某導彈隨動系統(tǒng)改進設計

姜曉莊

(中國空空導彈研究院主機部，河南洛陽 471000)

對于近距格斗導彈，快速捕獲目標是搶先發(fā)射導彈的前提。但為了改善背景干擾和光學系統(tǒng)設計中的困難，紅外空空導彈大都采用小瞬時視場角。因此，第一、二代導彈大都采用定軸瞄準、發(fā)射。飛行員必須將自己飛機對準敵機的6點鐘位置，捕獲目標困難。隨著飛機、火控技術的發(fā)展，第三代導彈已采用了離軸發(fā)射技術，其是在發(fā)射裝置內(nèi)或機上“導彈輔助系統(tǒng)”內(nèi)加裝隨動掃描及截獲電路，將導彈位標器陀螺軸和雷達天線軸構成一個隨動系統(tǒng)。該系統(tǒng)使導彈視線可與雷達天線在較大錐角內(nèi)隨動，附加掃描使得導引頭撲獲場進一步擴大。該設計在AIM－9系列導彈發(fā)控系統(tǒng)“響尾蛇擴大截獲方式”(Sidewindez Expanded Acguisition Mode，SEAM)。隨動電路裝在機上“導彈輔助系統(tǒng)”內(nèi);發(fā)射裝置均采用該離軸發(fā)射技術。作為第四代空空導彈的離軸發(fā)射技術，其離軸范圍已擴大到±60°～±90°，如R－73和AIM－9X導彈等。本文簡述了一種導彈隨動系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)分析的基礎上針對其存在的問題提出了一些改進措施。后通過仿真及試驗驗證了其改進的有效型。

1 系統(tǒng)概述

由載機火控雷達或頭盔瞄準具向?qū)棸l(fā)控系統(tǒng)提供目標視線角位置qt(雷達天線或頭盔視線)在飛機坐標系的投影信息yP和zP(以下簡稱雷達投影)，處理后得uLOS作為角度隨動的輸入;驅(qū)動位標器陀螺隨動，產(chǎn)生導彈視線相對于彈軸的角度反饋信號uφ，形成閉環(huán)控制，使導彈視線OS與目標視線OT隨動;導彈離軸角信號uφ經(jīng)過計算生成導彈視線在飛機坐標系的投影信息yR和zR(以下簡稱位標器投影)供飛機平顯顯示。

隨動系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。由火控雷達、發(fā)控電路和導彈位標器組成。來自火控雷達的目標位置信息經(jīng)發(fā)控電路處理后控制位標器伺服機構驅(qū)動位標器陀螺視線軸跟蹤雷達天線軸，并由位標器測角電路輸出構成角度反饋。由此可見，該系統(tǒng)被控對象是位標器陀螺轉子，使位標器視線追蹤目標視線，以捕獲目標。

圖1 隨動系統(tǒng)原理框圖

圖1中，OT、OS和 OA，分別是目標(雷達或頭盔)、導彈和飛機視線;qt、qs、qa分別是目標、導彈和飛機視線角;ε=qt－qs隨動誤差角;φ=qs－qa為位標器離軸角。

由系統(tǒng)傳遞函數(shù)推得穩(wěn)態(tài)時，qs=qt，φ=qs－qt。所以隨動系統(tǒng)使導彈視線與目標視線重合;位標器離軸角的大小由導彈視線及飛機視線夾角決定。

1.1 隨動控制信號的生成

該隨動系統(tǒng)采用極坐標信號完成隨動功能，其設計如下:

雷達投影yP和zP表達式為

其中，A為雷達坐標中目標方位角;E為雷達坐標中目標俯仰角;UR為雷達投影比例系數(shù)。

將雷達投影轉yP和zP換為極坐標形式電壓方程

考慮導彈在飛機上的安裝角Φm(后視順時轉為正)和ωr方向(前視順時轉)，隨動指令在彈坐標系電壓方程為

其中，Φm為導彈安裝角;kφ為角度電壓系數(shù);所以式(4)即為位標器隨動時的控制電壓方程。

1.2 位標器投影的生成

當導彈視線與目標視線重合時，位標器方位角、俯仰角與雷達方位角俯仰角重合，uφ=uLOS。通過計算求得位標器投影值為

其中，A為雷達坐標中目標方位角;E為雷達坐標中目標俯仰角;Um為位標器投影比例系數(shù)(下文設UR=Um)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)中存在的問題

