Автоматизированная установка для измерений пеленгационных ошибок, вносимых радиопрозрачными обтекателями антенн головок самонаведения ракет

Автоматизированная установка для измерений пеленгационных ошибок, вносимых радиопрозрачными обтекателями антенн головок самонаведения относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для экспериментальной оценки радиотехнических характеристик головок самонаведения, содержащих антенну, защищаемую радиопрозрачным обтекателем. Заявленная установка содержит дистанционно управляемое двухкоординатное опорно-поворотное устройство, содержащее датчики углового положения обтекателя (по курсу «» и по тангажу «»), пеленгационную антенну головок самонаведения, измерительные антенны (имитаторы цели), измерительные устройства (для измерения амплитудно-фазовых соотношений сигналов и относительных значений амплитуды), генератор (источник зондирующих излучений), управляющий компьютер. Техническим результатом является повышение точности оценки пеленгационных ошибок, первоначальная калибровка измерительной установки, учет пеленгационных ошибок по ортогональной координате, возможность измерений радиотехнических характеристик во всем секторе сканирования, высокая производительность измерений.

Техническое решение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для обеспечения требуемых значений радиотехнических характеристик (РТХ) головок самонаведения (ГСН), содержащих антенну, защищаемую радиопрозрачным обтекателем.

Для обеспечения необходимой точности наведения ракеты на цель требуется с высокой точностью определять и учитывать пеленгационные ошибки, вносимые радиопрозрачным обтекателем, а также изменение степени ослабления обтекателем мощности сигналов от цели при различных взаимных угловых положениях радиооптической оси защищаемой пеленгационной антенны ГСН и строительной оси (оси симметрии - далее, оси) антенного обтекателя.

Известны устройства для измерения пеленгационных ошибок антенных обтекателей, содержащие опорно-поворотное устройство (ОПУ) для взаимного перемещения обтекателя относительно пеленгационной антенны, датчики положения обтекателя, размещаемые перед пеленгационной антенной вспомогательные излучающие антенны (имитаторы цели), источник зондирующих сигналов, подаваемых на вспомогательные антенны (имитаторы цели) и измерительную аппаратуру, подключаемую к суммарному и разностным (по курсу и тангажу) выходам пеленгационной антенны.

Примерами могут служить устройства по изобретениям SU 459744, RU 2133478, RU 2287834.

Общими недостатками известных устройств является низкая точность и недостаточная полнота оценки влияния обтекателя на РТХ ГСН в секторе сканирования пеленгационной антенны ГСН.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство по патенту RU 2287834С1.

Недостатками данного устройства, принимаемого в качестве ближайшего аналога по отношению к заявленному техническому решению, являются:

1) низкая точность оценки пеленгационных ошибок, вносимых обтекателем при его различных угловых положениях относительно пеленгационной антенны, вследствие применения комбинированного экспериментально-расчетного метода оценки измеряемых характеристик;

2) отсутствие первоначальной калибровки (аттестации) измерительной установки;

3) отсутствие учета пеленгационных ошибок по ортогональной координате (по тангажу - при перемещении обтекателя в направлении курсовой плоскости);

4) отсутствие возможности измерений РТХ во всем секторе сканирования;

5) низкая производительность измерений.

Целью заявленного решения является устранение недостатков аналога.

