Методика обчислення координат платформи системи автоматичної стабілізації антенного поля рухомого об’єкта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації

Методика обчислення координат платформи системи автоматичної стабілізації антенного поля рухомого об'єкта

B.B. Кузавков,

доктор технічних наук, доцент, начальник кафедри,

А.О. Зарубенко,

ад'юнкт науково-організаційного відділу,

У статті визначено умови використання, обмеження та вихідні дані, необхідні для синтезу універсальної системи автоматичної стабілізації платформи антенного поля рухомого об'єкта, обґрунтовано її структуру й висвітлено принципи обчислення координат цієї системи. Передумовою для застосування стабілізованої платформи на транспортному засобі є необхідність забезпечення максимально ефективного використання засобів зв'язку (антенних систем), які функціонують у складній електромагнітній обстановці.

Ключові слова: система автоматичної стабілізації, опорна та рухома системи координат, передавальна функція, антенне поле, діаграма направленості антени, синтез, рухомий об'єкт, транспортний засіб.

автоматичний платформа антенний рухомий

V.V. Kuzavkov,

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of the Military Institute of Telecommunications and Informatization, Kyiv,

Ukraine

ORCID ID 0000-0002-0655-9759

O. Zarubenko,

Postgraduate,

Military Institute of Telecommunications and Informatization, Kyiv, Ukraine,

METHOD OF CALCULATION OF PLATFORM COORDINATION - SYSTEM OF AUTOMATIC STABILIZATION OF ANTENNA FIELD OF A MOBILE OBJECT

Research article suggests the construction of a digital system of an automatic stabilization of the platform (antenna field) located on a moving object (vehicle) and considers the method of calculating its coordinates in space. The conditions of use, limitation and initial data are defined for the synthesis of the universal system of automatic stabilization of the antenna field of the moving object, its structure is substantiated and the principles of computing the coordinates of this system are explained.

The prerequisite for the use of a stabilizing platform on a vehicle is the need to ensure the most efficient use of communications (antenna systems) that operate in a complex electromagnetic environment. The automatic stabilization system of the antenna field platform will provide optimum conditions for the interaction of antenna systems that are the part of the antenna field. Under optimum conditions, we understand the conditions of the vertical arrangement of the antennas and the absence of elements of the design of the moving object, which distort the structure of the field. The value of the deviation of the platform from the required angular positions of the reference coordinate system can be determined by accelerometers, which measure the linear accelerations of the object in a given area.

In this case, the stabilization will be carried out in two channels for each of the meshes. The angular position of the stabilizing platform in space may be given in the reference coordinate system, not related to the moving vehicle, which is tightly connected with this object. As the reference system of coordinates are used - inertial coordinate systems, that is, fixed relative to the horizon, oriented at this point of the earth's surface. The proposed automatic system - universal, with the possibility of adaptation under the running characteristics of the vehicle. Adaptability is ensured by the presence in the control circuit of the system of automatic control of the chains, parameters of which transfer functions are designed in advance for the tactical and technical characteristics of the moving object.

The choice of optimal parameters of such a system is made. During the movement - accuracy, on the spot - speed.

Keywords: automatic stabilization system, reference and moving coordinate systems, transfer function, antenna field, antenna direction diagram, synthesis, moving object, vehicle.

В статье определены условия использования, ограничения и исходные данные, необходимые для синтеза универсальной системы автоматической стабилизации платформы антенного поля подвижного объекта, обоснована ее структура и показаны принципы вычисления координат этой системы. Предпосылкой для применения стабилизирующей платформы на транспортном средстве является необходимость обеспечения максимально эффективного использования средств связи (антенных систем), функционирующих в сложной электромагнитной обстановке.

Ключевые слова: система автоматической стабилизации, опорная и подвижная системы координат, передаточная функция, антенное поле, диаграмма направленности антенны, синтез, движущийся объект, транспортное средство.

До напрямів удосконалення та модернізації військових систем належить підвищення ефективності їхнього функціонування. Використання за призначенням сучасної системи управління військами, до складу якої входить сукупність різнотипних технічних засобів (засобів зв'язку), пов'язане з необхідністю адаптації (у тому числі - переналаштування антенних систем) в умовах швидкої зміни оперативної обстановки [1]. При цьому, значна увага приділяється спрощенню цього процесу для особового складу з різним рівнем технічної підготовки.

