人在回路對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)性能的影響研究

唐道光　張公平　杜肖　夏群利　溫求遒

摘 要： 為了研究人在回路制導(dǎo)方式對(duì)導(dǎo)引頭控制系統(tǒng)及對(duì)比例導(dǎo)引和彈道成型等典型末制導(dǎo)回路的影響， 本文在固有射手模型的基礎(chǔ)上建立了數(shù)字傳輸人在回路導(dǎo)引頭模型， 對(duì)比分析了自尋的模式、 光纖傳輸人在回路和無(wú)線電數(shù)字傳輸人在回路導(dǎo)引頭模型的特性； 基于無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜嗽诨芈纺Ｊ奖厝淮嬖诘妮^大的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)環(huán)節(jié)， 對(duì)比研究了不同數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)導(dǎo)引頭控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的影響。將自尋的導(dǎo)引頭模型、 光纖傳輸人在回路導(dǎo)引頭模型和無(wú)線電數(shù)字傳輸導(dǎo)引頭模型分別引入比例導(dǎo)引及彈道成型制導(dǎo)回路中， 對(duì)比分析了三種模型對(duì)制導(dǎo)回路脫靶量的影響； 在此基礎(chǔ)上分析了延時(shí)500 ms時(shí)在延時(shí)和角度約束條件的脫靶量變化規(guī)律及最小末制導(dǎo)時(shí)間分布特點(diǎn)， 進(jìn)一步在特定任務(wù)下分析了其對(duì)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中過(guò)載變化及探測(cè)器誤差的影響， 探討了人在回路制導(dǎo)模式在比例導(dǎo)引及彈道成型制導(dǎo)律中的可行性。

關(guān)鍵詞： 人在回路； 紅外圖像制導(dǎo)； 數(shù)據(jù)鏈； 制導(dǎo)精度； 非線性系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TJ765.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-5048（2018）03-0024-07

0 引 言

紅外成像制導(dǎo)體制作為一種先進(jìn)的制導(dǎo)方式已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于空地導(dǎo)彈中。但是， 受圖像識(shí)別技術(shù)限制， 導(dǎo)引頭工作時(shí)易發(fā)生目標(biāo)丟失及錯(cuò)誤捕獲。采用人在回路制導(dǎo)模式能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、 捕獲目標(biāo)， 提高導(dǎo)彈命中率， 是實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程空地圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈精確打擊的重要手段。

射手環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)鏈環(huán)節(jié)是人在回路制導(dǎo)方式的兩大重要模塊。由于射手均是經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的特殊人群， 其動(dòng)力學(xué)特性較為穩(wěn)定， 但是射手根據(jù)載機(jī)顯示圖像辨識(shí)目標(biāo)會(huì)受到復(fù)雜背景環(huán)境的影響， 從而增加反應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)鏈環(huán)節(jié)包括光纖通訊及無(wú)線電通信。光纖通信耗時(shí)短， 有利于導(dǎo)彈快速響應(yīng)， 且抗干擾能力強(qiáng)， 但是受到作用距離及彈上安裝的限制。無(wú)線電數(shù)字通信能夠提高導(dǎo)彈的作戰(zhàn)靈活性， 節(jié)約彈上空間， 但是其較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間及人在回路制導(dǎo)模式會(huì)影響導(dǎo)引頭控制特性， 帶來(lái)制導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于人在回路制導(dǎo)方式對(duì)制導(dǎo)回路的影響研究主要集中在光纖制導(dǎo)條件下， 射手動(dòng)力學(xué)中的延時(shí)造成的影響。趙軍民等人[1]對(duì)人在回路圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈射手模型建模技術(shù)進(jìn)行了研究， 采用系統(tǒng)辨識(shí)的方式得到了包含高階系統(tǒng)和延時(shí)環(huán)節(jié)的射手模型。文獻(xiàn)[2-8]主要針對(duì)電視制導(dǎo)方式延時(shí)對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定性及制導(dǎo)精度進(jìn)行了研究。國(guó)外[9-12]對(duì)于人在回路制導(dǎo)系統(tǒng)的研究較多， 具有代表性的如美國(guó)戰(zhàn)斧導(dǎo)彈、 斯拉姆等。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于大延時(shí)無(wú)線電數(shù)字傳輸?shù)娜嗽诨芈敷w制對(duì)比例導(dǎo)引末制導(dǎo)及彈道成型末制導(dǎo)精度的影響規(guī)律的研究較少。

