輕型反坦克導(dǎo)彈復(fù)合制導(dǎo)模式設(shè)計與仿真分析

楊 芳

（西安航空學(xué)院，西安 710077）

0 引言

輕型反坦克導(dǎo)彈是各國陸軍爭相研制和裝備的新一代武器，它能夠大大提高士兵在反坦克作戰(zhàn)和城市作戰(zhàn)任務(wù)背景下的作戰(zhàn)能力。制導(dǎo)控制系統(tǒng)在輕型反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中具有極其重要的作用，只有制導(dǎo)控制系統(tǒng)具有很高的制導(dǎo)精度，才能有效打擊以坦克、裝甲車等為主的點目標，因此，制導(dǎo)控制系統(tǒng)的制導(dǎo)精度是武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求中的重要指標。慣性中制導(dǎo)結(jié)合紅外末制導(dǎo)，在射程較遠時對目標探測與識別具有較大的優(yōu)勢。慣性制導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單，作用距離遠，不易受干擾，但隨時間的增加累計誤差也隨之加大。紅外末制導(dǎo)具有對目標的探測識別能力，抗干擾能力強，制導(dǎo)精度高的優(yōu)點，但作用距離有限，容易受到霧天環(huán)境或障礙物遮擋等影響。制導(dǎo)系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)和紅外圖像末制導(dǎo)的組合制導(dǎo)方案，可有效地克服各自的不足，大幅度提高制導(dǎo)精度和可靠性。采用捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)不但可以大大降低對末尋的系統(tǒng)技術(shù)要求，還可以增加紅外末尋的系統(tǒng)探測距離以外的最大射程。

本文根據(jù)某輕型反坦克導(dǎo)彈的總體要求，建立了捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)和紅外成像末制導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)方式。在導(dǎo)彈飛行轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)段之前，利用制導(dǎo)控制方程、虛擬比例導(dǎo)引方程將導(dǎo)彈控制到預(yù)定位置，再通過慣性制導(dǎo)與紅外制導(dǎo)的交班方程，保證紅外導(dǎo)引頭可靠鎖定并截獲目標。該復(fù)合制導(dǎo)方式可以提高導(dǎo)彈的作用距離和在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的適應(yīng)能力。

1 捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)和紅外成像末制導(dǎo)的總體設(shè)計

在滿足末制導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，為了盡可能地增加導(dǎo)彈的飛行距離，采用中段慣性制導(dǎo)與末段主動制導(dǎo)相結(jié)合的復(fù)合制導(dǎo)體制。由于中制導(dǎo)一般不以脫靶量作為性能指標，而只需把導(dǎo)彈導(dǎo)引到保證末制導(dǎo)可靠截獲的一定區(qū)域內(nèi)，因而不需要精確的位置終點。

圖1 制導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 慣性中制導(dǎo)

中制導(dǎo)的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)主要由慣性元件（陀螺、加速度計及其相關(guān)電路）、彈上計算機和控制指令算法組成。慣性元件固聯(lián)在導(dǎo)彈上，由它們直接測量出導(dǎo)彈的加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。由陀螺儀輸出的導(dǎo)彈角速度，在彈上計算機中通過建立的姿態(tài)矩陣，提取導(dǎo)彈的姿態(tài)和航向角信息，并用姿態(tài)矩陣對加速度計的輸出信息進行坐標轉(zhuǎn)換，從彈體坐標系變換到導(dǎo)航坐標系（地理坐標系），然后進行導(dǎo)航計算獲得在導(dǎo)航坐標系下的速度和距離偏差，再用彈上計算機實時變換成操縱導(dǎo)彈的舵控制信號，使其按預(yù)定的方向飛行，直至導(dǎo)彈進入末制導(dǎo)階段。

建立導(dǎo)彈飛行過程中質(zhì)心運動與繞心運動的方程如下：

1.2 虛擬比例導(dǎo)引

中制導(dǎo)結(jié)束后，彈上計算機提供一個轉(zhuǎn)換指令進入末制導(dǎo)段，這時主要由導(dǎo)引頭自動尋的。末制導(dǎo)與中制導(dǎo)的不同之處在于制導(dǎo)所需的信息來源不同：末制導(dǎo)主要靠彈上導(dǎo)引頭測得制導(dǎo)所需的目標位置、速度、加速度、視線角和視線轉(zhuǎn)率等信息；而中制導(dǎo)所需的信息要依靠彈上慣性元件測得導(dǎo)彈位置、速度、加速度等信息，與預(yù)裝訂的目標點位置進行計算，求出彈目之間的視線角和視線轉(zhuǎn)率等。另外，在末制導(dǎo)過程中，若導(dǎo)引頭丟失目標或未能截獲目標時，則根據(jù)裝訂的目標距離信息進行虛擬比例導(dǎo)引，亦能對目標造成一定的毀傷效果。

虛擬比例導(dǎo)引方法設(shè)計如下頁圖2 所示。

根據(jù)比例導(dǎo)引方法，由圖2 關(guān)系可得到彈目之間的視線角為：

圖2 導(dǎo)彈與目標三維交戰(zhàn)幾何

通過上式變換得到視線轉(zhuǎn)率的計算表達式為：

其中，

1.3 復(fù)合制導(dǎo)交班

在復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)中，中制導(dǎo)段和末制導(dǎo)段的兩種制導(dǎo)系統(tǒng)采用了不同的制導(dǎo)律。當制導(dǎo)過程確定從中制導(dǎo)向末制導(dǎo)轉(zhuǎn)換時，中制導(dǎo)彈道與末制導(dǎo)彈道之間將會出現(xiàn)偏差。為了使導(dǎo)彈飛行過程中在交班點具有較好的銜接，就需要將導(dǎo)彈的速度傾角控制在期望值，以減小交班誤差的存在。參照圖2，其控制方法如下：

