Валерий Фимушкин, к.т.н.,
Борис Грязев, к.т.н.,
Валерий Жемеров,
Николай Петров

Опыт боевых действий последнего периода с массированным применением средств воздушного нападения, в том числе малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, при широком использовании противорадиолокационных ракет и средств радиоэлектронного противодействия выявил потребность в средствах сопровождения целей, альтернативных использованию активных РЛС. Одним из возможных путей отражения воздушных атак с обеспечением максимальной скрытности до момента открытия огня является использование пассивных оптико-электронных средств обнаружения и сопровождения целей.

ЗПРК “Панцирь-С1”Средства такого рода обеспечивают необходимую скрытность и весьма высокую точность. Кроме того, при сравнимой дальности действия оптико-электронные средства имеют меньшие массу и габариты. Использование же приборов, работающих в инфракрасном диапазоне, позволяет обеспечить всесуточность и, в значительной степени, всепогодность применения оптических средств. Еще одним преимуществом ИК-средств сопровождения является то, что помехи действуют на них, как правило, только в пределах поля зрения, которое имеет довольно ограниченные размеры (до нескольких градусов). Это способствует повышению помехозащищенности такого рода систем.

Поскольку средства воздушного нападения используются как на больших (свыше 10 км), так и на предельно малых (5-15 м) высотах, средства их сопровождения должны иметь, с одной стороны, максимальную дальность сопровождения (более 10 км), а с другой – достаточно малую ближнюю зону. Увеличение максимальной дальности влечет за собой рост размера входных зрачков оптических приборов и, как следствие, их массы и габаритов. А требование по сокращению ближней зоны вызывает необходимость повышения динамических возможностей сервоприводов, но рост массы нагрузки и, соответственно, моментов инерции и трения препятствует решению этой задачи. Таким образом, даже в первом приближении задача создания оптико-электронной системы сопровождения является внутренне противоречивой и требует поиска компромиссов.

В оптико-электронной системе (см. рис.1, рис.2), предназначенной для зенитного комплекса (ЗПРК) “Панцирь-С1” и его модификаций, указанные противоречия во многом разрешены. В процессе сопровождения оптико-электронная система (ОЭС) выполняет следующие функции:

а) слежение за целью и определение ее координат, в том числе и в процессе движения носителя;
б) определение координат собственной ЗУР;
в) передача команд управления на ЗУР.

Для выполнения этих задач используются следующие подсистемы:

  • оптико-электронная система сопровождения (ОЭСС);
  • инфракрасный пеленгатор (ИКП);
  • передатчик команд (ПК).

В качестве оптических приемников для ОЭСС используется тепловизионный прибор (ТПВП), а для ИКП – оптико-электронный датчик (ОЭД). Оптические приемники и антенна передатчика команд расположены на общем основании. Так как наведение ЗУР на цель производится путем совмещения линии визирования цели с линией визирования ЗУР, то оптические датчики разворачиваются в сторону цели по информации об ее координатах от ОЭСС либо по внешнему целеуказанию (ЦУ).

Исходя из удобства компоновки и минимизации числа силовых сервоприводов, для кинематики перемещения платформы с оптическими приборами была принята двухосная схема карданова подвеса, в которой одна часть вращается в азимутальной плоскости, а другая — качается в угломестной плоскости.

Вращающаяся и качающаяся части (ВЧ и КЧ) приводятся в движение автоматическим электроприводом. Частота среза сервопривода ограничена сверху резонансной частотой конструкции относительно оси вращения соответствующей части. В свою очередь, резонансная частота тем выше, чем выше жесткость конструкции и чем меньше приведенный к соответствующей оси момент инерции нагрузки. Однако момент инерции в значительной степени определяется габаритами оптических приборов. Поэтому основным путем повышения резонансной частоты является увеличение жесткости конструкции без существенного роста ее габаритных размеров. Для достижения этой цели в рассматриваемой оптико-электронной системе было решено в качестве исполнительного использовать моментный двигатель. Конструкция с применением безредукторного сервопривода на базе моментного двигателя позволяет существенно повысить жесткость механической системы и уменьшить кинематические погрешности в механической передаче, т.к. при жестком креплении нагрузки на фланцах двигателя практически отсутствуют люфты.