У результаті проведеного аналізу останніх публікацій стосовно використання сучасних систем військового зв'язку [2-8] встановлено, що під час застосування систем радіо- та супутникового зв'язку в районі проведення Операції Об'єднаних сил (ООС) постають проблемні питання, пов'язані з часовими обмеженнями та демаскуючими ознаками при розгортанні антенних систем радіозасобів (перехід із транспортного положення до положення використання за призначенням), а також вирішення завдання сумісного використання (електромагнітної сумісності) радіозасобів.

У статті запропоновано варіант побудови цифрової системи автоматичної стабілізації платформи (антенного поля), розташованої на рухомому об'єкті (РО) (транспортному засобі (ТЗ)], та розглянуто методику обчислення її координат у просторі. Актуальність синтезу подібної системи полягає в можливості підвищити ефективність (оперативність розгортання та налаштування) радіозасобів РО, наприклад командно-штабної машини (КШМ), шляхом створення універсальної керованої платформи з антенними системами (АС) різних типів. При цьому питання забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) радіозасобів вирішуватиметься вже на етапі проектування, а якість налаштувань контролюватиме автоматична система (мінімізоване втручання особового складу). Застосування запропонованої системи можливе як на існуючих РО, так і на нових (проектних) зразках озброєння.

Метою статті є визначення умов використання, обмежень та вихідних даних необхідних для синтезу універсальної системи автоматичної стабілізації платформи антенного поля рухомого об'єкта, обґрунтування її структури та висвітлення принципу обчислення координат запропонованої системи стабілізації, встановленої на РО (ТЗ).

Питання спільного функціонування радіозасобів у обмеженому просторі передовсім розглядається з точки зору забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС). При проектуванні антен (визначенні їх направлених властивостей) враховуються ідеалізовані умови їхнього встановлення відносно поверхні Землі.

Характеристики (діаграма направленості) ізотропного випромінювача (рис. 1) вважається еталоном.

Представлена на рис.1 діаграма направленості справедлива для ідеального несиметричного вібратора, тобто коли основа являє собою ідеальний провідник. Якщо основа має погані провідні властивості, або ці властивості непостійні, тобто залежить від профілю, рельєфу, погоди, пори року і т.ін., то характер розподілу струму в основі змінюється, в результаті чого змінюється й поле випромінювання антени. Низька провідність основи призведе до зменшення амплітуди струму в антені, а отже, до підвищення його опору і зменшення випромінюваної потужності.

Рис. 1. Діаграма направленості ізотропного випромінювача

Крім того, якщо основа кріплення АС має погану провідність або є діелектриком з великою діелектричною проникністю, то це призведе до зміни електричної довжини уявного диполя, а також до спотворення довжини шляху струмів зміщення, унаслідок чого відбудеться повне спотворення діаграми направленості (підняття пелюсток вгору і зменшення випромінювання під малими кутами до горизонту), а також до збільшення комплексного опору антени за рахунок збільшення реактивної складової опору.

Отже, під терміном “ефективне функціонування” слід розуміти наближення реальних умов використання АС всіх типів до еталонних (ідеальних) умов шляхом створення та використання платформи - антенного поля (АП) з можливістю стабілізації ії під час руху або на місці.

Передбачається, що встановлення платформи на будь-який РО (ТЗ) здійснюється силами особового складу. Розміщення АС на платформі визначено (обчислено та змодельовано) відповідними фахівцями за умови забезпечення ЕМС радіозасобів.

Перелік ТЗ, які використовуються у ЗСУ, невеликий. Автоматична система стабілізації платформи антенного поля (комплект заводської поставки) забезпечить оптимальні умови взаємодії антенних систем, які входять до складу антенного поля. Під оптимальними умовами розуміємо умови вертикального (перпендикулярно відносно поверхні землі) розташування антен і відсутність елементів конструкції РО, які заважають (спотворюють структуру поля). Автоматична система - універсальна, з можливістю адаптації під ходові властивості ТЗ (РО).

Адаптивність забезпечується наявністю в контурі керування системи автоматичного управління (САУ) ланцюгів, параметри передаточних функцій яких заздалегідь розраховані під тактико-технічні характеристики (ТТХ) ТЗ.

До ТТХ ТЗ віднесено ходові властивості - кути максимального підйому та нахилу, вібраційні резонансні частоти, швидкості руху місцевістю.

ТТХ ТЗ (РО) є вихідними даними, які необхідні для синтезу САУ. Завдання синтезу САУ полягає у виборі такої її структури, параметрів, характеристик і способів їх реалізації, які при заданих обмеженнях найкращим чином задовольняють вимогам, пред'явленим до системи.

