RU2542690C1 - Method of forming signals of controlling missiles - Google Patents

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.

SUBSTANCE: invention can be used in guided missiles (GM). The angular velocities of the sight line of target in the vertical and horizontal planes are determined on the signals of projections of the missile velocity and the signals of smoothed coordinates of the missile by summing the signals proportional to the integrals of the projections of the velocity of the signal with the missiles proportional to the smoothed signal differences of the measured coordinates of the missile and the integrals of the measured projections of the missile velocity, the control signals are generated by the rudders proportional to the angular velocity of the sight line of target.

EFFECT: invention enables to provide the necessary accuracy in hitting of GM to the target on signals of the satellite navigation system.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области разработки систем управления беспилотными летательными аппаратами и может быть использовано в комплексах управляемого ракетного и артиллерийского вооружения, в которых осуществляется наведение по сигналам спутниковых навигационных систем.The present invention relates to the field of development of control systems for unmanned aerial vehicles and can be used in complexes of guided missile and artillery weapons, which are guided by the signals of satellite navigation systems.

Известен способ формирования управляющих сигналов (В.И. Бабичев, В.В. Ветров, А.В. Игнатов, А.Р. Орлов «Основы устройства и функционирования артиллерийских управляемых снарядов», Тула, издательство ТулГУ, 2003 г., с.41, 108-120), включающий определение угловой скорости линии «снаряд-цель» (линии визирования цели) и формирование сигналов управления рулевым приводом, пропорциональных измеренной угловой скорости.A known method of generating control signals (V.I. Babichev, V.V. Vetrov, A.V. Ignatov, A.R. Orlov "Fundamentals of the design and functioning of artillery guided missiles", Tula, TulSU publishing house, 2003, p. 41, 108-120), which includes determining the angular velocity of the projectile-target line (line of sight of the target) and generating steering control signals proportional to the measured angular velocity.

Для реализации данного способа, называемого методом пропорциональной навигации, требуется, чтобы на борту снаряда находилась следящая за целью гироскопическая головка самонаведения (ГСН), определяющая угловую скорость линии визирования цели и формирующая сигналы, пропорциональные угловой скорости линии визирования цели:To implement this method, called the method of proportional navigation, it is required that on board the projectile there should be a gyroscopic homing head tracking the target, determining the angular velocity of the line of sight of the target and generating signals proportional to the angular velocity of the line of sight of the target:

где U_Y, U_Z - сигналы управления рулевым приводом (РП) в вертикальной и горизонтальной плоскостях;where U _Y , U _Z - steering control signals (RP) in the vertical and horizontal planes;

k - коэффициент пропорциональности;k is the coefficient of proportionality;

$${\dot{\theta }}_{лв},$$

$${\dot{\varphi }}_{лв}$$

- угловая скорость линии визирования цели в вертикальной и горизонтальной плоскостях; $${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}},$$

$${\dot{\varphi }}_{l\mathrm{at}}$$

- the angular velocity of the line of sight of the target in the vertical and horizontal planes;

θ_лв, φ_лв - углы наклона и поворота линии визирования цели.θ _lv , φ _lv - the angles of inclination and rotation of the line of sight of the target.

Фотоприемное устройство (ФПУ) ГСН при этом измеряет рассогласование между линией визирования цели и осью ФПУ:The photodetector (FPU) of the seeker measures the mismatch between the line of sight of the target and the axis of the FPU:

Δφ_у=θ_лв-ϑ_г; Δφ_Z=φ_лв-ψ_г,Δφ _y = θ _lv -ϑ _g ; Δφ _Z = φ _lv -ψ _g ,

где ϑ_г, ψ_г - углы наклона и поворота гирокоординатора ГСН.where ϑ _g , ψ _g are the angles of inclination and rotation of the GOS gyrocoordinator.

Датчик момента преобразует сигналы Δφ_y, Δφ_z в моменты коррекции M_y,z, разворачивающие гирокоординатор на цель:The torque sensor converts the signals Δφ _y , Δφ _z at the correction moments M _{y, z} , deploying the gyro coordinator to the target:

где k₁ - коэффициент пропорциональности;where k ₁ is the coefficient of proportionality;

T₁ - постоянная времени ФПУ;T ₁ - time constant FPU;

T₂ - постоянная времени датчика момента.T ₂ is the time constant of the torque sensor.

