ПОСАДКА БЕСПИЛОТНЫХ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА СУДА:
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
ПОСАДКА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ НА СУДА:
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
Санкт-Петербург
2014
УДК 623.746.-519
ББК 39.57-5
П61
Библиотека судостроителя
Серия «Судовое приборостроение»
Под научной редакцией
доктора технических наук, профессора Г. А. Коржавина
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Системы обработки информации и управления» Балтийского
государственного технического университета (БГТУ) «Военмех» им. Д. Ф. Устинова,
доктор технических наук, профессор О .С. Ипатов;
ведущий научный сотрудник 1-го ЦНИИ МО РФ ВУНЦ ВМФ РФ, доктор технических
наук, профессор А. П. Лось;
начальник научно-исследовательской лаборатории ОАО «Концерн „Гранит-Элек-
трон"», доктор технических наук О. Г. Мальцев
П61 Посадка беспилотных летательных аппаратов
на суда: проблемы и решения / Под общей редакцией док-
тора технических наук, профессора С. Н. Шарова. - СПб :
Судостроение, 2014. - 192 с.: ил.
ISBN 978-5-7355-0795-8
Рассмотрены технические вопросы посадки беспилотных ле-
тательных аппаратов (БПЛА) на маломерные суда, принципиально
различные способы высокоточного приведения БПЛА к зацепу по-
садочного устройства при качке судна, а также особенности проек-
тирования тормозных устройств, обеспечивающих минимальные
перегрузки при ограниченной длине тормозного пути.
Для инженеров-проектировщиков и исследователей информа-
ционно-управляющих систем летательных аппаратов и судов,
а также для студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям
«Системы управления летательных аппаратов» и «Автоматизиро-
ванные системы обработки информации и управления».
УДК 623.746.-519
ББК 39.57-5
ISBN 978-5-7355-0795-8
©ШаровС. Н., 2014
© Издательство «Судостроение», 2014
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблеме использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
на судах уделяется большое внимание в России и за рубежом. В ОАО «Кон-
церн „Гранит-Электрон44» накоплен значительный научно-технический задел
по этой проблематике, который и лег в основу данной книги. Кроме того,
в монографии обобщены материалы Российского научно-технического обще-
ства судостроителей имени академика А. Н. Крылова, в частности секции
«Приборное оснащение кораблей и судов» (председатель секции - генераль-
ный директор ОАО «Концерн „Гранит-Электрон44», доктор технических наук
Г. А. Коржавин; заместитель председателя секции - первый заместитель ге-
нерального директора ОАО «Концерн „Гранит-Электрон44», Заслуженный де-
ятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ю. Ф. Подоплекин).
В соответствии с планом работы указанной секции в 2012-2013 годах были
проведены научно-технические семинары под научным руководством глав-
ного научного сотрудника ОАО «Концерн „Гранит-Электрон44» доктора тех-
нических наук, профессора С. Н. Шарова.
Книга содержит 6 глав. В первой главе «Оснащение судов средствами
посадки беспилотных летательных аппаратов» анализируются известные тех-
нические решения использования БПЛА на судах, состав бортовой аппара-
туры БПЛА и судовой аппаратуры, обеспечивающей многофункциональный
мониторинг надводной и наземной обстановки. Показывается существенное
подобие систем управления БПЛА и других судовых и корабельных систем.
Особенностью корабельных систем управления БПЛА, отличающей их от ко-
рабельных комплексов ракетного оружия, является необходимость возвраще-
ния БПЛА на носитель. Обзор известных технических решений показал от-
сутствие в настоящее время удовлетворительных устройств, обеспечиваю-
щих посадку БПЛА на маломерные суда.
Во второй главе «Теоретические вопросы проектирования систем по-
садки беспилотных летательных аппаратов на маломерные суда» рассматри-
ваются ключевые вопросы теории посадки БПЛА на движущийся носитель.
Рассматриваются особенности расчета траектории возвращения БПЛА на
движущееся судно с учетом ограничений, накладываемых на маневренные
свойства БПЛА и условия его подхода к посадочному устройству. Решается
пространственная задача с оптимизацией точности приведения БПЛА в за-
данную зону пространства с «беспросадочным» снижением на малую вы-
соту. Также рассматриваются особенности автономного управления посад-
кой БПЛА, при котором основные измерения и формирование сигналов
управления происходят на борту БПЛА. Анализируются способы измерения
3
параметров взаимного расположения БПЛА и посадочного устройства с по-
мощью бортового телевизионного канала.
Кроме того, во второй главе рассматриваются возможности автомати-
ческого и автоматизированного управления посадкой БПЛА на движущееся
судно установленными на судне телевизионным приемным устройством и ла-
зерным дальномером.
В третьей главе «Особенности оптико-электронных координаторов для
управления посадкой беспилотных летательных аппаратов на судно» пока-
заны особенности организации автоматизированного рабочего места опера-
тора управления посадкой БПЛА. Приводятся результаты эксперименталь-
ных исследований дальности обнаружения БПЛА лазерным дальномером
и оценивается точность определения координат объектов, наблюдаемых те-
левизионным каналом.
В четвертой главе «Посадка беспилотного летательного аппарата на
судно при качке» рассматривается влияние качки на точность приведения
БПЛА к посадочному устройству. В частности, для уменьшения негативного
влияния колебаний судна рассматривается пространственная стабилизация
посадочного устройства следящими приводами. Показана целесообразность
прогнозирования положения посадочного устройства в момент сцепления
с БПЛА при качке судна. Предварительный анализ параметров качки позво-
ляет изменить курс и скорость движения судна для увеличения точности при-
ведения БПЛА к захватному устройству.
В пятой главе «Торможение беспилотного летательного аппарата после
сцепления с захватным устройством» проводится анализ возможности обес-
печения минимального тормозного пути для устройств различного типа при
допустимой величине ускорения при торможении. Оценивается соотношение
преобразования кинетической энергии БПЛА в тепловую и потенциальную
энергию сжатой пружины в устройствах торможения. Рассматривается тор-
мозное устройство с нелинейной пружиной и его регулировочные возможно-
сти для различных скоростей сближения БПЛА с судном. Исследуются ста-
тические и динамические свойства тормозного устройства.
В шестой главе «Заключительные положения» изложены основные ор-
ганизационно-технические предложения по оснащению судов и кораблей
беспилотными летательными аппаратами.
Исследования, результаты которых изложены в монографии, выпол-
нены при поддержке Гранта РФФИ № 13-08-00925.
В подготовке и написании книги совместно с С. Н. Шаровым прини-
мали участие: Ю. Ф. Подоплекин (пункты 1.1, 2.1.1), И. М. Яцковская (пункт
1.1), В. В. Соловьева (пункты 1.2, 3.2, 3.3), А. В. Соловьев (пункт 2.2),
Е. С. Петухова (пункты 2.3, 2.4, 2.5.1-2.5.4, 3.3), В. В. Морозов (пункт 2.5.5),
А. А. Александров (пункт 2.5.5), С. Г. Толмачев (пункты 3.2, 3.3, 4.2, 4.3),
М. С. Дворяшин (пункты 4.1,5.1). Более подробные сведения об авторах при-
ведены в конце книги.
Все замечания и предложения по материалам настоящей монографии
просим направлять С. Н. Шарову по электронной почте: cri-granit@peterlink.ru.
4
ГЛАВА 1. ОСНАЩЕНИЕ СУДОВ
СРЕДСТВАМИ ПОСАДКИ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
1.1. СУДОВОЙ КОМПЛЕКС МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО
МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ И МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НА БАЗЕ БПЛА
Системный подход к анализу и синтезу сложных систем управ-
ления (к ним относится система управления БПЛА) обусловлен
насущной необходимостью создания (проектирования, изготовления
и отработки) аппаратуры на современном этапе. Суть системного ана-
лиза в рациональном разбиении многосвязной сложной системы на
более простые системы и подсистемы для возможности использовать
для их анализа и проектирования (синтеза) известные методы.
При этом декомпозиция сложной системы проводится одновременно
на уровне решаемых задач и реализации их на аппаратном уровне.
Теория системного анализа развивается в трудах ряда отечественных
ученых [1-5], в частности, членов-корреспондентов АН СССР
А. А. Вавилов и Н. П. Бусленко. В этих работах сформулированы
принципы полноты и достаточности при топологическом анализе
сложной системы и декомпозиции ее на более простые функциональ-
ные подсистемы. С практической точки зрения для аппаратуры управ-
ления БПЛА системный анализ позволяет наиболее полно обосновать
задачи унификации и преемственности технических решений.
В настоящее время существуют два подхода к созданию борто-
вой аппаратуры БПЛА.
Первый подход основан на принципе самолетных систем раз-
ведки и целеуказания, который традиционно используют разработ-
чики самолетной аппаратуры. Однако при таком подходе радиоэлек-
тронная бортовая аппаратура летательного аппарата занимает суще-
ственные объемы, имеет значительный вес и требует в большинстве
штатных ситуаций вмешательства оператора для обнаружения задан-
ных объектов-целей, селекции их на фоне помех и классификации.
Кроме того, в качестве основного режима управления предусматри-
вается дистанционное управление полетом летательного аппарата.
5
В результате получил распространение термин «дистанционно-пило-
тируемый летательный аппарат», или сокращенно ДПЛА. Здесь боль-
шая нагрузка в управлении полетом и принятии решения лежит на
операторах. Это привело к тому, что существующие малогабаритные
БПЛА имеют одну информационную систему (телевизионную), по
информации которой оператор управляет движением аппарата и при-
нимает решение о наличии целей и их координатах.
Другой подход, развиваемый в настоящее время в Концерне
«Гранит-Электрон», основан на принципе бортовых ракетных систем.
Такой подход позволит обеспечить минимальные габариты бортовой
аппаратуры и максимальную автономность БПЛА.
Предварительной задачей системного анализа является обос-
нование необходимости создания автоматизированного беспилот-
ного комплекса мониторинга водной и наземной поверхности. Эта
задача решается путем сравнительного анализа существующих
и разрабатываемых комплексов аналогичного назначения в нашей
стране и за рубежом.
Следующей задачей системного анализа является определение
круга задач, решаемых комплексом аппаратуры БПЛА. При этом
необходимо учитывать тенденции развития летно-технических
свойств БПЛА, бортовой и судовой аппаратуры информационно-
управляющей системы.
В соответствии с функциональными задачами проводится де-
композиция комплекса аппаратуры, определяется его структура
и внутренние функциональные связи. Здесь проводится естественное
разбиение аппаратуры на бортовую, принадлежащую БПЛА, судовую
(аппаратуру носителя) и контрольно-проверочную аппаратуру завода
изготовителя и технической позиции.
Сравнительный анализ различных вариантов БПЛА самолетного
и вертолетного типа показал, что наиболее удобным для автономного
целеуказания является летательный аппарат, способный стартовать
практически с любого места земли, куда может добраться грузовой
автомобиль, или с верхней палубы небольшого судна (например, ра-
кетного катера). Именно этим требованиям может удовлетворять,
например, летательный аппарат с арочным крылом «Бекас» или аппа-
рат вертолетного типа.
Беспилотные летательные аппараты являются наиболее пер-
спективными для обеспечения разнообразных задач охраны и ди-
станционной диагностики. При этом целевая аппаратура выполня-
ется в виде сменного модуля, в наибольшей степени удовлетворяю-
щего конкретному (преимущественному) использованию летатель-
ного аппарата.
6
Целевая аппаратура может иметь различные информационные
каналы, и, в зависимости от их технических характеристик, возможна
различная тактика просмотра поверхности (разведки).
Например, телевизионная аппаратура, имеющая объектив с пе-
ременным фокусным расстоянием, осматривает передний сектор в пре-
делах 45-60 ° по ходу движения БПЛА, и при необходимости для луч-
шего распознавания наблюдаемых объектов угол зрения уменьшается
до 10-15 ° по команде оператора или по программе, заложенной в бор-
товой вычислительной машине. Маневр летательного аппарата заклю-
чается в том, чтобы удерживать выбранный объект в поле зрения.
Бортовая радиолокационная станция бокового обзора требует
для осмотра заданного сектора поворота или циркуляции летатель-
ного аппарата.
Радиометрический информационный канал позволяет обнаружи-
вать противопехотные, противотанковые и морские мины; инфракрас-
ный канал поиска нарушителя требует последовательного облета задан-
ной территории по спиральной или «строчно-кадровой» траектории.
Решение целевых задач автоматизированного многоканального
комплекса мониторинга на базе БПЛА требует решения сопутствую-
щих задач, связанных с обеспечением эксплуатации: доставка целе-
вой аппаратуры в заданную точку, выполнение заданного маневра,
возвращение аппарата в точку старта или другую заданную точку по-
верхности, посадка и транспортировка аппарата на носителе.
Задачи, решаемые навигационной системой, состоят из самосто-
ятельных подзадач: взлет БПЛА, маршевое движение БПЛА, маневр
(одно или группа характерных движений) БПЛА, посадка БПЛА. Ре-
шение перечисленных задач обеспечивает бортовая система инерци-
альной навигации совместно с наземной (судовой) системой управле-
ния в автоматическом и полуавтоматическом режимах.
Подготовку аппарата к полету осуществляет судовая автома-
тизированная система: вывод аппарата из транспортировочного
контейнера, проверку работоспособности всех агрегатов и прибо-
ров аппарата и ввод полетного задания в бортовую ЦВМ летатель-
ного аппарата.
Особое внимание уделяется режиму посадки БПЛА. Для назем-
ных носителей представляется наиболее простым вариант приземле-
ния БПЛА в непосредственной близости от носителя с дальнейшей за-
грузкой БПЛА в транспортировочный контейнер с помощью подъем-
ного крана.
Для судов предпочтительным является вариант посадки лета-
тельного аппарата на палубу судна, что требует специальных
устройств для безопасной посадки и фиксации БПЛА при качке.
7
Наиболее простым и дешевым вариантом целевой аппаратуры
автоматизированного комплекса мониторинга на базе БПЛА является
телевизионная аппаратура, наиболее пригодная для дистанционного
наблюдения различных объектов. Информация телевизионного изоб-
ражения наиболее проста для интерпретации оператором общего сю-
жета и отдельных объектов.
По телевизионному изображению оператор может определить
положение летательного аппарата относительно поверхности Земли
и вносить коррекцию в управление его пространственным движением.
Телевизионная аппаратура изменяет свое поле зрения в режимах об-
зора и сопровождения (опознания) отдельных объектов.
Развитием телевизионной аппаратуры является тепловизионная ап-
паратура ночного видения, использующая инфракрасное излучение
в ближней (2,7-5,5 мкм) и дальней области (8-14 мкм) прозрачности атмо-
сферы.
Однако недостатком телевизионного и тепловизионного кана-
лов является небольшая дальность действия (определяется метеоро-
логической дальностью видимости), существенное влияние на даль-
ность действия погодных условий и отсутствие измерения дистанции
до наблюдаемых объектов.
Указанные недостатки компенсируются радиолокационным ка-
налом, обладающим существенно меньшей зависимостью от погод-
ных условий, большей дальностью действия и информацией более
адекватной для радиолокационных систем мониторинга. С целью по-
вышения разрешающей способности (далее в монографии использу-
ется термин «разрешение» - Прим, ред.) по угловой координате в го-
ризонтальной плоскости бортовой радиолокатор выполняется с ан-
тенной бокового обзора на боковой поверхности корпуса БПЛА.
При достаточном уровне миниатюризации аппаратуры или при
увеличении допустимой массы целевой аппаратуры возможно совме-
щение различных информационных каналов на борту БПЛА. Исполь-
зование лазерного визира на БПЛА обеспечит подсветку выбранных
оператором объектов для более достоверной их классификации.
По всем перечисленным вопросам создания целевой аппаратуры в
Концерне «Гранит-Электрон» имеется значительный научно-техниче-
ский задел. Образцы отдельных информационных каналов (активных
радиолокационных, пассивных радиопеленгационных, тепловых, лазер-
ных и комбинированных визиров) прошли в полном объеме испытания
на береговых стендах и на самолете-лаборатории в натурных условиях.
Автоматизированный беспилотный комплекс мониторинга со-
стоит из двух основных частей:
1. БПЛА (один или более аппаратов), укомплектованный борто-
вой аппаратурой системы управления, связи и сменной целевой аппа-
ратурой.
2. Судовой (наземный) комплекс аппаратуры системы управле-
ния, включающий в себя контейнер для хранения и транспортировки
8
БПЛА, пульт управления и аппаратуру связи носителя с БПЛА и дру-
гими системами судна. Особое место занимает оборудование трена-
жера для обучения оператора управлением БПЛА. Как показывает
опыт Концерна «Гранит-Электрон» и других предприятий, целесо-
образно проводить одновременно проектирование, изготовление си-
стемы управления и тренажера, а также контрольно-проверочной
аппаратуры для проверки автоматизированного комплекса монито-
ринга на технической позиции и заводе-изготовителе.
Дополнительно автоматизированный комплекс мониторинга
на базе БПЛА может включать в себя транспортное средство для
наземной транспортировки БПЛА и приспособления для швартовки
БПЛА к судну для комплексов судового базирования, комплект
сменных модулей целевой аппаратуры, включая БПЛА в разобран-
ном виде.
В состав бортового комплекса аппаратуры (рис. 1.1) входят
следующие системы и приборы:
1.	бесплатформенная инерциальная навигационная система
(БИНС) со спутниковой коррекцией, формирующая управляющие
воздействия (электрические сигналы) на рулевые органы;
2.	баровысотомер и (или) радиовысотомер (РВС);
3.	система управления двигателем БПЛА, включая датчик ско-
рости вращения, регулятор подачи топлива, датчик количества топ-
лива в баке, датчик температуры и т.д.;
4.	приемопередающая связная радиостанция, обеспечивающая
внешнее управление БПЛА;
5.	система электропитания, включая электрооборудование дви-
гателя и стабилизированные источники питания бортовой электрон-
ной аппаратуры;
6.	система наблюдения и поиска (или другая целевая аппара-
тура) на основе радиолокатора переднего или бокового обзора и те-
левизионной приемной системы;
7.	система посадки (например, спускаемый трос (фал) или дру-
гие приспособления для посадки на судно).
Вычислительные бортовые средства могут быть выделены
в отдельный прибор (агрегат), у которого в зависимости от ком-
плектации целевой аппаратуры меняется программа работы.
В другом варианте бортовые вычислительные средства могут
быть распределены по всем основным приборам бортовых систем,
что обеспечивает их автономную отработку и сдачу заказчику на за-
воде-изготовителе.
Отметим, что перспективным является использование радио-
локатора со сложным зондирующим сигналом и когерентной обра-
боткой, реализующей режим синтезирования апертуры.
9
Рис. 1.1
10
На рис. 1.1 введены аббревиатуры: бортовая ЦВМ - бортовая
цифровая вычислительная машина, ФВ - фазовращатели как необхо-
димый элемент локатора с синтезированной апертурой, ВИПы - вто-
ричные источники питания. Важным вопросом судового базирования
автоматизированного комплекса мониторинга является посадка
БПЛА на палубу корабля.
Сменная це-
левая аппа-
ратура
Контрольно-
проверочная
аппаратура
БПЛА
► БПЛА
Рис. 1.2
11
Параметры внешних условий должны согласовываться при вы-
даче ТЗ на проектирование автоматизированного комплекса монито-
ринга на базе БПЛА и уточняться по результатам экспериментальной
отработки.
Судовая аппаратура системы управления (структурная схема
приведена на рис. 1.2) размещается на носителе БПЛА и состоит из
следующих основных частей:
-	пульта управления стартом и полетом БПЛА,
-	выносного (носимого на руках) пульта управления для обес-
печения режима посадки БПЛА с визуальным контролем,
-	приемопередающей связной радиолокационной станции носи-
теля (связь с БПЛА и, при необходимости, связь с командным пунк-
том подразделения),
-	системы предстартовой подготовки БПЛА и ввода полетного
задания,
-	контейнера для хранения и транспортировки БПЛА и приспо-
собления для его разгрузки и загрузки.
Для судового варианта базирования автоматизированного ком-
плекса мониторинга БПЛА, в зависимости от водоизмещения судна,
могут одновременно использоваться от одного до четырех БПЛА, что
требует установки соответственно от одного до четырех пультов
управления. Устройство связи может быть общим в соответствии
с потребностями. Поэтому минимальный личный состав, необходимый
для эксплуатации комплекса аппаратуры на судне, - один человек.
Судовая аппаратура автоматизированного комплекса монито-
ринга на базе БПЛА должна обеспечивать возможность работы с каж-
дым из вышеуказанных типов БПЛА и гарантировать работоспособ-
ность комплекса в условиях эксплуатации. Она включает в себя:
-	антенно-приемопередающий комплекс радиолиний связи
и сопровождения БПЛА, максимально использующий аппаратуру
других обзорных РЛС судна;
-	прибор предполетного контроля и подготовки БПЛА;
-	прибор обработки и отображения информации, получаемой
с борта БПЛА, максимально унифицированный с радиолинией связи
и другими, аналогичными по назначению, приборами;
-	штатное рабочее место оператора управления полетом и при-
ема информации с БПЛА;
-	выносной пульт управления посадкой БПЛА на судно (при
качке) с помощью, например, посадочного фала при визуальном кон-
троле.
Структура и состав бортовой аппаратуры БПЛА, наиболее удо-
влетворяющие требованиям многофункционального мониторинга,
12
аналогичны структуре и составу современных крылатых ракет, уни-
версальных по целеназначению (морские надводные цели и назем-
ные цели).
Судовая аппаратура БПЛА отличается от корабельной аппара-
туры комплексов крылатых ракет, в основном, программным обеспече-
нием. Она включает в себя дополнительные функции наблюдения за
БПЛА, большой объем команд и информационный обмен с носите-
лем. Аппаратная часть дополняется устройствами обслуживания са-
мого летательного аппарата (заправка, системы и устройства взлета
и посадки) БПЛА.
Методы проектирования и отработки аппаратуры автоматизиро-
ванного комплекса мониторинга на базе БПЛА аналогичны методам
проектирования аппаратуры управления крылатыми ракетами, а ме-
тоды проектирования и отработки целевой аппаратуры освещения
надводной обстановки и определения координат целей БПЛА анало-
гичны методам проектирования головок самонаведения ракет на мор-
ские надводные и наземные цели [6-8].
1.2. ОБЗОР СПОСОБОВ ПОСАДКИ БПЛА
НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА
Вследствие уникальных эксплуатационных и технических осо-
бенностей, с которыми сталкивается флот при применении БПЛА на
судах гражданского назначения, не приспособленных для посадки ле-
тательных аппаратов, немаловажное значение имеет поиск разработчи-
ком судна проектных решений, обеспечивающих возможность разме-
щения на судне требуемых средств посадки [9]. Например, обеспечение
взлетно-посадочной полосы, на которую непосредственно осуществля-
ется посадка с последующим пробегом и торможением. Однако реше-
ние этого вопроса в большинстве случаев связано с необходимостью
значительного изменения внешней архитектуры судна (изменение по-
ложения надстроек, навигационного оборудования, средств погрузки
и т.д.) с целью поиска необходимых площадей
Это не всегда является приемлемым для проектанта судна
в связи с возможными существенными изменениями некоторых его
эксплуатационных и технических характеристик. Поэтому решение
задачи посадки может сводиться к необходимости поиска иных спо-
собов с применением специальных средств (подвижных или непо-
движных сетей, тросов и т.д.).
При спуске аппарата на воду на парашюте или воздушном шаре
необходим восстановительный ремонт аппарата из-за возникающей в
13
Рис. 1.3
соленой воде коррозии, что связано со значительными расходами. По-
садка аппарата «сухим» методом лишена подобного недостатка.
В связи с этим отрабатываются различные методы посадки ап-
паратов на палубу судна. Некоторые из них основаны на способах,
разработанных для посадки БПЛА на землю, например: посадка
БПЛА в вертикальную сеть, с использованием крыла-парашюта
и подхватом штангой, укрепленной на вертикальном шесте на
борту судна.
На рис. 1.3 приведена классификация способов посадки БПЛА
различных типов.
Пример посадки БПЛА с помощью сети показан на рис. 1.4.
БПЛА наводится на вертикальную сеть установленным за ней на
карданном подвесе электрооптическим датчиком. Датчик обеспечи-
вает снижение БПЛА по глиссаде с наклоном на 2,5°. Автоматическое
следящее устройство сопровождает БПЛА и реагирует на любое от-
клонение аппарата от расчетной траектории.
Сигналы ошибок, соответствующие этим отклонениям, посту-
пают на станцию управления БПЛА, которая передает сигналы коррек-
ции на приближающийся БПЛА. Бортовой блок обрабатывает данные
и посылает сигналы на сервомеханизмы поверхностей управления
БПЛА для коррекции траектории полета. Для смягчения удара при по-
садке на нижней части фюзеляжа может быть установлено специальное
амортизирующее устройство.
В систему посадки входят следующие компоненты: горизонталь-
ная посадочная сеть, натянутая между двумя прицепами, две вертикаль-
ные сети, установленные над двумя сторонами горизонтальной сети,
и телекамера.
14
Методика посадки следующая: перед возвращением БПЛА одна
из вертикальных сетей в зависимости от направления ветра опускается;
нейлоновые стропы, привязанные к углам поднятой сети, крепятся
к нейлоновым стропам, которые обвязываются вокруг бобины с лен-
той гидравлических амортизаторов, находящейся на противоположном
прицепе. Телекамера установлена на определенном расстоянии от цен-
тра горизонтальной сети позади одной из вертикальных сетей. Высота
установки и угол наклона телекамеры отрегулированы так, чтобы обес-
печить снижение БПЛА по глиссаде с наклоном 4° в середину верти-
кальной сети, находящейся против ветра.
Посадка БПЛА на борт судна с помощью крыла-парашюта
(рис. 1.4 г) осуществляется подхватной штангой длиной 4,5 м, укреп-
ленной на вертикальном шесте высотой 4,5 м.
Парашют с общей площадью 18 м2 должен раскрываться на ко-
нечном участке подлета аппарата к судну и обеспечивать снижение
15
его скорости до 18-35 км/ч. Аналогичные эксперименты по посадке
БПЛА, оснащенного крылом-парашютом, выполнялись с использова-
нием штанги, установленной на автомобиле.
В результате анализа существующих систем посадки выявлен
ряд их недостатков, в частности значительный уровень технического
риска (вероятность повреждения оборудования и конструкций судна).
Вследствие расположения посадочного устройства в непосред-
ственной близости от элементов конструкции судна, необходимо
большое количество дополнительного оборудования для осуществле-
ния точного наведения БПЛА. Необходимо внести изменения в кон-
струкцию судна и обеспечить высокую квалификацию обслуживаю-
щего персонала.
Менее габаритным является посадочное устройство «Струна» на
основе кран-балки, расположенной на борту судна (рис. 1.5) [9].
К концу балки крепится подвижный замок, расположенный верти-
кально относительно палубы. При подлете к посадочному устройству
из БПЛА автоматически выбрасывается трос (или телескопический
штырь), который с помощью карабина зацепляется за подвижный за-
мок. После зацепления тросом посадочного замка происходит автома-
тическое выключение двигателя.
На свободном конце фала закреплен шарик диаметром 5-8 см,
с поверхностью из металлической сетки. Внутри шарика-пробника
помещается вата. Шарик-пробник армирован внутри и имеет съем-
ную крышку для начинки его ватой и вынимания ваты после приема
БПЛА. Шарик с ватой необходим для взятия пробы с водной поверх-
ности в местах, недоступных судну.
Рис. 1.5
16
Посадка БПЛА осуществляется следующим образом. С помо-
щью системы автоматического управления полетом БПЛА приво-
дится в створ направляющих. Пролетая над ними, БПЛА своим фа-
лом попадает в карабин и зацепляется шариком за замок. После этого
выключается двигатель БПЛА, и он повисает за бортом судна. После
этого горизонтальная штанга поворачивается на 90-180° и БПЛА
освобождается от замка. БПЛА экологического мониторинга (рис. 1.6)
имеет фал длиной примерно 1,5 м.
Преимущества последних вариантов (рис. 1.5 и 1.6) в том, что
коридор, в котором подлетает БПЛА, находится вне контура судна.
В случае промаха можно повторить маневр посадки при наличии за-
паса горючего на борту. Размеры направляющих, стойки и фала
определяются точностью системы управления движением БПЛА.
Местоположение посадочного устройства выбирается с учетом осо-
бенностей конструкции судна. Для обеспечения точности выведения
БПЛА в точку посадки, в систему посадки вводятся основные и ре-
зервные маяки.
Рис. 1.6
17
Для определения координат местоположения БПЛА относи-
тельно посадочного устройства достаточно двух маяков, один из ко-
торых установлен на корме судна, а второй - на кран-балке посадоч-
ного устройства ближе к середине судна.
Контроль за процессом посадки в автоматическом режиме про-
изводится при визуальном наблюдении БПЛА на этапе его подхода
к судну. Выдача корректирующих команд и получение видеоинфор-
мации с борта БПЛА производится по линии связи.
Выносной пульт управления посадкой может быть реализован
в виде портативного компьютера, соединенного с локальной судо-
вой сетью беспроводным каналом связи. На монитор компьютера
выводится цифробуквенная информация о наиболее важных пара-
метрах полета, предупреждающие сообщения, рекомендации и кор-
ректирующие команды. Кроме того, на экран монитора выводится
графическое (телевизионное, тепловизионное) отображение переме-
щения БПЛА.
По телевизионному изображению оператор может определить по-
ложение летательного аппарата относительно поверхности Земли
и вносить коррекцию в управление его пространственным движением.
Кроме информации, автоматически отображаемой на мониторе
в ходе посадки, оператор имеет возможность вызывать дополнитель-
ную информацию, относящуюся непосредственно к поведению
БПЛА, техническому состоянию судовой и бортовой аппаратуры.
Рис. 1.7
18
Изображенное на рис. 1.7 судовое посадочное оборудование
представляет собой электромеханическое управляемое посадочное
устройство, устанавливаемое вертикально на палубе судна и состоя-
щее из трех соединенных шарнирами штанг.
Система управления посадочным устройством должна обеспечи-
вать: сворачивание/разворачивание посадочного устройства, управле-
ние углом наклона захватного приспособления, управление шарнир-
ными соединениями для стабилизации устройства захвата в условиях
качки судна.
Более компактное посадочное устройство показано на рис. 1.8.
Этот вариант посадочного устройства больше подходит для маломер-
ных судов.
Наведение БПЛА на точку прицеливания посадочного устрой-
ства судна может быть осуществлено аналогично тому, как это дела-
ется в системе посадки БПЛА, использующей посадочную сеть. Для
такой системы посадки характерны те же недостатки, что и у посадки
БПЛА с захватом сетью. Разве что повышаются прочностные возмож-
ности посадочного устройства и понижается угроза повреждения
надстроек судна.
Рис. 1.8
19
ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ ПОСАДКИ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА
2.1.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОСАДКИ БПЛА
НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА
2.1.1.	Ключевые технические вопросы
Использование БПЛА в таких сферах как дистанционное зонди-
рование земли, контроль коммуникаций и границ, ретрансляция сиг-
налов, экологический мониторинг снижает себестоимость услуг на
порядок и даже больше по сравнению с традиционными космиче-
скими или авиационными системами. Прогрессу гражданских систем
способствует миниатюризация и удешевление электронных компо-
нентов бортового оборудования.
Сравнение БПЛА самолетного и вертолетного типов (тип двига-
теля, запас топлива, полезная нагрузка) показало ряд преимуществ
БПЛА самолетного типа: больший радиус действия; большее время
полета; лучшие аэродинамические показатели; больший коэффици-
ент полезной нагрузки.
Однако БПЛА вертолетного типа имеют другое серьезное пре-
имущество, заключающееся в их возможности совершать посадку на
площадки ограниченных размеров, что не способны осуществить
БПЛА самолетного типа. Возможность размещения и применения
многоцелевых комплексов БПЛА на судах малого водоизмещения
обеспечивается только тогда, когда решен вопрос обеспечения их без-
опасной посадки.
Вследствие уникальных эксплуатационных и технических
особенностей, с которыми сталкивается флот при применении
БПЛА на судах гражданского назначения, не приспособленных для
посадки летательных аппаратов, немаловажное значение имеет по-
иск разработчиком судна проектных решений, обеспечивающих
возможность размещения на судне требуемых средств посадки.
Например, обеспечение взлетно-посадочной полосы, на которую
20
непосредственно осуществляется посадка с последующим пробе-
гом и торможением. Однако решение этого вопроса в большин-
стве случаев связано с необходимостью значительного изменения
внешней архитектуры судна (изменение положения надстроек,
навигационного оборудования, средств погрузки и т.д.) с целью
поиска необходимых площадей. Это не всегда является приемле-
мым для проектанта судна в связи с возможными существенными
изменениями некоторых его эксплуатационных и технических
характеристик.
Наиболее трудной проблемой является посадка «сухим» мето-
дом в отличие от спуска аппарата на парашюте и посадки на воду,
после чего необходим восстановительный ремонт аппарата в резуль-
тате коррозии от воздействия соленой воды, что связано со значи-
тельными расходами. В связи с этим отрабатываются различные ме-
тоды посадки БПЛА на палубу судна (некоторые из них основаны
на способах, разработанных для посадки БПЛА на землю): посадка
БПЛА в вертикальную сеть, с использованием крыла-парашюта
и подхватом штангой, укрепленной на вертикальном шесте на борту
судна, и др. [10].
Оснащение судов и кораблей беспилотными летательными аппа-
ратами сдерживается единственной причиной, отсутствием надежных
средств их посадки. «Концерн „Гранит-Электрон"» имеет большой
практический опыт создания корабельной и бортовой аппаратуры
управления БПЛА, а также имеет существенный теоретический задел
по способам «сухой» посадки БПЛА на кран-балку с захватным
устройством при качке судна [11, 12]. Достоинства способа посадки
БПЛА на выдвигающуюся за борт судна кран-балку: оперативность
«развертывания» и «свертывания», возможность использования для
БПЛА различного типа, пригодность к размещению на судах любого
класса, минимальное дополнительное оборудование на судне и БПЛА.
БПЛА судового базирования укомплектованы бортовой аппарату-
рой системы навигации и управления, связи и сменной целевой аппара-
турой, чаще всего радиолокационной или оптико-электронной (телеви-
зионной, тепловизионной или лазерной). Судовое оборудование вклю-
чает в себя пульт управления, аппаратуру связи носителя с БПЛА,
а также катапульту для пуска БПЛА и посадочное устройство [13,14].
В зависимости от координатора - устройства, определяющего рас-
согласование направления полета и координаты БПЛА относительно
судового посадочного устройства (точки прицеливания), возможны сле-
дующие способы управления движением БПЛА для посадки.
1.	Автономное или автоматизированное управление БПЛА с бор-
товым координатором, самонаведение на зацеп устройства посадки [15].
21
2.	Автономное или автоматизированное управление БПЛА с су-
довым координатором, где сигналы управления, обеспечивающие
приведение БПЛА к зацепу посадочного устройства, по каналу связи
передаются на борт БПЛА [16, 17].
3.	Возможно комбинированное управление с использованием
информации бортового и судового координаторов, а также резерв-
ное ручное управление с визуальным наблюдением оператором дви-
жения БПЛА.
2.1.2.	Этап приведения БПЛА к судну
Первой задачей для любого способа управления посадкой явля-
ется оценка возможности возвращения БПЛА на судно-носитель при
имеющемся запасе горючего на борту. Необходимо определить про-
граммную траекторию движения с учетом текущих координат и пара-
метров движения обоих объектов, обеспечивающую минимальный
путь и необходимые направление и высоту полета на конечном
участке.
Типовые траектории возвращения - движение БПЛА в горизон-
тальной и вертикальной плоскостях с момента начала сближения
в точке Ао с вектором скорости Ра в точку зацепления посадочным
устройством (посадка) Пт, показаны на рис. 2.1 а - в горизонтальной
плоскости, и рис. 2.1 б - в вертикальной плоскости.
В момент зацепления судно двигается со скоростью Кпт. Здесь
и далее жирным шрифтом будем обозначать векторные величины,
а светлым шрифтом - скалярные.
В момент времени t = 0 (начало маневра сближения) БПЛА нахо-
дится в точке Ао с координатами Адо, Као, Zao, имеет скорость Vk
и направление движения фдо- В этот момент судно с устройством по-
садки находится в точке По, имеет скорость Кпо и направление дви-
жения фпо-
В общем случае траектория сближения состоит из 4 характерных
частей. Первая часть, соответствующая развороту БПЛА в сторону
посадки, от точки начального положения БПЛА - Ао до точки окон-
чания маневра разворота - Аь
Если пренебречь инерционностью системы управления БПЛА, то
можно считать, что маневр происходит по дуге окружности мини-
мально возможного радиуса R с центром в точке Сь
Длина первого участка Ц = где ф! - угловое расстояние
между Ао и Ai, R - радиус маневра разворота БПЛА, который опреде-
ляется допустимой величиной боковой перегрузки и допустимой ве-
личиной угла скольжения.
22
Рис. 2.1
Вторая часть траектории сближения - прямолинейный участок,
соединяющий точку окончания первого маневра Ai и точку А2, соот-
ветствующую началу второго маневра - выхода на курс судна в гори-
зонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости маневру выхода
на малую высоту, обеспечивающую дальнейшее наведение на поса-
дочное устройство.
Длина этого участка Ц\ в горизонтальной плоскости равна рас-
стоянию между центрами окружностей первого (точка Ci) и второго
(точка С2) разворота БПЛА. В вертикальной плоскости это полет на
постоянной высоте или равномерное снижение на малую высоту.
23
Маневр третьего участка - движение в горизонтальной плоско-
сти по окружности радиуса R с центром в точке С2 от точки Аг до
точки Аз, в которой направление движения БПЛА совпадет с направ-
лением движения носителя посадочного устройства. Длина этого
участка £щ = фщЯ, где фш - угловое расстояние между точками Аг
и A3. В вертикальной плоскости на этом участке происходит сниже-
ние на малую высоту.
Для исключения «просадки» при снижении БПЛА на высоту по-
садочного устройства необходим участок плавного изменения скоро-
сти снижения, например, по экспоненциальной траектории.