Указанная цель и заявленный технический результат достигаются тем, что предлагаемая автоматизированная установка содержит дистанционно управляемое двухкоординатное ОПУ 1, содержащее датчики углового положения обтекателя по курсу «» и по тангажу «» и обеспечивающее угловое перемещение обтекателя 2 относительно неподвижной пеленгационной антенны ГСН 3 по координатам «» и «» в пределах штатного сектора сканирования (₁ - ₂, ₁ - ₂) антенны ГСН 3 относительно оси обтекателя 2 в составе ГСН, измерительные антенны 4.1÷4.5 (имитаторы цели), размещаемые в дальней зоне антенны ГСН, одна из которых 4.1 предварительно устанавливается в точке равносигнального направления (РСН) антенны ГСН 3, а другие (4.2÷4.4) размещаются в плоскости XY, ортогональной исходному РСН антенны ГСН 3 на расстояниях (±L_x1) и (±L_y1) от первой из указанных измерительных антенн - 4.1 (в обе стороны - по курсу «» и тангажу «»), эквивалентных максимальным значениям пеленгационных ошибок «_х» и «_y» по курсу и тангажу, подлежащих измерениям, каждая измерительная антенна 4.1÷4.5 подключается к соответствующему коммутируемому выходу программно управляемого генератора 5 - источника зондирующих излучений, суммарный A и разностные (А и А) выходы антенны ГСН 3 подключены к соответствующим входам измерительных устройств 6.1 и 6.2, обеспечивающих измерение амплитудно-фазовых соотношений сигналов с выходов разностных каналов антенны ГСН по отношению к сигналам с суммарного выхода антенны ГСН, а также к устройству 6.3, обеспечивающему измерение относительных значений амплитуды A сигнала с суммарного выхода A антенны ГСН 3 по отношению к амплитуде опорного сигнала А_on, ответвленного от выхода А_on генератора 5 - источника зондирующего излучения, выходы датчиков и ОПУ 1 и выходы А, Ф, А, Ф, A измерительных устройств 6.1, 6.2 и 6.3 подключены через интерфейсные шины к управляющему компьютеру 7 измерительной установки, управляющие выходы которого подключены к входам и дистанционно управляемых приводов ОПУ 1 по курсу «» и тангажу «», а также к входу программно управляемого генератора 5 (в том числе - для управления коммутацией зондирующих сигналов, подаваемых поочередно на измерительные антенны 4.1÷4.5).

Устройство заявленной установки поясняется на фиг.1, где соответствующими номерами указаны составные части установки, перечисленные выше, а также приведены существенные конструктивные связи между составными частями, обеспечивающие реализацию заявленного технического эффекта.

Заявленная измерительная установка фиг.1 имеет несколько режимов работы и несколько модификаций ее технической реализации:

1) режим калибровки;

2) режим измерений с неподвижными измерительными антеннами (имитаторами цели);

3) режим измерений РТХ на промежуточной частоте ГСН.

Работа измерительной установки фиг.1 в режиме калибровки производится при снятом обтекателе 2. С помощью вспомогательных средств (например, подвижного штатива с подвижным креплением измерительной антенны 4.1) измерительная антенна 4.1 устанавливается на РСН пеленгационной антенны ГСН 3 по курсу «_o» и тангажу «_o». Установка измерительной антенны 4.1 производится путем постоянной подачи на нее зондирующих сигналов с выхода генератора 5 и анализа текущих значений амплитуд А и А с выходов разностных каналов пеленгационной антенны ГСН 3, измеряемых с помощью измерителей амплитудных и фазовых соотношений (далее - амплифазометров АФ) (измерительные устройства 6.1 и 6.2). На основе этих измерений при нахождении измерительной антенны 4.1 на РСН «_o» по тангажу и в процессе последовательного перемещения этой измерительной антенны 4.1 по координате X (копланарной курсовой плоскости «_i, _o») в обе стороны от РСН «_o» по курсу будут получены амплитудная и фазовая диаграммы разностного канала антенны ГСН 3 по курсу А(l_х) и Ф(l_х), характерный вид которых приведен на фиг.2. Амплитудная и фазовая диаграммы А(l_y)и Ф(l_y)разностного канала по тангажу будут получены аналогичным образом при постоянном нахождении измерительной антенны 4.1 на РСН по курсу _o и при перемещении измерительной антенны 4.1 в ортогональном направлении ±Y, копланарном плоскости тангажа _i. Формы диаграмм по курсу и тангажу (при симметрии антенны ГСН 3) будут аналогичны фиг.2.

Расстояния (+l_x) и (-l_x) соответствуют крайним точкам линейного участка фазовой диаграммы фиг.2 разностного канала по курсу. Аналогично, для тангажа получим расстояния (+l _y) и (-l_y).

Расстояние R между фазовым центром пеленгационной антенны ГСН 3 и фазовым центром измерительной антенны 4.1 должно удовлетворять условиям дальней зоны, т.е. по известному из антенной техники и техники антенных измерений соотношению должно удовлетворять условию:

где R - расстояние между фазовым центром пеленгационной антенны ГСН 3 и фазовым центром измерительной антенны 4.1 (плоскостью расположения фазовых центров измерительных антенн 4 - при нескольких антеннах в составе установки);

D - максимальный размер раскрыва апертуры антенны ГСН 3;

- длина волны излучения, на которой работает ГСН.

