В июле и начале августа 2010 года в Европейской части России, в Поволжье и на Урале сложилась катастрофическая ситуация с лесными пожарами. По масштабу лесных пожаров, количеству пострадавших деревень и по жертвам среди населения, катастрофа перекрыла уровень 1972 года. В 1972 году было 26 509 пожаров, а в 201 Огоду — 40 169 пожаров, при тушении задействовано 165 и 360 тыс. человек, 15 и 26.5 тыс. единиц техники соответственно. Новая угроза — пожары в зонах атомных АЭС и зонах заражения в результатах аварий на Чернобыльской АЭС и других объектах. Задымление объединилось в сплошное облако, протянувшееся с запада на восток более чем на три тысячи километров и поднявшееся в стратосферу на высоту до 12 км.
Главная роль в тушении пожаров принадлежит МЧС и подведомственным этому министерству организациям. Именно МЧС координировало работы по тушению лесных и торфяных пожаров, привлекала добровольцев и армейские подразделения, координировало усилия всех участников по ликвидации пожаров и обеспечивало их техникой и оборудованием. Вершиной всех сил, занятых на тушении лесных и торфяных пожаров, является авиации МЧСг Наряду с непосредственным тушением пожаров авиации отводилась важная роль на мониторинг районов стихийных действий с целью определения размеров горящих лесов и торфяников, определение наиболее опасных районов, оценка нанесенного ущерба и ряд других задач.
Тушение пожаров при помощи летательных аппаратов производится путем многократных сбросов воды на очаги пожара. Для этой цели противопожарный вариант пилотируемого и беспилотного самолета, вертолета, аэростата и других аппаратов оборудуется водяными баками и может заправляться водой, как на аэродроме, так и самостоятельно в режиме глиссирования на водной поверхности. Максимально эффективно пожаротушение при наличии водоема недалеко от места пожара. В этом случае пожаротушение ведется по кольцевой схеме: самолет производит забор воды, направляется к очагу пожара, делает сброс и вновь возвращается на водоем для нового забора воды.
Значительные проблемы возникают при пожаротушении лесных массивов. В этом случае очаг пожара характеризуется большой пространственной протяженностью и сильной задымленностью, что затрудняет прицельное использование средств пожаротушения.
В этом случае использование РЛС может также помочь в решении данной проблемы. Так как дым не препятствует распространению РЛ сигнала, а ЭПР горящих деревьев отличается от ЭПР лесного массива, то на индикаторе РЛС будет хорошо видна граница очага пожара, по которой можно выполнить прицельный сброс воды и других средств. С течением времени ЭПР горящих объектов может упасть до нулевых значений, однако, использование радиолокационных ориентиров в окрестности зоны возгорания позволяет прицельно применять средства пожаротушения.
При использовании традиционных авиационных сливных средств пожаротушения в зону огня попадает незначительное количество сбрасываемого огнегасящего состава. Это объясняется экранированием зоны пожара восходящим конвективным потоком горячего воздуха, и, как следствие, не дос——-тигается необходимая точность группирования центров падения водяных масс по отношению к местоположению очага пожара.
Использование авиационных бомб типа АСП-500 обеспечивает стопроцентную доставку массы огнегасящего состава в зону пожара, кроме того, взрывной способ диспергирования состава создает дополнительный фактор пожаротушения — воздушную ударную волну. Снаряжаться АСП-500 может как в полевых, так и в заводских условиях. АСП-500 предусматривает использование беспилотной авиации, а также позволяет решать задачи пожаротушения без привлечения в зону пожара дополнительного числа людей и спецтехники, что особенно актуально при ведении работ по тушению пожаров в зонах ограниченного доступа (радиоактивного, химического заражения и т. п.).
Современные средства на основе технологии азотного пожаротушения имеют высокую эффективность по накрытию зон горения, разрушения вертикального теплового потока — «тепловой трубы», засасывающей воздух в зону горения. При этом использование таких средств требует высокой точности целеуказания и наведения средств доставки.
