Авиационная прицельная система

Полезная модель относится к авиационной технике и позволяет выполнять применение отделяемых от летательного аппарата средств по подвижным наземным, надводным и воздушным объектам-целям с пространственного маневра. Особенностью авиационной прицельной системы является использование в вычислительно-коммутационной подсистеме блока анализа нахождения точек положения прицельной марки и объекта-цели внутри или вне зоны прицельного индикатора и блока переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора. Выходы блока расчета требуемого положения объекта-цели и блока расчета положения на прицельном индикаторе метки объекта-цели соединяются с соответствующими входами блока анализа нахождения точек положения прицельной марки и объекта-цели внутри или вне зоны прицельного индикатора, а выход последнего и выход блока расчета прогностической прицельной информации соединяются с соответствующими входами блока переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора, который выходом соединен с входом блока формирования на прицельном индикаторе прицельной информации.

Полезная модель относится к авиационной технике и позволяет выполнять применение отделяемых от летательного аппарата средств по подвижным наземным, надводным и воздушным объектам-целям с пространственного маневра.

Известен метод прицеливания при сбросе грузов в точку земной поверхности с маневрирующего летательного аппарата (ЛА) - метод интерактивного прицеливания (см.: А.Г.Моисеев. Статистическая теория оптимального прицеливания: учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС.- М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2008..; Моисеев А.Г., Айвазян С.А. «Интерактивные системы управления применением вертолета» статья в Сборнике трудов 3-го форума Российского Вертолетного Общества. - М., 24-25 марта 1998 г. с. VП1-37 - VIII-42).

Реализация этого метода в авиационной прицельной системе (АПрС), в общем виде представленной на фиг.1 (см.: A.M.Краснов, Г.А.Донгаев, Е.М.Пермяков, А.И.Щукин, С.Н.Шашков, Р.Ф.Хисматов, А.Г.Моисеев, В.И.Давыдов, Н.А.Сахаров. Авиационные прицельно-навигационные системы. Учебник.. М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2006), осуществляется следующим образом.

На вход информационно-навигационной подсистемы 1 поступают сигналы от датчиков информации о фазовых координатах ЛА - Х_ËÀ и среды - X_ÑÐ . Визирно-прицельная подсистема 2 включает в себя системы автоматического и ручного визирования и сопровождения целей и прицельные индикаторы (многофункциональные индикаторы и КАИ - коллиматорный авиационный индикатор). На вход визирно-прицельной подсистемы с одной стороны поступает информация о фазовых координатах целей - X_Ö , с другой стороны, с выхода вычислительно-коммутационной подсистемы 3 поступают сигналы для формирования прицельно-пилотажной информации, отображаемой на прицельных индикаторах, коммутационные и управляющие сигналы, обеспечивающие режимы работы систем визирования и сопровождения целей. На вход вычислительно-коммутационной подсистемы поступают сигналы от бортовых коммутационных устройств (от кабинных переключателей видов применяемых отделяемых средств, режимов прицеливания и т.д.). С выхода вычислительно-коммутационной подсистемы поступают управляющие сигналы на системы автоматического управления (САУ) ЛА (в режиме автоматического или полуавтоматического управления ЛА при прицеливании).

В вычислительно-коммутационной подсистеме для обеспечения процесса интерактивного прицеливания решаются следующие задачи (см. фиг.2):

- задача обработки прицельно-навигационной информации (блок 4 «ОПрНИ»);

- задача внешней баллистики отделяемых средств (блок 5 «ВБ»);

- задача экстраполяции движения объектов-целей (блок 6 «ЭДЦ»);

- задача расчета требуемого положения объекта-цели, определяющего положение на прицельном индикаторе прицельной марки (ПМ) (блок 7 «РПМ»);

- задача расчета положения на прицельном индикаторе метки объекта-цели (МЦ) (блок 8 «РМЦ»);

- задача расчета прогнозируемого движения ЛА (блок 9 «РПД ЛА»);

- задача внешней баллистики отделяемых средств с прогнозируемого положения ЛА (блок 10 «ПВБ»);

- задача расчета прогностической прицельной информации, а именно угловых координат: точек линии прогнозируемых требуемых положений (ЛПТП) цели, исходящей из ПМ; точек линий границ Г1, Г2 области возможного прицеливания с первого захода (блок 11 «РППИ»);

- задача вычисления вектора управления , подаваемого на вход САУ в режиме автоматического или полуавтоматического интерактивного прицеливания (блок 12 «ВВУ»);

- задача формирования на прицельном индикаторе прицельной информации в виде ПМ, ЛПТП, исходящей из ПМ, МЦ, линий границ области возможного прицеливания с первого захода (блок 13 «ФПИ»).

