ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 4, с. 137-147
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
УДК 681.513.3
МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАДИАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ И УСКОРЕНИЙ ПАРЫ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ, ЛЕТЯЩИХ В СОМКНУТОМ БОЕВОМ ПОРЯДКЕ*
© 2007 г. А. В. Богданов, О. В. Васильев, В. А. Голубенко, С. М. Маняшин, А. А. Филонов
Тверь, Военная академия воздушно-космической обороны им. Г.К. Жукова Поступила в редакцию 04.07.05 г., после доработки 31.01.07 г.
Рассматривается методика построения динамических моделей радиальных скоростей и ускорений полета плотной пары воздушных целей, учитывающая тип самолетов в паре и их функциональное назначение в ней по принципу "ведущий-ведомый". В основу разработки динамических моделей положены исходные данные, полученные в результате летно-экспериментальных исследований тра-екторных статистических характеристик сигналов, отраженных от реальных воздушных целей.
Введение. При полете пары воздушных целей (ВЦ) в сомкнутых боевых порядках (БП) с точки зрения функционального назначения (пилотирования) самолетов назначаются ведущий (ВЩ) (впереди летящий) и ведомый (ВМ) (сзади летящий) самолеты. При этом перспективным является применение в паре разнотипных самолетов, когда взаимно компенсируются их слабые стороны. Исходя из этого, в дальнейшем под групповой воздушной целью (ГВЦ) будет пониматься пара разнотипных самолетов, летящих в сомкнутом БП и функционально-связанных в пространстве с точки зрения пилотирования по принципу "ведущий-ведомый".
Одно из направлений совершенствования алгоритмов первичной обработки сигналов в современных импульсно-доплеровских бортовых радиолокационных станциях (БРЛС) с фазированной антенной решеткой имеет в виду использование узкополосной доплеровской фильтрации принимаемых сигналов, которая предполагает длительное, до нескольких десятков миллисекунд, время их когерентного накопления. В процессе проведения летно-экспериментальных исследований (ЛЭИ) установлено, что применение длительного когерентного накопления сигналов позволяет по сравнению с существующими БРЛС истребителей четвертого поколения в 1.5-1.6 раз увеличить дальность обнаружения ВЦ при высоком (единицы герц) их разрешении по доплеровской частоте в составе сомкнутого БП. Традиционный режим работы таких БРЛС - дискретно-непрерывное сопровождение (ДНС) ВЦ по таким функционально-связанным координатам (ФСК), как дальность,
* Статья подготовлена в рамках государственной поддержки научных исследований, проводимых ведущими научными школами Российской Федерации (грант Президента РФ НШ-5419.2006.10).
радиальные скорость и ускорение. По мере установления в процессе ЛЭИ новых закономерностей в траекторных статистических характеристиках (ТСХ) радиолокационных сигналов, отраженных от реальных ГВЦ, появляется дополнительная возможность распознавания состояния ГВЦ, состоящей из пары разнотипных самолетов, в интересах расширения информационных возможностей БРЛС на этапе ДНС разрешаемых по доплеровской частоте элементов ГВЦ за счет использования длительного когерентного накопления.
Так, распознавание функционального назначения самолетов в паре по принципу "ведущий-ведомый" может быть основано на анализе различий в пилотировании ВЩ- и ВМ-самолетов. Данное различие обусловлено тем, что летчик ВМ-самолета путем периодического "подрулива-ния" сохраняет свое место в паре, в то время, как летчик ВД-самолета выполняет только задачу пилотирования и управления парой. Эти различия в динамике пилотирования самолетов проявляются в различиях ТСХ сигналов, отраженных от каждого разрешаемого по доплеровской частоте элемента ГВЦ [1].
Распознавание типового состава самолетов в паре может быть достигнуто [1, 2] за счет обработки взаимного частотного расположения траекторий доплеровских частот (ТДЧ) (временных зависимостей доплеровских частот), обусловленных отражениями от планеров самолетов в паре и их первых ступеней компрессоров (при радиолокационном наблюдении сигналов в переднюю полусферу) или турбин (при наблюдении в заднюю полусферу) низкого давления. Взаимное частотное расположение этих ТДЧ (разнос по доплеровской частоте планерной и компрессорной (турбинной) спектральных составляющих) определяется произведением количества лопаток на первой ступени компрессора (турбины) низко-
го давления на частоты вращения ротора и составляет для самолетов с турбореактивным двигателем единицы килогерц. Данное произведение соответствует определенному типу силовой установки каждого самолета в паре, по которой в дальнейшем можно определить непосредственно и тип каждого самолета в паре.