Исходя из ожидаемых величин моментов сопротивления, моментов инерции, скоростей и ускорений, необходимых для сопровождения типовых целей, выбор был остановлен на двигателе типа ДБМ 254-120-57. Он имеет номинальный момент в 120 Нм при номинальной скорости 2 рад/с и позволяет развить пусковой момент до 240 Нм. К конструктивным достоинствам данного моментного двигателя можно отнести наличие встроенных вращающегося трансформатора и синхронного тахогенератора, а также возможность крепления элементов нагрузки на обоих концах вала двигателя. Встроенные тахогенератор и датчик угла позволяют, с одной стороны, уменьшить погрешности измерения угловой скорости и перемещения вала двигателя, а с другой — обеспечить высокую жесткость в цепях двигатель — тахогенератор, двигатель — вращающийся трансформатор.

На базе этих двигателей сформирован двухкоординатный привод 1ПН3-Е. По каждой координате имеются три контура обратной связи: по току, угловой скорости и углу. Это обеспечивает высокую точность при хорошей плавности отслеживания входного сигнала.

Для формирования входного сигнала, соответствующего перемещению цели, используется информация об ее положении в пространстве, вырабатываемая как оператором, так и автоматически. Видеосигнал формируется тепловизионным прибором, установленным на валу двигателя качающейся части карданова подвеса. Для контроля ситуации оператором видеосигнал подается на видеосмотровое устройство (ВСУ). Выделение координат цели относительно растра осуществляется телевизионным автоматом (ТА). Исходя из видимого на ВСУ положения изображения объекта относительно центра растра, оператор осуществляет формирование сигналов управления с помощью двухкоординатного датчика команд кнюппельного типа, встроенного в тот же пульт управления, что и ВСУ.

В связи с тем, что ОЭС работает на ходу носителя, на нее в процессе сопровождения воздействуют качки. Для их измерения используются следующие средства:

а) двухкоординатный гироскопический датчик угла 1ГДУ1-Е (ГДУ);
б) датчики блока измерителя угловой скорости и углового ускорения 1БИ1-Е (БИУСУУ).

Кроме того, имеется возможность использования информации о качках от навигационной системы (НС) ЗПРК.

Таким образом, в систему наведения и стабилизации (СНС) поста входят приводы наведения и стабилизации (ПНС), ГДУ, измерители угловых скоростей и ускорений качек (БИУС и БИУУ). При этом ГДУ установлен на том же основании, что и оптические датчики, один комплект датчиков БИУС и БИУУ расположен на вращающейся части поста и служит для замера возмущений в угломестной плоскости, а другой – на башне БМ и служит для замера возмущений в азимутальной плоскости. Питание БИУС и БИУУ и съем с них сигналов осуществляется с помощью источника вторичного питания (ИВП).

Чтобы обеспечить формирование сигналов управления СНС, в телевизионном автомате ОЭСС осуществляется обработка видеосигнала с ТПВП, в результате которой выделяются координаты линии визирования цели относительно центра растра ТПВП. Управляющие сигналы вычисляются с помощью процессора центральной вычислительной системы (ЦВС), в котором программно реализованы корректирующие устройства. Сформированные сигналы управления в большинстве режимов работы подаются на входы ГДУ соответственно по каналам ВН и ГН.

Для улучшения условий работы телевизионного автомата и обеспечения возможности накопления видеосигнала применена электронная стабилизация изображения. Она осуществляется в модулях цифровой фильтрации (МЦФ) и сдвига изображения (МСИ). В качестве входных сигналов для канала точной стабилизации используются выходные сигналы ГДУ, которые пропорциональны ошибкам СНС в измерительной системе координат ТПВП.

Как уже указывалось, для наблюдения за процессом сопровождения используется видеосмотровое устройство, для реализации полуавтоматических режимов наведения и обзора — датчик команд. Они вместе с основными органами управления и индикации ОЭС расположены в пульте оператора. С целью минимизации габарита по глубине ВСУ выполнено на базе жидкокристаллической (ЖКИ) матрицы, при этом может использоваться ЖКИ-панель с диагональю до 46 см (18² ).