На сьогодні при проектуванні і дослідженні САУ широко використовуються спеціальні програмно-обчислювальні системи. Найбільш вживаним є середовище MatLab з низкою додатків (Control System Toolbox і Simulink). їх використання спрощує розрахунки і виключає обчислювальні помилки.

До вихідних даних на етапі проектування також віднесено: відомості про принцип дії системи; геометрію і кінематику системи стабілізації; наявні швидкості і прискорення, які виникають під час її експлуатації; збурні впливи; приведення навантажувальних моментів інерції до осей стабілізації; її функціональна схема; параметри ланок САУ; показники якості системи.

Під синтезом САУ будемо розуміти створення нової системи, яка володіє потрібними заданими властивостями.

Як критерій оптимальності розглядається мінімум деякого функціоналу від величин, які характеризують стан системи, або такі, що являють собою кількісну оцінку властивості системи. Тобто, можуть бути створені оптимальні системи з точки зору швидкодії (мінімуму часу переходу з одного стану в інший) чи точності (мінімум деякої прийнятої оцінки точності системи), витрати енергії, габаритів, маси і т.ін. Вирішення задачі оптимального синтезу включає в себе: синтез структури системи управління та оптимальний вибір параметрів системи за відомої структури.

Виходячи з викладеного, обґрунтуємо (синтезуємо) структуру системи управління платформою (антенним полем) та на її основі виконаємо вибір оптимальних параметрів такої системи. Під час руху - точність, на місці - швидкодія.

Крім умов з точності та швидкодії, до САУ можуть застосовуватися вимоги, пов'язані з: габаритами, масою, технологічністю, економічністю, надійністю, складністю налаштування та обслуговування.

При створенні складних САУ та невирішенні питань оптимального синтезу можливий вибір незадовільної структури системи, або гіпертрофування одних її властивостей відносно інших (наприклад, проектування (створення) оптимальної по швидкодії САУ може призвести до непридатності системи з точки зору маси, енергоспоживання і т.ін.).

Досвід проектування САУ показує, що найбільш вигідним є утримання низки показників в певних межах, що дозволяє будувати системи, які задовольнятимуть цілий комплекс вимог.

Об'єкт управління - платформа (АП), що являє собою локальне розміщення АС різного типу (діапазону хвиль) на площині, яка не перевищує горизонтальних розмірів РО (ТЗ), пов'язана з транспортним засобом певною механічною системою (певною кількістю ланцюгів з передавальними функціями). Кількість ступенів свободи становить три.

Запропонована система стабілізації забезпечує управління АП - утримування центру маси стабілізовуваної поверхні на заданій траєкторії під час руху або формування керуючих впливів на перехід з транспортного (похідного) положення в робоче на стоянці (на місці). Процес управління пов'язаний з процесом стабілізації АП.

Під стабілізацією АП будемо розуміти збереження певного кутового положення АП щодо поверхні землі (траєкторії руху ТЗ) [9].

На рис. 2 зображено керовану платформу, конструкцію та принцип роботи якої може бути використано для стабілізації АП в трьохосевій опорній системі координат.

Зовнішня вісь Х-Х платформи жорстко зв'язана з транспортним засобом. Вісі антен А, які встановлені на платформі, повинні бути перпендикулярні відносно горизонту, при будь-яких положеннях РО (ТЗ).

Беручи до уваги те, що поворот антени (несиметричного вібратора) навколо своєї осі (рискання) не впливає на формування діаграми направленості, необхідно забезпечити рух платформи щодо ТЗ (РО) відносно двох інших осей (крен і тангаж).

Значення відхилення платформи від необхідних кутових положень опорної системи координат може бути визначено акселерометрами, які вимірюють лінійні прискорення об'єкту у заданій площині.

Стабілізація в цьому разі буде здійснюватися за двома каналами для кожної з осей. Тобто система стабілізації, у якій стабілізуючі моменти створюються тільки виконавчими елементами d (двигунами) будемо називати - “система непрямої стабілізації” [10].

