Виктор Млечин 4. Виктор Владимирович Млечин На передних рубежах радиолокации Виктор Млечин На передних рубежах радиолокации
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
Глава 7 Кибернетика, радиолокация, помехи (научно популярный очерк) 108 институту исполняется 70 лет. Отечественная радиолокация – на 10 лет старше. С тех пор, когда производились первые опыты и дальность действия созданных приборов едва достигала нескольких сотен метров (Ю. К. Коровин,1933 г.) или единиц километров (Б. К. Шембель, 1934 г.), радиолокация прошла огромный путь развития. Если судить только по дальности действия, то современная аппаратура способна принимать сигналы, отражённые от целей, расположенных на расстояниях от единиц метров до нескольких тысяч километров. Сейчас практически нет таких областей в жизни страны, где бы не использовались в том или ином виде средства получения радиолокационной информации. В гражданской сфере РЛС применяются для нужд авиации, на море – для кораблевождения, при запуске и посадке космических аппаратов, в интересах разведки и поиска природных ресурсов, в геологии и геодезии, для регулирования транспортных потоков, при астрофизических исследованиях. Вот что, например, используется в гражданской авиации17. Для управления воздушным движением основным средством являются импульсные РЛС с дальностью действия 300–400 км, кроме этого, в районах крупных аэропортов наблюдение ведут РЛС с дальностью 100–200 км. Эти РЛС, как правило, двухкоординатные (дальность, азимут), третья координата (угол места или высота) определяется путём запроса РЛС и активного ответа с лоцируемого объекта. Навигация по трассе может производиться теми же РЛС, но возможна и автономная навигация. Для выполнения посадки применяются специализированные РЛС, следящие за отклонением от курса и глиссады спуска. Посадочные РЛС имеют дальность в несколько десятков км, но обладают высокой точностью. Современные аэропорты обеспечены также РЛС обзора летного поля с дальностью в несколько километров, работающие в миллиметровом диапазоне волн. Высокая разрешающая способность этих РЛС обеспечивает распознавание самолётов, автомашин, движущегося персонала. Особое место занимают бортовые средства, определяющие препятствия и предотвращающие столкновения. Среди навигационных бортовых приборов, работающих на радиолокационных принципах, отметим радиовысотомер, а также доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса. Важное значение в авиации имеют метеорологические РЛС, обеспечивающие информацией о гидрометеорах (осадки, облака) и других метеопараметрах. Намечаются пути внедрения в повседневную практику автоматизированных систем на базе цифровых ЭВМ. В военной области РЛС применяются для обнаружения и измерения координат пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, на морских просторах – ордеров и отдельных кораблей, на сухопутном ТВД – танков, автомашин, артиллерийских орудий, миномётов, движущихся колонн пехоты. Важной задачей РЛС является управление стрельбой в моторизованных, танковых, артиллерийских частях, на кораблях и подводных лодках ВМФ, в авиации во время воздушного боя, а также при прицельном бомбометании. РЛС используются для наблюдения за полем боя и координации действий отдельных воинских соединений. Решающую роль играют РЛС при пуске и наведении ракет разных классов на выбранные цели. Так, невозможен прицельный пуск зенитных ракет в ЗРК без высокоточных РЛС. Локаторы обеспечивают следование по заданной траектории крылатых ракет, радиолокационные методы в сочетании с управлением существенно повышают прицельность попадания баллистических ракет в цель, и наконец, действие РЛС дальнего обнаружения и измерения координат БЧ ракет вместе с коррекцией движения поражающего средства при помощи ЭВМ создают условия для успешной работы всей системы ПРО. Ввиду разнообразия радиолокационных методов и средств классификация РЛС довольно сложна. Однако на некоторые критерии можно указать. Одним из таких критериев является диапазон используемых волн. В целом этот диапазон достаточно широк: от длинноволновой части радиодиапазона вплоть до области рентгеновского излучения. Большинство РЛС всё же работает в диапазоне от метровых до миллиметровых волн. Другой критерий проистекает от связки РЛС–цель. Так, наиболее распространены РЛС с активным излучением и приёмом отражённого сигнала от пассивной цели. Но могут быть системы с активным ответом (т. н. «запросные» системы). В этом случае на цели устанавливается ответчик, который по запросу РЛС излучает сигнал. Имеются пассивные РЛС с приёмным устройством, предназначенным для приёма, например, теплового излучения объекта или излучения небесных тел. Возможны и беззапросные системы, когда в РЛС имеется приемно измерительное устройство, а передатчик находится на цели. Различают также одно – или многопозиционные РЛС. В последнем случае единый приемопередающий центр обслуживает приёмные устройства, находящиеся на удалении