Содержание
Введение1. Виды управления
2. Телеуправление
3. Самонаведение
4. Радиовзрыватель
Заключение
Список литературы
Введение
Радиоуправление — наука,изучающая принципы действия, математическое описание, методы анализа качестваработы и синтез систем управления объектами при помощи радиоволн.
В системахрадиоуправления при передаче команды от оператора (диспетчера) к объекту кодкоманды, набранной оператором на пульте управления, преобразуется впоследовательность электрических импульсов, а затем при помощи модуляции(фазовой, амплитудной, частотной модуляции и т.д.) — в радиосигнал. Дляповышения надёжности радиоуправления применяют различные помехоустойчивые коды,в том числе корректирующие коды, а также контроль по методу обратного канала,когда от объекта к пункту управления передаются сигналы, подтверждающие приём иисполнение (либо только приём, либо только исполнение) команды. В некоторыхсистемах (например, в системах управления полётом ракет, беспилотных летательныхаппаратов) управление производится непрерывно при помощи автоматическиполучаемого сигнала рассогласования между заданным и истинным (текущим)положениями объекта управления.
1. Виды управления
Кконцу второй мировой войны />Германия намного опережала все другие страны всоздании управляемых снарядов. Немцы первыми применили снабженные реактивнымидвигателями, управляемые по радио планирующие авиабомбы против сил флотазападных союзников. Первой такой бомбой была снабженная реактивным двигателемавиабомба Хеншель-293 (Hs-293) класса “воздух – земля”. По существу этотуправляемый снаряд являлся обычной авиабомбой, вмонтированной в фюзеляжнебольшого самолета, который был снабжен подвесным реактивным двигателем.Впервые планирующая авиабомба была применена в 1943 г. в Бискайском заливе и вСредиземном море против десантных судов, обеспечивавших высадку войсксоюзников. Вследствие небольших размеров и высокой скорости полета снаряд почтине поддавался перехвату. Поскольку пилот самолета-носителя мог осуществлятьуправление снарядом на всем протяжении его полета, эффективность действияснаряда была очень высокой.
Западные союзники не замедлили начать разработку управляемых авиабомб, иуже с февраля 1944 г. Великобритания и США начали применять подобное оружие.
ВСССР была создана неуправляемая ракетная авиабомба, обладавшая высокойточностью попадания и способная уничтожать бронемашины и танки противника. Онабыла использована во время Сталинградской битвы и, по утверждению зарубежныхспециалистов, сыграла не последнюю роль в разгроме немцев. Ракетные авиабомбыподвешивались под крыльями истребителя-штурмовика ИЛ-2 по две на каждомсамолете. Их эффективность определялась высокой скоростью при подлете к цели.
Кконцу второй мировой войны в Германии велась разработка целой серии управляемыхснарядов, однако большинство из них остались не запущенными в производство.Некоторые снаряды управлялись по проводам, другие имели автономноегироскопическое управление и даже телевизионные средства (Hs-296).Радиоуправляемый снаряд Hs-298 класса “воздух – воздух” был спроектирован вначале 1944 г., и, хотя массовое производство его было запланировано на 1945г., немцы не успели к концу войны ни завершить его разработку, ни провестииспытания.
В те же годы были отработаны и основные методы управления летательнымиаппаратами.
Рассмотрим возможные методы управления.
В процессе управления задействованы три объекта: пункт управления,находящийся вне управляемого объекта, и поэтому названный внешним; управляемыйобъект – снаряд (летательный аппарат) и цель. В зависимости от взаимодействиямежду ними во время полета снаряда возможны три вида управления: автономноеуправление, телеуправление и самонаведение.
/>
радиоуправление телеуправление самонаведение радиовзрыватель
Автономное управление используетсяпри наведении на неподвижные цели. В течение всего времени полета снаряданикакой связи между внешним пунктом управления (местом старта снаряда),управляемым объектом (снарядом) и целью нет. На самом управляемом объектеимеются все средства, необходимые для поддержания его на заданной траектории. Исходяиз расположения цели и места старта, задается программа полета, и всоответствии с ней осуществляется движение управляемого объекта.
Первые системыавтономного управления были инерциальными. Например, в самолете-снаряде Фау-1 (V-1) использовалась простая и остроумнаясистема управления. В течение этапов старта и сближения самолет-снаряд Фау-1управлялся от магнитного компаса по курсу и от барометрического высотомера повысоте. Компас устанавливался вручную на желаемый курс и удерживал осьсвободного курсового гироскопа вдоль курса. В дополнение к направлению на цельснаряд должен “знать” расстояние до цели. В Фау-1 пройденное расстояниеопределялось при помощи воздушного лага, который состоял из пропеллера счервячной передачей на счетчик. Счетчик имел электрические контакты, которыевыставлялись вручную на заранее заданное расстояние до цели. Система управлениябыла грубая, но зато несложная в производстве.