На прицельном индикаторе (ПИ) в поле зрения летчика отображается исходящая из ПМ линия прогнозируемых требуемых пеленгов (угловых положений) (ЛПТП) объекта-цели, строящаяся в виде функции времени прогноза изменяющегося от ₀=t до _k в предположении того, что ЛА на этом интервале времени будет лететь с неизменным управлением U()=const, равным управлению в данный текущий момент t, т.е. U()=U(t), [t, _k]. Задача летчика при прицеливании методом «ЛПТП» состоит в совмещении путем управления ЛА объекта-цели с ЛПТП (с любой ее точкой) и фиксации наблюдаемого объекта-цели на этой пинии. Если фиксация объекта-цели на ЛПТП осуществлена, то это означает, что при практически постоянном управлении U(t) ЛА выйдет в точку "точного" сброса груза, т.е. в точку, где фактический пеленг объекта-цели _Ö(t) равен требуемому пеленгу _Тр(t) и сброшенный груз попадет в выбранный объект-цель. Точка _Тр(t) представляет собой традиционную прицельную марку. Линия прогнозируемых требуемых пеленгов цели _Тр() может вычисляться, либо по результатам интегрирования дифференциального уравнения динамики конечного состояния двухступенчатой динамической системы "ЛА - Груз" (применение такого способа целесообразно в случае использования автоматического или полуавтоматического управления ЛА при прицеливании с отображением ЛПТП при применении методов оптимального управления, требующих математического описания расчетного промаха - конечного состояния двухступенчатой динамической системы «ЛА - Груз» в виде дифференциального уравнения), либо вычисление прогнозируемых требуемых положений цели может осуществляться на основании решения задачи внешней баллистики АСП с учетом ветра, математически примененного с прогнозируемого, в общем случае, пространственного маневра ЛА, по прогнозируемой (на время ), в общем случае, подвижной цели. Ветер, как известно, может быть учтен также и другим путем, а именно: путем использования так называемой приведенной скорости цели.

Линия прогнозируемых требуемых пеленгов цели представляет собой геометрическое место точек прогнозируемых положений прицельной марки на прогнозируемом движении ЛА с учетов прогнозируемого положения цели, ветра и решения задачи баллистики сбрасываемого груза, определяемых на основе измеренных текущих значений фазовых координат ЛА - объекта-цели и ветра. В случае неподвижного объекта-цели и при безветрии ЛПТП совпадает с отображением, в общем случае кривой «линии разрывов». При построении ЛПТП контролируется прогнозируемый полет ЛА, что позволяет определять возможное нарушение в будущем полете условий безопасности, связанные с высотой полета ЛА ниже допустимой или попадания ЛА в область разлета и (или) рекашетирования элементов отделяемых грузов. Участки ЛПТП, где по расчетам могут быть нарушены условия безопасности, отмечаются пунктирной линией или другим цветом. Летчик, наблюдая эту информацию, может для обеспечения безопасности в будущем полете принять меры путем изменения полета ЛА в настоящий момент времени t.

На прицельном индикаторе, также отображаются линии границ области прицеливания с первого захода (Г1) и (Г2), строящиеся по угловым координатам _Ã1Â(), _Ã1Ã(), _Ã2Â(), _Ã2Ã() аналогично ЛПТП в прогнозируемом времени , изменяющемся от ₀=t до _k в предположении того, что ЛА на этом интервале времени будет лететь с максимальной допустимой нормальной перегрузкой вправо (Г1) и влево (Г2) (см. фиг.4).