от него (т. н. «разнесенные» системы). Существуют и многопунктные системы навигации для самоопределения собственного положения объекта относительно опорных маяков или наземных РЛС. Как видим, радиолокация прошла солидный путь развития. Но уже с началом эксплуатации первых РЛС наряду с полезными колебаниями от лоцируемых целей на входе РЛС стали появляться сигналы, затруднявшие или даже делавшие невозможным нормальное функционирование РЛС. Источниками этих сигналов служили мешающие отражения от местных предметов, таких как лес, кусты, постройки в зоне действия РЛС, а также морских отражений от волн, обильных дождей, снега и т. п. Но природа нарушающих сигналов могла быть и иной. Паразитными для данной РЛС являлись некоторые излучения промышленных предприятий, соседних РЛС, космических объектов. Сигналы подобного рода получили название неорганизованных помех. В разгар Второй мировой войны появились средства борьбы с РЛС противника, включающие передатчики активных помех и дипольные отражатели. Они составили класс организованных помех. В дальнейшем вместе с развитием радиолокационной техники наблюдался и ощутимый прогресс в области противорадиолокации. От отдельных передатчиков перешли к станциям помех с анализом принимаемых сигналов и управляемым излучением, а затем к комплексам обороны объектов, включающим как радиолокационные, так и противорадиолокационные – активные и пассивные – средства защиты. Представляется, что процесс развития щита и меча следует рассматривать в совокупности или в соответствии с одной из основных философских категорий – в единстве и борьбе противоположностей. Противоположные интересы сторон, конфликтность ситуации обобщены в таком широко используемом у нас понятии как «радиоэлектронная борьба» (РЭБ). Но в чём существо этой борьбы? Есть ли единая точка зрения противоборствующих сторон на перспективы дальнейшего развития? В чём заключаются конкретные действия сторон? Вот вопросы, которые, наверное, может задать читатель, никак не связанный с проблематикой. На эти вопросы трудно ответить с помощью единых формулировок. Трудно потому, что необходимо владение понятиями общей радиотехники и смежных дисциплин, определённым математическим багажом, а это, по видимому, недоступно для малоподготовленного читателя. И всё же автор попробует разъяснить интересы и действия сторон с помощью более общих подходов, правда, без особых надежд на успех такого рассмотрения. Общую позицию при исследовании процессов, происходящих в технике, экономике, биологии, обществе устанавливает такая наука, как кибернетика18. Под системой в кибернетике понимается связное объединение любых элементов. Характерными признаками кибернетической системы являются организованность и управляемость. Системы, основанные на хаотическом броуновском движении элементов, обладают нулевой организованностью, высокоразвитые живые организмы – повышенной организованностью. Управляемые системы предполагают возможность изменения своих движений под влиянием управляющих воздействий, при этом обеспечивается выбор предпочтительного движения. Что такое движение? В кибернетике это любое изменение объекта во времени или по Гегелю: движение есть изменение вообще. Состояние системы может характеризоваться набором значений величин, определяющих её поведение. Так, состояние больных простудой часто характеризуют двумя величинами: температурой и артериальным давлением, а для больных сахарным диабетом сюда прибавляют показания глюкометра. Если отложить измеренные в данный момент времени, и притом независимые, величины по осям координат, то получим пространство состояний. Для вышеуказанного примера число координат в первом случае равно двум, для второго – трём. В общем случае число измеряемых параметров обозначается n , при этом образуется n мерное пространство состояний. При изменении состояния системы, т. е. при её движении, изображающая точка перемещается в пространстве состояний. Если система при движении может принимать в некоторой ограниченной области пространства любые значения, то такая система называется непрерывной, при фиксированных конечных значениях координат изображающей точки система превращается в дискретную. Относительно любой системы можно сказать, что на неё воздействует множество факторов. При решении каждой задачи, выполняемой системой, одни воздействия являются существенными, другие – малосущественными. Наиболее существенные внешние воздействия образуют класс входных величин или входных переменных. Точки их приложения к системе называются её входами. Различают управляющие и возмущающие воздействия. Реакция системы на входные воздействия создаёт выходные величины или переменные, точки съёма которых являются выходами системы. Обычно приводят пример, связанный с движением самолёта. Входными воздействиями на самолёт в его полёте являются положение рулей, тяговые усилия двигателей, сила и направление ветра, плотность атмосферы, из них первые два фактора – управляющие