Моделирование и оценка эффективности радиосистем управления

Москва

Горячая линия – Телеком

2019

Допущено федеральным учебно-методическим объединением 

в системе высшего образования по укрупненной группе 

специальностей и направлений подготовки 24.00.00 –
«Авиационная и ракетно-космическая техника» в качестве
учебного пособия для студентов, аспирантов и адъюнктов, 
обучающихся по основным образовательным программам 
высшего образования по специальностям 24.05.06 – «Системы 
управления летательными аппаратами», 24.05.01 – 
«Проектирование, производство и эксплуатация ракет и 
ракетно-космических комплексов», 11.05.01 – 
«Радиоэлектронные системы и комплексы»; по направлению 
подготовки 24.03.02 – «Системы управления движением и 
навигация»

УДК 621.396.93/.96 (075.8) 
ББК 32.84 
 М13 

Р е ц е н з е н т ы:  кафедра радиотехнических систем (РТС) МТУСИ,  
зам. заведующего кафедрой – кандидат техн. наук, доцент  Т. П. Косичкина;   

доктор техн. наук, профессор  В. П. Смоленцев. 

М13  

Мазепа Р. Б., Догаев А. В. 
       Моделирование и оценка эффективности радиосистем 
управления. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – 
Телеком, 2019. – 182 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0740-9. 

Изложены основы теории моделирования и расчета эффективности работы радиосистем управления (РСУ) атмосферными и космическими объектами с применением ЭВМ. Приведены различные виды 
классификации процессов моделирования радиотехнических систем и 
их моделей, математические описания моделирования процессов и систем. Рассмотрены методологии структурного анализа, методы и средства имитационного моделирования РСУ. Описаны пакеты прикладных программ моделирования систем самонаведения атмосферных летательных аппаратов при наличии нескольких целей и организованных помех, а также моделирования возмущенного движения космических аппаратов по некеплеровской орбите при оскулирующих элементах, учитывающих гравитацию Луны, Солнца, земные гравитационные аномалии и световое давление. Пособие соответствует программе 
дисциплины «Моделирование и оценка эффективности РСУ». 
Для студентов, аспирантов и адъюнктов, обучающихся по специальностям 24.05.06 – «Системы управления летательными аппаратами», 24.05.01 – «Проектирование, производство и эксплуатация ракет 
и ракетно-космических комплексов», 11.05.01 – «Радиоэлектронные 
системы и комплексы»; по направлению подготовки 24.03.02 – «Системы управления движением и навигация», будет полезно для студентов других радиотехнических и инфокоммуникационных специальностей и специалистов. 

ББК 32.84 

Учебное издание 
Мазепа Роман Богданович, Догаев Александр Викторович 
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАДИОСИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие для вузов 

Тиражирование книги начато в 2018 г.    

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и 
какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
©  Р. Б. Мазепа, А. В. Догаев 

Введение

Бурное развитие сложных радиотехнических систем (РТС) вызывает появление соответствующих теоретических дисциплин. В настоящее время эксплуатируются и разрабатываются большое число
РТС различного вида, предназначенных для решения различных
практических задач.
Однако, если раньше РТС были настолько
простыми, что один человек мог удержать в голове всю ее структуру и взаимодействие отдельных частей, то сегодня этот процесс
существенно усложнился. РТС проектируют и отлаживают большие коллективы. Это приводит к разделению труда, когда каждый
отвечает за свою часть разработки. Одним из таких направлений,
предшествующим проектированию новой или доработке существующей системы является моделирование на ЭВМ.

Объекты моделирования и
системы радиоуправления

1.1. Особенности радиоуправления летательными
аппаратами

В настоящее «компьютерное» время информационные технологии, включая моделирование функционирования сложных систем, находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.
При этом радиоуправление (РУ) — область науки
и техники, которая занимается исследованием, разработкой и эксплуатацией радиоэлектронных средств для обеспечения дистанционного управления летательными аппаратами (ЛА), транспортными
средствами (ТС), техническими системами, процессами и действиями обслуживающего персонала.
Отсутствие оператора на управляемом объекте (УО) резко
усложняет задачу РУ, а именно:
• отсутствие пилота усложняет функции, которые должна выполнять аппаратура управления;
• при наличии пилота связь между показаниями радиоприборов
и органами управления объектом осуществляется частично с
участием человека, а при РУ радиоприборы связываются с органами управления и объектом непосредственно. Это приводит
к тому, что радиоаппаратура, применяемая для РУ, может проектироваться, испытываться и работать лишь в тесном взаимодействии с аппаратурой автоматики и самим объектом. Задачи
РУ осложняются, кроме того, тем, что большинство современных УО является средствами поражения цели.
Известно, что для поражения цели требуются очень большие
точности управления. Кроме того, УО, предназначенные для поражения цели, гибнут после каждого пуска, т. е. являются объектами
одноразового действия.
Поэтому бортовая аппаратура РУ должна сочетать высокую точность управления с минимальными стоимостью и сложностью и возможно меньшими весами и габаритами,