ЛПТП и линии Г1, Г2 границ области прицеливания с первого захода строятся по точкам, соединяющимися, в частности прямыми линиями. Угловые координаты точек _ÖÂ, _ÖÃ, _ТрÂo, _ТрÃo, _ТрÂi, _ТрÃi, _Ã1Âi, _Ã1Ãi, _Ã2Âi,, _Ã2Ãi, , определяются на основании измеряемых в текущий момент времени t и обработанных в блоке «ОПрНИ» (и пересчитанных некоторых из них путем преобразования координат) значений векторов фазовых координат: ЛА - ; объекта-цели - ; и ветра - фазовые координаты прогнозируемых на интервале времени [₀,_k], ₀=t движения: ЛА - и объекта-цели - , где v_xg, v_yg, v_zg ; w_xg, w_yg, w_zg; J_xg , J_yg, J_zg; J_xg, J_yg , J_zg - проекции векторов соответственно воздушной, земной (путевой) скоростей, ускорения ЛА на оси нормальной системы координат; , , - углы тангажа, рыскания и крена ЛА; D_Öxg , D_Öyg, D_Özg; w_Öxg , w_Öyg, w_Özg; J_Öxg , J_Öyg, J_Özg; w_Âxg , w_Âzg - проекции соответственно векторов дальности, земной скорости, ускорения объекта-цели и земной скорости ветра на оси нормальной системы координат. Элементы векторов , фазовых координат прогнозированного движения ЛА и цели помечены нижнем индексом «p».

Фазовые координаты и прогнозируемого движения соответственно ЛА и объекта-цели определяют, в частности, путем интегрирования в ускоренном масштабе времени дифференциальных уравнений движения ЛА и экстраполяции движения объекта-цели соответственно. В каждой i-ой временной точке _i, (, ₀=t) прогнозируемого движения ЛА решается задачи баллистики отделяемого средства и решается задача экстраполяции (на время движения отделяемого средства) движения объекта-цели. Определяются точка попадания отделяемого средства в «плоскость рассеивания» относительно объекта-цели и вектор промаха ,представленный через проекции в нормальной прямоугольной системе координат, где: х_gÖ(_i+Т(_i)), y_gÖ(_i+Т(_i)), z_gÖ(_i+T(_i)) - прогнозируемые на время _i и время Т(_i) полета отделяемого средства координаты объекта-цели в нормальной системе координат; x_gOC(_i), y_gOC(_i), z_gOC(_i) - координаты точки попадания отделяемого в момент времени _i от прогнозируемого ЛА средства в «плоскость рассеивания» в нормальной системе координат. Нижний индекс «g» означает принадлежность данных проекций нормальной системе координат. Ось Oy_g совпадает с местной вертикалью, ось Ox_g является горизонтальной и направлена в некотором заданном направлении, например на север, ось Oz_g образует правую тройку, точка О начала координат совпадает с центром массы ЛА в данный текущий момент времени t. При применении отделяемого средства по наземным и надводным объекта-целям «плоскостью рассеивания» является горизонтальная плоскость, проходящая через объект-цель; при применении отделяемого средства по воздушным объектам-целям в качестве «плоскости рассеивания» на практике принимается плоскость, проходящая через цель и перпендикулярная вектору дальности цели относительно ЛА.

Вычисляют вектор , _i, (, ₀=t) прогнозируемой требуемой дальности объекта-цели от положения ЛА в текущий момент времени t. Вектор определяет линейные координаты линии прогнозируемых требуемых положений цели - ЛПТП. Исходная точка ЛПТП, соответствующая временной точке ₀=t, является требуемой для попадания отделяемого средства в объект-цель точкой положения объекта-цели в данный текущий момент времени t. Эта точка отображается на КАИ в виде прицельной марки - ПМ. Вычисляют угловые координаты ЛПТП , , определяющие ориентацию вектора относительно индикаторной системы координат, - вектор прогнозируемой требуемой дальности цели представленный через проекции на оси связанной системы координат, обозначаемой нижним индексом «1»; A_1,g - матрица перехода от нормальной к связанной системе координат,

Угловые координаты _Ã1Âi, _Ã1Ãi, _Ã2Âi, _Ã2Ãi,. точек линий Г1 и Г2 границ области прицеливания с первого захода вычисляются аналогично вычислениям угловых координат точек ЛПТП, с тем лишь отличим, что угловые координаты линий Г1 и Г2 вычисляются в предположении, что ЛА на прогнозируемом времени будет лететь с максимальной допустимой перегрузкой вправо (при вычислении угловых координат _Ã1Âi, _Ã1Ãi линии Г1) и влево (при вычислении угловых координат _Ã2Âi, _Ã2Ãi линии Г2).