Исходя из известного расстояния R между фазовыми центрами пеленгационной антенны ГСН 3 и измерительной антенны 4.1 отклонения от РСН на величину (±l_x1) по курсу n на величину (±l _y1) по тангажу при измерении калибровочных диаграмм фиг.2 по курсу (аналогичной - по тангажу) соответствуют угловым отклонениям линии пеленга от РСН на величины (±₁) и {±₁), определяемые по известным тригонометрическим соотношениям:

Из соотношений (2) следует, что если ожидаемые максимальные значения пеленгационных ошибок (_max) или (_max), вносимых обтекателем 2, не превышают значений ₁ и ₁ по соотношению (2), то в составе измерительной установки фиг.1 не требуется применять дополнительные измерительные антенны 4.2 и 4.3 по координате X или измерительные антенны 4.4 и 4.5 по координате Y, соответственно.

Если ожидаемые значения пеленгационных ошибок (_max) или (_max) превышают значения, получаемые по соотношению (2) на основе калибровочных амплитудных и фазовых диаграмм разностных каналов фиг.2, то в соответствующих направлениях сканирования обтекателя 2 необходимо устанавливать дополнительные измерительные антенны 4.

Количество дополнительных измерительных антенн, которые необходимо разместить в этом случае по каждую сторону от основной измерительной антенны 4.1, будет определяться максимальным значением измеряемой пеленгационной ошибки по курсу и тангажу, соответственно. Соотношение для выбора количества дополнительных измерительных антенн по курсу в направлении (±X) (аналогично - по тангажу в направлении Y) будет иметь вид:

где: ₁ - угловая ширина амплитудной диаграммы разностного канала фиг.2, соответствующая линейному участку фазовой диаграммы этого же канала;

n(+x), n(-x) - количество дополнительных измерительных антенн, располагаемых по обе стороны от основной измерительной антенны 4.1 (целые числа).

Калибровочные амплитудные и фазовые диаграммы разностных каналов по курсу и тангажу фиг.2, полученные указанным способом, заносятся в память управляющего компьютера 7 в виде таблиц:

Достоинством таких таблиц является то, что (в зависимости от реализуемой точности измерения амплитудных (U,U) и фазовых (Ф,Ф) соотношений сигналов на выходе разностных каналов) определение значений пеленгационных ошибок можно производить на основе амплитудных и фазовых или на основе только фазовых диаграмм разностных каналов фиг.2. В первом случае основой является амплитудная диаграмма (U), а фазовая диаграмма лишь используется для определения направления смещения линии пеленга (плюс Ф или минус Ф).

При необходимости дальнейшего повышения точности может быть произведена дополнительная калибровка амплитудно-фазовых диаграмм разностных каналов фиг.2 при надетом обтекателе. В этом случае после установки обтекателя 2 на ОПУ 1 для нескольких угловых положений _i обтекателя 2 производится оценка величины пеленгационной ошибки по диаграммам фиг.2 (на основе измеренных значений U_i и Ф_i), а после этого измерительная антенна 4.1 указанным ранее способом перемещается в результирующее положение РСН l _xi. На основе соотношения (2) определяется фактическое значение пеленгационной ошибки которое сравнивается с расчетным значением , полученным на основе калибровочных амплитудно-фазовых диаграмм (4). Разность этих значений будет определять методическую погрешность измерений при неподвижных измерительных антеннах 4:

где: - значение погрешности измерений методом неподвижных измерительных антенн;

- значение пеленгационной ошибки, полученное для положения обтекателя «_i» на основе калибровочных диаграмм (4);

- значение пеленгационной ошибки для того же положения обтекателя, полученное перемещением измерительной антенны 4.1 на результирующее РСН (прямым методом).

Данная процедура представляет собой существо метода калибровки и поверки установки, обеспечивающей требуемую точность измерений.

Работа измерительной установки в режиме измерений пеленгационных ошибок и коэффициента прохождения при неподвижных измерительных антеннах осуществляется следующим образом.

