陳法揚，薛 琥

（中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

精確制導彈藥低成本制導控制系統設計

陳法揚，薛 琥

（中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

針對精確制導彈藥制導控制系統低成本的迫切需求，提出了一種彈載低成本制導控制系統設計方法。建立了一種彈載制導控制系統低成本體系架構，從功能、硬件、軟件等方面對其進行了GNC一體化設計，并在此基礎上提出了一種基于ARM處理器的一體化制導計算機設計方法。針對MEMS導航系統精度低、噪聲大特點，設計了一種慣性/衛(wèi)星數字制導方案。該低成本制導控制系統設計方法可有效減少系統冗余硬件，降低成本，實現較高的制導控制精度，滿足未來低成本精確制導武器的需求。

低成本，GNC一體化，ARM處理器，慣性/衛(wèi)星數字制導

0 引言

近二十年來，隨著電子技術、計算技術、MEMS技術的飛速發(fā)展，精確制導彈藥的研究和應用在世界范圍內受到了普遍的重視，成為當前航空武器領域的研究熱點之一，比如美國已經裝備的低成本制導彈藥JDAM（聯合制導攻擊武器）、SDB（小直徑炸彈），以及正在研制的低成本巡飛彈等項目。

但是作為彈藥的關鍵核心，現有制導控制系統通常采用分離式設計，包含制導計算機、慣性測量組件、衛(wèi)星導航接收機、舵機控制器、電動伺服舵機等部件；部件之間采用外部總線進行信息交互；各部件具備獨立的電源、數字計算機、機箱，采用電纜連接；這種系統架構導致產品成本高、體積大，不能很好地對接低成本制導彈藥巨大的應用需求。迫切需要開展低成本、小型化制導控制系統研究，以適應部隊大批量采購。

本文提出了一種精確制導彈藥低成本制導控制系統設計方案。該方案綜合采用了GNC（制導、導航、控制）一體化設計技術、基于ARM處理器的高度一體化制導計算機設計技術、基于MEMS信息的慣性/衛(wèi)星數字制導技術等關鍵技術，可有效降低制導控制系統成本、體積，實現較高的制導控制精度，滿足未來精確制導武器需求。

1 體系架構

本方案中低成本制導控制系統采用慣性/衛(wèi)星數字制導體制，以高速ARM處理器為核心處理平臺，配置MEMS IMU、衛(wèi)星導航接收機等傳感器，采用電動舵機為執(zhí)行機構，采用嵌入式實時多任務操作系統對衛(wèi)星定位解算、慣性導航解算、組合導航解算、制導控制律解算、電氣控制、彈上任務管理等功能任務等進行實時調度管理，確保在單處理器架構下高效、協調地完成制導彈藥精確制導控制任務［1］。低成本制導控制系統體系架構如圖1所示。

2 GNC一體化設計技術

針對精確制導彈藥低成本制導控制系統要求，采用GNC一體化設計思想將傳統的衛(wèi)星導航系統、組合導航系統、飛行控制系統在結構、硬件、軟件上進行一體化設計，遵循功能模塊化、通用化、組合化的設計理念，對軟硬件資源進行統籌規(guī)劃，達到資源最優(yōu)配置、降低成本、提高性能的目的［2］。

2.1 硬件一體化

將傳統的衛(wèi)星導航系統、組合導航系統和飛行控制系統中的電子線路部分按電源模塊、處理器模塊、接口通訊模塊等進行分解，并重新整合，將相同的功能模塊合并，形成新的模塊化功能板，功能板之間采用PC104連接器進行信號交聯。采用單處理器的計算機體系結構，完成衛(wèi)星導航、組合導航和制導控制任務解算。采用層疊式機箱結構，將制導計算機、伺服驅動電路、衛(wèi)星接收機射頻電子和慣性測量組件集成到一個機箱內，利用一體化電源對上述功能部件統一供電。使得整個系統結構緊湊、體積減小、便于安裝使用。

硬件一體化設計可大幅減少系統內部冗余器件、部件間交聯接插件等硬件資源，達到降低成本、減小體積、提高系統可靠性的目的。

2.2 軟件一體化

將傳統彈載軟件按衛(wèi)星導航、組合導航、飛行控制等功能分解、合并，按照數據流劃分為不同計算任務；采用嵌入式實時操作系統對任務按優(yōu)先級管理，實施搶占式任務調度機制，確保在單處理器架構下高效、協調地完成衛(wèi)星導航、組合導航、制導控制及伺服控制等功能。軟件一體化設計科大幅減少軟件代碼，減小部件間信息傳輸延遲，提升系統性能。

一體化系統中，各功能作為一體化軟件的不同任務，各功能模塊間信息采用軟件變量傳值，在目前高速處理器情況下幾乎無時間延遲。而傳統分立系統各功能模塊間普遍采用數據總線傳遞信息，時間延遲較大。兩者信息傳輸延遲情況分別見圖2及圖3所示。

彈載制導控制系統閉環(huán)工作過程中，一體化系統信息傳輸延遲可減小約15 ms，對于帶寬為2 Hz的制導控制系統，可提高系統穩(wěn)定裕度約10.8°。

3 基于ARM的一體化制導計算機設計

為了充分減少制導計算機元器件種類及數量、提高制導計算機集成度，本文提出了一種基于“單核ARM處理器”的高度一體化制導計算機設計方案。ARM處理器相對于傳統的DSP、POWER PC等處理器，具有技術更新快、性能先進、集成度高、成本低等優(yōu)點［3-4］。