當整個隨動系統(tǒng)的信號轉換、生成及解調(diào)過程不產(chǎn)生誤差，則隨動最終結果為導彈視線與目標視線重合，若轉換過程中某一個過程出現(xiàn)偏差，則會出現(xiàn)導彈視線與目標視線不重合影響導彈截獲目標的能力。

該系統(tǒng)中雷達投影yP和zP為數(shù)字信號，飛機通過總線將信息傳輸給發(fā)射裝置進行坐標裝換，后發(fā)射裝置通過數(shù)模轉換生成極坐標信號，用于驅(qū)動導彈運動。通過測角機構得到的位標器的離軸角信號為模擬的極坐標信號，發(fā)射裝置通過解調(diào)將其轉換為直角坐標系下的直流電壓信號，再通過模數(shù)轉換生成數(shù)字信號，通過總線傳送為飛機。從而飛機可知導彈視線是否與目標視線重合。

在整個轉換過程中有兩個主要部分需要調(diào)試:一為從直角坐標向極坐標信號時隨動控制信號生成過程;二為極坐標到直角坐標信號的解調(diào)。

隨動控制信號的生成過程數(shù)學過程如下:數(shù)字處理器根據(jù)雷達投影信號及基準信號進行計算，通過數(shù)模轉換生成特定幅值和相位的隨動控制信號，因數(shù)字信號輸出為模擬信號時因其輸出的不連續(xù)性，其生成信號為階梯狀正弦波信號，該信號需要經(jīng)過濾波移相幅值調(diào)整后才能正式使用，而濾波和移相的調(diào)試困難且精度難以控制，容易造成誤差。

yR和zR生成的解調(diào)數(shù)學過程如下:基準信號的數(shù)學表達式為

將基準信號Y0由正弦信號轉變?yōu)榉讲ㄐ盘枮?/p>

經(jīng)傅里葉級數(shù)展開

將方波信號與離軸角信號進行乘法運算

通過低通濾波將高次諧波濾掉得

濾波后的直流電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉換生成數(shù)字信號。

對比兩個過程，隨動控制信號的生成過程，存在濾波移相的問題，容易產(chǎn)生誤差，而位標器投影解調(diào)過程相對容易，最終誤差較小。下面介紹一種方法，在調(diào)試完一種過程后，另一個過程經(jīng)簡單調(diào)試，能通過動態(tài)的過程完成自動修正。

3 解決方法及效果

3.1 改進方法

對于原系統(tǒng)，若存在yP和zP的處理誤差εy和εz，則由系統(tǒng)傳遞函數(shù)推得穩(wěn)態(tài)時

其中，q's為含誤差的目標視線;qt為導彈視線。即

改進后的隨動系統(tǒng)如圖2所示，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時

由上式可推出穩(wěn)定狀態(tài)時

對于該系統(tǒng)而言，不同個體的εy和εz可能存在差異，而積分是個動態(tài)過程，所以對于不同個體甚至是動態(tài)誤差，該方法都可以進行補償。

圖2 改進后的隨動系統(tǒng)

3.2 改進效果

圖3為未修正時的仿真結果，條件為yP=5和zP=6的為中心的正弦掃描，掃描幅度為1，處理誤差εy=－0.2yP。圖4為修正后的仿真結果，經(jīng)對比可發(fā)現(xiàn)，未更改時存在較大誤差。更改后誤差在穩(wěn)定后基本消失。同時對比兩圖可發(fā)現(xiàn)，由于存在補償積分，可能導致在初始隨動過程中造成隨動到目標視線與導彈視線重合后，導彈視線再次偏離目標視線的情況發(fā)生。通過適當選擇積分比例系數(shù)，可削弱初始隨動偏離的距離。

圖3 改進前隨動效果圖

圖4 改進后隨動效果圖

4 結束語

本文介紹了導彈隨動系統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史后，分析了某導彈隨動系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方法，并針對其隨動精度難以調(diào)試的特點，提出了一種方法，在控制回路中增加一級控制，實現(xiàn)了隨動誤差的動態(tài)調(diào)整。經(jīng)過仿真，使用該方法后，隨動精度得到了提升，同時調(diào)試步驟得到簡化，后經(jīng)實物驗證，隨動達到了較好的效果，可以滿足系統(tǒng)需求。

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