Анализ разрешающей способности различных видов систем обзора и наблюдения показывает, что для эффективного наведения средств пожаротушения необходимо создание визирной системы на основе РЛС с синтезированной апертурой (РСА). Поэтому объектом исследования является средство пожаротушения с радиолокационной системой, работающей в режиме синтезирования апертуры. Однако РСА обеспечивают обнаружение объектов не по курсу носителя, а в переднебоковом секторе. Поэтому наведение средств пожаротушения требует наведения специальных и сложных приемов. В этом случае обнаружение наземных объектов производится в переднебоковом секторе с последующим разворотом носителя или управляемого средства пожаротушения (УСПТ) и наведением средств пожаротушения при прицеливании по расчетной точке или вынесенному ориентиру, т. е. без наблюдения объекта возгорания^ практически «вслепую».
Целью диссертационной работы является повышение эффективности применения средств пожаротушения в любых метеорологических условиях на основе РЛС в режиме синтезирования апертуры антенны.
Границы исследования. В диссертационной работе рассматриваются способы применения радиолокационных систем и алгоритмы обработки принимаемых сигналов.
Для достижения указанной цели в работе решается актуальная научная задача, заключающаяся в разработке метода наведения УСПТ на очаг возгорания и алгоритмов измерения координат точки применения УСПТ (сброса огнегасящего состава) путем сопровождения малоразмерного наземного объекта и ориентира в РСА, позволяющие обеспечивать высокую точность в условиях плохой визуальной видимости.
Для решения поставленной научной задачи в диссертационной работе решены следующие частные задачи:
1 .Проведен анализ природной обстановки в зоне пожара и рассмотрены особенности применения авиационных средств пожаротушения;
2.Обоснованы пути повышения эффективности радиоэлектронного комплекса на основе РЛС с синтезированной апертурой.
3.Обоснованы требования, предъявляемые к системам и методам наведения УСПТ в точку сброса огнегасящего состава;
4.Предложены траектории носителя УСПТ с С, А в горизонтальной плоскости в зависимости от требований по разрешающей способности;
5.Получено уравнения промаха при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность синтезированного РЖ;
6.Синтезирован алгоритм траекторного управления наблюдением для обеспечения заданной разрешающей способности в УСПТ с СА;
7.Синтезированы алгоритмы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта с использованием дополнительной информации от ориентиров;
8.Для получения количественных характеристик показателей эффективности синтезированной системы разработана цифровая имитационная модель наведения УСПТ и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта;
9.Сформированы предложения по техническим характеристикам и структуре УСПТ с СА.
Методы исследования. Задачи, представляющие научный интерес решены на базе статистической теории оптимального управления и приема сигналов.
Научная новизна диссертационной работы: обоснованы технические характеристики средств пожаротушения с радиолокационной системой наблюдения, контроля и управления в режиме синтезирования апертуры. оптимизирован алгоритм управления боковой перегрузкой управляемого средства пожаротушения (УСПТ) для движения по траектории, обеспечивающей требуемое линейное азимутальное разрешение. оценены ошибки наведения (промах) УСПТ при движении по траектории с постоянной боковой перегрузкой. оптимизированы алгоритмы сопровождения координат точки применения УСПТ с использованием дополнительной информации от ориентиров. разработана математическая модель контура наведения УСПТ на очаг возгорания и системы автоматического сопровождения малоразмерного наземного объекта.
Практическая ценность работы:
1.Обоснована целесообразность применения РЛС с синтезированной апертурой, предназначенной для обеспечения высокоэффективного мониторинга и «пожаротушения в' условиях плохой визуальной видимости и на больших дальностях.
2. Разработаны требования к техническим характеристикам и алгоритмы функционирования высокоточной системы наведения УСПТ.
3. Разработана модель движения УСПТ на очаг возгорания и программы обработки принимаемого сигнала.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1 .Методика применения летательного аппарата для мониторинга местности и применения средств пожаротушения на основе PJIC с синтезированной апертурой.
2. Алгоритмы траекторного управления средством пожаротушения, оснащенного PJIC с синтезированной апертурой, в горизонтальной плоскости.
2. Точностные характеристики (промах) управляемого средства пожаротушения при движении по траектории, обеспечивающей требуемую линейную разрешающую способность.
3. Алгоритм автоматического сопровождения точки применения огнега-сящего состав с использованием дополнительной информации от ориентиров.
4. Технические требования и выбор области нахождения ориентира для применения УСПТ на основе PJIC с синтезированной апертурой.
