捷聯(lián)激光制導(dǎo)的視線信號(hào)提取方法

崔俊根，陳東生，王懷野，張格森，，邱海韜

（1．北京航天微系統(tǒng)研究所，北京100094；2．航天長(zhǎng)征國(guó)際貿(mào)易有限公司，北京100070）

捷聯(lián)激光制導(dǎo)的視線信號(hào)提取方法

崔俊根1，陳東生1，王懷野1，張格森1，2，邱海韜2

（1．北京航天微系統(tǒng)研究所，北京100094；2．航天長(zhǎng)征國(guó)際貿(mào)易有限公司，北京100070）

提出了一種彈目視線角信號(hào)的提取方法，該方法采用UKF解耦，針對(duì)捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈需要攻擊移動(dòng)目標(biāo)卻不能測(cè)量彈目相對(duì)距離和速度的情況，建立了彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，解耦過程不需要相對(duì)距離信息，能夠更方便地應(yīng)用于工程實(shí)踐。經(jīng)仿真驗(yàn)證，此方法可以較好地估計(jì)出彈目視線角以及角速率信息，能夠滿足捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈工程應(yīng)用的需要。

捷聯(lián)導(dǎo)引頭；解耦；角速率估計(jì)；UKF濾波器

0 引言

捷聯(lián)導(dǎo)引頭直接與彈體固聯(lián)，省去了傳統(tǒng)導(dǎo)引頭的伺服機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，正逐步應(yīng)用于低成本制導(dǎo)彈藥中。由于導(dǎo)引頭輸出角度耦合了彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息，無(wú)法直接輸出彈目視線角速率，需要利用導(dǎo)航信息進(jìn)行信號(hào)解耦得到視線信號(hào)，信號(hào)解耦的好壞直接影響武器的精度，有效的解耦方法是捷聯(lián)導(dǎo)引頭應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)外捷聯(lián)制導(dǎo)研究的熱點(diǎn)問題之一。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)提出了幾種視線角信號(hào)的解耦方案，如文獻(xiàn)［1］介紹了坐標(biāo)變換解耦方法，直接利用導(dǎo)引頭測(cè)量的角信號(hào)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算出所需要的視線角信號(hào)，這種方法優(yōu)點(diǎn)是解耦方法簡(jiǎn)單、編程方便、易于工程上直接使用，但是會(huì)將噪聲和誤差直接傳遞到制導(dǎo)系統(tǒng)中，降低制導(dǎo)精度；文獻(xiàn)［5］采用粒子濾波的方法進(jìn)行解耦，但是粒子濾波算法計(jì)算量大，對(duì)制導(dǎo)炸彈彈載計(jì)算機(jī)性能要求很高；文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［12］、文獻(xiàn)［16］均介紹了采用UKF方法對(duì)捷聯(lián)光學(xué)圖像導(dǎo)引頭角速率信號(hào)進(jìn)行提取，文獻(xiàn)［16］將彈目視線角及其角速率作為狀態(tài)量，利用彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型建立狀態(tài)方程，通過觀測(cè)導(dǎo)引頭輸出高低角和方位角可以很好地估計(jì)彈目視線角速率，但是制導(dǎo)炸彈在攻擊移動(dòng)目標(biāo)時(shí)無(wú)法得到彈目相對(duì)距離以及相對(duì)速度信息，此方法在制導(dǎo)炸彈的應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［12］分別提出了采用UKF及其改進(jìn)形式估計(jì)彈目視線角速率的方法，其方法是利用導(dǎo)引頭輸出的角度和角速率以及彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息重構(gòu)彈目視線角速率，但是激光導(dǎo)引頭無(wú)法提供彈體系下視線角速率信號(hào)，而通過濾波和微分的方式求解角速率又會(huì)帶來較大延時(shí)，影響制導(dǎo)炸彈性能，因此在工程應(yīng)用中難度較大。

本文從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，針對(duì)已有的方法和應(yīng)用中遇到的問題，利用捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭和慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的角度和速度信息，給出了一種基于UKF的彈目視線信息的提取方法。該方法在分析彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度關(guān)系的基礎(chǔ)上增加相對(duì)距離的方程，并利用彈體速度作為觀測(cè)量，不需要彈目相對(duì)位置信息即可獲得彈目視線信號(hào)，更方便應(yīng)用于捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈的工程實(shí)踐。通過仿真驗(yàn)證此種方法的可行性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 捷聯(lián)激光制導(dǎo)流程及導(dǎo)引頭介紹

捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)流程如圖1所示。制導(dǎo)系統(tǒng)所需要的制導(dǎo)信息為地理系下的彈目視線角信號(hào)qλ、qγ。由于捷聯(lián)導(dǎo)引頭直接與彈體固連，若不考慮安裝誤差，其輸出信號(hào)僅為目標(biāo)光斑在彈體系下的高低角與方位角，因此導(dǎo)引頭觀測(cè)角qα、qβ是視線角qλ、qγ在彈體系下的信號(hào)。在導(dǎo)引頭觀測(cè)信號(hào)中除了有彈目視線信息外還耦合了彈體姿態(tài)角信息。因此需要將導(dǎo)引頭輸出信號(hào)通過解耦模塊提取出彈目視線角信息作為制導(dǎo)信號(hào)輸入制導(dǎo)系統(tǒng)，得到指令過載并轉(zhuǎn)換到彈體系下，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)控制舵機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)際過載，從而保證制導(dǎo)炸彈精確穩(wěn)定命中目標(biāo)。

圖1　捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)流程圖Fig.1 The flow?process diagram of guidance for strapdown laser guided bomb

由圖1所示制導(dǎo)流程可以看出，制導(dǎo)炸彈除了導(dǎo)引頭外沒有獲得目標(biāo)信息的其他途徑，捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭作為尋的器為制導(dǎo)炸彈提供目標(biāo)信息，解耦模塊從導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中提取制導(dǎo)信息，而制導(dǎo)信號(hào)的準(zhǔn)確性是激光制導(dǎo)炸彈能否精確命中目標(biāo)的關(guān)鍵所在。因此，如何從導(dǎo)引頭中準(zhǔn)確地提取彈目視線信號(hào)是捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈設(shè)計(jì)研發(fā)的首要解決問題。

圖2　激光導(dǎo)引頭原理圖Fig.2 The measurement principle of the laser seeker

由于激光的單色性和方向性好、束散角小、能量集中、具有很高的跟蹤精度和空間分辨率，激光導(dǎo)引頭被廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)彈藥中。激光導(dǎo)引頭一般由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器及前放、信息處理模塊等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)采集激光信號(hào)，探測(cè)器一般為四象限探測(cè)器，導(dǎo)引頭將探測(cè)器獲得的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖展寬、峰值保持等處理，輸入和差比幅電路進(jìn)行目標(biāo)位置解算，設(shè)A、B、C、D四象限所收到的電壓信號(hào)分別為UA、UB、UC、UD，則目標(biāo)位置的解算原理如圖2所示。利用已經(jīng)得到目標(biāo)在導(dǎo)引頭視場(chǎng)中的坐標(biāo)信號(hào)，通過進(jìn)一步的運(yùn)算處理，可以求出目標(biāo)在導(dǎo)引頭視場(chǎng)中的高低角和方位角。

由導(dǎo)引頭工作原理可以看出，作為半主動(dòng)式尋的器，捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭輸出信息僅為目標(biāo)的角度信息；與光學(xué)圖像導(dǎo)引頭不同，捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭無(wú)法通過圖像處理的方式得到角速率信息；與主動(dòng)式導(dǎo)引頭如雷達(dá)導(dǎo)引頭相比，捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭無(wú)法探測(cè)目標(biāo)的位置信息，不能輸出彈目相對(duì)距離信號(hào)。由此可知，激光導(dǎo)引頭輸出信息較為局限，很難從其輸出中得到除方位角以外的其他有用信息。

由于捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭的瞬時(shí)視場(chǎng)較大則帶來了較大的噪聲。以某型號(hào)捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭為例，導(dǎo)引頭視場(chǎng)角為6°，其噪聲均方差約為0．3°，噪聲最大值達(dá)到了0．5°。根據(jù)文獻(xiàn)［9］所述，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解耦時(shí)，導(dǎo)引頭噪聲會(huì)在制導(dǎo)系統(tǒng)中傳遞而無(wú)法消除，因此會(huì)影響制導(dǎo)炸彈的性能。濾波網(wǎng)絡(luò)可以很好地濾除導(dǎo)引頭噪聲，但是會(huì)產(chǎn)生延時(shí)：若在導(dǎo)引頭輸出信號(hào)時(shí)進(jìn)行濾波，濾波器延時(shí)會(huì)影響信號(hào)解耦的準(zhǔn)確性，產(chǎn)生隔離度，影響制導(dǎo)炸彈的穩(wěn)定；若對(duì)解耦后的彈目視線角進(jìn)行濾波，則會(huì)帶來制導(dǎo)信號(hào)的延時(shí)，直接影響制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性能。

