胡 洋 ，彭曉樂，王宏宇

（西南技術(shù)物理研究所四川 成 都 6 10041）

導引頭探測器平臺的穩(wěn)定方式有多種，包括動力陀螺穩(wěn)定、速率陀螺穩(wěn)定[1]、半捷聯(lián)陀螺（導彈陀螺）穩(wěn)定。其中速率陀螺穩(wěn)定平臺以其較高的穩(wěn)定精度和具有較大的帶寬而在戰(zhàn)術(shù)導彈中獲得廣泛應用。但對于導引頭低成本、小型化、智能化的發(fā)展需要，直接采用速率陀螺穩(wěn)定方式受到限制，為此提出采用半捷聯(lián)穩(wěn)定方式來解決探測器平臺穩(wěn)定問題。

半捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺取掉了與穩(wěn)定平臺框架固聯(lián)的角速率陀螺。優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，減小了導引頭的體積，降低了成本，在限定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)條件下有較好的精度。半捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺是一種“數(shù)字平臺”，捷聯(lián)慣性測量單元置于框架基座上，直接測量彈體擾動，得到彈體的角速度信息，并送入數(shù)字信號處理器，捷聯(lián)穩(wěn)定算法然后驅(qū)動框架相應的伺服控制環(huán)對彈體運動進行補償[2]。

半捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺利用導彈自動駕駛儀的高精度陀螺傳感器信息，通過解算得到穩(wěn)定探測器光軸指向的伺服控制指令，使同一慣性器件既可以用于平臺的穩(wěn)定，又可以為飛行控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定與控制需要的彈體角速率信息。但由于半捷聯(lián)式平臺探測器光軸上沒有慣性測量元件，無法直接測定探測器光軸相對慣性空間的角速度信息并構(gòu)成反饋來隔離彈體對光軸的擾動；同時失去了直接測定視線角速度的能力[3]，只能提供彈體坐標系和平臺框架坐標系內(nèi)探測器相對目標位置即視線角的測量數(shù)值。

針對上述情況，針對影響半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺隔離度的因素作了理論分析，并進行數(shù)學仿真，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)得出各因素的影響程度，對實際工程設(shè)計具有一定的指導意義。

1 半捷聯(lián)平臺穩(wěn)定方案

目前在我國，半捷聯(lián)穩(wěn)定已用于車載尋北儀、火炮瞄準線穩(wěn)定等陸上設(shè)備中，但在彈上應用還很少。對該領(lǐng)域的研究[4]也是從近十年才開始的，而在國外，半捷聯(lián)穩(wěn)定技術(shù)已在彈上應用，如美國的AIM-9X空空導彈、德國的KEPD-350“金牛座”防區(qū)外空地導彈等，其中具有代表性的就是“金牛座”防區(qū)外空地導彈，它的導引頭外觀如圖1所示，采用航向/俯仰的機械結(jié)構(gòu)，省去了橫滾框。基于兩框架結(jié)構(gòu)對半捷聯(lián)穩(wěn)定方案進行誤差因素分析。

圖1 KEPD-350“金牛座”防區(qū)外空地導彈導引頭

半捷聯(lián)系統(tǒng)坐標轉(zhuǎn)換原理為：彈體坐標系O1x1y1z1：坐標原點O1取在導彈的質(zhì)心，O1x1軸與彈體幾何縱軸重合，指向彈頭方向為正；O1y1軸在彈體縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，與O1x1軸垂直，向上為正[5]；O1z1軸垂直于O1x1y1平面，其方向按右手定則確定[6]。

光軸坐標系O2x2y2z2：與穩(wěn)定平臺內(nèi)框固聯(lián)，坐標原點O2取在探測器靶面中心，在穩(wěn)定平臺各框均處于零位時，光軸坐標系O2x2y2z2與彈體坐標系O1x1y1z1重合。內(nèi)框為航向框，外框為俯仰框。