Для повышения помехозащищенности при наведении ЗУР на цель применено оптическое устройство для ее пеленгации в полете, работающее в инфракрасном диапазоне спектра. Это устройство — инфракрасный пеленгатор (ИКП) — содержит два основных блока: оптико-электронный датчик 1ОЭД1-Е, расположенный на качающейся части карданова подвеса симметрично ТПВП на противоположном конце вала двигателя, и блок выделения координат (БВК), осуществляющий обработку электрических сигналов, поступающих от ОЭД. В состав БВК входит также блок вторичного питания.

Инфракрасный пеленгатор работает циклами, синхронизированными с рейсами ЗУР. Оптико-электронный датчик преобразовывает оптический сигнал с борта ЗУР в электрический, пропорциональный отклонению ЗУР от оптической оси ОЭД. В состав ОЭД входят два канала. Один из них предназначен для определения координат источника непрерывного излучения, а другой – импульсного. Первый канал используется для захвата ЗУР на сопровождение после ее старта по факелу двигателя, а также для сопровождения ЗУР, имеющих в качестве бортового ответчика трассер. Для выделения сигнала в первом канале применяется способ, основанный на оптико-механической модуляции светового потока). В системах такого типа координата точечного источника определяется по изменению частоты и фазы сигнала на выходе фотоприемника по сравнению с сигналом опорной частоты, пропорциональным частоте вращения модулирующего диска.

Второй канал предназначен для пеленгации ЗУР, имеющих на борту импульсный ответчик. Для определения первичного рассогласования во втором канале ОЭД используется многоэлементный фотоприемник. Работа импульсного канала ИКП синхронизирована с работой передатчика команд для повышения динамической устойчивости контура управления ракетой, обеспечения стробирования по времени и определения дальности до ЗУР по запаздыванию сигнала от импульсного ответчика.

В связи с тем, что размеры фотоприемных устройств как в первом, так и во втором канале ограничены, в обоих каналах применяются подвижные оптические элементы, предназначенные для смещения изображения от источника излучения ЗУР в фокальной плоскости таким образом, чтобы его отклонение относительно центра приемника было минимальным. Для управления приводами оптических элементов используются сигналы о положении изображения относительно фотоприемника. С целью повышения помехозащищенности после завершения переходного процесса, следующего за захватом ЗУР соответствующим каналом, в каналы слежения вводятся полевые диафрагмы, ограничивающие размер поля зрения.

В блоке выделения координат ИКП производятся следующие операции:

а) по сигналам с фотоприемников определяются координаты источников относительно центра соответствующего фотоприемника;
б) производится коррекция и усиление сигнала управления приводами оптических элементов;
в) определяется дальность до ЗУР по задержке времени прихода импульса с ее борта;
г) осуществляется обмен информацией с системами комплекса.

Следует отметить, что полная координата ЗУР относительно оптической оси ОЭД содержит две компоненты:

  • во-первых, составляющую, определяемую отклонением оптического элемента от нейтрального положения, вычисляемую по сигналам с датчиков угла соответствующих приводов;
  • во-вторых, составляющую, определяемую смещением изображения излучателя относительно центра фотоприемника.

Так как зависимости углов, соответствующих линейным перемещениям в фокальной плоскости, и углов линии визирования от поворотов оптических элементов имеют нелинейные зависимости, то расчет полных координат линии визирования ЗУР относительно оптической оси ОЭД осуществляется в процессоре ЦВС.

Для обеспечения возможности работы ИКП в процессе движения носителя через телевизионный автомат ОЭСС на приводы оптических элементов ИКП подаются компенсирующие сигналы, пропорциональные ошибкам СНС, измеряемым ГДУ.

Передатчик команд (ПК) выполняет следующие функции:

  • во-первых, передает радиокоманды на борт ЗУР;
  • во-вторых, определяет по задержке принимаемого с борта сигнала дальность до ЗУР.