Исходя из вышеизложенного следует, что при работе импульсно-доплеровской БРЛС в режиме ДНС целей появляется возможность совершенствования не только алгоритма сопровождения радиальных ФСК, а разработки алгоритма совместного траекторного сопровождения-распознавания состояния плотной пары ВЦ в вышеуказанном смысле. Один из подходов к созданию алгоритмов сопровождения ВЦ - использование оптимальной линейной многомерной дискретной калмановской фильтрации, которая предполагает наличие априорных сведений о динамике оцениваемых фСк [3, 4] в виде динамических моделей ДМ (системы линейных дифференциальных уравнений (ДУ)). В рамках теории калмановской фильтрации в [5, 6] приведены структуры алгоритмов совместного траекторного сопровождения-распознавания состояния ГВЦ, основу которых составляют линейные дискретные фильтры сопровождения при различных гипотезах относительно количества разрешаемых ВЦ по доплеровской частоте (в том числе и для парной цели) и функционального назначения самолетов в сомкнутых БП. Для реализации таких алгоритмов ДМ одновременно должны выполнять двоякую роль: являться априорными сведениями для ДНС каждой разрешаемой по доплеровской частоте ВЦ в паре и эталоном при распознавании самолетов в ней в вышеуказанном смысле, т.е. в целом динамическим эталоном в составе разрабатываемых впоследствии алгоритмов совместного траекторного сопровождения-распознавания состояния плотной пары ВЦ. Причем для последующего построения алгоритма распознавания типов самолетов в составе пары по турбинному эффекту динамический эталон, соответствующий отражениям сигналов от планеров элементов ГВЦ, необходимо дополнить динамическим эталоном, характеризующим отражения сигналов от первых ступеней вращающихся частей их силовых установок.
Известные [3, 7-10] ДМ не предназначены для выполнения такой двоякой роли и при их разработке не учитывались выявленные в процессе ЛЭИ новые закономерности в ТСХ сигналов, отраженных от реальных ВЦ, которые летят в сомкнутых БП. Кроме того, для последующего построения алгоритма совместного траекторного сопровождения-распознавания типового состава пары ВЦ и функционального назначения самолетов в ней возникает необходимость в наличии не одного конкретного динамического эталона, а их
совокупности, что предполагает разработку методики построения таких ДМ. С другой стороны, формирование методики построения ДМ обусловлено требованием проведения адекватного имитационного моделирования разрабатываемых алгоритмов, когда на их входе должны быть сформированы сигналы, адекватно отражающие реальную динамику радиальных скоростей и ускорений полета плотной разнотипной пары ВЦ при различном их функциональном назначении в ней.
1. Постановка задачи. Цель работы - создание на основе ЛЭИ методики построения ДМ радиальных скоростей и ускорений полета пары ВЦ, летящих в сомкнутом БП, с учетом функционального назначения самолетов в ней и их типов. Осуществим это при следующих условиях.
1. Используются результаты ЛЭИ по оценке возможности распознавания типового состава пары самолетов из класса "самолет с турбореактивным двигателем" и их функционального назначения на основе анализа динамики реальных радиальных ТДЧ (скоростей) с их ТСХ.
2. Элементы пары разрешаются только по доплеровской частоте (радиальной скорости) и рассматривается методика построения Дм радиальных составляющих скоростей и ускорений полета плотной пары ВЦ.
3. Количество разрешаемых ТДЧ, обусловленных отражениями сигналов от планеров самолетов пары, совпадает с количеством ТДЧ, связанных с отражением сигналов от вращающихся элементов первых ступеней силовых установок самолетов.
4. Воздушными целями, летящими в сомкнутом БП, являются самолеты с турбореактивным двигателем. Ситуация установки одинаковых типов двигателей на разнотипные самолеты не рассматривается.
Разработку данной методики проведем в следующей последовательности.
1. На основе корреляционного анализа ТДЧ сигналов, отраженных от реальной пары самолетов при различных дистанциях между ними (отражения от планеров самолетов - первичная модуляция сигнала; от первой ступени компрессора низкого давления (турбины) - вторичная модуляция), получим исходные экспериментальные данные в виде ТСХ.
2. Сформируем структуру ДМ (системы линейных дифференциальных уравнений) для ВЩ-са-молета путем аппроксимации автокорреляционной функции (АКФ) реальных ТДЧ системой линейных ДУ.
3. Определим структуру ДМ ВМ-самолета использованием одного из известных [10] подходов.
Гц 9720
9700
9680
9660
9640
9620
9600
9580
5 10 15 20 25 30
t, с
Рис. 1. ТДЧ, обусловленные полетом пары самолетов при выдерживании дистанции ведомым 20-50 м.
^ • 104, Гц 1.115
1.110
1.105
1.100
1.095
1.090
1.085
1.080
1.075
ВЩ
, ВМ ^
/ ^---. /
у V
/ N. /
10 15 20 25
30 t, с
Рис. 2. ТДЧ, обусловленные полетом пары самолетов при выдерживании дистанции ведомым 100-300 м.
0
5
4. С учетом результатов, полученных в п. 1, разработаем рекомендации по выбору численных значений параметров структуры ДМ, найденной в п. 2 и 3.
2. Исходные экспериментальные данные. Получение численных значений ТСХ осуществлялось на основе корреляционного анализа реальных траекторий доплеровских частот, полученных в процессе ЛЭИ, следующим образом.
1. Исследовались ТДЧ, соответствующие полету реальной пары самолетов-истребителей различных типов при выдерживании заданных дистанций ВМ-самолетом относительно Вш, м: 20-50, 100-300 и 300-500.
2. Длительность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.