Объекты моделирования и системы радиоуправления
5

а также должна быть надежно защищена от помех со стороны противника.
Обычные снаряды и бомбы, не имеющие двигателей, не могут
обеспечить эффективную стрельбу на сотни и тысячи километров.
Наиболее подходящим современным двигателем для УО, предназначенного для поражения цели, является двигатель реактивный. Реактивный снаряд имеет большие преимущества перед обычным артиллерийским снарядом не только в отношении дальности полета,
но и в возможности управления его полетом по точности. Обычный
артиллерийский снаряд должен для получения необходимой начальной скорости развивать в стволе орудия значительные продольные
ускорения (до 200 g). Снабдить такой снаряд оперением, необходимым для корректировки его полета, не ухудшив резко его свойств, и
поместить в него сложные приборы управления не представлялось
возможным. Реактивный же снаряд, имея сравнительно небольшие
продольные ускорения (10...15 g), вполне может быть снабжен необходимым оперением и приборами управления.
Управляемый реактивный снаряд, поражающий далекую цель, имеет значительно
б´ольшую точность попадания, чем обычный артиллерийский снаряд.
Таким образом, только сочетание принципов реактивного движения и радиоуправления позволяет решить задачу точной стрельбы на большие дистанции (десятки, сотни и тысячи километров).
Управление УО возможно не только при помощи радиоволн, но и
при помощи иных физических процессов, а именно, например, световых (видимых лучей), тепловых, звуковых, ультразвуковых и т. д.
Однако только радиоволны позволяют осуществлять эффективное
управление на больших дистанциях (десятки, сотни километров и
более). Поэтому РУ является основным средством взаимодействия
с УО. То есть из всех видов УО преобладающими являются ЛА, а
из всех видов управления УО основным является РУ.
Известны следующие основные виды УО: самолеты, вертолеты и другие подобные им ЛА, ракеты дальнего радиуса действия
(баллистические ракеты), самолеты-снаряды, крылатые ракеты, зенитные ракеты (земля–воздух, вода–воздух), авиационные ракеты
(воздух–воздух), авиабомбы (воздух–земля, воздух–вода), воздушные торпеды (воздух–земля, воздух–вода), воздушно-морские торпеды (воздух–вода), морские торпеды (вода–вода), самолеты-мишени,
экспериментальные беспилотные ЛА и др. Большинство перечисленных типов объектов являются средствами поражения воздушных, наземных и морских целей и именно их мы и будем рассмат

Глава 1

ривать в данной книге.
Все УО можно подразделить на две основные группы: 1) объекты дальнего радиуса действия, 2) объекты
ближнего радиуса действия. К объектам дальнего радиуса действия
относятся баллистические ракеты, крылатые ракеты и самолетыснаряды. Их дальность действия измеряется сотнями или тысячами
километров. Все остальные средства поражения являются объектами ближнего радиуса действия, и дальность их действия не превышала обычно 100...200 км.

