二維彈道修正引信制導控制系統半實物仿真

王毅 宋衛(wèi)東 宋謝恩 吳漢洲

摘 要：為給固定鴨舵式二維彈道修正引信設計適用的半實物仿真系統，在掌握修正引信工作原理和研究引信運動狀態(tài)的基礎上，采用兩部電機實時模擬引信修正組件和彈體滾轉通道的姿態(tài)角信息，并使用光電碼盤標定地磁測角模塊的測角準確度，在過程控制軟件的協調下實現彈上計算機和仿真計算機的數據交互，實現彈上機對固定舵制動控制的有效模擬。研究二維彈道修正引信半實物仿真試驗的試驗步驟，并針對某型迫彈進行仿真試驗。仿真試驗表明：所設計的半實物仿真系統可有效檢驗引信制導控制系統各分系統和整機的性能。該半實物仿真系統適用于安裝該型引信的所有尾翼穩(wěn)定彈箭，對其他類型的采用雙旋結構的制導彈箭具有借鑒意義。

關鍵詞：二維彈道修正引信；半實物仿真；固定鴨舵；制導控制系統

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0083-05

0 引 言

炮兵制導彈藥的發(fā)展受到各國軍隊的高度重視，庫存常規(guī)彈藥的信息化改造是當前面臨的重要課題。固定鴨舵式二維彈道修正引信具有活動部件少、可靠性高、成本低、可實現連續(xù)修正等特點，替換傳統的常規(guī)引信即可實現彈箭的信息化改造。

半實物仿真是支持制導彈藥研究的一種可行手段，涵蓋制導彈藥的全壽命周期，可在縮短研發(fā)周期的同時節(jié)約研發(fā)成本[1-2]。美國在長弓/海爾法導彈的研發(fā)過程中，利用半實物仿真進行了200多萬次的導彈模擬飛行，節(jié)約了多次導彈的實彈飛行，并發(fā)現了40多處研發(fā)過程中的錯誤模式，大大縮短了導彈的研發(fā)周期[3-4]。國內對半實物仿真也進行了深入的研究。西北工業(yè)大學、北京理工大學、南京理工大學、航天二院等單位設計并應用了半實物仿真系統，但其所設計的仿真系統針對末制導中的紅外目標模擬、激光目標模擬、毫米波目標模擬等[5-9]。

固定鴨舵式二維彈道修正引信采用雙旋結構，即修正組件和安裝在彈體上的引信尾部以不同的滾轉角速度繞彈軸旋轉。在安裝該型引信的某型彈箭的飛行過程中，引信修正組件和彈體以相反的角速度滾轉，而常規(guī)的三軸轉臺和五軸轉臺不能同時輸出兩個滾轉角速度來模擬該型彈箭的實際飛行狀態(tài)，并且模擬彈箭滾動狀態(tài)的內軸的最大滾轉角速度小于飛行狀態(tài)下彈箭的滾轉角速度。

為滿足二維彈道修正引信制導控制系統研究的迫切需要，本文依據引信的工作原理和彈箭實際工作狀態(tài)設計了半實物仿真系統，并通過試驗驗證半實物仿真系統設計的合理性。

1 二維彈道修正引信簡介

固定鴨舵式二維彈道修正引信采用“北斗+地磁”的制導體制。引信除含有常規(guī)引信的功能部件之外，集成了天線、固定舵、GPS模塊、地磁模塊、彈上機、制動器等組件，如圖1所示。固定舵由一對差動舵和一對操縱舵構成，差動舵舵偏方向不同，使引信修正組件在來流作用下相對于彈體以相反的角速度滾轉（引信修正組件左旋，彈體右旋）；操縱舵舵偏方向相同，可在來流作用下提供修正控制力，從而調整彈丸姿態(tài)實現彈道修正。

制導控制系統工作原理如圖2所示。起控后，GPS模塊通過天線獲取彈箭實時的速度、位置信息并將其傳送給彈上機，同時，地磁模塊實時測量固定舵的滾轉角。彈上機實時接收導航信息后，依據所設計的制導率通過制動器將固定舵穩(wěn)定在相應的控制角度上，從而改變彈體受力實現彈道修正。