На последнем, четвертом, участке обеспечивается точное приве-
дение БПЛА к посадочному устройству. Здесь движение, близкое к
прямолинейному, по курсу носителя между точками Аз и конечной
точкой Пт посадки БПЛА. Длина этого участка £iv имеет постоянное
значение, например, 300-800 м. Эта величина выбирается заранее из
условия обеспечения точного приведения БПЛА на устройство по-
садки. Здесь компенсируются погрешности реализации расчетной
траектории сближения, и происходит снижение скорости БПЛА до
минимально допустимой величины.
Параметры траектории определяются в зависимости от принятого
критерия оптимальности и ограничений на параметры движения БПЛА
и судна.
Минимальная длина пути возвращения БПЛА на судно определя-
ется критерием
L (Ао, Пт) -» min	(2.1)
Если принять БПЛА материальной точкой, для траектории, по-
добной изображенной на рис. 2.1 а, задача оптимизации сводится
к поиску Z(Ao, Ai, Аг, Аз) -» min Lz, так как длина участка Цу прини-
мается постоянной. Радиус маневра БПЛА в горизонтальной плоско-
сти ограничен допустимыми значениями боковой перегрузки и угла
скольжения, а в вертикальной допустимыми значениями скорости
снижения и угла атаки.
При известных координатах Аз вариационная задача поиска оп-
тимальной функции с двумя закрепленными концами с указанными
выше ограничениями решается аналитически строго [17]. Для траек-
тории посадки БПЛА на движущееся судно координаты Аз не опреде-
лены. По этой причине в [17] предложен численный метод поиска па-
раметров траектории возвращения БПЛА, оптимальных по критерию
minLz = 7 L? + L2B
Длина горизонтальной проекции траектории сближения Lr опре-
деляется суммой длин четырех участков Lr = Lri + Zrii + £гш + £riv.
24
В вертикальной плоскости траектория возврата минимальной
длины LB грубо определяется постоянной скоростью снижения Vy
как Vy = (уао-Уаз)/Тз, а точнее с учетом переходных процессов
набора вертикальной скорости и торможения. В вертикальной
плоскости (рис. 2.1 б) траектория в общем случае также состоит из
нескольких участков: набор постоянной скорости снижения, под-
держание постоянной скорости снижения и уменьшение ее до нуля
в точке Аз.
Минимальное время возврата БПЛА на носитель Гвз соответ-
ствует критерию
L (Ао, Пт) / КА -» min Гвз.	(2.2)
Если скорость летательного аппарата и носителя постоянные
величины, то выбранные траектории по критериям (2.1) и (2.2) сов-
падают.
На конечном участке Liv, длина которого мала и задана, ско-
рость БПЛА снижается до минимально допустимой величины. На
выбор типа траектории возврата этот участок не влияет.
Если скорость летательного аппарата зависит от высоты и допус-
кается максимальный расход топлива, то наилучшей траекторией воз-
врата будет высотная траектория. В горизонтальной плоскости она сов-
падает с рассмотренной ранее. В вертикальной плоскости начальный
наиболее протяженный участок траектории - полет на постоянной вы-
соте, позволяет развивать максимальную горизонтальную скорость
БПЛА. Снижение из точки А21 в точку Аз должно занимать минималь-
ный интервал времени и имеет 3 участка, основной из которых - сни-
жение с максимально допустимым траекторным углом наклона. Пер-
вый участок - это переход от горизонтального полета в пикирование,
а третий - выход на постоянную малую высоту, исключающий про-
садку. Расчет и реализация такого маневра отработаны, например,
в Концерне „Гранит-Электрон“ для противокорабельных крылатых ра-
кет [5,9].
Расчет протяженности траектории сближения L в реальном мас-
штабе времени позволяет контролировать возможность возвращения
БПЛА на судно-носитель посадочного устройства. Если оставшийся на
борту запас горючего Q уменьшился до критической величины Qkp, не-
обходимой для возвращения на носитель, то нужно начинать маневр
возвращения БПЛА. Критический запас горючего 0кр= £ дуд, где <?уд -
расход топлива на единицу пути.
Если при возвращении на носитель не обеспечивается гаранти-
рованное сцепление БПЛА с посадочным устройством и необходимо
иметь запас топлива для повторного захода на посадку, то траектория
сближения выбирается из условия минимального расхода топлива
25
БПЛА при возврате на носитель. Критерий выбора оптимальной тра-
ектории в этом случае имеет вид
L (Ао, Пт) qya -» min Q,	(2.3)
где qya - экономичный расход топлива на единицу пути, определяющий
оптимальную высоту и скорость возврата БПЛА. В качестве базы для
сравнения и первого приближения для выбора оптимальной траекто-
рии по критерию (2.3) можно использовать траектории, выбранные по
критериям (2.1) или (2.2).
Для каждого участка траектории I, II и III формируется числовой
массив Ai (х, у, z, f). Таким образом, формируется вектор расчетной
траектории сближения Атр = [ Ai(1/ц) Ап (I/12) Ащ(1Л’з) ]•
Реальная траектория сближения БПЛА с судном подбирается
методом численного моделирования движения БПЛА по маршруту
«идеальной» траектории, когда БПЛА с системой управления прини-
маются идеальным безынерционным звеном. Далее моделируется
движение БПЛА по этой траектории с учетом инерционности аппа-
рата и ограничений на управляющие моменты. При этом анализиру-
ются погрешности реализации этой траектории в точке Аз. В качестве
меры устранения систематической погрешности, обусловленной
инерционностью аппарата иограничениями на управляющие мо-
менты, предлагается вводить упреждение в управление на п шагов от-
носительно «идеальной» траектории А^.
При отклонении текущих координат, измеряемых автопилотом
БПЛА в боковой плоскости z(t) и высотомером в продольной плоско-
сти Л(/), от заданных полетным заданием значений, система автопило-
тирования и навигации автономно или с помощью бортовой ЦВМ вы-
дает управляющие сигналы на рулевые органы, которые приводят
в соответствие боковое отклонение от плоскости стрельбы z(t) 2Гтр(0
и высоту полета h(t)=h^ (Z).
Погрешность реализации этой траектории в точке Аз под дей-
ствием случайных факторов внешней среды и внутренних помех
в бортовой аппаратуре будет определять начальное рассогласование
для системы приведения БПЛА к устройству зацепления на носителе.
2.1.3.	Этап приведения БПЛА к посадочному устройству
В системах приведения БПЛА к посадочному устройству инфор-
мация о движении цели воспринимается координатором цели, разме-
щенным в носовой части БПЛА или на судне [18-21]. На основе этой
информации формируются управляющие сигналы, подаваемые в си-
стему управления, которая обеспечивает движение аппарата по
направлению к пеленгуемой цели.
26
На начальном этапе захода на посадку применяется инерциальное
наведение на «математическую» цель с коррекцией положения БПЛА
и скорости при маневре корабля-носителя по информации, передавае-
мой по радиолинии. На конечном участке после захвата сигнала исполь-
зуется самонаведение на точку прицеливания посадочного устройства.
Автономная бортовая система БПЛА наводится на точку прице-
ливания, которая является центром допустимой области на кран-
балке, где обеспечивается сцепление БПЛА с посадочным устрой-
ством. Если эта точка имеет контраст (например, подсвечена свето-
вым фонарем), то приведение к ней летательного аппарата аналогично
самонаведению крылатой ракеты на контрастную цель.
Указанная точка прицеливания не имеет контраста, так как раз-
местить в ней излучатель или отражатель невозможно по конструк-
тивным ограничениям (в эту точку попадает БПЛА в момент сцепле-
ния с посадочным устройством). По этой причине на кран-балке и в
других местах судна необходимо установить сигнальные маяки (ми-
нимум 3 световых фонаря или светоотражателя) с известным геомет-
рическим расположением относительно точки прицеливания. Здесь
приведение БПЛА к точке прицеливания аналогично тому, как наво-
дятся крылатые ракеты на неконтрастные цели, наблюдая располо-
женные вблизи цели контрастные ориентиры, или сравнивая наблю-
даемое изображение кран-балки с его эталонным изображением по
принципу корреляционно-экстремальных систем.
Другой особенностью этого участка является необходимость не
только привести БПЛА в точку прицеливания с минимальной погреш-
ностью по координатам в вертикальной и боковой плоскостях, но
и выдерживать направление движения БПЛА параллельно скорости
движения судна с точностью до единиц градусов. Этого ограничения
не имеют системы самонаведения ракет. Точная индикация этого
направления координатором БПЛА требует продольной базы для раз-
мещения курсовых маяков, что проблематично для маломерных су-
дов. Достижимые точности определения направления с помощью
только поперечной базы расположения трех маяков требуют допол-
нительных исследований.
Практика проектирования и эксплуатации систем управления
конечным положением различного назначения свидетельствует о том,
что воздействие внешней среды может проявляться самым различным
образом и во многих случаях носить противодействующий нормаль-
ному режиму функционирования системы характер. Динамика этих
процессов с бортовым координатором (аналогично головкам самона-
ведения ракет) хорошо изучена, в частности, Концерном «Гранит-
27
Электрон». Методический аппарат оценки промаха летательного ап-
парата под воздействием детерминированных и случайных факторов
в настоящее время хорошо отработан и изложен, например, в [22].
2.1.4.	Технические средства системы управления
посадкой БПЛА
Важнейшим фактором, обуславливающим трудность посадки
БПЛА на движущееся судно, является качка. Для компенсации
влияния качки используется пространственная стабилизация за-
хватного устройства, которая требует применения трехзвенной си-
стемы приводов.
В [16] предлагается жестко закрепить захватное устройство на
кран-балке, а стабилизировать его пространственное положение на
экране монитора автоматизированного рабочего места (АРМ) опера-
тора таким образом, чтобы в неподвижной системе координат наблю-
дать рассогласование текущего местонахождения БПЛА и точки при-
целивания на захватном устройстве.
Состав и структурная схема связей аппаратуры судовой системы
посадки БПЛА приведены на рис. 2.2.
Центральное место в судовой системе управления посадкой
БПЛА занимает АРМ. Измерение параметров движения судна обес-
печивает навигационная система судна. Кран-балка обеспечивает вы-
нос захватного устройства для посадки БПЛА.
В состав навигационной системы входят измерители: вертикаль-
ных колебаний и горизонтальных смещений судна, текущего курса
судна, крена и дифферента судна. Указанные измерители обеспечи-
вают систему управления посадкой необходимой информацией о те-
кущем положении судна.
В состав АРМ входят: переключатель команд управления с руч-
ного режима на автоматический, устройство формирования сигналов
управления траекторией сближения БПЛА с судном, устройство опре-
деления отклонения БПЛА от идеальной траектории сближения, ви-
деомонитор, на котором отображается наблюдаемое видеоизображение
и служебные метки, устройство формирования поля зрения для ви-
деомонитора, устройство формирования метки точки прицеливания
и устройство прогнозирования положения метки точки прицеливания
в момент сцепления БПЛА с захватным устройством.
Важно отметить, что функциональные устройства АРМ реализу-
ются программным путем на ЦВМ универсальной структуры анало-
гично прибору корабельной системы управления ракетным ору-
жием [18]. Внутриприборные связи реализуются, например, на общей
шине, а межприборные - по сети Ethernet.
28
Параметры БПЛА
Судовая
навигаци-
онная си-
стема
АРМ
Измери-
тель вер-
тикальных
и горизон-
тальных
смещений
судна
Ручной пере-
ключатель ко-
манд управлени
Телевизион-
ная камера И- к----
Передатчик
станции радио-
связи
НуА
Ц/уА
Измери-
тель
курса
судна
Измери-
тель
угла
крена и
диффе-
рента
Устройство формирова-
ния сигналов управляю- 1
щих траекторией движе-
ния БПЛА
Г
Устройство определе-
ния отклонения БПЛА < г
от идеальной траекто-
рии сближения с за-
хватным устройством
Видеомонитор
t ...
Устройство форми-
рования поля зрение (
► на мониторе
Устройство форми- I—
рования метки точки
прицеливания
_ _ Дальномер ♦-----
Захватное
устройство
—й—
Тормозное
устрой-
ство
Кран-
балка
Прием-
ник
стан-
ции
радио-
связи
Н уА
VyA
l ($уд)
Бортовая
система
управле-
ния дви-
жением
БПЛА
Вы-
движ-
ной ка-
рабин
БПЛА

D
Судно
Устройство прогно-
ф зирования положе-
ния точки прицели-
вания
Рис. 2.2
На кран-балке размещаются: телевизионная камера, дальномер,
захватное и тормозное устройства. Для сцепления с судовым посадоч-
ным устройством на БПЛА имеется выдвижной карабин.
В судовой системе управления посадкой БПЛА телевизионная
камера и дальномер размещаются непосредственно на кран-балке по-
садочного устройства.
Конструктивно поместить телевизионную камеру непосредственно
в точке прицеливания невозможно. Размещение ее на продолжении «иде-
альной» посадочной траектории, проходящей через центр допустимой
для зацепления зоны посадочного устройства, приводит к существен-
ному увеличению поперечного размера посадочной кран-балки,
29
а также к затенению поля зрения телевизионного канала элементами
конструкции посадочного устройства. По этим причинам телевизион-
ную камеру (ТВК) целесообразно разместить на внешней стороне по-
садочного устройства (со стороны подлета БПЛА). В такой схеме раз-
мещения угловой размер между направлением «идеальной» траекто-
рии посадки и оптической осью поля зрения ТВК не будет постоян-
ным, как в схеме размещения, приведенной в [21], а будет изменяться
по мере изменения дистанции. На малой дистанции образуется «сле-
пая» зона, где БПЛА уходит за пределы зоны наблюдения ТВК.
На рис. 2.3 показан пример сюжета, наблюдаемого ТВК, который
видит оператор на видеомониторе. На нем изображены БПЛА, находя-
щиеся на разных дистанциях Z)A от посадочного устройства. Угловой
размер наблюдаемого изображения соответствует угловому полю зре-
ния ТВК в горизонтальной бутвк и вертикальной плоскостях Отивк,
с разрешением, например, 1024 и 820 элементов соответственно. Изоб-
ражение на мониторе АРМ получено или при отсутствии качки судна,
или при качке судна и компенсации угловых и линейных перемещений
Рис. 2.3
30
посадочного устройства и закрепленной на ней телекамеры. Размер-
ными линиями указаны измеряемые угловые координаты БПЛА (Оа
,Уа) относительно точки прицеливания в вертикальной и горизонталь-
ной плоскостях и аналогичные координаты (0см, Усм) смещения точки
прицеливания относительно оптической оси ТВК.
На экран видеомонитора выводится световая метка, соответ-
ствующая угловому положению точки прицеливания. Эта метка
изображается, например, в виде красного квадрата с белым кругом
в центре.
Положение метки на экране формируется с учетом параллакса -
смещением объектива ТВК относительно точки прицеливания на zCM
в горизонтальной плоскости и уСм в вертикальной плоскости.
Усм = arcsin(zCM /Da); Осм = arcsin(yCM /DA) ,	(2.4)
где усм и Осм - углы смещения метки прицеливания в горизонтальной
и вертикальной плоскостях; Da - дистанция до БПЛА, измеряемая
дальномером, установленным на кран-балке в непосредственной бли-
зости от объектива ТВК.
Очевидно, что при значениях усм « Оутвк/2 или Осм ~ Оатвк/2
БПЛА выйдет из поля зрения ТВК.
Слепая зона Dmin - дистанция, ближе которой БПЛА (точнее, его
метка, соответствующая центру выдвинутого карабина) не наблюда-
ется, определяется соотношениями
Dmin« max [zcM/sin(6YTBK/2);ycM/sin(6^TBK/2)].
Увеличение поля зрения ТВК с целью увеличения вероятности
захвата БПЛА на сопровождение и обеспечения работы при качке
судна положительно скажется на уменьшении слепой зоны. Однако
точность определения углового отклонения БПЛА от точки прицели-
вания в горизонтальной и вертикальной плоскостях у а и Оа будет
выше при уменьшении угла зрения ТВК [16].
Для измерения дистанции между судном и БПЛА до 2-3 км мо-
жет использоваться малогабаритный лазерный локатор на полупро-
водниковом импульсном излучателе [18].
При наблюдении статического сюжета измерение углового поло-
жения БПЛА в поле зрения ТВК может осуществлять оператор, подводя
мышью курсор-метку БПЛА на нижнюю точку фюзеляжа текущего
изображения БПЛА. Обозначив эту характерную контрастную точку
объекта, метка переходит в автоматический режим сопровождения ее на
экране. Алгоритмы и система автоматического сопровождения заданной
точки объекта по угловым координатам приведены, например, в [11,21].
31
При хорошей освещенности и контрасте на экране монитора
можно наблюдать силуэт БПЛА, а в плохих условиях - только пятно
от светового фонаря, либо отраженный от световозвращателя сигнал
лазерного локатора.
При использовании лазерного локатора, совмещенного с телеви-
зионной приемной системой, на экране монитора метка БПЛА фор-
мируется из пятна отраженного сигнала световозвращателя.
Это пятно занимает несколько элементов разрешения даже при
отсутствии качки в силу различных причин: расфокусировки, аберра-
ции и вибраций.
Угловые координаты БПЛА определяются по энергетическому
центру пятна как группы элементов разрешения приемной системы
ТВК, сигнал от которых превысил заданный порог обнаружения.
Для удобства наблюдения оператором на изображение реаль-
ного фонаря БПЛА и точки прицеливания накладывается интенсив-
ное изображение, близкое к круговому, диаметром 5-7 элементов раз-
решения.
Отметим, что способ формирования метки БПЛА на экране мо-
нитора выбирает оператор в зависимости от условий освещенности
и возможности наблюдения БПЛА на фоне неба или других объектов.
Очевидно, что наблюдение БПЛА на фоне солнца или луны, солнеч-
ной и лунной водной дорожки, если их изображение попадает в поле
зрения ТВК, серьезно затруднено и требует специальных средств оп-
тической фильтрации. Рекомендуется таких ситуаций избегать, выби-
рая соответствующий курс движения судна при посадке БПЛА.
Главной особенностью судовых систем управления посадкой
БПЛА является качка, поэтому исследование влияния качки с целью
оценки возможности посадки БПЛА и поиск технических путей сни-
жения ее отрицательного влияния являются важной научной и прак-
тической задачей.
2.1.5.	Смещение захватного устройства при регулярной
качке
В общем случае при регулярной качке колебания судна содержат
следующие составляющие [23]:
бортовая качка укч = ym sin(co71 + (ру),	'
килевая качка Omsin(cooZ + qte),
колебания рыскания судна укч =\|/msin(covz + qy),
вертикальные колебания центра масс судна Лкч= h msin(aW+<Ph), ^-5)
боковые колебания судна zK4= zmsin(o)zZ+q)z),
продольные колебания скорости судна Ккч= AKmsin(aM+q>v), j
32
где 7m, фт, Am, zm, - амплитуды угловых и линейных колебаний
судна; ДКт- амплитуда колебаний скорости движения судна; со?, соо,
о)у, о)ь, o)z, cov - частоты колебаний; (ру, фо, фу, фи, Ф?, фу - фазовые
углы, соответствующие начальному моменту времени to наблюдения
колебаний.
Захватное устройство (точка прицеливания БПЛА) колеблется
относительно своего статического (без качки и хода судна) положе-
ния в горизонтальной ZK4 (t), вертикальной Укч (/) и продольной
Хкч (Z) плоскостях под действием качки судна согласно следующим
уравнениям:
ZK4(0 = Ry [ cosyo -cos (уо - Уш ((Dy Z+фу)) ] +
+ 7?у [cosyo - COS (фо + фш(О)у t + фу))] + Zm sin (CDzf + фг);
Укч (0 = Ry [sin уо - sin (уо - ym (o)Y t + фу))] +
+ [sinOo- sin(Oo + Om(o)o t + ф^))] + Am sin (o)h t + фь);	(2.6)
Акч (t) = Ky [sinyo - sin (фо + фш(о)у t + фу))] +
+ [cosOo— cos(Oo + Om(o)o t + ф^))] + Jq ДЦп sin [coat + <p$(t = O)]dt, j
где Ry, 7?y, расстояния от точки прицеливания до осей колебаний
судна, соответствующие радиусам колебаний по углам у, О, у;
Уо, фо, - углы наклона Ry,Ry,R$ при отсутствии качки;
hm,zm - амплитуды гармонических колебаний точки прицеливания по-
садочного устройства в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
Ry, Яу, R&, уо, фо, Оо - постоянные величины, определяемые конструк-
цией судна, его текущей загрузкой и расположением на нем кран-балки.
Особенностью системы уравнений (2.6) является нелинейная за-
висимость смещения захватного устройства по осям х, у, z.
Если навигационная система судна обеспечивает в текущем вре-
мени измерение переменных параметров качки судна [значения ам-
плитуды, частоты и фазы каждой из гармоник (2.5)], а значения по-
стоянных конструктивных параметров судна Ry, Яу, R$, уо, фо, Фо из-
вестны, то соотношения (2.6) определяют смещение захватного
устройства Хч (0, Укч (t) и ZK4 (i) в вертикальной, горизонтальной
и продольной плоскостях.
Таким образом, для принятой гипотезы смещение захватного
устройства ZK4 (z) и Укч (t) при регулярной качке определяется суммой
трех гармонических составляющих.
При наличии на судне навигационного оборудования, позволя-
ющего измерить параметры качки (2.5), смещение посадочного
устройства определяется непосредственно по формулам (2.6).
33
Показания акселерометров (xa(t),ya(t),za(t)), ортогонально рас-
положенных на кран-балке у захватного устройства, по каждой коор-
динате имеют по три составляющие, обусловленные соответствую-
щими компонентами качки (2.5), указанные индексами (ф, в, Y, х, у, z)
членов в правой части следующих равенств:
xa(t)=^t)+xa^t)+xail(t); ya(t)=y^(t)+y^t)+ya/f);
Если в месте крепления акселерометров установить на осях х, у,
z датчики угловых скоростей, то задача определения смещения за-
хватного устройства при регулярной качке упрощается.
2.1.6.	Прогноз смещения захватного устройства
Снижение величины промаха при качке достигается за счет
прогноза положения точки прицеливания в конечный момент fa
движения БПЛА, то есть в момент сцепления его с захватным
устройством [16]. Прогнозируемое положение точки прицеливания
-Ynp,Knp, Znp в текущий момент времени, принимаемый to = 0, в соот-
ветствии с (2.6):
УпрОк) - Укч [fa, фХХо), Ф^о), фь(*о)];
Znp(fa) = ZK4 [fa, фХ/о), фу(^о), фг(^о)] 9
^np(fa) ~ ^кч [fa, фу(^о), фу(^о)],
(2.8)
где fa - время подхода БПЛА к точке прицеливания определяется
дистанцией £>а(0 от точки прицеливания до БПЛА в текущий мо-
мент времени, с относительной скоростью Иан сближения БПЛА
и носителя.
fa - [£>А (Z - 0) + %пр (fa) ] / [ Кан (t) + A Knax sin (tovfa + фу) ]•	(2.9)
Величины УПр, Znp прогнозируемого смещения точки прице-
ливания (2.8) вводятся в закон управления, например, как по-
правка к наблюдаемому положению точки прицеливания относи-
тельно БПЛА в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
ДУу = ку (УА- Упр); Дфу = к^у arcsin [ (ZA-Znp) IDk(t) ],	(2.10)
где ДУу и Дфу - поправки к сигналам управления высотой и направле-
нием полета в горизонтальной плоскости БПЛА; Уа, Za - текущие от-
клонения БПЛА от идеальной траектории (линии, проходящей через
точку прицеливания параллельно курсу движения судна) в вертикаль-
ной и горизонтальной плоскостях; ку, куу коэффициенты усиления,
34
обеспечивающие выведение БПЛА на идеальную траекторию в непо-
средственной близости к захватному устройству, не допуская про-
садки по высоте и обеспечивая допустимые угловые скорости и уско-
рения в момент сцепления с захватным устройством.
Наведение БПЛА не в текущее положение посадочного устройства,
а в прогнозируемое его положение, соответствующее моменту сцепле-
ния с БПЛА, существенно снижает динамическую ошибку (промах), обу-
словленную качкой судна.
При точном измерении амплитуды, частоты и фазы всех ком-
понентов качки и отсутствии случайной составляющей управление
равносильно приведению БПЛА в неподвижную точку. Ошибка
приведения БПЛА к зацепу определяется ошибками отработки воз-
мущений среды и точностью прогноза пространственного положе-
ния посадочного устройства.
Для иллюстрации влияния погрешности определения параметров
компонентов качки на ошибку прогноза положения захватного устрой-
ства в момент сцепления с БПЛА на рис. 2.4 а приведен график колеба-
ний точки крепления акселерометров Укч в вертикальной плоскости,
под влиянием трех компонентов аналогов: бортовой качки (ампли-
туда Л1 = 1 м, период Т\ = 15 с, начальная фаза ф1 = тс/2), килевой качки
(амплитуда Аг = 0,33 м, период Тг = 5,7 с, фз = - л/4) и вертикальной
качки (Лз = 0,1 м, 7з = 11,4 с, фз = л/6), а на рис. 2.4 б - график разницы
между истинным значением Укч (Г) и прогнозируемым значением
Упр (0 при погрешности определения девяти параметров качки на 1 %
в сторону их увеличения.
Если качка судна регулярная, то смещение захватного устройства
в основном определяется уравнениями (2.5). Параметры качки (ампли-
туда, частота и фаза) каждого из 6 компонентов качки определяются пу-
тем подбора их значений на интервале времени, предшествующем мо-
менту определения прогнозируемого положения посадочного устрой-
ства. Это достигается путем минимизации невязки синтезируемых и из-
меряемых смещений захватного устройства.
При отсутствии случайной составляющей точность прогноза Кпр(^к)
и 2пр(/к) определяется точностью текущих измерений, то есть
x(z), y(t), z(t). Увеличение интервала наблюдения позволит умень-
шить влияние высокочастотной по сравнению с периодом качки со-
ставляющей, однако уменьшит вероятность постоянства параметров
компонентов качки на прогнозируемом интервале.
35
Рис. 2.4
Графики на рис. 2.4 наглядно иллюстрируют возрастание угловых
колебаний точки прицеливания (Укч/Da, Zkm / Da) по мере сближения
БПЛА с судном без прогноза положения точки прицеливания и умень-
шение с прогнозированием.
Качественно возможность и целесообразность прогноза парамет-
ров смещения посадочного устройства на кран-балке движущегося судна
подтверждено на нелинейной модели однокомпонентной бортовой
качки [21] и на модели нерегулярной бортовой качки [22] со спектраль-
ной плотностью, соответствующей волнению 3 балла [23].
36
Определение рациональных способов измерения параметров и про-
гноза смещения посадочного устройства является предметом дальней-
ших исследований.
Таким образом, основными вопросами проектирования систем и
устройств посадки БПЛА на маломерные суда, требующими дальней-
ших исследований, являются следующие:
1.	Способ посадки БПЛА на кран-балку имеет ряд преимуществ
перед другими способами «мокрой» и «сухой» посадки. Однако ме-
тоды количественной оценки этих преимуществ затрудняют призна-
ние приоритета этого способа перед другими.
2.	Разработан метод расчета оптимальных траекторий возврата
БПЛА на судно-носитель и программной реализации алгоритмов
управления для приведения БПЛА в зону захвата его судовой систе-
мой управления посадкой. Точность приведения БПЛА в зону обна-
ружения и сопровождения посадочного устройства бортовым коорди-
натором или обнаружения и сопровождения БПЛА судовым коорди-
натором определяется точностью навигационных систем БПЛА
и судна, а также ветровыми возмущениями атмосферы. Методы ее
оценки известны из теории ракетных систем.
3.	Методы точного приведения БПЛА к зацепу посадочного
устройства во многом заимствованы от систем самонаведения ракет,
теория которых разработана в прошлом веке. Указанные в работе от-
личия требуют дополнительных исследований как измерительных ка-
налов координаторов, так и алгоритмов управления, особенно при
качке судна и вызванных движением судна возмущениях атмосферы.
4.	Судовая система управления посадкой БПЛА на кран-балку
требует точного навигационного обеспечения в части измерения уг-
ловых и линейных колебаний судна для определения смещения поса-
дочного устройства и поля зрения телевизионного координатора. Эта
информация позволит оператору наблюдать процесс приближения
БПЛА и контролировать отклонения реальной траектории от траекто-
рии, требуемой для посадки БПЛА.
5.	Для посадки БПЛА на судно при качке целесообразно прогно-
зировать ее текущие параметры и заранее определять положение по-
садочного устройства в момент сцепления с БПЛА. Наведение БПЛА
в прогнозированное положение позволяет существенно повысить
точность приведения БПЛА к зацепу посадочного устройства и рас-
ширить диапазон внешних условий, при которых обеспечивается
надежная посадка БПЛА. Определение рациональных способов изме-
рения параметров качки и прогноза смещения посадочного устрой-
ства требует дальнейших исследований.
37
2.2.	АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО
ОПЕРАТОРА УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БПЛА
В настоящее время БПЛА находят широкое применение в народ-
ном хозяйстве и военном деле, обеспечивая мониторинг и охрану важ-
нейших объектов [12]. Однако применение БПЛА на судах и кораблях
сдерживается отсутствием надежных средств «сухой» посадки, связан-
ных с условиями эксплуатации в отрытом море.
Измерение параметров движения судна обеспечивает навигаци-
онная система. Кран-балка обеспечивает вынос захватного устрой-
ства для посадки БПЛА.
В состав навигационной системы входят: измерители вертикаль-
ных колебаний и горизонтальных смещений судна, измеритель теку-
щего курса судна и измерители крена и дифферента судна. Указанные
измерители обеспечивают необходимой информацией о текущем по-
ложении судна как твердого тела.
Конструктивно поместить телевизионную камеру непосред-
ственно в точке прицеливания невозможно. Размещение ее на продол-
жении «идеальной» посадочной траектории, проходящей через центр
допустимой для зацепления зоны посадочного устройства, приводит
к существенному увеличению поперечного размера посадочной кран-
балки, а также к затенению поля зрения телевизионного канала эле-
ментами конструкции посадочного устройства.
По этим причинам телевизионную камеру целесообразно
разместить на внешней стороне посадочного устройства (со сто-
роны подлета БПЛА). В такой схеме размещения угловой размер
между направлением «идеальной» траектории посадки и оптиче-
ской осью поля зрения ТВК не будет постоянным, как в схеме
размещения, приведенной в [16], а будет изменяться по мере из-
менения дистанции.
На малой дистанции образуется «слепая» зона, где БПЛА уходит
за пределы зоны наблюдения ТВК.
Определять угловое отклонение БПЛА $а) от точки при-
целивания при качке судна, как показано на рис. 2.5, затрудни-
тельно, хотя и полезно, чтобы оператору убедиться в том, что
метка БПЛА соответствует расчетному положению на корпусе
БПЛА или вне его.
Для наблюдения на видеомониторе процесса сближения БПЛА
и судна, после захвата БПЛА на сопровождение, видеокартинку ТВК
можно убрать с экрана, сохранив только метки БПЛА и точки прице-
ливания, как показано на рис. 2.6.
38
Рис. 2.5
ft,°
Рис. 2.6
39
В соответствии с рекомендациями [24-26] в отдельных окнах це-
лесообразно вывести изображения траектории сближения БПЛА
с судном в горизонтальной Z(X} и вертикальной У(А) плоскостях.
По расположению меток БПЛА и точки прицеливания, наблю-
даемых на экране видеомонитора, определяются рассогласования те-
кущего положения БПЛА по курсу \|/а и высоте На = Da tg^A, после
чего формируются управляющие сигналы \|/ya = &|А|/а и //ya = W/a.
По линии радиосвязи с дискретностью кадровой развертки ТВК эти
сигналы передаются как корректирующие сигналы на систему управ-
ления движением БПЛА. Рекомендации по выбору значений коэффи-
циентов и к$ приведены в [27].
Моделирование показывает, что управление прицеливанием при
качке (попадание в зону ±100 мм) требует измерения начальной фазы
колебаний с точностью ± 2 ° и измерения скорости сближения с точ-
ностью 0,03 м/с при номинальной скорости сближения 10 м/с.
Величина прогнозируемого смещения точки прицеливания
(2.6) вводится как поправка к величине смещения точки прицели-
вания (zCM, Усм) и соответственно в сигнал управления движением
БПЛА в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В этом слу-
чае удается снизить величину фактического промаха примерно на
порядок [25].
Дальнейшее увеличение точности приведения БПЛА к точке
прицеливания достигается периодическим вычислением и уточне-
нием времени Zk =D A(t) / Ран, оставшегося до сцепления, и значения
Znp (t) во время сближения БПЛА с судном.
При тех же условиях при отсутствии ошибок измерения пара-
метров качки величина промаха меньше 0,1 мм и определяется по-
грешностью вычислений.
Оценка влияния погрешностей измерителей на величину про-
маха, которая существенно зависит от параметров колебаний точки
прицеливания в конечный момент времени Zk, для случая только бор-
товой качки (Ом, \|/м, йм, им равны нулю) приведена в [24].
Судовая система автоматического и автоматизированного
управления посадкой БПЛА на движущееся судно требует установки
на судне аппаратуры ТВК и дальномера с дальностью обнаружения
не менее 500 м. При этом не требуется установка дополнительного
бортового оборудования на БПЛА и не нужна механическая про-
странственная стабилизация посадочного устройства. Стабилизация
положения точки прицеливания БПЛА происходит в виртуальном ре-
жиме, путем прогноза ее положения по данным измерителей качки
навигационной системы судна.
40
Для обеспечения посадки БПЛА в плохих погодных условиях
и в ночное время требуется установка на БПЛА светового фонаря
и светового отражателя, которые обеспечат обнаружение БПЛА на
дальности не менее 500 м.
На борт БПЛА по радиолинии связи передаются два управляю-
щих сигнала, соответствующих направлению движения в горизон-
тальной и вертикальной плоскостях. Они обеспечивают приведение
БПЛА к посадочному устройству на движущееся судно при качке.
Измерение параметров движения БПЛА и формирование сигна-
лов управления производятся на борту судна по данным ТВК и нави-
гационного оборудования судна. При качке судна наилучшие резуль-
таты по точности приведения БПЛА к заданной точке посадочного
устройства дает алгоритм управления с периодическим прогнозом
смещения этой точки в момент сцепления с посадочным устрой-
ством [24].
Если качка судна не соответствует модели, то ошибка приведе-
ния БПЛА к захватному устройству может существенно возрасти и
«сухая» посадка будет невозможна. По этой причине до принятия ре-
шения о посадке БПЛА необходимо провести тщательный анализ ко-
лебаний судна и посадочного устройства. Максимальные величины
отличия реальных колебаний от модели составят величину макси-
мального промаха приведения БПЛА в заданное конечное положение.
Это накладывает дополнительные ограничения на допустимые усло-
вия волнения моря и качки судна для гарантированной посадки
БПЛА.
Для тренировки оператора управления посадкой целесообразно
иметь имитационные модели процессов сближения БПЛА с судном,
модели метеоусловий и других внешних факторов. Это позволит по-
высить вероятность безаварийной посадки и является предметом
дальнейших исследований.
2.3.	ОСОБЕННОСТИ ТРАЕКТОРИИ ВОЗВРАЩЕНИЯ БПЛА
НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО
2.3.1.	Общие сведения о совместной работе судна и БПЛА
При составлении полетного задания движения БПЛА для выпол-
нения мониторинга заданного участка водной или земной поверхно-
сти необходимо определить время и маршрут его возвращения для по-
садки на судно [4, 26]. Для этой цели определяется расчетная точка
местонахождения судна в момент прихода на посадку БПЛА с учетом
особенностей движения судна и БПЛА.
41
Например, судно двигается заданным постоянным курсом по
своему маршруту, обеспечивая минимальный расход горючего, для
доставки груза в пункт назначения. После выполнения мониторинга
заданной зоны поверхности земли, БПЛА возвращается к судну, ма-
неврируя таким образом, чтобы обеспечить сближение с судовым по-
садочным устройством по курсу, максимально совпадающему с кур-
сом судна. При этом необходимо учитывать на каком борту судна
находится посадочное устройство, чтобы надстройки судна не зате-
няли «маяки» устройства посадки. На конечном участке траектории
сближения происходит самонаведение БПЛА на зону зацепления его
с посадочным устройством. Параметры каждого участка траектории
(время начала и продолжительность) определяются при составлении
полетного задания.
Однако при выполнении программы полета движение БПЛА,
заданное полетным заданием, может существенно меняться по ко-
манде с пульта управления в зависимости от результатов текущей
информации мониторинга или изменения маршрута движения
судна. В связи с этим необходимо во время полета контролировать
возможность возвращения БПЛА на судно. Для того необходимо
определить длину минимального пути возвращения с учетом манев-
ров разворота БПЛА в сторону судна и подхода к посадочному
устройству.
Для посадки на такое устройство необходимо, чтобы на послед-
нем участке пути БПЛА двигался на определенной высоте по курсу,
близкому к курсу движения судна.
2.3.2.	Расчет траектории первого этапа сближения БПЛА
с судном
На рис. 2.7 красным цветом обозначена характерная траектория
сближения БПЛА с судном.
В момент времени Z = 0 (начало маневра сближения) БПЛА
находится в точке Ао с координатами *до, zAo и движется со скоростью
Рд(0- Направление вектора скорости Рд(0 в момент t = 0 характери-
зуется величиной <Рао(Фао, Вао). В этот же момент судно с устрой-
ством посадки находится в точке По с координатами хпо, zno и дви-
жется со скоростью Fn(Z). Направление вектора скорости судна Рп(0
в момент t = 0 характеризуется величиной <рпо(фпо, Впо). Здесь и да-
лее жирным шрифтом обозначены векторные величины, а простым
шрифтом - скалярные.
Пусть модуль вектора скорости БПЛА Pa(Z), модуль вектора ско-
рости судна Рп(0, а также направление его движения фло(0 являются
42
Рис. 2.7
известными постоянными величинами в течение времени сближения
БПЛА и судна. Прогнозируемое положение судна в момент посадки
БПЛА Гп характеризуется точкой Пт(*пт, ипт), в которой окажется
судно, двигаясь с постоянным модулем вектора скорости Епт
в направлении фпо (фпо, Впо).
Траектория сближения в общем случае состоит из 4 частей.
