»

30 дБ представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Частоты отстройки с размерами зон однозначности и точности для получения наклонной дальности в модифицированном методе Отстройки отстройки, кГц однозначности, м Из табл. 2 видно, что погрешность определения наклонной дальности в предложенном автором двухчастотном методе измерений дальности оказывается меньше соответствующего «классического» алгоритма, в то время как размер зон однозначности около 150 м. В этой связи, в разработанном автором алгоритме используются коэффициенты переноса (см. табл. 3) разности фаз зондирующих электромагнитных волн в соответствующие величины, используемые в классическом двухчастотном методе измерения дальности до объекта. Это обеспечивает, с одной стороны, достижение размеров областей однозначности измерения дальности, соответствующих классическому двухчастотному методу измерений, и существенное уменьшение погрешности измерения дальности, с другой.

Таблица 3 – Коэффициенты переноса К из модифицированного в фаз в модифицированном методе.

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма определения дальности двухчастотным Далее во втором разделе описан разработанный автором алгоритм определения угловых координат полета объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях, блок-схема которого представлена на рис. 4.

Данный алгоритм, позволяющий определить пеленг на объект, завершает решение задачи определения координат центра масс объекта и углов между радиус-вектором центра масс объекта и ортами сферической системы координат. В связи с тем, что измеряемой приборно-аппаратным комплексом величиной является разность фаз сигналов, поступающих с многоканального радиоприемного устройства, использование данного алгоритма предполагает проведение калибровки базовых расстояний между приемными антеннами, что позволяет вычислить текущие значения углов отклонения объекта от нормали к апертуре антенной системы прибора.

Результаты вычислений угловых координат объекта в темпе опыта используются следящим контроллером опорно-поворотной платформы, который ориентирует диаграмму направленности антенной системы прибора на выбранный (по радиальной скорости) для сопровождения объект. Информация об угловом положении по результатам обработки сигнала передается на следящий контроллер с частотой 100 Гц для управления электроприводом поворотной платформы прибора с целью удержания диаграммы антенной системы на излучаемый объект во время проведения опыта.

зарегистрированной инструментальным контроллером прибора, дает возможность получить параметры функционирования объекта на траектории в графическом (см. рис. 5, 6) и табличном виде (рис. 7).

Рисунок 4 – Блок-схема алгоритма определения угловых координат Рисунок 5 – Наклонная дальность до движущегося объекта Рисунок 6 – Аэродинамический коэффициент силы лобового Рисунок 7 – Табличные результаты натурного испытания объекта В связи с тем, что существует, в том числе, необходимость измерения параметров движения объектов, траектория которых не может быть описано классической системой уравнений внешней баллистики, в третьем разделе разработан алгоритм определения внешнетраекторных параметров данных объектов. Данный алгоритм основан на итерационной процедуре нахождения коэффициентов системы дифференциальных уравнений движения центра масс объекта на основе сравнения расчетных и измеренных данных. За основу измеренных данных берутся координаты полета объекта. Блок-схема данного алгоритма, в котором используется следующая система дифференциальных уравнений где:

Vxg,V y g,Vz g –скорость, составляющие скорости;

Vxg V y g,Vz g – ускорение, составляющие ускорения;

E r функция силы сопротивления;

изменение давления воздуха по времени;

, Wx,Wz – действительные значения температуры воздуха, скорости g 0 ускорение силы тяжести с учетом местоположения объекта;

B0 – географическая широта огневой позиции, рад;

– радиус объекта относительно радиуса Земли;

K xg, yg, zg – коэффициент деривации по осям X,Y,Z представлена на рис. 8.

Рисунок 8 – Итерационная процедура нахождения коэффициентов системы Для интегрирования системы уравнений используется метод РунгеКутта 4-го порядка точности, интегрирование ведется до высоты огневой позиции hоп.

В четвертом разделе на основе использования известных формул и статистической теории радиолокации (Белоцерковский Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. — М., 1975, «Сов.

радио».— С. 80, С. 93; Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. — М., 1973, «Сов. радио».— С. 92) получены оценки погрешностей алгоритмов На рис. 8: Сх(М ) – функция аэродинамического коэффициента силы лобового сопротивления, Ix – коэффициент формы обработки сигнала и аппаратно-измерительного комплекса, в целом, представленные в табл. 4.

Также для оценки точности предложенных алгоритмов проведены натурные испытания, в которых проведено измерение начальной скорости полета пули калибра 7.62 мм. Оценка точности проводилась в соответствии со следующим алгоритмом:

1. измерение координат полета и скорости объекта во время выстрела;

2. расчет теоретической траектории и формирование эталонного массива скоростей, имитирующий измерения;

коэффициента формы и/или начальной скорости);

4. настройка параметров модели по эталонному массиву измерений;

5. внесение полученных результатов измерений в математическую модель;

6. сравнение полученных результатов с условиями моделирования эталонного массива.