Передаточная функция гирокоординатора в упрощенной форме имеет вид:The transfer function of the gyrocoordinator in a simplified form is:

где H - кинетический момент ротора гирокоординатора.where H is the kinetic moment of the rotor of the gyrocoordinator.

Формируемые моменты коррекции и сигналы управления РП при достаточно малых T₁ и T₂ пропорциональны угловой скорости линии визирования цели:The formed correction moments and RP control signals at sufficiently small T ₁ and T _{2 are} proportional to the angular velocity of the target line of sight:

где T - постоянная времени контура слежения за целью, определяемая добротностью ГСН.where T is the time constant of the tracking loop for the target, determined by the quality factor of the GOS.

Недостатком такого формирования сигналов управления является ограничение пороговой чувствительности ГСН и вследствие этого ограничение дальности начала самонаведения. Увеличение максимальной дальности стрельбы при обеспечении требуемой точности попадания снаряда в цель возможно при увеличении дальности начала самонаведения в связи с необходимостью выбора снарядом увеличивающегося с увеличением дальности стрельбы рассеивания снаряда.The disadvantage of this formation of control signals is the limitation of the threshold sensitivity of the seeker and, consequently, the limitation of the range of the start of homing. An increase in the maximum firing range while ensuring the required accuracy of hitting the projectile at the target is possible with an increase in the range of the start of homing due to the need for the projectile to increase the dispersion of the projectile increasing with increasing firing range.

Спутниковые навигационные системы (СНС), обеспечивающие определение координат и скорости снаряда, позволяют осуществлять наведение снаряда на цель до начала наведения снаряда на цель по сигналам ГСН, что позволяет увеличить максимальную дальность стрельбы. Одной из проблем, связанных с использованием СНС, является зашумленность сигналов координат и скорости (в меньшей степени) снаряда.Satellite navigation systems (SNA), providing the determination of the coordinates and velocity of the projectile, allow the projectile to be aimed at the target before the projectile is aimed at the target using GOS signals, which allows to increase the maximum firing range. One of the problems associated with the use of the SNA is the noise of the coordinate signals and the velocity (to a lesser extent) of the projectile.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа формирования сигналов управления снарядом по сигналам СНС. Измерение СНС координат и скорости снаряда позволяет осуществлять наведение по методу пропорциональной навигации или по методу погони, когда сигналы управления формируются таким образом, чтобы вектор скорости снаряда был направлен на цель. Однако при наведении по методу погони контур наведения снаряда более чувствителен к расфазировке в сигналах управления, возникающей вследствие изменения требуемого угла фазирования системы при изменении частоты вращения снаряда по крену относительно его расчетного значения, определяемого при расчетном значении частоты вращения по крену. Поэтому наведение снаряда на цель по сигналам СНС осуществляется по методу пропорциональной навигации. Для обеспечения требуемой точности попадания снаряда в цель необходимо также уменьшить зашумленность измеренных СНС сигналов координат снаряда.The objective of the invention is to develop a method for generating control signals of the projectile according to the signals of the SNA. Measurement of the SNA coordinates and projectile speed allows for guidance using the proportional navigation method or the chase method, when control signals are generated so that the projectile velocity vector is aimed at the target. However, when guided by the chase method, the projectile guidance loop is more sensitive to misphasing in control signals resulting from a change in the required phasing angle of the system when the rotational speed of the projectile along the roll changes relative to its calculated value, which is determined by the calculated value of the roll speed. Therefore, the guidance of the projectile at the target by the signals of the SNA is carried out by the method of proportional navigation. To ensure the required accuracy of the projectile hitting the target, it is also necessary to reduce the noise level of the measured SSS of the projectile coordinate signals.

