МОДЕЛЬ ПЕРСПЕКТИВНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ РАКЕТЫ С ПАССИВНОЙ ГСН

ПОЛУНАТУРНАЯ МОДЕЛЬ ПЕРСПЕКТИВНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ РАКЕТЫ С ПАССИВНОЙ ГСН

А.В. Цапцов, А.Б. Корнеев

Цапцов Артем Вячеславович, канд. техн. наук, заместитель начальника отде­ла, АО Конструкторское бюро точного машино­строения им. А.Э. Нудельмана,

Корнеев Алексей Борисович, канд. техн. наук, заместитель технического ди­ректора - начальник КПК, АО Конструкторское бюро точного машиностроения им. А.Э. Нудельмана

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017

Рассматриваются вопросы, связанные с полунатурным моделированием пер­спективной управляемой ракеты, оснащенной пассивной головкой самонаведения. В частности, основное внимание уделено проблемам создания полунатурной модели, а именно созданию специальных стендов имитации движения ракеты и цели, примене­ния ЭВМ с операционной системой реального времени и имитации фоно-целевой об­становки. Приведен пример реализации полунатурной модели.

Ключевые слова: управляемая ракета, пассивная головка самонаведения, полу- натурное моделирование, имитация движения, фоно-целевая обстановка.

В настоящее время для сокращения объемов натурных испытаний и количества изготавливаемой материальной части широко применяется по- лунатурное моделирование систем управления ракет и снарядов различно­го назначения.

Полунатурное (или полуфизическое) моделирование представляет собой разновидность физического моделирования с реальной аппаратурой, при котором остальная часть системы/изделия/комплекса имитируется в ЭВМ в виде математических моделей.

Применение полунатурного моделирования особенно обоснованно при проектировании таких сложных управляемых изделий как, например, перспективная управляемая ракета (УР), оснащенная пассивной оптико­электронной головкой самонаведения (ГСН), бортовой инерциальной на­вигационной системой (БИНС), комплексированной с аппаратурой спут­никовой навигации (АСН), и лазерно-лучевым каналом управления (ЛЛКУ) (рис. 1).

Перспективная УР предназначена для поражения наземных объек­тов и низкоскоростных воздушных целей и реализует такие современные принципы управляемого вооружения [1], как:

-              принцип «выстрелил-забыл» (с самонаведением на конечном уча­стке траектории);

-              поражение наземных объектов в слабозащищенную верхнюю по­лусферу;

-              поражение целей за пределами прямой видимости;

-              метод пассивного определения координат цели в нескольких спектральных диапазонах;

-              наличие инерциального участка траектории с корректировкой из­мерений по сигналам спутниковой навигации.

Рис. 1. Перспективная УР с пассивной ГСН:

1 - ГСН; 2 - боевая часть; 3 - двигатель; 4 - узел стыковки;

5 - крыло; 6 - руль; 7 - блок привода; 8 - механизм сброса поддона;

9 - приемник излучения; 10 - индукторная втулка

Полунатурное моделирование системы управления УР позволяет получить более достоверные сведения о поведении исследуемой системы, чем имитационное математическое моделирование и обладает следующи­ми преимуществами и достоинствами:

- много тысяч имитаций летных испытаний может быть воспроиз­ведено по цене единичного запуска в безопасных, контролируемых и по­вторяемых условиях;

-              статистическая достоверность поведения системы в предельных режимах ее рабочих возможностей;

-              укороченный цикл от разработки до производства;

-              сниженная стоимость разработки продукции;

-              сниженные риски программ;

-              гарантированное качество и рабочие характеристики.

Основным объектом исследования при проведении полунатурного

моделирования перспективной УР является пассивная ГСН, которая пред­ставляет собой ключевой элемент системы управления УР, поскольку со­вокупный уровень ее технических характеристик определяет конечную точность функционирования УР. Пассивная ГСН (рис. 2) состоит из ин­формационного канала видимого (ВД) и инфракрасного (ИК) диапазонов, гироскопической системы стабилизации и трехстепенной следящей систе­мы [2].