Первая часть соответствует развороту БПЛА в сторону судна от
точки начального положения БПЛА Ао (хдо, zao) до точки окончания ма-
невра разворота Ai(xai, zai). Если пренебречь инерционностью си-
стемы управления БПЛА в горизонтальной плоскости, то можно счи-
тать, что маневр происходит по дуге окружности минимально воз-
можного радиуса R с центром в точке Ci (xci, zci). Координаты центра
окружности могут быть вычислены как
xci= XAo+/?sin фАо; zci= zao - R cos фАо 	(2.11)
Длина первого участка может быть определена как
£1=ф1Я.	(2.12)
Здесь ф1 - центральный угол сектора, ограниченного радиусами,
проведенными в точки Ао и Аь На этом участке величина R опреде-
ляется максимально допустимой величиной боковой перегрузки п7.
43
Вторая часть траектории сближения - прямолинейный участок, соединя-
ющий точку окончания первого маневра Ai и точку Аг(хл2, ^А2), соответ-
ствующую началу второго маневра, выходу на курс судна с посадочным
устройством. Длина прямолинейного участка равна расстоянию между
центрами окружностей первого и второго разворота БПЛА, то есть
(2.13)
Курсовой угол фА2 движения БПЛА на этом участке:
arctg
С2
ФА2 =
(2.14)
тс + arctg
Третья часть траектории сближения - движение по окружности
радиуса R от точки Аг(хл2, илг) до точки Аз(хаз, иаз), в которой
направление движения БПЛА совпадет с направлением движения
судна. Центр окружности - точка Сг(*с2, zci)- Длина этого участка:
А3 = (рз^.	(2.15)
Здесь <рз - центральный угол сектора, ограниченного радиусами,
проведенными в точки Аг и Аз.
Последний четвертый участок - движение, близкое к прямолиней-
ному, по курсу судна между точкой Аз и конечной точкой Пт(*пт, zm),
посадки БПЛА. Длина этого участка l4 имеет постоянное значение
300-800 м, которое выбирается заранее из условия обеспечения точного
наведения БПЛА на устройство посадки. Здесь компенсируются по-
грешности реализации расчетной траектории сближения, и происходит
снижение скорости БПЛА до величины, необходимой для посадки.
Примем Тт - время маневра возвращения БПЛА в точку
Аз(хдз, иаз), тогда координаты указанной точки могут быть опреде-
лены согласно соотношениям:
ХАЗ - Хпо+ Рпт TmCOS фпо; ^А3~ ^П0 + ^ПТ тт sinipno .	(2.16)
Тогда координаты конечной точки будут вычисляться как
хпт = хпо + (Рпт Тт +£4) cos фпо; ^аз= ^по + (Ипт тт +£4) simp по- (2.17)
Координаты точки Аз позволят определить координаты центра
Сг (хсг, ^сг) окружности разворота на третьем участке:
*С2 = *АЗ + R simpno; ZC2 = ^АЗ “ R COSlpnO-
(2.18)
44
Далее, согласно соотношению (2.14) может быть вычислен угол
Фаз, а затем получены координаты точек Ai и Аг:
ХА1 = *С1 - 7?sin<pA2, ZA1 = Zci + 7?cos фА2 •	(2.19)
ХА2 = *С2 - ЯвтфА2, ZA2 = ^C2 + ^COS фА2 •	(2.20)
Трудность решения уравнений (2.14), (2.16), (2.18)-(2.20) состоит
в том, что величина Тт не определена. В связи с чем, предлагается
воспользоваться итеративной процедурой уточнения значения Тт .
В качестве первого приближения для значения тт можно принять,
например:	т _ 7(хП0 ”хАо) +(zn0 ~zAo)2 . XR
Здесь Рпт=|Рпт|, знак «+» используется в случае, когда БПЛА
и судно двигаются навстречу друг другу, знак «-» в обратном случае.
Ошибка первого приближения не превосходит величину
АГ=пЯ/Ка.	(2.22)
Тогда значение Тт может быть определено путем перебора
в диапазоне от Гт1-АГ до Гт1+АГ методом, например, половинного
деления. Остановка перебора регистрируется при выполнении
условия:
I Агп [Тт(0] - Агш [Гт(0] | < е.	(2.23)
Здесь Гт (0 - /-е значение величины Гт из указанного диапазона, е -
заданное значение невязки координат точки Аг на участке Гц - Агп [Гт(/)]
и координат точки Аг на участке L ш- Агш [Гт(/)]. Величина е опреде-
ляется требуемой точностью реализации программной траектории и
принимается, например, е < 10 м.
При постоянной скорости движения носителя и с учетом зависи-
мости фА2[Гщ(0], определяемой соотношением (2.14), координаты
точки Агп вычисляются следующим образом:
Х2П = XCI - Я sin [фА2 (Гт(0)] +	COS [ фА2 (Гт(0) ]	(2.24)
Z2II = ZCI + R COS [фА2 (Гт(0)] +	[ фА2 (Гт(0) L
Координаты точки Агш определяются соотношениями:
Хгш = ХС2- R sin [ фА2 (Гз(О) ]; Z2III = ZC2 + R cos [ фА2 (7з(0) ]•	(2.25)
После определения значения Гт общая длина траектории сбли-
жения L определяется суммой длин четырех участков:
L = LI + L п + L ш +L iv.	(2.26)
45
Расчет согласно соотношению (2.26) протяженности кратчай-
шей траектории сближения L в реальном масштабе времени позволит
контролировать возможность возвращения БПЛА на судно-носитель
посадочного устройства. Если оставшийся запас горючего на борту
уменьшился до величины £?кр, необходимой для возвращения на но-
ситель, то нужно начинать маневр возвращения БПЛА.
Как показано в пункте 2.1, 0кр = L qya, где qya - расход топлива
на единицу пути БПЛА.
Следует отметить, что если L ц » L i +L щ +£ iv, то точный расчет
величины L можно заменить приближенным по формуле:
L = VfrnO-XAoMznO-ZAo)2 + 2пЛ ,	(2 27)
I >А )
v
где -.пт _ _о____, принцип определения знака аналогичен прин-
о
ципу его определения для соотношения (2.21).
Для оценки погрешности приближенной формулы (2.27) целе-
сообразно провести более точный расчет по изложенной выше мето-
дике. Приведенные расчеты справедливы для модели системы
управления БПЛА, не учитывающей инерционность. Определить ре-
альную траекторию сближения БПЛА с судном можно методом ими-
тационного моделирования движения БПЛА по маршруту «идеаль-
ной» траектории.
2.3.3.	Моделирование программной траектории
движения БПЛА
Расчет программного движения БПЛА в горизонтальной плоско-
сти осуществляется средствами среды MatLab. На первом этапе под-
готавливается массив координат х-гр и z-^ программной траектории
движения. Для этого задаются начальные условия: координаты точек
Ао и По, скорость БПЛА Рд(0 и скорость судна Кп(0- Затем определя-
ется минимально допустимое значение радиуса R и максимально до-
пустимое значение угловой скорости о)у разворота БПЛА. Далее: на
основе соотношения (2.11) определяется координата точки Ci; вычис-
ляется значение Тт с помощью рассмотренной методики; на основе
46
соотношения (2.16) определяются координаты точки Аз; на основе со-
отношения (2.18) координаты точки С2, на основе соотношения (2.24)
угол фд2 ; координаты точек Ai и Аг на основе соотношений (2.19)
и (2.20). Также определяется приращение угла разворота Аф=о)уА/
в зависимости от шага интегрирования Az.
Далее для каждого участка программной траектории формиру-
ются массивы координат точек этого участка [xi, л, х2, Z2, хз, л].
На первом участке координаты точек расчетной траектории после-
довательно, с выбранным шагом, определяются следующими соот-
ношениями:
Фi(0 = (pi(z-l) - А<р; xi(z)= xci + R cos срi(0; л(0 = zci + R sin <pi(0, (2.28)
где/= 2, 3,... .
Окончание первого участка регистрируется при выполнении
условия:
0,5(|xi(0 - ха1 | +|л(0 - zaiI) < е.	(2.29)
На втором (прямолинейном) участке координаты точек рас-
четной траектории формируются на основе соотношений:
х2(/) = *ai + /РаА/ cos<Pa2; z2(z) = zai+ / РаА/ sin фА2 .	(2.30)
Окончание второго участка регистрируется при выполнении
условия:
0,5 [ |х2(0 -ХА2| + | Z2(0 -ZA2I ] < Е.	(2.31)
На третьем участке координаты точек расчетной траектории
формируются по соотношениям аналогичным (2.28). На четвертом
участке координаты точек расчетной траектории могут быть сформи-
рованы по соотношениям аналогичным (2.30). Поскольку на четвер-
том участке происходит самонаведение на заданное место устройства
зацепления, программное движение здесь не представляет практиче-
ского интереса. По этой причине целесообразно в настоящей работе
ограничиться третьим участком, погрешность реализации которого
будет во многом определять начальное рассогласование для системы
самонаведения.
Окончательно, массивы координат всей расчетной траектории
определяются сцеплением массивов, соответствующих отдельным
участкам траектории.
47
2.3.4.	Моделирование движения БПЛА по программной
траектории
Упрощенная структурно-динамическая схема системы управления
БПЛА в боковой плоскости приведена на рис. 2.8, где введены обозначе-
ния: Т1, 7г, - постоянные времени рулевого тракта и летательного аппа-
рата соответственно; ку, к\ - коэффициенты передачи контуров управле-
ния по углу фд и по скорости его изменения соответственно.
Рис. 2.8
Система уравнений движения БПЛА в конечных разностях в бо-
ковой плоскости имеет вид:
tfiv (0= ку [фТР (0 - Фа (/ - 1)] - к, U3y (i - 1);
U2y (0 = U2y (/-1) + [ h (/-1) - U2y (i- 1) ] (A H Zi);
y3v(0=	1)+[ C/wO- 1)-2?2ф U^(i-1)- u3y(i-1)] (Дг/ТУ2); >(2.32)
U3v (i) = U3V (i - 1) + U3y (i -1) Ar;
Фа(0 = Фа (i - 1) +	(i - 1) Ar.
Здесь фтр - значение программного (траекторного) угла курса,
аналогично (2.14):
¥пр(0=
(хпр(,)-х„(Ы))г0.
Я+arctgfZnPzA М* (хпр(г)-х (м))< 0.
l/npW-JnpV-JJJ
Ч'прО) qarctg [(znp(0“znp(i-l)) I (хпр(0-xnp(i -1))] прихпр(0-хпр0'-1)>0,
1 тг+arctg [(znp(l) -ZnP(l -1)) I (xnp(0 - XnP(l -1))] при XnP(0 - xnp(i -1) < 0 .
Значения коэффициентов ky, k\ в соотношении (2.32) выбира-
ются из условий обеспечения требуемых запасов устойчивости и ка-
чества переходных процессов.
48
Рис. 2.9
На рис. 2.9 приведена траектория движения БПЛА в точку Аз.
Пунктирной линией показана программная траектория, а сплошной
линией - траектория «реального» движения БПЛА.
Расчет проводился при следующих параметрах системы:
Т\ = 0,3 с; ?2 = 0,8 с; ку = 1; к\ = 0,2 с; = 1. Отметим, что в процессе
движения отклонение от программной траектории достигает несколь-
ких десятков метров.
Приведенные в пункте 2.3 расчеты и результаты моделирования
справедливы для случая, когда БПЛА маневрирует и возвращается к
судну в точке Аз, сохраняя постоянной высоту полета. Более общий
случай рассмотрен далее в пункте 2.4.
2.4.	РАСЧЕТ ТРАЕКТОРИИ ВОЗВРАЩЕНИЯ БПЛА
НА ДВИЖУЩИЙСЯ НОСИТЕЛЬ
2.4.1.	Расчет пространственной траектории сближения
БПЛА с носителем
Рассмотрим траекторию возвращения БПЛА на носитель при
учете существенной разницы высот рассматриваемых объектов
в момент начала сближения. Здесь, по сравнению с пунктом 2.3,
задача осложняется тем, что возникает необходимость в расчете
траектории в трехмерном пространстве. В связи с тем, что векторы
скоростей БПЛА и носителя посадочного устройства в общем слу-
чае являются скрещивающимися прямыми, указанная задача не мо-
жет быть сведена к построению траектории сближения только в од-
ной плоскости.
49
Рис. 2.10
На рис. 2.10 показана характерная траектория сближения
БПЛА и судна в трехмерном пространстве. Теперь местоположение
БПЛА в момент начала маневра сближения характеризуется точкой
Ао с координатами хдо, Тао, ^ао, а местоположение носителя с устрой-
ством посадки - точкой По с координатами хпо, Тпо, ^по •
Здесь и далее х', z , у' - координаты точек в новой системе
координат; х'12, z[,2 , У [ 2 “ координаты точек в промежуточных си-
стемах координат; х, z, у - в исходной.
Повернем полученную систему координат вдоль оси хг на угол
-$по так, чтобы вектор скорости судна лежал в горизонтальной плос-
кости. Координаты точек в новой системе координат:
х'2=х[; у2 = -z\ sin (- Опо)+ у'2 cos (- Опо);
z2 = z[cos(-Опо)+sin (-Опо) .
50
И, наконец, повернем последнюю систему координат вдоль
оси z'2 на угол 0 = -arctg
^2П0	^2А0
/ /
~~ X. АЛ
V 2П0	2А0 7
. Координаты точек в но-
вой системе будут определяться следующим образом:
х = х2 cos (в)- у'2 sin (0) ; z = z'2 ; у’ = x2 sin (0)+ y2 cos (0).
В последней системе координат вся траектория снижения от
точки Ао до Пт будет находиться в плоскости ХУ'. Это справедливо
в случае, если углы тангажа БПЛА и носителя близки друг к другу по
величине. Что наблюдается если, например, движение рассматривае-
мых объектов происходит на постоянной высоте до принятия реше-
ния о начале сближения.
Траектория сближения, как и ранее, будет состоять из четы-
рех частей и расчет ее характерных точек в системе координат
XYZ' может быть осуществлен по уже рассмотренной методике.
Координаты точек в новой системе будут определяться следу-
ющим образом:
х’ = х’ч COS (0)-У2 si*1 (0) » z’ = z2 ’ у’ - x2 sin (0)+ У2 C0S (б)-
Координаты точек Cj, С2, Aj, А2, А3, найденные в новой си-
стеме координат, пересчитываются в исходную по соотношениям
аналогичным переходу от исходной системы координат к новой.
При этом порядок преобразований, знаки углов поворота системы
координат, а также знаки величин смещений начала координат ме-
няются на противоположные.
На результирующей плоской траектории сближения БПЛА
с судном положение точек Ао, Ai, А2, Аз и центров окружностей Ci, С2
первого и второго разворотов БПЛА определяются только двумя ко-
ординатами. Аналитически решить задачу построения оптимальной
траектории сближения сложно по ряду причин. Во-первых, являются
неизвестными моменты времени, в которые происходит стыковка раз-
личных участков траектории. Во-вторых, неизвестен момент времени
прихода БПЛА в точку Аз. Поэтому расчет оптимальной траектории
сближения рекомендуется производить приближенными численными
методами.
51
2.4.2.	Моделирование пространственной траектории
движения БПЛА
В данном случае к рассчитываемым, как и ранее, программным
сигналам Хтр и добавляется программный сигнал , рассчитыва-
емый для всех участков траектории следующим образом:
Утр(0 = Утр(/-1) + Ду Для i = 2, 3,....
Здесь Ду = -J(x^z) - -1))2 + (z^z) - z^i -1))2tg^), Втр - угол
снижения в вертикальной плоскости. Если угол 0тр постоянен, то
его тангенс можно определить как отношение разности высот
БПЛА и носителя к горизонтальной дальности между БПЛА и но-
сителем:
Уаз "Уао
ХАЗ -хАо)2 + (ZA3 -zAo)2
Структурно-динамическая схема системы управления БПЛА по
углу в боковой и продольной плоскостях приведена на рис. 2.11, где
введены обозначения: Ti, 7з - постоянные времени рулевого тракта
в боковой и продольной плоскостях соответственно; Тг, Т4 - посто-
янные времени БПЛА в боковой и продольной плоскостях соответ-
ственно; £1 и £2 - коэффициенты затухания БПЛА в боковой и про-
дольной плоскостях соответственно; к\, кг - коэффициенты пере-
дачи БПЛА в боковой и продольной плоскостях соответственно;
к$9 ку 9 к^ - коэффициенты передачи контуров управления по
углам фд, ^а и скорости их изменения соответственно.
Уравнения преобразования F\ координат программной траекто-
рии в программные значения углов рысканья фтр и тангажа Отр в ко-
нечных разностях имеют вид:
VTp(')=arctg -
ztp
^(i^arctg
Утр О'+1)-(0
7(хтр («+о- *тр (о)2+(ztpO+0- zip (о)2
(2.33)
52
Рис. 2.11
Система уравнений движения БПЛА в конечных разностях для
боковой и продольной плоскостей имеет вид:
Uiy («) = ку (Утр (/)- Va («-1))- kyU3y (i -A
TI' (\-тгч-
^Зуг/ V зуг U“*"	,р2	’
l/3v(0=l/3v(i-l)+l/;v(»-l>V;
М)=Й,р(Ма('-1Н^М	I
Ч.(.)=
Уравнения преобразователя Fi траекторных углов БПЛА фА и Од
в координаты центра масс БПЛА хд, уд, zA в конечных разностях
имеют вид:
%а(0= хд (z — 1) + 5а(0 cos фА(0; Уа(!)=Уа 0* - 1) + Sa(i) sinOA(/);
za(z) = zA (z - 1) + 5a(z) sin i|/A(z),
ГДе SA (z) = ^(^(z + Zj-x^G))2 +(yip(z + 7)-yip(z))2 +(zip(z + 7)-zip(z))2 •
53
Рис. 2.12
При проектировании системы управления значения коэффици-
ентов передачи канала рысканья (fa, к^ ) и канала тангажа (fa, к$)
выбираются из условий обеспечения заданных запасов устойчивости
и качества переходных процессов.
На рис. 2.12 приведена проекция на вертикальную плоскость
траектории движения БПЛА из точки Ао в точку Аз.
На этом рисунке пунктирной линией показаны проекции про-
граммной траектории, а сплошной линией - проекции траектории
«реального» движения БПЛА.
Расчет проводился при следующих параметрах системы:
Г1=7з = О,Зс, Т2 = 0,8 с, = 0,5 с, fa = 30, fa = 50, fa=l, f2=l,
fa = fa= 1, к у = k^= 0,2 c.
Последнее существенно затрудняет самонаведение, а в ряде слу-
чаев недопустимо для приведения БПЛА в зону самонаведения на по-
садочное устройство. Для повышения качества отработки программ-
ной траектории целесообразно ввести упреждение, то есть для расчета
программных значений углов рысканья фтр и тангажа 0[р вместо соот-
ношений (2.33) можно использовать следующие выражения:
Утр (') = arctg
ZTpV + ”J-ZTp
*тр(' + 'г)-хтр
^(0= arctg
где п - величина упреждения.
54
Упреждение п шагов
Рис. 2.13
Подбирая оптимальное значение и, можно существенно снизить
ошибку приведения БПЛА в точку Аз.
На рис. 2.13 для системы управления с указанными выше пара-
метрами приведены зависимости ошибок ДА, ДУ, AZ
и AS2 = ДА2 + ДУ2 + ДУ2 от величины упреждения п (/), где j - число
шагов упреждения. Величина ошибки ДУ= 0 получена путем искус-
ственной компенсации систематической ошибки ДУ=14 м. Оптималь-
ное упреждение по шагам составляет п ~ 350, что соответствует при-
мерно 3 с по времени и примерно 180 м по расстоянию.
Таким образом, за счет введения упреждения в программный
сигнал управления возможно компенсировать влияние инерционно-
сти летательного аппарата и обеспечить удовлетворительное качество
отработки расчетной траектории сближения.
Следует отметить, что для определения начальных рассогласований
участка самонаведения необходимо оценить возможные отклонения от
программной траектории при случайных возмущениях атмосферы,
а также влияние ошибок навигационной системы БПЛА и носителя.
2.4.3.	Оптимизация траектории при снижении БПЛА
Как было показано, путем введения упреждения в программный сиг-
нал, можно свести ошибку приведения БПЛА в зону самонаведения до еди-
ниц метров по дальности и боковому отклонению и до пренебрежимо ма-
лой величины - по высоте. Однако в рассмотренном случае линейного сни-
55
жения в точке окончания участка движения БПЛА по программной траек-
тории и начала участка самонаведения сохраняется ненулевое значение
вертикальной составляющей скорости БПЛА. Последнее является недопу-
стимым в связи с возникающей при этом просадкой БПЛА.
Рассмотрим возможность обеспечения близкой к нулю верти-
кальной составляющей вектора скорости БПЛА ИУ(Г) в момент начала
участка самонаведения с помощью введения экспоненциального
этом случае траектория сближения
БПЛА и носителя уже не будет ле-
жать в одной плоскости, как это
принималось ранее.
На рис. 2.14 обозначены: Y -
вертикальная координата БПЛА,
Ао - начальная точка местонахож-
дения БПЛА, Ас - точка стыковки
линейного и экспоненциального
участков снижения, Аз - точка
начала зоны самонаведения; N -
общее количество точек траектории
сближения БПЛА и носителя до
начала участка самонаведения, п\ -
количество точек, составляющих
линейный участок снижения, п - но-
мер точки траектории снижения.
Уравнение линейного участка
снижения Y\(ri) может быть запи-
Рис. 2.14
сано следующим образом:
У1(л)=Уао + л(Гас-Гао)/щ,
где уА0 - вертикальная координата точки д0, уАС - вертикальная ко-
ордината точки Ас.
Уравнение экспоненциального участка снижения может быть за-
писано следующим образом:
Г2(и) = Газ + (Гас- Газ) exp [ (пх-п) / Т],
где Т - постоянная, характеризующая быстроту затухания экспо-
ненты. Величина Где определяется при приравнивании первых произ-
водных уравнений прямой и экспоненты в точке п = п\\
Гас = (п 1 Газ +итГао ) / (и i +ит).
Полученная при [ит = 0,2 (N - п\), (N - п\) = 2000 ] траектория
снижения БПЛАХО приведена на рис. 2.14 для участка Ао - Аз.
56
Следует отметить, что при введении экспоненциального участка
снижения имеет место линейное увеличение значения ошибки приве-
дения БПЛА в зону самонаведения по высоте Ду в зависимости от ве-
личины упреждения.
Снижение ошибки по высоте и обеспечение «беспросадочной»
траектории обеспечивается управлением по высоте с использованием
сигнала высотомера. Такой прием используется в системах управле-
ния крылатых ракет и самолетов [5, 27].
Отметим, что описанные способы уменьшения ошибки приведе-
ния БПЛА в точку Аз позволяют компенсировать только динамиче-
ские ошибки системы управления и не компенсируют ошибки нави-
гационной системы, которые по координатам X и Z могут составлять
десятки метров. Их величина определяет необходимую зону «за-
хвата» на следующем этапе управления конечным положением при-
ведения БПЛА на посадочное устройство [6-9].
2.5.	АВТОНОМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОСАДКОЙ БПЛА
С БОРТОВЫМ ТЕЛЕВИЗИОННЫМ ДАТЧИКОМ
2.5.1.	Способ автономного управления БПЛА с помощью
координатора на основе ТВК
Анализ устройств посадки БПЛА на движущееся судно, сделан-
ный в главе 1, показал возможность реализации следующих способов
управления посадкой:
-	автономное управление БПЛА с бортовым телевизионным
датчиком,
-	автоматизированное (с участием оператора) управление
БПЛА с бортовым телевизионным датчиком,
-	автономное управление БПЛА с судовым телевизионным
датчиком,
-	автоматизированное управление БПЛА с судовым телевизи-
онным датчиком,
-	комбинированное управление БПЛА и судном.
Рассмотрим способ автономного управления БПЛА с помощью
координатора на основе ТВК. Для этого на борту БПЛА устанавлива-
ется телевизионная камера, жестко скрепленная с корпусом БПЛА.
Оптическая ось объектива телевизионной камеры параллельна строи-
тельной оси фюзеляжа или повернута относительно нее в вертикаль-
ной плоскости вниз на величину ожидаемого угла атаки БПЛА, чтобы
наблюдать посадочное устройство ближе к центру поля зрения ТВК.
В качестве примера возьмем посадочное устройство, вынесенное
57
за борт судна на кран-балке [4]. Расположение кран-балки и сигналь-
ных световых маяков показано на рис. 2.15.
Для ориентации БПЛА относительно посадочного устройства
необходимо минимум три маяка. Пример расположения маяков в вер-
тикальной плоскости зоны зацепления БПЛА и посадочного устрой-
ства приведен на рис. 2.15 а. Характерными конструктивными разме-
рами здесь являются расстояние а\ в горизонтальной плоскости между
маяками 2 и 3, а также расстояние между маяками 1 и 2, например, а\ /2.
В вертикальной плоскости расстояние между маяками 1 и 2 или 3 обо-
значено Ь\. В горизонтальной плоскости расположение маяков приве-
дено на рис. 2.15 б. Маяк 1 удален от посадочного устройства на рас-
стояние bi в пределах корпуса судна. Кронштейн (рис. 2.15 в) обеспе-
чивает расположение маяка 1 в вертикальной плоскости относительно
кран-балки, как показано на рис. 2,15 а.
Дополнительный маяк 4, расположенный на расстоянии аг отно-
сительно маяка 3, необходим для ориентации БПЛА на дистанциях,
при которых угловое разрешение маяков 2 и 3 неудовлетворительно
для выработки сигналов, управляющих полетом БПЛА.
Рис. 2.15
58
Для посадки БПЛА после выполнения полетного задания воз-
вращается на судно-носитель. Траектория последнего участка соот-
ветствует самонаведению в центр зоны сцепления зацепов БПЛА
и посадочного устройства на малой высоте, обеспечивая движение на
постоянной высоте или плавное снижение по высоте до уровня,
например, расположения маяка 1 над поверхностью воды.
Идеальной траекторией сближения БПЛА будем считать го-
ризонтальную прямую линию, проходящую через «дальний» (пер-
вый) маяк. При идеальной траектории зацеп БПЛА попадает
в центр зоны зацепления посадочного устройства, как показано на
рис. 2.15 а.
На рис. 2.16 а показано отображение маяков 1,2 и 3 на приемном
устройстве БПЛА при отсутствии рассогласования линии визирова-
ния маяков и необходимого направления полета по идеальной траек-
тории сближения.
Рис. 2.16
В этом случае текущее значение углового положения маяков
в горизонтальной плоскости относительно БПЛА соответственно:
фо1(О = 0; фо2(О=- Фо/2; фо2(О= + фо/2 ,	(2.34)
где фо = Дфофп, °- угловой размер между вторым и третьим маяками
в горизонтальной плоскости; л фо - число элементов разрешения при-
емного устройства между центрами яркости второго и третьего маяка;
фп, ° - угловой размер одного элемента разрешения, равный
фп = 0ф/Аф,	(2.35)
где 0ф, ° - угол зрения приемной системы координатора БПЛА в го-
ризонтальной плоскости; Аф- число элементов разрешения на строке
(в горизонтальной плоскости) приемного устройства.
59
Аналогично обозначим значение углового положения маяков
в вертикальной плоскости при «идеальной» траектории
doi(O = 0; д02(0 = доз(О = до,	(2.36)
где до = поодп, °- угловой размер между первым и вторым, а также
между первым и третьим маяками в вертикальной плоскости; поо -
число элементов разрешения в вертикальной плоскости между цен-
трами яркости первого и второго или третьего маяков; дп, °- угловой
размер одного элемента разрешения в вертикальной плоскости
дп = 0У№,	(2.37)
где 0о, °- угол зрения приемной системы координатора БПЛА в вер-
тикальной плоскости; №- число элементов разрешения по вертикали
приемного устройства.
Важно отметить, что при постоянном угловом поле зрения прием-
ного устройства (постоянные значения Оф и 0о) по мере приближения
БПЛА к посадочному устройству изменяются значения Оо и до, в соот-
ветствии с конструктивными параметрами расположения маяков на но-
сителе и дистанции до них от БПЛА.
При отклонении БПЛА от идеальной траектории на приемном
устройстве телевизионного координатора происходит смещение изоб-
ражений маяков относительно изображения при идеальной траектории.
Пример смещенного положения (ф15 di) отображений маяков 1,2 и 3 на
приемном устройстве ТВК показан на рис. 2.16 б.
Оценка ошибки углового рассогласования Дф и ДО в горизонталь-
ной и вертикальной плоскостях определяется разностью истинного по-
ложения центра пятна засветки каждого маяка и его нулевого положе-
ния, соответствующего положению БПЛА на идеальной траектории.
При наличии в поле зрения ТВК трех маяков ошибка углового рассо-
гласования определяется усредненным значением:
AW) = |i(Voi(O-Vi(O) A«0 = |z(0oi(0-«i(0)	(2.38)
3 i=l	3 i=i
В каждый момент времени с частотой кадровой развертки ТВК
измеряются относительно центра кадра величины углового положе-
ния маяков фн di:
фг И4нфп; di= ийдп,	(2.39)
где /iipi, n&i - число элементов разрешения в горизонтальной и верти-
кальной плоскостях между центром кадра и центром яркости изобра-
жения Z-го маяка.
60
Важно отметить, что величины [Цч, di, фон doi] меняются в зави-
симости от времени, так как при сближении БПЛА с посадочным
устройством меняется дистанция.
Конструктивные параметры а\ и Ь\ расположения маяков посто-
янны. Если объектив ТВК имеет неизменное поле зрения, то значения
0<Pi, 0ft зависят только от дистанции D.
При D » а\ величина феи (0 = a\!D, a doi (t) = b\ ID.
Ограничением по минимальной дистанции Z>min, на которой
можно формировать сигналы t|/oi(O и doi(O> являются условия фо!<0ф
и doi<O,50a, а по максимальной дистанции Dmax - соответственно усло-
вия vpoi < 4-5-5 фп и 0oi < 2dn.
Например, при 0ф = 10 °, а\ = 2 м, Аф=1280 получим Dmin=23 м
И Z>max = 2,9ч-3,5 км. Для ТВК с худшим разрешением Ny = 782 полу-
чим Dmax = 1,84-2,1 км. При использовании маяка 4 Л2=10м,
^min = 114 м.
Увеличение размеров зоны возможного нахождения носителя
посадочного устройства относительно БПЛА в начале режима само-
наведения приводит к необходимости увеличения в 1,5-2,0 раза раз-
меров 0ф И Z>max.
В этом случае на дистанции более 1 км целесообразно использо-
вать маяк 4, показанный на рис. 2.15.
Отметим, что текущее значение «промаха» AZ и А У как отклоне-
ние точки пересечения линии направления вектора скорости БПЛА с
вертикальной плоскостью маяков 2 и 3 от центра зоны сцепления по-
садочного устройства определяется соотношениями
AZ = АфДР; АУ = AdAD.	(2.40)
Для определения отклонения линии визирования посадочного
устройства [соотношения (2.37) и (2.38)] и, соответственно, отклоне-
ния направления полета БПЛА от идеальной траектории необходимо
знать дистанцию от БПЛА до посадочного устройства в каждый мо-
мент времени измерения.
2.5.2.	Измерение расстояния от БПЛА до посадочного
устройства
Наиболее заманчивый способ измерения дистанции, который
не требует установки дополнительных конструктивных элементов
на БПЛА и носителе посадочного устройства, является способ, ис-
пользующий простые геометрические соотношения, точное знание
расположения маяков относительно друг друга и возможность
наблюдения и точного измерения их относительного углового рас-
стояния [15, 16].
61
Знание базовых расстояний а\ или аг и измерение \|/о позволяет
определить дистанцию как D = ди/фо при D » а\.
Максимальная ошибка измерения дистанции &D определяется
соотношением
&D = а\ Дф0/ (фо)2 + Aai / фо,	(2.41)
где Дфо - ошибка измерения углового расстояния между маяками 2
и 3, равная 2-3 элементам разрешения приемника ТВК; Дди - ошибка
измерения а\ (конструктивные размеры известны и выдерживаются
с высокой точностью), обусловленная наблюдением маяков 2 и 3 под
ракурсом Дфд в горизонтальной плоскости.
Величина Дфд - это разность курсового угла носителя посадоч-
ного устройства и линии визирования БПЛА. Дфд< Оф.
Тогда ошибка измерения а\
Ьа\ = а\ (1- созДфд).	(2.42)
Зависимости максимальной ошибки измерения дистанции ДР от
дистанции D наблюдения маяков при использовании телевизионной
приемной системы с различной разрешающей способностью Ny и раз-
личным поперечным расстоянием между маяками приведены на
рис. 2.17 а. На рис. 2.17 б приведены эти графики для дистанции от
Pmin= 11,5 м до D < 450 м.
Для этих графиков приняты угол зрения ТВК Оф = 10 ° и ошибка
измерения углового размера между маяками Дфо= 2 элементам разре-
шения.
Отметим, что составляющая ошибки Да1/фо, для угла
Дфд= 0,5 0ф, составляет единицы процентов от общей величины ДР.
Графики, приведенные на рис. 2.17, наглядно показывают, что
точность измерения дистанции таким способом, соответственно,
и точность определения угловых координат центра зоны зацепления
возрастают по мере сближения БПЛА с посадочным устройством.
Принципиально большие ошибки допустимы на больших ди-
станциях, а малые допустимы на малых дистанциях. Однако это спра-
ведливо при малых скоростях сближения БПЛА с посадочным
устройством. Для реальных скоростей сближения допустимость та-
кого изменения величин ошибок можно определить, моделируя дина-
мику процесса сближения и оценивая динамические погрешности
приведения БПЛА в конечное положение.
Использование маяка 4, обеспечивающего аг = 10 м, целесооб-
разно на дистанции, превышающей 400-500 м. На меньшей дистан-
ции необходимо перейти на ориентацию по маякам 2 и 3.
62
Ov= Ю °; A\|/o = 2 элемента разрешения; a\ = 2 м, Dmm= 23 м
Рис. 2.17
Улучшить точность измерения дистанции и одновременно точность
измерения углового положения маяков относительно БПЛА можно, ис-
пользуя в ТВК объектив с переменным фокусным расстоянием, изме-
няемым в зависимости от дистанции до посадочного устройства.
Наивысшая точность измерения значений фо, фь flo, достига-
ется в том случае, когда поле зрения приемного устройства согласо-
вано с угловым размером наблюдаемых маяков, то есть 0ф ~ фо.
63
При таком условии погрешность измерения угловых величин, соот-
ветствующая одному элементу разрешения приемной системы ТВК,
минимальна и приблизительно равна отношению фо/Мр.
Логика управления полем зрения ТВК следующая. После выхода
БПЛА в расчетную точку начала самонаведения на устройство по-
садки поле зрения ТВК должно обеспечить наблюдение маяков с уче-
том всех возможных ошибок (координат и курсовых углов БПЛА
и носителя посадочного устройства). Здесь требуется максимальное
поле зрения, то есть максимальные значения 0ф и 0в. После обнару-
жения сигналов маяков БПЛА разворачивается в их направлении. Та-
ким образом, устанавливаются изображения маяков приблизительно
в центр поля зрения.
С этого момента с помощью трансфокатора начинает сужаться
поле зрения до величины близкой (но не равной) к фо- Величина 0ф
должна превышать фо примерно в 1,5 раза, чтобы исключить срыв со-
провождения маяков по угловым координатам в силу случайных изме-
нений параметров траектории, «смаза» изображения и флуктуации
центра яркости изображения маяка, а также динамических ошибок си-
стемы автоматического управления трансфокатором. Оптимальное
значение отношения 0ф / фо определяется путем математического мо-
делирования системы управления БПЛА, системы управления полем
зрения ТВК и уточняется экспериментально. Существенным ограни-
чением здесь является возможный динамический диапазон трансфо-
катора, поскольку на больших дистанциях необходимо обеспечить
и максимальное и минимальное поле зрения.
AD, м
100-А\|/,
64
Система управления размерами поля зрения ТВК по мере прибли-
жения БПЛА к посадочному устройству увеличивает величину Оф и Оз
до максимальных значений.
Примеры изменения ошибки ДР измерения дистанции и ошибки
Дф измерения угловых координат маяков посадочного устройства от-
носительно БПЛА, а также изменение поля зрения ТВК с двадцатикрат-
ным трансфокатором (Оф может изменяться от 10 ° до 0,5 °) в зависимо-
сти от дистанции Р, приведены на рис. 2.18.
Приведенные зависимости иллюстрируют возможность получе-
ния малых ошибок (< 0,01 °) определения угловых координат маяков
с помощью сужения поля зрения ТВК.
Кроме пассивных методов измерения дистанции до маяков и их уг-
лового положения, существует множество активных и полуактивных
методов локации [20], позволяющих БПЛА с необходимой точностью
измерять дистанцию до маяков. Например, для этой цели используется
бортовой лазерный локатор с полупроводниковым излучателем. Для
получения отраженного сигнала, достаточного для обнаружения и из-
мерения его задержки относительно зондирующего сигнала, на маяках
посадочного устройства устанавливаются световозвращатели.
2.5.3.	Оценка точности приведения БПЛА к посадочному
устройству
Упрощенная структурная схема системы управления БПЛА в го-
ризонтальной плоскости приведена на рис. 2.19 [5-8], где Т\ и Тг - по-
стоянные времени рулевого тракта и летательного аппарата, £-коэф-
фициент усиления контура управления по углу \|/д и к\ - коэффициент
обратной связи по скорости изменения угла фд.
При проектировании системы управления значения коэффици-
ентов регулятора (к и к\) выбираются из условий обеспечения задан-
ных запасов устойчивости и качества переходных процессов.
Рулевой тракт Беспилотный летательный аппарат
Рис. 2.19
65
(2.43)
В конечных разностях модель системы управления для числен-
ного интегрирования с шагом Af имеет вид:
Avpi = Фш- (Mai-i + к\ 17зум);
С7н= CZii-i +(Дф1- C7ii.i)A^/ Ti;
t/2i = (t/3i-2-t/3i-i)72/Ar;
723 = 72 t/2i/(l+2?t/2i);
t/3i = C73i-1 + (C73i-1 - 7/ii) / [1 + 2 U2$]to I 723;
Фа1=Фам+£ U3i to.