воздействия, два последних – возмущающие воздействия. Выходными величинами при транспортировке самолётом груза в заданном направлении служат курс и скорость движения, при этом цель управления – доставка груза в заданное место за оговорённое время. Другой пример – это электронный усилитель или вообще безынерционный преобразователь, выходное и входное напряжения которых связаны между собой так называемой амплитудной характеристикой. Крутизна этой характеристики в усилителе при малом напряжении входа называется коэффициентом усиления или коэффициентом передачи. Если в рабочей области входных напряжений коэффициент усиления практически не меняется, оставаясь постоянным, говорят, что усилитель работает в линейном режиме. Однако при бо́льших напряжениях входа часто наблюдается явление насыщения, и амплитудная характеристика становится нелинейной, что свидетельствует о переходе усилителя в нелинейный режим. Амплитудная характеристика безынерционного преобразователя в принципе может быть любой – линейной или нелинейной. Кроме входного напряжения на усилитель действуют внешние и внутренние возмущения в виде фона источников питания или собственных, т. е. внутренних, шумов. Влияние этих возмущений на выходное напряжение усилителя стараются уменьшить. Если усилитель состоит из набора параллельно работающих линейных усилительных каналов, имеющих в общем случае m входов и n выходов, то пространство выхода системы зависит как от пространства входа системы, так и от пространства состояний самой системы, т. е. от коэффициентов усиления с каждого входа к каждому выходу. Кибернетика изучает поведение системы на моделях, отражающих с той или иной полнотой черты сходства с оригиналом. Подобие оригинала и модели обозначается обычно волнистой линией А – В. Существует ряд понятий, связанных с построением моделей. Так, если внутреннее содержание системы недоступно, а определяются лишь входные и выходные величины, говорят о системе как о чёрном ящике. Несмотря на отсутствие сведений о таких системах, встречаются объекты, одинаково реагирующие на внешние воздействия при одинаковом наборе входных и выходных величин. Такие системы называются изоморфными. При моделировании важно сохранение основных черт и свойств системы с одновременным упрощением в интересах проведения её анализа. Именно упрощённые или гомоморфные модели систем наиболее часто являются объектами исследований. Динамические системы, т. е. системы, переходящие из одного состояния в другое, могут находиться в одном из трёх режимов: равновесном, переходном или периодическом. Равновесный режим отличается постоянством координат системы и представляется в пространстве состояний неподвижными особыми точками или их совокупностью. Возможен также периодический (циклический) режим, когда система приходит в одно и то же состояние через одинаковые интервалы времени. Режим перехода из одного состояния в другое является переходным. По истечении переходного режима система может перейти в установившийся режим – равновесный или периодический. Кардинальным понятием в кибернетике является устойчивость системы. Устойчивость определяет постоянство состояния системы или постоянство последовательности состояний в процессе движения. Возможен как аналитический, так и геометрический подход к проблеме устойчивости. Аналитический подход базируется на математических критериях устойчивости, среди которых фундаментальным является критерий, развитый А. М. Ляпуновым. В простейшем пересказе этот критерий звучит так: равновесное состояние устойчиво, если, начавшись вблизи него, движение никогда не достигнет границ заранее оговорённой, достаточно малой, области, окружающей точку равновесия. Геометрический метод определения устойчивых и неустойчивых особых точек равновесия, а также устойчивых и неустойчивых движений основан на построении фазового пространства. В простейшем случае фазовое пространство представляется в виде фазовой плоскости, по одной из осей которой отложена координата системы, а по другой скорость её изменения. Через каждую точку фазового пространства проходит фазовая траектория, по которой движется изображающая точка. Направление движения ориентировано к устойчивой точке равновесия или от неё – в случае неустойчивости. При периодическом движении изображающая точка движется по замкнутой кривой, называемой предельным циклом. Предельный цикл устойчив, если траектория из начального состояния направлена к нему (циклу), и неустойчив, если изображающая точка сходит с него. Большой круг задач, исследуемых в кибернетике, связан с управлением объектами. Управление действует на объект таким образом, что улучшается его функционирование или развитие. Управляемый объект вместе с управляющим устройством образует систему управления. Управление обычно производится через исполнительные органы. Различают четыре основных типа задач управления: стабилизация, программное управление, слежение, оптимизация. При стабилизации поддерживается