捷聯(lián)導(dǎo)引頭隔離度分析與寄生回路濾波器設(shè)計(jì)

田 源，宿敬亞，王俊波

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076;2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

在制導(dǎo)武器中，捷聯(lián)導(dǎo)引頭直接固聯(lián)在彈體基座上，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與成本，提高了可靠性，但該類導(dǎo)引頭不能直接測量制導(dǎo)系統(tǒng)所需的目標(biāo)相對慣性空間的視線角速度(稱慣性視線角速度)，只能間接測量到目標(biāo)相對于彈體坐標(biāo)系的2個(gè)視線角(稱為體視線角)。由于載體相對于慣性空間是運(yùn)動的，捷聯(lián)導(dǎo)引頭測量的體視線角中包含了目標(biāo)相對于慣性空間的視線角和彈體姿態(tài)運(yùn)動兩部分信息，需要應(yīng)用陀螺測量信息對彈體的姿態(tài)進(jìn)行隔離，同時(shí)解耦出制導(dǎo)系統(tǒng)使用的慣性視線角速度。目前存在兩類慣性視線角速度解耦方法：一種是間接方法，首先根據(jù)導(dǎo)引頭測量的體視線角信息和導(dǎo)航解算的載體姿態(tài)角信息構(gòu)造出慣性視線角，然后對慣性視線角進(jìn)行微分或?yàn)V波估計(jì)以獲取慣性視線角速度信息[1-5]；另一種是直接方法，首先根據(jù)導(dǎo)引頭測量的體視線角信息，采用光流法、微分網(wǎng)絡(luò)或?yàn)V波器等方法估計(jì)出體視線角速度，然后結(jié)合載體的姿態(tài)角速度構(gòu)造出慣性視線角速度信息[6-7]。

雖然導(dǎo)引頭隔離度產(chǎn)生機(jī)理及對制導(dǎo)回路影響的研究源于穩(wěn)定平臺導(dǎo)引頭，但隨著靈巧導(dǎo)彈的迅速發(fā)展，針對捷聯(lián)導(dǎo)引頭隔離度及制導(dǎo)回路的研究也逐漸成為熱點(diǎn)。隔離度是衡量導(dǎo)引頭輸出信號品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，其表征了導(dǎo)引頭輸出的視線角速度對彈體運(yùn)動干擾的隔離能力，而且它還會在制導(dǎo)回路中引入一條額外的閉環(huán)反饋回路，即隔離度寄生回路[8-9]。導(dǎo)引頭的隔離度對寄生回路穩(wěn)定性[10-11]、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性[12]以及制導(dǎo)回路穩(wěn)定性[13]均存在影響，需要合適的方法匹配慣性器件與導(dǎo)引頭間的性能,降低隔離度水平,并通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)等對隔離度及寄生回路的穩(wěn)定性進(jìn)行測試[14-15]。

本文分析了慣性視線角速度的間接解耦方法與直接解耦方法的特點(diǎn)，首先給出了描述捷聯(lián)導(dǎo)引頭隔離度的通用制導(dǎo)回路并推導(dǎo)了隔離度的表達(dá)式；然后分析了隔離度對制導(dǎo)回路的作用特點(diǎn)，提出了寄生回路濾波器的設(shè)計(jì)思路；最后通過仿真算例驗(yàn)證了濾波器的有效性及其對寄生回路穩(wěn)定性的影響。

1 隔離度建模與分析

由于捷聯(lián)導(dǎo)引頭固連安裝于彈體，只能測量目標(biāo)相對于導(dǎo)彈彈體的體視線角，該測量信息中包含彈目視線角和彈體姿態(tài)角兩部分信息，必須利用導(dǎo)彈自動駕駛儀的陀螺測量信息通過數(shù)學(xué)方法解算實(shí)現(xiàn)對慣性視線角速度的提取及彈體運(yùn)動的隔離。以俯仰通道為例，捷聯(lián)導(dǎo)引頭測量的幾何關(guān)系如圖1所示。其中，q為視線與慣性基準(zhǔn)的夾角，即慣性視線角；qb為導(dǎo)引頭測量的視線與彈軸的夾角，即體視線角；φ為彈體俯仰姿態(tài)角。