В формулах (2.43) для удобства численного интегрирования
(представления звена второго порядка в формальном виде двух зве-
ньев первого порядка) введена дополнительная переменная U2, физи-
чески соответствующая ускорению изменения фд. Здесь звено вто-
рого порядка представлено последовательным соединением идеаль-
ного дифференцирующего звена и апериодического звена с перемен-
ными параметрами: коэффициентом усиления 1/(14- 2^C/2i) и посто-
янной времени ТЪ-
Координаты БПЛА xAi и ZAi и координаты носителя посадочного
устройства XHi и zw в горизонтальной плоскости на каждом шаге инте-
грирования определяются соотношениями:
*Ai = хдм + Ид to cos фдь zAi = zam+Кд to sin t|/Ai;
*Hi = Хнм + Fh to COS l|/Ai; ZHi = Zhm+Fh to sin фш ,
где Fa, Fh - скорости движения БПЛА и носителя, фд), фш- направ-
ления движения БПЛА и носителя. Эти параметры принимаются по-
стоянными на каждом шаге интегрирования.
Направление на цель (точку прицеливания БПЛА на посадочном
устройстве) фщ определяется как
фЦ1 = arctg [ (zH i - zA i) / (хн i - хА i) ].	(2.44)
Управляющее воздействие АфА, как разница между направле-
нием полета БПЛА фд и линией визирования фц заданной точки по-
садочного устройства, формируется телевизионным координатором.
Для моделирования выходной сигнал координатора Афд можно пред-
ставить в виде
Афд = фд - фц+ Ак,	(2.45)
где Ак - ошибка координатора, измеряющего угловое направление на
заданную точку посадочного устройства. Ошибка координатора
имеет систематическую и случайную составляющие.
66
Систематическая, или медленно меняющаяся составляющая,
определяется разрешением ТВК и базовым расстоянием между мая-
ками посадочного устройства. Она уменьшается с уменьшением ди-
станции между БПЛА и посадочным устройством. Особое внимание
здесь необходимо обратить на малую дистанцию, где три маяка не
умещаются в поле зрения ТВК. Здесь значение фц определяется по
одному центральному маяку.
Случайная составляющая ошибки обусловлена оптическими ис-
кажениями изображения маяка и распределением интенсивности его
излучения на приемном устройстве ТВК, колебаниями корпуса БПЛА
и посадочного устройства.
Моделирование процесса сближения БПЛА с посадочным
устройством движущегося судна показывает, что при небольшой раз-
нице скоростей Ра и Th рассмотренная система управления БПЛА
позволяет обеспечить допустимые погрешности его приведения в ко-
нечное положение и стыковку с посадочным устройством.
Система с параметрами [ к = 20; к\ = 0,2; Лф = 1; Т\ = 0,1 с;
7г = 0,2 с; = 1 ] при условиях Гн = 10 м/с и Кд = 20 м/с в момент вре-
мени t = 0 имеет начальные координаты [фд = - 0,2 рад; фн = 0; хн = 0;
zh = 0; хд = - 500 м; za = 50 м]. Такая система обеспечивает приведе-
ние БПЛА без учета внешних воздействий в заданную точку посадоч-
ного устройства с погрешностью по координате z менее 1 см и по-
грешностью по углу подхода, соответствующей постоянной составля-
ющей (или амплитуде медленно меняющейся составляющей). При-
меры траектории сближения БПЛА и судна приведены на рис. 2.20 а
при начальной ошибке координатора фк = 0 и на рис. 2.20 б при
фк= 5 °. Время сближения БПЛА с судном-носителем 7k = 50,2 с.
Для того чтобы обеспечить захват маяков посадочного устрой-
ства, необходимо наблюдение маяков в поле зрения бортового ТВК,
то есть до начала самонаведения БПЛА на посадочное устройство
должно соблюдаться условие (при t = 0):
Дф = |фц-фд| < 0ф / 2,	(2.46)
где Д\|/ - угловое рассогласование вектора скорости БПЛА и линии
визирования точки прицеливания.
В плоскости XL условие (2.46) возможного захвата маяков полем
зрения ТВК имеет вид:
Ду = arctg [ (zh-za) / (хн-хд) + (фн-фл) ] < Оу, (2.47)
где хн, zh, хд, za - координаты носителя и БПЛА; фн, фд - курсовые
углы движения носителя и БПЛА.
67
a
Другим ограничением возможного захвата маяков является
дальность действия бортового ТВК, то есть дальность обнаружения
сигнала с близкой к единице ( > 0,95 ) вероятностью при близкой к
нулю (< 10 5) вероятности ложной тревоги. Величина этой дистанции
в сильной степени зависит от погодных условий и изменяется в ши-
роких пределах. Возможность автономного определения дистанции
обнаружения заданного объекта рассмотрена в [28-30].
68
Из соотношений (2.45) и (2.47) видно, чем больше дальность об-
наружения маяков, тем большие допустимые отклонения za(Z=0) и от-
личия курсов БПЛА и носителя.
Моделирование системы наведения БПЛА на посадочное
устройство позволяет определить ограничения на допустимое соотно-
шение скоростей БПЛА и носителя.
Чем меньше отношение Vк! Ун, тем меньше ускорение торможе-
ния. Однако при этом затягивается время посадки. Возникает необхо-
димость использовать летательный аппарат, способный двигаться со
скоростью, близкой к скорости носителя. Это дает преимущество ле-
тательным аппаратам с большей площадью крыла.
2.5.4.	Особенности автономного наведения БПЛА на
посадочное устройство при качке судна
При качке судна происходит колебательное смещение маяков
AZk и АУк в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На прием-
ном устройстве ТВК наблюдается смещение изображения маяков,
как показано на рис. 2.21 а, с периодом качки 7к на величины
\|/к= AZr/£> и Фк = &Yk/D в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях соответственно.
Стабилизация в вертикальной и горизонтальной плоскостях поса-
дочного устройства и маяков осуществляется с помощью двух электро-
механических приводов. С помощью одного электромеханического
привода поворота кран-балки в вертикальной плоскости можно ком-
пенсировать вертикальное смещение одного маяка точно, а другого ма-
яка, расположенного на этой кран-балке, с некоторой ошибкой.
На рис. 2.21 в показана схема расположения одного маяка на кран-
балке, на расстоянии Li от оси поворота привода стабилизации. При
отсутствии качки кран-балка находится в горизонтальном положе-
нии. При наличии угла крена у кран-балка смещается и поворачива-
ется. Привод стабилизации поворачивает кран-балку на угол уп, воз-
вращая маяк в прежнюю горизонтальную плоскость. При этом ком-
пенсируется смещение в вертикальной плоскости, но остается смеще-
ние в горизонтальной плоскости AZk, величина которого определя-
ется конструктивным расположением кран-балки на судне:
AZK = ZjCsinCY] + у) - sinyj - L2 + -Jl22- (£j( cos y, - cos (y, + y))2, (2.48)
где L\ - расстояние от оси поворота кран-балки до оси бортовой качки
судна; yi - угловое расстояние оси поворота кран-балки от диамет-
ральной плоскости судна, как показано на рис. 2.21 в.
69
Отметим, что при ДУк= 0 одного маяка, смещение другого маяка,
находящегося на кран-балке на расстоянии а\ от первого, не равно
нулю:
ДУк = а\ Ц [ cos Yi - cos (yi + у) ] / L2.	(2.49)
Относительно нестабилизированной кран-балки величина ДУк
снижается в 3-5 раз. Для двух маяков целесообразно минимизировать
величину ДУк в середине между ними, то есть в точке прицеливания.
Смещение изображения маяков на приемном устройстве ТВК для
этого случая (стабилизация вертикального смещения маяка 1 и сере-
дины между маяками 2 и 3) показано на рис. 2.21 в. Здесь обозначены
отображения маяков 1, 2 и 3 в одинаковые моменты времени t\ и Ц.
Уменьшить влияние качки на точность приведения БПЛА
в точку прицеливания можно с помощью прогнозирования величины
смещения посадочного устройства в момент подлета к нему БПЛА.
Угловые колебания Д\|/(Г) изображения маяка на приемном
устройстве ТВК соответствуют колебаниям посадочного устройства
AZ(/) = Д\|/(/)•£)(/) с периодом бортовой качки судна 7кч.
Рис. 2.21
70
Если принять скорость сближения Рс=Рд-Рн БПЛА и посадоч-
ного устройства постоянной, то в каждый момент времени t с извест-
ной фазой колебаний можно прогнозировать величину смещения
точки прицеливания AZq в момент /(.) стыковки БПЛА с посадочным
устройством:
AZ(.) = AZicq’sin [ (/(.)- /(о)) 2я / Ткч- Ф(0)],	(2.50)
где Д/кч- амплитуда колебаний точки прицеливания; /(о) - момент из-
мерения текущей фазы ф<о) колебаний; /(.) - /(о) = DI Vc - прогнозируе-
мое время от момента измерения ф<о) до стыковки БПЛА с посадоч-
ным устройством.
Прогнозируемое в момент времени t угловое смещение Афц(/)
точки прицеливания в горизонтальной плоскости в соответствии
с (2.50) определяется выражением:
Афц(/) = AZ(.)ID = [ АфкчID(t) ] sin [ (/(.)-1) 2л I Ткч) - Ф(о) ],	(2.51)
где Афкч- амплитуда угловых колебаний изображения маяка, измеря-
емых ТВК.
Поправка Афц(/) вычисляется по формуле (2.51) и суммируется
вместе с сигналом координатора (2.24).
При необходимости, аналогично (2.50) и (2.51) определяется по-
правка А1)ц(/) к сигналу управления в вертикальной плоскости.
Для иллюстрации влияния качки на рис. 2.22 приведена зави-
симость среднеквадратической величины промаха БПЛА <jz относи-
тельно точки прицеливания на устройстве посадки от периода бор-
товой качки с амплитудой смещения в горизонтальной плоскости 1 м.
При этом фаза колебаний в момент включения координатора изменя-
лась по равномерному случайному закону в диапазоне 2л. Макси-
мальная величина промаха примерно в 1,5 раза больше. Начальные
условия движения приведены на поле рис. 2.22 а. Параметры системы
управления приведены в предыдущем подпункте.
Прогноз величины промаха и введение компенсирующего сиг-
нала не проводится. Величина периода качки оказывает определяющее
влияние на <jz. Величины начального угла рассогласования \|/д (/=0) -
фн(/=0) в пределах ±0,1 рад и постоянной составляющей ошибки ко-
ординатора несущественно влияют на увеличение Qz при таких усло-
виях качки. Очевидно, что ошибка повышается по мере увеличения
инерционности летательного аппарата и уменьшения периода качки.
Использование прогноза величины промаха и введение компенсирую-
щего сигнала с идеальным измерением фазы колебаний ф<о) снижает
71
Рис. 2.22
величину gz теоретически до нуля, а практически до единиц милли-
метров в рассматриваемом диапазоне периода качки. Поэтому целе-
сообразно исследовать влияние погрешности измерения q)(t) на вели-
чину промаха.
На рис. 2.22 б приведена зависимость максимальной величины
промаха Gz от периода Гкч колебаний качки судна при погрешности
измерения фазы в пределах Acp(t) = ± 0,05 рад. Очевидно, максималь-
ные погрешности уменьшились почти на порядок.
Кроме этого, зависимость Gz от периода качки имеет сильные ко-
лебания от 0,16 м до величины менее 0,01 м. Причина периодических
72
колебаний величины AZ в том, что момент /(.), при котором БПЛА до-
стигает посадочное устройство, приходится на различные фазы коле-
баний AZ( ). Если в момент t(.) скорость изменения AZq близка к нулю,
то AZ минимальна.
На крайних (близких к амплитуде) точках колебаний погрешность
определения фазы слабо сказывается на величине AZ. В случае, когда
фаза колебаний AZq близка к нулю, ее скорость изменения максимальна
и погрешность AZmax прогноза промаха AZq максимальная.
Фаза колебаний качки является случайной величиной, поэтому ф(.)
также может принимать любые значения в диапазоне 2л. Отметим, что
период качки на интервале времени сближения БПЛА с судном можно
принять постоянной величиной, измеренной точно навигационными
приборами судна и сообщенной на борт БПЛА полетным заданием или
оперативно по каналу связи. При наличии информации об амплитуде
и периоде качки следующим шагом, позволяющим уменьшить вели-
чину промаха, обусловленного качкой посадочного устройства, явля-
ется использование возможности регулирования скорости сближения
БПЛА и судна-носителя. В этом случае составляющая промаха, обу-
словленного качкой посадочного устройства, становится минимальной
и соизмеримой с динамической ошибкой самонаведения БПЛА.
Проведенные исследования показали, что имеется реальная воз-
можность создания системы автономной посадки БПЛА с бортовым
телевизионным датчиком на движущееся судно даже при значитель-
ной качке.
Для оценки требований к размерам зоны зацепления БПЛА на по-
садочном устройстве и уточнения качества управления посадкой БПЛА
необходимо уточнить динамические характеристики летательного ап-
парата, возможность и инерционность изменения его скорости и воз-
можность парирования внешних возмущений атмосферы (ветровых по-
рывов), а также экспериментально подтвердить необходимую точность
измерения параметров качки (амплитуда, период и фаза).
2.5.5.	Оценка величины промаха при приведении БПЛА
к посадочному устройству
Рассмотрим движение БПЛА в продольной плоскости на
участках снижения и конечного наведения, обеспечивающее при-
ведение аппарата к захватному устройству движущегося судна
[12,20,30]. Погрешности стыковки с посадочным устройством
судна в вертикальной плоскости (так называемая вертикальная со-
ставляющая промаха) представляются наиболее важными для рас-
смотрения, так как к ним предъявляются наиболее строгие требо-
вания по точности приведения.
73
Для решения вопросов выбора закона управления и его парамет-
ров летательный аппарат и судно рассматриваются как две материаль-
ные точки.
Схематически относительное положение судна и БПЛА можно
представить согласно рис. 2.23.
Поведение БПЛА при наведении на конечном участке описыва-
ется системой вида
ё = /(гЛц,г?ц)
i = K cos6; y = K sin6
i4 = Kq coseu; уц = Гц sinG4,
= ^(x~xuf +(y-yvf
где f - выбранный закон наведения, г
И

= arctan
Уц-У

В качестве метода приведения на конечном участке траектории
выбран метод погони [31]. Данный метод самонаведения исключает ис-
пользование прогнозных значений относительного положения судно-
БПЛА и ориентирует вектор скорости летательного аппарата согласно
направлению вектора скорости движущегося судна, что обеспечивает
наличие непродолжительного участка горизонтального полета, способ-
ствующего более плавной стыковке с посадочным устройством.
При моделировании рассматривалось движение в продольной
плоскости - направления движения судна и летательного аппарата по-
лагались одинаковыми. Такой характер движения позволяет сократить
значение относительной скорости судна и БПЛА. При моделировании
варьировались относительные скорости движения, находящиеся
74
в диапазоне 10-20 м/с. Эти значения соответствуют скоростным ха-
рактеристикам БПЛА типа «Орлан» и ему подобным.
Траектория движения БПЛА осуществляется по профилю движе-
ния, близкому к классической самолетной глиссаде [32]. В нашем слу-
чае траекторию можно разбить на следующие основные этапы:
1.	Выход на продольную ось посадки (параллельную с вектором
скорости корабля и отстоящую от его центра масс на расстояние, со-
ответствующее заданной точке на захватываемом устройстве).
2.	Снижение по глиссаде (реализуется методом параллельного
сближения в условную прогнозируемую точку встречи без задания
допусков на погрешность расчета) с углом наклона порядка 3°.
3.	Выравнивание (достигается путем реализации метода по-
гони для «выполаживания» траектории и горизонтального подхода
БПЛА к захватному устройству). Переход к участку наведения ме-
тодом погони происходит при условии снижения БПЛА до высоты
у ~ 15 м.
4.	Парирование сноса и микропорывов (реализуется как дополни-
тельные сигналы управления при наведении методом погони).
5.	Зацепление (сцепление с посадочным устройством).
6.	Движение с тормозным устройством.
Выбор параметров закона управления осуществляется при мате-
матическом моделировании, реализующем управление БПЛА в соот-
ветствии с этапами 2 иЗ.
Так как и судно, и БПЛА считаются «дружественными» друг
другу, то при моделировании движения судна на невзволнованной
морской поверхности основными причинами затруднения определе-
ния относительного положения судно-БПЛА являются инерционные
свойства сигналов (запаздывания, низкая добротность следящей си-
стемы и пр.).
При моделировании это имитировалось путем пропускания угло-
вых характеристик сопровождения, характеризующих положение цели,
через инерционные звенья первого и второго порядка. В качестве пара-
метра, характеризующего свойства динамического звена, принимается
параметр Ка - коэффициент добротности контура сопровождения точки
прицеливания на посадочном устройстве, включающий в себя в том
числе инерционность движения этой точки и БПЛА. Последовательное
рассмотрение двух апериодических звеньев позволяет увидеть харак-
тер смещения допустимого минимального значения параметра Ха, а
также учесть при рассмотрении звена 2-го порядка временные за-
держки, возникающие, к примеру, в канале передачи данных.
75
Рис. 2.24
В качестве начальных условий моделирования принимались:
-	начальная скорость движения БПЛА к(/0) ~ 25 м/с;
-	начальная скорость движения захватного устройства судна
И(го) 6 [5; 15] м/с;
-	высота расположения целевой точки захватного устройства
(относительно невзволнованной морской поверхности) уЦо = 2 м;
-	начальная высота движения БПЛА уо ~ 500 м;
-	начальный угол наклона траектории БПЛА обеспечивает дви-
жение в горизонтальной плоскости при выходе на продольную ось
стыковки е(/0) = 0 °.
Пример простейшей траектории движения БПЛА в вертикаль-
ной плоскости представлен на рис. 2.24.
При моделировании сигналы пропускались сначала через звено
1 -го порядка. При этом значение коэффициента Ка изменялось от 0,1
до 10,0 с шагом 0,1.
Полученные зависимости величины конечного промаха от значе-
ния параметра Ка при пропускании угловых характеристик сопровож-
дения через инерционное звено 1-го порядка приведены на рис. 2.25.
Минимальное значение добротности контура сопровождения
в сочетании с инерционными характеристиками движения целевой
точки на штанге корабля и инерционными характеристиками БПЛА
должно находиться в районе значения Ка = 5. Промах в таком случае
не будет превышать значения, равного 10 см, укладывающегося в до-
пустимый диапазон ±0,1 м. В случае невозможности достижения та-
кого значения параметра Ка следует скорректировать параметриче-
ские характеристики закона управления (наведения) или значения,
определяющие начальные условия подключения конечного этапа за-
кона наведения.
76
Рис. 2.25
При последующем моделировании сигналы пропускались через
звено 2-го порядка. При этом значения коэффициента Ка варьирова-
лись в диапазоне Ка е [0,1; 10] с шагом 0,1. Затем при анализе резуль-
татов моделирования набор значений был исследован в диапазоне
Кае [10; 12].
При моделировании результатов работы системы с привлече-
нием инерционного звена 2-го порядка минимальное значение доб-
ротности контура сопровождения сместилось в район значения
Ка = 11-12, что показывает необходимость ужесточения требований к
частотному каналу судно-БПЛА и минимизации временных запазды-
ваний в устройствах-измерителях и канале передачи данных.
77
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ КООРДИНАТОРОВ ДЛЯ
УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БЕСПИЛОТНЫХ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА СУДНО
3.1.	СУДОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ
СИСТЕМЫ ПОСАДКИ БПЛА
3.1.1.	Информационное обеспечение посадки БПЛА
Рассмотрим возможности системы автоматического и автоматизиро-
ванного управления посадкой на движущееся судно БПЛА с минималь-
ным дополнительным бортовым оборудованием. Исследуются особенно-
сти отображения информации на автоматизированном рабочем месте
(АРМ) оператора и управления посадкой БПЛА с помощью телевизион-
ного приемного устройства и лазерного дальномера, установленных на
судне. Показаны технические пути обеспечения точного приведения
БПЛА на посадочное устройство движущегося судна при качке.
Состав судовой и бортовой аппаратуры управления БПЛА по-
дробно рассмотрен в главе 1, поэтому приведем только дополнения, не-
обходимые для реализации управления посадкой БПЛА на движущееся
судно. Отметим, что для передачи управляющих команд на БПЛА ис-
пользуется стандартная линия связи, например, Wi-Fi.
По этой линии связи на судно передаются навигационные коор-
динаты БПЛА. Это позволяет определить текущее положение БПЛА
относительно судна с точностью не хуже десятков метров.
В состав судовой аппаратуры вводится телевизионная камера,
жестко скрепленная с корпусом судна. Ориентация оптической оси
и размеры поля зрения рассматриваются далее.
Телевизионная камера соединена с АРМ оператора судовой си-
стемы управления БПЛА.
Для обеспечения работы ТВК при плохой видимости (в частности,
в ночное время суток) на борту БПЛА в передней части корпуса необ-
ходимо установить световой фонарь. Мощность фонаря порядка 100 Вт
достаточна для обнаружения его судовой телевизионной приемной си-
стемой на дистанции до 1000 м. Расходимость светового луча борто-
вого фонаря в 20-30 ° обеспечит попадание излучения в поле зрения те-
левизионной приемной системы.
78
Точное измерение текущей дистанции от судна до БПЛА осу-
ществляется, например, лазерным дальномером. Для этого в передней
части корпуса БПЛА необходимо установить световозвращатель [18].
3.1.2.	Принцип работы судового телевизионного
координатора
Схема расположения дополнительного судового оборудования -
кран-балки, сигнальных световых маяков, телевизионной камеры и лазер-
ного локатора - показана на рис. 3.1. Видно, что указанное оборудование
формирует параллельную борту судна линию, проходящую через центр
зоны зацепления посадочного устройства. Здесь способ прицеливания
аналогичен ружейному прицелу. Конструкция посадочного устройства
служит прицелом, а телевизионная камера исполняет роль «мушки».
Оптическая ось объектива телевизионной камеры расположена
так, чтобы наблюдать посадочное устройство и зону возможного
нахождения БПЛА на дистанции от начала маневра посадки до зацеп-
ления с посадочным устройством.
Угловое поле зрения телевизионной камеры в горизонтальной
плоскости показано на рис. 3.1 в виде заштрихованного сектора с осью,
отмеченной нижней пунктирной линией.
Координатор на основе телевизионного канала является основным
новым устройством судовой информационной системы управления дви-
жением БПЛА. Поясним работу координатора на схематически изобра-
женном (рис. 3.2) экране телевизионного монитора.
На экране наблюдается телевизионное изображение водной поверхно-
сти, воздушной среды, частей корпуса судна и посадочного устройства.
Светодиодный фонарь
(и оптический отража-
тель) на корпусе БПЛА
ТВ-
камера
прицеливания - центр
допустимой для зацепления
зоны посадочного устрой-
ства
Светодиодные фонари
на посадочном устройстве
Рис. 3.1
79
Положение маяков
посадочного
устройства
Рис. 3.2
Изображение посадочного устройства наблюдается при размеще-
нии телевизионной камеры за посадочным устройством относительно
направления движения судна и БПЛА, как показано на рис. 3.1.
На экране монитора формируется метка точки прицеливания БПЛА
в центре зоны посадочного устройства, где происходит зацепление БПЛА.
Положение этой метки формируется во время установки телевизи-
онной камеры и ее юстировки. Точка прицеливания принимается за ну-
левое положение в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
При попадании БПЛА в поле зрения ТВК на экране монитора
появляется изображение светового фонаря, установленного на БПЛА.
Угловое отклонение БПЛА от точки прицеливания в горизон-
тальной плоскости \|/д соответственно:
Уа = аМИп,	(3.1)
где - число элементов разрешения приемного устройства в гори-
зонтальной плоскости между центром яркости метки БПЛА и меткой
точки прицеливания; \|/п, ° - угловой размер одного элемента разреше-
ния в горизонтальной плоскости, равный
\|/п =	(3.2)
где 0у, ° - угол зрения приемной системы судового ТВК в горизон-
тальной плоскости; число элементов разрешения на строке (в го-
ризонтальной плоскости) приемного устройства.
80
Аналогично (3.1) значение углового отклонения Од БПЛА в вер-
тикальной плоскости от точки прицеливания
Оа=иаОп,	(3.3)
где пь - число элементов разрешения в вертикальной плоскости
между центром яркости маяка БПЛА и меткой точки прицеливания;
Оп, °- угловой размер одного элемента разрешения в вертикальной
плоскости, равный
Оп = 6о/№,	(3.4)
где ° - угол зрения приемной системы координатора БПЛА в вер-
тикальной плоскости; №- число элементов разрешения приемного
устройства по вертикали.
Метка БПЛА на экране монитора определяет угловое рассогла-
сование положения БПЛА и посадочного устройства.
В системе, соответствующей рис. 3.1, метка точки прицеливания
при хороших условиях наблюдения (хороший контраст элементов по-
садочного устройства на телевизионном экране) может формиро-
ваться оператором без дополнительной подсветки маяками, путем
предварительной юстировки по контурам и характерным точкам по-
садочного устройства. В плохих условиях наблюдения (например, но-
чью или в тумане) необходимо включение световых маяков, по угло-
вому соотношению между которыми определяется метка точки при-
целивания.
Имея возможность дистанционно управлять полетом БПЛА
с помощью команд «Влево» - «Вправо» и «Вверх» - «Вниз» опера-
тор может привести БПЛА к посадочному устройству, совместив
метку БПЛА и точку прицеливания. Это совмещение оператору
необходимо поддерживать вплоть до зацепления БПЛА с посадоч-
ным устройством.
Указанный способ является простейшим способом управления
и позволяет принципиально обходиться без информации о дистанции.
При хорошей освещенности, контрастности наблюдения БПЛА и от-
сутствии качки судна оператор может судить о дистанции, сопостав-
ляя известное расстояние между маяками и наблюдаемыми разме-
рами БПЛА.
Отметим, что управление угловым рассогласованием без учета
дистанции приводит к неудовлетворительным результатам при зна-
чительном диапазоне изменения условий сближения БПЛА с суд-
ном. По этим причинам рассмотренный телевизионный координатор
необходимо дополнить, например, лазерным дальномером, установ-
ленным на посадочном устройстве или в месте установки телевизи-
онной камеры.
81
Существенным недостатком рассмотренного способа управления
является принципиальная необходимость размещения телевизионной
камеры на существенном расстоянии (несколько метров) от посадоч-
ного устройства. Учитывая необходимость обеспечения траектории по-
лета БПЛА (в случае неудачного зацепления или промаха) вне контура
судна, телевизионная камера требует для своего размещения выносного
кронштейна, жестко связанного с посадочным устройством, что про-
блематично для обычных судов.
Свободной от указанных недостатков является схема размеще-
ния телевизионной камеры непосредственно на посадочном устрой-
стве, как показано на рис. 3.3.
Конструктивно поместить телевизионную камеру непосредственно
в точке прицеливания невозможно. Размещение ее на продолжении «иде-
альной» посадочной траектории, проходящей через центр допустимой
для зацепления зоны посадочного устройства, приводит к существен-
ному увеличению поперечного размера посадочной кран-балки, а также
к затенению поля зрения телевизионного канала элементами конструк-
ции посадочного устройства.
По этим причинам телевизионную камеру целесообразно разме-
стить на внешней стороне посадочного устройства (со стороны под-
лета БПЛА). В такой схеме размещения угловой размер между
направлением «идеальной» траектории посадки и оптической осью
поля зрения ТВК не будет постоянным, как в схеме размещения
рис. 3.1, а будет изменяться по мере изменения дистанции.
посадочного
устройства
Рис. 3.3
82
На малой дистанции образуется слепая зона, где БПЛА уходит
за пределы зоны наблюдения ТВК.
Поясним особенности работы телевизионного координатора
в рассматриваемой схеме на рис. 3.4, аналогичном рис. 3.2. На рис. 3.4
стрелками на экране указаны траектория смещения меток БПЛА
(верхняя кривая) и метки точки прицеливания (нижняя стрелка) при
сближении БПЛА с посадочным устройством.
Здесь метка прицеливания формируется с учетом параллакса -
разности углов наблюдения БПЛА объективом ТВК, теоретически
расположенным в точке прицеливания, и реальным объективом ТВК,
смещенным относительно точки прицеливания на zCM в горизонталь-
ной плоскости и >’См в вертикальной плоскости.
Усм = arc sin(zCM ID); йсм = arc sin(yCM ID),	(3.5)
где \|/см и йсм - углы смещения метки прицеливания в горизонтальной
и вертикальной плоскостях; D - дистанция до БПЛА.
Очевидно, что при значениях \|/см « Оу или йсм ~ Оо БПЛА выйдет
из поля зрения ТВК.
Слепая зона Z)min - дистанция, ближе которой БПЛА не наблю-
дается, определяется соотношениями
Д™« min (zCM /sin 0V ; _yCM /sin 0ъ).	(3.6)
Например, при смещении ТВК от точки прицеливания на 1 м при
угле зрения ТВК 15 °значение £>min= 4 м.
Отметим, что увеличение поля зрения ТВК с целью увеличения ве-
роятности захвата БПЛА для сопровождения, положительно скажется
на уменьшении слепой зоны.
83
3.1.3.	Особенности формирования на экране монитора меток
БПЛА и точки прицеливания
При наличии двусторонней связи судна с БПЛА в судовую си-
стему поступают текущие значения навигационных параметров
БПЛА - линейные координаты Ад(0, Yа(0> Z а(0 и скорости их из-
менения, что позволяет определить и прогнозировать траекторию
сближения БПЛА с судном. В качестве дополнительной информа-
ции могут поступать угловые координаты положения БПЛА относи-
тельно центра масс - значения углов атаки а, скольжения Р
и крена у. Значения этих углов не должны превышать допустимые
значения для обеспечения надежного зацепа БПЛА с посадочным
устройством.
При хорошей освещенности и контрасте на экране монитора
можно наблюдать силуэт БПЛА, а в плохих условиях - только пятно
от светового фонаря, либо отраженный от световозвращателя сигнал
лазерного локатора. При использовании лазерного локатора, совме-
щенного с телевизионной приемной системой, на экране монитора
метка БПЛА формируется из пятна отраженного сигнала световозвра-
щателя. Это пятно занимает несколько элементов разрешения в силу
различных причин расфокусировки, аберрации и вибраций [28].
Энергетический центр пятна как группы т х п элементов разрешения
приемной системы, сигнал от которых превысил заданный порог об-
наружения, определяется
1 n m	/пт
Ума =----Z£(ViAj)/LlMj)>
тп ! j	/ 1 1	I	(3 7)
1 п т	/пт
«ма = —
тп i=i j=i	/ i=i j=i	J
где \|/ма и Ома- координаты центра метки БПЛА; т и п - размер об-
ласти приемной системы в элементах разрешения, в которой сигнал
превысил заданный порог обнаружения, в горизонтальной и верти-
кальной плоскостях; t7ij, ф ij, В ij - амплитуда сигнала и положение
элемента разрешения приемной системы ТВК с координатами ij в го-
ризонтальной и вертикальной плоскостях.
Аналогично (3.7) определяются координаты \умм ,тЗммэнерге-
тических центров изображения каждого из маяков посадочного
устройства.
Координаты метки точки прицеливания утп , тЗтп определя-
ются с помощью известных геометрических размеров Azi и Aji распо-
ложения ее относительно каждого г-го маяка посадочного устройства:
84
Ути =7X(arctg(Azi/Z>zi));
3 i=i
тп = 7 E (arctg (АЛ / byi)) >
з i=l
(3.8)
где bZi, byi - расстояния в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях от г-го маяка до точки прицеливания на посадочном устрой-
стве (рис. 3.1).
Для удобства наблюдения оператором на изображения реаль-
ного фонаря БПЛА и точки прицеливания накладывается интен-
сивное изображение, близкое к круговому, диаметром 5-7 элемен-
тов разрешения.
В данной работе ограничимся рассмотрением управления боко-
вым движением БПЛА, полагая, что погрешности вывода БПЛА в за-
данную относительно судна точку по координатам X и Z существенно
больше, чем по высоте. Кроме этого система стабилизации высоты
полета при волнении моря и обеспечение одновременного управле-
ния по высоте и направлению полета в вертикальной плоскости заслу-
живают отдельного рассмотрения, выходящего за рамки настоящей
статьи.
При наличии сигнала крена БПЛА на экране формируется линия
длиной 10-20 элементов разрешения и толщиной 1-2 элемента разре-
шения, симметрично относительно центра метки Ума, 'Ома- Наклон
линии относительно горизонтальной строки соответствует значению
крена у.
Формирование метки точки прицеливания на мониторе проис-
ходит программным путем. Ее положение определено, если прием-
ная система ТВК жестко скреплена с посадочным устройством.
В случае разнесения приемной системы ТВК от посадочного устрой-
ства, как показано на рис. 3.1, метка точки прицеливания определя-
ется аналогично тому, как находится энергетический центр изобра-
жения фонаря БПЛА по положению энергетических центров свето-
вых меток-маяков посадочного устройства [формула (3.5)].
При неблагоприятных условиях освещенности, когда контраст
светового фонаря БПЛА мал на фоне атмосферы, возможно использо-
вание другого способа формирования метки БПЛА. Оператор с помо-
щью манипулятора «мышь» устанавливает сформированную про-
граммным путем метку на наблюдаемом на экране монитора силуэте
БПЛА. При этом автоматически фиксируются координаты центра
метки \|/ма и тЗма в элементах разрешения приемного устройства и уг-
лах отклонения у а и Од.
85
Отметим, что способ формирования метки БПЛА на экране мо-
нитора выбирает оператор в зависимости от условий освещенности
и наблюдения БПЛА на фоне неба и моря. Очевидно, что наблюдение
БПЛА на фоне солнца или луны, солнечной и лунной водной до-
рожки, если их изображение попадает в поле зрения ТВК, серьезно
затруднено и требует специальных средств оптической фильтрации.
Проще таких ситуаций избегать, выбирая соответствующий курс дви-
жения судна при посадке БПЛА.
Как известно [27] и будет проиллюстрировано далее, управле-
ние с помощью команд «Влево» - «Вправо» и «Вверх» - «Вниз», без
учета дистанции, не лучшее для управления посадкой БПЛА. Лучшее
управление достигается при использовании информации о дальности
БПЛА относительно посадочного устройства. Специально сформиро-
ванные траектории сближения и законы управления конечным поло-
жением БПЛА обеспечивают меньшие линейные и угловые ошибки
приведения БПЛА к посадочному устройству.
86
Для наблюдения оператором траектории сближения БПЛА с по-
садочным устройством целесообразно на отдельном экране или от-
дельных окнах телевизионного монитора формировать изображения,
показанные на рис. 3.5.
Экран на рис. 3.5 а иллюстрирует движение сближения БПЛА
в горизонтальной плоскости (в координатах х, z), а рис. 3.5 б - в вер-
тикальной плоскости (в координатах х, у). На экранах обозначены
метки БПЛА и точки прицеливания, запретные зоны поверхности
воды и контура судна. Пунктирной линией обозначена траектория
экспоненциального типа, обеспечивающая наилучшее по точности
и нечувствительности к внешним воздействиям сближение с посадоч-
ным устройством для текущего положения БПЛА.
Текущее положение БПЛА относительно посадочного устройства Za,
Уа, Хх грубо определяется по данным навигационных систем судна и БПЛА,
а более точно с помощью лазерного локатора, совмещенного с ТВК.
3.1.4. Управление сближением БПЛА с судном
В соответствии с поставленной задачей - минимизацией дора-
ботки бортовой аппаратуры БПЛА, рассматриваем систему управления
БПЛА, оптимально спроектированную для выполнения полета по задан-
ной программе мониторинга. В такой системе обеспечиваются необхо-
димые запасы устойчивости и требуемое качество управления: точность
поддержания заданного полетным заданием направления движения, ка-
чество переходных процессов при изменении режима полета или при
парировании внешних возмущений. Функциональное взаимодействие
судовой и бортовой системы управления показано на схеме рис. 3.6.
Телевизионный координатор и лазерный дальномер формируют
сигналы \|/а, $а , D& пространственного положения БПЛА относительно
точки прицеливания на посадочном устройстве. Программа вычислителя
АРМ оператора формирует сигналы управления и t>y, с помощью ко-
торых БПЛА изменяет направление своего движения, обеспечивая дви-
жение по траектории, проходящей через точку прицеливания.
Программа формирования сигнала управления направлением
полета БПЛА в зависимости от режима, выбранного оператором, мо-
жет формировать различные управляющие сигналы. При отсутствии
информации о дальности до БПЛА возможны два закона управления:
1. Релейное управление уу = ур sign(\|fA), где ур = const.
Результаты моделирования показали возможность подбора ве-
личины \|/р, при которой обеспечивается промах менее 1 мм при
определенных известных начальных условиях (координатах БПЛА
и параметрах его движения). Однако малые ошибки в определении
дистанции Z)A(/=0) и направлении движения уд(/=0) приводят к резкому
87
возрастанию величины промаха и недопустимой величине угла подхода
к посадочному устройству даже при отсутствии качки. Возникают авто-
колебания, естественные для системы с релейным управлением. По этой
причине релейное управление в монографии не рассматривается.
2. Линейное управление \|/у =	где ку = const, позволяет пу-
тем выбора значения ку добиться хороших результатов (минимальные
промахи по линейным и угловым координатам и их производным)
в широком диапазоне начальных условий и ошибок в определении
параметров движения БПЛА. Такое управление при ку > 3 обеспечи-
вает отработку бокового рассогласования практически по экспонен-
циальной траектории.
Линейное управление \|/у = &у\|/д рассматриваем с учетом ограни-
чения скорости разворота БПЛА - постоянной величиной ун = const.
Рис. 3.6
88
Важно отметить, что для дистанционного управления БПЛА
необходимо учесть запаздывание тс сигнала управления \|/у, сформи-
рованного на судне для управляющего сигнала \|/уд на БПЛА, то есть
Ууа(0 = Уу('-Тс).
Упрощенная структурная схема системы управления движением
БПЛА по углу V в горизонтальной плоскости приведена на рис. 3.7, где
введены обозначения: Т\ и 7г - постоянные времени рулевого тракта
и летательного аппарата, к\ - коэффициент передачи рулевого тракта, кг -
передаточный коэффициент объекта управления, кз - передаточный ко-
эффициент интегрирующего звена, коэффициенты ку и обратной
связи по углу у и скорости ф его изменения.
В системе управления движением БПЛА значения коэффициентов
контура управления и обратной связи выбираются из условий обеспече-
ния заданных запасов устойчивости и качества переходных процессов.
Динамика процессов бортовой системы управления моделируется
в среде MatLab путем численного интегрирования уравнений, соответ-
ствующих передаточным функциям звеньев.