Использование оптического и радиоканалов для определения дальности до ЗУР позволяет, с одной стороны, повысить надежность получения этой координаты, а с другой — уменьшить ошибки по дальности.

В ОЭС применяются выверки каналов для повышения точности наведения ЗУР по разностным координатам между ОЭСС и ИКП. При проведении выверок определяются разъюстировки между:

а) центром растра ТПВП и центрами фотоприемников ОЭД, к положению которых привязано положение оптических осей соответственно ТПВП и ОЭД;
б) центром растра ТПВП и оптической осью визира, положение которой привязано к оси диаграммы направленности ПК;
в) оптическими осями каналов ОЭД.

Значения полученных при выверке разъюстировок заносятся в перепрограммируемую память процессора.

Выверки каналов проводятся при следующих работах:

  • оптические каналы ОЭД проверяются при сборке ОЭД, проведении приемосдаточных испытаний ОЭС с помощью многоколлиматорного юстировочного стенда, при техническом обслуживании ЗПРК с помощью юстировочной машины;
  • оптическая ось ТПВП и оптические оси ОЭД выверяются при проведении ПСИ ОЭС с помощью юстировочного стенда, при техническом обслуживании БМ с помощью юстировочной машины, а также в процессе рейса ЗУР (при этом используется пеленгация ЗУР телевизионным автоматом в течение периода времени, когда аэродинамический нагрев корпуса ЗУР создает достаточный поток излучения для приема его тепловизионным каналом).

Важную роль играет обеспечение помехозащищенности ОЭС. Она достигается внедрением следующих технических решений:

а) корреляционного алгоритма обработки в телевизионном автомате, что позволяет осуществлять селекцию цели по запомненному образу;
б) стробирования поля зрения в процессе автосопровождения цели и автоматического выделения цели по образу в следящем стробе;
в) введения запрета на автозахват изображений собственных ЗУР каналом сопровождения цели на основании их координат в поле зрения ТПВП, выдаваемых из ЦВС;
г) применения инерционного сопровождения цели по экстраполированным координатам в случае перерыва оптической связи с целью (скрытия цели за экранирующей помехой);
д) возможности перехода на полуавтоматическое сопровождение цели оператором при высокой плотности помех;
е) использования в ОЭД двух каналов разного спектрального диапазона:

  • ближнего ИК в первом канале;
  • среднего ИК во втором канале;

ж) спектральной селекции в оптических каналах ОЭД с использованием фильтров с эффективным подавлением излучения вне полосы пропускания и приемников с ограниченным спектральным диапазоном чувствительности;
з) пространственной селекции изображения ЗУР за счет использования растра фотоприемника высокой разрешающей способности;
и) диафрагмирования полей зрения ОЭД в процессе автосопровождения;
к) временной селекции стробированием сигнала от бортового излучателя собственной ЗУР на время приема сигнала с учетом фактической или программной дальности и скорости ее движения;
л) электрической спектральной линейной и нелинейной селекции в тракте обработки видеосигналов с фотоприемных устройств ОЭД для подавления импульсных помех;
м) применения шторки для защиты фотоприемных устройств ОЭД от прямой солнечной засветки и светового излучения ядерного взрыва;
н) кодирования радиокоманд с помощью псевдослучайной последовательности;
о) выбора частоты работы передатчика псевдослучайным образом;
п) программного смещения траектории собственной ЗУР от линии визирования цели:

  • на стартовом участке — отворотом оптической оси первого канала в процессе сопровождения ЗУР по программе “обхода дыма”;
  • на маршевом участке — смещением углового положения изображения ЗУР на фиксированную величину с выходом на линию визирования за 1,0 — 1,5 с до встречи ЗУР с целью.

Таким образом, ОЭС с инфракрасными каналами сопровождения цели и ракеты является всесуточной, обеспечивает дальности сопровождения и захвата сравнимые с дальностями локационных систем аналогичных габаритов при более высокой точности работы. Это, учитывая гораздо меньшую стоимость ОЭС по сравнению с РЛС равного радиуса действия, делает ее применение в системах управления огнем ЗПРК очень перспективным, особенно в условиях массированного применения средств радиоэлектронной борьбы.