基于捷联制导技术的导弹控制系统设计与仿真

基于捷联制导技术的导弹控制系统设计与仿真

李元

TheMissileGuidanceSystemDesignandSimulationBasedonStrapdownTechnology

李元LIYuan曰杨锁昌YANGSuo-chang曰田再克TIANZai-ke曰李鹏程LIPeng-cheng（军械工程学院导弹工程系，石家庄050003）（DepartmentofMissileEngineering，OrdnanceEngineeringCollege，Shijiazhuang050003，China）

摘要院精确制导武器在现代战争中扮演着越来越重要的作用，但高昂的成本阻碍了其大规模应用。本文根据这一情况提出了一种基于捷联式导引技术的制导系统方案。本方案由捷联导引头和一套惯性组合器件(IMU)组成，采用制导与控制一体化技术。本文重点对导引律和控制系统进行了详细研究，并建立了相应的数学模型。通过仿真实验表明，该控制方案能够有效对弹丸进行控制，其控制精度符合制导系统要求。

Abstract:Precision-guidedweaponshasmadeaveryimportantplaceinthemodernwar,butitshighcostshinderedthelarge-scaleapplication.TheschemeconsistsofthestrapdownseekerandIMU(InertialMeasurementUnit)deliveringunitaryguidanceandcontroltechnology.Inthepremiseofensuringlow-cost,theaccuracyofguidancesystemisgreatlyimproved.Thesimulationresultsshowthatthedesignhasagoodballisticcharacteristics.

关键词院捷联式导引；比例导引；制导与控制

Keywords:seekguidance；proportionalguidance；guidanceandcontrol

中图分类号院TJ765文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）10-0032-030

引言从最近几场战争中可以看出，精确制导武器在现代战争中发挥着越来越重要的作用，但传统的带万向支架的惯性制导技术由于技术复杂、成本高昂无法大规模装备部队。因此，本文提出了一种基于捷联图像导引技术的低成本制导系统方案，并对该方案进行了仿真研究。

1总体结构设计捷联图像制导利用捷联式成像导引头代替传统的平台式导引头，在提高导弹制导精度的同时大大降低了武器系统的制造成本。该方式在导弹发射后由捷联图像导引头实时测量弹目的相对运动关系并自动导引弹丸飞向目标，无需发射平台或操作手继续监视目标而是可以将注意力转至下一个威胁目标，提高射手的安全性，实现发射后不管。

本文为了降低导弹控制系统的制造成本采用一体化方式对捷联图像制导系统进行研究。同一惯性器件既用于制导也用于飞行控制中，这不仅降低了系统的研制成本还提高了控制性能。使用数字平台代替陀螺稳定平台，降低系统的结构复杂度。捷联图像制导系统使用捷联式导引头获取弹体系下的弹目视线角，利用弹体捷联的惯性器件获得导弹姿态信息，并将这些信息处理后生成控制指令作为控制系统（自动驾驶仪）的输入，控制系统输出操纵导弹所需的控制面偏转角，所形成的弹体运动由惯性器件及导引头输出测出，从而构成闭合控制系统，系统框架如图1所示。

2弹道模型的建立对于考虑成质点运动的导弹，主要考虑重力G、发动机推力P和气动力的作用。如图2所示，在地面坐标系为参考系的情况下，其中重力G始终指向铅垂方向或者地心；发动机推力P一般沿着弹轴方向向前，但通常导弹的攻角琢比较小（燮5毅~10毅），可以认为推力P沿着速度方向

其中，kv为法向比例导引系数，kz为侧向比例导引系数。v为导弹惯性系速度。兹为惯性系弹道倾角。q觶z和q觶y为导弹与目标连线相对于惯性系的纵向和横向角速度。当发射点和目标点的经纬度已知时，可以解出目标点在发射系的坐标。并且如果目标为固定目标时，其速度为零。这样，可以解得导弹与目标连线在发射系下的相对位置和速度，进而求得视线角速率。

