鴨舵式二維彈道修正引信發(fā)展綜述*

劉宗源，高敏，宋衛(wèi)東，王毅

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)樣式的革新，精確打擊能力成為衡量武器裝備性能的重要指標(biāo)。目前裝備部隊(duì)的精確制導(dǎo)武器中，導(dǎo)彈無(wú)疑是種類最多、精度最高、效能最好的。但是由于造價(jià)昂貴，不能大量裝備。為了節(jié)約精確打擊的成本，彈道修正技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使常規(guī)武器制導(dǎo)化得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)在傳統(tǒng)彈藥的基礎(chǔ)上加裝慣性模塊、控制模塊、制導(dǎo)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊，使其具備精確打擊能力[1]。

彈道修正彈在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其高效的打擊能力奠定了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可替代的地位。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，由最初的一維彈道修正到如今的二維彈道修正，彈道修正彈的精度實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步提高。最新出現(xiàn)的鴨舵式二維彈道修正彈，由于其強(qiáng)大的彈道修正能力，已經(jīng)成為各國(guó)爭(zhēng)相研制的對(duì)象，并有多種型號(hào)的產(chǎn)品加入部隊(duì)裝備序列。

1 彈道修正彈發(fā)展歷程

彈道修正彈的概念由美國(guó)于20世紀(jì)70年代提出，被稱做“末端修正的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈(terminally corrected spinning pro-jectile，TCSP)”。區(qū)別于導(dǎo)彈的準(zhǔn)確命中目標(biāo)，彈道修正彈是通過(guò)修正引信對(duì)飛行過(guò)程中造成的偏差進(jìn)行修正，縮小落點(diǎn)的圓概率半徑，達(dá)到提高打擊精度的目的。

其采用的精確制導(dǎo)組件具有2個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：一是研發(fā)周期短，成本低；二是實(shí)用性強(qiáng)，便于對(duì)庫(kù)存彈藥進(jìn)行升級(jí)[2]。目前，美、英、法、德、以色列、南非等國(guó)都正在研制能夠安裝在常規(guī)彈藥上的彈道修正引信。

2003年美國(guó)專利“二維射彈彈道修正器”首次介紹了CCF(course correcting fuze)模式。該引信裝有微調(diào)減速板、旋轉(zhuǎn)減速板和主減速板3種減速板，分別在彈道初段、中段、末段進(jìn)行修正。射程修正通過(guò)增阻減速法實(shí)現(xiàn)，橫向偏差修正通過(guò)彈丸減旋實(shí)現(xiàn)。2005年實(shí)彈射擊驗(yàn)證了二維彈道修正引信的概念，在射程為45 km左右時(shí)，彈丸落點(diǎn)的圓概率誤差(circle of error probability，CEP)能控制在50 m以內(nèi)。CCF修正組件如圖1所示。

圖1 CCF修正組件Fig.1 Course correcting fuze

2005年，阿連特技術(shù)系統(tǒng)(Alliant Techsystems Inc)公司提出PGK(precision guidance kit)方案，利用固定鴨舵的控制修正彈道，參與了美國(guó)陸軍提出二維彈道修正組件技術(shù)項(xiàng)目招標(biāo)。提出采用GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)組合測(cè)量彈道參數(shù)、飛行姿態(tài)信息[3]，以及利用磁力矩電機(jī)控制修正組件減旋、穩(wěn)定在某滾轉(zhuǎn)位置。安裝PGK的155 mm炮彈于2013年進(jìn)行成功試射，發(fā)射的5枚炮彈距離目標(biāo)均不超過(guò)25 m。使用類似的方案，用一年時(shí)間成功研制了迫彈二維彈道修正引信(mortar guidance kit,MGK)，并于2011年3月裝備駐阿美軍投入實(shí)戰(zhàn)，精度達(dá)到10 m以內(nèi)。PGK是早期二維修正彈的代表，利用固定鴨舵進(jìn)行修正，為后續(xù)的發(fā)展建立了系統(tǒng)的模式。MGKS與PGK如圖2所示。

圖2 MGK與PGKFig.2 MGK and PGK

BAE系統(tǒng)公司下屬的以色列Rokar分公司正在研制“銀彈”(silver bullet)彈道修正引信，2007年開(kāi)展了大量飛行試驗(yàn)(圖3)。它使用基于GPS的制導(dǎo)方式，采用整體減旋，前端裝有2對(duì)可動(dòng)鴨舵，分別用于減旋和修正。配用于標(biāo)準(zhǔn)155 mm彈藥，能將精度提高到20 m以內(nèi)，具備海陸兩棲作戰(zhàn)能力[4]。羅卡公司與韓國(guó)承包商在2015年共同對(duì)“銀彈”進(jìn)行了實(shí)彈打靶試驗(yàn)，取得較好的效果。