Решение задачи достигается тем, что в способе формирования сигналов управления снарядом, включающем определение угловой скорости линии визирования цели и формирование сигналов управления, пропорциональных угловой скорости линии визирования цели, угловую скорость линии визирования цели в вертикальной $${\dot{\theta }}_{лв}$$

и горизонтальной $${\dot{\varphi }}_{лв}$$

плоскостях определяют по сигналам проекций скорости снаряда V_x, V_y, V_z и сигналам сглаженных координат снаряда Х_ф, Y_ф, Z_ф, полученным посредством суммирования сигналов, пропорциональных интегралам измеренных проекций скорости снаряда, с сигналами, пропорциональными сглаженным разностям сигналов измеренных координат снаряда и интегралов измеренных проекций скорости снаряда, в соответствии с зависимостями:The solution is achieved by the fact that in the method of generating projectile control signals, including determining the angular velocity of the line of sight of the target and generating control signals proportional to the angular velocity of the line of sight of the target, the angular velocity of the line of sight of the target in vertical $${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}}$$

and horizontal $${\dot{\varphi }}_{l\mathrm{at}}$$

planes are determined by the projection velocity projection signals V _x , V _y , V _z and the signals of the projectile smoothed coordinates X _f , Y _f , Z _f obtained by summing the signals proportional to the integrals of the measured projections of the projectile velocity with the signals proportional to the smoothed differences of the measured coordinates signals projectile and integrals of the measured projections of the velocity of the projectile, in accordance with the dependencies:

где $${\dot{\theta }}_{лв},$$

$${\dot{\varphi }}_{лв}$$

- угловые скорости линии визирования цели в вертикальной и горизонтальной плоскостях;Where $${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}},$$

$${\dot{\varphi }}_{l\mathrm{at}}$$

- the angular velocity of the line of sight of the target in the vertical and horizontal planes;

Х_ф, Y_ф, Z_ф - сглаженные координаты снаряда;X _f , Y _f , Z _f - the smoothed coordinates of the projectile;

V_x, V_y, V_z - проекции скорости снаряда, измеренные СНС;V _x , V _y , V _z - projection of the velocity of the projectile, measured SNA;

Х_ц, Y_ц, Z_ц - координаты цели, введенные в аппаратуру снаряда перед стартом снаряда.X _c , Y _c , Z _c - target coordinates entered into the projectile equipment before the projectile starts.

Предлагаемый способ формирования управляющих сигналов осуществляется следующим образом. Перед пуском снаряда определяют координаты цели Х_ц, Y_ц, Z_ц и время начала наведения по сигналам СНС, отсчитываемое от момента старта. После пуска снаряда по истечении заданного промежутка времени измеряют координаты X, Y, Z и проекции скорости снаряда V_x, V_y, V_z, последние интегрируют, разности координат X, Y, Z и интегралов от соответствующих проекций скорости фильтруют, сигналы, полученные в результате фильтрации, суммируют с интегралами от соответствующих проекций скорости. По полученным сигналам Х_ф, Y_ф, Z_ф, проекциям скорости снаряда V_x, V_y, V_z и координатам цели Х_ц, Y_ц, Z_ц определяют угловые скорости разворота линии визирования цели в соответствии с зависимостями (1), (2). Затем формируют сигналы управления рулями, пропорциональные измеренным проекциям угловой скорости.The proposed method of generating control signals is as follows. Before launching the projectile, the coordinates of the target X _c , Y _c , Z _c and the start time of guidance on the signals of the SNA, counted from the start are determined. After the launch of the projectile after a predetermined period of time, the coordinates X, Y, Z and projections of the projectile velocity V _x , V _y , V _z are measured, the latter are integrated, the differences between the coordinates X, Y, Z and the integrals from the corresponding velocity projections are filtered, the signals received in filtering result, summarized with the integrals of the corresponding velocity projections. The received signals X _f , Y _f , Z _f , projections of the projectile velocity V _x , V _y , V _z and the target coordinates X _c , Y _c , Z _c determine the angular velocity of the turn of the line of sight of the target in accordance with the dependencies (1), ( 2). Then form the steering control signals proportional to the measured projections of the angular velocity.

Зависимости (1) и (2) позволяют вычислить угловые скорости наклона и разворота линии визирования цели. Углы наклона и разворота линии визирования цели определяются в соответствии с зависимостями:Dependencies (1) and (2) allow us to calculate the angular velocity of the slope and turn of the line of sight of the target. The angles of inclination and rotation of the line of sight of the target are determined in accordance with the dependencies:

где Y, Z - координаты снаряда.where Y, Z are the projectile coordinates.

