Федеральное агентство по образованию РФ
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого президента Российской федерации »
Радиотехнический институт – РтФ
Кафедра РТС
Оценка___________________
Принял___________________
Курсовая работа
на тему
«Координаторы радиотехнических систем самонаведения»
по дисциплине «Системы радиоуправления»
Подпись Дата
Преподаватель _____________________ ___________________
Студент _____________________ ___________________
Группа Р – 55071
г. Екатеринбург
2009г
Содержание:
Задание: 3
Порядок выполнения работы: 4
1. Координатор радиотехнических систем самонаведения: 5
2. Исследование динамики системы с заданными параметрами. 6
3. Выбор типа координатора, формы сигнала и длины рабочей волны. 8
4. Расчет основных характеристик антенной системы приемника и передатчика. 10
5. Для следящего координатора: выбор величины добротности, расчет эквивалентной шумовой полосы; 12
6. Расчет допустимого значения дисперсии флуктуационной ошибки σx2. 12
7. Выбор полосы пропускания линейной части приемника и способа управления вспомогательными системами. 13
8. Расчет необходимой мощности сигнала на входе приемника на начальной дальности. 14
9. Расчет требуемой мощности передатчика. 15
10. Расчет мощности сигнала на входе радиоприемного устройства координатора на расстоянии, равной величине «мертвой зоны». Определение динамического диапазона схемы нормировки, примененной в координаторе. 17
Заключение. 18
Список используемой литературы: 19
Задание:
Вариант №2
Разработать координатор радиотехнической системы самонаведения при следующих параметрах:
· Тип системы самонаведения: полуактивная;
· Класс снаряда: Земля-Воздух;
· Расстояние от передатчика до цели: R1=30 км;
· Расстояние от ракеты до цели в момент начала самонаведения: R2=30 км;
· Диаметр антенны передатчика: Da пер=1,5 м;
· Диаметр антенны приемника: Da пр=0,3 м;
· Начальная ошибка прицеливания: Δβ0=60;
· Метод пеленга: коническое сканирование;
· Скорость УРС: VУРС=1000 м/с;
· Скорость цели: VЦ=600 м/с;
· Максимальная перегрузка УРС: КУРС=20g;
· Максимальная перегрузка цели: Кц=4g;
Порядок выполнения работы:
1. Исследование динамики системы с заданными параметрами, должны быть найдены начальное значение скорости вращения линии визирования ω0 и ее максимальное значение на траектории, а так же пределы измерения угла визирования;
2. Выбор типа координатора, формы сигнала и длины рабочей волны;
3. Расчет основных характеристик антенной системы приемника и передатчика;
4. Для следящего координатора: выбор величины добротности, расчет эквивалентной шумовой полосы;
5. Расчет допустимого значения дисперсии флуктуационной ошибки σx2;
6. На основе динамических характеристик проектируемой системы и расчета ширины спектра сигнала выбрать полосу пропускания линейной части приемника;
7. Расчет необходимой мощности сигнала на входе приемника на начальной дальности;
8. Расчет требуемой мощности передатчика;
9. Расчет мощности сигнала на входе радиоприемного устройства координатора на расстоянии, равной величине «мертвой зоны». Определение динамического диапазона схемы нормировки, примененной в координаторе.
Определим характеристики цели:
Цель – это истребитель, движущийся прямолинейно по направлению к РЛС со скоростями (300 – 600) м/с на дальности 30 км. Считаем что на протяжении 15 км идет сильный дождь, а на протяжении оставшихся 15 км сухая, ясная погода.
Линейные размеры цели: Длина – 20м, размах крыльев – 13м, высота – 6м.
Для определения ЭПР цели воспользуемся стандартными значениями из таблицы 2.2 [1] для сантиметровых длин волн ЭПР истребителя: S0≈1 м2.
1. Координатор радиотехнических систем самонаведения:
Назначение координатора – измерение величин, определяющих взаимное расположение цели и управляемого снаряда в данный момент времени. На основании измерений координатор формирует напряжение команды, поступающее в автопилот.
При большинстве методов наведения угловая величина, характеризующая направление «цель – снаряд», связывается с направлением вектора скорости снаряда. Из это следует, что задачей координатора в первую очередь является измерение угловых координат цели, пеленгование ее. Однако во многих случаях необходимым является измерение дальности цели и скорости сближения снаряда с ней. Таким образом, основной частью координатора системы самонаведения является пеленгатор. Дальномерное устройство и измеритель скорости сближения выполняют, как правило, вспомогательные задачи.