圖3 銀彈Fig.3 Silver bullet

另外，南非丹尼爾動(dòng)力公司與英國(guó)UTC宇航系統(tǒng)公司聯(lián)合研制AcuFuze精確炮兵引信。該引信采用類似“銀彈”的技術(shù)方案，可動(dòng)鴨舵導(dǎo)轉(zhuǎn)舵面更小，采用了特殊設(shè)計(jì)的慣性測(cè)量單元(IMU)提高姿態(tài)、加速度信息，具有更好的抗干擾能力。以色列宇航工業(yè)公司IAI(Israel Aerospace Industries)在2010年法國(guó)薩托里防務(wù)展展出的TopGun二維彈道修正引信，利用2對(duì)鴨翼對(duì)155 mm彈丸進(jìn)行控制，將標(biāo)準(zhǔn)的155 mm炮彈轉(zhuǎn)換為精確制導(dǎo)的炮彈，CEP達(dá)到20 m以內(nèi)。TopGun采用的控制方案類似于導(dǎo)彈，采用GPS/INS(inertial navigation system)提供彈道參數(shù)，通過(guò)安裝在引信上的4片彈翼進(jìn)行彈道的二維修正。

國(guó)內(nèi)方面，針對(duì)二維彈道修正彈進(jìn)行了大量的研究論證，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的掌握逐漸成熟。軍械工程學(xué)院王毅等人開(kāi)發(fā)了一類具有固定鴨翼的二維彈道修正引信的制導(dǎo)和控制策略[5]，研究了偏差運(yùn)動(dòng)的校正控制機(jī)制，并進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)。北京理工大學(xué)張冬旭設(shè)計(jì)了一種二維彈道修正機(jī)構(gòu)樣機(jī)，搭建了配套的仿真測(cè)試系統(tǒng)，利用擴(kuò)展滑膜觀測(cè)器處理工作中的抖振問(wèn)題，提高了角度控制的精度。沈陽(yáng)理工大學(xué)喬磊根據(jù)二維彈道修正原理及固定舵控制方案，選擇先減旋再固定的控制策略控制舵機(jī)[6]，通過(guò)對(duì)位置檢測(cè)系統(tǒng)和力矩分析2個(gè)重要因素分析，論證了2種固定舵舵機(jī)控制方法。

2 彈道修正原理

由于修正機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)布局、設(shè)計(jì)要求的差異，導(dǎo)致了修正方案選擇不同。作為彈道修正指令響應(yīng)的關(guān)鍵部件，修正機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和效率決定了彈道修正的精度。根據(jù)修正機(jī)構(gòu)可將修正方案分為3類：增阻方案、脈沖方案、鴨舵方案。當(dāng)前的主流方案是利用鴨舵進(jìn)行方向修正的方法，利用調(diào)節(jié)彈箭所受的氣動(dòng)力，控制飛行過(guò)程的舵面升力、阻力及鉸鏈力矩。

作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鴨舵可以根據(jù)修正控制原理分為2類：固定舵和可動(dòng)翼。PGK采用的就是基于固定舵的修正方式，結(jié)構(gòu)組成主要包括彈道測(cè)量模塊、固定鴨舵、控制電機(jī)、電機(jī)制動(dòng)控制模塊、安全保險(xiǎn)裝置等。修正組件上固定2對(duì)氣動(dòng)舵面，一對(duì)偏角大小相同，方向相反，稱為差動(dòng)舵；另一對(duì)偏角方向和大小相同，產(chǎn)生修正彈道的氣動(dòng)力，稱為同向舵。

修正引信和彈體通過(guò)軸承連接，飛行過(guò)程中由獲取的衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算得到位置和速度信號(hào)，需要進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)姿態(tài)測(cè)算組件對(duì)當(dāng)前引信滾轉(zhuǎn)角、角速度的測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)彈道偏差的解算，得出引信相對(duì)大地的穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)位置。隨著控制信號(hào)的輸入，減旋裝置將修正引信制動(dòng)，將整體引信固定在一定的滾轉(zhuǎn)角，利用同向舵產(chǎn)生的升力調(diào)整飛行軌跡，從而改善落點(diǎn)圓概率誤差。