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
— корректностью использования известного математического аппарата;
— достаточной обоснованностью принятых допущений и предположений, а также отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и известными частными результатами других исследований;
— результатами цифро-натурного моделирования системы высокоточного наведения УСПТ с синтезированнбйапёрт^рой.
Внедрение результатов исследований Реализация и внедрение результатов данной работы проводилась в рамках заданных НИЭР и ОКР при проектировании новых и модернизации существующих образцов техники. Основные положения работы используются при обосновании технических требований к PJ1C с СА. Материалы диссертации реализованы также при выполнении НИР и ОКР промышленности и в учебном процессе МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре СМ5. Результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, были также использованы при формировании требований к модернизируемым и перспективным авиационным радиолокационным системам.
Апробация результатов работы.
Результаты диссертационной работы докладывались автором наЗ научно-технических конференциях в период 2008;2012 гг., в заказывающих и научно-исследовательских организациях Министерства по чрезвычайным ситуациям, а также на заседаниях кафедры СМ5 МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в двух отчетах по НИР, в 3 статьях и докладывались на 3 научно-технических конференциях, а также на заседаниях кафедры СМ5 МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы составляет 177 страниц, включая список литературы из 42 наименований на 4 страницах, 88 рисунков, схем и графиков, а также титульного листа.
Основные выводы по работе сводятся к следующему: 1. РЛС с синтезированной апертурой, лежащие в основе современного и перспективного авиационного прицельного комплекса обеспечивают высокоточное обнаружение малоразмерных наземных объекетов и измерение их координат в любых метеоусловиях и на большом удалении без захода носителя в зону поражающих факторов очага пожара.
Для устранения ограничений применения УСПТ при действии в неблагоприятных метеоусловиях необходимо применять УСПТ с РЛС, Для устранения недостатков существующих РЛС при действии по малоразмерным наземным объектам необходимо использование принципа синтезирования апертуры, с использованием в контуре сопровождения информации от мощных сигналов рядом расположенных ориентиров;
Для обеспечения синтезирования апертуры антенны в РЛС с СА необходимо использование алгоритма траекторного управления носителем РЛС, позволяющим обеспечить требуемые характеристики азимутального разрешения, а также обеспечивающий минимальные отклонения от объекта;
2. На основе анализа траекторий носителя в горизонтальной плоскости для формирования требуемого линейного азимутального разрешения установлено, что требуемая траектория имеет вид окружности с радиусом кривизны, зависящим от параметров линейного разрешения. Анализ уравнений движения по требуемой траектории показал, что для обеспечения требуемого разрешения при постоянной скорости и интервале синтезирования необходимо обеспечить постоянство угловой скорости линии визирования, равное отношению угла синтезирования к интервалу синтезирования.
3. Анализ существующих методов наведения и уравнения промаха показал, что неучет требований по угловой скорости ЛВ приводит к ухудшению реальной разрешающей способности. Для удовлетворения требований по минимизации промаха и обеспечения требуемого линейного азимутального разрешения был осуществлен вывод уравнения промаха при движении по криволинейной траектории, позволяющий одновременно учитывать как требования по минимизации промаха, так и требования по обеспечению требуемого разрешения.
4. Для обеспечения требуемой линейной разрешающей способности был синтезирован закон управления поперечной перегрузкой носителя. Проведенные исследования на основе математической модели показали, что данный закон обеспечивает формирование требуемого разрешения на траектории и обеспечивает минимизацию промаха. При этом вид траектории совпадает с требуемой траекторией описываемой дифференциальными уравнениями, что подтверждает обоснованность сделанных выводов.
5. На основе математического аппарата статистической теории оптимального оценивания (СТОО) был осуществлен раздельный синтез многомерного дискриминатора и следящего фильтра. Исходя из условий реализуемости, было выполнено построение дискриминатора на основе разностной схемы, с осуществлением нормировки сигнала. Были получены коэффициент передачи и уровень шумов дискриминатора для полезного сигнала с флуктуирующей амплитудой и гауссовском шумовом воздействии. Данные характеристики использовались при синтезе следящей системы.
6. При построении следящего фильтра в качестве дополнительной информации использовались функциональные зависимости между координатами объекта и ориентира, которые в НСК представляют собой постоянные величины в виде разности соответствующих координат между объектом и ориентиром.