本文基于無(wú)線電數(shù)字傳輸條件下人在回路制

導(dǎo)體制， 分析了射手模型和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)導(dǎo)引頭控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性帶來(lái)的影響， 以及包含有射手動(dòng)力學(xué)和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)環(huán)節(jié)的導(dǎo)引頭模塊對(duì)比例導(dǎo)引及彈道成型制導(dǎo)回路特性的影響。

1 導(dǎo)引頭模型建立

人在回路導(dǎo)引頭模型由信號(hào)傳輸延時(shí)環(huán)節(jié)、 采樣保持環(huán)節(jié)、 射手模型環(huán)節(jié)和導(dǎo)引頭穩(wěn)定回路四個(gè)功能模塊組成， 如圖1所示。 其功能分別為制導(dǎo)指令/圖像傳輸、 信號(hào)采集、 人工導(dǎo)引和穩(wěn)定光軸指向。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

航空兵器 2018年第3期

唐道光， 等： 人在回路對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)性能的影響研究

數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)環(huán)節(jié)包括圖像壓縮算法、 數(shù)據(jù)編碼、 信號(hào)發(fā)射及接收、 數(shù)據(jù)解碼等。在本文分析中將其等效為純延時(shí)環(huán)節(jié)e-τs， τ分別為200 ms， 350 ms和500 ms。

2 導(dǎo)引頭特性分析

2.1 導(dǎo)引頭快速性分析

自尋的制導(dǎo)模式中目標(biāo)的辨識(shí)和捕獲均由彈載計(jì)算機(jī)自行完成， 不存在射手動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)延時(shí)環(huán)節(jié)[13]； 人在回路制導(dǎo)方式必然存在數(shù)據(jù)傳輸， 當(dāng)采用光纖傳輸時(shí)總的延時(shí)環(huán)節(jié)只考慮射手模型中的反應(yīng)延時(shí)e-τrs， 當(dāng)采用無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 由于硬件水平和算法的不同， 延時(shí)時(shí)間也不相同?？紤]相同射手辨識(shí)同一目標(biāo)時(shí)， 反應(yīng)延時(shí)e-τrs相同， 仿真條件均取τr=0.15 s， 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)τ分別為200 ms， 350 ms和500 ms， 建立自尋的導(dǎo)引頭模型與人在回路導(dǎo)引頭模型如圖3～4所示。

如圖5所示系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)曲線， 延時(shí)越長(zhǎng)增益越小， 穩(wěn)定誤差角越大， 易導(dǎo)致目標(biāo)出探測(cè)器視

場(chǎng)。調(diào)整系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)超調(diào)量為20%， 獲得特性

參數(shù)如表2所示。人在回路導(dǎo)引頭模型中存在的

數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)環(huán)節(jié)， 對(duì)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值沒有影響， 但是會(huì)帶來(lái)較大的相位滯后， 系統(tǒng)真實(shí)閉環(huán)帶寬應(yīng)采用ω-45°， 導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)增加， 嚴(yán)重影響導(dǎo)引頭跟蹤快速性。

2.2 導(dǎo)引頭穩(wěn)定性分析

不同相位裕度條件下的穩(wěn)定域如圖6所示。穩(wěn)定域與總延時(shí)τZ、 增益K、 相位裕度Φm關(guān)系曲線可知， 相位裕度值越大， 其穩(wěn)定域越小， 則在固定延時(shí)條件下設(shè)計(jì)的開環(huán)增益越小， 如此會(huì)影響導(dǎo)引頭的跟蹤快速性。 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為500 ms時(shí)， 開環(huán)增益K≤0.85； 延時(shí)為350 ms時(shí)， 開環(huán)增益K≤0.99； 延時(shí)為200 ms時(shí)， 開環(huán)增益K≤1.26。