Кутове положення стабілізовуваної платформи у просторі може бути задане в опорній системі координат, не пов'язаній із ТЗ, що рухається і в рухомій системі координат, яка жорстко зв'язана з цим об'єктом. Як опорну систему координат використовують інерціальну систему координат, тобто нерухому відносно горизонту, зорієнтовану в цій точці земної поверхні [10, 11]. Тепер розкриємо зміст, закладений у принцип пошуку кутів відхилення рухомої системи координат (пов'язаної з ТЗ) та опорної системи координат. Для цього задамо положення опорної та рухомої систем координат (рис. 3). Нехай у точці земної поверхні, де знаходиться об'єкт, вісь OЗ, направлена до зеніту; вісь Op - лежить у площині горизонту, направлена за заданим курсом об'єкта (маршрут руху ТЗ), вісь О^, що також лежить в площині горизонту - утворює з двома іншими осями праву систему координат. Тепер задамо рухому систему координат. Вісь Oz - направлена перпендикулярно до кузова об'єкта, вісь Oy - уздовж об'єкта до його кабіни, вісь Ох - перпендикулярно до осі Оу, до правого борту ТЗ.

Рис. 3. Опорна та рухома системи координат

Тепер задамо кути зміни положення ТЗ у просторі (рис. 4). Повороти ліворуч та праворуч ТЗ (РО), тобто оберти навколо точки О будуть визначатися кутами повороту (рискання) Т, кут, який виникає під час підйому та спуску (тангаж) у та кут нахилу ТЗ (РО) праворуч (ліворуч) 0 (крен). Ці кути визначаються в такий спосіб. За відсутності зміни положення ТЗ (РО) осі Ox, Oy, Oz збігаються з осями OЗ, Op, O\.

Під час повороту об'єкта ліворуч чи праворуч на кут Т, рухомі осі переходять у положення Ox y z. При підйомі чи під час спуску об'єкта, тобто під час повороту навколо осі Ox на кут у рухомі осі переходять у положення Oxyz. І, насамкінець, при нахилі праворуч (ліворуч) - обертання навколо осі Oy на кут нахил у 0, рухомі осі займають положення Oxyz. Приклад застосування стабілізованої платформи на колісному ТЗ (РО) зображено на рис. 5.

Рис. 5. Приклад застосування стабілізованої платформи на колісному

транспортному засобі

З огляду на викладене вище, кути Y, у, 0 лежать відповідно у площині оризонту, у вертикальній площині, що містить вісь Oy, та поперечній площині, до містить вісь Ox.

Указаним трьом кутам (змінам положення об'єкта у просторі) відповідають іатричні співвідношення:

Визначимо направляючі координати в рухомій системі координат, для цього иконаємо перетворення координат:

Загальний підсумок перетворень (4-6), тобто результат переходу від опорної системи координат до рухомої, має вигляд:

де матриця перетворення опорної системи координат на рухому дорівнює:

тобто відповідно до виразів (4-6) та (7) отримуємо:

Виконавши множення трьох матриць, отримаємо матрицю перетворення опорної системи координат в рухому (РО (ТЗ) на якому встановлена платформа) у вигляді:

Звідси легко отримати також матрицю А-1 оротного перетворення рухомої системи координат на опорну.

Слід зазначити, що при малих кутах відхилення Y, у, 0 від опорної системи координат матриця (10) наближено з точністю до членів першого порядку дорівнює:

При врахуванні членів другого порядку, отримаємо більш точний вираз:

Наведені вирази перетворення кутів відхилення об'єкта від опорної системи координат покладені в основу виконання алгоритму керуючого пристрою системи автоматичного управління платформою з антенним полем (системи стабілізації).

Запропонований у статті принцип обчислення координат системи стабілізації платформи антенного поля, установленої на транспортному засобі (РО), дозволить використати наведені розрахунки - у синтезі даної системи стабілізації.

Список використаних джерел

Деякі питання розвитку критичних технологій у сфері виробництва озброєння та військової техніки: Розпорядження Кабінету Міністрів України № 600-р від 30 серпня 2017 р. URL: https:// 7акоп.габа^оу.иа^о/600-2017-р (дата звернення: 02.03.2019).

Сучасні засоби зв'язку - складова ефективної системи управління військами. Народна Армія. 29.12.2015. С. 3-5.

Як змінилися війська зв'язку з початку. URL: http://milnavigator.com.ua/07.08.2017 (дата звернення: 02.03.2019).

Указ Президента України від 30 квітня 2018 року № 116/2018 “Про рішення Ради національної безпеки і оборони України від 30 квітня 2018 року “Про широкомасштабну антитерористичну операцію в Донецькій та Луганській областях”. URL: https://zakon.rada.gov.ua/ laws/show/116/2018 (дата звернення: 02.03.2019).

Спутниковая связь и вещание: справочник / под ред. Л.Я. Кантора. 2 изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1988.