7. Были получены статистические характеристики оцениваемых координат объекта в зависимости от условий пуска и количества выбранных ориентиров. Анализ полученных характеристик позволил сделать вывод о целесообразности использования 1 ориентира и применении закона наведения, синтезированного во 2-й главе.
8. Проведено имитационное моделирование работы следящей системы при наведении УСПТ на объект, параметры рассогласования для управления траекторией наведения в данном случае вычислялись на основе истинных координат объекта (контур наведения — разомкнут). Для выбранных начальных условий, когда цель находится на оси Ох НСК, ошибки оцениваемых фазовых координат при сопровождении объекта и ориентира на момент окончания наведения составляют: сгх=2,3 м/с, <7ух=0,35 м/с, сгу=13,3 м/с, <туу=0,36 м/с, сг2=2,3 м/с, сгу2=0,33 м/с.
9. Сравнение суммарной интегральной ошибки показало уменьшение интегральной ошибки от 1,8 до 20 раз для системы сопровождения цели и ориентира по сравнению с системой, не использующей сигналы от ориентиров.
10. В ходе исследований, проведенных в рамках НИР, был разработан алгоритм имитационного моделирования. В результате имитационного моделирования были получены характеристики КВО, вероятности срыва сопровождения и точностные характеристики системы сопровождения при наведении на объект в составе замкнутого контура наведения, характеризующие эффективность синтезированных алгоритмов сопровождения координат объекта.
11. Значение КВО для принятых условий составляет В5х=5ч-6,4 м. Анализ полученных значений КВО и сравнение их со значениями КВО для современных УСПТ, позволяет сделать вывод, что разработанный алгоритм сопровождения и алгоритм траекторного наведения целесообразно применять в составе систем прицельного пожаротушения наземных объектов.
12. Вероятность бессрывного сопровождения объекта при принятых условиях составляет 97%, что на 20% больше по сравнению с эталонной системой сопровождения, не использующей дополнительную информацию от ориентира.
13. Точностные характеристики системы сопровождения определяются на основе СКО ошибок фильтрации координат объекта, которые имеют следующие значения: сгх= 2,5 (2,0) м/с, сгух=0,28 (0,26) м/с, <ту= 2,5.
2,0) м/с, сгуу=0,29 (0,28) м/с, <т2=3,5 (2,4) м/с, оу2=0,37 (0,33) м/с. СКО ошибок фильтрации выноса ориентира составляет: сгд =1,9 (1,4)м, о-Ду=1,6(1,0) м, сгд2=2,5(1,9)м.
14. Анализ реального линейного разрешения 51 в горизонтальной плоскости, полученного в результате моделирования показывает, что полученное разрешение соответствует требуемому (81хр=10 м.), максимальное величина ошибки выдерживания требуемого разрешения не превышает 20%. Это подтверждает работоспособность алгоритма наведения и контура сопровождения при наведении на объект.
15. Предложена структурная схема алгоритмов двумерного дискриминатора и системы сопровождения координат объекта, позволяющая эффективно селектировать сигналы от малоразмерных наземных объектов. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования. Вычислительные затраты, необходимые для реализации разработанных алгоритмов, могут быть обеспечены с помощью современных бортовых процессоров.
16. Проведено обоснование области оптимального местоположения ориентиров, которые возможно сопровождать бессрывно. Расположение данной области необходимо учитывать при выборе точки захвата РЛС на сопровождение объекта и ориентира (точка начала самонаведения).
Линейные размеры и площадь зоны расположения ориентиров, при компенсации квадратичного набега фазы на краях РЛИ, равны:
8бсо=1>15 км2.
Линейные размеры и площадь зоны расположения ориентиров при использовании гармонического анализа для обработки сигнала равны:
8бсо=0,404 км².
Использование гармонического анализа целесообразно только в начальном этапе на этапе формирования РЛИ и сравнения его с эталонным для идентификации и захвата объекта и ориентира на сопровождение. После этапа захвата объекта и ориентира на сопровождение, формирование РЛИ не представляется необходимым, более предпочтительным является использование алгоритма обработки сигналов на основе формирования опорных сигналов для каждой сопровождаемой точки, компенсирующих квадратичный фазовый набег. В этом случае, размер зоны выбора ориентиров имеет максимально возможный размер.
