|
Оглавление
Предисловие
Целью настоящей работы является дать в руки разработчику набор решений наиболее распространенных задач, с которыми сталкивается проектирование алгоритмов наведения (управления) тактических ракет. Под нечетким термином «тактические ракеты» имеются в виду боевые ракеты малого и среднего радиуса действия (от десятков до сотен километров по дальности) для поражения подвижных или неподвижных целей в основном в войсковых операциях. Приводятся примеры алгоритмов наведения пригодных для зенитных ракет, для ракет «воздух — воздух», «воздух — поверхность», для маловысотных крылатых ракет, управление которыми строится на базе бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). В работе делается акцент на БИНС из 3-х датчиков линейных ускорений (акселерометров) и 3-х датчиков угловых скоростей, которые жестко закреплены на БПЛА по трем осям связанной (строительной) системы координат (ССК). Если бы погрешности измерений акселерометров и датчиков угловых скоростей были относительно малыми для приемлемой точности определения местоположения БПЛА, то система управления была бы неуязвимой для противника, поскольку БИНС не получает информации извне и ничего не излучает. Это — автономные системы. Однако на практике погрешности датчиков бывают настолько значительными, что автономные инерциальные системы не могут использоваться на всех участках траектории БПЛА. Информацию БИНС добавляют или радиосигналами, или головками самонаведения (ГСН), или высотомерами, или приемной аппаратурой спутниковых навигационных комплексов и др. Сочетания с информацией от ГСН на конечных участках траекторий ЛА нашли отражение в этой работе. Такие системы называются корректируемыми. Также изложены и наиболее общие принципы построения контуров стабилизации БПЛА постольку, поскольку сигналы управляющие каналами системы стабилизации являются результатом функционирования алгоритмов наведения (управления). Сами ракеты по тексту работы мы называем то объектами управления, то изделиями, как это принято в промышленности, то ЛА, то БПЛА, в зависимости от контекста. Однако отмечаем, что аббревиатурой БПЛА последнее время обозначают в основном квадрокоптеры и дроны. Мы же имеем в виду летательные аппараты с бортовой инерциальной системой навигации и твёрдотопливными ускорителями, как основного отличия от радиоуправляемых дронов. Однако мы не исключаем, что некоторые приёмы управления, представленные в настоящей работе, могут быть применимы и в других БПЛА. Авторы находятся в убеждении, что качественного управления ракетой можно добиться только при тесной совместной разработке алгоритмов наведения и алгоритмов стабилизации. Каким бы ни был оптимальным алгоритм наведения с теоретической точки зрения, он не достигнет положительного эффекта, если не будет сочетаться с реалиями контуров стабилизации и особенностями самого объекта управления. Увлечение чисто теоретическими вопросами оптимальности систем управления время от времени бывает модным. Однако общие подходы оказались малопригодными для разработки сложных систем высокого порядка и в особенности систем управления нестационарными и нелинейными БПЛА. Стремление к оптимальности разрабатываемых систем управления полетом — понятно. Нормальному человеку всегда хочется сделать работу наилучшим образом. Какие-то отдельные приемы из теории оптимального управления полезны на отдельных участках траектории, при оптимизации отдельных коэффициентов контуров стабилизации, или наведения, и уж во всяком случае — при написании и защите диссертаций. В этом их неоспоримое достоинство. На деле же, хорошо, если в качестве исходного пункта разработки системы выбран вариант алгоритмов, не противоречащий здравому смыслу. Дальше путь к оптимальности восполняется моделированием, сначала математическим, потом и полунатурным. Бытует мнение, что наши французские коллеги так и поступают — моделируют, моделируют, моделируют и в результате вымоделировывают (какое слово — а?) наилучший вариант. Несколько слов о приоритетах. Многие алгоритмы или приемы, о которых повествуется в этой книжке, достаточно просты, понятны и давно применяются. Однако у них были когда-то авторы, которых мы не знаем по двум причинам. Первая это то, что в недалеком прошлом не принято было выделяться из общей обезличенной массы. Вторая заключается в том, что многие материалы необоснованно засекречивались. Здесь не лишним стоит упомянуть, что прикладная математика — наука несекретная. Случалось, засекречивали то, что стыдно было представить как новизну. Так или иначе, авторы выражают искреннюю признательность, памятливость и благодарность тем многим талантам, трудами которых создавалась отечественная ракетная техника. Материал настоящей работы написан практиками для практиков, не претендует (в большинстве случаев) на теоретическую новизну и оригинальность идей и написан настолько просто, насколько возможно. Однако, невзирая на эту простоту, математические