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        彈地人在回路末制導(dǎo)時延補(bǔ)償改進(jìn)模型

        2012-03-03 06:18:12劉冬鮮勇胡真堅楊得國郭飛帥
        飛行力學(xué) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:小量慣導(dǎo)制導(dǎo)

        劉冬,鮮勇,胡真堅,楊得國,郭飛帥

        (第二炮兵工程大學(xué)603教研室,陜西西安 710025)

        引言

        某新型巡航導(dǎo)彈擁有了衛(wèi)星通信鏈路的支持,可以實(shí)現(xiàn)人在回路的作戰(zhàn)應(yīng)用。然而,導(dǎo)彈彈上成像傳感器攝取圖像后經(jīng)圖像解壓縮、數(shù)據(jù)加解密、衛(wèi)星上下傳、地面處理、人工操作、導(dǎo)彈制導(dǎo)控制運(yùn)算等一系列過程,到最終導(dǎo)彈形成制導(dǎo)指令,比一般應(yīng)用在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈/炸彈的電視制導(dǎo)方式需要更長的時間。因此,研究地面目標(biāo)指示信息時間延遲情況下的末段精確制導(dǎo)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈人在回路精確制導(dǎo)的基礎(chǔ)。

        國外在人在回路制導(dǎo)控制延遲補(bǔ)償技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟,如美國海軍的戰(zhàn)斧Block-IV,俄羅斯Π-700“花崗巖”超聲速反艦巡航導(dǎo)彈等都達(dá)到了先進(jìn)水平。雖然國內(nèi)在空投激光導(dǎo)引炸彈、激光導(dǎo)引空空導(dǎo)彈、人工導(dǎo)引反坦克導(dǎo)彈等方面取得了豐碩成果,武器的打擊精度和戰(zhàn)場適應(yīng)能力得到了大幅度提高,但是對于遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈目前仍然處于發(fā)射后不管的作戰(zhàn)模式,遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈的人在回路控制、大延時精確制導(dǎo)方面尚處于理論研究的初級階段[1-8]。

        1 人在回路時延補(bǔ)償問題的提出

        慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)的基礎(chǔ),具有短時精度高、信息全面、數(shù)據(jù)更新率高的特點(diǎn)。但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差具有隨時間積累的特性,導(dǎo)航時間越長,導(dǎo)航誤差越大,必須依靠衛(wèi)星導(dǎo)航、地形匹配和景像匹配進(jìn)行修正。

        末制導(dǎo)時,導(dǎo)彈以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主,依靠前視導(dǎo)引頭提供目標(biāo)與導(dǎo)彈的相對關(guān)系,形成制導(dǎo)指令,消除制導(dǎo)誤差。當(dāng)不存在目標(biāo)指示信息延遲情況時,導(dǎo)彈可以直接利用導(dǎo)引頭信號進(jìn)行精確制導(dǎo)。當(dāng)存在目標(biāo)指示信息延遲后,必須對延遲造成的狀態(tài)誤差進(jìn)行修正。

        利用時間截獲得時間間隔Δt;利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短時導(dǎo)航精度高的特點(diǎn),建立慣性系統(tǒng)相對導(dǎo)航模型,在運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上解算導(dǎo)彈在t時刻和t+Δt時刻的相對狀態(tài)關(guān)系;依據(jù)導(dǎo)彈在t時刻目標(biāo)在導(dǎo)引頭視場內(nèi)的信息、相對導(dǎo)航信息的基礎(chǔ)上解算導(dǎo)彈在t+Δt時刻的導(dǎo)引量,為精確制導(dǎo)提供導(dǎo)引指令?;谏鲜鲅a(bǔ)償思想,本文提出了小量近似法及雙重定位法兩種補(bǔ)償方案。

        2 彈地人在回路時延補(bǔ)償方法

        本文提出幾點(diǎn)假設(shè):

        (1)當(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)階段后,導(dǎo)彈在沒有收到地面導(dǎo)引指令前將沿直線飛行;

        (2)由于慣導(dǎo)短時精度高,所以慣導(dǎo)測出Δt時間內(nèi)的導(dǎo)彈相對位置距離等于導(dǎo)彈真實(shí)的相對位置距離;

        (3)在慣性坐標(biāo)系下僅推導(dǎo)導(dǎo)彈與目標(biāo)橫向關(guān)系,縱向?qū)б坑嬎惴椒愃?,不再敘述?/p>

        2.1 小量近似法

        圖1 慣性坐標(biāo)系下橫向位置關(guān)系圖

        建立模型如下:

        導(dǎo)彈t時刻回傳信息至地面與t+Δt時刻收到目標(biāo)的指示信息之間的延遲大約為0.1~1.0 s之間,所以可以將看成小量,從而得到≈α。

        如圖1所示,可得到近似公式如下:

        從圖1中解算三角形幾何關(guān)系,可求得t+Δt時刻導(dǎo)彈所需要的橫向?qū)б繛?