В дальнейшем для прокладывания траектории управляемого объекта сталииспользоваться навигационные системы, сначала наземные (Декка, Лоран), а затеми спутниковые (GPS, ГЛОНАСС).
В телеуправлении (теленаведении) участвуют все три объекта. Пункт управленияполучает данные о координатах управляемого объекта и цели, вырабатывает командынаведения управляемого объекта на цель и передает эти команды по линиирадиосвязи (командной радиолинии) на управляемый объект. Для определениякоординат обычно используются радиолокационные станции. Иногда определениеместоположения цели осуществляется аппаратурой, расположенной на объектеуправления (например, телевизионная аппаратура, предназначавшаяся для наведениянемецкой крылатой ракеты Хеншель-296 (Hs-296) класса “воздух – воздух”).Тогда добавляется еще одна линия связи между управляемым объектом и пунктомуправления для передачи данных измерения. Такое управление иногда называют телеуправлениемчерез ракету
/>
В США в 1944 г былаиспытана управляемая бомба GB-4.Для управления ею использовались телевизионная камера и радиопередатчик, установленныевнутри бомбы. Бомбардир видел местность так, как она была бы видна с бомбы, ипри помощи линии передачи команд на бомбу вручную наводил ее на цель,расположенную на поверхности земли. Бомба была впервые использована в августе1944 г. по базе подводных лодок в Гавре, а позднее – по отдельныминдустриальным целям в Германии.
При самонаведении определение координат цели и выработка управляющейкоманды производятся на управляемом объекте; никакой связи с внешним пунктомуправления нет.
Сравнивая схему самонаведения со схемой телеуправления через ракету,заметим, что они отличаются только местом выработки команды. В последней длявыработки команды привлекаются мощные средства обработки результатов измеренийи принятия решений, имеющиеся на пункте управления.
Во время второй мировой войны в Германии находилось в стадии разработкизначительное количество приборов самонаведения. Но эти проекты до готовыхобразцов доведены не были (за исключением прибора для торпед ”Цаункениг”,реагирующего на звуковые колебания в воде).
В США метод самонаведения при помощи радиолокационных средств был впервыеприменен в планирующей бомбе “Bat”. Она представляла собой планер-моноплан, несущий насебе радиолокатор, способный автоматически следить за одиночной целью. Покабомба еще висит под самолетом, бомбардир осуществляет захват цели при помощирадиолокатора бомбы, а затем сбрасывает ее. Бомба “Bat” былаиспользована против японских кораблей на Тихом океане в незначительныхколичествах, но с хорошими результатами.
Рассмотрим теперь вопросы реализации методов управления, ограничившисьтелеуправлением и самонаведением.
2. Телеуправление
Телеуправление может быть реализовано двумя методами: методом командногоуправления и методом управления по радиолучу.
Метод командного управления был использован в первой предложенной немцамисистеме управления “Burgund” для снарядов класса “поверхность – воздух”.
/>
Измерение угловых координат цели и снаряда осуществляется с помощьюоптических устройств. Слежение за целью и снарядом производится операторами-наводчиками.Они сидят на поворотной платформе. Наводчик на цель старается удержать цель наперекрестии своей оптики ручками управления. Тем самым он поворачиваетплатформу вместе с оптикой по азимуту, а также отдельно оптику как свою, так идругого наводчика – по углу места. Наводчик снаряда ручкой управления снарядомстарается совместить снаряд с перекрестием своего оптического прибора, котороесоответствует направлению на цель. Для улучшения видимости снаряда предлагалосьустанавливать на нем факелы. Ручка управления снарядом связана с датчикомкоманд, которые по командной радиолинии (радиопередатчик Kehl– радиоприемник Strassburg) передавались на борт снаряда. Как следует из этогоописания, при идеальном управлении снаряд должен все время находиться на линиивизирования цели. Такой метод управления называется методом накрытия цели.
Траектория, по которой будет двигаться снаряд, может быть приближеннопостроена следующим образом. Считаем, что цель движется прямолинейно спостоянной скоростью. Разобьем траекторию цели на ряд малых участков Ц0Ц1,Ц1Ц2, Ц2Ц3 и т.д., которые цельпролетает за малый интервал времени Dt. Длина каждого из участков равна произведениюскорости цели VЦ наинтервал времени Dt.Ниже показано построение траектории снаряда.