Продифференцировав (3), (4), получим:Differentiating (3), (4), we obtain:

Угловую скорость наклона линии визирования целесообразно определять по упрощенной зависимости:The angular velocity of the slope of the line of sight, it is advisable to determine the simplified dependence:

так как величина $$\dot{\Theta }лв-\dot{\Theta }лв*$$

вплоть до срыва наведения (за секунду до подлета к цели) не превышает 0.27°/с, что соответствует точности определения угловой скорости линии визирования цели ГСН, и обеспечивает требуемую точность попадания.since the quantity $$\dot{\Theta }l\mathrm{at}-\dot{\Theta }l\mathrm{at}*$$

up to the failure of guidance (one second before approaching the target) it does not exceed 0.27 ° / s, which corresponds to the accuracy of determining the angular velocity of the line of sight of the target of the GOS, and provides the required accuracy of the hit.

Угловую скорость линии визирования цели необходимо определять в соответствии с зависимостями (1), (2), так как при численном дифференцировании выражений (3), (4) возникают дополнительные помеховые составляющие.The angular velocity of the line of sight of the target must be determined in accordance with the dependencies (1), (2), since the numerical differentiation of expressions (3), (4) creates additional interference components.

Сглаживание (фильтрация) координат, измеренных СНС, в соответствии с предлагаемым способом повышает точность измерения координат снаряда. Фильтрация в данном случае основана на различном уровне шумов, содержащихся в измеренных координатах и проекциях скорости: шумы проекций скорости достаточно малы, а шумы измеренных координат требуют фильтрации. Если проинтегрировать измеренные проекции скорости, то получим оценочные значения координат, содержащие меньший шум, чем непосредственно измеренные значения координат. Но чтобы измерять координаты интегрированием проекций скорости, необходимо иметь начальные условия, которые могут быть получены непосредственным измерением координат, следовательно, на начальные условия повлияет шум, присутствующий в измеренных координатах. Кроме того, возможно накопление ошибки интегрирования. Поэтому в предлагаемом способе интегралы от проекций скорости суммируют с сигналами, полученными в результате фильтрации разностей непосредственно измеренных координат и интегралов от проекций скорости. Апериодический фильтр служит для уменьшения амплитуды шума, содержащегося в непосредственно измеренной координате, но при этом в измеренную координату вносится запаздывание. Чтобы исключить несоответствие по времени, фильтрации подвергают не координату, а ее разность с координатой, полученной интегрированием проекции скорости. Величина на выходе фильтра служит поправкой на ошибку интегрирования. Поскольку требуемая поправка, в отличие от самих координат снаряда, изменяется медленно, запаздывание, вносимое в нее фильтром, является допустимым.Smoothing (filtering) the coordinates measured by the SNA in accordance with the proposed method improves the accuracy of measuring the coordinates of the projectile. Filtering in this case is based on a different level of noise contained in the measured coordinates and velocity projections: the noise of the velocity projections is quite small, and the noise of the measured coordinates require filtering. If we integrate the measured velocity projections, we obtain estimated coordinate values containing less noise than the directly measured coordinate values. But in order to measure coordinates by integrating velocity projections, it is necessary to have initial conditions that can be obtained by direct measurement of coordinates, therefore, the noise present in the measured coordinates will affect the initial conditions. In addition, the accumulation of integration errors is possible. Therefore, in the proposed method, the integrals of the velocity projections are summed with the signals obtained by filtering the differences of the directly measured coordinates and the integrals of the velocity projections. The aperiodic filter serves to reduce the amplitude of the noise contained in the directly measured coordinate, but at the same time, delay is introduced into the measured coordinate. In order to eliminate a time mismatch, the coordinate is not filtered, but its difference with the coordinate obtained by integrating the velocity projection. The value at the output of the filter is a correction for the integration error. Since the required correction, in contrast to the projectile coordinates themselves, changes slowly, the delay introduced into it by the filter is acceptable.