        2.2 雙重定位法

        圖2 雙重定位法橫向位置關(guān)系圖

        雙重定位法橫向位置關(guān)系見圖2。圖中,t1,t2,t3都是以導(dǎo)彈上慣導(dǎo)輸出的時間為基準(zhǔn)(地面上收到的圖像信息是實(shí)時更新的,以導(dǎo)彈慣導(dǎo)時間為基準(zhǔn)有利于計算);(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)分別為t1,t2,t3時刻導(dǎo)彈慣導(dǎo)測出的坐標(biāo);L為t3時刻慣導(dǎo)求得的導(dǎo)彈與目標(biāo)的距離;分別為t1,t2時刻的橫向?qū)б繛閠2和t1時刻導(dǎo)彈真實(shí)位置的相對距離;s1為t2和t1時刻導(dǎo)彈慣導(dǎo)位置的相對距離;為t3和t2時刻導(dǎo)彈真實(shí)位置的相對距離;s2為t3和t2時刻導(dǎo)彈慣導(dǎo)位置的相對距離;為t3時刻導(dǎo)彈在導(dǎo)引頭視場中心線上的位置與垂直視準(zhǔn)線且經(jīng)過目標(biāo)縱平面的距離。

        導(dǎo)彈獲取目標(biāo)視圖后,通過數(shù)據(jù)鏈將導(dǎo)彈的導(dǎo)航信息及目標(biāo)圖像回傳至地面指揮中心。地面通過多功能顯示器,實(shí)時顯示出導(dǎo)引頭視場信息。捕控手通過實(shí)時畫面,人工識別目標(biāo)并在t1時刻對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)鎖定,并通過數(shù)據(jù)鏈將導(dǎo)彈t1時刻的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)及目標(biāo)的指示信息于t1+Δt(Δt即為時間延遲)時刻回傳至彈上并記錄其信息(x1,y1,z1,φ1,t1)。經(jīng)過時間Δt1(Δt1=t2-t1),捕控手在t2時刻對攻擊目標(biāo)進(jìn)行二次確認(rèn)并通過數(shù)據(jù)鏈將導(dǎo)彈t2時刻的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)及目標(biāo)的指示信息(x2,y2,z2,φ2,t2)于t3時刻(t3=t2+Δt)回傳至彈上。同時記錄下導(dǎo)彈t3時刻的導(dǎo)航信息(x3,y3,z3),從而解算出此刻導(dǎo)彈相應(yīng)的導(dǎo)引控制量φ3。

        從圖2中解算三角形幾何關(guān)系得:

        通過慣導(dǎo)可以解算出t3時刻導(dǎo)彈與目標(biāo)的距離L,則慣導(dǎo)測量誤差為Δs=L-

        2.3 仿真及結(jié)果分析

        雙重定位法中人在第二次鎖定目標(biāo)時,由于人為抖動等因素會出現(xiàn)偏差,使得前后兩次所選的目標(biāo)不在同一個位置,從而最終影響其制導(dǎo)精度。文獻(xiàn)[4]中指出:由于人工操控抖動引起的噪聲為有限帶寬的白噪聲,幅度為輸入偏差量的5%。

        用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真。仿真條件如下:導(dǎo)彈初始導(dǎo)引量=3°,速度v=250 m/s,時間延遲Δt=1 s,預(yù)鎖定到最終鎖定目標(biāo)時間間隔Δt1=2 s,人為抖動偏差量為5%,給定初始導(dǎo)彈慣導(dǎo)測量位置離目標(biāo)的距離為20 km,慣性測量誤差為1 km。

        當(dāng)慣性測量距離s5不變時,隨著導(dǎo)彈初始導(dǎo)引量的變化,目標(biāo)橫向位置誤差的變化曲線如圖3所示。當(dāng)不變時,導(dǎo)目真實(shí)距離與目標(biāo)橫向誤差關(guān)系如圖4所示。利用雙重定位法來解算慣導(dǎo)的測量誤差Δs,其關(guān)系如圖5所示。

        圖3 導(dǎo)彈初始導(dǎo)引量與目標(biāo)位置橫向誤差關(guān)系圖

        圖4 導(dǎo)目真實(shí)距離與目標(biāo)橫向誤差關(guān)系圖

        圖5 導(dǎo)目真實(shí)距離與慣導(dǎo)測量誤差關(guān)系圖

        由圖3可以發(fā)現(xiàn),隨著導(dǎo)彈初始導(dǎo)引量的增大,目標(biāo)點(diǎn)的橫向誤差也會隨著增大。所以,在實(shí)際應(yīng)用中如果初始橫向?qū)б嵌仍叫。瑒t經(jīng)過延遲補(bǔ)償之后目標(biāo)橫向誤差會明顯變小。小量近似補(bǔ)償法的效果要優(yōu)于另外兩種方法,雙重定位法中由于第二次人為抖動等的原因會影響落點(diǎn)偏差。