При реализации полунатурной модели системы управления УР и ГСН следует выделить следующие основные проблемы:

1.    Применение программно-аппаратного комплекса (ПАК), работающего под управлением операционной системы реального времени (ОС РВ) и реализующего расчет математических моделей движения ракеты 

ПАК представляет собой основу полунатурной модели, поскольку степень его временной детерминированности по приему/выдачи данных от реальной аппаратуры, их обработки и расчету математических моделей яв­ляется определяющим фактором для имитации исследуемой системы в ре­альном масштабе времени с заданным временным шагом.

Рис. 2. Пассивная ГСН перспективной УР

ПАК, работающий под управлением ОС РВ, должен иметь доста­точные вычислительные ресурсы для реализации собственно ОС РВ, мате­матических моделей движения цели, фоно-целевой обстановки (ФЦО), ки­нематики и аэродинамики ракеты, БИНС и АСН и др. При этом по опыту применения частота расчета моделей в ПАК должна быть в 10 - 20 раз выше, чем частота информационного обмена между «штатными» блоками УР (50...100 Гц), т.е. шаг моделирования должен составлять порядка 0,5...1 мс. Кроме того, ПАК должен обладать достаточным количеством периферийных устройств для подключения к реальной аппаратуре УР (МКИО, последовательные интерфейсы, ЦАП, АЦП и т.п.) и стендам.

Исходя из приведенных требований для полунатурной модели пер­спективной УР выбрано готовое решение в виде программно-аппаратного комплекса «Speedgoat» (рис. 3), работающего под управлением ОС РВ раз­работки «MathWorks» [3].

Рис. 3. Программно-аппаратный комплекс «Speedgoat» и ноутбук с установленным Simulink (Matlab)

Данный ПАК может конфигурироваться различной периферией (с соответствующей поддержкой драйверов) и позволяет напрямую импорти­ровать математические модели, синтезированные в среде Simulink (Matlab), что существенно облегчит переход от этапа математического мо­делирования УР к полунатурному без привлечения системных и приклад­ных программистов высокого класса.

2.    Создание специальных стендов для имитации движения, которые должны входить в замкнутый контур полунатурной модели.

Данные стенды необходимы для имитации относительного движе­ния «ракета-цель» (с воспроизведением значений угловой скорости линии визирования) и угловых колебаний корпуса УР (в том числе для проверки гироскопической системы стабилизации ГСН).

Учитывая широкий спектр возможных применений УР, различные варианты траекторий движений, разные типы цели (т.е. различные углы подхода к цели - в верхнюю или нижнюю полусферу), динамику ракеты и цели, необходимость имитации углов возвышения и азимут пусковой ус­тановки и недетерминированность положения цели, стенд должен воспро­изводить диапазон углов вращения порядка ± 45...± 180°, угловую ско­рость до 100 °/с и пиковое угловое ускорение до 1800 °/с².

В связи с этим в полунатурной модели перспективной УР применен пятистепенной стенд вращения, представляющий собой трехстепенное по­воротное устройство и двухстепенное поворотное устройство с разделенными каналами управления и с единым центром вращения (рис. 4) [4, 5]. Трехстепенное поворотное устройство позволяет имитировать колебания корпуса ГСН по курсу, тангажу и крену, а двухстепенное - движение ими­татора цели во фронтальной плоскости ГСН. С помощью данного типа стенда возможна имитация различных вариантов применения персептивной УР с пассивной ГСН, включая траектории «земля-земля» и «земля- воздух».

Рис. 4. Пятистепенной стенд имитации движения ГСН и цели

3.    Наличие достоверной информации о реальной ФЦО и ее вос­произведении в полунатурной модели

Решение данной проблемы требует проведение трудоемких экспе­риментальных работ по определению ФЦО в реальных условиях эксплуа­тации изделий, сравнимых по сложности с пуском реальных изделий.

При этом степень достоверности определения ФЦО напрямую оп­ределяет корректность результатов полунатурного моделирования.

Для обеспечения успешного обнаружения объектов, их селекции и распознавания средствами ГСН информация о ФЦО должна включать дан­ные по уровню фоновых компонент, необходимого соотношения сиг­нал/шум, излучательные характеристики цели в диапазонах ВД и ИК и иные характерные признаки цели (рис. 5).