2. Исследование динамики системы с заданными параметрами.
Так как у нас скорость цели сравнима со скоростью движения нашего самонаводящегося снаряда, применяем метод пропорциональной навигации.
Считаем, что атака навстречу: следовательно, угол упреждения небольшая величина. Примем β0=0.
Рассчитаем начальное значение скорости вращения линии визирования на расстоянии R0=R1=R2(самонаведение с самого начала):
Тип координатора выбираем следящий.
Рассчитаем начальную динамическую ошибку.
Идеальный случай – движение по траектории параллельного сближения, ракета стремиться к ней выйти.
Начальное нормальное ускорение будет равно:
Полученное значение 
Рассчитаем максимальное значение скорости на конечном участке самонаведения, вызванное маневрами цели:
V – скорость сближения ракеты с целью
с – навигационная постоянная. Увеличение точности системы можно получить сокращением «мертвой зоны» и увеличением навигационной постоянной. Но значительное увеличение навигационной постоянной практически не возможно из-за трудностей с обеспечением устойчивости и роста среднеквадратической ошибки, вызванной флуктуациями отраженного сигнала. Если выбрать навигационную постоянную в пределах 3<c<6, то ошибка, вызванная действием угловых флуктуаций имеет порядок динамической ошибки. Примем с=4.
- соотношение скоростей цели и снаряда.
Максимальная перегрузка ракеты:
следовательно мы укладываемся в максимальную перегрузку ракеты
Рассчитаем промах при таких параметрах:
Размер мертвой зоны: Rмз=700 м.
В данном выражении первое слагаемое образуется за счет ошибки слежения, второе за счет «мертвой зоны».
3. Выбор типа координатора, формы сигнала и длины рабочей волны.
Выбор типа координатора:
Выбираем следящий координатор. Он обладает рядом преимуществ в динамике и помехоустойчивости по сравнению с разомкнутым координатором.
Выбор длины волны:
Полуактивное самонаведение основано на использовании явления отражения радиоволн от объектов. Высокая интенсивность отражений от некоторого объекта обеспечивается, если длина волны λ много меньше габаритного размера lоб этого объекта (λ<<lоб), в нашем случае линейные размеры цели примерно равны 20-ти метрам. Т. е. λ<<20м. (считаем, что наша цель это самолет)
Для получения большой дальности действия, высокой разрешающей способности по угловым координатам и точности их измерений необходимо использование остронаправленных антенн. Направленное излучение и прием радиоволн достигаются только в том случае, когда используемая длина волны много меньше габаритов антенны. Поэтому с точки зрения создания остронаправленных и компактных антенн желательно применение малых длин волн.
Для достижения больших дальностей действия, высокой эффективности обнаружения сигналов и точности измерения их параметров уровень помех должен быть как можно меньше. В данном диапазоне волн (сантиметровом) это условие выполняется, так как уровень атмосферных и большинства индустриальных помех мал, а квантовые эффекты еще не сказываются.
Для повышения точности измерения малых радиальных скоростей объекта по величине доплеровского смещения частоты Fд=2Vr/λ необходимо выбирать длину волны как можно меньше.
При использовании диапазонов сантиметровых длин волн дальность действия ограничивается пределами прямой видимости, так как в данном диапазоне радиоволны, как правило, распространяются без явлений рефракции и отражений от ионосферы, т. е. в первом приближении прямолинейно, при этом волны длиннее 3 см еще сравнительно слабо затухают в атмосфере и распространяются практически независимо от метеорологических условий (времени суток и года, наличия тумана, облаков, осадков и т. п.).
Следовательно в нашем случае длина волны 3,5 см выбирается исходя из обеспечения узкой ДН, при сравнительно небольших размерах антенны. Так же на выбор длины волны влияют размеры цели. При выборе длины волны учтены поглощающие и рассеивающие действия гидрометеоров и атмосферы, возможность получения необходимой мощности от передатчика и обеспечения требуемой чувствительность приемника.
В диапазонах сантиметровых волн и особенно миллиметровых волн интенсивное поглощение электромагнитных колебаний вызывает нежелательное уменьшение дальности действия станции.
У нас цель находится на небольшой дальности - максимальная 30 км
Выберем длину волны:
Следовательно частота несущей:
Исходя из размеров цели попробуем обосновать выбор длины волны:
Следовательно длина волны 3 см удовлетворяет выбранным размерам цели.