2 半實物仿真系統組成

2.1 系統組成

半實物仿真系統由仿真計算機、旋轉試驗臺、數據記錄儀、被測引信、數據接口及電纜組成。各部分功能如下：

1）仿真計算機：運行半實物仿真軟件。向彈上機發(fā)送模擬的GPS信息；接收彈上機傳送的控制標志位和固定舵的實際滾轉角，進行有控彈道解算；記錄軟件運行所需的仿真試驗數據；保證仿真試驗的實時性。

2）旋轉試驗臺：模擬彈箭飛行過程中固定舵的控制過程。如圖3所示，修正引信通過螺紋連接安裝在引信安裝盤上，通過尾部搖架使引信修正組件卡在修正組件卡盤上；旋轉試驗臺上有頭部電機和尾部電機，分別用于模擬引信修正組件和彈體的滾轉運動；試驗臺頭部電機與引信修正組件連接的傳動桿上安裝有光電碼盤，用于標定引信地磁模塊的測角準確度。

3）被測引信：接收仿真計算機發(fā)送的GPS信息，實時測量固定舵的滾轉角，解算控制信號后對固定舵進行控制，同時向仿真計算機發(fā)送控制標志位和固定舵的滾轉角信息。

4）數據接口及電纜：連接相關試驗設備進行通信。

5）數據記錄儀：記錄彈上機解算控制信號過程中的相關數據。

2.2 工作原理

二維彈道修正引信半實物仿真的核心在于模擬彈上機對固定舵的制動控制。半實物仿真系統由軟件系統和硬件系統組成，硬件系統包括彈上計算機、仿真計算機、修正引信、旋轉試驗臺等，軟件系統包括彈上機軟件、彈道解算軟件、過程控制軟件等，其工作原理如圖4所示：仿真試驗啟動后，旋轉試驗臺依據彈箭固定舵和彈體的滾轉角速度控制試驗臺兩電機的滾轉，從而模擬彈箭的真實滾轉狀態(tài)；仿真計算機依據相應的仿真初始條件進行彈道解算，并向彈上機傳送GPS信息（84系速度位置信息）；彈上機實時采集地磁模塊測量的固定舵滾轉角信息，并在接收GPS信息后，依據制導率進行控制信號解算，并通過制動器將固定舵穩(wěn)定在相應的控制角度，同時將控制標志位和固定舵滾轉角傳送給仿真計算機；仿真計算機接收控制標志位和固定舵滾轉角后進行彈道解算，從而實現閉環(huán)仿真，直至滿足仿真結束條件。

仿真試驗過程中，彈箭速度、位置信息和俯仰通道及偏航通道的姿態(tài)信息均由仿真計算機生成并直接應用于下一步的迭代計算。

3 仿真試驗

3.1 試驗步驟

1）干擾因素的確定。半實物仿真試驗的試驗條件應涵蓋在內的各種擾動因素，包含極限條件。擾動因素包括風干擾、初始擾動、初速偏差、氣動參數偏差、彈箭靜態(tài)參數偏差、制導工具誤差等。擾動因素的偏差依據彈箭的發(fā)射條件、制造工藝、制導工具的具體情況確定。

2）開環(huán)控制試驗。開環(huán)控制試驗是指彈上機輸出固定的控制角以驗證固定舵的控制效果是否滿足設計要求，即檢驗固定舵控制的準確度和響應速度是否滿足要求。固定舵的響應速度由制動器的PID控制參數決定，試驗中可不斷優(yōu)化其控制參數。

3）閉環(huán)控制試驗。閉環(huán)控制試驗用于驗證制導率控制參數設計的合理性。

4）制導控制系統數學模型的修正。通過制導控制系統的輸入和輸出建立制動控制系統的數學模型，對數學仿真模型進行修正，然后通過蒙特卡洛打靶驗證彈箭的動穩(wěn)定性和制導控制精度。