/>
В момент старта снаряд находился в положении С0, а цель – вположении Ц0. Точка С0соответствует месту расположениявнешнего пункта управления и станции слежения за целью. Через время Dt цельпереместится в точку Ц1. Чтобы определить положение снаряда,проводим линию С0Ц1. Снаряд через время Dt долженнаходиться на этой линии, так как наведение производится по методу накрытияцели. Поэтому из точки С0делается засечка радиусом VCDt на линии С0Ц1.Получаем точку С1. Еще через время Dt цель переместится в положение Ц2. Снаряддолжен находиться на линии “внешний пункт управления – цель”. Поэтому проводимлинию С0Ц2 и находим положение точки С2, делаязасечку из точки С1 радиусом VCDt на линии С0Ц2. Продолжив такоепостроение для следующих точек С3, С4 и т.д. и соединиввсе точки Сi плавной кривой, получим траекторию снаряда.
Метод накрытия цели характерен и для систем наведения по радиолучу.Использующаяся в этих системах радиолокационная станция следит за целью, тоесть обеспечивает перемещение радиолуча вслед за перемещением цели. Как вы ужезнаете после ознакомления с историей радиолокации, в первых РЛС сопровожденияиспользовалось коническое сканирование луча. Радиолуч РЛС сопровожденияпредставляет собой как бы пространственную воронку, ось которой совпадает сравносигнальным направлением. На оси “воронки” должна располагаться цель. Наэто же направление должен вывести себя и снаряд. На снаряде находится приемник,который принимает сигналы радиолокатора и определяет отклонение снаряда отравносигнального направления. По измеренному отклонению вырабатываются командыдля управления снарядом.
/>
Ясно, что, чем уже диаграмма направленности РЛС, тем точнее определениеместоположения цели и снаряда, то есть точнее наведение. Но в узкий луч оченьтрудно попасть снаряду после старта. Поэтому РЛС сопровождения формирует двалуча: узкий – для наведения снаряда на цель и широкий – для ввода снаряда в лучпосле старта. Переключение приемника снаряда на работу с широкого луча на узкийпроизводится автоматически.
Но наведение по методу накрытия цели является далеко не лучшим. Посмотримна построенную траекторию снаряда. Она криволинейная, и путь, пройденныйснарядом, длиннее расстояния между точкой старта снаряда и точкой встречиснаряда с целью. Почему так получилось? Потому что снаряд все время летит прямона цель, а не в упреждающую точку, т.е. туда, где цель будет через некотороевремя. Лучше всего было бы, если бы снаряд направлялся не на цель, а в точкувстречи снаряда с целью. Это была бы самая экономичная траектория.
Такой самой экономичной траектории соответствует следующий методнаведения – метод параллельного сближения. Построим траекторию снаряда дляэтого метода при тех же исходных условиях, что и при методе накрытия цели.Правило построения такое: линия “цель – снаряд” во время всего движенияостается параллельной самой себе.
/>
Процедура построения такая же, как и для метода накрытия цели, тольколиния “цель-снаряд” от шага к шагу строится по-другому. Сравните траекторииснаряда для рассмотренных методов. Мало того, что траектория снаряда сталакороче (при данных условиях она прямолинейна), но и встреча снаряда с цельюпроизошла раньше.
Конечно, для реализации метода параллельного сближения недостаточно знаниятолько угловых координат цели и снаряда. Для расчета упрежденной точки встречинужно также знать дальности до цели и снаряда и их скорости. А в системутелеуправления необходимо ввести вычислитель для выработки команды управления.
/>
Радиолокаторы слежения за целью и слежения за снарядом автоматическиопределяют координаты цели и снаряда: угловые координаты, дальность и ихпроизводные. Эти данные поступают в вычислитель, который вычисляет координатыупреждающей точки, рассчитывает траекторию снаряда, определяет отклонениеснаряда от расчетной траектории, т.е. ошибку наведения и формирует всоответствии с этой ошибкой команды, передаваемые по радиолинии управления наснаряд.
3. Самонаведение
Как правило, системы телеуправления не обеспечивают точности, необходимойдля уничтожения цели (за исключением телеуправления через ракету). Причина втом, что с увеличением дальности увеличиваются ошибки измерения координат целии снаряда, а это приводит к увеличению ошибок наведения. При самонаведенииизмеритель координат цели находится на снаряде. По мере приближения к целиошибки измерения координат (особенно угловых!) уменьшаются, и, следовательно,ошибка наведения тоже уменьшается.