Выбор формы сигнала:
Для повышения разрешающей способности координатора по скорости применяют непрерывный немодулированный зондирующий сигнал. Координаторы с таким сигналом хорошо защищены от воздействия пассивных помех в виде дипольных отражателей, но разрешение по дальности у такого сигнала очень маленькое. За счет увеличения средней мощности зондирующего сигнала возможно увеличение начальной дальности самонаведения по сравнению с импульсным когерентным сигналом. Применение непрерывного немодулированного сигнала целесообразно в полуактивных системах самонаведения снарядов «Земля-Воздух», так как у данной формы сигнала имеется недостаток: большую опасность могут представлять отражения зондирующего излучения от земной или морской поверхности, так же при близком расположении приемника и передатчика возникает проблема защиты от проникновения зондирующего сигнала на входе приемника (не отраженного от цели).
Анализируя описанные выше преимущества и недостатки выбираем непрерывную форму сигнала.
4. Расчет основных характеристик антенной системы приемника и передатчика.
Параметры приемной антенны:
Так как у нас коническое сканирование, то для расчета параметров антенной системы приемника используем формы для расчета с вращением диаграммы направленности.
Параметры антенной системы связаны с длиной волны следующим соотношением:
Ширина диаграммы направленности антенны по нулям:
Угол скоса:
Полный угол зрения:
Полезный угол зрения
Коэффициент использования равносигнальной зоны:
КПД антенны:
Рассчитаем коэффициент усиления антенны:
Эффективная поверхность раскрыва антенны приемника:
Расчет коэффициента направленного действия:
Коэффициент усиления антенны:
Чувствительность равносигнальной зоны:
Параметры передающей антенны:
КПД антенной системы передатчика примем равным 1
В практике расчета РЛС обычно берут 
- коэффициент использования поверхности антенны, отсюда эффективная площадь раскрыва антенны:
Расчет коэффициента направленного действия:
Коэффициент усиления антенны:
5. Для следящего координатора: выбор величины добротности, расчет эквивалентной шумовой полосы;
Добротность характеризует установившуюся динамическую ошибку слежения при линейном законе изменения угловой координаты θ(t). В радиотехнических системах добротность следящих координаторов обычно выбирается в пределах: D=(6÷10) 1/c. При других значениях добротности система самонаведения может стать неустойчивой.
Добротность примем равной D=8 1/c.
Эквивалентная шумовая полоса следящего координатора рассчитывается по формуле:
6. Расчет допустимого значения дисперсии флуктуационной ошибки σx2.
Используя следующую формулу для определения вероятности срыва слежения:
,
Где:
- длительность начального участка траектории, выраженная в секундах;
- половина ширины полезного угла зрения координатора;
- максимальное значение динамической ошибки сопровождения цели следящим координатором.
σх – среднеквадратическая ошибка сопровождения цели, вызванная действием внутреннего шума на начальной дальности самонаведения.
Зададимся вероятность срыва слежения: Рср=0,01.
Выразим из приведенного выше соотношения дисперсию и рассчитаем ее:
7. Выбор полосы пропускания линейной части приемника и способа управления вспомогательными системами.
При непрерывном сигнале отсутствует временной автоселектор, поэтому к вспомогательным системам проектируемого координатора относятся АРУ и система автоподстройки частоты. Так как в нашей системе самонаведение применяется на всем протяжении полета снаряда, то целесообразно использовать автономное управление вспомогательными системами, что позволит избежать необходимости создания канала связи "пункт управления - снаряд", который может быть подвержен влиянию помех и который может затруднять маневры и демаскировать пункт управления.
Для оценивания полосы пропускания линейной части приемника рассчитаем частоту доплеровского смещения, при отражении сигнала от цели, что бы не было перекрытия по частоте сигналов отраженного и излученного:
Спектр у немодулированного непрерывного сигнала очень узкий, поэтому примем его равным:
8. Расчет необходимой мощности сигнала на входе приемника на начальной дальности.
Среднеквадратическая ошибка пеленгации, вызванная действием внутреннего шума, определяется следующей приближенной формулой:
Где:
Pc – необходимая мощность сигнала на вроде приемника на начальной дальности.
- спектральная плотность шума, пересчитанная ко входу приемника.
Nш – Коэффициент шума приемника. Считаем, что приёмник изготовлен на полупроводниковых приборах, их коэффициент шума составляет порядка 2…10. Возьмём 
, т. к. нужно ещё учесть и прочие шумы (антенна, атмосфера и т. д.).