При моделировании процесса сближения БПЛА его координаты
(xAi, ^Ai) относительно посадочного устройства в горизонтальной плос-
кости на каждом шаге интегрирования определяются соотношениями:
XAi = хаы+Иан Az cos(Yi), zAi = zah+Pah sin(\|fi),	(3.9)
где Идн - скорость сближения БПЛА и судна-носителя, ЦЛм — направ-
ления движения БПЛА относительно судна. Эти параметры принима-
ются постоянными на каждом шаге интегрирования.
Истинное направление на цель (точка прицеливания БПЛА на по-
садочном устройстве) \|fAi определяется как
\|fyi = arctg (zA i/ xa i).	(3.10)
Рулевой тракт	Летательный аппарат
Рис. 3.7
89
Для примера возьмем параметры системы [&i = 20; fa = 1, fa = 1;
к^ = 0,2; ky=l; Т\ = 0,1 с; Ti= 0,2 с; £ = 1], которые обеспечивают управле-
ние движением БПЛА в заданном направлении, а также зададим диапазон
начальных условий при /=0 [\|/а= ±12 °; ха = (300-1000) м; z^= ± 50 м]. При
относительной скорости сближения БПЛА ссудном Иан =10 м/с время
полета до сцепления с посадочным устройством 7k ~ 30-И 00 с.
Поскольку для реальной системы управления БПЛА всегда имеется
ограничение максимальной скорости разворота, проведем исследования
влияния величины ку на вид траектории сближения и параметры движе-
ния БПЛА в конечной точке XfXt=7\$, то есть на величины Za, \|/а, ско-
рость бокового сноса z и скорость угла поворота уА.
На рис. 3.8 приведены зависимости Za(Xa ), Va(X0 и у А (х А )
при одинаковых начальных условиях Х& (/=0) = 500 м, Za(Z=0) = 50 м
и \|/а(^=0) = 0 °, а также при ограничении на скорость разворота 3 %.
Зависимости, приведенные на рис. 3.8 а, соответствуют ку = 3, на
рис. 3.8 б-ку= 5 и на рис. 3.8 в-ку= 10.
в
Рис. 3.8
90
Анализ представленных графиков показывает, что увеличение
ку приведет к перерегулированию, что может вызвать потерю БПЛА
из поля зрения ТВК и метки БПЛА с экрана монитора. К такому же
эффекту приводит изменение начальных условий. При \|/а(^=0) = 10 °
в сторону от судна перерегулирование наблюдается уже при ку = 5.
При уменьшении начальной дистанции управления до 300 м перере-
гулирование и увеличение значений Z а и ц/д в конечной точке
Ад(/=Тк) наблюдается при ку > 3. По этой причине для диапазона
внешних условий, указанных выше, целесообразно выбрать ку= 3.
Отметим, чем на большей дистанции произойдет обнаружение
БПЛА и измерение дальности до него, тем при большем диапазоне
начальных условий обеспечивается необходимая точность приведе-
ния БПЛА к посадочному устройству.
Рис. 3.9
91
Однако в плохих погодных условиях необходимая дальность об-
наружения БПЛА и определение дистанции до него с помощью лазер-
ного дальномера могут оказаться маловероятны. По этой причине
представляет интерес оценить допустимую ошибку определения
начальной дистанции, которую обеспечивают навигационные сред-
ства судна и БПЛА.
На рис. 3.9 приведены зависимости изменения величины про-
маха Zk, боковой скорости zK и угла \|/к подхода БПЛА к точке прице-
ливания в зависимости от погрешности определения начальной ди-
станции Z)a(Z=O) (рис. 3.9 а), от ошибки в определении направления
движения \|/д (/=0) (рис. 3.9 б) и от величины тс запаздывания управ-
ляющего сигнала.
Зависимости, приведенные на рис. 3.9, получены при
Ад(/=0) = 500 м, Za(Z=0) = 50 м и Кан= 10 м/с, ку = 3 и ун= 3 %. В этих
условиях и при \|/а(/=0) = 0 ° ошибка определения начальной дистан-
ции в пределах минус 20 м и +80 м приводит к промаху по Zk ± 4 см
и по углу ук ± Ю ° (рис. 3.9 а).
При отсутствии погрешности определения начальной дистанции
ошибка определения направления полета (Z=0) в пределах от -20
до +40 ° приводит к промаху по Z < 1 см и по углу ук < Ю °
(рис. 3.9 б).
При указанных начальных условиях запаздывание сигнала
управления тс более 1 с приводит к увеличению \|/к < 7 °. Величина тс,
меньшая 3 с, практически не сказывается на величине промаха Zk
(см. рис. 3.9 в).
Моделирование с другими начальными условиями при отсут-
ствии качки судна показало:
- чем больше начальная дистанция управления, тем больший
диапазон допустимых начальных рассогласований по направлению
движения БПЛА;
- чем меньше посадочная скорость БПЛА, тем меньше допусти-
мая дистанция начала управления и шире диапазон допустимых
начальных рассогласований по направлению движения.
Для принятых в расчетном примере значений параметров си-
стемы управления БПЛА минимальная допустимая дистанция начала
управления составляет примерно 300 м. При меньших дистанциях
начала управления ошибки начальных условий приводят к резкому
увеличению промаха и диапазона углов \/к подхода БПЛА к посадоч-
ному устройству.
92
3.1.5. Управление посадкой БПЛА при качке судна
Главной особенностью судовых систем управления посадкой
БПЛА является качка, поэтому исследование влияния качки с целью
оценки возможности посадки БПЛА и поиск технических путей сни-
жения ее отрицательного влияния являются важной научной и прак-
тической задачей.
В первую очередь ТВК должен обеспечить наблюдение БПЛА
при качке судна. При стационарной качке колебания судна описыва-
ются четырьмя составляющими:
бортовая качка укч = Ум sin(o)Y f+фу),
килевая качка Окч= Ом8т(а)^+фо),
колебания рыскания судна фкч = VMsin(o)vZ + q>v)z	(3.11)
вертикальные колебания центра масс судна
Ькч= hMsin(aW+(ph),	J
где ум, 'бм, фм, Бм - амплитуды колебаний; o)Y, шо, o)v, юь - частота
колебаний; фу, фо, фи,фь - фазовые углы, соответствующие началь-
ному (или другому заданному) моменту наблюдения колебаний.
Требуемое поле зрения ТВК в вертикальной бое и горизонталь-
ной 0оу плоскостях для обнаружения и сопровождения БПЛА при
качке определяется соотношениями:
0оя >	2йм + 0см^+ 0 см Оу ,1
00V —	+ 2фм + 0 cmV + ®cmVY , J
где: 0o, 0v - размеры поля зрения ТВК, необходимые для обнаруже-
ния и сопровождения БПЛА, наблюдаемые на мониторе и указанные
в (3.2), (3.4) и (3.6); 0СмЯ= (2ЛМ + 2уСмя + 2yCMY)/£>Amin - необходимое
увеличение углового размера поля зрения ТВК за счет вертикального
смещения приемного устройства при качке.
При этом усмо = zt/tosin-Ом - смещение приемной системы ТВК
в вертикальной плоскости, за счет килевой качки,
R$- расстояние от приемной системы ТВК до оси килевой качки;
Усму = i^ysiny^ - смещение приемной системы ТВК в вертикальной
плоскости за счет бортовой качки с амплитудой уи,
Ry- расстояние от приемной системы ТВК до оси бортовой качки;
D^min - минимальная дистанция сопровождения БПЛА;
0 cmv= (2zCmv + 2zCmy) I Г)дтт- необходимое увеличение углового раз-
мера поля зрения ТВК за счет горизонтального смещения приемного
устройства при качке, где: zCN<y=±/?y(l -cosy^)-горизонтальное смещение
ТВК за счет бортовой качки; zCMv =	втфм - горизонтальное смеще-
ние ТВК за счет колебаний рыскания; Ry - расстояние от приемной
системы ТВК до оси колебаний рыскания судна.
93
Для наблюдения на мониторе метки БПЛА и точки прицелива-
ния в неподвижной системе координат, соответствующей состоянию
судна без поворота растра, вызванному бортовой качкой, необходимо
провести пересчет их положения относительно оси оптической си-
стемы, соответствующий обратному повороту растра отображения
поля зрения на мониторе ТВК на угол укч. Это приведет к необходи-
мости расширения поля зрения ТВК и смещению изображения на мо-
ниторе на величину 0см^у в вертикальной и 0смуу горизонтальной плос-
костях:
0СМ^= Г к [sin(Ycr+ Укч) - sinycr], 0CMVY= ГА [COS (Уст+ Укч) “ COSYcr], (3.13)
где га и уст - модуль и аргумент углового положения БПЛА относительно
приемной системы ТВК при отсутствии бортовой качки судна.
Соотношения (3.13) с учетом (3.6) показывают, что поле зрения
ТВК при качке судна должно составлять 40-60 °.
Возможности и аппаратные средства межкадровой обработки,
стабилизации фрагмента телевизионного растра с наблюдением изоб-
ражения БПЛА, его метки и метки точки прицеливания рассмотрены
в подпункте 2.2. Для оценки точности приведения БПЛА при качке
примем, что точка прицеливания колеблется относительно своего ста-
тического (без качки) положения в горизонтальной и вертикаль-
ной Укч(0 плоскостях под действием качки судна (3.11).
7кч(0 = ZymaxSin^yZ + фу) + Zymaxsin(O)y t + фу),
Гкч(0 = Уутах31п((л)у t 4" фу) 4" 10maxSin((i)^ t 4” фОу) 4” УътахЗШ((1)Ь t 4” фь),
(3.14)
ГДе Zymax, Zymax, Уутах, УОтах, Ihmax- ВМПЛИТуДЫ КОЛвбаНИЙ ТОЧКИ ПрИЦв-
ливания посадочного устройства в горизонтальной и вертикальной
плоскостях, которые определяются амплитудой угловой качки и кон-
структивным расположением точки прицеливания относительно осей
качки судна.
Оценку точности приведения БПЛА при качке проведем с помо-
щью моделирования процесса сближения БПЛА с судном в горизон-
тальной плоскости. Примем, что точка прицеливания колеблется с пе-
риодом Ту = 54-15 с амплитудой Zymax= 1 м и периодом Ту= 304-40 с ам-
плитудой 0,25 м. Параметры системы, начальные условия и алгоритм
управления сближением указаны ранее.
Во время качки сигнал управления направлением летательного ап-
парата на точку прицеливания фу определяется так:
уу(0 = ky arctg [ (zA(0 4- Zkh(0) I xA(0 ].	(3.15)
Моделирование показывает, что качка оказывает существенное
влияние на промах БПЛА.
94
На рис. 3.10 а приведены зависимости промаха Zk , угла \|/к под-
хода БПЛА к точке прицеливания, а также скорости бокового движе-
ния от начальной фазы колебаний фу(Г = 0) при ограничении на ско-
рость ун разворота БПЛА в %.
Для прежних исходных данных зависимость промаха от скоро-
сти сближения Vah показана на рис. 3.10 6.
Для обеспечения ошибки Zk в пределах ±10 см в принятых усло-
виях необходимо поддерживать скорость сближения в пределах
9,750 ± 0,025 м/с, то есть с точностью 0,25 %.
Рис. 3.10
95
Моделирование показывает, что управление прицеливанием при
качке (попадание в зону ±100 мм) требует измерения начальной фазы
колебаний с точностью ± 2 ° и изменения скорости сближения с точ-
ностью 0,03 м/с при номинальной скорости сближения 10 м/с.
Отметим, что фаза фу является случайной величиной, распреде-
ленной равномерно в диапазоне ±тс. Однако, промах можно свести
к нулю при некоторых значениях начальной фазы фу(/=О) колебаний
бортовой качки И при ZVmax= 0.
Максимальная величина промаха достигает ~2 м при амплитуде
колебаний точки прицеливания 1 м. При изменении ограничения на
максимальную скорость ун разворота БПЛА с 0,05 рад/с до 0,2 7с
угол подхода к посадочному устройству уменьшается (от 15 до 7 °),
а величина промаха увеличивается (с 1,6 до 1,8 метра). Можно до-
биться минимального промаха, изменяя скорость сближения, зная
начальную фазу и частоту колебаний качки.
Без принятия дополнительных мер, посадка БПЛА при качке
рассматриваемым способом становится практически нереализуемой.
Рассмотрим возможности снижения промаха при качке с помо-
щью прогноза его величины и соответствующей компенсацией в за-
коне управления.
Определим прогнозируемое положение точки прицеливания Znp
в момент начала управления (при /=0) в соответствии с (3.14):
Znp(Z=O) = Zymax sin(o)y Zk + фу) + Zvmax sin(o)v Zk + Фж),	(3.16)
где tK =Da(P=0) / Ран - время подхода БПЛА к точке прицеливания.
Величина прогнозируемого смещения точки прицеливания
(3.16) вводится в закон управления, получаем:
Vy(Z) = ку arctg [ (zA(Z) + Znp(Z=O)) / xA(Z) ].	(3.17)
В этом случае удается снизить величину фактического промаха
примерно на порядок. При отсутствии погрешности измерения всех
параметров величина Zk снизилась, например, с 1,80 до 0,21 м. Ме-
тодическая погрешность этого метода в неточности определения
времени Zk, так как траектория движения БПЛА отличается от пря-
мой линии.
Дальнейшее увеличение точности приведения БПЛА к точке
прицеливания достигается периодическим вычислением и уточне-
нием времени tx = D A(Z) I Vah, оставшегося до сцепления, и значения
Znp(Z) во время сближения БПЛА с судном:
96
1(3.18)
Znp(Z) Zymax Sin ((Оу fa 4" фу) 4" Zymax sin ((Dy fa 4" фу),
Vy(Z) = ky arctg [(zA(Z) + Znp(O) / *a(Z) ]•
При тех же условиях при законе управления (3.17) при отсут-
ствии ошибок измерения параметров качки величина промаха не пре-
вышает 0,1 мм и определяется погрешностью вычислений.
Оценим влияние погрешностей измерителей на величину про-
маха, которая существенно зависит от параметров колебаний точки
прицеливания в конечный момент времени ZK-
Наглядно поясним это на рис. 3.11, где показана одна гармо-
ника колебаний точки прицеливания ZK4 = А 8тфкч.
Если допустимый промах Zk составляет ±5 см, а амплитуда ко-
лебаний качки А = 1 м, то при фазе колебаний фкч, близкой к некрат-
ному целому числу л/2 [ZK4(Zk) ~ А], допустимая погрешность изме-
рения фазы составляет ± 0,45 рад.
При фазе колебаний, кратной л [ZK4(Zk) ~ 0], допустимая по-
грешность составляет ±0,1 рад.
Влияние погрешности измерения амплитуды колебаний ДА на
величину промаха Zk имеет противоположную тенденцию:
Zk ~ ZK4(Zk) ЛА/А.
Влияние погрешности измерения частоты колебаний качки
Д(1)кч сводится к дополнительной погрешности измерения фазы Дфкч-
Дфкч — Л(Ц кч (Zk — Z),
где Z - момент времени измерения частоты для определения про-
гноза Znp(Z) смещения точки прицеливания.
97
Например, при 1-процентной погрешности измерения периода
качки, равного 10 с, за все время сближения fa = 50 с набег фазы
Афкч = ±0,1 рад. При коррекции Znp(t) за fa - t = 5 с допустимая по-
грешность измерения периода качки составит 10 %.
Влияние запаздывания тс на величину промаха Zk сводится к
изменению параметров качки и скорости Ран сближения БПЛА с
судном. Если эти условия не изменились, то справедливы оценки,
сделанные ранее (рис. 3.9 в), то есть допустимо запаздывание тс,
меньшее 3 с. Если параметры качки и Иан во время сближения БПЛА
с судном меняются, то допустимое значение тс снижается до десятых
долей секунды.
В заключение пункта 3.1 можно отметить, что рассмотренная
информационно-управляющая система автоматического и автома-
тизированного управления посадкой БПЛА на движущееся судно
требует установки на судне аппаратуры ТВК и дальномера, с даль-
ностью обнаружения БПЛА не менее 500 м, и не требует установки
дополнительного бортового оборудования на БПЛА.
Для обеспечения посадки БПЛА в плохих погодных условиях и
в ночное время требуется установка на БПЛА светового фонаря и све-
тового отражателя, которые обеспечат обнаружение БПЛА на дально-
сти не менее 500 м.
На борт БПЛА по радиолинии связи передаются два управляю-
щих сигнала, соответствующих направлению движения в горизон-
тальной и вертикальной плоскостях. Они обеспечивают приведение
БПЛА к посадочному устройству на движущееся судно при качке.
Измерение параметров движения БПЛА и формирование сиг-
налов управления производится на борту судна по данным ТВК
и навигационного оборудования судна. При качке судна наилучшие
результаты по точности приведения БПЛА к заданной точке поса-
дочного устройства дает алгоритм управления с периодическим про-
гнозом смещения этой точки в момент сцепления с посадочным
устройством.
Моделирование системы управления в горизонтальной плоско-
сти и приведенные численные расчеты показали, что предложенная
система управления позволяет обеспечить в условиях колебания по-
садочного устройства с амплитудой 1 м приведение БПЛА в точку
прицеливания, с ошибкой не более 10 см при погрешности измере-
ния фазы колебаний качки до 10 ° и амплитуды до 10 %.
98
3.2.	ОЦЕНКА ДАЛЬНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ БПЛА
ЛАЗЕРНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ
3.2.1.	Технические средства и объекты экспериментальных
исследований
В статье приведены результаты экспериментальных исследова-
ний дальности обнаружения лазерным дальномером LRM 2500 объ-
ектов-мишеней типа БПЛА. Предложена методика оценки затухания
лазерного излучения в атмосфере и отражательных свойств наблюда-
емых объектов.
Обзор отечественных и зарубежных лазерных локаторов и даль-
номеров показал, что наименее габаритным и энергозатратным се-
рийно изготавливаемым прибором, встраиваемым в бортовые си-
стемы летательных аппаратов, морских и сухопутных транспортных
средств, является лазерный дальномер LRF MOD 2.
Для использования лазерного дальномера LRF MOD 2 в усло-
виях стендовых и натурных испытаний необходимы дополнительные
средства обеспечения целеуказания (установка дальномера в направ-
лении исследуемого объекта с точностью не хуже 1 мрад).
По этой причине для экспериментальных исследований возмож-
ности обнаружения БПЛА использовался лазерный дальномер
LRM 2500 (рис. 3.12).
Основные технические параметры LRM 2500 и LRF MOD 2 по
данным фирмы «NEWCON-OPTIK» совпадают. В табл. 3.1 показано
отличие в массе и габаритах. При эксплуатации прибора LRM 2500
максимальная дальность обнаружения (измерения дистанции) достиг-
нута при наблюдении снежного холма. Замечено неодинаковое угловое
Приемная
оптическая
система
Оптическое
окно
лазерного
излучателя
Объектив
ТХП
Рис. 3.12
99
расхождение лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях. При использовании в качестве источника питания электрической
батарейки «Крона» в зимних условиях максимальная частота измере-
ний изменялась по мере разряда с 0,2 Гц до 0,02 Гц.
В окуляр трубки холодного прицеливания (ТХП) встроен жид-
кокристаллический дисплей, который отображает разметку, необхо-
димую для точного наведения дальномера LRM 2500 на цель, инди-
катор режима работы и результата измерений (дистанция, м).
Отметим, что в одном из режимов работы LRM 2500 на нижней
части наблюдаемого изображения на месте числового значения ди-
станции последовательно высвечиваются значение азимута (угол
между линией визирования и направлением на Север), а также угол
наклона линии визирования относительно горизонтальной плоскости.
Дальномер излучает пачку импульсов длительностью примерно
0,5 с. Длительность каждого импульса равна примерно 1 мкс, период сле-
дования - примерно 4 мс. Амплитуда импульсов в пачке меняется от ми-
нимального значения (принимаемого за 1) приблизительно до 4,16 и 64.
Для наблюдения формы импульсов использовался осциллограф
«Tectronix tds 3034b».
Пример осциллограммы части пачки излучаемых импульсов
приведен на рис. 3.13 а. Для измерения формы зондирующего им-
пульса использовался фотодиод BL-L512PD, имеющий фронт нарас-
тания не более 5 нс (рис. 3.13 б). В этом случае приемник выводится
из насыщения поглощающим фильтром.
Таблица 3.1
Параметры	LRFMOD2	LRM 2500	Параметры, подтвержден- ные при экс- плуатации
лина волны излучения X, нм	905	905	905
гловое расхождение 0, мрад	2,5	2,5	« 1,5x2,5
Диапазон измерения D, м	16-2 500	16-2 500	20-1 800
Точность измерения D, м	1	1	1,5
Частота измерений Г, Гц	0,5	0,5	0,20-0,02
Габариты, мм	92x86x48	129x122x60	-
Масса, г	170	420	-
100
Отметим, крутой передний фронт зондирующих импульсов поз-
воляет фиксировать его положение и положение отраженного от
плоской поверхности сигнала во времени с точностью не хуже 10 нс.
а
101
Рис. 3.14
ектов-целей приняты пластины
Это является одним из важных
факторов обеспечения точности
измерения дистанции.
Другим фактором обеспече-
ния точности измерения дистан-
ции до неподвижной цели явля-
ется многократное (от 20 до 80
раз) измерение времени задержки
отраженного сигнала, что суще-
ственно снижает случайную со-
ставляющую ошибки измерения
дистанции.
В качестве основного объ-
екта-цели использовался отече-
ственный БПЛА «Элерон»
(рис. 3.14). Площадь фронтальной
проекции отражающей поверхно-
сти БПЛА в положениях: вид
сверху, вид сбоку, вид спереди, со-
ответственно 0,50; 0,20; 0,05 м2.
В качестве имитаторов объ-
строительного пенопласта марки
Ml5, площадь которых соответствует площади фронтальной проек-
ции цели. Отражение от таких имитаторов близко к диффузному.
Размеры мишеней по площади соответствуют БПЛА.
Для натурных испытаний в качестве полигона выбран район по-
селка Агалатово - заказник в истоках реки Охта, расположенный
в 16 км от Санкт-Петербурга.
Схема подвеса воздушной мишени приведена на рис. 3.15 а, где
показано штриховкой расположение пятна засветки лазерного излу-
чения при идеальном наведении его на центр мишени, пунктиром -
зона, где не должно быть посторонних предметов и объектов (кустов,
веток, опор и пр.).
Предварительно в качестве мишени использовался кожух уличного
фонаря на бетонном столбе, стоящем на холме. Визуально оконечность
столба с фонарем наблюдается на фоне неба с дистанции до 1 км.
Если максимальное измеряемое расстояние £>Мах= 1 км, то вы-
сота подвеса мишени обеспечивалась более 2,5 м, а расстояние между
опорами более 5 м.
102
Бетонный столб с фонарной коробкой в дальнейшем был принят
за ориентир. Он служил одной опорой для вывешивания мишени воз-
душной цели. Второй опорой для подвески объекта-мишени с правой
стороны фонарного столба служила береза. Мешающие кусты и ветви
деревьев вырублены. БПЛА ориентируется относительно линии визи-
рования с помощью веревочных тяг в пределах углов поворота вокруг
горизонтальной оси ± 180° и вокруг вертикальной оси ± 90°
(рис. 3.15 б).
а
б
Рис. 3.15
103
3.2.2.	Основные соотношения для оценки дальности
обнаружения и отражательных свойств целей и их имитаторов
Введем обозначения: Рпер - измеряемая в Вт импульсная мощ-
ность лазерного излучения; бу и - измеряемые в радианах углы рас-
хождения лазерного луча на выходе лазерного локатора (ЛЛ) в горизон-
тальной и вертикальной плоскостях; |1 - показатель затухания лазер-
ного излучения в атмосфере, измеряемый в 1/км. Тогдарц - измеряемая
в Вт/м2 плотность мощности лазерного излучения в районе цели, нахо-
дящейся на расстоянии D от ЛЛ, определится выражением
рц = Рпере-^/еФебГ>2.	(3.19)
Мощность Ротр лазерного излучения, отраженного от цели,
Ротр—Рц 5Ц копр ,	(3.20)
где 5Ц - площадь проекции цели на плоскость, перпендикулярную ли-
нии визирования, котр - коэффициент отражения лазерного излучения.
Принимая цель за изотропный отражатель (равномерно отража-
ющий во все направления) площадью 5Эф с коэффициентом отражения
&отр = 1, получим
Ротр = Рц 5эф .
При этом мощность рпр на входе приемной системы ЛК
п ?О	-2р D _ ^пер ^эф -2ц D	(3.21)
Рпр 4л D2 4лЛ40Д ’
где 5а - площадь приемной антенны (апертура приемной оптической
системы).
Если на выходе приемной системы минимальная мощность, при-
нимаемая за отраженный сигнал, то РОбн = Рш р, где Рш - приведенная
к входу системы мощность шума в полосе пропускания приемника,
р - коэффициент запаса, определяемый по критерию Неймана-Пир-
сона, то максимальная дальность обнаружения £>обн цели определя-
ется уравнением:
2ц
^обн с
^пер *^А *^эф
4 Я Pq6h ® у® О
(3.22)
где ц, м 1 - показатель затухания излучения в атмосфере; 5Эф, м2 - эф-
фективная отражающая поверхность, РПер5А/4лРОбн 0у0я=м2 - по-
тенциал локатора.
104
Для определения значения 5эф необходимо знать потенциал ло-
катора X, экспериментально найти максимальную дистанцию, на ко-
торой происходит обнаружение цели, и величину показателя затуха-
ния излучения в атмосфере Ц.
3.2.3.	Оценка затухания лазерного излучения в атмосфере
Значение показателя затухания ц определяется путем измерений
с известным относительным изменением потенциала станции X.
В настоящей работе уменьшение потенциала локатора X осуществля-
лось путем уменьшения площади апертуры приемной и (или) переда-
ющей оптической системы. Минимальное количество измерений - 2
при постоянстве других параметров. Например,
=Х^,	=Х^, ХУ=ХО1К^ Я01=4;
и (или) £>^2mD2 =X2S*, Х2 =Х0/К02, К02 =1$	(323)
где Dq - максимальная дистанция обнаружения объекта-цели с пол-
ностью открытой апертурой 5а излучателя и приемника, Di - макси-
мальная дистанция обнаружения объекта-цели с полузакрытой апер-
турой Sa/2 излучателя и приемника, D2 - максимальная дистанция
обнаружения объекта-цели с апертурой 5а/4 излучателя и прием-
ника, закрытой на 3Л, A7oi и Х02 - коэффициенты уменьшения потен-
циала локатора.
Для трех измерений получим три уравнения с тремя неизвест-
ными ц, Х9 5Эф, однако две величины X и 5эф являются связанными,
поэтому подобные опыты дают возможность определить только зна-
чение показателя затухания. Из уравнений (3.23) найдем отношение
D*e2jiD0 / Dj4e2MD1 = А701, преобразуя которое получим
pi = [ InAToi - 4 (InDo - InDi) ] / 2 (Do- Di),	(3.24)
или
p2 = [ 1ПЛГ02- 4(lnDo - lnD2)J / 2(Do -D2).	(3.25)
Изменение площади апертуры приемной и (или) передающей
оптики возможно с использованием экранирующих и поглощающих
масок.
Пробные измерения проводились при локации каркаса фонаря
на столбе, который наблюдается под одним ракурсом на различных
дистанциях. Преимуществом такой мишени является ее жесткость,
независимость отражательных свойств от ветровых порывов.
105
Для открытого объектива получаем одно значение Do, соответ-
ствующее максимальной дистанции, на которой удалось ее измерить
дальномером.
Для определения дальности Di и D2 использовалось среднее из
четырех значений измерений с масками, уменьшающими апертуру
приемной и передающей оптики в 2 и 4 раза.
Подставляя полученные значения Do, Di hDi в формулы (3.24)
и (3.25), получаем значение показателя затухания из (3.24) jii и из
(3.25) И2.
За истинное значение принимаем среднее значение
м = (и + М2) / 2.
Отметим, что разброс измеряемых значений Di nDi относи-
тельно средних значений достигает 15 %, а значений gi и Ц2 относи-
тельно ц до 50 %.
Параметры лазерного излучателя определены техническими
данными дальномера LRM 2500:
-	угловая расходимость лазерного луча 0v = Отз = 2,0 мрад;
-	диаметр апертуры приемной оптической системы d = 35 мм,
соответственно площадь апертуры приемной оптической системы
5а = 9,62-10-4 м2.
Обнаружительная способность приемника лазерного локатора
определяется пороговой пиковой мощностью в спектральном диапа-
зоне 900-1 060 нм для спектральной линии шириной 10 нм. Это зна-
чение определено для сигналов длительностью 100 нс и обеспечива-
ется кремниевыми p-i-n диодами.
Для импульсных сигналов длительностью 1 мкс (дальномер LRM 2500)
принимаем чувствительность равной 0,1 мкВт и РОбн = Ю-7 Вт.
Максимальная мощность Ри одного импульса дальномера
LRM 2500 составляет
Ри = 67рп= 180,250,7 = 3,15 Вт,
где U - напряжение питания лазерного диода 18 В; I- ток потребле-
ния 0,25 А (указан в техническом описании LRM 2500); рп - коэффи-
циент преобразования электрической энергии в оптическое излуче-
ние, равный 0,6-0,8.
Решение об обнаружении сигнала принимается по результатам
наблюдения пачки импульсов с максимальной импульсной мощно-
стью пт = 20 или всей пачки ие= 80. Среднее значение мощности им-
пульса Риер в пачке пъ составляет 1,0 Вт.
В этом случае импульсная мощность передатчика Рпер находится
в пределах
Рпер ЛщРи 63 Вт ИЛИ Рпер МхРиср 80 Вт.
106
Эффективную поверхность рассеяния 5Эф, с учетом формулы
(3.22) найдем из следующего соотношения:
4 л Р A A D4 г2цОобн
с _ ™ обн^у^тЗ^обн^
дэф-	р s
пер^А
Для фонаря на столбе 5Эф равна 10,3 м2; для имитатора из пено-
пласта - 3,57 м2 (с площадью пенопласта S = 0,2 м2); для БПЛА «Эле-
рон» - 0,31-И 3,86 м2.
Сравнительную экспериментальную оценку отражательных
свойств объекта-цели также проводят с помощью эталонных образ-
цов - пластин известной площади 5ц и с известным интегральным ко-
эффициентом отражения ~ 0,9, развернутых на известный угол а
по отношению к линии визирования. В этом случае уравнение макси-
мальной дальности обнаружения цели имеет вид
£/»	_^пеД^отрСО!?а
Отражательные свойства цели 5q£oipcosa и ее индикатриса рас-
сеяния (отражения) Остр в этом случае определяются следующим со-
отношением
5 к cosa - ^отр^>обн^'и^е^>обне	(3.26)
д Ц“огр cos a -	~ ~
пер А
Для эталонных образцов размер площади 5ц и величина угла a
известны. Если мишень - пластина пенопласта - ориентируется плос-
костью перпендикулярно линии визирования, cosa «1.
Оценку коэффициента отражения пластины определим из соот-
ношения
0 Р A A D4 22gZ)o6«
1	_ ^от/обн^у^а^обн^	27)
%тр -	р С С	*	\ -
~пер^А*\
Например, при ц = 0,001 м-1; a = 0; 5ц = 0,2 м2; 5а = 9,62-10^ м2;
0у0тз= 6,25 -10-6, максимальная дистанция, на которой удалось обнару-
жить мишень и измерить дистанцию до нее, D = 361 м; Рпер = 80 Вт;
Лбн = 107 Вт; 0Отр= 1 страд; £Отр= 0,9 222.
Знание величины интегрального коэффициента отражения к^
позволяет определить в соответствии с соотношением (3.27) значение
аппроксимированной характеристики отражения.
Значения интегральных коэффициентов отражения некоторых
поверхностей приведены в [33]. Эти данные необходимы для опреде-
ления контраста объекта-цели на фоне подстилающей поверхности.
107
Значения максимальных дистанций обнаружения, полученных
в одинаковых погодных условиях, показывают большой разброс по-
грешности в определении показателя затухания ц, вычисляемого по
формуле (3.26). Основные результаты измерений представлены
в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Тип мишени	Макс, дистан- ция, Do6h , М	Показатель затухания, ц, 1/м	Эффект, по- верхность рассеяния, 5эф, м2	Имита- тор, пе- но- пласт, 5иц, м2	Условия измерений
Фонарь	357	0,001 5	4,48	0,320	Март, день, солнце
Фонарь (Sa/2)	265				
Фонарь (Sa/4)	135				
Имитатор (пенопласт)	361	0,001 0	3,57	0,200	Апрель, день, солнце
БПЛА, 1>0°	211	0,002 0	0,31	0,027	Май, день, солнце
БПЛА, 0—45 °	315	0,000 7	1,89	0,170	
БПЛА, 0—90 °	435	0,001 2	8,72	0,770	
БПЛА, О-+90 °	478	0,001 2	13,86	1,230	
3.2.4.	Оценка возможной дальности обнаружения различных
типов БПЛА
Используя экспериментальные данные, полученные для БПЛА
«Элерон», можно оценить дальность обнаружения дальномером
LRM 2500 других типов БПЛА, таких как «Орлан 10» и «Гермес 450»,
отличающихся от БПЛА «Элерон» большими размерами, но схожих
по конфигурации.
Примем гипотезу: для всех БПЛА при одинаковых ракурсах
наблюдения ЭПР пропорциональна площади фронтальной проекции
БПЛА. Такое допущение позволяет оценить дальность обнаружения
дальномером LRM 2500 БПЛА «Орлан 10» и «Гермес 450», основы-
ваясь на экспериментальных измерениях дальности обнаружения
БПЛА «Элерон».
Зависимости дистанции обнаружения БПЛА, полученные реше-
нием уравнения (3.26) с техническими характеристиками дальномера
LRM 2500, от типа летательного аппарата (величины ЭПР) и затуха-
ния лазерного излучения в атмосфере ц, приведены на рис. 3.16.
Аналогичные зависимости дистанции обнаружения БПЛА
можно определить для лазерных локаторов с другими техническими
параметрами, определяющими потенциал локатораХ
108
Проведенные экспериментальные исследования позволяют сде-
лать следующие основные выводы.
1.	Максимальная измеренная лазерным дальномером дистанция
принимается за дистанцию обнаружения объекта. Условия полигона в
районе поселка Агалатово позволяют проводить измерения дистанции
обнаружения малоразмерных объектов-мишеней на фоне неба до 1 км.
2.	Изложенная методика экспериментальных исследований поз-
воляет оценить эффективную отражательную способность объектов-
мишеней и затухание лазерного излучения в атмосфере.
3.	Эффективная отражающая поверхность БПЛА «Элерон» в за-
висимости от ракурса наблюдения составляет от 0,3 до 14,0 м2.
4.	Отражательная способность БПЛА соответствует отражатель-
ной способности распложенной перпендикулярно к линии визирования
пластины площадью 0,027-1,200 м2 из пенопласта марки Ml5.
5.	С энергетическими и оптическими параметрами дальномера
LRM 2500 обеспечивается дальность обнаружения макета БПЛА «Эле-
рон» в хороших погодных условиях (при метеорологической дальности
видимости 7-10 км) и в дневное время на дистанции 210-480 м.
6.	Увеличение мощности одиночных импульсов от 3,15 до 250 Вт
при сохранении оптических параметров дальномера LRM 2500 позво-
лит увеличить дальность обнаружения БПЛА «Элерон» ориентиро-
вочно в 2,5 раза, то есть обеспечить минимальную дистанцию обнару-
жения порядка 500 м, а максимальную 1,2 км.
0,1 0,18 0,32 0,56 1,0 1,78 3,16 5,62 10 17,8 31,6 56,2 100
Эффективная поверхность рассеяния, м2
Рис. 3.16
109
3.3.	ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
И РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ, НАБЛЮДАЕМЫХ
ТЕЛЕВИЗИОННЫМ КАНАЛОМ
Телевизионная камера, как основной элемент телевизионного ка-
нала (ТВК), используется в бортовой аппаратуре БПЛА для монито-
ринга поверхности Земли и распознавания наблюдаемых объектов, а
также для обеспечения посадки БПЛА на судно-носитель [1-3,14].
Одним из основных параметров ТВК, определяющих качество
мониторинга и управления посадкой БПЛА, является точность опре-
деления угловых координат и линейных размеров наблюдаемых объ-
ектов. Целью проведенных экспериментальных исследований явля-
лась качественная и количественная оценка этих параметров.
Спектральный анализ тестовых видеоизображений проводился с
целью определения рекомендаций по использованию фильтров для
увеличения контрастности наблюдаемых объектов и по использова-
нию характерных особенностей наблюдаемых объектов для увеличе-
ния точности определения их угловых координат.
Для экспериментальных исследований использовалось ви-
деоконтрольное устройство WCM-101 (Rugged Mini PTZ Camera), ос-
новные технические параметры которого следующие: Тип матрицы:
1/4” Super HAD CCD. Видеовыход: CVBS. Полное разрешение
Ш х В = 811 х 508. Эффективное разрешение Ш х В = 768 х 494. Раз-
решение по горизонтали (цветное изображение) 520 ТВ-строк; разре-
шение по горизонтали (ч/б изображение) 570 ТВ-строк. Оптическая
кратность объектива 10 раз. Поле зрения по горизонтали 51,20-5,58 °,
поле зрения по вертикали 39,30-4,27 °. Отношение «сигнал/шум»
50 дБ. Минимальная освещенность в цветном режиме 0,7/F2,8 лк.
Монитор позволяет направлять телевизионную камеру на объ-
ект с помощью набора соответствующих кодов команд на клавиатуре,
управляя поворотом в горизонтальной и вертикальной плоскостях,
и изменять фокусное расстояние объектива, управляя углом зрения
телевизионной камеры.
Схема стенда для экспериментальных исследований показана на
рис. 3.17, где приняты следующие обозначения:
L - расстояние от телевизионной камеры до экрана;
аэ, в3 - линейные размеры наблюдаемого экрана в горизонталь-
ной (ось z) и вертикальной (ось у) плоскостях, соответствующие
числу I х J элементов разрешения ТВК;
0у, 0я- угловые размеры наблюдаемого экрана в горизонтальной
(ось z) и вертикальной (ось у) плоскостях;
НО
аМ9 вм - линейные размеры исследуемого фрагмента изобра-
жения;
2т,ут - координаты исследуемого элемента изображения в гори-
зонтальной (осьх) и вертикальной (ось у) плоскостях.