4控制回路设计4.1俯仰控制回路建模在基于捷联图像导引头的制导与控制系统中，俯仰、偏航控制属于姿态控制中重要的组成部分，这两种控制是导弹依照设计的导引律进行控制。

俯仰控制回路模型如图4所示。对于使用交叉型的气动布局而言，这两种控制方式是非常相似的，所以这里以俯仰控制回路为例进行分析。其主要包括控制回路和阻尼回路两部分[6]。

4.1.2控制回路图4所示俯仰控制回路为框图最外面的反馈回路，其对弹体运动的侧向加速度进行反馈，经过滤波器后作为控制系统的输入，借助该反馈回路为系统提供舵偏控制信号。

过载开环传递函数：

选择适当的Kaf，能有效的改善系统的响应特性和动态特性。

4.2滚动控制回路建模导弹在飞行的过程中，受到外界的干扰时，力矩的改变使弹体沿着导弹纵轴转动，对于传统的具有万向支架导引头的导弹来说，万向支架能保证导引头不随弹体转动所以弹体的转动不影响导引头测量目标视线角以及跟踪目标。但对于本文研究的捷联图像导引头来说，它与弹体固连在一起，弹体的转动直接影响到图像导引头对目标信息的采集。为了保证弹体相对于导弹纵轴的稳定，对捷联图像制导与控制系统引入滚动控制回路，它的作用是使弹体维持在导弹发射前的稳定状态或者系统设定的滚动角的初始位置。

滚动控制回路的结构图如图6所示，该回路是一个自稳定回路，它没有外加的控制指令，其控制基准是导弹的初始信号。滚动控制回路由弹上的速率陀螺测得导弹纵轴的滚转角速度，该角速度经滤波处理负反馈给控制系统，再由滚转回路的比例积分器产生舵面偏转指令，从而消除滚动参数的偏差。

其中Km为积分的增益，Ti为积分时间。需要指出的是，该滚动控制回路对系统的响应速度有较高的要求。

5仿真及分析根据本文所研究的基于捷联图像导引头的制导与控制系统，应用模拟打靶的方法，对于其制导与控制系统的精度进行仿真分析。在仿真试验时，为了验证实际飞行过程中的制导精度，在仿真过程中引入制导工具误差和制导方法误差，例如加入三轴角速率陀螺常值漂移、角速度标度因数、加速度计的标度因数、初始重量偏差等等，这样分析的制导与控制精度更具有参考价值。

为了验证捷联图像制导与控制系统的特性，分别以有无导引头的情况进行仿真试验。

考虑各种制导工具误差和制导方法误差，对射程3km，无导引头（即程控弹）情况，进行模拟打靶，结果如图7所示，在无导引头时，偏差很大，单纯依靠控制系统无法对误差进行补偿。在有导引头情况，仿真结果结果如图8所示，其CEP为0.65米，导弹的脱靶量为0.4米左右，系统的制导精度基本满足捷联图像制导系统的要求。

6结论在捷联制导技术日趋成熟的今天，将捷联制导技术应用精确制导武器上已经成为现今武器发展的热点。本文给出了一种低成本的捷联图像制导系统设计方案，并通过仿真试验验证了该系统的可行性。

参考文献院[1]王狂飙援直升机制导航空火箭弹发展分析[J]援航空兵器,2003(6)：36.[2]沈佳,冯云松,杨丽.精确制导武器的发展现状和趋势[J].航空科学技术,2006(1):1-3.[3]毕开波等.行器制导与控制及其MATLAB仿真技术[M].北京:国防工业出版社,2009,4.[4]钱杏芳等.导弹飞行力学[M].北京:北京工业学院出版社,1987,12:30-36.[5]UnguidedRocketsGetsGuidance.FM,Dec.1999：17.[6]黄忠霖援控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京:国防工业出版社，2004.作者简介院李元（1986-），男，河北石家庄人，军械工程学院导弹工程系，讲师，硕士，研究方向为导航制导与控制。