Предлагаемый фильтр координат аналогичен фильтру Калмана для измеренной координаты при наличии точно измеренной скорости. Уравнения фильтра Калмана, например, для координаты X в этом случае примут вид:The proposed coordinate filter is similar to the Kalman filter for the measured coordinate in the presence of a precisely measured speed. The Kalman filter equations, for example, for the X coordinate in this case will take the form:

где Δt - интервал приема сигнала СНС;where Δt is the reception interval of the SNA signal;

V_{x h-1} - измеренное на h-1 шаге значение проекции скорости снаряда;V _{x h-1} - measured at the h-1 step value of the projection of the velocity of the projectile;

$${\tilde{X}}_h$$

- координата на выходе фильтра; $${\tilde{X}}_h$$

- coordinate at the output of the filter;

Х_{изм h} - измеренное значение координаты.X _{ISM h} - the measured value of the coordinate.

Подставляя (5) в (6), получим:Substituting (5) in (6), we obtain:

Дискретное преобразование предлагаемого фильтра для координаты X определяется уравнением:The discrete transformation of the proposed filter for the X coordinate is determined by the equation:

Зависимость (9) аналогична зависимости (8) при переменной величине T, определяемой в соответствии с зависимостью:Dependence (9) is similar to dependence (8) for a variable T, determined in accordance with the dependence:

.

.

В предлагаемом способе постоянная времени T изменяется дискретно.In the proposed method, the time constant T varies discretely.

Предлагаемый способ управления снарядом поясняют графические материалы, приведенные на фигурах 1-5.The proposed method of controlling the shell explain the graphic materials shown in figures 1-5.

На фиг.1 приведена угловая скорость наклона линии визирования цели при определении ее в соответствии с зависимостью (1) - процесс 2 и при дифференцировании в соответствии с зависимостью (3) - процесс 1. Из фиг.1 видно, что угловая скорость, определяемая в соответствии с зависимостью (1), менее зашумлена.Figure 1 shows the angular velocity of the slope of the line of sight of the target when determining it in accordance with the dependence (1) - process 2 and when differentiating in accordance with the dependence (3) - process 1. From figure 1 it is seen that the angular velocity determined in according to dependence (1), less noisy.

На фиг.2 приведена структурная схема предлагаемого фильтра координат. На фиг.2 обозначено:Figure 2 shows the structural diagram of the proposed filter coordinates. In figure 2 is indicated:

Х_ф - координата X на выходе фильтра координат;X _f - X coordinate at the output of the coordinate filter;

Х_V - координата, определенная интегрированием измеренной скорости;X _V is the coordinate determined by integrating the measured speed;

ΔX - разность измеренных координат на выходе фильтра;ΔX is the difference of the measured coordinates at the filter output;

T - постоянная времени фильтра.T is the filter time constant.

На фиг.3, 4 приведены ошибки ΔX и ΔY определения координат X и Y без фильтрации (процесс 1), при фильтрации предлагаемым фильтром (процесс 2) с постоянной времени T, равной:Figure 3, 4 shows the errors ΔX and ΔY of determining the coordinates of X and Y without filtering (process 1), when filtering by the proposed filter (process 2) with a time constant T equal to:

а также при фильтрации фильтром Калмана без ограничения B_h (процесс 3) и при ограничении B_h при h>49 (процесс 4). Из фиг.3, 4 видно, что если коэффициент B_h фильтра Калмана не уменьшать ниже 0.05 (h>49), то при предлагаемом изменении постоянной времени предлагаемого фильтра установившиеся процессы фильтрации предлагаемым фильтром и фильтром Калмана с ограничением совпадают. Фильтр Калмана, у которого коэффициент В всегда без ограничения определяется формулой (7), подавляет шум эффективно, но постепенно уходит от истинного значения.as well as when filtering with a Kalman filter without restricting B _h (process 3) and when restricting B _h at h> 49 (process 4). From figure 3, 4 it is seen that if the coefficient B _{h of the} Kalman filter is not reduced below 0.05 (h> 49), then with the proposed change in the time constant of the proposed filter, the established filtering processes by the proposed filter and the Kalman filter with a restriction coincide. The Kalman filter, for which the coefficient B is always determined without limitation by formula (7), suppresses noise efficiently, but gradually moves away from the true value.