圖1 捷聯(lián)導(dǎo)引頭與目標(biāo)在二維平面的空間幾何關(guān)系Fig.1 Two-dimensional relative geometry for the measurement of the strapdown seeker

圖2 基于間接法的捷聯(lián)制導(dǎo)回路框圖Fig.2 Scheme of indirect decoupling method for strapdown guidance loop

圖3 基于直接法的捷聯(lián)制導(dǎo)回路框圖Fig.3 Scheme of direct decoupling method for strapdown guidance loop

(1)

經(jīng)過整理，可得

a=

(2)

(3)

則

(4)

(5)

(6)

從式(5)和式(6)可以看出，隔離度位于制導(dǎo)回路傳遞函數(shù)的分母上，對于制導(dǎo)回路穩(wěn)定性和魯棒性的影響較大。

2 寄生回路濾波器設(shè)計(jì)

寄生回路濾波器包含導(dǎo)引頭通道濾波器和姿態(tài)通道濾波器，其作用是調(diào)理導(dǎo)引頭通道的測量信號與陀螺通道的測量信號，使二者在解耦前的時(shí)頻特性匹配。令導(dǎo)引頭通道濾波器Gsf(s)=Gsf0(s)Gf(s)，陀螺通道濾波器Ggf(s)=Ggf0(s)Gf(s)，增加寄生回路濾波器后的捷聯(lián)制導(dǎo)原理框圖如圖4所示。

圖4 含寄生回路濾波器的捷聯(lián)制導(dǎo)回路框圖Fig.4 Scheme of strapdown guidance loop with parasitical loop filter

由式(4)所示的隔離度公式，得

R(s)=Ggf0(s)Gf(s)Gg(S)-Gsf0(s)Gf(s)Gs(s)

=Gf(s)[Ggf0(s)Gg(s)-Gsf0(s)Gs(s)]

(7)

令Δ(s)=Ggf0(s)Gg(s)-Gsf0(s)Gs(s)，則R(s)=Gf(s)Δ(s)。可見，通過濾波器設(shè)計(jì)使Δ(s)趨于0，能夠消除隔離度對制導(dǎo)回路的影響。理想情況下，取Gsf0(s)=Gg(s),Ggf0(s)=Gs(s)則可以使Δ(s)為0。但實(shí)際工程中無法精確獲得陀螺傳遞函數(shù)Gg(s)和導(dǎo)引頭傳遞函數(shù)Gs(s)，可以采取在低頻段通過系統(tǒng)辨識給出較為準(zhǔn)確的模型，然后設(shè)計(jì)濾波器Gf(s)截?cái)唳?s)高頻部分，使隔離度R(s)在全頻段近似為0。含制導(dǎo)濾波器的捷聯(lián)制導(dǎo)回路如圖4所示，從圖4中可以看出，濾波器設(shè)計(jì)的主要思路就是通過引入合理的濾波器使導(dǎo)引頭測量信息傳遞通道與姿態(tài)測量信息傳遞通道的時(shí)頻特性一致，消除信號測量與傳遞過程中帶來的噪聲干擾，確保慣性視線角速度的解耦效果。

制導(dǎo)回路正常工作的首要基礎(chǔ)就是整個(gè)回路必須是絕對穩(wěn)定的，所以濾波器Gf(s)的設(shè)計(jì)還需要考慮式(5)所示的捷聯(lián)制導(dǎo)回路的穩(wěn)定性。由自動控制原理可知，閉環(huán)系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)在s平面的分布，可以根據(jù)赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)對制導(dǎo)回路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3 仿真算例與分析