3 制導(dǎo)特性分析

3.1 人在回路對(duì)比例導(dǎo)引的影響

仿真條件： 相對(duì)速度Vc=150 m/s， 導(dǎo)彈與目標(biāo)位于同一水平面， 比例導(dǎo)引初始速度指向偏差θv=5°， 駕駛儀時(shí)間常數(shù)Tg=0.3 s， 比例導(dǎo)引導(dǎo)航系數(shù)N=4， Tgo為末制導(dǎo)時(shí)間， 導(dǎo)引頭模型包括自尋的模型， 光纖通信人在回路模型， 延時(shí)分別為200 ms， 350 ms， 500 ms無(wú)線電通信人在回路模型， 其原理框圖如圖7所示。比例導(dǎo)引脫靶量隨末制導(dǎo)時(shí)間變化曲線如圖8所示。

自尋的模式下， 比例導(dǎo)引脫靶量在10倍的制導(dǎo)時(shí)間常數(shù)時(shí)即可收斂于0； 而人在回路制導(dǎo)模式下， 由于人動(dòng)力學(xué)及數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的存在使得脫靶量明顯增加， 并且隨著數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的增加脫靶量關(guān)于相對(duì)飛行時(shí)間（T/t0.63）的靈敏度增加， 穩(wěn)定性變差， 收斂速度變慢， 末制導(dǎo)時(shí)間T≥13t0.63時(shí)方可收斂于0。

選取傳輸延時(shí)τ=500 ms， 不同初始速度指向偏差及落角約束條件下脫靶量變化曲線如圖9所示。分析可知比例導(dǎo)引制導(dǎo)回路中， 脫靶量的收斂時(shí)間隨速度指向偏差角的增加而增加。

3.2 人在回路對(duì)彈道成型的影響

仿真條件： 相對(duì)速度Vc=150 m/s， 彈道成型落角約束qF=-60°， 駕駛儀時(shí)間常數(shù)Tg=0.3 s， 彈道成型導(dǎo)航系數(shù)N1=4， N2=2， 導(dǎo)引頭模型包括自尋的模型、 光纖通信人在回路模型， 延時(shí)分別為200 ms， 350 ms， 500 ms無(wú)線電通信人在回路模型， 原理框圖如圖10所示。 彈道成型脫靶量隨未制導(dǎo)時(shí)間變化曲線如圖11所示。

分析圖11可知， 自尋的模式彈道成型制導(dǎo)脫靶量收斂時(shí)間為12倍的制導(dǎo)時(shí)間常數(shù)， 當(dāng)采用人在回路制導(dǎo)模式時(shí)， 收斂時(shí)間明顯增加為T≥30t0.63， 為上文分析的比例導(dǎo)引彈道脫靶量收斂時(shí)間的2倍。對(duì)比圖8與圖11可知， 彈道成型脫靶量收斂曲線不存在震蕩現(xiàn)象， 其脫靶量隨著末制導(dǎo)時(shí)間的增加而減小。

圖12分析了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為500 ms時(shí)， 脫靶量曲線隨落角約束變化規(guī)律， 收斂時(shí)間隨期望落角增加而增加， 對(duì)比圖9可知人在回路制導(dǎo)模式下彈道成型脫靶量對(duì)角度約束更為敏感。

3.3 人在回路制導(dǎo)耗時(shí)分析

由上文分析可知， 導(dǎo)彈脫靶量受到角度約束（θv和qF）和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)綜合影響， 取1 m為約束脫靶量， 分析得到如圖13所示的脫靶量收斂耗時(shí)分布圖。