В качестве имитатора светового маяка посадочного устройства
БПЛА использовался светодиод GNL-5012, установленный в центре
черного картонного щита размером 565 х 495 мм. Диаметр светового
окна светодиода 5 мм. Мощность излучения светодиода равна при-
мерно 0,1 Вт.
Рис. 3.17
111
В качестве контрастных фрагментов фоно-целевой обстановки
(ФЦО) использовались черные фигуры на белом листе бумаги фор-
мата А4, показанные на рис. 3.18. Далее будем называть этот белый
лист с черными фигурами «макет ФЦО».
В качестве эталонных элементов на макете ФЦО использова-
лись:
-	четыре черных квадрата Кв1-Кв4 с размерами сторон 0,5; 2,0;
5,0 и 10,0 мм соответственно;
-	два ряда по семь вертикальных линий толщиной 0,50; 1,00;
1,50; 2,25; 3,00; 4,50; 6,00 мм соответственно;
-	две полосы из 24 участков одинакового размера с равномерным
увеличением (уменьшением) яркости от 0 до максимума;
-	геометрические фигуры (круги, треугольники, полый квадрат
и крест) известных размеров и с известной толщиной линий.
Видеоматериал, используемый для исследований, представляет
собой набор телевизионных кадров в виде графических файлов в фор-
мате BMP объемом 1,26 Мб. Каждый телевизионный кадр имеет раз-
мерность 768 элементов по строке, 576 элементов по каждому столбцу
и 3 цвета R, G и В (красный, зеленый и голубой) с 256 градациями ин-
тенсивности каждого цвета.
Рис. 3.18
112
Для измерения отношения сигнал/фон на изображении исследуе-
мого объекта выделяется строка и (или) столбец кадра, проходящие через
центр или другую характерную точку объекта, и выводится графическая
зависимость интенсивности сигнала в каждом цвете.
Для определения отношения сигнал/фон на изображении светоди-
ода вырезается из кадра размером 576 х 768 (рис. 3.19 а) фрагмент чер-
ного щита с изображением светодиода, например, размером по оси z
[300:450] и по оси у [170:330], как показано на рис. 3.19 6.
Точные координаты центра исследуемого элемента изображения
zj= 373 иут= 249 находятся путем изменения масштаба изображения
кадра рис. 3.19 а или рис. 3.19 б в среде MatLab с помощью оператора
A=imread() и графического вывода figure image(A) с сеткой grid on.
Размерность кадра [578 768 3]
100 ЗОН 500	700 z
а
Рис. 3.19
113
Программа анализа отношения сигнал/фон (сигнала от светоди-
ода и сигнала от фона - черного щита) выводит зависимости интенсив-
ности составляющих цветов R, G и В на строке ут и столбце zt изобра-
жения кадра.
Пример зависимости интенсивности принимаемого сигнала по
строкеу = 249 приведен на рис. 3.19 в, а по столбцу z = 373 - на рис. 3.19 г.
Максимальное значение сигнала от светодиода достигает 250-
256 единиц, а среднее значение фона 48-85 единиц для каждой из со-
ставляющих R, G и В.
Сравнивая зависимости интенсивности принимаемого сигнала
(рис. 3.19 в ирис. 3.19 г) получим, что отношение сигнал/фон для
красного цвета наилучшее и примерно равно 5, а для голубого цвета
- только 3. Для зеленого цвета отношение сигнал/фон примерно
равно 4. Распределения интенсивности принимаемого сигнала по
строке и столбцу имеют близкий характер.
Для измерения угловых размеров исследуемого объекта выделя-
ется строка и столбец кадра, проходящие через центр объекта, и вы-
водится графическая зависимость интенсивности (амплитуды) сиг-
нала в цвете, например R, где достигается наилучший контраст объ-
екта относительно фона.
Программа измерения угловых размеров малоразмерных объек-
тов выводит зависимости интенсивности составляющих выбранного
цвета R на строке ут и столбце zt изображения кадра рис. 3.19 6. Зави-
симости интенсивности принимаемого сигнала по строке у = 249 при-
ведены на рис. 3.20 а, а по столбцу z = 373 - на рис. 3.20 б.
По выведенным графическим зависимостям изменения ампли-
туды сигнала по строке и столбцу определяется угловой размер
наблюдаемого светодиода Ду = 12 pix и Az = 13 pix на уровне среднего
значения амплитуды сигнала.
114
По известным размерам эталонного объекта (черного щита)
определим коэффициент соответствия 1 pix линейным размерам в го-
ризонтальной и вертикальной плоскостях. Размеры щита в кадре со-
ответствуют (555 ± 4) pix по оси z и (420 ± 4) pix по оси у.
Введем величину к - коэффициент пропорциональности между
реальным линейным или угловым размером элемента разрешения
экрана, измеряемом в мм или рад, и размером этого же элемента в
пикселях (далее - pix).
Для кадра (L = 11,5 м) на рис. 3.17 а линейные коэффициенты
пропорциональности в горизонтальной и вертикальной плоскостях
будут равны кг = 565 / 555 = 1,018 мм/pix и £у = 495/420 = 1,1786
мм/pix соответсвенно.
Аналогично угловые коэффициенты пропорциональности:
^=(565 /11,7) / 555 = 0,0870 Mpajj/pixnfo=(495 /11,7)/420 =0,1007 мрад/pix.
Истинный размер светового окна светодиода в вертикальной Дуи
и горизонтальной AzH плоскостях составляет 5 мм. Наблюдаемый раз-
мер светового пятна составляет Дуи = Ду ку = 14,14 мм в вертикальной
и Дги = &zkz= 13,2 мм в горизонтальной плоскостях. Очевидно, что по-
грешность измерения угловых и линейных размеров светового маяка
превышает 100 % в сторону превышения истинных размеров.
Можно предположить, что увеличение размеров наблюдаемого
маяка происходит не только из-за погрешностей оптической расфоку-
сировки изображения, а и из-за рассеяния свечения светодиода воз-
душной средой.
В качестве другого малоразмерного объекта рассмотрим раз-
меры черных квадратов Кв1 и Кв2, рис. 3.18.
Макет ФЦО расположен на расстоянии L = 0,47 м от объектива
телекамеры. Истинные размеры макета ФЦО 297 х 210 мм, а на телеви-
зионном кадре его размер равен 600 х 375 pix. Размер экрана (площадь
полноэкранной позиции, обозначенная точками на рис. 3.1)
ZxJ=724x487,5 pix = 358,4 х 273 мм. Линейное разрешение: по
строке kz = 297/600 = 0,50 мм/pix; по столбцу ку= 210/370 = 0,57 мм/pix.
Угловое поле зрения ТВК в этом случае:
0v= 2 arctg (0,5 • 348 / 470) = 0,7091 рад = 40,6304°;
0о= 2 arctg (0,5 • 273 / 470) = 0,5653 рад =32,3893°.
Разрешение ТВК: A0V= 0,7091 / 724 = 0,00098 рад/pix;
Д0о= 0,5653/487,5 = 0,0012 рад/pix.
Увеличенный фрагмент кадра изображения объекта Кв1 приве-
ден на рис. 3.21 а9 а фрагмент Кв2 - на рис. 3.21 б.
115
Размерность кадра [576 768 3]
668 670 672 674 676 678 i(z)
Размерность кадра [576 768 3]
140 142 144 146 148 i(z)
Интенсив-	Интенсив-
Рис. 3.21
116
Объект Кв1 находится на строке J ~ 399 и на столбце i = 145, а
центр Кв2 находится на строке J = 400 и столбце i = 674. Распределе-
ние интенсивности сигнала по строкам, проходящим через центры
квадратов Кв1 и Кв2, приведены на рис. 3.21 в и рис. 3.21 г.
Для сравнения на рис. 3.21 д и рис. 3.21 е приведены распреде-
ления интенсивности сигнала по строке через центры квадратов Кв1
иКв2 идеального изображения непосредственно на шаблоне ФЦО
(выборка 20 элементов разрешения i(z) симметрично относительно
центров Кв1 и Кв2). Здесь не наблюдаются отличия в интенсивности
цветов R, G и В, контраст объекта и фона максимальный и изменяется
скачком на соседних элементах разрешения (белый фон - интенсив-
ность 256 для R, G и В, и черный объект - интенсивность близка
к нулю для R, G и В).
Сравнивая представленные зависимости, видим, что превыше-
ние (контраст) сигнала относительно фона при реальной плохой осве-
щенности шаблона ФЦО снижается с 256 у идеального изображения
объекта до 15 единиц у Кв1 и 110 единиц у Кв2. У объектов разного
размера при ухудшении общей освещенности их контраст относи-
тельно одного фона снижается в разной степени. У объекта большего
размера он снижается менее значительно.
Чем меньше контрастность наблюдаемого объекта из-за плохой
освещенности и малого его геометрического размера, тем сильнее ска-
зываются спектральные различия в величине контраста (превышения
над фоном). Так для Кв1 наименьший контраст в голубом цвете, всего
10 единиц, а для красного и зеленого - 15 единиц.
Линейный размер Кв 1 на экране занимает 1 элемент разрешения,
выделенный белым пунктирным контуром на рис. 3.21 а, с координа-
тами i (z) = 674 pix и i (у) = 400 pix.
Измеренный линейный размер Кв1 по оси z составляет
1 • kz = 0,50 мм, а по оси у соответственно 1 ку = 0,57 мм, то есть в этом
случае измеренный размер близок к истинному с точностью одного
элемента разрешения.
Если измерять линейный размер Кв1 по величине контраста,
близкого к уровню интенсивности фона, как показано на рис. 3.21 а
большим пунктирным прямоугольником, то размер объекта превысит
истинный размер в 3 и более раз.
Линейный размер Кв2 на экране занимает 2 элемента разреше-
ния, выделен белым пунктирным контуром на рис. 3.21 б, с координа-
тами i (z) = 388,5 pix и i (у) = 145,5 pix.
Измеренный линейный размер Кв2 по оси z составляет 2Zcz= 1 мм,
а по оси у соответственно 2ку = 1,1 мм, то есть в этом случае измерен-
ный размер в два раза меньше истинного размера Кв2.
117
Если измерять линейный размер Кв2 по величине контраста,
близкого к уровню интенсивности фона, как показано на рис. 3.21 б
большим пунктирным прямоугольником, то размер объекта превысит
истинный размер в 1,5 раза (по оси z он составляет 6 kz= 3,0 мм, а по
оси у соответственно 6 ку= 3,4 мм).
Ближе к истинному размеру оказывается размер пятна на уровне
половины от максимальной величины, как показано на рис. 3.21 г.
На примере верхнего левого угла черного щита кадра рис. 3.19 а
в укрупненном масштабе, показанном на рис. 3.22 а, определим «раз-
мывание» линий границы щита.
Определим распределение интенсивности сигнала ТВК на
столбце i(z) = 78 (рис. 3.22 б) изображения черного щита.
График рис. 3.22 б показывает, что контраст черного щита на
фоне стены составляет примерно 100 элементов разрешения интен-
сивности сигнала. При этом наибольший контраст наблюдается в го-
лубом цвете, а наименьший в зеленом. Основное влияние на величину
контраста оказывает спектр излучения (отражения) черного щита.
Реальная граница черного щита не превосходит 1 элемента раз-
решения (~ 1 pix ~ 1 мм), а наблюдаемая граница яркости изображения
изменяется приблизительно линейно на протяжении 5 элементов раз-
решения (~ 5 pix ~ 5 мм).
Если принять «размыв» границы щита и фона симметричным, то
положение границы щита (zr, zg, zb, Jr, Jg, Jb) определяется по ампли-
туде сигнала, соответствующей среднему между средним значением
сигнала от щита и средним значением сигнала от фона (стены).
Разница в измерении координат края щита в цветах R, G и В со-
ставляет приблизительно 1 pix, или около 1 мм, и соответствует ре-
альному допуску на точность изготовления щита.
Отметим, что гипотеза симметричного или другого более слож-
ного закона размывания интенсивности (амплитуды) сигнала на гра-
нице разделения областей разного цвета нуждается в проверке и по-
становке более точного эксперимента.
В качестве примера определим погрешность измерения расстоя-
ния I от светодиодного маяка до левого верхнего угла черного щита,
которые примем за две характерные точки. Светодиод закреплен
в центре щита размером 565 х 495 мм с погрешностью ± 0,5 мм. В со-
ответствии с проведенным ранее анализом кадра рис. 3.19 а коорди-
наты левого верхнего угла щита z\ = 78 pix hji = 60 pix, а координаты
центра светодиода Z2 = 374 pix и уг = 249 pix.
118
С учетом определенного ранее линейного разрешения измерен-
ное расстояние /, мм:
/2 = [fc (z2- z,)]2 + [Ш-Л)]2; I = 374,7 мм.
Высокая точность измерения достигается за счет того, что цена
каждого пикселя кадра определена по известным размерам щита.
Сдвинем щит со светодиодом вправо и вниз. Погрешность измерения
в этом случае больше, чем при измерениях предыдущего кадра.
Рис. 3.22
119
Увеличение погрешности измерения связано с большим размы-
тием изображения угла щита и оптическими искажениями на перифе-
рийной зоне поля зрения ТВК.
Для оценки плавного изменения контраста изображения на ма-
кете ФЦО (рис. 3.18) проанализируем изображения полосы из 24
участков одинакового размера с равномерным увеличением (умень-
шением) яркости от 0 до максимума (256 единиц).
Интенсив- Размерность кадра [675 930 3],у(у) = 100
б
Рис. 3.23
120
Непосредственный анализ макета ФЦО, размерностью [/ = 1 : 675,
i = 1:930, RGB], приведен на рис. 3.23 а для верхней полосы (/ = 100), где
наблюдается равномерное снижение интенсивности от одной полосы к
другой и постоянство значения интенсивности в пределах одной полосы.
Аналогичный характер повышения интенсивности наблюдается для
нижней полосы (/ = 550) на рис. 3.23 б.
Отметим, что непосредственно на эталоне излучение (отраже-
ние) всех цветов RGB одинаково, поэтому изменение интенсивности
(амплитуды) сигнала для всех составляющих цветов отображается
одинаково - одной ступенчатой зависимостью, в соответствии с за-
данным эталоном значением.
Необходимо отметить, что размер телевизионного кадра
[576 768 3] не соответствует цифровому размеру эталона [675 930 3]
по числу строк и столбцов. Кроме этого освещенность кадра неравно-
мерная и контрастность пониженная.
Результаты анализа изменения амплитуды сигнала верхней
и нижней полосы представлены на рис. 3.24. Из графиков видно, что:
-	диапазон изменения амплитуды сигнала (контрастности) сни-
зился с 256 у эталона до 100 в верхней полосе и до 80 в нижней по-
лосе, то есть диапазон контрастности снизился в 2,5-3,0 раза;
-	амплитуды сигналов различных цветов (R, G и В) не совпа-
дают, как это наблюдается у эталона;
-	изменение среднего значения амплитуды сигнала имеет при-
мерно линейный характер, соответствующий эталонному объекту;
-	флуктуации сигнала по координате по строке относительно
средних значений велики и достигают 20-30 элементов разрешения
в отличие 1-2 у макета ФЦО.
По сравнению с макетом ФЦО число градаций уровней яркости,
принадлежащих определенной полосе по оси z, снизилось с 24 до 4-5.
Отметим основные результаты исследований, имеющие практи-
ческое значение:
1.	Ошибки измерения угловых размеров наблюдаемых объектов
в большинстве случаев превосходят угловое разрешение телевизион-
ного канала в 2-3 раза. Они зависят от контрастности изображения
объекта на окружающем фоне, освещенности объекта и фона, и раз-
меров объекта.
2.	Выбирая оптимальный спектральный диапазон и оптималь-
ный уровень превышения интенсивности сигнала уровня фона, можно
снизить ошибку измерения размеров объекта до одного элемента уг-
лового разрешения телевизионного канала.
121
Интенсив- Размерность кадра [576 768 3],j(у) = 450
Рис. 3.24
122
3.	Угловое и линейное расстояния между малоразмерными
контрастными объектами типа световых маяков точнее всего опре-
деляются как расстояние между центрами тяжести контрастных пя-
тен маяков.
4.	Угловой и линейный размеры изображения маяка в 3-5 раз
превышают его истинные размеры, что существенно ограничивает
минимальное расстояние между маяками для определения их угловых
координат и дистанции до них.
Наименьшие ошибки определения углового и линейного рассто-
яний между контрастными границами крупноразмерных контрастных
областей ФЦО достигаются при измерении расстояния на телевизи-
онном изображении примерно посередине размытого пятна каждой
границы.
Проведенные экспериментальные исследования носят скорее ка-
чественный инженерный характер.
Для оценки качества измерений угловых координат и линейных
расстояний между контрастными объектами (световыми маяками, ха-
рактерными точками наблюдаемых объектов) ТВК необходимо
учесть «смаз» изображения, обусловленный относительной скоро-
стью движения носителя ТВК и наблюдаемого объекта.
Современные модели ФЦО разрабатываются в трехмерном
изображении. Для исследования таких моделей необходимо иметь
возможность создания «3D» изображений и анализа их, аналогично
плоским изображениям, как это делалось в [34-37].
123
ГЛАВА 4. ПОСАДКА БЕСПИЛОТНОГО
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА СУДНО ПРИ
КАЧКЕ
4.1.	СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОСАДОЧНОГО УСТРОЙСТВА
ПРИ КАЧКЕ
При качке судна происходит колебательное смещение захватного
устройства. Его пространственная стабилизация осуществляется двумя
следящими приводами с помощью поворота выносных балок относи-
тельно стойки и поворота стойки относительно палубы судна. В элек-
тромеханическом устройстве следящие приводы предназначены для
стабилизации посадочного устройства (точнее точки прицеливания на
посадочном устройстве) и телевизионной камеры в линейных коорди-
натах Y и Z вертикальной плоскости.
Кинематика работы следящих приводов для стабилизации поло-
жения точки прицеливания (ТП) и телевизионной камеры поясняется
на рис. 4.1, где жирными черными линиями показано положение
балки и стойки при отсутствии качки судна, жирными красными ли-
ниями - положение балки и стойки при крене судна на угол у, серым
прямоугольником - положение палубы судна.
Введем следующие обозначения:
- расстояние от ТП до шарнира Шг (оси поворота балки отно-
сительно стойки);
Т?2 - расстояние от шарнира ПЬ до шарнира LUi (оси поворота
стойки относительно палубы судна);
У и Z - вертикальная и горизонтальные оси;
L - расстояние от Uli до оси бортовой качки судна;
уо - угол между диаметральной плоскостью судна и L;
у- угол крена судна;
АУ и AZ - смещение положения Uli по вертикали и горизонтали
при угле крена у,
а - угол смещения положения балки в вертикальной плоскости
при угле крена у относительно положения при отсутствии крена;
Р - угол смещения положения стойки R2 в вертикальной плоско-
сти при угле крена у относительно положения при отсутствии крена;
124
(pi - угол поворота балки 7?i относительно стойки Ri при угле
крена у;
ф2- угол поворота стойки Т?2 относительно палубы судна при угле
крена у.
На рис. 4.1 видно, что крен судна на угол у приведет к необходи-
мости поворота балки относительно стойки на угол ф1 = я/2-Р+ос
(то есть относительно исходного горизонтального положения на угол
ф1 = а + р), а также поворота стойки R2 относительно исходного вер-
тикального положения угол ф2 = у + Р-
Для сохранения пространственной ориентации телевизионной
камеры, соответствующей ее положению без качки, ее необходимо
повернуть на угол фз = - ос.
Величины углов ос и Р определяются из следующих геометриче-
ских соотношений:
AZ = L [sin(yb + у) - sinyo] = R1 (созфо - cosoc) + Ri sinP
ДУ = L [cosyo- cos(yo + у)] = Яi(since - snup0) + R2 (1 - cosP)
Конструктивные параметры L, уь, фо, R\, Ri являются постоянными
величинами, например: А = 5 м, уь=15 °, 7?i = 3 м, Т?2= 1,5 м, фо = 0-И0 °.
Примем положения балки и стойки при отсутствии качки за ну-
левые положения, и положительным направлением поворота будем
считать поворот против часовой стрелки, как показано на рис. 4.1.
125
При качке каждому углу крена у для сохранения неподвижного
положения ТП и оптической оси телевизионной камеры необходимо
поворачивать балку относительно стойки на угол ф1 , стойки относи-
тельно палубы судна на угол ф2, а телевизионную камеру относительно
выносной балки на угол фз. При этом
Ф1 (Y) = a(Y) + P(Y); 4>2(Y)=Y(Y) + ₽(Y); <Рз(т) = - afy). (4.2)
Значения а и Р определяются как решения системы уравнений
Z(sin(yo + у) - sinyo) -i (coscpo - cosa) - TfesinP = 0
Z(cosyo- cos(yo + y)) - 7?i(sina - зтфо) - /?2(l-cosP) = 0
k (43)
Для решения уравнений необходимо вычислительное устрой-
ство, реализующее преобразование значений углов у крена судна
в углы ф1 и фг поворота балки относительно стойки и стойки относи-
тельно палубы судна.
Так как конструктивные параметры L, уо, фо, R\, Ri постоянные
величины, то по этой причине зависимости ф1(у), фг(у) и фз(у) опреде-
ляются однозначно кривыми, примеры которых приведены на
рис. 4.2 а для фо= 0° и рис. 4.2 б для фо= 10°.
Размещение захватного устройства на выносной балке привело
к уменьшению габаритов оборудования судна по сравнению с прото-
типом (устройство с сетью) и повышению безопасности судна при
промахе БПЛА (непопадание карабина в зацепление с захватным
устройством).
Наличие качки судна ограничивает возможности сцепления
БПЛА с захватным устройством конструктивными размерами БПЛА,
выдвигаемого из БПЛА карабина, размерами захватного устройства,
выносной балки и стойки.
В соответствии с обозначениями, принятыми на кинематической
схеме рис. 4.1, ограничения на угол качки находятся из уравнений
Z(siny0 - sin(y0+у к)) - Я1СО8ф0 - (R\ + /?2)cosaK = 0;
Z(cosyo- cos(yo+ ук))+ Ri + 7?isnxpo- (7?i + T?2)sinaK = 0.
На основании результатов моделирования можно утверждать,
что динамические погрешности приведения БПЛА к точке прице-
ливания составляют не более 0,1 м при стационарной атмосфере
и отсутствии качки судна, при наличии бокового ветра ошибки
увеличиваются до 0,15-0,20 м, что и определяет основные кон-
структивные размеры карабина, дуги и поперечных размеров за-
хватного устройства.
126
Качка судна требует увеличения размеров допустимой зоны
зацепления на величины № и ДУ, которые для рассмотренного слу-
чая при у = 15 ° составляют 1,2 м, что конструктивно не реализуемо.
По этой причине известные устройства посадки БПЛА с кран-балкой
ограничены возможностью эксплуатации при качке AZ = ДУ = 0,2 м,
то есть для рассмотренного примера это составляет качку судна
£ = 5 м; = 3 м; Т?2= 1,5 м; фо= 0°; 70= 15°
Угол пово-
рота балки 60
Ф1,°>	40
СТОЙКИ ф2, °
и ТК фз, ° 20
0
-20
40
60
-15 -10	-5	0	5	10 7,
Углы L = 5 м; R\ = 3 м; Rz = 1,5 м; фо= 10°; 70= 15°
поворота:
балки ф1, °
стойки ф,2 ° 40
и ТК фз, ° 20
0
-20
-40
-15 -10	-5	0	5	10 у,
б
Рис. 4.2
127
с максимальной амплитудой всего 2,5 °. Предложенная система обес-
печивает погрешность стабилизации точки прицеливания с точностью
не хуже 0,05 м (даже при погрешности следящих приводов по углу
с точностью до 1 °) и соответственно увеличение необходимой зоны за-
цепления на эту величины даже при угле качки до примерно 15 °.
4.2.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОСАДОЧНОГО
УСТРОЙСТВА ПРИ КАЧКЕ
4.2.1.	Анализ кинематики движения захватного устройства
при бортовой качке
Для обеспечения точного наведения и посадки БПЛА при значи-
тельной качке судна в пункте 4.1 предлагается стабилизировать поло-
жение захватного устройства в вертикальной и боковой плоскостях с
помощью двух или трех следящих приводов [13, 26].
Другим вариантом обеспечения точного приведения БПЛА к за-
хватному устройству является прогнозирование его положения в мо-
мент сцепления с БПЛА. Для случая, когда на судне имеется навига-
ционная система, измеряющая все параметры колебательного и по-
ступательного движений судна, методика определения прогнозируе-
мого положения захватного устройства и особенности формирования
метки ТП на видеомониторе с учетом слепой зоны и разнесения объ-
ектива телекамеры и точки прицеливания БПЛА на захватном устрой-
стве кран-балки рассмотрены в [38, 39].
Учитывая то, что на многих гражданских судах отсутствует точ-
ная навигационная система, определяющая параметры качки судна,
представляет интерес возможность измерения параметров бортовой
качки судна двумя микромеханическими акселерометрами, установ-
ленными на захватном устройстве кран-балки. Как показано в [12],
для упрощения системы посадки и расширения возможности ее внед-
рения необходимо избавиться от использования высокоточной си-
стемы навигации и следящих приводов кран-балки.
При качке судна происходит смещение положения захватного
устройства в вертикальной и боковой плоскостях. Предлагается опре-
делить текущее положение захватного устройства по показаниям двух
акселерометров, что позволит прогнозировать положение точки при-
целивания БПЛА через интервал времени, в течение которого качка
является стационарной.
Схема размещения кран-балки и захватного устройства, содер-
жащего датчики ускорения, в поперечном сечении корпуса судна по-
казана в верхней части рис. 4.3 а. Обозначения координат на рис. 4.3 б
и далее по тексту приняты в соответствии с [23].
128
Кран-балка жестко связана с корпусом судна, ввиду чего поло-
жение захватного устройства в системе координат, связанной с суд-
ном, остается неизменным в процессе захода БПЛА на посадку. По-
скольку захватное устройство можно рассматривать как элемент кор-
пуса судна, то задача прогнозирования его положения в момент за-
хвата БПЛА представляет задачу прогнозирования положения произ-
вольной точки Р корпуса судна в неподвижной в пространстве си-
стеме координат.
Для прогнозирования положения захватного устройства исполь-
зуются показания микромеханических датчиков ускорения, располо-
женных на кран-балке.
Рис. 4.3
129
Качкой судна называют его колебания на свободной поверхности
воды, основной причиной которых является морское волнение. Со-
ставляющие колебательного движения судна называются его степе-
нями свободы. Судно обладает шестью степенями свободы
[23,40,41]. В общем случае качка судна представляет сложный дина-
мический процесс, который можно рассматривать как совокупность
колебаний, отвечающих каждой степени свободы.
Выделяют основные виды качки и дополнительные. Основные
виды качки сопровождаются возникновением сил поддержания и вос-
станавливающих моментов, стремящихся вернуть судно в положение
устойчивого равновесия. К основным видам качки относят:
-	вертикальную - поступательные колебания в вертикальном
направлении, то есть попеременное всплытие и погружение;
-	бортовую - вращательные колебания вокруг продольной оси,
лежащей в диаметральной плоскости судна, то есть попеременный
крен на левый и правый борт;
-	килевую - вращательные колебания вокруг поперечной оси, ле-
жащей в плоскости, параллельной плоскости мидель-шпангоута, то
есть попеременный дифферент судна на нос и корму.
Если кратковременное возмущение выводит эту систему из рав-
новесия, то после его прекращения в ней возникают затухающие ко-
лебания, называемые собственными колебаниями системы.
При анализе поведения судна в условиях волнения оно рассмат-
ривается как динамическая система, входным сигналом для которой
является волновое воздействие, а выходным - параметры качки. Пре-
образование воздействий волн в параметры основных видов качки
описывается уравнениями устойчивой колебательной системы.
Для математического описания бортовых колебательных движений
судна на водной поверхности используются две декартовы системы ко-
ординат. В первой системе координат СЯВД определяются колебания
судна и водной поверхности по отношению к установившемуся поступа-
тельному движению в горизонтальной плоскости.
Плоскость	этой скользящей системы всегда совпадает с не-
возмущенной свободной поверхностью воды, ось направлена вер-
тикально вниз, а ось ориентирована в направлении вектора скоро-
сти прямолинейного движения судна в горизонтальной плоскости.
Вторая система координат Gxyz жестко связана с корпусом судна,
начало этой системы координат находится в центре тяжести судна.
Плоскость Gxz этой системы совпадает с диаметральной плоскостью,
ось Gz направлена вниз, ось Gx направлена к носу, a Gy - на правый
борт (рис. 4.4).
130
Рис. 4.4
В отсутствии качки судна плоскости Gxy и параллельны.
Для определения взаимного расположения этих систем координат
в произвольный момент времени используется система эйлеровых уг-
лов, в которой угол 0 определяет наклонения судна относительно цен-
тральной продольной оси, проходящей через точку G и параллельной
Ох\, угол х - вращение относительно центральной вертикальной оси,
параллельной
Угол ф определяет наклонения относительно линии, образован-
ной пересечением двух плоскостей, проходящих через центр тяжести
судна: одна из них горизонтальна (параллельна О1 ^т|), а другая парал-
лельна плоскости шпангоутов (плоскости Gyz).
Положительными направлениями отсчета углов считаются: для
0 - на правый борт, для ф - на корму, для х - против часовой стрелки.
В случае, когда два других эйлеровых угла равны нулю, угол 0
определяет «чисто» бортовую качку, угол ф - килевую качку, х - рыска-
ние. Формулы перехода от системы координат к системе коорди-
нат Oxyz9 жестко связанной с корпусом судна, имеют вид [23,40,41]:
£ = ^g+xcosxcos\|/ + y(sinecosxsin\|/-cos0sinx) +
+ z(cos0cosxsimg + sinOsinx);
т] = i]g + xsinxcosy + j>(cos0cosx + sin0sin /simy) +
+ z(cos0sinxinxv - sin0cosx);
£ = £ - xsimg + ^sin0cos\|/ + zcos0cos\g.
131
Здесь ^gj, T|g, - координаты центра тяжести судна в первой
системе координат. Тогда положение качающегося судна в произ-
вольный момент времени определяется текущими координатами
Лё» его центра тяжести, принятого за полюс, и тремя углами
Эйлера 0, ф, х, характеризующими вращение судна как твердого
тела относительно соответствующих осей, проходящих через вы-
бранный полюс.
Местоположение захватного устройства Р в системе координат,
Oxyz определяется координатами (хр, ур, zp). При наличии только бор-
товой качки судна, например, при колебаниях судна на тихой воде,
проекции перемещений точки Р на координатные оси 0%, 0% О7т|
определяются выражениями:
^p=^g+xp’
ПР =Лё + ypcos0-zpsin0;
£Р =£g+.Vpsin0 + *pcos0-
В этом случае задача прогнозирования положения захватного
устройства может быть решена с помощью двух акселерометров.
Схема размещения захватного устройства, содержащего акселе-
рометры, показана на поперечном сечении корпуса судна (рис. 4.5 а).
Судно находится в горизонтальном положении (крен судна отсут-
ствует) и измерительная ось Pza первого акселерометра параллельна
вертикальной оси Gz и оси 01» а ось Руа второго акселерометра - па-
раллельна горизонтальной оси Gy и оси Ог| . При наклоне корпуса
судна на угол 0 измерительная ось первого акселерометра также
направлена параллельно оси Gz, а второго акселерометра - парал-
лельно оси Gy, как показано на рис. 4.5 б.
132
Зависимости смещения блока акселерометров по осям Orj и
от угла бортовой качки 0 определяются следующими соотношениями:
np(e) = ng + icos(e0-e); ^p(e) = ?g-£sin(e0-e),	(4.5)
где 0 - текущий угол крена судна, L - расстояние от блока акселерометров
(точки Р) до оси бортовой качки судна, 0о- начальный установочный угол
блока акселерометров, соответствующий положению судна без качки.
Для точки прицеливания в общем случае необходимо вместо
расстояния L использовать Lm, а вместо угла 0о использовать 0огп, со-
ответствующие конструктивному положению точки прицеливания.
Размеры Дгтп и Душ, указанные на рис. 4.5 а, определяются относи-
тельно места крепления акселерометров на кран-балке.
£тп = -J(isin0o +AzTn)2 +(£cos60 + Дутп)2;
%тп
= arctg
Zsin0o + AzTn
Zcos0o +Аутп ’
Определим связь между показаниями акселерометров и смеще-
нием точки прицеливания при наличии бортовой качки судна. При-
мем расчетные соотношения для текущих значений угла 0(0, угловой
скорости оф и углового ускорения ё(г) бортовой качки:
0(0 = 0msin(cor);
0(f) = 0mcocos( cof);
0(f) = -0mco2sin( cof) = -0(f)co2,
(4.6)
где 0m - амплитуда качки, co = In/T- круговая частота качки, T - пе-
риод качки.
Расчетные соотношения для линейной скорости и ускорения
точки крепления акселерометров имеют вид:
f)p(o=zsin(e0-6(O)6(O;
Cp(o=£cos(eo-0(O)6(O,
iip(z) = £(-cos(0o - 0(O)62(O+sin(0o - 0(O)6(O);
CP(0 = Z(sin(0o - 0(О)ё2(О + cos(0o - 0(О)ё(О).
Ускорения ya (0), za(0), измеряемые акселерометрами, располо-
женными по ортогональным осям Pya, Pza, параллельным осям Gy, Gz,
определяются из соотношений:
Уа (0 = Пр (0 cos 0 + Ср (0 sin 0;
Za (0 = Ср (0 COS 0 - Tip (0 Sin 0.
133
Тогда можно найти зависимость ускорений, измеряемых акселе-
рометрами от угловой скорости и ускорения качки:
уа(Г) = £(-02(r)cos0o + 0(7) sin 0О);
za(r) = £( 02(r)sin0o 4-0(r)cos0o).	(4-7)
Подставив выражения угловой скорости и углового ускоре-
ния (4.6) в выражение (4.7), получим следующие зависимости:
У а (0 = -£co2em (0,5emcos00 + sin60sin(<iM) +
+ O,50mcos0ocos(2coz));
za (t) = £co20m (O,50msin0o - cos0osin(coz) +
+ O,50msin0ocos(2coO).	(4.9)
Умножив выражение (4.8) на sinOo, а выражение (4.9) на cos0o и
сложив их, получим зависимость текущего значения угла бортовой
качки от текущих показаний акселерометров:
6(0 = -Суa (0sin6o + Za (0COS0Q )/А(02 ) .	(4.10)
Временные зависимости угла 0(Г) и ускорений, измеряемых ак-
селерометрами при установочном угле кран-балки 0о = 15°, 0т = 7°,
Т= 10,5 с, показаны на рис. 4.6.
134
Таким образом, угол 0(0 однозначно определяется значениями
линейных ускорений, измеряемых акселерометрами, расположен-
ными по ортогональным осям кран-балки Gy, Gz.
Для вычисления угла крена судна 0(0 по формуле (4.10) необхо-
димо знать значения начального установочного угла кран балки 0о
и расстояние L между точками G и Р. Эти параметры зависят от теку-
щего положения центра тяжести судна G. Значение угла 0о может
быть определено косвенным способом по показаниям акселеромет-
ров, измеряющих параметры свободных бортовых колебаний судна
на тихой воде.
В этих условиях (рис. 4.6) максимальные абсолютные значения
измеряемых ускорений уатах =Уа(0, ^'атах = za (г) достигаются при
максимальных значениях угла крена 0(r) = 0т , т.е. при значениях ар-
гумента функции (4.6) ОУ=я/2+7Ш. Подставив соответствующие
значения функций sin(cor) = 1, cos(2cor) = 0 в (4.8) и (4.9) получим:
Хатах = -£®20т sin 0О, Zamax =-£(О20т COS 0О.
Тогда значение начального установочного угла кран-балки 0о:
00 — arctg (уатах / -Z'amax )•	(4.11)
Для вычисления значения L необходимо знать конструктивный
размер ур - смещение блока акселерометров на кран-балке относи-
тельно диаметральной плоскости судна, тогда
L = ур / cos 0О.	(4.12)
Если колебания судна обусловлены только бортовой качкой, пе-
риод колебаний Т измеряется интервалом времени между моментами
достижения показаниями акселерометров максимальных значений
za max • Соответственно определяется круговая частота качки
оу=27с/Т. В более общем случае необходимо путем обработки показа-
ний акселерометров за время не менее 3-rlO Т выделить основную гар-
монику бортовой качки.
4.2.2.	Уточнение координат точки прицеливания
Для уточнения пространственного положения точки прицелива-
ния на посадочном устройстве необходимо знать численные значения
основных конструктивных параметров ур, AzTO, Дуто.
Показания двух ортогонально закрепленных на кран-балке ак-
селерометров позволяют определить: период качки Т, текущее зна-
чение угла качки 0(0 (4.6), амплитуду колебаний 0т, положение
135
акселерометров относительно центра масс судна, определяемое уг-
лом 0o(yamax, zamax) [выражение (4.7)] и расстоянием L (ур, 0О)
[выражение (4.8)].
Эти параметры в свою очередь позволяют определить положе-
ние точки прицеливания захватного устройства относительно оси
бортовой качки ЛТп(Д Go, AzTO, Ay™) и 0огп(Д Go, AzTn, Д иш) [выражение
(4.11)] и текущее смещение в вертикальной и горизонтальной плоско-
стях Ат]тп(0 и А<тп(0 точки прицеливания относительно положения
судна без качки.
ДПтп (0 = £тп (cos( ©Отп - 0(0) - COS Оо);	(4 13)
(0 = Lm (sin( еОта - 0(0) - sin 0О).
Если принять скорость сближения БПЛА с посадочным устрой-
ством постоянной, то в каждый момент времени £(0), при известной
фазе колебаний ф<о), можно прогнозировать величины смещения
точки прицеливания Аг|тп и Д£тп относительно ее положения при
отсутствии качки в момент /(.) стыковки БПЛА с посадочным устрой-
ством.
АП™ ('о) = Ацтах sin(( г() -г(О))со - <р(0));	(4 14)
Д£тп ('(.) ) = Д^шах sin(( - <(0)>- ф(0))>
где Дт|тах и Д^тах - амплитуды колебаний точки прицеливания;
Z(0) - момент измерения текущей фазы ф<о) колебаний; Г(.) - /(О) - про-
гнозируемое время от момента измерения ф(0) до стыковки БПЛА с
посадочным устройством.