1.2. Траектории движения ЛА и их особенности

Объекты дальнего радиуса действия — баллистические ракеты. Ракеты дальнего радиуса действия (РДД) предназначены для
стрельбы по неподвижной наземной цели, удаленной на несколько
сотен или тысяч километров и занимающей значительную площадь.
Например, ракета «Фау-2» (первая в мире баллистическая ракета
дальнего радиуса действия, разработанная немецким конструктором Вернером фон Брауном и принятая на вооружение вермахта в
конце Второй мировой войны) имела дальность полета 350 км, максимальную высоту полета около 100 км и скорость на баллистической кривой 1300...1600 м/с. В настоящее время в ряде стран были
созданы РДД со значительно б´ольшими дальностями, высотами и
скоростями полета. Созданы межконтинентальные баллистические
РДД, дальность действия которых такова, что позволяет поражать
цели, расположенные в любой точке нашей планеты. Такие ракеты
также используются для вывода на околоземную орбиту искусственных спутников Земли. РДД имеет небольшие несущие поверхности и по своей аэродинамической форме ближе к снаряду, чем к
самолету.
Типичная траектория РДД следующая. УО стартует и летит
вверх по вертикали вплоть до точки, являющейся границей плотных
слоев атмосферы. Далее программный механизм начинает воздействовать на рулевые органы УО и объект движется по программной
кривой, задаваемой программным механизмом. Этот участок траектории называется активным, так как в течение всего времени движения УО по этому участку траектории работает его реактивный двигатель. Затем двигатель выключается, и весь дальнейший путь УО
проходит с выключенным двигателем, сохраняя набранную скорость
и под действием силы тяжести, т. е. по баллистической кривой. Поэтому этот участок траектории называется пассивным и расположен
в разреженных слоях атмосферы. Далее УО вновь входит в плотные
слои атмосферы. Сопротивление воздуха несколько искажает чисто

Объекты моделирования и системы радиоуправления
7

баллистический закон движения, но при этом позволяет осуществлять управление полетом УО при помощи обычных воздушных и
газовых рулей. При этом газовые рули повышают эффективность
управления в разреженных слоях атмосферы, где эффективность
обычных воздушных рулей невелика. Для того чтобы РДД достаточно точно попала в цель, ее траектория должна удовлетворять
следующим условиям:
• траектория должна лежать в вертикальной плоскости, проходящей через пункт управления и цель. Для выполнения этого требования может применяться, например, азимутальная радиокорректировка, а именно: радиоаппаратура обнаруживает
отклонения УО по азимуту от заданной вертикальной плоскости и на основе этих отклонений и их производных вырабатывает команды на рули УО, заставляющие объект возвращаться
к заданной плоскости и сводящие к нулю как сами боковые отклонения, так и их производные (скорости);
• выключение двигателя должно быть произведено в заданной
точке, когда скорость УО достигнет требуемого значения. Для
этого аппаратура управления должна обеспечить его движение
по заданной программной кривой и выключение в нужный момент двигателя. Первая задача — движение по программной
кривой, обеспечивается автономным управлением — программным механизмом и аппаратурой управления, расположенными целиком и полностью на самом УО и не воспринимающими
никакого внешнего излучения. Вторая задача — выключение
двигателя в нужный момент, решается автономным управлением или полуавтономным с помощью радиосредств, расположенных, например, в месте старта УО. На начальном участке баллистической траектории управление УО невозможно, так как
газовые рули не могут работать при выключенном двигателе, а
воздушные рули не могут работать в разреженных слоях атмосферы. При вхождении в плотные слои воздуха воздушные рули
снова могут действовать, но практическая реализация этой возможности для целей управления очень трудна по следующим
причинам:
◦ заключительный участок УО пролетает за несколько секунд. Поэтому в том случае, когда УО входит в плотные
слои атмосферы на значительном расстоянии от цели (например, >5...10 км), он уже не успевает полностью исправить свою траекторию;
◦ управлять УО по радиоканалу на этом участке из пункта

Глава 1

старта весьма затруднительно из-за большой дальности и
кривизны земной поверхности. Более просто осуществлять
управление на этом участке путем самонаведения УО на
цель, используя для этого какой-либо вид собственного излучения цели, например тепловое излучение, либо радиолокационные системы (РЛС).

1.3. Радиолокационное управление и его цели

Радиолокация — область науки и техники, объединяющая методы и средства локации (обнаружения и измерения координат) и
определения свойств различных объектов с помощью радиоволн.
Объекты, сведения о которых необходимо получить, называют радиолокационными целями (в дальнейшем будем называть их просто
целями). Различают следующие цели (рис. 1.1):
• аэродинамические (самолеты, крылатые ракеты, вертолеты и
др.);
• наземные и надводные (автомашины, танки, корабли и др.);
• космические (космические аппараты, баллистические ракеты и
др.);
• подземные и подводные (полости в грунте, различные объекты
в земле и воде и др.);
• природного происхождения (облака, естественные ориентиры
на местности, метеоры, планеты) и другие.
Совокупность сведений о наличии целей в отдельных областях
пространства, об их координатах и других параметрах движения,
о числе целей и их характеристиках называют радиолокационной
информацией. Технические средства получения радиолокационной
информации называют радиоокационными средствами, радиолокационными станциями или радиолокаторами [6].
Для расширения информационных возможностей радиолокационных средств их объединяют в радиолокационные системы (комплексы), включающие средства передачи данных и управления.
Термин «радиолокация» происходит от латинских слов locus —
место и radio — излучение. В зарубежной литературе используется термин «радар» (radar), происходящий от англ. radio detection
and ranging (обнаружение и измерение дальности с помощью радиоволн). В современных РЛС используются электромагнитные излучения декаметровых, метровых, дециметровых, сантиметровых и
миллиметровых волн. Основными информационными задачами радиолокации являются следующие:

