Глава 9. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КООРДИНАТ

9.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

Задачи управления подвижными объектами (самолетами, кораблями, ракетами) решаются путем использования информации о координатах их положения и параметрах движения, получаемой с помощью измерителей различных типов, в том числе радиотехнических. При этом часто оказывается, что работа последних частично или полностью дублируется или может быть продублирована нерадиотехническими измерителями. Если измерители работают независимо, то экипаж (или автоматическое устройство) в каждый момент времени использует сигналы того измерителя, который в данных условиях обеспечивает наибольшую точность измерений. Сигналы других измерителей оказываются практически бесполезными или в лучшем случае служат для повышения достоверности полученных данных или для устранения неоднозначности отсчетов.

Между тем, объединив соответствующим образом измерители в единую систему с общим индикатором или выходным устройством в автоматических системах управления, можно существенно повысить точность получаемых данных о координатах объекта или параметрах его движения. Если в состав объединенной системы входят радиотехнические измерители, то, используя информацию, получаемую от других измерителей (и прежде всего автономных нерадиотехнических), можно существенно повысить помехоустойчивость системы. Такое объединение измерителей принято называть комплексированием.

Измеритель, в котором главную роль играют радиотехнические следящие системы, а нерадиотехнические устройства являются вспомогательными, принято именовать

комплексной системой радиоавтоматики. Если же определяющими являются нерадиотехнические измерители, а радиотехническая система является вспомогательной, комплексный измеритель называют автономной системой с радиокоррекцией. Такое разделение комплексных измерителей является чисто условным, поскольку в обоих случаях используют одни и те же методы их объединения, и мы их различать не будем.

Комплексирование измерителей для повышения точности — прием далеко не новый в метрологии вообще и в навигации, в частности. Так, уже с середины 30-х годов на самолетах устанавливаются гиромагнитные компасы. В их состав входят два измерителя (датчика): магнитная система, ориентирующаяся по направлению вектора магнитного поля, и трехстепенный гироскоп, сохраняющий неизменным положение измерительной оси в инерциальном пространстве. Сигналы, полученные с помощью магнитной системы и трехстепенного гироскопа, через специальное устройство — корректирующий фильтр, поступали на индикатор курса. Такое объединение существенно уменьшило недостатки, свойственные каждому измерителю, и повысило точность измерений курса самолета.

Широкое внедрение радиотехнических измерителей координат следящего типа в состав оборудования подвижных объектов поставило перед конструкторами задачу всемерного повышения их чувствительности и помехоустойчивости.

Радиотехнические измерители координат, как правило, представляют собой следящие системы, содержащие чувствительные, промежуточные и исполнительные элементы. В качестве чувствительных элементов в простейшем случае используются временные, фазовые, частотные или амплитудные различители. Часто чувствительный элемент образуется сложной цепочкой преобразователей радиосигнала в напряжение (ток), пропорциональное измеряемой координате. Так, в угломерных устройствах чувствительный элемент состоит из направленной антенны, преобразователя частоты сигнала, приемника с АРУ или устройством нормировки иного типа, амплитудного и фазового детекторов. Часть из этих устройств являются нелинейными. Поэтому по мере изменения отношения сигнал/помеха меняются их преобразовательные свойства [8, 18, 106].

Все без исключения типы радиотехнических чувствительных элементов имеют нелинейные дискриминационные характеристики по преобразуемому параметру.

Перечисленные особенности не являются существенными при анализе помехоустойчивости следящих радиотехнических систем, если отношение сигнал/помеха достаточно велико.

Коэффициент передачи чувствительного элемента при больших отношениях сигнал/помеха близок к его значению в условиях работы без помех. Поэтому помехи малого уровня повышают ошибки измерения координат, не вызывая сколько-нибудь заметного увеличения вероятности срыва автосопровождения. По мере роста уровня помех крутизна характеристики падает, следовательно, растут динамические ошибки слежения за параметром радиосигнала. Если динамическая ошибка превосходит ширину апертуры дискриминационной характеристики, происходит потеря сопровождения полезного сигнала.