Прогнозируемое в момент времени t угловое смещение точки
прицеливания в горизонтальной и вертикальной плоскостях сумми-
руется вместе с сигналом координатора БПЛА.
Использование прогноза величины промаха и введение компенси-
рующего сигнала с измерением фазы колебаний ф<о) снижает величину
динамической ошибки (промаха), обусловленной прогнозируемой кач-
кой судна, теоретически до 0 (при точном измерении ф<о) и со), а практи-
чески до единиц миллиметров [42-46].
В реальных условиях колебания судна обусловлены не только
бортовой качкой. Поэтому необходимы дальнейшие исследования по
прогнозированию значений вертикального и горизонтального смеще-
ний захватного устройства в условиях вертикальной и поперечной
качки с минимальным количеством измерителей параметров всех со-
ставляющих колебаний, а также оценка погрешности измерения кон-
структивных параметров и изменяемых во времени параметров качки
и скорости сближения БПЛА и судна. Эти вопросы являются предме-
том дальнейших исследований авторов.
136
4.3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПОСАДКЕ БПЛА
НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО ПРИ КАЧКЕ
4.3.1.	Основные особенности задачи прогнозирования
При качке судна происходит смещение положения захватного
устройства по вертикальной и горизонтальной осям [11,40-46]. Пред-
лагается определять прогнозируемое положение захватного устрой-
ства на основании ранее измеренных параметров колебательного
и поступательного движения судна. Предполагается, что процесс
качки является стационарным.
Схема размещения кран-балки и захватного устройства показана
на поперечном сечении корпуса судна на рис. 4.7.
Кран-балка жестко связана с корпусом судна, ввиду чего поло-
жение захватного устройства в системе координат, связанной с суд-
ном, остается неизменным в процессе захода БПЛА на посадку. По-
скольку захватное устройство можно рассматривать в качестве эле-
мента корпуса судна, то задача прогнозирования его положения в мо-
мент захвата БПЛА сводится к задаче прогнозирования положения
произвольной точки Р корпуса судна в неподвижной в пространстве
системе координат.
При прогнозировании необходимо выполнить следующие опе-
рации:
1.	Вычислить прогнозируемые координаты захватного устрой-
ства в вертикальной и горизонтальной плоскостях на конечном
участке полета БПЛА (50-100 с), когда судно движется постоянным
курсом с постоянной скоростью.
Место установки Точка
приборного блока прицеливания
Кран-балка
Захватное
устройство
137
2.	Обеспечить постоянство относительной скорости сближения
БПЛА с судном на этом участке, при этом временной интервал про-
гнозирования линейно уменьшается, а координаты захватного
устройства нужно постоянно уточнять.
3.	Определить текущие параметры качки судна по данным его
навигационной системы.
Требуется разработать алгоритм, обеспечивающий точность
прогнозирования координат захватного устройства, необходимую для
обеспечения его сцепления с БПЛА. Для отработки алгоритма прогно-
зирования в различных условиях посадки необходимо иметь матема-
тическую модель качки судна на нерегулярном волнении.
4.3.2.	Сведения о системах координат движущегося судна
при качке
Движущееся на взволнованной поверхности моря судно
можно рассматривать как абсолютно твердое тело с шестью степе-
нями свободы. При расчетах качки судна применяют три системы
прямоугольных координат: неподвижную в пространстве и две по-
движные.
Неподвижная система координат О°£°т]о£о характеризует аб-
солютное движение судна и воды. Плоскость о °£°т|0 этой системы
координат совпадает с невозмущенной водной поверхностью, а ось
О°£° направлена вертикально вниз. В первой подвижной системе
координат определяют колебания судна и воды по отноше-
нию к установившемуся поступательному движению судна в гори-
зонтальной плоскости. Плоскость О£г| этой скользящей системы ко-
ординат всегда совпадает с горизонтальной плоскостью о°£°т|0 ,
а ось Ог| направлена вертикально вниз. Начало системы координат
О движется с постоянной скоростью V, равной скорости движения
судна, ось 0% совпадает с направлением этой скорости и составляет
угол р с осью O°t>°.
Вторая подвижная система координат Gxyz жестко связана с кор-
пусом судна. Начало этой системы координат находится в центре тя-
жести судна G. В состоянии равновесия судна в водной среде соответ-
ствующие оси двух подвижных систем координат параллельны
(рис. 4.8 а).
Положение судна в любой момент времени определяется отно-
сительно первой подвижной системы координат координатами его
центра тяжести G (pg, r|g, Q и тремя эйлеровыми углами ср, у, 6 .
Обычно применяют корабельную систему эйлеровых углов, показан-
ную на рис. 4.8 б.
138
Вращательное движение судна определяется поворотом осей
Gxyz по отношению к осям Переход от второй подвижной си-
стемы координат к первой подвижной системе определяется зависи-
мостями:
^^g+^x+^+qz; rpr^+a^+Z^+^z; ^^H-^x+Z^y+qz,
где аь Ьь а - направляющие косинусы, которые могут быть выражены
через эйлеровы углы <р, ф, 0.
При проведении практических расчетов качки для условий по-
садки БПЛА соответствующие углы можно считать малыми. Тогда
координаты произвольной точки P(x,y,z) судна в первой подвижной
системе координат будут определяться зависимостями, широко ис-
пользующимися в линейной теории качки:
+ X - (fry + yz; Пр = ng + Ф* + У -	?р=	- V* + ву + Z.
4.3.3.	Моделирование процесса колебаний посадочного
устройства
В общем случае движение судна на взволнованной поверхности
в линейной теории качки описывается шестью линейными уравнени-
ями второго порядка. Поскольку в процессе захода БПЛА на посадку
судно может двигаться под различными углами по отношению к ос-
новному направлению распространения волн следует рассмотреть
Рис. 4.8
139
наиболее неблагоприятные частные случаи качки. Одной из таких си-
туаций является расположение судна лагом к волнению (боковая
качка). Система уравнений, описывающих бортовую качку, верти-
кальные и горизонтальные поперечные колебания судна, имеет вид:
> <4.15>
(D/g+^j)^ +ь22?4 +4,0+ь246>=
+b22ZX>
(D/g+4)£, +ь33£, +pgs<g =/^№Wf£.+b33#£
О» +Ли)#+Ь,ц0+ОЬ0+Я24%, +Ь2д, =
=ZfioDh++b42X^;
Для частотных методов анализа используются амплитудно-частотные
характеристики (АЧХ) судна [22]. Эго полезно, когда волновое воздействие
на судно описывается спектральной плотностью в частотной области.
В этом случае АЧХ поперечно-горизонтальных колебаний выра-
зится как |ФП | =	.
АЧХ вертикальных колебаний примет вид
। । /х^(^-д^ю2) + х'^У^2
5 у - to2)2 + 4v^to2
где 2v =—; qr =—.
f /Г>/. 1 х’ f /Г>/. 5 х’ Ч< /П/. о X
как
качки
выразится
АЧХ бортовой
2	2
|фег| = — , ХеЮе
S	- to2)2 +4V0CO2
где 2ve = —; (Og = ——
Jx + X 44	Jx + Х44
На рис. 4.9 приведены результаты моделирования колебаний за-
хватного устройства (точки Р) под воздействием нерегулярного мор-
ского волнения по горизонтальной т] р (/) (рис. 4.9 а) и вертикальной
£р(/) (Рис- 4.9 б) осям системы координат Ofy\^ . Моделирование
проводилось для следующих условий: волнение моря 3 балла, водоиз-
мещение судна 5 100 т; длина ПО м; максимальная ширина 15,5 м;
осадка 5,6 м; расстояние от точки Р до оси Gx 12 м; начальный угол
возвышения кран-балки 30 °.
140
Максимальные отклонения точки Р от расчетного положения
(без качки) составляют более ± 0,5 м по обеим осям, что не позволяет
обеспечить приведение БПЛА к захватному устройству.
Прогнозирование положения точки Р на основе данных измере-
ния процессов качки должно уменьшить ошибку определения ее ко-
ординат до приемлемых значений. Случайный характер процесса
качки существенно осложняет решение задачи. Однако знание веро-
ятностных характеристик колебаний судна позволяет в принципе ре-
шить задачу прогнозирования и для условий нерегулярной качки на
основе методов теории случайных процессов.
141
Известны способы построения прогнозирующих устройств, ос-
нованные на методах оптимальной фильтрации Колмогорова-Винера
и Калмана [22]. Этот подход позволяет получить приемлемые резуль-
таты прогнозирования для времени упреждения в пределах долей
среднего периода колебаний Т.
Задача в рассматриваемой постановке требует получения дан-
ных прогнозирования для временных интервалов порядка tn = 3-г5 Т.
Для ее решения требуется разработка алгоритмов адаптивного про-
гноза, уточняющая прогнозируемые значения координат захватного
устройства в течение всего процесса приведения к нему БПЛА.
Прогнозирующее устройство с элементами искусственного ин-
теллекта может быть реализовано на основе математического аппа-
рата обучаемых нейронных сетей [43]. В качестве обучающих данных
следует использовать предшествующие значения параметров качки
судна, измеренные его навигационной системой. Наблюдения качки
на множестве периодов используются для уточнения текущих пара-
метров модели судна, статистических оценок параметров качки и ди-
намических параметров движения захватного устройства на послед-
нем периоде до момента ослепления визирующего устройства.
Для приведения БПЛА к посадочному устройству, размещен-
ному на кран-балке судна, при нерегулярной качке требуется осу-
ществлять прогнозирование положения точки прицеливания на ос-
нове интеллектуальных адаптивных алгоритмов, реализующих ком-
плексные статистические оценки колебаний и экстраполяцию пара-
метров движения захватного устройства.
На основании анализа параметров качки можно сделать предпо-
ложение о целесообразности изменения курса и скорости движения
судна для увеличения точности приведения БПЛА к посадочному
устройству.
142
ГЛАВА 5. ТОРМОЖЕНИЕ
БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ПОСЛЕ СЦЕПЛЕНИЯ
С ЗАХВАТНЫМ УСТРОЙСТВОМ
5.1.	ИССЛЕДОВАНИЕ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ ПОСАДКИ БПЛА НА КРАН-БАЛКУ
5.1.1.	Постановка задачи и метод исследования
Посадка БПЛА на маломерные суда является задачей, кото-
рая до настоящего времени не имеет удовлетворительного решения
(см. главу 1). Особую сложность представляет посадка БПЛА само-
летного типа, имеющих значительную массу и посадочную скорость.
При посадке БПЛА на кран-балку особое значение имеет длина тор-
мозного пути, которая в первую очередь определяет габариты поса-
дочного устройства и возможность размещения его на маломерном
судне или другом транспортном средстве.
Основная задача тормозного устройства - погасить ско-
рость БПЛА до нуля. При этом кинетическая энергия БПЛА пре-
образуется в работу, расходуемую на трение и на упругую де-
формацию [29, 47].
Проанализируем основные свойства тормозных устройств раз-
личного типа. Для количественной оценки этих свойств в качестве
примера возьмем БПЛА, имеющий массу т = 100 кг и посадочную
скорость V= 54 км/час =15 м/с. Такой БПЛА до начала торможения
обладает кинетической энергией Е = т V41 = 11 250 Дж.
Основным требованием к тормозному устройству БПЛА явля-
ется обеспечение минимального тормозного пути ХТ.
Важным ограничением для тормозного устройства является до-
пустимое ускорение торможения, перегрузка. В рассматриваемых
числовых примерах примем в качестве допустимой десятикратную
перегрузку, то есть допустимое ускорение торможения ад= 98,1 кгм/с2
и имеет отрицательный знак.
143
В соответствии со вторым законом Ньютона [47] процесс торможе-
ния в случае прямолинейного движения описывается уравнением
a(t) m(t) + кд(х) V(f) + Лр + с(х) x(t) = 0,	(5.1)
где a(t) = dV(t)ldt, м/с2 - ускорение торможения;
ат, Н - сила инерции БПЛА и присоединенной массы тормозного
устройства;
V(t), м/с - скорость БПЛА во время торможения;
кд(х), Н с/м - коэффициент демпфирования;
&д(х)И(0, Н - сила торможения, зависящая от скорости (сила демпфи-
рования);
x(Z), м - линейное перемещение БПЛА во время торможения;
Ftp , Н - сила сухого трения, величина которой постоянна и не зависит
от И(0;
с(х), Н/м - коэффициент сопротивления;
c(x)x(Z), Н - сила сопротивления за счет деформации пружины.
Аналитическое решение уравнения (5.1) и определение величины
тормозного пути ЛТ в явном виде возможно только при постоянных
значениях т, кд, с. По этой причине целесообразно исследовать его ме-
тодом численного интегрирования. При этом задаются начальные
условия х(/=0) = 0, И(/=0) = Ин - посадочная скорость БПЛА, a(t=O) = 0.
Коэффициенты уравнения задаются в виде постоянных величин или
в виде функций аргумента х. Выбирается шаг интегрирования А/.
В рассматриваемых далее примерах А/ = 0,001 с.
Уравнение (5.1) на каждом Z-м шаге интегрирования имеет вид
(5.2)
А=Л.1+АГ;
V1= Им - (^д(хм)Им + Ftp 4- с м(х м))А//ти;
^=(И-Им)/АГ;
Xi = хм 4- Hi А/.
Процесс интегрирования заканчивается по достижению конеч-
ного времени tK интегрирования, задаваемого числом шагов интегри-
рования п. tK = n&t. Изменение параметров и интегрирование уравне-
ний (5.2) заканчивается при достижении И» 0, то есть при выполне-
нии условия:
если Hj<On Им>0,TO/T = ^;ArT = Xi; Hi=0;ai=0,	(5.3)
где ЛТ - величина тормозного пути, a tT - время, затраченное на тор-
можение БПЛА.
На каждом шаге интегрирования определяется работа, затрачи-
ваемая на торможение
AAi =a i (xi-Xi-i),	(5.4)
144
соответственно общая работа торможения равна
п
(5.5)
Аналогично определяется работа торможения трением Атр, демп-
фированием Ад и деформацией пружины Ап.
Атр = £?=1 Mi F^ /(ka(x 0 Vi +	+ c i(x 0);
Ад= E?=1Mf £д(х0М*д(х0Н + F^ + Ci(xi));
I (5.6)
An = £"=1 Mj c i(x 0/(Лд(х i) Vi + Ftp + c i(x 0).
Если удастся обеспечить торможение с постоянным, макси-
мально допустимым ускорением аа, скорость торможения V будет из-
меняться от начального значения Ин= 15 м/с до нуля по линейному
закону. Величина тормозного пути определится как
Хг=У^/2ад,
а время торможения соответственно как ZT= Рн/ад.
Близость обеспечиваемой величины тормозного пути Хт к оп-
тимальному значению, определяемому формулой (5.7) (в нашем
примере Хт = 1,147 м), может служить одним из показателей качества
устройства при рассмотрении вариантов тормозных устройств.
Устройство, обеспечивающееХт = 1,147 м при m = 100 кг, Ин= 15 м/с
иад= 10g, будем в дальнейшем называть идеальным устройством
торможения.
Другим важным показателем служит работа торможения, за-
трачиваемая на нагрев воздуха и тормозного устройства
Ат=Атр+Ад, и работа, преобразованная в потенциальную энергию
пружины Ап.
Моделирование процесса торможения и решение уравнений
(5.2) - (5.6) проводится в среде «MatLab». Программа моделирования
позволяет исследовать как частные случаи различные устройства тор-
можения.
5.1.2.	Торможение трением
Если возможно создать усилие торможения, независимое от ско-
рости и пути торможения, то есть использовать характеристику су-
хого трения Лр= const, то уравнение (5.1) принимает вид
адт + F-rp = 0.	(5.8)
Из этого следует, что величина сухого трения Лр= та = 9810 Н.
145
В этом случае может быть обеспечен минимальный тормозной
путь. Однако реализовать характеристику сухого трения в рассматри-
ваемом диапазоне изменения скорости движения не удается.
Кроме этого следует обратить внимание на то, что вся кинетиче-
ская энергия БПЛА, погашенная торможением трения, превращается
в тепловую энергию Атр= ЛРАГТ= 11 250 Дж, а мощность торможения
W = АтЛг= 74556 Вт. При такой тепловой нагрузке работоспособность
тормозного устройства вызывает сомнения и уверенность в неста-
бильности величины сухого трения.
5.1.3.	Торможение линейным демпфированием
Демпфирование за счет вязкого трения, путем выдавливания воз-
духа поршнем через небольшое отверстие, обеспечивает постоянство
величины коэффициента кд и независимость ее от скорости торможе-
ния. Уравнение (5.1) в этом случае приводится к виду:
a(t) тп + кд V(t) = 0,	(5.9)
где a (t = 0) = ад; Ин - начальная скорость торможения БПЛА;
кд = адт/Ун = 654 Нс/м.
Скорость K(Z) при торможении изменяется согласно решению
уравнения (5.9)
И(Г) = Ин exp (-1 кд /ад),
где постоянная времени затухания процесса торможения ад/кд = 0,15 с.
Если принять время завершения процесса торможения tT= 0,81 с
при V(t) = 0,01 м/с, то тормозной путь
Хг=|г(г)ей = 2,23 м.
о
Зависимости изменения ускорения (перегрузки a/g), скорости
V(t) и пути x(t) торможения приведены на рис. 5.1 а для идеального
устройства торможения, соответствующего уравнению (5.8), ина
рис. 5.1 б для устройства с простым демпфированием, соответствую-
щего уравнению (5.9).
Отметим, что на рис. 5.1 и последующих рисунках для удобства
размещения и сравнительного анализа процессов изменения парамет-
ров различной размерности, масштаб х увеличен в 10 раз, отрицатель-
ное ускорение а заменено перегрузкой - отношением п = a/g.
Зависимости x(t) на рис. 5.1 показывают, что торможение одним
простым демпфером (с постоянным значением коэффициента демпфи-
рования £д) обеспечивает величину тормозного пути в 2 раза превышаю-
щую тормозной путь идеального тормозного устройства. Очевидно, что
146
допустимое ускорение торможения достигается только в начальный мо-
мент торможения, а далее оно существенно уменьшается.
5.1.4.	Торможение нелинейным демпфированием
Представляет интерес оценить возможности тормозного устрой-
ства с нелинейным демпфированием, позволяющего поддерживать
ускорение торможения более близкое к допустимому значению, тем
самым сокращать тормозной путь.
Уравнение движения БПЛА во время торможения в этом случае
имеет вид:
Значения
параметров
движения
(5.Ю)
Значения
параметров
движения
Рис. 5.1
147
Здесь значение коэффициента демпфирования кд изменяется
в зависимости от величины пройденного тормозного пути х. Это до-
стигается путем уменьшения проходного сечения выходного отвер-
стия демпфера. Дополнительно в уравнение (5.10) введена сила су-
хого трения FTp < 0,1£д(х=0) К(/=0), величина которой составляет
не более 10 % максимального усилия демпфирования.
Это более соответствует реальным устройствам и позволяет из-
бавиться от неопределенности момента окончания торможения при
определении величины Хт.
Представим зависимость кд(х) в виде полинома степени N
кд(х)= ко+ к\х+ ki х2+ кз х3+ ... Hn xN .	(5.11)
Начальное значение &д(х=0) = ко выбирается аналогично предыду-
щему случаю, ко = адт/Ун. Число членов полинома и значения коэффи-
циентов к\... выбираются из условия получения минимального тор-
мозного пути (целевая функция Хт—>min) при ограничении a(t) < ад.
Введение полинома (5.11) позволяет свести вариационную задачу по-
иска оптимальной функции кд(х) к параметрической оптимизации.
Аналитического решения такая задача не имеет. Реально подо-
брать порядок полинома и значения коэффициентов можно числен-
ным методом.
На рис. 5.2 приведены графики перегрузки a(t)/g, скорости V{t)
и пути x{t) торможения для нелинейного демпфирования с коэффици-
ентами полинома (5.11), обеспечивающими минимальное значение Ху.
Значения
параметров
движения
148
Параметры демпфера [#о=65О; Ал =260; кг= 200; кз 150; #4=120;
fe = ЮО; #6 = 70; #7 = 50; #8= 25; #9 = 15; #ю = 10; #ц = ... = #м= 0;
#15=30; #16= ... = #19= 0; #2о=6О; #21= ... =#2 5=30; #26= ••• =#29=0;
кзо= Ю], значения которых подобраны так, что обеспечивают
Ат = 1,166 м. Тормозной путь всего на 2 см больше, чем у идеального
тормозного устройства.
Однако работа торможения, в этом случае равная примерно
11 250 Дж, в основном затрачивается на нагревание, что ставит под со-
мнение не только возможность реализации расчетной зависимости
#д(х), но и работоспособность такого тормозного устройства.
5.1.5.	Торможение пружинами
Для сокращения тепловыделения при торможении необходимо
использовать свойства пружины, участвующей в торможении БПЛА.
Чтобы исключить возвратные действия пружины после момента вре-
мени t = /т, необходимо предусмотреть фиксатор пружины и БПЛА
в положении х = Аг.
Пренебрегая присоединенной массой, динамику движения
БПЛА во время торможения одной пружиной представим из уравне-
ния (5.1) в виде
a(t) т + с(х) х(0 = 0.	(5.12)
Важнейшей особенностью торможения пружинами является то, что
работа торможения в основном превращается в потенциальную энергию
сжатой (растянутой) пружины. Выделение тепловой энергии здесь мини-
мальное, только за счет трения подвижных частей тормозного устройства.
В простейшем случае коэффициент жесткости для пружины яв-
ляется постоянной величиной, то есть с(х) = с. Для с = 4300 Н/м, обес-
печивающего минимальное значение тормозного пути и условие
a(t) < ад, на рис. 5.3 а приведены графики перегрузки a(f)/g, скоро-
сти V(t) и пути х(0 торможения.
Здесь основные параметры торможенияХт= 2,30 м и /т= 0,24 с соиз-
меримы с параметрами торможения простым демпфером. Принципиаль-
ным отличием является то, что вся кинетическая энергия БПЛА преврати-
лась в потенциальную энергию сжатой или растянутой пружины.
Сокращение тормозного пути достигается предварительным
сжатием пружины. Для этого необходима пружина, длина которой
в свободном состоянии в 2-5 раз превышает ожидаемую длину тор-
мозного пути идеального устройства.
Жесткость пружины с постоянная величина. Значение ее выби-
рается таким, чтобы ускорение торможения в конце тормозного пути
не превысило допустимые значения аа.
149
Сила торможения Fc(t) = с(х) x(t) = сХц + с x(t), где Aii- величина
предварительной деформации пружины при t = 0.
Пружина с параметрами Хп = 3,5 м и с = 2000 Н/м обеспечивает
минимальное значение тормозного пути Хт = 1,36 м и условие
a(t) < ал. На рис. 5.3 б приведены графики перегрузки a(t)/g, скорости
V(t) и пути x(t) торможения для этого устройства.
Предварительное сжатие и уменьшение жесткости пружины су-
щественно уменьшает длину тормозного пути. Очевидно, что увели-
чение предварительного сжатия пружины и уменьшение ее жесткости
приближает тормозное устройство к идеальному. Здесь необходимо
искать компромисс между технологическими трудностями создания
пружины и достижимым эффектом сокращения тормозного пути.
Значения
параметров
движения
Значения
параметров
движения
Рис. 5.3
150
Для дальнейшего сокращения тормозного пути возможно исполь-
зование пружины с переменным коэффициентом жесткости. Для под-
бора функции с(х) представим ее в виде полинома, аналогичного (5.11),
с(х)= Со+ С1Х+ С2Х2+ СзХ3+ ... + CnXN .	(5.13)
Программа моделирования позволяет исследовать процесс тор-
можения и подобрать коэффициенты полинома (5.13), обеспечиваю-
щие минимальное значение Хт с учетом ограничения a(t) < аа. Пара-
метры жесткости пружины [со = 70 000 Н/м; а= -162 000 Н/м2;
с2=135 ООО Н/м3; с3 =-28 000 Н/м4; с4=500 Н/м5; с5 =-5 600 Н/м6]
обеспечивают длину тормозного пути Лт = 1,27 м.
Тормозной путь на 12 см больше, чем у идеального тормозного
устройства.
Отметим, что вид подобранной с использованием поли-
нома (5.13) функции с(х) напоминает экспоненту, поэтому аппрокси-
мирующую функцию можно искать в виде
с(х) = с0(кс + е“х/Тх ) .	(5.14)
В этом случае для поиска оптимального решения необходимо найти
численные значения только трех параметров со, кс, и Тх. При параметрах
аппроксимирующей функции: со= 60 000 Н/м, кс = 0,11, Тх= 0,33 м обес-
печивается Хг=1,29 м, tj= 0,163 с. Зависимости перегрузки a(f)/g, скоро-
сти V(t) и пути x(Z) торможения практически совпадают с параметрами
устройства, где с(х) подбиралось по виду полинома (5.13).
Функции изменения жесткости пружины (5.13) и (5.14) пред-
ставляют скорее всего теоретический интерес, иллюстрирующий воз-
можность приближения Хт к теоретическому минимальному значе-
нию в заданных условиях (тп, Ин, ал).
Практический интерес представляет реализация переменной
жесткости, уменьшающейся с увеличением х, с помощью пружины
с постоянной жесткостью с(х) = const. Упрощенная схема такого тор-
мозного устройства приведена на рис. 5.4.
151
В этом устройстве пружина в свободном состоянии растягивается
на величину АЬ. В исходном состоянии она сжата и удерживается защел-
кой в положении Х\. При сжатии пружины усилием инерции БПЛА ко-
нусный шток освобождает защелку и основание пружины скачком сме-
щается в положение Х2. При дальнейшем сжатии пружины произойдет
смещение до положения Аз и далее до остановки движения (И=0).
Графики перегрузки a(t)/g, скорости V(t) и пути x(t) торможения
для этого устройства с тремя защелками приведены на рис. 5.5 а, и для
устройства с девятью защелками - на рис. 5.5 6.
Приведенные процессы торможения устройства с тремя защел-
ками получены при следующих значениях параметров: со=76ОО Н/м;
Хо= 1,5 м; Х[ = 1,2 м; Х2 = 0,7 м; Хз = 0,3 м, при которых обеспечивается
тормозной путь Хт = 1,32 м за время торможения 7т= 0,160 с. Введение
Значения па-
раметров
движения
152
большего числа защелок приближает процесс торможения к идеаль-
ному тормозу. Так, введение девяти защелок с параметрами
[со= 6300 Н/м;Хо= 1,55 м;1,47м;Х2 = 1,35 м;Х3 = 1,2м;Х4= 1,05 м;
Х$ = 0,88 м; Хв = 0,7 м; Xj= 0,56 м; Х% = 0,4 м; Хэ = 0,32 м] обеспечивает
соответственное значение длины тормозного пути Хт= 1,22 м, то есть
всего на 7 см больше, чем у идеального тормозного устройства.
5.1.6.	Совместное действие демпфирующих и упругих сил
В реальных тормозных устройствах необходимо учитывать од-
новременное влияние упругости пружины, демпфирования и сухого
трения.
Уравнение (5.1) в этом случае для линейного демпфера и линей-
ной пружины имеет вид:
a(t) т + кд V(t) + cx(t) + Лр = 0,	(5.15)
где кд- коэффициент демпфера (постоянная величина), с - жесткость
пружины (постоянная величина).
Для прежних исходных данных и ограничения ускорения
торможения минимальный тормозной путь Хт= 1,20 м обеспечи-
вается при оптимально подобранных значениях кд = 616 Н с/м,
с = 5550 Н/м hFtp=61H. Таким образом, линейная пружина
и простой демпфер обеспечивают близкий к минимально возмож-
ному тормозному пути.
На рис. 5.6 а приведены графики перегрузки a(t)/g, скорости V(t)
и пути x(t) торможения для такого устройства.
Работа Ат, выполняемая силой линейного демпфера и силой су-
хого трения (расходуемая на нагрев воздуха и тормозного устрой-
ства), определяется соотношением А = F х + р. и равна
о
в этом случае 8 025 Дж. Работа Ап торможения, перешедшая в потен-
хт
циальную энергию пружины, Ап = fcxdx, равна 3 225 Дж.
о
Таким образом, 71 % кинетической энергии торможения расхо-
дуется на нагрев, и только 29 % переходит в потенциальную энергию
пружины. Отношение Ап/Ат = 0,40.
Графики плотности энергии торможения d£Jdt=ma(t) и ее составляю-
щих, расходуемых на тепло A.j/dt=V(t) и на сжатие пружины dMdt=х(0>
приведены на рис. 5.7 а. Из этих графиков видно, что ускорение торможения
меньше допустимого на начальном и конечном участках торможения.
153
На этих участках пружина работает недостаточно эффективно,
и возможно изменением жесткости с(х) заставить ее отбирать больше
энергии торможения. При этом ожидаем не только сокращение тор-
мозного пути, но и улучшение соотношения Ап/Ат, то есть уменьше-
ние нагрева тормозного устройства.
Воспользуемся возможностью предварительного сжатия пру-
жины для увеличения тормозной нагрузки на нее и перераспределения
энергии для увеличения соотношения Ап/Ат. Для прежних исходных
данных (га, ад, Кн) минимальный тормозной путь Ат = 1,19 м обеспечи-
вается при Frp = 30 Н, ка = 300 Н с/м и пружине с жесткостью
с = 3130 Н/м, предварительно сжатой на 1,5 м. При этом обеспечива-
ется соотношение Ап /Ат = 0,52. Графики перегрузки a(t)/g, скорости
V(t) и пути x(t) торможения для такого устройства показаны на
рис. 5.6 б, а графики плотности энергии торможения dPJdt, Mdt
и dN\\/dt приведены на рис. 5.7 б. Тормозной путь такого устройства на
5 мм длиннее (то есть примерно на 5 %), чем у идеального устройства.
Рис. 5.6
154
Плотность
энергии
торможе-
ния, 104Дж
Рис. 5.7
а
Сила инерции
БПЛА a(t)m
Е=
155
Для дальнейшего перераспределения энергии в пользу потенци-
альной энергии пружины интересно рассмотреть случай торможения
не одной, а несколькими линейными пружинами, например четырьмя.
Пружины (рис. 5.8) имеют разную длину и различную жесткость, но
постоянную для каждой пружины.
Параметры тормозного устройства подбираются оптимально
для обеспечения минимального тормозного пути, а именно: коэффи-
циент демпфера £д = 290 Н с / м, сила сухого трения Лр=30 Н и че-
тыре пружины с соответствующими коэффициентами жесткости.
Первая пружина имеет жесткость со = 3 130 Н/м и предварительное
сжатие на Ап = 1,5 м.
Другие пружины, смещенные, как показано на рис. 5.8, на рас-
стояния Ал = 0,60 м; А"2= 1,00 м; Лз = 1,08 м, имеют соответственно
значения жесткости с\ = 400 Н/м, С2 = 600 Н / м, сз = 5 000 Н/м. При та-
ких параметрах достигается величина Ат =1,19 м и отношение
Ап/Ат=0,53. Достигнутый положительный эффект относительно
предыдущего случая (один демпфер и одна пружина с предваритель-
ным сжатием) составляет 1 % в увеличении соотношения Ап/Ат. За-
метного уменьшения тормозного пути не происходит.
5.1.7.	Влияние присоединенной массы
Подвижные во время торможения элементы тормозного устрой-
ства обладают определенной массой. В момент зацепления БПЛА с
тормозным устройством происходит удар, который можно считать аб-
солютно неупругим [47].
После удара скорость движения БПЛА совместно с присоеди-
ненной массой определяется соотношением
У1=Уит/ть,	(5.16)
где Fh, V\ - скорости движения БПЛА до и после удара; т - масса
БПЛА; ms = т + тит - суммарная масса БПЛА и подвижных частей
тормозного устройства; тит - масса подвижных частей тормозного
устройства.
Отметим, что в присоединенной массе подвижных частей сле-
дует выделять массу пружин, которую следует учитывать с коэффи-
циентом 0,5 в связи с тем, что центр масс пружины перемещается со
скоростью в 2 раза меньшей, чем другие части.
Уменьшение скорости сближения приведет к возможности сокра-
тить ускорение торможения или уменьшить тормозной путь на вели-
чину АА, которую можно в предельном случае оценить так:
АА= Кн(Гн- К1)/ад= Кн(1 - m/ms) / ад .	(5.17)
156
Отрицательное влияние присоединенной массы сказывается
в появлении ударного импульса S, воздействующего на БПЛА. В со-
ответствии с [47] величина ударного импульса определяется следую-
щим соотношением:
S = m(yH-Vl) = mVH(l-m/ms).	(5.18)
Силу удара Fya ориентировочно можно оценить, задавшись его
длительностью AZ:
Fya=S/&.	(5.19)
Конструкция тормозного устройства БПЛА на судне не является
абсолютно жесткой, а скорее упругой. Динамика колебаний конструкции
в общем случае описывается уравнением, аналогичным уравнению (5.1).
Однако коэффициент жесткости конструкции в разы должен
быть выше, чем у тормозного устройства, иначе конструкция, про-
гнувшись, может откинуть БПЛА как футбольный мяч, и тормозное
устройство не успеет сработать.
Задаваясь значением допустимой ударной перегрузки ад и вели-
чиной Az, можно определить допустимое значение присоединенной
массы тт.
тт=т/(\- адМ Ко) - 1.	(5.20)
Для рассматриваемого числового примера при AZ = 0,003 с и до-
пустимом ударном ускорении 10g допустимая присоединенная масса
тт = 2 кг, а при Az = 0,005 с и перегрузке 30g допустимое значение
тт= 11 кг.
Проведенные исследования показывают реальные разнообраз-
ные возможности проектирования устройств торможения БПЛА с ми-
нимальной величиной тормозного пути, необходимого для посадки их
на судно.
Предложенная методика позволяет качественно оценить влия-
ние составляющих тормозных усилий и выбрать оптимальные пара-
метры пружины и демпфера. При анализе свойств реальной конструк-
ции модели изменения коэффициентов с(х), кд(х) и Ктр(х) требуют
уточнения и экспериментального подтверждения.
В реальной конструкции тормозного устройства на кран-балке
при торможении БПЛА совершает не прямолинейное, а более слож-
ное пространственное движение, обусловленное силой тяжести, чис-
лом степеней свободы тормозного устройства и отклонением вектора
скорости от расчетного направления.
157
5.2.	ТОРМОЗНОЕ УСТРОЙСТВО
С НЕЛИНЕЙНОЙ ПРУЖИНОЙ И РОЛИКОМ
5.2.1 Кинематика тормозного устройства
Рассмотрим статическую характеристику устройства - силу Fx со-
противления движению по оси X - в зависимости от Хр - положения
точки соприкосновения ролика и пластины по оси X. За начало коорди-
нат примем точку оси поворота пластины, обозначенную 0 на рис. 5.9.
Начальные координаты ролика, точки контакта с пластиной, обозна-
чим Zpo, Apo. При отсутствии тяги со стороны БПЛА в исходном поло-
жении угол наклона пластины обозначим ссо= arctg (Zpo/ Apo).
В исходном положении пружина может быть полностью рас-
слабленной, то есть ее давление на пластину Fnp = 0, или предвари-
тельно сжатой, тогда Fnp = Fq.
Примем подпружиненную пластину, поджатую роликом, плос-
кой и абсолютно жесткой. Начальное положение точки сопряжения
пластины с пружиной Znpo = Zsin(cto).
При смещении ролика по оси X на величину Хр > Аро изменится
наклон пластины
а(АР) = arctg(ZP / Ар).	(5.21)
Если радиус ролика гр, то координата Zp точки соприкосновения
ролика с пластиной определяется соотношением
Zp= Zpo + гр [ cosoto- cosa(Ap) ].	(5.22)
Отметим, что при Zcos (ссо) » И», можно принять Zp « Zpo.
Сила давления пружины на пластину
Fnp (Ар) = Fq + L [sincto- sina(AP)] с,	(5.23)
где с - жесткость пружины.
Сила давления пружины на ролик
Fp(Ap) = Fnp(Anp/Ap),	(5.24)
где Апр- координата точки сопряжения пластины с пружиной.
Статическая характеристика Fx(AP) определяется выражением
Fx (Ар) = Fp (Ар) sin a(AP) + Ftp FP(AP) cos a(AP), (5.25)
где &тр- коэффициент трения.
Приведенные соотношения (5.21) - (5.25) полностью определяют
координаты начального положения ролика Zpo, Apo, а также статическую
характеристику Fx(Ap) рассматриваемого тормозного устройства, кото-
рая зависит от конструктивных параметров (£, ссо, с, Fo, &тр).
158
Корпус тормозного устройства
Ролик, опирающийся
колеса
Рис. 5.9
Как показано в [4, 48], в зависимости от посадочной скорости
БПЛА при жестком ограничении тормозного пути и допустимой пе-
регрузки желательно иметь возможность изменять статическую ха-
рактеристику тормозного устройства. В связи с этим рассмотрим на
примере влияние конструктивных параметров на эту характеристику.
Предварительные исследования показали, что в качестве базо-
вых параметров тормозного устройства можно принять следующие:
L= 1 м; с= 10000 Н/м; oto=30 °; ЛТр=0,1; Fo=O Н.
Рис. 5.10
160
Влияние начального положения ролика Zpo, Аро оценим отноше-
нием LpqIL, где Zpo - расстояние начального положения точки сопри-
косновения ролика с пластиной от начала координат (оси поворота
пластины).
Статические характеристики Fx(Ap) приведены на рис. 5.10 а для
различной величины отношения Lpo/Д на рис. 5.10 6 для различных ве-
личин ссо, на рис. 5.10 а для различных значений жесткости пружины
с, на рис. 5.10 б для различных величин поджатия пружины Fq.
Исходное положения ролика Lpq/L (рис. 5.10 а) в сильной сте-
пени сказывается на начальном участке от Хр = 0 до Хр ~ 0,5 статиче-
ской характеристики Fx(Ap) и практически не влияет на нее при по-
следующем смещении ролика.
При увеличении угла наклона пластины (рис. 5.10 б) сохраня-
ется форма статической характеристики и увеличивается тормоз-
ное усилие.
Увеличение жесткости пружины с приводит к пропорциональ-
ному увеличению тормозного усилия (рис. 5.11 а). При этом форма
статической характеристики Fx(XP) сохраняется.