По результатам калибровки в памяти управляющего компьютера 7 формируются калибровочные зависимости значений пеленгационных ошибок от значений амплитуды и фазы в разностных каналах, а также зависимости значений амплитудной диаграммы суммарного канала при угловых смещениях от исходного направления пеленга:

где: и - калибровочные таблицы (4);

, - относительные значения амплитуд сигналов на выходе суммарного канала, полученные при смещениях измерительной антенны 4.1 по X и Y, соответственно (синхронно с измерениями диаграмм фиг.2).

В исходном состоянии основная измерительная антенна 4.1 находится на РСН пеленгационной антенны ГСН 3 и постоянно закреплена. Необходимое количество других измерительных антенн 4.i устанавливают по обе стороны от основной измерительной антенны 4.1 на расстояниях от ее фазового центра (±l_xi ) и (±l_yj), определяемых из соотношения (3):

где: l_xi, l_yj - расстояние между фазовым центром основной измерительной антенны 4.1 и фазовыми центрами последующих номеров «n_i» и «n _j» дополнительных измерительных антенн по координатам «X» и «Y», количество которых определяется по соотношению (3).

По завершении калибровки измерительной установки на ОПУ 1 устанавливается обтекатель 2 и начинается цикл измерений, включающий:

1) отсчет текущего положения (_i, _j) обтекателя 2 по курсу и тангажу относительно исходного РСН «_oo» пеленгационной антенны ГСН 3. Значение текущих координат (_i, _j) определяются с помощью датчиков угловых положений «» и «», входящих в состав ОПУ 1.

Коды значений координат (_i, _j) по интерфейсным шинам поступают в управляющий компьютер 7, который осуществляет автоматическое управление перемещением обтекателя 2 с помощью дистанционно управляемых приводов ОПУ. При этом во избежание поломки обтекателя, для каждого текущего значения координат положения обтекателя по тангажу (_j) управляющий компьютер 7 контролирует предельно допустимые значения [_max(_j)] положения обтекателя по курсу - определяемых границами сектора сканирования обтекателя 2 относительно антенны ГСН 3 (конструкцией системы «антенна-обтекатель» ГСН). До тех пор, пока результирующее положение РСН не выйдет за пределы (±₁,±₁), определяемых на основе калибровочных таблиц (6) и соотношения (2) для основной измерительной антенны 4.1, зондирующие сигналы с выхода генератора 5 подаются на вход измерительной антенны 4.1. При увеличении значения пеленгационной ошибки или за пределы зоны измерения с применением основной измерительной антенны зондирующие сигналы под управлением компьютера 7 начинают подавать с выхода генератора 5 на следующую по расположению дополнительную измерительную антенну. Для каждого текущего положения обтекателя 2 (_i, _j) производятся измерения амплитудных и фазовых соотношений (U, Ф, U, Ф) сигналов с выходов разностных каналов антенны ГСН 3, а также амплитудных соотношений U с выхода суммарного канала антенны ГСН 3. Коды этих значений с выходов соответствующих измерительных устройств 6.1, 6.2, 6.3 поступают в управляющий компьютер 7, где производится определение текущих значений пеленгационных ошибок, крутизны пеленгационных ошибок (КПО) по каждой координате и текущего значения коэффициента прохождения обтекателя.

Текущие значения пеленгационных ошибок и определяются на основе измеренных значений (U, Ф) и (U, Ф) с помощью калибровочных таблиц (6). При выходе значения пеленгационной ошибки за пределы зоны измерения основной измерительной антенны 4.1 компьютер автоматически к основному значению пеленгационной ошибки, полученной по исходной калибровочной таблице (6), добавляет поправку на номер положения (n_i ) или (n_j) дополнительной измерительной антенны, вытекающей из соотношений (7). Определение коэффициента прохождения обтекателя по амплитуде осуществляется путем деления текущего значения U(_i, _j) на калибровочные значения U из калибровочной таблицы (6) в памяти управляющего компьютера.