В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 9.1 приведены характеристики частотного детектора с расстроенными контурами, полученные экспериментальным путем [18]. Исследовалась работа детектора в допплеровской измерителе вектора скорости. В соответствии с принципом действия этого измерителя полезным сигналом служил узкополосный шум с изменяемой центральной частотой и симметричной относительно нее спектральной плотностью. Ширина спектра полезного сигнала составляла примерно Помехой являлся также шум, но с шириной спектра, несколько превосходящей апертуру дискриминационной характеристики детектора.

Из рассмотрения приведенных характеристик видно, что по мере роста отношения помеха/сигнал падает крутизна характеристики детектора, следовательно, сужается полоса пропускания следящей системы по отслеживаемому параметру, растет динамическая ошибка.

Комплексирование следящего радиотехнического измерителя того или иного типа с автономными нерадиотехническими измерителями позволяет работать при весьма низких отношениях сигнал/помеха, при которых коэффициент передачи существенно ниже номинального. Связано это, прежде всего, с тем, что рассогласование,

Рис. 9.1.

вызванное динамической ошибкой, может быть за счет ком. плексирования существенно уменьшено или даже сведено к нулю. В этих условиях уменьшение коэффициента пере, дачи радиотехнической следящей системы не только не повышает вероятности срыва сопровождения, а наоборот, за счет сужения полосы пропускания следящей системы снижает флуктуационную ошибку и, как следствие, в определенной степени уменьшает указанную вероятность. Однако сразу следует оговориться, что отмеченные свойства проявляются только при методах комплексного использования информации, рациональных с точки зрения решения задачи повышения помехоустойчивости.

Рациональные методы комплексирования измерителей позволяют решить следующие две наиболее важные проблемы для систем навигации и радиоуправления: повышение точности и чувствительности и увеличение помехозащищенности. Хотя эти две проблемы и близки друг другу, но при рассмотрении методов комплексирования их целесообразно разделить.

Хорошо известно, что повышение чувствительности радиотехнических измерителей координат внутренними шумами приемников (реже внешними) ограничено. Сужение полос пропускания за счет комплексирования снижает требования к отношению сигнал/шум на входе указанных устройств и тем самым повышает их чувствительность. Так как на работу следящей системы внутренние шумы и внешние широкополосные помехи влияют одинаково, комплексирование позволяет существенно повысить помехоустойчивость радиотехнических измерителей по отношению к этому виду помех.

Комплексирование обеспечивает борьбу и с другими видами специально организованных помех, направленных на срыв сопровождения радиосигнала по измеряемому параметру. К таким видам помех относятся уводящие по дальности и скорости (частоте Допплера) помехи, помехи, рассчитанные на подавление полезного сигнала за счет перегрузки приемника, и т. п.

Как будет показано далее, в комплексных системах допустим режим кратковременного включения радиотехнической системы для коррекции автономных средств. Такой режим радиотехнических средств повышает скрытность их работы, что затрудняет создание организованных помех. Следовательно, комплексирование радиотехнических и автономных нерадиотехнических измерителей позволило сделать

шаг вперед в решении проблемы повышения помехозащищенности измерителей координат и параметров движения. Однако далеко не при любом объединении измерителей удается получить сколько-нибудь существенный выигрыш по помехозащищенности комплекса. Поэтому целесообразно подробно рассмотреть методы построения комплексных систем и оценить их с точки зрения решения проблемы повышения помехоустойчивости.

Комплексные измерители, как правило, представляют собой сложные многоканальные устройства, которые состоят из радиотехнических систем, автономных измерителей координат, устройств для пересчета сигналов из одной системы координат в другую, устройств согласования и сопряжения, выходных устройств и т. д.