Данная прицельная система из-за ограничения поля зрения прицельного индикатора (ПИ), на котором отображается ЛПТП и линии границ Г1 и Г2, не позволяет выполнять прицельную достатку грузов с произвольных криволинейных траекторий, так как метод "ЛПТП" требует визуального (через коллиматорный авиационный индикатор (КАИ) - в случае его применения) контакта с целью или отметкой цели (в случае применения любого другого прицельного индикатора) и линией "разрывов" - ЛПТП в течение всего процесса выведения летательного аппарата в точку прицельного отделения груза.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении возможностей для маневрирования при доставке грузов с криволинейных траекторий, не ограниченных полем зрения ПИ, как в автоматическом, так и в ручном режимах управления ЛА при прицеливании с отображением ЛПТП при применении принудительно отделяемых средств как по подвижным наземным, надводным и воздушным объектам-целям либо, автоматически сопровождаемых с помощью локационных систем ЛА, либо с известными заранее фазовыми координатами, либо с определяемыми путем счисления на основе их значений, полученных при привязке к объектам-целям (при целеуказании).

Указанный результат достигается путем введения в коммутационно-вычислительную подсистему выше описанной авиационной прицельной системы между блоками «РППИ» и «ФПИ» дополнительных блоков (см. фиг.3):

- блока 14 «АПМиМЦ» анализа нахождения точек положения ПМ и МЦ внутри или вне зоны ПИ;

- блока 15 «ППИ» переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора, а именно переноса прицельной марки, ЛПТП, метки цели, линий границ области прицеливания с первого захода и создание псевдо прицельной марки (ППМ), псевдо ЛПТП (ПЛПТП), псевдо метки цели (ПМЦ), линий псевдо границ области прицеливания с первого захода (ПГ1), (ПГ2) (см. фиг.5).

Введенные блоки «АПМиМЦ» и «ППИ» обеспечивают отображение на прицельном индикаторе псевдо прицельной марки (ППМ), исходящей из нее псевдо ЛПТП ПЛПТП) и псевдо цели (ПЦ), формируемых переносом значений их угловых координат из невидимой зоны в видимую зону ПИ путем их масштабирования. В случае, когда цель и (или) прицельная марка, а также ЛПТП находятся в видимой зоне ПИ, используется режим интерактивного прицеливания, описанный выше (используемый в видимой зоне ПИ). В случае выхода цели и (или) прицельной марки за пределы поля зрения, соответственно КАИ или ПИ применяется режим интерактивного прицеливания в невидимой зоне КАИ или ПИ с отображением псевдо метки цели (ПМЦ), псевдо прицельной марки (ППМ), псевдо ЛПТП (ПЛПТП) и линий псевдо границ (ПГ1) и (ПГ2). Дополнительное введение в случае прицеливания в не видимой зоне ПИ, а также использование в случае прицеливания в видимой зоне ПИ, линий ÏÃ1, ÏÃ2, Ã1, Ã2, исходящих из ППМ и ПМ соответственно, указывающих границы области прицеливания с предельно допустимыми перегрузками ЛА с первого захода обеспечивает летчика информацией для правильного принятия решения о прицеливании с первого захода или осуществления повторного захода на объект-цель. Отображение в виде пунктирных участков ЛПТП или псевдо ЛПТП областей прогнозируемого полета ЛА (см. фиг.4), в которых возможно нарушение условий безопасности полета, связанное с полетом в этих областях на высоте ниже допустимой, или с попаданием ЛА в область разлета или рекашетирования элементом отделяемых от ЛА средств, или с полетом в условиях сложного рельефа местности и пр. обеспечивает летчика информацией, наблюдая которую он, заблаговременно может путем управления ЛА принять меры по устранению возможного попадания ЛА в условия нарушения условий безопасности полета. Тем самым обеспечивается расширение возможностей прицеливания с произвольных маневров ЛА (не ограниченных полем зрения ПИ), однотипность действий летчика при прицеливании как в видимой, так и в не видимой зоне ПИ, информированность летчика о возможности прицеливания с первого захода, обеспечивается повышение уровня безопасности полета ЛА при прицеливании.

Границы видимой зоны ПИ задаются в полярной системе координат О_rÃð, функцией r_Ãð=r_Ãð (). На фиг.4 изображена индикация прицельной информации в видимой зоне ПИ, на фиг.5 изображена индикация прицельной информации, построенная путем переноса ее из не видимой в видимую зону ПИ.