3.2 試驗結果

本文以安裝固定鴨舵式二維彈道修正引信的某型迫彈為例，介紹某型二維彈道修正引信的制導控制系統的半實物仿真試驗。

1）干擾因素。依據氣動參數計算誤差、制造工藝誤差等，制定半實物仿真試驗中干擾因素的偏差范圍如表1所示，且干擾因素偏差滿足均值為0的正態(tài)分布。

2）開環(huán)控制試驗結果。開環(huán)控制試驗中，彈上機對以某角速度滾轉的固定舵進行控制，分別將其穩(wěn)定在0°、90°、180°、-90° 4個角度，控制時間為5 s。制動器對固定舵的控制環(huán)節(jié)為慣性較強的一階環(huán)節(jié)，加入PID控制后將其調整為阻尼在0.7左右的二階環(huán)節(jié)，試驗結果如圖5所示。圖中，有控狀態(tài)下的固定舵穩(wěn)定在彈上機輸出的控制角附近，控制誤差≤10°。在固定舵滾轉角曲線密集的區(qū)域，固定舵處于無控狀態(tài)，其轉速約為16 r/s；有控狀態(tài)下，固定舵經過約2 s的調節(jié)時間后穩(wěn)定在給定的控制角附近，該指標滿足系統要求（可通過軟件中的補償使閉環(huán)控制中固定舵的控制特性滿足準確度要求）。需要指出的是，定義固定舵滾轉角的數值變化范圍為-180°～180°，即±180°為同一位置。

依據試驗結果得到固定舵的響應傳遞函數，將其帶入仿真數學模型中，重新設計制導控制參數，主要是固定舵控制信號的補償和比例導引參數的調整。

3）閉環(huán)控制試驗結果。為充分驗證制導控制系統的控制精度，需要將所有干擾因素進行排列組合并設置相應偏差后進行半實物仿真試驗。然而由于組合較多，采用正交試驗設計的方法進行了試驗安排。試驗結果表明所設計的制導控制系統滿足準確度要求，圓概率誤差CEP<10 m。

圖6（a）表明，無風條件下彈上機輸出的控制信號與仿真機輸出的控制信號保持了高度的一致，地磁組件測得的固定舵滾轉角曲線能跟隨彈上機控制信號的變化。圖6（b）中，由于彈上機和仿真機字長和截斷誤差的不同，20～30 s之間彈上機輸出的控制信號與仿真機控制信號出現了一定的偏差，該偏差在允許范圍內。在彈道末段，彈上機輸出的控制信號在180°附近，則固定舵在該位置附近抖動，由于固定舵滾轉角定義的原因，其滾轉角曲線出現了±180°附近的大幅值跳動?？傮w上，彈上機輸出的控制信號、仿真計算機輸出的控制信號和固定舵測得的滾轉角信息具有較好的一致性。

4）數學模型的修改及蒙特卡洛打靶結果。將固定舵?zhèn)鬟f函數帶入數學模型并調整制導控制參數后，在各種干擾條件下進行了100次蒙特卡洛打靶試驗，打靶散點圖如圖7所示。經統計，CEP為4.67 m，滿足制導控制系統戰(zhàn)技指標要求，驗證了參數設計的正確性和系統的穩(wěn)定性。

4 結束語

本文設計了固定鴨舵式二維彈道修正引信的半實物仿真系統，研究仿真試驗的試驗步驟，并通過仿真試驗檢驗了半實物仿真系統設計的合理性和有效性，可得到以下結論：

1）該半實物仿真系統可有效模擬二維彈道修正引信的實時工作狀態(tài)，可有效檢驗引信制導控制系統功能和準確度。

2）通過仿真試驗可對引信制導控制系統進行有效驗證，滿足了某型彈箭的戰(zhàn)術技術指標要求。

本文設計的半實物仿真系統可通用于包括火箭彈在內的尾翼穩(wěn)定彈箭，對其他雙旋結構彈箭的制導控制系統半實物仿真具有借鑒意義。

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（編輯：劉楊）