Коэффициент К зависит от метода пеленгации. В нашем случае (для сканирующего пеленгатора) К=1.
Из приведенной выше формулы можно найти необходимую мощность сигнала на вроде приемника на начальной дальности.
9. Расчет требуемой мощности передатчика.
Рассчитаем из условия максимальной дальности:
Где
k – постоянная. Больцмана;
T – абсолютная температура окружающей среды;
- допустимое отношение мощностей сигнала и шума.
,
Следовательно пороговое отношение сигнал/шум получается равным
- коэффициент затухания радиоволн в отмосфере.
α- коэффициент затухания энергии на единицу длины волны, зависящий от длины волны и условий распространения волны.
Рассмотрим поподробнее учет поглощения радиоволн.
На дальность зоны действия влияет только состояние атмосферы (погодные условия, влажность воздуха и т. д.), но не влияет подстилающая поверхность.
При распространении радиоволн в атмосфере происходят искривление траектории радиоволн (рефракция) и рассеяние электромагнитной энергии атомами и молекулами воды и газов, а так же частицами выли (аэрозолями). Последний фактор приводит к затуханию радиоволн.
Рефракция обусловлена изменением относительной диэлектрической проницаемости атмосферы, которое приводит к изменению коэффициента преломления, а в конечном результате – к искривлению траекторий распространения радиоволн.
Затухание радиоволн в атмосфере начинает сказываться при длине волны меньше 30 см и зависит от длины волны (частоты) радиосигнала и состояния атмосферы на трассе распространения радиоволн.
По графику зависимости удельного коэффициент затухания от длины волны находим коэффициенты затухания при разных погодных условиях:
Для 3-х сантиметрового диапазона получаются следующие цифры:
|
Состояние атмосферы |
Удельный коэффициент поглощения энергии α, дб/км |
|
Пары воды |
0,0075 |
|
Кислород |
Не влияет |
|
Туман при видимости 150м |
0,025 |
|
Туман при видимости 60м |
0,06 |
|
Туман при видимости 30м |
0,25 |
|
Дождь с интенсивностью 1 мм/час |
Не влияет |
|
Дождь с интенсивностью 4 мм/час |
0,06 |
|
Дождь с интенсивностью 16 мм/час |
0,3 |
Атомы, молекулы газов атмосферы и пылевые частицы поглощают энергию радиоволн на всей трассе распространения, в то время как капельки воды (влага) могут вызвать резкое увеличение рассеяния радиоволн на отдельных участках трассы.
В наших расчетах примем, на протяжении 15 км идет дождь с интенсивностью 16мм/час, на остальном участке пути ясная и сухая погода.
Расчет коэффициента затухания:
Мощность передатчика через максимальной расстояние выражается следующим образом:
10. Расчет мощности сигнала на входе радиоприемного устройства координатора на расстоянии, равной величине «мертвой зоны». Определение динамического диапазона схемы нормировки, примененной в координаторе.
Для расчета уровня сигнала на расстоянии «мертвой зоны» воспользуемся формулами радиолокации, для расчета дальности действия РЛС:
Так как у нас систем полуактивного самонаведения, преобразуем формулу для нашего случаю:
Выразим мощность сигнала на вроде радиоприемного устройства
Динамический диапазон системы:
Заключение
В ходе работы над данным курсовым проектов был обоснован выбор параметров (некоторые из них рассчитаны) полуактивной системы самонаведения ракет класса «земля-воздух».
Так же в данной курсовой работе были отработаны навыки самостоятельного решения инженерных задач, производился выбор и расчет тактико-технических характеристик (ТТХ) системы самонаведения, закреплялись вопросы соотношения параметров и принципы построения систем самонаведения. Также рассматривалось влияние отдельных параметров и мешающих факторов (влияние земли и атмосферы) на показатели качества функционирования системы.
В целом проектирование выполнялось с условием оптимизации координатора по совокупности вектора показателей качества (в частности, помехоустойчивость, стоимость, надежность и т. д.).
Список используемой литературы:
1. Болотов принципы радиоуправления полетом. Издание УПИ
2. Гуткин радиоуправления беспилотными объектами. М.: «советское радио», 1959 г.
3. Радиоуправление реактивными снарядами и космическими аппартами, по редакцией . М.: «советское радио», 1938г.
4. – конспект леций;
5. Маевская конспект лекцкии пере дотках сто))