鴨舵式彈道修正引信的修正過(guò)程可分為3個(gè)階段。第1階段是彈道測(cè)量系統(tǒng)獲取飛行彈道諸元，彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)飛行彈道諸元預(yù)測(cè)彈丸落點(diǎn)、計(jì)算落點(diǎn)偏差、彈道偏差修正量。第2階段是采集彈體運(yùn)動(dòng)信息，利用姿態(tài)解算模塊解算當(dāng)前滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)角速率。同時(shí)，彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)彈道修正量計(jì)算停轉(zhuǎn)滾轉(zhuǎn)角，以及產(chǎn)生當(dāng)前修正所需的控制信號(hào)。第3階段是通過(guò)選擇的制動(dòng)方案和控制算法，將修正機(jī)構(gòu)穩(wěn)定在需要的滾轉(zhuǎn)角度，利用產(chǎn)生的彈道修正力矩減小與標(biāo)準(zhǔn)彈道的偏差。固定舵修正引信通過(guò)磁力矩電機(jī)提供制動(dòng)力矩，以抵消促使引信滾轉(zhuǎn)的合力矩，控制引信靜止，利用同向舵產(chǎn)生修正力，理論射擊精度可達(dá)到30 m以內(nèi)，射程損失小于10%?？蓜?dòng)翼修正引信則通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)差動(dòng)舵的舵片產(chǎn)生制動(dòng)力矩，達(dá)到先減旋后靜止的控制目的，隨后利用同向舵的偏轉(zhuǎn)提供彈道修正力。其理論射擊精度達(dá)到了10 m以內(nèi)，并且由于采用小型化舵機(jī)方案及優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，質(zhì)量得到進(jìn)一步減小，使得射程損失小于6%。鴨舵式二維彈道修正引信原理框圖如圖4所示。

圖4 鴨舵式二維彈道修正引信原理框圖Fig.4 Correction principle of canard-type two-dimensional trajectory correction fuze

3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)對(duì)鴨舵式二維彈道修正彈原理的分析，通過(guò)簡(jiǎn)單劃分，其修正過(guò)程的3個(gè)階段所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：彈道探測(cè)、滾轉(zhuǎn)角測(cè)量、鴨舵控制算法。

3.1 彈道探測(cè)

常規(guī)的彈道探測(cè)能夠?qū)崟r(shí)提供彈體位置信息，彈道解算則是利用測(cè)量數(shù)據(jù)得到真實(shí)彈道的常用手段，是實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)預(yù)測(cè)和偏差估計(jì)的前提。

目前主要采用的彈道探測(cè)方法有2種：雷達(dá)測(cè)量、衛(wèi)星定位。前者利用火控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，實(shí)時(shí)提供目標(biāo)的位置信息，并利用彈體陀螺儀測(cè)量信息獲知姿態(tài)信息。隨著測(cè)量組件的小型化的發(fā)展，后者采用GPS/IMU組合測(cè)量彈體位置和姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給彈載計(jì)算機(jī)，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序解算得到下一時(shí)刻的彈道。鑒于信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器系統(tǒng)的要求，利用衛(wèi)星定位的方法顯然更符合實(shí)戰(zhàn)要求。

受氣象因素、器件干擾、累積誤差等影響，外彈道測(cè)量所得的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，因此對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波成為彈道探測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)彈道預(yù)測(cè)的精度問(wèn)題，利用非線性卡爾曼濾波對(duì)建立的彈道測(cè)量模型進(jìn)行濾波[7-8]，能夠?yàn)V除75%左右的參數(shù)誤差。目前，已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)快速準(zhǔn)確預(yù)估落點(diǎn)提出了相關(guān)理論[9]，能夠有效處理落點(diǎn)預(yù)報(bào)的隨機(jī)噪聲和累積誤差。

3.2 滾轉(zhuǎn)角測(cè)量

由于高速旋轉(zhuǎn)的彈丸，彈體轉(zhuǎn)速一般都高達(dá)每秒上百轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)高于修正機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度，為了實(shí)現(xiàn)有效修正就要對(duì)引信進(jìn)行減旋。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道的修正，需要引信停止在需要的滾轉(zhuǎn)角位置上，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男拚?。因此，滾轉(zhuǎn)姿態(tài)信息對(duì)于彈道修正極為重要，該類數(shù)據(jù)的測(cè)量精度直接影響彈道偏差的修正效果。

測(cè)量滾轉(zhuǎn)角的方法主要有以下4種:地磁傳感器法、加速度計(jì)法、太陽(yáng)方位角法、陀螺儀法。后3種方法存在安裝難度大、易受氣象干擾、抗過(guò)載能力弱等問(wèn)題，不符合高旋彈修正引信的設(shè)計(jì)要求。因此利用地磁測(cè)量組件獲取滾轉(zhuǎn)信息成為常用的手段，傳感器輸出的曲線呈現(xiàn)正余弦狀，利用零點(diǎn)檢測(cè)法或極值檢測(cè)法即可獲得轉(zhuǎn)速。并且，隨著MEMS(microelectro mechanical systems)技術(shù)的發(fā)展，與地磁傳感器組合測(cè)量滾轉(zhuǎn)角取得了更好的效果。利用彈載MEMS陀螺儀測(cè)量偏航角，結(jié)合地磁信息解算滾轉(zhuǎn)角，提高了測(cè)量精度。