Предварительное поджатие пружины Fo существенно изменяет
форму начального участка статической характеристики (рис. 5.11 б).
Тормозное усилие существенно увеличивается на начальном участке.
Отметим, что конструктивное или регулировочное изменение
отдельных параметров позволяет изменить статическую характери-
стику тормозного устройства в широких пределах, сохраняя при этом
основное свойство снижения тормозного усилия по мере продвиже-
ния ролика. Крутизна изменения усилия торможения достигает мак-
симального значения на участке от 0 до L.
Увеличение крутизны начального участка статической характе-
ристики и увеличение участка с отрицательной крутизной Fx(Xp)
можно наиболее эффективно регулировать предварительным поджа-
тием пружины Fo или изменением начального положения ролика, то
есть уменьшением отношения £ро / L.
Дополнительный способ изменения статической характеристики
- использование не плоской, а нелинейной пластины, например, дуго-
образной. Здесь угол наклона пластины изменяется по мере продви-
жения ролика по пластине, например,
а(£) = ССоа + ка £н,	(5.26)
где ка, рад/м - коэффициент изменения кривизны пластины для уве-
личения (знак «+») или уменьшения (знак «-») силы сопротивления
пружины; Лн- длина нелинейного участка пластины.
В этом случае радиус изгиба пластины R = 1/ ка.
161
Fx.H
8000
6000
4000
2000
0
О 0,4	0,8	1,2	Хр—>Vpo, м
а
Рис. 5.11
162
Для получения статической характеристики £х(Ар) необходимо вос-
пользоваться соотношениями кинематической связи ос(£) и Ос(Ар), напри-
мер, при отсутствии прямолинейного участка пластины, то есть при Ооа= 0:
= уХр + ^Р0 ,
£1 = 2/? sin (£Х/2Я),
(Xi = ZLi / R,
а2= arctg (Zpo/Xp),
a (Jfp) = oci - 0С2,
(5.27)
где £i, м - длина пластины от точки касания ролика до точки поворота
пластины; £х, м - расстояние от точки касания ролика до точки пово-
рота пластины, то есть величина хорды дуги £i; ai, рад - угол изгиба
пластины длиной Ц; а (Ар), рад - угол, под которым подпружиненная
пластина давит на ролик.
Соотношения (5.27) поясняются на рис. 5.12, где пунктиром по-
казано положение дугообразной пружины, ролика в исходном поло-
жении (Zpo, Apo) и сплошной жирной линией положение пружины
при смещении ролика [координаты точки касания ролика и пру-
жины (Zp= Zpo, Ат)]. Обозначения координат на рис. 5.12 соответ-
ствуют обозначениям рис. 5.9.
163
Поскольку пластину принимаем абсолютно жесткой, не меняю-
щей радиус кривизны при перемещении ролика, поэтому центр
окружности, образующей дугу пластины, смещается.
Вместо (5.23) сила Fnp(Ap) давления пружины на пластину в этом
случае
Fnp(Ap) = Fo + [Znp0- Znp(AP)]-c,	(5.28)
где Znpo, м - исходное положение точки сопряжения пластины с пру-
жиной, Znp(Ap), м - положение точки сопряжения пластины с пружи-
ной при положении ролика в точке Zpo, Хр.
Начальное положение пружины Znpo и, смещенное роликом, по-
ложение Znp(Ap) по оси Z определяются соотношениями:
Znpo = F[l-cos(Z/F)];
• (5.29)
Znp(Ap) = Znp0- Zpo+F [ 1 - cos ((Z -Zi) /R) ] cos [a(XP)].
Изменение статической характеристики Fx(Ap) при изменении
кривизны дугообразной пластины приведено на рис. 5.13 a для выпук-
лой пружины (ка имеет знак «+») и на рис. 5.13 б для вогнутой пру-
жины (ка имеет знак «-»). Как показывают кривые на рис. 5.13 а, вы-
пуклый изгиб пластины изменяет форму статической характеристики
подобно предварительному поджатию пружины. Вогнутая пластина
(рис. 5.13 б) обеспечивает существенное изменение крутизны умень-
шения тормозного усилия, однако при ка< - 0,3 допустимый тормоз-
ной путь становится меньше L. Недопустимая зона изменения ХР-ХРо
выделена на рис. 5.13 б серым цветом.
Таким образом, оценены возможности изменения статической
характеристики Fx(Xp) рассмотренного (рис. 5.9) тормозного
устройства в зависимости от конструктивных параметров
[Z, Zpo/L, ао, с, Fo 9 ка].
В рассмотренном примере сила трения, обусловленная давлением
ролика на пластину и опорных колес на корпус, принята пропорцио-
нальной проекции на ось Z усилия давления пластины на ролик. При
этом обобщенный коэффициент пропорциональности Ztp принят по-
стоянной величиной (&тр= 0,1). Влияние силы трения на статическую
характеристику очевидно, поэтому дополнительного рассмотрения, по
мнению авторов, не требует.
Как показано в [38] увеличивать трение, например, исключив
возможность качения ролика и опорных колес, нецелесообразно по
условиям допустимого тепловыделения.
164
FX,H
4000
3000
2000
1000
0
О 0,4	0,8	1,2 Лр-Лр0,м
Рис. 5.13
165
5.2.2. Динамические свойства тормозного устройства
Процесс торможения БПЛА после зацепления с тормозным
устройством описывается уравнением
a(t) m(t) + kaV(t) + Fx [*(0] = 0,	(5.30)
где a(t) = dV(t) /dt, м/с2 - ускорение торможения;
a m, H - сила инерции БПЛА и присоединенной массы тормозного
устройства;
V(t)9 м/с - скорость БПЛА во время торможения;
кД9 Н с/м - коэффициент демпфирования;
кд V(t), Н - сила торможения, зависящая от скорости (сила демпфиро-
вания);
Ар(0, м - линейное перемещение ролика тормозного устройства во
время торможения;
Fx [Ар(0], Н - сила торможения, определяемая статической характе-
ристикой тормозного устройства (5.25).
Уравнение (5.30) является существенно нелинейным, поэтому
целесообразно исследовать его методом численного интегрирования.
При этом задаются начальные условия: X?(t = 0) = ХРо, K(Z=O) = Рн,
a (Z=0) = 0. Выбирается шаг интегрирования АЛ В рассматриваемых
далее примерах AZ = 0,001 с.
Рассматриваемое уравнение на каждом i-м шаге интегрирования
имеет вид [49, 50]:
t(i) =	+ AZ;
V(i) = K(M) - [ЛдК(/-1) + Fx(z - 1)] Az/w;
a(O = [Fi-K(f-l)]/AZ;
Xp(0=Ap(i-l)+r(/)AZ;
a(z) = arctg [Zpo/Ap(0] Для плоской пластины
или a(z) = a [Ла, %p(z)] для нелинейной пластины (5.25);
Fnp(0 = L [ sin a - sin a(z) ] с для плоской пластины
или Fnp(f) = Fnp [ ка, Xp(i) ] для нелинейной пластины (5.28);
Fi(i) = Fnp(f) [ L cos a(z) /Xp(i) ] для плоской пластины или
Fi(Z) = Fnp(0 [ Anp(0 cos a(z) ] I Lx(i) для нелинейной пластины;
Fx(0 = Fi(z) sin a(z) + ктр Fi(i) cos a(z).
166
Процесс интегрирования и изменение параметров уравне-
ний (5.31) заканчивается при достижении V(i) = 0, то есть при выпол-
нении условия:
если К(г) < 0 и К(/ - 1) > О, то:
tT=t(i- 1) + \t V(i- 1) / [ V(i- 1)- K(z)], к
X = Хр (i - 1) + [ ХР (i - 1)-Хр (/) ] V (i - 1) / [ K(Z-1) - Г(/) ] -Лро, (5.32)
Г(/) = 0; a(i) = 0,
где Хт - величина тормозного пути, a tT - время, затраченное на тор-
можение БПЛА.
При исследовании процессов торможения в качестве базовых
примем следующие конструктивные параметры тормозного устрой-
ства: L = 1 м; осо= 30 °; &тр= 0,1; Fo= О Н; кд= 0; Zpo= 0,25 м (соответ-
ственно Хро = 0,43 м). Ограничим максимальную величину тормоз-
ного пути А"т = 0,6 м и максимальное ускорение торможения 10 g.
Масса БПЛА т = 100 кг, а посадочная скорость Кн принимает значе-
ния от максимального 10 м/с до минимального 1 м/с.
Для максимального значения Гн примем жесткость пружины
с=91 000 Н/м, при которой обеспечивается ХТ = 0,6 м. Процессы изме-
нения пути Xp(t) - Хро, скорости V(t) и ускорения а (/) [перегрузка
n(t) = a(t) / g] показаны на рис. 5.14. Однако при такой жесткости пру-
жины минимальное значение Рн>8 м/с.
При уменьшении посадочной скорости или массы БПЛА необхо-
димо менять параметры тормозного устройства, изменяя параметры,
указанные в предыдущем п.
Уменьшить жесткость пружины (величину с) можно, используя
ее предварительное поджатие при начальном положении ролика.
Рис. 5.14
167
Предварительно поджав пружину, обладающую жесткостью
с = 60 000 Н/м, усилием Fq= 6 000 Н, получим тот же тормозной путь
и ту же максимальную перегрузку. Отметим, что соотношение
Fq/ с = 0,1 м выбрано не случайно. Величина этого отношения близка
к оптимальному значению, обеспечивающему минимальную вели-
чину максимальной перегрузки при торможении БПЛА.
Парис. 5.15 показано изменение максимальной перегрузки п при
изменении соотношения Fq/c в условиях сохранения величины тор-
мозного пути, других параметров тормозного устройства и БПЛА,
указанных выше.
В указанном диапазоне посадочных скоростей использованием
всего размера тормозного пути при меньшей скорости Ин, выбирая со-
ответствующую жесткость с пружины и изменяя предварительное
поджатие Fo, можно обеспечить существенное снижение максималь-
ной перегрузки при торможении. Изменение максимальной пере-
грузки п для различных значений Ин показано на рис. 5.16 а. Также
показано изменение оптимальных значений с и Fo при постоянном от-
ношении Fq/c = 0,1 м.
Поскольку посадочная скорость БПЛА может изменяться [4],
необходимо оценить допустимый диапазон ее изменения в условиях
ограниченности тормозного пути и допустимой перегрузки.
Для примера на рис. 5.16 б показаны зависимости величины тор-
мозного пути Хт (сплошные линии) и максимальной перегрузки п
(пунктирные линии) от величины Ин для устройства с параметрами
[£=1 м, осо=30 °, £Тр= 0,1 и Fo= 0 Н, £д=0, ZP0= 0,25 м, с = 38 500 Н/м]
при длине тормозного пути Хт= 0,6 м и массе БПЛА m = 100 кг.
168
Приведены 3 случая (3 пары кривых на рис. 5.16 б), соответству-
ющие различным значениям усилия предварительного сжатия пру-
жины: Fo=3 850 Н, Fo= 1 000 Н и FQ = 0 Н.
Как видно из приведенных на рис. 5.16 б графиков, повышение
усилия предварительного сжатия пружины приводит к уменьшению
диапазона допустимых посадочных скоростей БПЛА.
14
ZT? с,
max и, g; 12
Fo-103, Н;
c l О4, Н/м Ю
8
6
4
2
1
1	2	4	6	8 Гн, м/с
Рис. 5.16
169
Отметим, что замена плоской пластины на дугообразную позво-
ляет на 5-10 % уменьшить длину тормозного пути, увеличивая верх-
нюю границу диапазона допустимых скоростей Гн, и практически не
влияет на нижнюю границу этого диапазона.
Представляет интерес исследование статической и динамиче-
ской характеристики с нежесткой консольной пластиной, скреплен-
ной с корпусом тормозного устройства. В такой конструкции выпук-
лость и вогнутость пластины проявляются за счет ее упругой дефор-
мации. Конструкция тормозного устройства может упроститься, од-
нако методика расчета и выбора оптимальных значений элементов
усложняется.
Приведенные соотношения (5.21) - (5.32) позволяют выбрать
оптимальные параметры пружины. При анализе свойств реальной
конструкции, модели изменения коэффициентов совместной жестко-
сти пружины с(х) и пластины Лд(х) и Ftp(x) требуется уточнение и учет
допусков их изменения в реальных условиях, а также эксперимен-
тальное подтверждение.
Проведенные в главе 5 расчеты показывают реальные возмож-
ности проектирования устройств торможения БПЛА при ограниче-
ниях на величину тормозного пути, допустимую перегрузку и диапа-
зон возможных посадочных скоростей БПЛА.
170
ГЛАВА 6. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Затронутые в монографии вопросы далеко не исчерпывают всех воз-
никающих при создании судовых автоматизированных комплексов мо-
ниторинга проблем, ключевым вопросом которых является посадка
БПЛА. В заключительной главе рассмотрим основные факторы, опреде-
ляющие изменение требований к БПЛА и его управляющим системам,
обеспечивающим посадку на движущееся судно.
В первую очередь следует отметить, что развитие России не мыс-
лится без использования Мирового океана. Для всех стран Мировой
океан является перспективнейшей областью хозяйственной и научной
деятельности, важнейшим фактором геополитики, районом неизбежного
соперничества и в то же время районом активного международного со-
трудничества. Россия должна защищать свои интересы в Мировом оке-
ане не только международно-правовыми методами, но и посредством
поддержания и укрепления военной мощи государства. В перспективе
охранная роль БПЛА в защите экологии и других национальных интере-
сов России в Мировом океане будет безусловно повышаться. Вместе
с этим возрастает значимость систем управления сухой посадкой БПЛА.
Совершенствование таких систем неразрывно связано с развитием БПЛА
для судостроительной отрасли.
Прогноз направлений развития БПЛА на среднесрочную и даль-
нюю перспективы должен учитывать следующие основные факторы:
-	планирование военно-политического и экономического разви-
тия страны;
-	результаты научного поиска в области применения БПЛА;
-	тщательное изучение и выявление всего множества условий
эксплуатации БПЛА;
-	осмысление научно-технического и технологического задела в
области разработки систем управления и технических средств по-
садки БПЛА;
-	анализ тенденций в формировании структуры и возможностей
производственного комплекса страны или кооперации на межгосу-
дарственном уровне.
171
На рис. 6.1 приведена структура проблем, влияющих на форми-
рование основных требований к системам посадки БПЛА на движу-
щееся судно.
Стратегические международные обязательства	Политика в обла- сти экспортно-им- портных отноше- 	НИЙ		Возможности финансирования проектов
		
I Проблемы разра- ботки и производ- ства БПЛА	BociiihMio.ni гиче- ские, экологиче- ские и жономи-	Блоки военных, охранных и эколо- 1 | гических проблем |
I Научный задел в обла- сти фундаментальных J исследований	чсские проблемы	Стратегия использования БПЛА
	Основные требо- вания к БПЛА и его локацион- ным управляю- щим системам	
Технологический за- дел в области разра- ботки БПЛА и его ин- формационных и I управляющих систем		Тактика применения БПЛА
	Условия и орга- низация эксплуа- тации БПЛА и сю аппаратуры	
1 Квалификация и твор- I ческий потенциал раз- работчиков		Достигнутый уровень 1 развития БПЛА за ру- 1 бежом
	1	1	1
I Физико-географи- J ческие условия 1 эксплуатации	Возможности но- 1 сителей БПЛА	1 Организация экс- 1 плуатации БПЛА
Рис. 6.1
Наконец, перечислим соответствующие указанным проблемам
требования к системам посадки БПЛА на движущееся судно.
1.	Разработка перспективных образцов БПЛА, его информацион-
ных и управляющих систем должна предваряться выбором приемле-
мого стандарта гражданского и военного назначения.
2.	Стандартизация и уровень унификации должны:
-	обеспечивать максимальное соответствие требованиям миро-
вого рынка;
-	допускать возможность кооперации государств-союзников
в разработке и совместном производстве БПЛА и аппаратуры инфор-
мационных и управляющих систем БПЛА.
172
3.	Проекты перспективных образцов БПЛА должны реализовы-
ваться в несколько этапов:
-	на первом этапе необходимо разработать образцы с требуемым
качеством и значительными возможностями модернизации для фор-
сирования качественных характеристик информационной части и си-
стемы управления на новой технологической основе в ходе последу-
ющих модернизаций (модификаций);
-	на втором этапе (или на первом при достаточных качествах ба-
зовых образцов) необходимо модернизировать систему сбора и обра-
ботки информации, систему управления движением в пространстве и
систему мониторинга;
-	последующие этапы должны реализовываться исходя из фи-
нансовых возможностей и основываться на внедрении передовых тех-
нологий для обеспечения приемлемых (в идеале - приоритетных) так-
тических свойств и эксплуатационных характеристик модификаций
самих БПЛА и их систем посадки на движущееся судно.
Первоочередными задачами создания систем посадки БПЛА в
настоящее время являются:
-	разработка и производство унифицированных многофункцио-
нальных малогабаритных образцов судовых технических средств
взлета и посадки БПЛА и адаптация носителей к этим средствам;
-	модернизация существующих и разработка (и доработка) но-
вых унифицированных многофункциональных образцов БПЛА, а
также информационных и управляющих систем БПЛА;
-	научная, техническая и технологическая подготовка к созда-
нию многофункционального многоканального комплекса монито-
ринга на базе БПЛА.
Требования к подготовке операторов и технического персонала
существенно зависят от степени сложности операций по техническому
обслуживанию БПЛА. Объективно существует потребность макси-
мального сокращения операций обслуживания БПЛА и полного исклю-
чения операций, влияющих на его работоспособность и технические
характеристики.
Для решения этих задач нужно выполнить следующие требования.
1.	Конструкция бортовых систем БПЛА должна содержать
встроенные элементы системы автоматизированного контроля рабо-
тоспособности. Техническое обслуживание БПЛА и аппаратуры ин-
формационных и управляющих систем в местах хранения и на носи-
телях должно быть ограничено исключительно контролем работоспо-
собности при приемке и эксплуатации БПЛА.
2.	Транспортировка и эксплуатация должны осуществляться с
помощью унифицированного стандартного транспортно-пускового
контейнера.
173
3.	БПЛА и судовые приборы управления БПЛА должны быть
простыми в эксплуатации и техническом обслуживании.
БПЛА и судовую управляющую систему можно модифициро-
вать и на этой основе разработать образцы с новыми свойствами.
Основные признаки базового образца и соответствующие требо-
вания к нему приведены на рис. 6.2.
Возможности модернизации образцов БПЛА формируются в ос-
новном за счет характеристик составных частей образца (целевой ап-
паратуры, бортовой аппаратуры системы управления, двигательной
установки и т. д.) и за счет возможностей системы управления (ре-
зервного объема памяти, перепрограммирования алгоритмов функци-
онирования, резерва стыковочной шины, разъемов и т. д.).
Бортовая аппаратура должна быть адаптирована к системе авто-
матизированного контроля работоспособности, обеспечивающей
входной контроль при приемке БПЛА, периодический контроль
в процессе содержания БПЛА на носителе, а также предстартовый
контроль.
Комплексное рассмотрение военно-технических, экологических и
финансовых проблем, возможных условий и организации эксплуатации
БПЛА и его управляющих систем, проблем разработки и производства
аппаратуры позволит определить требования к БПЛА и локационным
управляющим системам БПЛА, и в итоге, - позволит создавать об-
разцы, конкурентоспособные на отечественном и мировом рынках.
Рис. 6.2
174
список основных источников
1.	Вавилов А. А. Структурный и параметрический синтез сложных си-
стем. - Л.: ЛЭТИ, 1979. - 87 с.
2.	Бусленко Н. П., Калашников В. В., Коваленко И. Н. Лекции по теории
сложных систем. - М.: Сов. радио, 1973. - 450 с.
3.	Денисов А. А., Колесников Д. Н. Теория больших систем управления.
- Л.: Энергоиздат, 1982. - 288 с.
4.	Подоплекин Ю. Ф., Шаров С. Н. Системный анализ аппаратуры си-
стемы управления БПЛА судового базирования И Вклад научно-тех-
нической общественности в развитие отечественного судостроения
и укрепление обороноспособности России : сборник статей НТО су-
достроителей. - СПб : Остров, 2008. - С. 106-117.
5.	Шаров С. Н. Информационно-управляющие системы беспилотных ле-
тательных аппаратов. - СПб : БГТУ, 2007. - 256 с.
6.	Димидюк Н. М. Некоторые вопросы возможного боевого применения
БПЛА в интересах формирований дальнобойных РСЗО и артиллерии
(БЛА «Типчак», ДПЛА «Пчела-1). - Известия Российской академии
ракетных и артиллерийских наук. - 2005. - Вып. 2 (22). - С. 38-44.
7.	Зубарев А. Н., Корнушенко А. В., Кудрявцев О. В., Серохвостов С. В.
Разработка мини-БЛА большой дальности и продолжительности по-
лета с электрической силовой установкой. -Жуковский : Аэрокон,
2011.-129 с.
8.	Коржавин Г. А., Никольцев В. А., Подоплекин Ю. Ф., Симанов-
ский И. В., Шаров С. Н. Интегрированные системы управления ракет-
ным оружием корабля //55 лет на службе Отечеству: сборник статей.
- СПб: Радар ММС, 2005. - С. 294-300.
9.	Крейнович Я. Р., Соловьева В. В. Устройство для посадки БПЛА на ма-
лотоннажное судно И Вопросы проектирования систем управления
беспилотных летательных аппаратов для экологического монито-
ринга: сборник статей. - СПб : БГТУ, 2003. - С. 119-120.
10.	Соловьева В. В. Обзор способов посадки беспилотных летательных
аппаратов на маломерные суда И Проблемы посадки беспилотных ле-
тательных аппаратов на движущееся судно и технические пути их ре-
шения: сборник статей. - СПб : БГТУ, 2010. - С. 14-20.
11.	Подоплекин Ю. Ф., Шаров С. Н. Проблемы посадки беспилотных ле-
тательных аппаратов на движущееся судно и технические пути их ре-
шения //Труды ХХХХ Российского семинара «Механика и процессы
175
управления». - М. : РАН, Министерство обороны РФ, Министерство
образования и науки РФ, 2010. - С. 55-64.
12.	Подоплекин Ю. Ф., Толмачев С. Г., Шаров С. Н. Информационно-
управляющая система приведения БПЛА на движущееся судно. - Ин-
формационно-управляющие системы. - 2012. - № 3. - С. 22-28.
13.	Дремлюга Г. П., Есин С. А., Иванов Ю. Л., Лященко В. А. Беспилот-
ные летательные аппараты: состояние и тенденции развития. - М. :
Варяг, 2004. - 176 с.
14.	Подоплекин Ю. Ф. Соловьева В. В., Яцковская И. М. Судовой ком-
плекс многофункционального мониторинга наземной и морской по-
верхности на базе беспилотного летательного аппарата И Проблемы
посадки беспилотных летательных аппаратов на движущееся судно
и технические пути их решения: сборник статей. - СПб : БГТУ, 2010.
-С. 5-13.
15.	Патент на полезную модель 110070. Автономная бортовая система
управления посадкой БПЛА на движущееся судно / Шаров С. Н., Пе-
тухова Е. С., Дворяшин М. С., Каманин В. В., Юрескул А. А. - Опуб-
ликован 10.10.2011, Бюллетень изобретений №31; приоритет
26.06.2011.-2 с.
16.	Патент на полезную модель 109096. Судовая система управления по-
садкой БПЛА на движущееся судно / Шаров С. Н., Петухова Е. С.,
Дворяшин М. С., Соловьева В. В., Каманин В. В., Юрескул А. А. -
Опубликован 10.10.2011, Бюллетень изобретений №28, приоритет
10.05.2011.-2 с.
17.	Петухова Е. С. Особенности траектории возвращения беспилотного
летательного аппарата на движущийся носитель И Известия Россий-
ской академии ракетных и артиллерийских наук. - 2010. - Вып. 4 (66).
-С. 40-48.
18.	Шаров С. Н. Локационные управляющие системы беспилотных лета-
тельных аппаратов. - СПб : БГТУ, 2009. - 332 с.
19.	Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л. Избранные главы теории автомати-
ческого управления с примерами на языке MatLab. - СПб: Наука,
1999.-467 с.
20.	Коржавин Г. А., Подоплекин Ю. Ф., Шаров С. Н. Информационно-
управляющие системы БПЛА. - Известия АЭН РФ. - 2010. - № 1. -
С. 88-98.
21.	Андриевский Б. Р., Шаров С. Н. Определение положения посадочного
устройства БПЛА в условиях качки. - Морской вестник. - 2012. -
№2 (42).-С. 75-77.
22.	Толмачев С. Г., Шаров С. Н. Прогнозирование положения захватного
устройства при посадке БПЛА на движущееся судно в условиях качки
И Сборник трудов XX Санкт-Петербургской международной конфе-
176
ренции по интегрированным навигационным системам / под редак-
цией В. Г. Пешехонова. - СПб : Концерн «Электроприбор», 2013. -
С. 205-208.
23.	Справочник по теории корабля. - Том 2 : Статика судов. Качка судов
/ под редакцией Я. В. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985.-440 с.
24.	Дворяшин М. С., Соловьева В. В., Шаров С. Н. Прогнозирование по-
ложения посадочного устройства БПЛА в условиях качки судна И
Морская радиоэлектроника. - 2012. - № 2 (40) - С. 2-8.
25.	Петухова Е. С., Соловьева В. В., Шаров С. Н. Экспериментальные ис-
следования точности определения угловых координат и размеров объ-
ектов. Известия Российской академии ракетных и артиллирийских
наук. - 2012. - Вып. 2 (72). -С. 45-57.
26.	Ларионова Д. Г. Сравнительный анализ перспективных способов
и устройств посадки БПЛА на палубу не авианесущего судна И Во-
просы проектирования систем управления беспилотных летательных
аппаратов для экологического мониторинга : сборник статей. - СПб :
БГТУ, 2003.-С. 47-50.
27.	Боднер В. А. Системы управления летательными аппаратами. - М.:
Машиностроение, 1973. - 504 с.
28.	Госсорг Ж. Инфракрасная термография / под редакцией Л. Н. Курба-
това. - М.: Мир, 1988. - 399 с.
29.	Патент на полезную модель 133094. Судовая система управления по-
садкой беспилотного летательного аппарата / Шаров С. Н., Соловь-
ева В. В., Дворяшин М. С. - Опубликован 10.10.2013, приоритет
02.04.2013.-2 с.
30.	Шаров С. Н., Толмачев С. Г., Соловьева В. В. Оценка колебаний поса-
дочного устройства беспилотного летательного аппарата в условиях
качки судна И Морской вестник. - 2013. - № 3 (47). - С. 107-111.
31.	Лебедев А. А., Чернобровкин Л. С. Динамика полета беспилотных ле-
тательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1973. - 616 с.
32.	Гуськов Ю. П., Загайнов Г. И. Управление полетом самолетов: учебное
пособие для студентов втузов. - М.: Машиностроение, 1991. - 272 с.
33.	Отражательные характеристики естественных и искусственных по-
крытий / Бажин С. А., Герасимова Т. С., Козятинский В. Н., Лентов-
ский В. В., Шаров С. Н. - СПб : ЦНИИ «Гранит», 1993. - 88 с.
34.	Иванов В. П., Шаров С. Н. Некоторые пути совершенствования кора-
бельных комплексов освещения надводной обстановки и целеуказа-
ния И Сборник докладов научно-технической конференции «Состоя-
ние, проблемы и перспективы создания корабельных информаци-
онно-управляющих комплексов». - М.: Концерн «Моринформси-
стема-Агат», 2008. - С 13-17.
35.	Авиация ВВС России и научно-технический прогресс. Боевые ком-
плексы и системы вчера, сегодня, завтра / под редакцией Е. А. Федо-
сова. - М.: Дрофа, 2005. - 734 с.
177
36.	Методы компьютерной обработки изображений / под редакцией В. А.
Сойфера. - М.: Физматлит, 2001. - 784 с.
37.	Брондз Д. С. Каталог изделий, выпускаемых ФГУП «ОКТБ ,,Омега“».
- Новгород : ОКТБ «Омега», 2006. - 48 с.
38.	Шаров С. Н., Дворяшин М. С. Захватное приспособление для посадки
БПЛА на судно. - Вестник БГТУ. -2011. - № 12. - С. 31-33.
39.	Шаров С. Н. Судовая информационно-управляющая система посадки
БПЛА И Проблемы посадки БПЛА на движущееся судно и техниче-
ские пути их решения : сборник статей. - СПб : БГТУ, 2010. - С. 54—
74.
40.	Чижиумов С. Д. Основы динамики судов на волнении. - ГОУВПО
«КнАГТУ», 2010.-110 с.
41.	Ривкин С. С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся
основании. - М.: Наука, 1978. - 320 с.
42.	Толмачев С. Г. Системы искусственного интеллекта. Нейросетевые
модели. - СПб : БГТУ, 2011. - 130 с.
43.	Нечаев Ю. И. Моделирование остойчивости при волнении. Современ-
ные тенденции. - Л.: Судостроение, 1989. - 240 с.
44.	Маков Ю. Л. Качка судов: учебное пособие. - Калининград : КГТУ,
2007.-321 с.
45.	Ремез Ю. В. Качка корабля. -Л.: Судостроение, 1983. - 328 с.
46.	Бородай И. К., Мореншильдт В. А., Виленский Г. В. Прикладные за-
дачи динамики судов на волнении. - Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.
47.	Никитин Н. Н. Курс теоретической механики. - М. : Высшая школа,
1990. - 607 с.
48.	Патент 2189625 Российская Федерация. Система управления беспи-
лотным летательным аппаратом / Дорофеев В. В., Никольцев В. А.,
Пахомов В. М., Подвальных А. С., Подоплекин Ю. Ф., Симановский
И. В., Шаров С. Н. - Приоритет 03.03.2001. - 4 с.
49.	Чижиумов С. Д. Численные модели в задачах динамики судна. - Вла-
дивосток : ГДВУ, 1999. - 182 с.
50.	Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. - М.: Физма-
тгиз, 1977. - 783 с.
178
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Подоплекин Юрий Федорович - первый заместитель генераль-
ного директора ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"», Заслуженный
деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, академик
РАРАН и АЭН РФ
Морозов Вячеслав Викторович - заместитель директора
научно-производственного комплекса (НПК) ОАО «Концерн „Гра-
нит-Электрон"»
Александров Антон Аскольдович - начальник научно-иссле-
довательской лаборатории (НИЛ) НПК ОАО «Концерн „Гранит-Элек-
трон"», кандидат технических наук
Толмачев Сергей Геннадьевич - начальник НИЛ научно-коор-
динационного центра (НКЦ) ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"»,
кандидат технических наук
Шаров Сергей Николаевич - главный научный сотрудник
НИЛ НКЦ ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"», доктор технических
наук, профессор, чл.-корр. РАРАН и АЭН РФ
Яцковская Ирина Михайловна - ведущий научный сотрудник
НИЛ НКЦ ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"», кандидат техниче-
ских наук
Соловьева Валентина Владимировна - инженер 1 -й категории
НИЛ НКЦ ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"»
Петухова Елена Сергеевна - инженер 2-й категории НИЛ НПК
ОАО «Концерн „Гранит-Электрон"», кандидат технических наук
Дворяшин Михаил Сергеевич - инженер-конструктор 1-й ка-
тегории проектно-конструкторской лаборатории ОАО «Концерн
„Гранит-Электрон"»
Соловьев Александр Васильевич - студент 5-го курса БГТУ
«Военмех», проходивший практику в НИЛ НКЦ ОАО «Концерн „Гра-
нит-Электрон"»
179
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................3
ГЛАВА 1. ОСНАЩЕНИЕ СУДОВ СРЕДСТВАМИ ПОСАДКИ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.....................5
1.1. СУДОВОЙ КОМПЛЕКС МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО
МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ И МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НА БАЗЕ БПЛА........................................5
1.2. ОБЗОР СПОСОБОВ ПОСАДКИ БПЛА НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА
...................................................13
ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА.........................20
2.1.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОСАДКИ БПЛА
НА МАЛОМЕРНЫЕ СУДА.................................20
2.1.1.	Ключевые технические вопросы..............20
2.1.2.	Этап приведения БПЛА к судну..............22
2.1.3.	Этап приведения БПЛА к посадочному устройству.......26
2.1.4.	Технические средства системы управления посадкой БПЛА ....28
2.1.5.	Смещение захватного устройства при регулярной качке.32
2.1.6.	Прогноз смещения захватного устройства....34
2.2.	АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО ОПЕРАТОРА
УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БПЛА.....................................38
2.3.	ОСОБЕННОСТИ ТРАЕКТОРИИ ВОЗВРАЩЕНИЯ БПЛА
НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО..........................................41
2.3.1.	Общие сведения о совместной работе судна и БПЛА.....41
2.3.2.	Расчет траектории первого этапа сближения БПЛА с судном...42
2.3.3.	Моделирование программной траектории движения БПЛА..46
2.3.4.	Моделирование движения БПЛА по программной траектории.48
2.4.	РАСЧЕТ ТРАЕКТОРИИ ВОЗВРАЩЕНИЯ БПЛА
НА ДВИЖУЩИЙСЯ НОСИТЕЛЬ.......................................49
2.4.1.	Расчет пространственной траектории сближения БПЛА
с носителем................................................49
180
2.4.2.	Моделирование пространственной траектории движения БПЛА
	52
2.4.3.	Оптимизация траектории при снижении БПЛА...55
2.5.	АВТОНОМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОСАДКОЙ БПЛА С БОРТОВЫМ
ТЕЛЕВИЗИОННЫМ ДАТЧИКОМ.......................................57
2.5.1.	Способ автономного управления БПЛА с помощью
координатора на основе ТВК.................................57
2.5.2.	Измерение расстояния от БПЛА до посадочного устройства ... 61
2.5.3.	Оценка точности приведения БПЛА к посадочному устройству
	65
2.5.4.	Особенности автономного наведения БПЛА на посадочное
устройство при качке судна.................................69
2.5.5.	Оценка величины промаха при приведении БПЛА
к посадочному устройству...................................73
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
КООРДИНАТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БЕСПИЛОТНЫХ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА СУДНО........................78
3.1.	СУДОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ПОСАДКИ БПЛА........................................78
3.1.1.	Информационное обеспечение посадки БПЛА....78
3.1.2.	Принцип работы судового телевизионного координатора.79
3.1.3.	Особенности формирования на экране монитора меток БПЛА
и точки прицеливания..............................84
3.1.4.	Управление сближением БПЛА с судном........87
3.1.5.	Управление посадкой БПЛА при качке судна...93
3.2.	ОЦЕНКА ДАЛЬНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ БПЛА ЛАЗЕРНЫМ
ДАЛЬНОМЕРОМ.........................................99
3.2.1.	Технические средства и объекты экспериментальных
исследований......................................99
3.2.2.	Основные соотношения для оценки дальности обнаружения
и отражательных свойств целей и их имитаторов.....104
3.2.3.	Оценка затухания лазерного излучения в атмосфере....105
3.2.4.	Оценка возможной дальности обнаружения различных типов
БПЛА..............................................108
3.3.	ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
И РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ, НАБЛЮДАЕМЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫМ
КАНАЛОМ.............................................ПО
181
ГЛАВА 4. ПОСАДКА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
НА СУДНО ПРИ КАЧКЕ.....................................124
4.1.	СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОСАДОЧНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ КАЧКЕ
	124
4.2.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОСАДОЧНОГО УСТРОЙСТВА
ПРИ КАЧКЕ............................................128
4.2.1.	Анализ кинематики движения захватного устройства при
бортовой качке.....................................128
4.2.2.	Уточнение координат точки прицеливания......135
4.3.	ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЗАХВАТНОГО
УСТРОЙСТВА ПРИ ПОСАДКЕ БПЛА НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО
ПРИ КАЧКЕ............................................137
4.3.1.	Основные особенности задачи прогнозирования.137
4.3.2.	Сведения о системах координат движущегося судна при качке
	138
4.3.3.	Моделирование процесса колебаний посадочного устройства 139
ГЛАВА 5. ТОРМОЖЕНИЕ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО
АППАРАТА ПОСЛЕ СЦЕПЛЕНИЯ С ЗАХВАТНЫМ УСТРОЙСТВОМ.. 143
5.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОСАДКИ
БПЛА НА КРАН-БАЛКУ...................................143
5.1.1.	Постановка задачи и метод исследования.....143
5.1.2.	Торможение трением.............................145
5.1.3.	Торможение линейным демпфированием........146
5.1.4.	Торможение нелинейным демпфированием......147
5.1.5.	Торможение пружинами......................149
5.1.6.	Совместное действие демпфирующих и упругих сил.153
5.1.7.	Влияние присоединенной массы................156
5.2. ТОРМОЗНОЕ УСТРОЙСТВО С НЕЛИНЕЙНОЙ ПРУЖИНОЙ
И РОЛИКОМ...........................................158
5.2.1 Кинематика тормозного устройства...........158
5.2.2. Динамические свойства тормозного устройства.166
ГЛАВА 6. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.....................171
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ............................175
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ...................................179
182
Научное издание
Александров Антон Аскольдович, Дворяшин Михаил Сергеевич,
Морозов Вячеслав Викторович, Петухова Елена Сергеевна,
Подоплекин Юрий Федорович, Соловьев Александр Васильевич,
Соловьева Валентина Владимировна, Толмачев Сергей Геннадьевич,
Шаров Сергей Николаевич, Яцковская Ирина Михайловна
ПОСАДКА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ НА СУДА:
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
Под общей редакцией С. Н. Шарова
Ответственный редактор М, Б. Ригина
Верстка, дизайн, обложка В. В. Третьяк
Подписано в печать 18.08.2014. Бумага офсетная
Формат 84x108 V32. Печать офсетная
Гарнитура Таймс. Печ. л. 11,5
Тираж 500 экз. Заказ № B3K-04319-14.
Научно-техническое издательство «Судостроение»
191186, Санкт-Петербург, Малая Морская ул., 8
Тел. (812) 643-00-31
Электронная почта izdatel_sudostroenie@mail.ru
Интернет-сайт http://www.sudostroenie.su
Отпечатано в ОАО «Первая Образцовая типография»,
филиал «Дом печати — ВЯТКА» в полном соответствии
с качеством предоставленных материалов.
610033, г. Киров, ул. Московская, 122.