Если в системах телеуправления использовались только два типа измерителейкоординат: оптический (в первых попытках) и радиолокационный, то измерителикоординат (их также называют координаторами) в системах самонаведения болееразнообразны. На рисунке на следующей странице показаны некоторые типыкоординаторов.
Тепловой, оптический и акустический координаторы улавливают излучениесамой цели, и снаряд наводится на источник этого излучения. В радиолокационныхкоординаторах наведение производится по радиосигналу, который излучается целью.В зависимости от того, как образуется этот радиосигнал, координаторы делятся наактивные, полуактивные и пассивные. Активный координатор представляет собой РЛСслежения, в которую входит передатчик, облучающий цель, приемник, принимающийсигнал, отраженный от цели и устройство измерения координат. Полуактивныйкоординатор содержит только приемник и устройство измерения координат, а передатчик,облучающий цель, находится в другом месте. Для пассивного координатора вообщене нужен передатчик, и координатор работает по радиоизлучению цели (работающиерадиопередатчики различных радиотехнических систем и др.). Использованиепассивного и полуактивного координаторов затрудняет обнаружение снаряда по егорадиоизлучению
/>
Активными и полуактивными могут быть не только радиолокационныекоординаторы, но и другие, например, оптические с лазерной подсветкой.
/>
Если координатор жестко закреплен по оси снаряда, то наведениеосуществляется по методу погони. Ниже построена траектория снаряда при принятыхранее условиях. Точки, определяющие положение снаряда через временные интервалыDt,строятся как пересечение дуги радиуса VCDt с линией, соединяющей снаряд и цель.
/>
Эту траекторию называют кривой погони, а также “собачьей кривой”, так какименно по такой траектории собака настигает свою жертву.
Недостаток такого метода наведения – большая крутизна траектории снарядапри подлете к цели. И если минимально возможный радиус разворота снарядаокажется больше радиуса окружности, описывающей траекторию на участкемаксимальной крутизны, то снаряд сойдет с расчетной траектории и пролетит мимоцели (пунктирная кривая на рисунке). Можно ли спрямить траекторию? Конечноможно, если направлять снаряд не на цель, а в упреждающую точку. Например,можно использовать наведение с фиксированным углом упреждения. Суть егозаключается в том, что направление движения снаряда отличается от направленияна цель на фиксированный угол a. Траектория снаряда при такомметоде наведения построена ниже
/>
Линия, на которой будет находиться снаряд спустя время Δtпосле старта, повернута относительно линии С0Ц0на уголα. Дугой радиуса VсΔtделаем засечку на этой линии и получаем точку С1. Из точки С1проводится линия, повернутая относительно линии С1Ц1 наугол α и на ней строится точка С2 и т. д.
Сравнивая построенную траекторию снаряда с траекторией, построенной ранеедля метода параллельного сближения, замечаем, что линия снаряд – цель принаведении с фиксированным углом упреждения тоже перемещается, но не параллельносамой себе, а с некоторым изменением наклона. Причем это изменение наклонабудет тем меньше, чем больше угол упреждения. Заметим также, что с увеличениемугла упреждения траектория снаряда будет все более спрямляться. А может литраектория стать прямолинейной? Да, если взять a = arctg(VЦ /VC). Траектория снаряда при наведении с таким углом упреждения совпадает страекторией снаряда для метода параллельного сближения. Угол упреждения большеэтого значения брать нельзя, так как снаряд попадет в упреждающую точку раньше,чем туда прилетит цель.
Чтобы реализовать наведение с упреждением в системах самонаведения, нужнокоординатор цели делать подвижным относительно корпуса снаряда. Такойкоординатор все время следит за целью независимо от ориентации оси снаряда.Кроме того, усложняется и сам координатор, так как он должен определять нетолько угловые координаты цели, но и дальность и их производные.
Первые управляемые снаряды снабжались, как правило, одной из рассмотренныхвыше систем управления. Современное управляемое оружие должно обладать большойдальностью действия и высокой, близкой к единице, вероятностью поражения цели.Поэтому используется несколько систем управления, которые включаютсяпоследовательно. Сначала с помощью систем автономного управления илителеуправления управляемый объект выводится в район цели, и обеспечиваетсязахват цели системой самонаведения. Затем система самонаведения подводитуправляемый объект к цели на расстояние, достаточное для ее поражения.
4. Радиовзрыватель
При самом тщательном выполнении систем управления снарядами труднорассчитывать на стопроцентную вероятность их прямого попадания в цели, особенновоздушные, обладающие, как правило, большой маневренностью и скоростью полета.В то же время нельзя допустить, чтобы дорогостоящий управляемый снаряд прошелмимо цели, не поразив ее, и был потерян. Поэтому все снаряды обеспечиваютсянеконтактными взрывателями, срабатывающими при приближении снаряда к цели.