因此，本文采用UKF濾波器對(duì)彈目視線信號(hào)進(jìn)行提取，在導(dǎo)引頭觀測(cè)信號(hào)的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的制導(dǎo)炸彈速度為觀測(cè)量，從而直接估計(jì)出彈目視線角及其角速率信號(hào)，并進(jìn)行彈道仿真，以驗(yàn)證此方法的可行性。

2 UKF解耦模型的建立

2.1 坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換

為了描述從導(dǎo)引頭輸出的體視線角和角速率陀螺測(cè)到的姿態(tài)角到慣性系下彈目視線角的映射，定義解耦所需要的坐標(biāo)系如下：

1）地理坐標(biāo)系（O XgYgZg），O點(diǎn)選在發(fā)射點(diǎn)的地面上，O Xg沿當(dāng)?shù)厮矫嬷笘|，O Yg沿鉛垂線向上，O Zg垂直于O ZgZg面并且與O Xg、O Yg按照右手定則確定；

2）彈體坐標(biāo)系（O XbYbZb），O點(diǎn)位于炸彈的質(zhì)心上，O Xb與彈體縱軸重合，O Yb在彈體縱向平面內(nèi)，垂直于O Xb軸，向上為正，O Zb按照右手定則確定；

3）視線坐標(biāo)系（O XsYsZs），O取在炸彈質(zhì)心，O Xs軸沿視線方向，指向目標(biāo)為正，O Ys在包含O Xs軸的鉛垂面內(nèi)，與O Xs軸垂直，向上為正，O Zs按照右手定則確定；

4）體視線坐標(biāo)系（O XlYlZl），O點(diǎn)取在炸彈質(zhì)心，O Xl軸沿視線方向，指向目標(biāo)為正，O Yl軸在彈體縱向?qū)ΨQ面內(nèi)并垂直于O Xl軸，向上為正，O Zl軸按照右手定則確定。

通過上述坐標(biāo)系之間的歐拉角可以確定坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換矩陣分別為：

2.2 UKF狀態(tài)方程及觀測(cè)方程的建立

目標(biāo)在視線系和體視線系中的坐標(biāo)Xs和Xl均為［r 0 0］T，則目標(biāo)在彈體系和地理系中的坐標(biāo)Xb和Xe分別為［1］：

將Xs=Xl=［r 0 0］T代入式（1），則可以解出體視線高低角qα和方位角qβ與彈目視線角qγ、qλ，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示：

其中，Rij為中第i行第j列元素。

地理系首先繞OYg轉(zhuǎn)動(dòng)qγ角度，再繞OZs轉(zhuǎn)動(dòng)qλ角度，則可轉(zhuǎn)換為視線坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換矩陣為轉(zhuǎn)動(dòng)角速率為：

因?yàn)槟繕?biāo)在視線系下的向量為Xs=r 0 0[]T，對(duì)向量Xs求二次絕對(duì)倒數(shù)，可以求得地理系下彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程為［17］：

根據(jù)式（4）所述彈目運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)置UKF濾波器的狀態(tài)方程如式（7）所示，由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)情況未知，所以將目標(biāo)加速度項(xiàng)設(shè)為噪聲項(xiàng)Vk。

彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度如式（8）所示。其中，VM為目標(biāo)移動(dòng)速度，VT為彈體移動(dòng)速度。由于制導(dǎo)炸彈攻擊的目標(biāo)機(jī)動(dòng)能力不高、運(yùn)動(dòng)速度較低，而制導(dǎo)炸彈速度較大，因此可以將VT等效為一個(gè)噪聲，從而將彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度作為觀測(cè)量輸入U(xiǎn)KF濾波器中，以便于準(zhǔn)確估計(jì)出彈目相對(duì)距離信息。

令觀測(cè)量Z為UKF濾波器觀測(cè)信號(hào)，其輸入量為導(dǎo)引頭信息以及彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，即根據(jù)式（2）和式（8），可得觀測(cè)方程如式（9）所示。其中，w1、w2為導(dǎo)引頭噪聲，w3為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，也設(shè)為觀測(cè)噪聲。

利用上述狀態(tài)方程和觀測(cè)方程代入U(xiǎn)KF算法進(jìn)行濾波，可以在彈道仿真中較好地估計(jì)出彈目視線角以及角速率，并作為制導(dǎo)信號(hào)直接應(yīng)用于比例導(dǎo)引等制導(dǎo)律中。

3 仿真結(jié)果

采用2．2節(jié)所示狀態(tài)方程和觀測(cè)方程、利用圖1所示制導(dǎo)流程，將UKF濾波器作為解耦模塊用于彈道仿真，并與理想值進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證此方法的可行性并計(jì)算其估計(jì)精度，為捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈采用UKF算法解耦的實(shí)際工程應(yīng)用提供一定依據(jù)。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證基于UKF的彈目視線角信息估計(jì)算法的可行性，利用圖1所示流程進(jìn)行彈道仿真，并將解耦結(jié)果與理想值進(jìn)行對(duì)比。仿真初始參數(shù)設(shè)置如下：