分析圖中數(shù)據(jù)可知， 脫靶量收斂至1 m， 所需時(shí)長(zhǎng)與角度約束和延時(shí)長(zhǎng)短成正比。采用比例導(dǎo)引制導(dǎo)律時(shí)， 其相對(duì)于延時(shí)長(zhǎng)短的靈敏度大于相對(duì)于角度約束的靈敏度； 采用彈道成型制導(dǎo)律， 其相對(duì)于延時(shí)長(zhǎng)短和角度約束靈敏度相同。在相同延時(shí)及角度約束綜合影響下， 脫靶量收斂至最優(yōu)值， 比例導(dǎo)引所需時(shí)長(zhǎng)約為彈道成型所需時(shí)長(zhǎng)的0.5倍， 故而對(duì)制導(dǎo)方案影響較小。

4 實(shí)例分析

基于上述分析， 進(jìn)一步根據(jù)實(shí)例研究人在回路制導(dǎo)方式對(duì)導(dǎo)彈飛行參數(shù)影響。紅外成像探測(cè)器作用距離R=4 500 m， 飛行速度Vc=150 m/s， 導(dǎo)彈高度H=100 m， 無(wú)線電傳輸延時(shí)τ=500 ms， 彈道成型落角約束qF=-40°。

比例導(dǎo)引飛行參數(shù)變化曲線如圖14所示， 彈道成型飛行參數(shù)變化曲線如圖15所示。

由圖14～15知， 比例導(dǎo)引彈目視線角速率逐漸趨于0后由于存在一定的脫靶量， 導(dǎo)彈飛越目標(biāo)使得探測(cè)器誤差角突然增大（在工程應(yīng)用中常采用框架角限幅等措施， 避免比例導(dǎo)引末端視線角速度突然增加對(duì)過(guò)載指令的影響）， 而彈道成型彈目視線角速率絕對(duì)值穩(wěn)定增加， 從而使得探測(cè)器誤差角不斷增大， 最終導(dǎo)致目標(biāo)超出導(dǎo)引頭視場(chǎng)。在相同作戰(zhàn)條件下， 由于比例導(dǎo)引彈道較為平直， 過(guò)載需求小， 延時(shí)對(duì)其造成影響小， 而彈道成型彈道為了實(shí)現(xiàn)大角度侵徹， 彈道曲率大， 視線角速率及過(guò)載均較大， 故而受數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)影響導(dǎo)致的脫靶量較為明顯， 如表3所示。

綜上所述， 在作戰(zhàn)距離較遠(yuǎn)時(shí)， 比例導(dǎo)引彈道中可使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸， 而彈道成型彈道很難實(shí)現(xiàn)。為了解決上述問題， 可通過(guò)兩方面解決：（1）提高硬件水平及算法， 縮短延時(shí)時(shí)間從而使脫靶量在可容忍范圍內(nèi)； （2）從中制導(dǎo)段即利用慣導(dǎo)信息采用彈道成型制導(dǎo)律， 如圖16所示， 在末制導(dǎo)起控點(diǎn)（O2點(diǎn)）形成與qF相反的速度指向θv， 以減小末段過(guò)載需求， 在保證命中精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大落角侵徹， 增加毀傷效能。末制導(dǎo)起控點(diǎn)具有不同θv時(shí)的脫靶量仿真結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4分析可知， 在中制導(dǎo)段開始采用彈道成型制導(dǎo)律， 導(dǎo)彈到達(dá)O2時(shí)， 當(dāng)θv≥20°時(shí)， 在保證落角約束qF≈-40°的同時(shí)能夠有效減小脫靶量和探測(cè)器誤差角。