Однако проблема повышения помехозащищенности комплекса решается отдельно для каждого радиотехнического измерителя, входящего в его состав. Как правило, комплексные системы предназначаются для измерения двух и более координат, т. е. являются многокоординатными. Входящие в них автономные нерадиотехнические и радиотехнические измерители работают в разных системах координат. Для объединения их необходимо сигналы измерителей пересчитать в общую систему координат.

Для уяснения основных принципов комплексирования измерителей целесообразно начать рассмотрение с простейшего однокоординатного комплекса. При этом будем исходить из того, что измеряемая координата или ее производные где определяются одновременно следящим радиотехническим и нерадиотехническим измерителями, а ошибки измерений являются независимыми стационарными функциями времени.

Необходимость создания комплекса возникает в том случае, когда автономный измеритель не в состоянии решить задачу из-за ограниченной точности, а работа радиотехнического устройства может быть нарушена из-за воздействия помех. Мы встретимся и с такими задачами, решение которых стало возможным только при использовании комплексных измерителей даже в условиях отсутствия радиопомех.

Прежде всего на конкретном примере поясним постановку задачи объединения измерителей в единый комплекс. Для этого обратимся к рис. 9.2. Пусть на самолете или на любом другом подвижном объекте, центр масс которого находится в точке начала невращающейся системы координат

Рис. 9.2.

с помощью бортовой РЛС или угломерно-дальномерной системы иного типа решается задача определения координат цели, находящейся в точке или самолета относительно маяка, находящегося в той же точке В полярной системе координат это будут два угла и дальность. Для простоты будем рассматривать плоскую задачу. При ее решении достаточно измерить угол между направлением на цель и невращающейся осью Осхас и дальность Эта задача соответствует самонаведению ракеты в одной плоскости, приводу самолета на маяк с помощью угломерно-дальномерной навигационной системы и т. п.

Для ее решения требуется определять как минимум две координаты. Но измерение каждой из них производится с независимыми ошибками, поэтому каждый из измерителей можно рассматривать отдельно. Более того, в каждом измерителе будем предполагать независимыми различные измерительные каналы.

Задача самонаведения решается разными способами. В простейшем случае необходимо и достаточно удерживать продольную ось Осхг управляемого объекта в направлении на цель, так, чтобы угол у был равен нулю в течение всего времени полета (прямое наведение). При подвижной цели такой метод может, оказаться непригодным из-за большой кривизны траектории самонаводящегося объекта.

Более приемлемыми для наведения на подвижные объекты являются методы, связанные с измерением производной угла например метод параллельного сближения, характеризуемый тем, что в течение всего времени полета должна быть равна нулю.

При самонаведении измерение дальности до цели или ее производной требуется не всегда. Однако для успешного решения задачи измерения угловых координат необходимо селектировать полезный сигнал на фоне

различного вида помех. При этом может применяться селекция как по дальности (положение импульса на шкале времени), так и по величине допплеровского сдвига частоты.

Таким образом, мы расчленили задачу самонаведения на две самостоятельные, решаемые однокоординатными измерителями.

Изменения во времени угла у обусловлены двумя причинами: относительным движением точек и колебаниями продольной оси объекта так что

Из рис. 9.2 вытекает, что

Поэтому

где

Измерение может быть осуществлено только за счет сопровождения цели по углу у. Но

и, следовательно, результаты измерений будут искажены колебаниями продольной оси объекта. При этом угол О меняется значительно быстрее, чем угол Угол или его производная могут быть измерены с помощью позиционного или скоростного гироскопов соответственно.