送給飛行控制系統(tǒng)的視線角速度：

2 半捷聯(lián)平臺隔離度影響因素分析

影響半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺隔離度的因素主要有：1）半捷聯(lián)坐標轉(zhuǎn)換計算誤差；2）平臺轉(zhuǎn)動干擾力矩，包括轉(zhuǎn)動摩擦力矩以及導線扭轉(zhuǎn)力矩等；3）平臺框架角測量元件的角度測量誤差，包括測量偏差和測量器件非線性誤差；4）角速度測量元件或角度測量元件與微分濾波環(huán)節(jié)測得的角速度量誤差；5）角度/角速度測量元件及捷聯(lián)陀螺數(shù)據(jù)刷新延時導致的誤差。

2.1 捷聯(lián)坐標轉(zhuǎn)換對平臺隔離度的影響

在不計入其他各項誤差因素的情況下，取一組典型彈體姿態(tài)擾動進行仿真：幅度（deg）/頻率（Hz）；航向：0.5/1，0.3/1.3，0.1/1.6，0.1/2；俯仰：0.5/0.8，0.6/1，0.2/1.3，0.2/1.5。仿真結(jié)果如表1所示。

2.2 平臺框架轉(zhuǎn)動力矩對平臺隔離度的影響

在不考慮其他誤差影響因素的情況下，引入框架轉(zhuǎn)動干擾力矩，取典型彈體姿態(tài)擾動進行仿真，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 捷聯(lián)坐標轉(zhuǎn)換對平臺隔離度的影響

表2 平臺框架轉(zhuǎn)動力矩對平臺隔離度的影響

2.3 框架角測量元件對平臺隔離度的影響

2.3.1 框架角測量元件零位測量偏差對平臺隔離度的影響

將框架運動主令計算公式中的EB用EB+△EB代替，EH用EH+△EH代替，分別得到其中△EB為俯仰角度零位測量偏差，△EH為航向角度零位測量偏差。于是轉(zhuǎn)換誤差表示為：

為簡化分析過程，令彈體坐標系三軸擾動角速度大小相等且wfh=wfb=0，于是可以考查轉(zhuǎn)換造成的角速度誤差相對于彈體擾動角速度的比例：

同時通過對式（5）的分析可知，彈體角速度的符號變化都能夠等效為EB或EH的符號變化，只是計算結(jié)果需反號，所以只需分析一種符號下的彈體擾動角速度即可?？傻迷诳蚣苓\動范圍內(nèi)（航向框架角-18°～+18°、 俯仰框架角-82°～+17°）框架角零位測量偏差導致角速度誤差比例如表3所示。

表3 平臺框架轉(zhuǎn)動力矩對平臺隔離度的影響

由表3可得：框架角速度指令誤差大小除了取決于框架測角誤差以及穩(wěn)定平臺框架角，還取決于彈體的擾動大小。當航向俯仰框架均位于活動范圍以內(nèi)，且測角誤差為±0.2°時，角速度誤差與彈體擾動的比值范圍，航向為-0.605%～+0.604%，俯仰為-1.27%～+1.27%。

2.3.2 框架角測量元件非線性對平臺隔離度的影響

將框架運動主令式（5）中的EB用EB×（1±0.2%）代替，EH用EH×（1±0.2%）代替，分別得到其中ΔEB為俯仰角度測量誤差，ΔEH為航向角度測量誤差。轉(zhuǎn)換誤差為：

為了簡化分析過程，令三軸的彈體擾動角速度大小相等且ωfh=ωfb=0，于是可只考查轉(zhuǎn)換導致的角速度誤差相對于彈體擾動角速度的比例：

表4為在框架運動范圍內(nèi)框架角非線性測量偏差導致角速度誤差比例。由表4可得：框架角速度指令誤差大小除了取決于框架測角誤差以及穩(wěn)定平臺框架角，還取決于彈體的擾動。在航向、俯仰框架活動范圍以內(nèi)，且測角誤差為±0.2%時，角速度誤差與彈體擾動的比值范圍航向為-0.151%～+0.151%，俯仰為-0.291%～+0.290%。

表4 平臺框架轉(zhuǎn)動力矩對平臺隔離度的影響

2.4 采樣延時對平臺隔離度的影響

角度傳感器選用電位計，在數(shù)學仿真中以比例環(huán)節(jié)加采樣延時環(huán)節(jié)表示。采樣頻率為1 kHz，即延時1 ms。對伺服模塊進行仿真，模型如圖2所示。