Циклы измерений повторяются после установки обтекателя 2 с помощью ОПУ 1 под управлением компьютера 7 в очередное угловое положение _j+1 по тангажу и перемещения обтекателя 2 по координате (по курсу) в пределах сектора сканирования, допустимого для данного углового положения _j+1 по тангажу. Измерения полностью заканчиваются после прохождения всех курсовых сечений в пределах сектора сканирования по тангажу. В результате этого в компьютере будет получен массив значений основной пеленгационной ошибки {,) и ортогональной составляющей {, ) пеленгационных ошибок, вносимых обтекателем при различных его угловых положениях относительно радиооптической оси пеленгационной антенны ГСН 3. Одновременно будет сформирован массив значений коэффициента прохождения T(, ) сигналов для различных взаимных положений обтекателя 2 и антенны ГСН 3 в секторе сканирования (₁-₂)×(₁-₂). При необходимости более точной оценки векторных значений пеленгационных ошибок пеленгационная антенна ГСН 3 может быть переустановлена на ОПУ 1 с разворотом на 90°. Положение курсовой и тангажной плоскостей при этом поменяются, полный цикл измерений будет повторен для нового положения антенны ГСН 3.

Рассмотренный метод измерений с применением установки фиг.1 позволяет достичь более высокой точности оценки значений пеленгационных ошибок, КПО (непрерывно вычисляемых в компьютере по мере перемещения обтекателя по координатам и ) и коэффициента прохождения - по сравнению с аналогом.

Обеспечивается достоверная первичная калибровка (аттестация) измерительной установки, метрологические характеристики которой непосредственно определяются средствами измерений, входящих в состав установки. Обеспечивается полнота оценки влияния обтекателя во всем секторе сканирования антенны ГСН 3 относительно обтекателя 2. Таким образом, заявленный технический результат, заключающийся в обеспечении достоверности измерений путем первоначальной калибровки, повышении точности и полноты оценки значений РТХ ГСН достигнут.

Режим измерений РТХ ГСН на промежуточной частоте используют в тех случаях, когда измерительные устройства 6.1, 6.2 и 6.3 при измерениях на частоте зондирующих сигналов f не обладают необходимой чувствительностью или когда требуется достоверная оценка значений РТХ с использованием штатных каскадов преобразования частоты и усиления на промежуточной частоте F_П из состава ГСН. Для реализации этого режима в составе измерительной установки фиг.1 генератор 5 выполняют в виде синтезатора частоты, имеющего выход на частоте зондирующих сигналов f₁, подключаемый к измерительной антенне 4.1 (а также к дополнительным измерительным антеннам 4 установки фиг.1), выход сигнала гетеродина f₂, подаваемый на смесители суммарного и разностных каналов в составе штатной антенны ГСН 3, и выход опорного сигнала по промежуточной частоте F_П, подаваемый на вход измерителя амплитуды суммарного канала (измерительное устройство 6.3). В качестве измерительных устройств 6.1, 6.2 и 6.3 в этом случае используют измерители амплитудных соотношений и разности фаз, аналогичные по функциям для ранее рассмотренного режима работы измерительной установки фиг.1, но подключаемые к выходам штатных каскадов усиления промежуточной частоты (УПЧ) из состава штатной антенны ГСН 3 и измеряющие амплитудно-фазовые соотношения сигналов с выходов разностных и суммарного каналов антенны ГСН 3 на промежуточной частоте F_П.

Во всем остальном реализация измерений в модификации измерительной установке фиг.1, использующей измерения амплитудных и фазовых сигналов на промежуточной частоте F_П, аналогична рассмотренному ранее способу измерений РТХ ГСН с использованием неподвижной измерительной антенны 4.1.

Техническая реализация заявленных вариантов измерительной установки фиг.1 осуществляется на основе устройств, известных из уровня техники. В качестве ОПУ используется устройство, идентичное таким же устройствам из состава аналогов. В качестве измерительных устройств для измерения амплитудных и фазовых соотношений используются серийные цифровые измерительные приборы (амплифазометры, измерители векторных параметров сигналов), выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью. В качестве генераторов используются серийные программноуправляемые генераторы отечественного и зарубежного производства на соответствующие диапазоны частот работы ГСН (в том числе - по схеме синтезатора частоты). В качестве управляющего компьютера используется серийный персональный компьютер отечественного или зарубежного производства. ОПУ реализуется на основе конструктивных решений, известных из уровня техники еще с 70-х годов прошлого столетия (например, оборудования фирмы «Signtific Atlanta», США, Калифорния). Отсчеты положений ОПУ осуществляются с помощью серийных кодовых датчиков перемещений отечественного или зарубежного производства, обладающих необходимой точностью.