1）初始彈體高度6000m，彈目相對(duì)距離25000m；

3）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為10m／s，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)楸毕颍?/p>

4）導(dǎo)引頭噪聲為滿足正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲，其標(biāo)準(zhǔn)差為0．009rad；

5）假定高空風(fēng)速為0，制導(dǎo)炸彈飛行過程中無(wú)切變風(fēng)。

以上述初始條件進(jìn)行仿真，利用UKF濾波器進(jìn)行彈目視線角以及角速率的解耦解算，從而驗(yàn)證此方法在制導(dǎo)炸彈飛行過程中的可行性。

3.2 仿真結(jié)果

利用圖1所示仿真流程以及3．1節(jié)所示初始條件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3～圖7所示。圖3、圖4為理想視線角和采用UKF解耦的彈目視線角信息，圖5為采用UKF估計(jì)的彈目視線角速率信息，圖6、圖7為估計(jì)誤差。可以看出UKF算法提取高低角誤差的絕對(duì)值的均值約為0．002rad，方位角的誤差約為0．002rad，高低角速率誤差約為0．008rad／s，方位角誤差約為0．006rad／s。

圖3　高低角估計(jì)曲線Fig.3 The altitude angle estimation

圖4　方位角估計(jì)曲線Fig.4 The azimuth angle estimation

圖5　角速率估計(jì)曲線Fig.5 The estimation of the angular rate

圖6　角度值估計(jì)誤差曲線Fig.6 The estimation error curve of the angle

圖7　角速率估計(jì)誤差曲線Fig.7 The estimation error curve of the angular rate

從上面的仿真結(jié)果可以看出，采用此種方法對(duì)彈目視線角以及角速率信息進(jìn)行估計(jì)可以抑制大部分噪聲，估計(jì)精度較高，捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈可以直接利用UKF濾波器估計(jì)的信息進(jìn)行制導(dǎo)；由于本型號(hào)制導(dǎo)炸彈攻擊距離遠(yuǎn)、彈目視線角變化較為平滑，因此彈目視線角速率的值在0附近，但是仍有較小的值存在，而角速率估計(jì)誤差均值為0證明此方法可以完成對(duì)彈目視線角速率的估計(jì)；從圖6、圖7中可以看出估計(jì)誤差在彈道末端突然增大，這是因?yàn)樵谥茖?dǎo)炸彈將要擊中目標(biāo)時(shí)，彈目相對(duì)距離約為0，理想彈目視線角度值的計(jì)算趨于無(wú)窮大，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)解算結(jié)果發(fā)散，此時(shí)的數(shù)據(jù)不是真值，在應(yīng)用中對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)沒有影響。

4 結(jié)論

本文以捷聯(lián)激光制導(dǎo)炸彈為背景，提出了一種采用UKF濾波器的彈目視線角信號(hào)的提取方法，該方法增加了彈目相對(duì)距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度作為狀態(tài)變量，在導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上增加了制導(dǎo)炸彈飛行速度作為觀測(cè)量，解耦過程不需要相對(duì)距離信息，能夠更方便地應(yīng)用于工程實(shí)踐。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，此方法可以估計(jì)出彈目視線角信息和角速率信息，并抑制大部分導(dǎo)引頭噪聲，估計(jì)精度較高，能夠更方便地應(yīng)用于實(shí)踐，為工程設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。

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Line-of-sight Angular Estimation of StraPdown Laser Seeker

CUI Jun?gen1，CHEN Dong?sheng1，WANG Huai?ye1，ZHANG Ge?sen1，2，QIU Hai?tao2
（1．Beijing Institute of Aerospace Microsystems，Beijing 100094；2．Aerospace Long?march International，Beijing 100037）

Based on the angle information provided by the strapdown laser seeker and inertial navigation system，the reconstruction filter is designed，where the theory of and unscented Kalman filter（UKF）is applied to treat the nonlinearity．Compared with conventional LOS dynamic models，the relative distance between the missile and target，which is unobserv?able to laser seekers，together with the unknown maneuver models of the target are unnecessary．As a result，the model is convenient to use．The results of computer simulations justify the validity of the LOS reconstruction filter，which can be used to restrain noice and meet the needs of the project．

strapdown seeker；decoupling；angular rate estimation；unscented Kalman filter（UKF）

T765．3

A

1674?5558（2016）03?01241

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．013

2016?02?03

崔俊根，男，碩士，研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。