Поэтому при использовании формулы (9.1.1) радиотехническая следящая система должна отслеживать изменения во времени угла а угол можно измерять гиродатчиком. При наличии гиродатчика нет необходимости иметь широкополосную следящую радиотехническую систему. Более того, при наличии на борту объекта соответствующих измерителей можно учесть и изменения угла обусловленные поступательным движением измерителя. В самом деле, составляющая угла обусловленная этим движением и равная

где может быть определена с помощью автономных нерадиотехнических средств и выступать в качестве априорных данных для угломерного канала. Тогда угломерному каналу придется отслеживать только изменения угла, обусловленные движением цели

где

Совершенно очевидно, что при соответствующем выборе структуры измерителя знание углов и позволяет резко сузить полосу пропускания следящего радиотехнического угломера и тем самым повысить его помехоустойчивость. Поскольку изменения угла во времени выступают как помеха, их можно исключить из результатов измерения, использовав сигналы гиродатчика.

На первый взгляд, кажется, что задачи измерения в соответствии с формулами (9.1.1) и (9.1.3) диаметрально противоположны. На самом деле это не так. Дело в том, что в обоих случаях радиотехническая следящая система должна обеспечить надежное сопровождение цели, т. е. отслеживать изменения угла у. Но в первом случае выходной сигнал угломера должен содержать , а во втором — только

Пути технического решения указанных задач мы рассмотрим ниже, а сейчас обратимся к задаче измерения (отслеживания) изменений дальности. Из рис. 9.2 следует:

где начальная дальность между точками Уравнение (9.1.4) показывает, что изменения дальности обусловлены как движением самого измерителя, так и движением цели. Составляющая

где или ее производные по времени могут быть измерены навигационными средствами. Результаты этих измерений для радиотехнической системы будут выступать в качестве априорных данных, снижая требования к динамике следящего дальномера или измерителя скорости.

Из проведенного рассмотрения видно, что задача комплексирования состоит в учете априорных сведений о движении рассмотренного радиотехнического измерителя, полученных с помощью других измерителей, именуемых в дальнейшем измерителями собственного движения (ИСД).

Априорные сведения позволяют снизить требования к динамике следящей радиотехнической системы, повышают точность и помехоустойчивость комплекса и прежде всего радиотехнических измерителей. Априорная информация может быть полной или неполной. В рассмотренных примерах ее можно считать полной при условии Задача радиотехнических измерителей здесь сводится к уменьшению ошибок ИСД. Комплексные системы подобного типа называются системами с полной информацией. Если можно построить только систему с неполной информацией. Чем полнее информация, полученная от ИСД, тем помехоустойчивее будет радиотехническая система.

Может показаться, что создание комплексных измерителей при лишено смысла, поскольку автономные измерители позволяют в принципе получить всю необходимую информацию для решения задачи наведения. Однако это далеко не всегда так. Дело в том, что автономные измерители имеют ограниченную точность и задача самонаведения без радиотехнических измерителей решена не будет. Радиотехнические измерители задачу самонаведения решают успешно, но всегда желательно повысить их помехоустойчивость и точность.

Комплексирование измерителей не ограничивается учетом собственного движения. Оно оказывается полезным и для неподвижных измерителей. Для подтверждения сказанного достаточно привести один пример. Пусть наземным комплексом производится измерение параметров движения спутника. Высокая стабильность указанного движения позволяет рассчитывать упрежденные координаты спутника, которые выступают в качестве априорных для радиотехнической следящей системы, т. е. выполняют роль сигналов ИСД. Следовательно, измерители должны отслеживать не полные изменения координат, а только ошибки их

предварительного прогнозирования. Таким образом, в любом случае, когда имеется возможность априори получить сведения об отслеживаемом параметре, могут быть использованы идеи комплексирования. Роль ИСД в случае измерения координат спутника выполняет вычислитель его ожидаемых координат.

Выигрыш в помехозащищенности, получаемый за счет комплексирования измерителей, зависит не только от полноты априорной информации об измеряемом параметре радиосигнала, но и от способов ее реализации, т. е. от структуры комплексного измерителя.

Способов комплексного использования информации, полученной от различных измерителей, существует достаточно много.

Но все их можно разбить на две группы: системы с независимо работающими измерителями и системы с измери телями, связанными цепями коррекции.