Отметим, что в перспективе в качестве динамического имитатора может быть использована представляется миниатюрная резистивная мат­рица (например, [6]), которая состоит из 512 х 512 элементов размером 48 мкм и имеет возможность изменять температуру каждого элемента в диапазоне от 285 К до 700 К при времени реакции 5 мс (рис. 6). Комплекс­ный имитатор цели способен воспроизводить излучательные характери­стики различных целей, менять проекции, форму и контур объектов, а также имитировать относительное сближение ГСН с целью путем «засвет­ки» от одного элемента матрицы до максимального количества.

Рис. 5. Примеры реальной ФЦО в диапазоне ИК: а - изображение низколетящего малоскоростного объекта; б - изображение объектов бронетехники (вид сверху); в, г - изображение объекта бронетехники и его составных элементов

Рис. 6. Имитатор цели на базе «резистивной»матрицы

Таким образом, исходя из рассмотренных выше проблем и вариан­тов их решения, разработана полунатурная модель системы управления перспективной УР с пассивной ГСН (рис. 7).

Рис. 7. Структура полунатурной модели перспективной УР

с пассивной ГСН: исил - силовое напряжение на вход электроприводов поворотных устройств; Мш - шарнирный момент, приложенный к рулям УР; иупр - сигнал управления рулевой машиной; д - сигнал потенциометра обратной связи рулевой машины

Реальными блоками модели с «штатной» настройкой являются ГСН, бортовой блок электроники, рулевые машины и приемник лазерного излучения (ЛИ), а в ПАК реализованы имитационные математические мо­дели цели и ракеты, БИНС и АСН. В режиме реального времени ПАК осуществляет информационный обмен по «штатным» информационным каналам только с бортовым блоком электроники УР (прием телеметриче­ской информации и эмуляция сигналов БИНС, АСН и полетного задания) и взаимодействует со стендовым оборудованием полунатурной модели - пятистепенным стендом имитации движения, комплексным имитатором цели, имитатором шарнирных моментов на рулях и имитатором ЛЛКУ.

Полунатурная модель перспективной УР предназначена для реше­ния следующих задач:

-              проверка логики, алгоритмов и циклограммы работы системы управления УР;

-              проверка алгоритмов самонаведения УР на цель по сигналам пас­сивной ГСН;

-              проверка точностных и динамических характеристик ГСН;

-              определение вероятности поражения типовых целей;

-              оценка конечных промахов наведения УР на цель;

-              проверка функционирования рулевых машин под действием ди­намической нагрузки и приемника лазерного излучения;

-              корректировка программно-алгоритмического обеспечения бло­ков УР по результатам полунатурного моделирования.

Вместе с тем, данная полунатурная модель обладает и известными ограничениями:

-              ограниченная точность воспроизведения траекторий движения УР и цели вследствие ограниченной точности имитации сигналов БИНС и АСН;

-              нет возможности воспроизведения линейного ускорения, что яв­ляется определяющим фактором по невозможности установки реальной аппаратуры БИНС в контур полунатурной модели.

В заключение необходимо добавить, что предложенный вариант полунатурной модели может быть использован для испытаний и других управляемых изделий калибров от 57 до 152 мм, а также в серийном про­изводстве при проведении периодических или даже приемосдаточных ис­пытаний в качестве комплексных функциональных проверок.

Список литературы

1. Зубов В.Н. Танковые управляемые боеприпасы: учеб. пособие по курсу «Перспективе развития вооружения». М.:           Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
2. Цапцов А.В., Молокин А.В., Величко А.В. Сравнение двух- и трехстепенной систем стабилизации пассивной оптико-электронной ГСН // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 2. С. 25-31.
3. SpeedGoat - машины реального времени. [Электронный ресурс] URL:            http://matlab.ru/partner-products/speedgoat (дата обращения: 10.11.2017).
4. Системы полунатурного моделирования. [Электронный ресурс] URL: http://www.emtltd.eom/catalog/2/26/ (дата обращения: 10.11.2017).
5. Пятиосевые стенды полунатурного моделирования [Электронный ресурс] URL: http://www.ostec-test.ru/catalog/equipment/stendy-poluna turno- go-modelirovaniya/pyatiosevye-stendy-polunaturnogo-modelirovaniya (дата обращения: 10.11.2017).
6. Официальный сайт компании SBIR [Электронный ресурс] URL: http://www.sbir.com/mirage-H.asp (дата обращения: 10.11.2017).