通過以下方程組即彈目之間視線轉(zhuǎn)率和末端落角約束之間的關(guān)系，即可實現(xiàn)不同落點角度對目標的攻擊。

2 仿真驗證

結(jié)合某輕型反坦克導(dǎo)彈總體參數(shù)，根據(jù)慣性中制導(dǎo)與控制系統(tǒng)模型，編寫了制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真程序，對純慣性制導(dǎo)，慣性中制導(dǎo)+紅外末制導(dǎo)，障礙物遮擋3 種形式進行了半實物仿真試驗。仿真試驗系統(tǒng)主要由三軸轉(zhuǎn)臺、五軸轉(zhuǎn)臺、仿真計算機、彈載計算機、慣性測量單元（IMU）、紅外導(dǎo)引頭、紅外目標模擬器、仿真電纜、數(shù)據(jù)記錄儀，以及飛控軟件、仿真軟件和數(shù)據(jù)記錄軟件等組成，如圖3 所示。

圖3 仿真試驗系統(tǒng)組成

2.1 試驗1：純慣性制導(dǎo)

采用純慣性制導(dǎo)進行半實物仿真試驗，可以模擬導(dǎo)彈全程未進入紅外末制導(dǎo)的過程。在目標靜止情況下，對不同射程的慣性制導(dǎo)彈道進行了仿真，仿真結(jié)果如下頁圖4～圖5 所示。

2.2 試驗2：慣性中制導(dǎo)+紅外末制導(dǎo)

采用慣性中制導(dǎo)+紅外末制導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)方式進行半實物仿真試驗，可以模擬導(dǎo)彈由慣性中制導(dǎo)進入紅外末制導(dǎo)的過程。在目標靜止情況下，對不同射程的復(fù)合制導(dǎo)彈道進行了仿真，仿真結(jié)果如圖6～圖7 和表2 所示。

圖4 射程與高度關(guān)系曲線1

圖5 俯仰姿態(tài)角與時間關(guān)系曲線1

表1 慣性制導(dǎo)狀態(tài)不同射程彈道數(shù)據(jù)表

2.3 試驗3：障礙物遮擋試驗

當紅外導(dǎo)引頭信號受到干擾或者超出視線無法鎖定目標時，可以利用慣性制導(dǎo)進行制導(dǎo)控制，待紅外導(dǎo)引頭再次捕獲目標后重新轉(zhuǎn)為紅外末制導(dǎo)控制。以3 000 m 射程為例，分別進行了多次對目標的遮擋試驗（遮擋時刻分別為5 s、10 s、15 s、20 s，遮擋持續(xù)時間為100 ms），仿真結(jié)果如表3 所示。

圖6 射程與高度關(guān)系曲線2

圖7 俯仰姿態(tài)角與時間關(guān)系曲線2

表2 復(fù)合制導(dǎo)狀態(tài)不同射程彈道數(shù)據(jù)表

表3 復(fù)合制導(dǎo)狀態(tài)遮擋試驗彈道數(shù)據(jù)表

從表1 仿真數(shù)據(jù)可以看出，采用純慣性制導(dǎo)方法，可以利用虛擬比例導(dǎo)引算法將導(dǎo)彈導(dǎo)引至目標較近位置，但落點精度較差，且隨射程的增加，精度也逐漸降低。

從表2 仿真數(shù)據(jù)可以看出，利用復(fù)合制導(dǎo)的方式大大提升了制導(dǎo)精度，并且隨射程的增加，其制導(dǎo)精度也沒有削弱。

從表3 仿真數(shù)據(jù)可以看出，利用慣性中制導(dǎo)+紅外末制導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)的方式可以有效解決目標短暫丟失的問題。當目標丟失后，慣性制導(dǎo)繼續(xù)解算，并給出導(dǎo)引頭目標指向，當導(dǎo)引頭重新捕獲目標后，再對慣性制導(dǎo)誤差進行校正，這樣不但提高了輕型反坦克導(dǎo)彈的生存能力，也大大提升了制導(dǎo)精度。

3 結(jié)論

合理的制導(dǎo)方案是提升導(dǎo)彈命中精度的最有效手段之一。本文根據(jù)某輕型反坦克導(dǎo)彈的總體指標要求，研究了捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)和紅外成像末制導(dǎo)組合的復(fù)合制導(dǎo)方式。在導(dǎo)彈飛行轉(zhuǎn)入比例導(dǎo)引段之前，利用慣性制導(dǎo)將導(dǎo)彈控制到預(yù)定位置，通過慣性制導(dǎo)與紅外制導(dǎo)的交班，以保證紅外導(dǎo)引頭順利可靠地截獲目標。在末制導(dǎo)過程中，若導(dǎo)引頭丟失目標或未能截獲目標時，則根據(jù)裝訂的目標距離信息進行虛擬比例導(dǎo)引，同時給出導(dǎo)引頭目標指向，有助導(dǎo)引頭重新捕獲目標。該方法不但提高了導(dǎo)彈的作用距離，提升了制導(dǎo)精度，同時也使得輕型反坦克導(dǎo)彈在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的生存能力大大增強，為以后多用途輕型反坦克導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展奠定良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。