綜合評估低成本制導控制系統各計算任務的運算速度、計算精度、存儲容量以及IO資源需求，本方案選用TI公司的RM48L952處理器作為CPU，一體化制導計算機方案設計如下：

3.1 處理器及存儲器設計

①處理器采用64位雙精度浮點數運算模式，工作主頻220 MHz；

②存儲器：采用ARM芯片自帶的具有ECC功能的3M flash和256k RAM。

3.2 接口設計：

①串口通訊：采用處理器自帶的標準串行外設接口（SPI）及CAN總線控制器實現；

②A/D采集：采用ARM芯片自帶的10/12-位多緩沖ADC模塊實現；

③DI、DO：采用處理器自帶的GIO模塊實現。

④伺服控制PWM：利用ARM自帶的高端定時器N2HET1實現。

該方案中的基于ARM處理器一體化制導計算機方案，充分利用了ARM處理器片上自帶存儲器、接口資源，相對于傳統的DSP+FPGA制導計算機架構，可大幅縮減元件器種類及數量，顯著提高制導計算機集成度，減小體積、降低成本。

4 MEMS慣性/衛(wèi)星數字制導技術

4.1 數字導引頭構建

由于成本約束，低成本制導彈藥一般沒有導引頭，為了實現針對固定目標的精確導引，本方案中采用了基于慣性/衛(wèi)星信息的數字制導技術。制導炸彈在飛行過程中，根據MEMS慣性/衛(wèi)星組合導航系統實時輸出的位置、速度、姿態(tài)等導航信息以及目標位置信息實時生成虛擬的炸彈精確制導信息。彈目視線坐標系中俯仰、偏航平面的導引信號計算公式如式（1）、式（2）所示。

其中：ays、azs分別為視線坐標系統下縱向通道、偏航通道制導指令；K1、K2分別為縱向通道、偏航通道導引比例系數；V1、V2、V3分別為視線坐標系下前向、法向、側向速度，R為彈目距離。

4.2 制導律設計

低成本制導控制系統中MEMS導航系統提供的位置、姿態(tài)、速度、角速度、加速度信息均用于制導控制律解算，其精度差、高噪聲的特性可能導致制導控制精度較低［5］。

針對該問題，俯仰通道采用帶彈道末端落角約束的增強型比例導引，即將俯仰通道彈道規(guī)劃為前端平緩、末端大落角攻擊，以減小高度測量誤差對命中精度的影響［6］。俯仰通道彈道特性如圖4所示，導引指令如式（3）所示，其中為彈道末端落角指令，θf為彈體姿態(tài)角。

偏航通道采用帶側偏修正的增強型比例導引，以減少航向測量誤差對制導控制精度的影響。偏航通道導引指令如式（4）所示，其中RZ為彈道側向偏差。

仿真表明：在當前MEMS慣性/BD2組合導航系統水平位置誤差 10 m（1σ）、高程誤差 15 m（1σ）、航向角誤差2°/1 min（1σ）的誤差條件，采用該MEMS慣性/衛(wèi)星數字制導技術，制導彈藥命中精度能夠達到11 m（1σ），可滿足目前絕大部分精確制導彈藥使用要求。另外，該制導技術節(jié)省了末端導引設備，大幅降低制導炸彈成本，而且使得制導炸彈具有晝夜作戰(zhàn)、發(fā)射后不管等優(yōu)點。

5 結論

綜合采用了GNC一體化設計技術，基于ARM處理器的高度一體化制導計算機設計技術，慣性/衛(wèi)星數字制導技術，該低成本制導控制系統設計方案可有效減少制導控制系統冗余硬件及軟件規(guī)模，其硬件成本可較普通分立制導控制系統減少約40%，軟件代碼規(guī)?？蓽p少約30%。另外，該設計方案滿足彈載制導控制系統小型化、低成本、集成度高的發(fā)展趨勢，且具有較高的制導控制精度。根據本文設計的低成本制導控制系統已應用在某型精確制導彈藥，并經過多次飛行試驗驗證。

［1］楊軍.現代導彈制導控制系統設計［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

［2］王婷.駕束制導導彈一體化制導控制系統設計［J］.西北工業(yè)大學學報，2009，7（2）：173-176.

［3］張偉.彈載中制導計算機設計方法研究［J］.航空計算技術，2009，39（1）：123-127.

［4］左清清.低成本火箭彈彈載計算機的設計［J］.電子技術設計與應用，2015，17（1）：57-59.

［5］楊永亮.低成本制導火箭彈飛行控制系統設計與仿真［J］.測控技術，2014，3（3）：90-93.

［6］過崇偉.有翼導彈系統分析與設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

Design of Low Cost Guidance and Control System For Precision Guided Munitions

CHEN Fa-yang，XUE Hu
（Xi’an Flight Automatic Control Researching Institute，Xi’an 710065，China）

Aiming at the urgent demand of the low cost of the precision guidance and control system for the guidance ammunition，a design method of low cost guidance and control system of missiles is put forward.Firstly，a guidance and control system architecture with low cost is established，then GNC integrated design has made from function，hardware and software and so on.On this basis a design of inte1guidance computer based on ARM is put forward.Finally，aiming at the characters of MEMS，a digital guidance scheme of satellite and inertia has designed。This design can effectively reduce the redundant hardware，reduce the cost of system，achieve high precision，and meet the need of the future precision guided weapons of low cost.

low cost，GNC integrated，ARM，digital guidance

TJ765.2

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.38

1002-0640（2017）11-0178-03

2016-09-21

2016-10-29

陳法揚（1984- ），男，江蘇人，碩士，工程師。研究方向：導彈制導控制系統總體設計。