Бородич С.В. ЭМС наземных и космических радиослужб. М: Радио и связь. 1990. Одесса: УГАС, 1996. С. 30-63.

Паламарчук С.В., Коротченко Л.А., Кузавков В.В., Зарубенко А.О. Методика проведення енергетичного розрахунку в трактах системи супутникового зв'язку. Збірник наукових праць випуск. № 3. Київ: ВІТІ, 2017. С. 42-47.

Ка-революция в спутниковом ШПД. Журнал “Технологии и средства связи”. 2011. № 2. С. 64-70.

Кузавков В.В., Зарубенко А.О. Оцінка вітрового навантаження на антенну конструкцію. Київ: Збірник наукових праць. Науково-дослідний інститут ГУР МОУ. Вип. 44. 2017. С. 94101.

Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Ленинград: Судостроение, 1968.

Инерциальные системы управления / под ред. Д. Питтмана. М.: Воениздат, 1964.

References

Rozporyadzhennya Kabinetu Ministriv Ukrayiny № 600-r vid 30 serpnya 2017 r./ Deyaki pytannya rozvytku krytychnykh tekhnolohiy u sferi vyrobnytstva ozbroyennya ta viys'kovoyi tekhniky. “Order of the Cabinet of Ministers of Ukraine No. 600-r dated August 30, 2017 / Some issues of the development of critical technologies in the field of the production of weapons and military equipment” [in Ukrainian].

Suchasni zasoby zvyazku -- skladova efektyvnoyi systemy upravlinnya viys'kamy. “Modern Means of Communication are an Integral Part of an Effective System of Troop Control”. People's Army, December 29, 2015. P. 3-5 [in Ukrainian].

Yak zminylysya viyska zvyazku z pochatku. “How the Signal Troops Changed from the Beginning”. URL: http://milnavigator.com.ua/07.08.2017(date of application: 02.03.2019)[in Ukrainian]

Ukaz Prezydenta Ukrayiny vid 30 kvitnya 2018 roku № 116/2018 “Pro rishennya Rady

natsionalnoyi bezpeky i oborony Ukrayiny vid 30 kvitnya 2018 roku “Pro shyrokomasshtabnu antyterorystychnu operatsiyu v Donetskiy ta Luhanskiy oblastyakh”. “Decree of the President of Ukraine dated April 30, 2018, No. 116/2018 “On the Decision of the National Security and Defense Council of Ukraine dated April 30, 2018. “On a Large-Scale Anti-Terrorist Operation in Donetsk and Luhansk Regions”URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/116/2018 (date of application:

02.03.2019) [in Ukrainian].

Sputnikovaya svyaz i veshchaniye. “Satellite Communication and Broadcasting” / Ed. L.Ya. Cantor. Reference. 2 ed. M.: Radio and communication.1988 [in Russian].

Borodich, S.V. (1990) EMS nazemnykh i kosmicheskikh radiosluzhb. “EMC ground and space radio services”. M: Radio and Communications. Odesa: UGAS, 1996. P. 30-63 [in Russian].

Palamarchuk, S.V., Korotchenko, L.A., Kuzavkov, V.V., Zarubenko, A.O. (2017) Metodyka provedennya enerhetychnoho rozrakhunku v traktakh systemy suputnykovoho zvyazku. “Methodology of Conducting Energy Calculation in the Channels of the Satellite Communication System”: Collection of Scientific Works. No 3. Kyiv: VITI. P. 42-47 [in Ukrainian].

Ka-revolyutsiya v sputnikovom SHPD. “Ka-Revolution in Satellite Broadband Access”. Journal “Technology and communications”. No. 2. 2011. P. 64-70 [in Russian].

Kuzavkov, V.V., Zarubenko. A.O. (2017) Otsinka vitrovoho navantazhennya na antennu konstruktsiyu. “Estimation of the Wind Load on the Antenna Construction”. Kyiv: Collection of scientific works. Research Institute GUR MOU. No 44. P. 94-101 [in Ukrainian].

Besekerskiy, VA., Fabrikant, Ye.A. (1968) Dinamicheskiy sintez sistem giroskopicheskoy stabilizatsii. “Dynamic Synthesis of Gyroscopic Stabilization Systems”. Leningrad. Shipbuilding [in Russian].

11.Inertsial'nyye sistemy upravleniya. “Inertial Control Systems” / Ed. D. Pittman. M. Voenizdat, 1964 [in Russian].

Размещено на Allbest.ru