采樣延時會給控制信號引入高頻噪聲，所以需要設(shè)置低通濾波器對捷聯(lián)計算模塊計算輸出的平臺伺服控制指令進行低通濾波。捷聯(lián)陀螺的數(shù)據(jù)刷新率若為200 Hz，延時時間為5 ms，平臺伺服控制指令經(jīng)濾波處理后，數(shù)據(jù)刷新延時對導致平臺隔離度的影響如表5所示。由表5可知陀螺數(shù)據(jù)刷新率對隔離度影響較大。

圖2 伺服模塊仿真模型

表5 數(shù)據(jù)刷新延時5 ms系統(tǒng)的隔離度

捷聯(lián)陀螺的數(shù)據(jù)刷新率提高到400 Hz時，延時時間為2.5 ms，電位計采樣延時不變，平臺伺服控制指令經(jīng)濾波處理后，數(shù)據(jù)刷新延時導致平臺隔離度變化如表6所示。由表6數(shù)據(jù)可知捷聯(lián)陀螺數(shù)據(jù)刷新率對平臺隔離度影響較大，降低測量數(shù)據(jù)刷新延時可提高平臺隔離度。

2.5 角速度測量誤差對平臺隔離度的影響

在伺服模塊速率反饋環(huán)節(jié)添加白噪聲模塊作為反饋環(huán)節(jié)測量誤差量，由于白噪聲經(jīng)微分環(huán)節(jié)后會導致系統(tǒng)發(fā)散，故將速率反饋回路中的數(shù)值微分環(huán)節(jié)與機械積分環(huán)節(jié)對消，以正弦信號發(fā)生器模擬捷聯(lián)模塊解算出的平臺私服控制指令信號，圖3對伺服模塊進行數(shù)學仿真，表7為角速度測量誤差導致隔離度。

圖3 伺服環(huán)節(jié)仿真模型添加角速度測量誤差量

表6 數(shù)據(jù)刷新延時2.5 ms系統(tǒng)的隔離度

表7 角速度測量誤差導致隔離度

伺服角速度量反饋誤差對平臺隔離度的影響和誤差量基本成正比關(guān)系與彈體擾動關(guān)系不大，當彈體擾動和速度反饋誤差量級相近時，將導致平臺隔離特性很差。

3 結(jié)論

分析上述仿真結(jié)果可得知：1）坐標轉(zhuǎn)換對穩(wěn)定平臺隔離度影響較??；2）平臺框架轉(zhuǎn)動干擾力矩對穩(wěn)定平臺隔離度有一定影響，應在結(jié)構(gòu)設(shè)計中進行優(yōu)化并提高加工工藝盡量減小轉(zhuǎn)動干擾力矩，同時適當增大平臺伺服環(huán)節(jié)PID比例控制系數(shù)，提高穩(wěn)定平臺抗干擾力矩能力；3）框架角位置測量元件精度對穩(wěn)定平臺隔離度有一定影響，且零位測量偏差影響程度比元器件非線性測量誤差影響程度要大，故在平臺設(shè)計時應注意選用線性度好的測量元件，并著重減小安裝誤差以降低零位測量偏差；4）采樣延時對穩(wěn)定平臺隔離度影響較大，選用較高數(shù)據(jù)刷新率的陀螺測量元件并對平臺伺服控制指令信號進行濾波可以提高平臺穩(wěn)定精度；5）角速度反饋測量誤差對穩(wěn)定平臺隔離度影響較大，且與彈體擾動關(guān)聯(lián)不大，故可以對角速度測量誤差生成機理建模進行誤差補償。

[1]張聘義，祁載康，崔瑩瑩.一種匹配濾波方法在導引頭捷聯(lián)穩(wěn)定平臺中的應用研究[J].紅外技術(shù)，2005，27（1）：19-21

[2]周瑞青，呂善偉，劉新華.彈載捷聯(lián)式天線平臺兩種穩(wěn)定實現(xiàn)方法的比較[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（8）：32-35.

[3]周瑞青，呂善偉，劉新華.捷聯(lián)式天線平臺的角跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，25（10）：16-18.

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