Первыми начали работатьнад созданием радиовзрывателей для снарядов в США еще за 10 лет до Второймировой войны. Радиовзрыватель, выдерживающий ускорение до 2000g был разработан в США перед Второймировой войной. Он содержал миниатюрный передатчик, который излучал хорошонаправленный пучок ВЧ энергии на цель и детонировал при получении сильного отраженияот цели. Такие взрыватели использовались в артиллерийских снарядах, минах,ракетах и бомбах.
В отличие от аппаратуры теле- или самонаведения неконтактные взрывателине вырабатывают команд управления рулями, а только дают команду на подрывбоевого заряда в зависимости от степени приближения снаряда к цели
Действие неконтактных взрывателей так же, как и аппаратуры самонаведения,основано на использовании электромагнитных и других полей (акустического,теплового и др.). Ввиду небольших расстояний, на которых действуют взрыватели,возможно применение для них и статических полей: электрического и магнитного.
Рассмотрим сначала принципы, на которых может быть построен неконтактныйвзрыватель. Для выработки команды на подрыв цели может быть использована информацияо расстоянии от снаряда до цели, скорости сближения цели и снаряда Vсбл и интенсивности поля, формируемого целью(собственного или отраженного). /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Траектория снаряда /> /> /> /> /> /> />
Из приведенного выше рисунка видно, что при движении снаряда относительноцели расстояние от снаряда до цели будет сначала уменьшаться, а затем последостижения минимального значения увеличиваться.
Радиовзрыватели, использующие информацию о дальности, называютсядальномерными. Дальномерные радиовзрыватели срабатывают или по минимумуизмеренной дальности, или при достижении определенного значения дальности,когда вероятность уничтожения цели близка к единице. В Германии во время второйморовой войны был разработан такой радиовзрыватель “Марабу”, в которомиспользовался частотный метод дальнометрии, то есть излучалсячастотно-модулированный сигнал.
Рассмотрим теперь, как изменяется скорость сближения снаряда с целью придвижении снаряда мимо цели.
/>
/>
Скорость сближения Vсбл представляет собой проекцию вектора скорости снаряда Vснар на линию “снаряд – цель”. Приприближении снаряда к цели скорость сближения будет уменьшаться до нуля примаксимальном сближении, затем становится отрицательной (снаряд удаляется отцели) и увеличивающейся по модулю. Частота Доплера зависит только от величиныскорости, поэтому она уменьшается до нуля при приближении к цели и возрастаетпри удалении от нее.
Информация о скорости используется в радиовзрывателях, использующихэффект Доплера. Передатчик, расположенный на снаряде, излучает непрерывныйсигнал. Отраженный от цели сигнал отличается по частоте от излученного навеличину доплеровского сдвига частоты. В приемнике выделяются колебаниядоплеровской частоты. Радиовзрыватель срабатывает по нулю доплеровской частоты.Подобными радиовзрывателями в годы второй мировой войны оборудовались зенитныеи авиационные снаряды (например радиовзрыватель “Какаду”, разработанный вГермании).
В основу срабатывания радиовзрывателя может быть положена и энергия поля,излучаемого целью./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Энергия /> /> />
Независимо от физической природы поля (электромагнитного, теплового, акустического)максимальному сближению снаряда и цели соответствует максимум энергии этогополя.
Радиовзрыватели, срабатывающие по максимуму излучаемой целью энергии,должны иметь специфическую диаграмму направленности в виде диска,перпендикулярного к оси снаряда. В Германии во время войны был разработанрадиовзрыватель “Трихтэр”, срабатывавший по максимуму отраженного от целирадиосигнала.
Надо отдать должное немецким разработчикам за широту подхода к построениюрадиовзрывателей. Использовались: электрический заряд цели (самолета);изменение емкости (проводник в электрическом поле); изменение индуктивности(железо в магнитном поле); отражение модулированного света; изменениеинтенсивности звука от двигателей самолета. Многое из того, что было заложеноими, использовалось в поздних разработках во многих странах мира.
Заключение
Радиоуправление применяется при построении систем автоматики, в авиа- иракетостроении, робототехнике. В современное время получило развитиенаправление управления бытовой техникой и приборами («умный дом»).
Список литературы
1. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика.
2. Основы радиоуправления, под ред. В.А. Вейцеля, В.Н.Типугина.-М.: Сов. радио, 1973.
3. Мановцев А.П., Основы теории радиотелеметрии, М.,1973.
Размещено на www.