由于地磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，在地磁數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，容易受到傳感器自身誤差、環(huán)境磁干擾彈體剩磁以及內(nèi)部線圈感生磁場(chǎng)等干擾[10-14]。以上干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)合后，將嚴(yán)重影響地磁傳感器模塊輸出信號(hào)的精度。經(jīng)過(guò)綜合分析，首先建立系統(tǒng)的誤差模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器處理隨機(jī)噪聲，再利用橢圓補(bǔ)償法處理鐵磁材料引起的軟、硬磁誤差[15-16]，得到準(zhǔn)確的地磁數(shù)據(jù)。最終，通過(guò)地磁信號(hào)在地理坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化關(guān)系建立滾轉(zhuǎn)角解算模型。

3.3 鴨舵控制算法

Ahmed Elsaadany通過(guò)分析修正機(jī)構(gòu)對(duì)彈體空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響[17]，發(fā)現(xiàn)基于鴨舵的修正引信對(duì)彈道偏移具有很強(qiáng)的修正能力。利用鴨舵方案的二維彈道修正彈成為爭(zhēng)相發(fā)展的焦點(diǎn)，對(duì)舵機(jī)的控制算法成為制約精度問(wèn)題的關(guān)鍵因素。所以，對(duì)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)、快速控制成為修正執(zhí)行的關(guān)鍵。

為了提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，進(jìn)一步改善舵機(jī)的控制性能，需要設(shè)計(jì)對(duì)鴨舵方案的智能控制算法，提高系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通常以DSP(digital signal processing)數(shù)據(jù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，采用位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)PID(proportion，integral，derivative)控制算法設(shè)計(jì)控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙通道舵機(jī)的一體化控制[18-19]。雙閉環(huán)舵機(jī)控制系統(tǒng)，輸入為舵機(jī)的控制電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)速環(huán)運(yùn)算后，輸出引信的實(shí)際轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，偏差量經(jīng)算法處理后，繼續(xù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)處理，直至偏差為0。轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出量作為位置環(huán)的輸入，經(jīng)舵機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，輸出修正引信的滾轉(zhuǎn)角，并實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)和穩(wěn)定跟隨。Seunghwan Kim研究了舵片偏轉(zhuǎn)角度對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響，運(yùn)用設(shè)計(jì)的駕駛儀輸出舵控信號(hào)[20]，針對(duì)特殊控制信號(hào)對(duì)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)提出了解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)舵機(jī)的精準(zhǔn)、穩(wěn)定控制。

不同類型修正機(jī)構(gòu)的控制算法也不同，在建立可動(dòng)翼控制回路時(shí)，要在閉環(huán)回路中考慮轉(zhuǎn)速、滾轉(zhuǎn)角、舵片位置、彈道偏差、舵機(jī)參數(shù)等因素。經(jīng)典PID控制方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，是目前工程中最為常用的。針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)控制算法設(shè)的改進(jìn)，主要是對(duì)其采用模糊算法、小波濾波算法、遺傳算法、滑膜變結(jié)構(gòu)算法與PID進(jìn)行融合。主要不足是算法會(huì)在一定環(huán)境下帶來(lái)各種附加效應(yīng)，降低了舵機(jī)的工作效率，需綜合控制回路的影響因素對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

彈道修正彈經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，歷經(jīng)由一維修正向二維修正的轉(zhuǎn)變，利用鴨舵修正的方法成為主流。利用鴨舵進(jìn)行彈道修正的方案能夠滿足高轉(zhuǎn)速、高精度、高過(guò)載、小型化、抗干擾的要求，提高了彈道修正效率。隨著微機(jī)械電子技術(shù)、電路集成技術(shù)、舵機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，鴨舵方案得到了足夠的技術(shù)支撐，取得了較大的研究進(jìn)展。

由于固定舵的舵片是不可調(diào)的，舵片偏轉(zhuǎn)角度的限定導(dǎo)致其修正效果能力有限。為了進(jìn)一步提高控制效果，可動(dòng)翼方案選用伺服電機(jī)帶動(dòng)舵片偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了舵片隨彈道偏差調(diào)節(jié)的功能。國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了相關(guān)類型的產(chǎn)品，并經(jīng)受了射擊實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，隨著國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的研究逐漸深入，相信國(guó)產(chǎn)的可動(dòng)翼二維修正彈不久就會(huì)進(jìn)入我軍裝備序列。