Заявленная измерительная установка и ее модификации могут применяться при экспериментальной отработке ГСН на стадии разработки опытных образцов, при серийном изготовлении ГСН и антенных обтекателей, а также при контроле технического состояния ГСН на ремонтных предприятиях и в сервисных центрах.

1. Автоматизированная установка для измерений пеленгационных ошибок, вносимых радиопрозрачными обтекателями антенн головок самонаведения (ГСП) ракет (далее - установка), включающая штатную антенну ГСН (далее - антенна), опорно-поворотное устройство (ОПУ), обеспечивающее установку и управляемое перемещение измеряемых радиопрозрачных обтекателей антенны ГСП (далее - обтекатель) по двум ортогональным угловым координатам курса и тангажа относительно неподвижно закрепленной антенны, ОПУ содержит датчики перемещения и дистанционно управляемые приводы по каждой координате (курса и тангажа), измерительную антенну, размещаемую в дальней зоне антенны ГСН в положении, соответствующем равносигнальному направлению (РСН) разностных каналов антенны при снятом обтекателе, дополнительные измерительные антенны, размещаемые по сторонам от основной измерительной антенны в пределах максимально возможных угловых отклонений РСН антенны под влиянием обтекателя по обоим разностным каналам антенны ГСН, генератор зондирующих сигналов с коммутируемыми выходами, подключенными к входам основной и дополнительных измерительных антенн, и с выходом опорного сигнала, измерители амплитудных и фазовых соотношений сигналов разностных каналов по отношению к суммарному каналу антенны ГСН, измерительными входами подключенные к выходам разностных каналов антенны ГСН по курсу и тангажу, а опорными входами подключенные к выходу суммарного канала ГСН, измеритель относительных значений амплитуды сигналов, измерительным входом подключенный к выходу суммарного канала антенны ГСН, опорным входом подключенный к выходу опорного сигнала генератора зондирующих сигналов, управляющий компьютер, ко входам которого через интерфейсные шины подключены выходы измерителей амплитудно-фазовых соотношений и измерителя относительных значений амплитуды сигналов с выходов разностных и суммарного каналов антенны ГСН соответственно, а также выходы датчиков положения ОПУ по курсу и тангажу, а управляющие выходы компьютера через интерфейсные шины подключены ко входам дистанционного управления приводом ОПУ по курсу и тангажу, а также к управляющему входу генератора зондирующих сигналов, при этом перед началом измерений в память компьютера установки введены таблицы калибровочных значений амплитудной и фазовой диаграмм для каждого разностного канала антенны ГСН при отсутствии обтекателя в виде зависимостей значений амплитуды и фазы на выходе разностных каналов от величин углового смещения направления РСН, эквивалентных пеленгационным ошибкам, вносимым обтекателем, а в процессе измерений радиотехнических характеристик (РТХ) ГСН по текущим значениям амплитудных и фазовых соотношений сигналов с выходов соответствующих разностных каналов на основе указанных калибровочных таблиц компьютер определяет текущие значения РТХ ГСН для каждого взаимного углового положения антенны ГСН и обтекателя.

2. Установка по п.1, в которой используется штатная антенна ГСН, включающая штатные смесители и усилители промежуточной частоты (УПЧ) разностных каналов по курсу и тангажу, а также УПЧ суммарного канала, измерители амплитудных и фазовых соотношений разностных каналов, а также измеритель амплитудных соотношений суммарного канала, работающие на промежуточной частоте F_П, подключены входами к соответствующим выходам усилителей промежуточной частоты каналов антенны, в качестве генератора зондирующих сигналов используют синтезатор частоты, выход зондирующего сигнала f₁ которого подключен к измерительным антеннам, гетеродинный выход f₂ подключен к гетеродинному входу смесителей штатной антенны ГСН, а выход опорного сигнала по промежуточной частоте F_П подключен к входу опорного сигнала измерителя амплитудных соотношений суммарного канала.