        從圖4可以看出,經(jīng)過小量近似法延遲補(bǔ)償之后,目標(biāo)橫向精度有顯著提高;小量近似法的精度要明顯優(yōu)于雙重定位法。雙重定位法雖然誤差較大,但卻能解算出慣導(dǎo)測量誤差Δs,且隨著距離的減小有收斂的趨勢,這將為后續(xù)方法的改進(jìn)提供一個重要的信息參考量。

        從圖5可以看到,隨著距離的減小,解算得到的慣導(dǎo)測量誤差趨于收斂。

        3 彈地人在回路改進(jìn)時延補(bǔ)償方法

        3.1 雙重定位+小量近似補(bǔ)償改進(jìn)法

        當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)距離小于2 km時,小量近似時延補(bǔ)償法隨著距離的減小,慣導(dǎo)測量誤差對精度的影響比重會越來越大,從而導(dǎo)致目標(biāo)橫向偏差增大(如圖4所示)。因此,當(dāng)導(dǎo)彈接近目標(biāo)2 km時,可以通過雙重定位法先解算出慣導(dǎo)測量誤差Δs后再去修正小量近似法,從而進(jìn)一步提高導(dǎo)彈精度。仿真條件按2.3節(jié)不變,仿真結(jié)果如圖6所示。

        圖6 導(dǎo)目真實(shí)距離與目標(biāo)橫向誤差關(guān)系圖

        從圖6可以得到,當(dāng)導(dǎo)目真實(shí)距離在2 km以下時,利用雙重定位+小量近似法誤差有明顯下降。當(dāng)導(dǎo)目真實(shí)距離在800 m以下時,不再進(jìn)行雙重定位法修正,主要考慮以下原因:雙重定位法中預(yù)鎖定+傳輸延遲時間在仿真計算中需要3 s,即大約需要750 m的方法解算距離,所以在800 m以下時使用雙重定位法解算出Δs后已經(jīng)沒有實(shí)際意義,且Δs估算偏差有放大和突變趨勢。

        通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)彈的最佳實(shí)施距離范圍為1~2 km,在該范圍內(nèi)利用雙重定位法+小量近似法解算出相應(yīng)的導(dǎo)引量,導(dǎo)彈的落點(diǎn)精度有明顯提高。如果將鎖定時間由2 s增加到3 s,通過仿真會發(fā)現(xiàn)最佳實(shí)施距離范圍在原有基礎(chǔ)上幅度變寬。

        3.2 二次修訂法

        對于小量近似補(bǔ)償法來說,經(jīng)過一次人在回路可控時延補(bǔ)償后再進(jìn)行第二次人在回路可控時延補(bǔ)償,會發(fā)現(xiàn)可控制導(dǎo)的精度會顯著提高。原因如下:(1)經(jīng)過第一次人在回路可控時延補(bǔ)償后,雖有誤差但卻可以明顯減小第二次人在回路可控時延補(bǔ)償?shù)某跏紝?dǎo)引量;(2)由圖3可見,初始導(dǎo)引量越小,慣導(dǎo)誤差對目標(biāo)橫向誤差的影響比重將會減小。

        仿真條件不變,經(jīng)過二次修訂后的仿真結(jié)果如圖7所示。

        圖7 二次修訂的仿真結(jié)果

        上述兩種補(bǔ)償改進(jìn)方案各有優(yōu)缺點(diǎn),也都有各自適用的條件,但精度都是令人滿意的。雙重定位+小量近似補(bǔ)償改進(jìn)法可以算出慣導(dǎo)測量誤差Δs,它不僅對時延補(bǔ)償有益,而且對末制導(dǎo)中導(dǎo)彈的定位、評估、導(dǎo)航等方面都將有所幫助。二次修訂法的操作簡便,通過減小初始導(dǎo)引量進(jìn)而減小慣導(dǎo)測量誤差對目標(biāo)橫向誤差的影響比重,雖然精度有較大提高,但是卻沒有估算出慣導(dǎo)測量誤差。

        4 結(jié)束語

        本文建立了兩種彈地人在回路精確末制導(dǎo)時延補(bǔ)償模型方法和兩種改進(jìn)措施,并根據(jù)假設(shè)條件進(jìn)行了仿真,得出加入延遲補(bǔ)償之后的目標(biāo)橫向誤差與初始導(dǎo)引量和距離的關(guān)系并進(jìn)行了分析。在一定范圍內(nèi),該模型可以在滿足一定精度要求下對導(dǎo)引量進(jìn)行時延補(bǔ)償。本仿真模型的一些假設(shè)條件離實(shí)際還有一定的差別,但是卻提供了一種解決問題的思路,對下一步的工程實(shí)踐具有指導(dǎo)和借鑒作用。

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