На фиг.5 приведены ошибки определения угловой скорости наклона линии визирования цели при отсутствии фильтрации (процесс 1), при фильтрации предлагаемым фильтром (процесс 2), при фильтрации фильтром Калмана без ограничения B_h (процесс 3) и с ограничением B_h (процесс 4). Из фиг.5 видно, что применение предлагаемого фильтра обеспечивает наилучшую фильтрацию, фильтр Калмана с ограничением наиболее близок к предлагаемому фильтру. Таким образом, предлагаемая фильтрация обеспечивает требуемую точность определения угловой скорости линии визирования цели при достаточной простоте реализации.Figure 5 shows errors in determining the angular velocity of the slope of the line of sight of the target in the absence of filtration (process 1), when filtering with the proposed filter (process 2), when filtering with a Kalman filter without restriction B _h (process 3) and with restriction B _h (process 4 ) Figure 5 shows that the use of the proposed filter provides the best filtration, Kalman filter with a restriction is closest to the proposed filter. Thus, the proposed filtering provides the required accuracy in determining the angular velocity of the line of sight of the target with sufficient ease of implementation.

Claims (1)

Способ формирования сигналов управления снарядом, включающий определение угловой скорости линии визирования цели, формирование сигналов управления рулями, пропорциональных угловой скорости линии визирования цели, отличающийся тем, что угловую скорость линии визирования цели в вертикальной $${\dot{\theta }}_{лв}$$

и горизонтальной $${\dot{\varphi }}_{лв}$$

плоскостях определяют по сигналам проекций скорости снаряда V_x, V_y, V_z и сигналам сглаженных координат снаряда Х_ф, Y_ф, Z_ф, полученным посредством суммирования сигналов, пропорциональных интегралам измеренных проекций скорости снаряда с сигналами, пропорциональными сглаженным разностям сигналов измеренных координат снаряда и интегралов измеренных проекций скорости снаряда, в соответствии с зависимостями:
$${\dot{\theta }}_{лв}=\frac{V_x(Y_{ц}-Y_{ф})-V_y({Х}_{ц}-{Х}_{ф})}{{({Х}_{ц}-{Х}_{ф})}^2+{(Y_{ц}-Y_{ф})}^2};$$

$${\dot{\phi }}_{лв}=-\frac{V_x(Z_{ц}-Z_{ф})-V_z({Х}_{ц}-{Х}_{ф})}{{({Х}_{ц}-{Х}_{ф})}^2+{(Z_{ц}-Z_{ф})}^2},$$

где $${\dot{\theta }}_{лв}$$

, $${\dot{\varphi }}_{лв}$$

- угловые скорости линии визирования цели в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
X_ф, Y_ф, Z_ф - сглаженные координаты снаряда;
V_x, V_y, V_z - проекции скорости снаряда;
Х_ц, Y_ц, Z_ц - координаты цели. A method for generating projectile control signals, including determining the angular velocity of the target line of sight, generating rudder control signals proportional to the angular speed of the target line of sight, characterized in that the angular velocity of the target line of sight in vertical $${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}}$$

and horizontal $${\dot{\varphi }}_{l\mathrm{at}}$$

planes are determined by the projection velocity projection signals V _x , V _y , V _z and the signals of the projectile smoothed coordinates X _f , Y _f , Z _f obtained by summing the signals proportional to the integrals of the measured projections of the projectile velocity with the signals proportional to the smoothed differences of the signals of the measured projectile coordinates and the integrals of the measured projections of the velocity of the projectile, in accordance with the dependencies:
$${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}}=\frac{V_x(Y_c-Y_f)-V_y(X_c-X_f)}{{(X_c-X_f)}^2+{(Y_c-Y_f)}^2};$$

$${\dot{\phi }}_{l\mathrm{at}}=-\frac{V_x(Z_c-Z_f)-V_z(X_c-X_f)}{{(X_c-X_f)}^2+{(Z_c-Z_f)}^2},$$

Where $${\dot{\theta }}_{l\mathrm{at}}$$

, $${\dot{\varphi }}_{l\mathrm{at}}$$

- the angular velocity of the line of sight of the target in the vertical and horizontal planes;
X _f , Y _f , Z _f - the smoothed coordinates of the projectile;
V _x , V _y , V _z - projection of the velocity of the projectile;
X _n, Y _n, Z _n - target coordinates.

Images