在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)引頭與陀螺的真實(shí)模型是高階的復(fù)雜模型，難以通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識出真實(shí)的模型，但是他們的低頻特性卻可以通過試驗(yàn)及測試數(shù)據(jù)建立起來。對于制導(dǎo)系統(tǒng)而言，動態(tài)性能最好的是用于姿態(tài)穩(wěn)定的陀螺(例如光纖陀螺)，次之的是用于精確制導(dǎo)的導(dǎo)引頭，而自動駕駛儀的帶寬通常低于上述兩種測量設(shè)備。由于導(dǎo)引頭與陀螺的延時(shí)時(shí)間可以通過試驗(yàn)準(zhǔn)確測得并進(jìn)行補(bǔ)償，在仿真中不考慮延時(shí)項(xiàng)。

根據(jù)圖4所示制導(dǎo)回路中的各環(huán)節(jié)，選取導(dǎo)彈某特征點(diǎn)處的參數(shù)建立如下模型，其中導(dǎo)航比N=3.5，飛行速度Vm=600m/s。

制導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)如下

本文提出的制導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)方法就是通過對導(dǎo)引頭以及陀螺的低頻特性進(jìn)行建模，并引入匹配自動駕駛儀帶寬的低通濾波器將導(dǎo)引頭通道與陀螺通道的信號動態(tài)特性調(diào)整一致，從而降低制導(dǎo)回路的隔離度。從圖5和圖6可以看出，導(dǎo)引頭濾波器Gsf0(s)近似了陀螺Gg(s)的低頻特性，而陀螺濾波器Ggf0(s)近似了導(dǎo)引頭Gs(s)的低頻特性，而低通濾波器Gf(s)對導(dǎo)引頭通道與陀螺通道的信號進(jìn)行了低頻截取，使得2個(gè)通道的信號能夠匹配，減小重構(gòu)慣性視線角速度過程中的誤差。從圖7的隔離度頻域特性可以看出，制導(dǎo)回路對低頻段的姿態(tài)運(yùn)動隔離效果很好。而在濾波器帶寬附近的隔離效果稍差，這是因?yàn)闉V波器與實(shí)際模型的差異逐漸加大，而低通濾波器的效果還不明顯。高頻段隔離效果好是由于低通濾波器對高頻的彈體姿態(tài)進(jìn)行了衰減，不會將干擾引入自動駕駛儀。圖8給出了視線角速度輸入為1(°)/s時(shí)寄生回路輸出的過載，可以看出增加了制導(dǎo)濾波器后寄生回路具有良好的動態(tài)特性。

圖5 導(dǎo)引頭濾波器與陀螺模型Fig.5 Seeker filter and gyroscope models

圖6 陀螺濾波器與導(dǎo)引頭模型Fig.6 Models of gyroscope filter and seeker

圖7 隔離度的頻域特性Fig.7 Characteristics of disturbance rejection rate in frequency domain

圖8 寄生回路的階躍響應(yīng)Fig.8 Step response of parasitical loop

4 結(jié)論

本文分析了慣性視線角速度的間接解耦方法與直接解耦方法的特點(diǎn)，描述了捷聯(lián)導(dǎo)引頭隔離度的通用制導(dǎo)回路并推導(dǎo)了導(dǎo)引頭隔離度的表達(dá)式。通過對隔離度的分析提出了寄生回路濾波器的設(shè)計(jì)思路，即通過引入合理的濾波器使導(dǎo)引頭測量信息傳遞通道與姿態(tài)測量信息傳遞通道的時(shí)頻特性一致，消除信號測量與傳遞過程中帶來的噪聲干擾，確保慣性視線角速度的解耦效果。最后通過仿真算例驗(yàn)證了濾波器的有效性，可以用于指導(dǎo)實(shí)際的捷聯(lián)制導(dǎo)回路工程設(shè)計(jì)。