Объекты моделирования и системы радиоуправления
9

Классификация целей

• обнаружение целей;
• измерение координат целей и других параметров их движения;
• разрешение целей (минимальное расстояние между целями, когда они различимы на индикаторе приемного устройства);
• классификация целей.
Эти задачи решаются на всех этапах обработки радиолокационной информации: первичной, вторичной и третичной.
Задача обнаружения состоит в принятии решения о наличии
или отсутствии цели в каждом выделенном элементе измеряемого
пространства, входящем в зону ответственности (контроля) РЛС, с
минимальными вероятностями ошибок при первичной обработке и
во всей зоне ответственности РЛС при вторичной (третичной) обработке. Задача метрологической идентификации наличия цели сводится к оцениванию координат и других параметров движения цели с минимально возможными погрешностями. Измеряют, в первую
очередь, дальность до цели, ее азимут, угол места, а также производные координат (в частности, радиальную скорость), элементы траектории. Могут измеряться параметры, не связанные непосредственно с координатами целей: элементы поляризационной матрицы
рассеяния, радиальная протяженность целей и др. Задача разрешения заключается в обнаружении и измерении параметров произвольной цели в присутствии других объектов (целей). Задача классификации, идентификации или распознавания состоит в установлении принадлежности цели к определенному классу и разделяется
на решение двух основных подзадач. Первая состоит в определении государственной принадлежности «свой – чужой» с помощью
запросно-ответных устройств опознавания, установленных на своих
объектах, вторая — в распознавании цели, не отвечающей на запрос.

Глава 1

Всю совокупность информационных задач радиолокации характеризуют часто термином радиолокационное наблюдение. Следует
отметить, что информационные задачи решаются за ограниченное
время. Для первичной обработки это время определяется временем
однократного контакта РЛС с целью, для вторичной — временем
нахождения цели в зоне ответственности РЛС. Обнаружение, измерение и разрешение часто представляют собой единый процесс, а визуальное наблюдение выполняется автоматизированным (без участия оператора) или полуавтоматизированным (с участием оператора) способами.
Скоротечность изменения радиолокационной обстановки требует высокого темпа выдачи данных. Кроме того, на радиолокационные средства воздействуют помехи как природного происхождения
(естественные), так и помехи от других радиоэлектронных средств
(взаимные), а в ряде случаев — организованные (умышленные). Помехи природного происхождения в той или иной степени воздействуют на любое радиолокационное средство. Влияние взаимных помех
в настоящее время значительно возросло в связи с использованием различных радиоэлектронных средств в хозяйственной деятельности и военной технике. Поэтому стало актуальным обеспечение
электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Основными способами противодействия средствам военной радиолокации со стороны противника являются создание организованных помех и прямое уничтожение РЛС, т. е. их радиоэлектронное подавление и огневое поражение. Независимо от происхождения различают
помехи:
• мешающих излучений — активные;
• мешающих отражений — пассивные;
• их комбинаций — комбинированные.
Помехи могут маскировать полезные сигналы или имитировать
цели, снижая эффективность радиолокационных средств и систем.
В связи с этим к РЛС предъявляются требования по обеспечению
помехозащищенности, т. е. по поддержанию качества информации в
помеховых ситуациях на допустимом уровне. Для повышения помехозащищенности РЛС используют различные методы защиты, в том
числе приспособление (адаптацию) к помеховой обстановке. Также можно использовать организованные (умышленные) помехи для
непосредственного получения информации о целях (постановщиках
помех). Целесообразное объединение радиолокационных средств в
системы — одна из мер повышения качества информации в сложных конфликтных ситуациях. Объединять необходимо достаточно