Таблица 4 – Оценка погрешностей алгоритмов обработки сигнала Результаты, полученные в соответствии с описанным выше алгоритмом по десяти независимым стрельбовым испытаниям из карабина калибра 7,62 мм представлены в табл. 5.

Таблица 5 – Результаты контрольных расчетов п/п определения начальной Относительная средняя погрешность определения начальной скорости по 10 опытам 0.01 % Значение величины потенциальной дальности действия прибора можно установить, исходя из ориентировочной оценки величины эффективной площади рассеяния донной части 100-миллиметрового объекта классической формы, как минус 25 дБ. Потенциальная дальность действия комплекса составила:

По результатам проведенных оценок погрешностей алгоритмов обработки сигнала можно сделать вывод, что разработанные алгоритмы удовлетворяют требуемой точности определения координат объекта и других параметров на траектории полета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование особенностей физических процессов, сопровождающих процесс измерения дальности до объекта, при использовании двухчастотного фазового метода и электромагнитных волн с частотной модуляцией. В основу приборно-аппаратного комплекса измерения координат положен многоканальный двухчастотный моноимпульсный фазовый метод измерения дальности.

2. Предложен модифицированный двухчастотный радиоволновой метод измерения дальности до объекта и разработан новый алгоритм определения наклонной дальности до летящего объекта с использованием двухчастотного фазового метода.

3. На основе уравнений внешней баллистики разработан алгоритм определения на основе измерительной информации внешнетраекторных параметров объекта, а также дальности, угловых координат и радиальной скорости объекта.

4. Разработан алгоритм определения в реальном режиме времени угловых координат объекта, значения которых используются для управления электроприводом поворотной платформы приборноаппаратного комплекса.

5. Проведена оценка среднеквадратического отклонения по измерению наклонной дальности объекта, которая составила ±1 м при соотношении «сигнал/шум» равного (625 раз) 28 дБ. Получено требуемое среднеквадратического отклонения по углам в обеих плоскостях ±0.3 мрад в условиях отношения «сигнал/шум» равного 30 дБ. Относительная средняя погрешность определения начальной скорости составила 0.01%.

Потенциальная дальность действия комплекса составила 394000 калибров.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белозеров В.А., Шакиров М.Р., Чванов А.Е. Программное обеспечение доплеровских радиолокационных станций серии «Луч» // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы, специальный выпуск №3. М.: ФГУП «ГосНИП «Расчет», 2010. С. 111-117.

2. Белозеров В.А., Шакиров М.Р., Чванов А.Е. Алгоритмы и методы обработки цифрового сигнала в программном обеспечении радиолокационных станций серии «ЛУЧ» для измерения траекторных параметров боеприпасов при стрельбовых испытаниях // Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистического проектирования». В сб. трудов. в 2 т. Т. 1. / Под ред. Б.Э.

Кэрт. СПб.: Балт. Гос. Техн. ун-т, 2011. С. 18-25.

3. Белозеров В.А., Чванов А.Е. К вопросу определения траекторных характеристик реактивных снарядов и снарядов с газогенераторами доплеровскими радиолокационными станциями // Всероссийская научнотехническая конференция «Фундаментальные основы баллистического проектирования». В сб. трудов. в 2 т. Т. 1. / Под ред. Б.Э. Кэрт. СПб.: Балт.

Гос. Техн. ун-т, 2011. С. 62-68.

4. Белозеров В.А. Обработка доплеровского сигнала координатной радиолокационной станции в реальном масштабе времени. //Вопросы оборонной техники. М.: НТЦ «Информтехника», 2011. Серия 14, вып.2.

С. 114-116.

5. Руденко В.Л., Бородин В.П., Белозров В.А. Информационноизмерительный комплекс для расчета координат и радиальной скорости боеприпасов. // Вопросы оборонной техники. М.: НТЦ «Информтехника», 2012. Серия 14, вып. 2. С. 130-136.

6. Руденко В.Л., Бородин В.П., Белозров В.А., Шакиров М.Р.

Применение доплеровских радиолокационных станций серии «Луч» для исследования и анализа траекторных параметров функционирования артиллерийских боеприпасов. // Вопросы оборонной техники. М.: НТЦ «Информтехника», 2012. Серия 14, вып. 2. С. 124-129.

7. Руденко В.Л., Белозров В.А. Методика обработки цифрового сигнала информационно-измерительным комплексом для расчета траекторных параметров боеприпасов при стрельбовых испытаниях. // Известия РАРАН. М.: изд. РАРАН, 2012, вып. 1(71). С. 8-13.

Подписано в печать 18.04.2012 г. Формат 6084/ Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ФКП «Нижнетагильский институт испытания металлов»