значение некоторой управляемой величины X вблизи неизменного параметра Х 0 в условиях негативного воздействия возмущений на указанную величину. Так, в системах энергоснабжения поддерживается величина напряжения и частота тока в сети при изменяемом потреблении энергии. Программное управление имеет место при изменении параметра Х 0 по заранее известному закону (по программе). В качестве примеров можно назвать вывод ракеты на заданную траекторию полёта, перемещение трубы телескопа по программе с учётом вращения Земли. Если зависимость Х 0 от времени заранее неизвестна и требуется возможно более точное соответствие состояния системы Х (t ) изменяющемуся параметру Х 0(t ), необходим процесс слежения за этим параметром. Например, управление производством товара при непредвидимых изменениях спроса, в живых организмах изменение ритма и глубины дыхания при вариациях физической нагрузки и т. д. Задача оптимизации состоит в установлении наилучшего по определённому критерию режима работы управляемого объекта. К этим задачам в экономике относятся, например, задачи максимизации прибыли, минимизации потерь сырья и другие подобные задачи. Различают разомкнутые и замкнутые системы управления. В разомкнутых системах информация о состоянии управляемого объекта не используется в управляющем воздействии. Если эта информация закладывается в устройстве управления объектом, система называется замкнутой. В соответствии со сказанным зависимость выходной координаты Y jj го элемента системы от входной координаты X ii го элемента определяется как прямая связь от i го элемента (вход) к j му (выход). И наоборот, зависимость координат входного элемента от координат выходного элемента определяется в замкнутых системах как обратная связь. Различают положительную и отрицательную обратную связь в зависимости от знака её приложения в управляющем устройстве. Кроме того, возможна мгновенно действующая связь и связь с запаздыванием. В последнем случае запаздывание может обусловливаться как инерционными свойствами связи, так и наличием элементов памяти в цепи передачи. Важное значение имеют системы, созданные человеком, но работающие без его непосредственного участия, так называемые системы автоматического управления. Они состоят из объекта управления, измерителя его состояния, управляющего и исполнительного звеньев. Точность работы таких систем определяется их добротностью, т. е. произведением коэффициентов передачи прямой и обратной связи в режиме разомкнутой обратной связи. Однако повышение добротности системы может привести к уменьшению запаса её устойчивости. Мы говорим о системе автоматического управления как о системе с установившейся структурой и предсказуемой формой поведения. Реакция таких систем определяется характером внешних воздействий и свойствами возможных возмущений. Однако в условиях изменяющихся факторов существования самой системы, в условиях частичной неопределённости среды, при которых механизмы действия системы неспособны подобрать нужную реакцию, возникает необходимость изменения структуры системы и форм её поведения. Процесс изменения свойств системы, позволяющий ей достигнуть приемлемого или даже оптимального состояния в условиях изменяющихся внешних или внутренних факторов, называется адаптацией. Яркий пример адаптации состоит в приспосабливаемости живых организмов к изменениям внешней среды или условий существования. Для технических или экономических систем адаптация выражается в виде изменения режима работы, вариаций структуры построения, смены управляющих воздействий. Одним из наиболее часто используемых приёмов при адаптации является поиск опасных воздействий или объектов, а также поиск оптимальных режимов работы. Поиск, как правило, выполняется при определённых ограничениях. В живых организмах температура тела, артериальное давление, содержание глюкозы в крови должны находиться в заданных пределах. В технике, как и в экономике, основные параметры также ограничены по величине. В пространстве режимных параметров выделяется область, внутри которой должна находиться точка, изображающая текущий режим работы системы. Однако не все точки этой области адекватны по эффективности. Каждая система управления должна обеспечивать наибольшую эффективность по одному или нескольким критериям. Такими критериями, например, могут быть наибольшее быстродействие, минимальный расход топлива, минимальные потери сырья и т. п. В связи с этим перед системой ставится задача обеспечить наилучшее приближение к такой точке режимного пространства, в которой имеет место наибольшая эффективность по заданным критериям. Эта задача становится особенно актуальной в условиях непредсказуемого изменения значения максимальной эффективности, но при сохранении области режимных предпочтений. При поиске параметров, отвечающих наибольшей эффективности, самым простым является метод последовательного прохождения всех параметров в заданных границах. При этом вся область поиска разбивается на |