соотношения, приводимые в работе, описывают пространственное движение ЛА. Мы старались изложить материал не только на идейном уровне, но чтобы он был пригоден к практическому применению. Математический аппарат, которым должен владеть читатель — очень скромный. Надо вспомнить азы теории автоматического управления, уметь перемножать матрицы, знать, что такое векторное и скалярное произведение векторов и вспомнить, какими формулами описываются силы и моменты, действующие на летательный аппарат. Помимо этого желательно иметь хотя бы минимальное пространственное воображение. Авторы выражают надежду на то, что представленные алгоритмические решения не будут восприниматься читателем, как готовые застывшие схемы, но как исходные каркасные варианты, развивая и надстраивая которые разработчик доведет до высокого уровня качество алгоритмов наведения именно для своего летательного аппарата. Несколько слов о расположении материала этой работы в качестве «путеводителя». В главе 1 изложены общие задачи, решаемые в системах управления тактическими ракетами. Аппаратурный состав систем, совместное функционирование частей системы, навигация, стабилизация — так, или иначе, взаимодействуют друг с другом. Вся основная и самая объёмная глава 2 посвящена собственно наведению. Представлены управление перегрузками, самонаведение, пересчет требуемых ускорений в команды на систему стабилизации, угловое управление, управление высотой полета, специфические моменты управления ракетами «воздух — воздух» (применимые и для ракет «воздух — поверхность»), а также некоторые детали управления крылатыми ракетами дальнего радиуса действия, которые весьма условно также можно отнести к тактическим ракетам. Краткая глава 3 посвящена особенностям управления в разреженных слоях атмосферы в отличие от всех других глав, где обсуждается аэродинамическое управление. Название главы 4, означает, что приведенные там алгоритмы не участвуют в выработке собственно команд управлении БПЛА, однако необходимы для информационного обмена с ГСН и РЛС. Глава 5 предлагает вариант (далеко не единственный) оценки точности БИНС. В главе 6 обсуждаются концепции математического моделирования процессов наведения. Представлено наведение как внешний контур системы управления с обсуждением темпов счёта всех алгоритмов. Кроме того, предлагается вариант упрощенной модели наведения на аэродинамическом участке, а также упрощенная модель ГСН. Также приведено описание вариантов движения «цели», полезных при моделировании. Список литературы небольшой, но по нашему мнению, представительный. Нет нужды объяснять, что такие работы, о которых мы говорим здесь, делаются в больших коллективах, где каждый вносит свою долю труда и таланта. Это очевидно когда речь идет о материальной части создания ракетной техники — корпусов ракет, их ускорителей, управляющих органов, приводов и проч. Но эта коллективность достаточно ясна и в работах по бортовой математике. Поэтому мы искренне благодарны всем тем, кто помогал нам своими советами, результатами моделирования, участием в изготовлении графических материалов, а также отмечаем тот факт, что такая работа могла быть осуществлена только в доброжелательном и комфортном климате коллектива. Перечислять всех поимённо — это, может быть, невольно кого-то забыть, а с другой стороны представить большой список помощников — это вызвать подозрение, что мы не сами написали эту книжку! Примечания в сносках следует считать авторскими, если это не оговорено словами «прим. ред.». Надеемся, что наша работа принесёт пользу.
Москва, июнь 2023 г.
Об авторах
 Беляев Андрей Викторович В 1962 г. поступил в Московский энергетический институт на факультет автоматики и телемеханики. Слушал лекции доцента Н. Г. Сушкина — по физике, доцента И. А. Брина — по различным разделам математики, профессора Я. З. Цыпкина — по специальности «теория автоматического управления». С 1969 г. работает в Государственном научно-исследовательском институте приборостроения (современное название — ОАО «ГосНИИП»).
Специализация — проектирование контуров управления полетом беспилотных летательных аппаратов, алгоритмизация и программирование задач бортовых вычислителей. Соавтор семи эскизных проектов, пяти аванпроектов; участвовал в создании трёх ракетных систем, сданных на вооружение. Автор шести статей и докладов, обладатель девяти авторских свидетельств на изобретения.  Горнов Илья Владимирович Окончил Московский авиационный институт в 2011 г. по специальности «инженер по системам управления в технических системах». С 2008 г. начал работу в Государственном научно-исследовательском институте приборостроения (ГосНИИП) в должности инженера-стажёра. В настоящее время работает начальником сектора в ГосНИИП. В течение трудовой карьеры активно занимается вопросами наведения и стабилизации разных классов летательных аппаратов, является наставником для студентов и молодых инженеров.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