5 結(jié) 論

由于射手環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)鏈環(huán)節(jié)是人在回路制導(dǎo)方式的兩大重要模塊， 這兩部分模塊形成了制導(dǎo)回路中的大延時(shí)特點(diǎn)。本文對(duì)比分析了自尋的、 光纖傳輸人在回路制導(dǎo)模式及無(wú)線電傳輸人在回路制導(dǎo)模式下導(dǎo)引頭特性。并將上述模型分別引入比例導(dǎo)引及彈道成型制導(dǎo)回路中， 分析了在延時(shí)和角度約束條件影響下的脫靶量變化規(guī)律及最小末制導(dǎo)時(shí)間分布特點(diǎn)， 進(jìn)一步在特定任務(wù)下分析了其對(duì)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中過(guò)載變化及探測(cè)器誤差的影響， 得出以下結(jié)論：

（1） 射手模型雖然是一種不確定性模型， 但是由于射手均是經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的特殊人群， 動(dòng)力學(xué)部分區(qū)別較小， 造成射手模型主要區(qū)別是由于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境造成的射手對(duì)目標(biāo)的反應(yīng)延時(shí)， 故而人在回路制導(dǎo)方式應(yīng)用于典型末制導(dǎo)彈道時(shí)應(yīng)盡量規(guī)劃出易于探測(cè)器成像的彈道。

（2） 延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的大小影響導(dǎo)引頭控制穩(wěn)定性、 跟蹤快速性及探測(cè)能力。延時(shí)越長(zhǎng)， 控制系統(tǒng)穩(wěn)定域越小， 時(shí)間常數(shù)越大， 穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的誤差角越大， 目標(biāo)出視場(chǎng)的概率越高， 故而在實(shí)際工程應(yīng)用中亟需提高無(wú)線電數(shù)字通信水平， 保證其在可靠、 安全的通信條件下具有較快的通信速率。

（3） 無(wú)線電通訊人在回路制導(dǎo)方式中數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)造成的信息滯后是造成導(dǎo)彈大脫靶量的主要因素， 而脫靶量的收斂形式由制導(dǎo)律決定。彈道成型彈道較比例導(dǎo)引彈道對(duì)于延時(shí)影響的靈敏度更高， 彈道成型脫靶量收斂所需時(shí)間約為比例導(dǎo)引脫靶量收斂的2倍。故而， 在進(jìn)行人在回路制導(dǎo)模式的總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)綜合考慮射手辨識(shí)延時(shí)、 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、 末制導(dǎo)精度和末制導(dǎo)時(shí)間等因素選擇合適的末制導(dǎo)律。

（4） 為了能夠?qū)⒕哂写笱訒r(shí)特點(diǎn)的人在回路制導(dǎo)模式應(yīng)用于典型末制導(dǎo)中， 采用比例導(dǎo)引制導(dǎo)方式時(shí)， 只要保證較高的中末制導(dǎo)交接班精度和較長(zhǎng)的末制導(dǎo)時(shí)間， 即可減小脫靶量。而在彈道成型彈道中， 若要求較大的落角， 則需要在中制導(dǎo)開始階段就借助于彈上慣導(dǎo)器件進(jìn)行彈道成型制導(dǎo)。

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Abstract： To study the effects of soldierintheloop （SIL） on the typical guidance loop such as proportional navigation （PN） law and trajectory shaping guidance （TSG） law， SIL seeker model is established based on inherent soldier model， and the characteristics of homing mode， fiber optic transmission SIL and radio digital transmission SIL seeker models are compared. Because of the large delay of SIL with radio digital transmission， the influences of data transmission delay on stability and fast of seeker control system with different models are researcched.

By introducing these three models into the proportional navigation and trajectory shaping guidance loop， the influences on guidance loop miss distance are analyzed. Based on the simulation of guidance loop with proportional navigation law and trajectory shaping guidance law， the

variation of miss distance and the distribution of the minimum terminal guidance time in time delay and angle constraint conditions are analyzed when time delay is 500 ms. Under the condition of typical airtoground missile， the influences on overload and detector error are analyzed， and the feasibility of SIL guidance mode in proportional navigation law and trajectory shaping guidance law is discussed.

Key words： SIL； infrared image guidance； data link； guidance accuracy； nonlinear system