Функционирование блока «АПМиМЦ» анализа нахождения точек положения ПМ и МЦ внутри или вне зоны ПИ осуществляется в соответствии с алгоритмом, схема которого изображена на фиг.6. В блоке «АПМиМЦ» по фактическим значениям _TpÂo=_TpÂ(₀), _TpÃo=_TpÃ(₀) и _ÖÂ, _ÖÃ соответственно угловых координат прицельной марки (ПМ) и объекта-цели (МЦ), поступаемым соответственно с выхода блока «РПМ» и «РМЦ» вычисляют их полярные координаты соответственно , и , , где числа n_Ï и n_Ö выбираются в соответствии той четвертью плоскости, в которой находится рассматриваемая точка «ПМ» или «МЦ». Вычисляют расстояния _Ö=r_Ö-r_Ãð (_Ö) и _Ï=r_Ï-r_Ãð (_Ï) до границы ПИ соответственно точки «Ц» и «ПМ». Определяют, выходит ли точка «ПМ» за пределы границы ПИ, т.е. выполняется ли неравенство r _Ïr_Ãð(_Ï) или нет? При выполнении этого неравенства проверяют больше ли расстояние выхода за границу ПИ точки «Ц» по сравнению с расстоянием выхода за границу ПИ точки «ПМ», т.е. выполняется ли неравенство _ÖÏ или нет? В случае выполнения этого неравенства вычисляют масштабный коэффициент К=r_ÃÐ(_Ö)/r_Ö по расстоянию r _Ö точки «Ц», дальше выходящей за границу, нежели точка «ПМ». При невыполнении неравенства _ÖÏ вычисляется масштабный коэффициент К=r _ÃÐ(_Ï)/r_Ï по расстоянию r _Ï точки «ПМ». В случае, когда обнаружено, что ПМ и МЦ не выходят за границы ИП, масштабный коэффициент К принимается равным единице.

Функционирование блока «ППИ» переноса прицельной информации из невидимой в видимую зону ПИ, формирования псевдо прицельной информации, а именно положения псевдо прицельной марки (ППМ), определяемой угловыми координатами , ; псевдо метки цели (ПМЦ), определяемой угловыми координатами , ; псевдо ЛПТП (ПЛПТП) (исходящей из ППМ), точки которой определяются угловыми координатами , , ; линий псевдо границ ПГ1, ПГ2 области прицеливания с первого захода, определяемых угловыми координатами , , , , , осуществляется в соответствии с алгоритмами, схема которого изображена на фиг.7. С использованием значения масштабного коэффициента К вычисляются масштабированные значения угловых координат псевдо цели - ПЦ, псевдо прицельной марки - ППМ, точек псевдо ЛПТП - ПЛПТП, точек псевдо 1-й и 2-й границ области прицеливания с первого захода, соответственно по формулам , , , , , , , . Угловые координаты псевдо прицельной марки - ППМ являются координатами псевдо ЛПТП - ППЛТП при значении i=0, соответствующем временной точке ₀=t. Значения угловых координат , , , , , , , , , поступают в блок «ФПИ» формирования прицельной информации на ПИ».

Авиационная прицельная система, содержащая информационно-навигационную и визирно-прицельную подсистемы, соединенные соответствующими входами и выходами с вычислительно-коммутационной подсистемой, включающей в себя блок обработки прицельно-навигационной информации, блок внешней баллистики отделяемых средств, блок экстраполяции движения объектов-целей, блок расчета требуемого положения объекта-цели, определяющего положение на прицельном индикаторе прицельной марки, блок расчета положения на прицельном индикаторе метки объекта-цели, блок расчета прогнозируемого движения летательного аппарата, блок внешней баллистики отделяемых средств с прогнозируемого положения летательного аппарата, блок расчета прогностической прицельной информации, блок вычисления вектора управления, блок формирования на прицельном индикаторе прицельной информации, отличающаяся тем, что вычислительно-коммутационная подсистема снабжена блоком анализа нахождения точек положения прицельной марки и объекта-цели внутри или вне зоны прицельного индикатора и блоком переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора, при этом выходы блока расчета требуемого положения объекта-цели и блока расчета положения на прицельном индикаторе метки объекта-цели соединены с соответствующими входами блока анализа нахождения точек положения прицельной марки и объекта-цели внутри или вне зоны прицельного индикатора, а выход последнего и выход блока расчета прогностической прицельной информации соединены с соответствующими входами блока переноса прицельной информации из невидимой зоны в видимую зону прицельного индикатора, который выходом соединен с входом блока формирования на прицельном индикаторе прицельной информации.