半捷联稳定控制方案与制导信息提取方法

在现代战术导弹末制导系统中,捷联稳定方案在成本、体积方面与传统的陀螺稳定方案相比具有明显优势,是战术导弹导引头的发展方向,其技术核心是数学稳定平台和捷联稳定算法.研究了半捷联末制导系统中数字稳定平台的控制算法和制导信息提取方法,给出了一套适于工程实现的数字稳定控制算法和相应的目标视线角速度信息获取算法.首先探讨了捷联稳定控制原理,然后提出了一种数字稳定平台的实现算法和目标视线角及视线角速度等制导信息的解算方法,为了克服传感器精度和微分运算不理想所造成的视线角速度计算精度不足,又给出了一种基于导弹-目标角跟踪模型的目标视线角速度滤波模型,最后通过数学仿真验证了上述方法的有效性.     

全捷联导引头视线角速度STCKF提取技术

传统的平台导引头可以通过物理跟踪回路直接提取导弹制导所需的视线角速度信息,采用全捷联结构后,导引头失去了直接测量视线角速度的能力,视线角速度需要通过数字计算的方法来提取。针对全捷联导引头精确制导技术工程应用中的问题,首先给出了视线角速度提取方案,推导得到视线角速度估计模型,鉴于估计模型的强非线性,采用强跟踪容积卡尔曼滤波算法对视线角速度进行估计。结合小型空面导弹的典型使用条件,通过弹道仿真对视线角速度估计算法的有效性进行了验证。仿真试验表明:导引头在末制导段捕获目标后,能迅速消除滤波初始误差,准确跟踪真实的弹目视线角和视线角速度变化。为验证将滤波输出作为制导信息的可行性,考虑激光半主动全捷联导引头的典型干扰,用蒙特卡洛打靶方法对导弹制导精度进行了考核,1 000次打靶结果显示,对静止目标的制导精度为0.58 m（CEP）,对运动目标的制导精度为0.84 m（CEP）,满足精确制导武器的制导精度要求。     

基于自适应扩展卡尔曼滤波的导弹制导信息估计

在机动目标的被动跟踪研究领域,导引头仅能量测到视线角速度或视线角信息,利用仅有的角度测量信息对制导信息进行估计,是导弹实现先进导引律精确命中机动目标的基础。本文针对机动目标的被动跟踪问题,选取"当前"统计模型作为机动目标模型,建立系统状态方程和量测方程,提出一种适应于大机动目标的自适应扩展卡尔曼滤波算法对制导信息进行估计。通过仿真实验可以看出,本文所提出的算法具有较好的滤波效果,对制导信息的估计误差满足系统精度要求。     

基于角速度补偿的捷联天线稳定系统设计

研究了半捷联末制导系统中捷联天线稳定系统的设计原理和控制算法。首先分析了捷联稳定和陀螺稳定的本质区别与联系;然后基于弹体、导引头、天线的三维运动关系,提出了一种新型捷联天线稳定系统控制方案。使用框架角测量和惯导信息重构天线的绝对空间运动信息,并采用角速度补偿方法和数学稳定平台实现导引头天线的间接稳定,能够解决导引头在纯稳定和目标跟踪两种工作模式下的天线控制问题。最后通过数学仿真验证了所提方法的有效性。     

滚仰式捷联导引头视线角速度提取技术研究

滚仰式捷联导引头具有很好的应用前景,但在过顶跟踪时提取稳定的视线角速度问题一直没有妥善的解决方法。提出一种利用导引头提供的失调角、框架角及框架角速度等信息构建"虚拟偏仰式导引头"的方法,设计Kalman滤波器对目标垂直视线运动信息进行估计,进而间接提取出视线角速度信息,用于产生制导指令。仿真结果表明,在过顶跟踪时该方法能有效抑制视线角速度抖动,视线角速度精度显著提高。     

误差功率谱系数加权法在半捷联制导信息提取中的应用

为了解决半捷联成像导引头视线角速率直接提取噪声大的问题,首先分析了半捷联导引头视线角速率随机噪声的来源,建立半捷联稳定跟踪控制回路的模型,推导出各种误差与输出之间的传递特性。在主要的随机误差源统计分析的基础上,得出主要噪声的功率谱响应,依据功率谱响应对半捷联视线角速率各构成部分进行加权得出加权视线角速率。为了验证加权视线角速率的有效性,在制导回路中进行分析仿真,结果表明:加权方法能够有效抑制导引头测量信息的噪声。以半实物的方式实现半捷联电视导引头,在电视导引头完成双闭环后进行扰动隔离及跟踪靶标,将加权视线角速率提取方法提取制导信息与直接提取方法进行比较,实验结果表明,加权提取方法的视线角速率噪声均方差为0.098 ()/s,比直接合成噪声降低了46%。综上所述,加权方法可以很好地改善半捷联视线角速率噪声大的问题。     

半捷联雷达导引头视线角速度提取

在雷达导引头小型化的应用背景下,半捷联雷达导引头省去了稳定平台上的速率陀螺,满足了降低成本和减小体积的要求。与光学导引头相比,雷达导引头还可以获得弹目相对距离,综合距离与角度跟踪信息可以进一步提高信号输出品质。但半捷联雷达导引头无法直接获取用于比例导引的目标视线角速度,本文提出在天线坐标系下建立目标视线微分方程,利用自适应卡尔曼滤波进而结合导弹弹体扰动信息、天线相对运动信息重构视线角速度信号,用于比例制导系统。     

基于理想弹道的全捷联弹药视线角估计方法

针对惯性测量元件不能满足低成本制导弹药作战需求问题,提出一种基于理想弹道的全捷联激光半主动末制导弹药视线角估计方法。该方法根据弹目相对运动模型及导引头量测模型建立非线性滤波系统;针对弹体运动参数在末制导段变化范围较小的特点,通过分析弹体运动参数对系统不确定性的影响,将理想弹道弹体运动参数标准值作为滤波系统参数;利用激光半主动导引头量测信息,结合容积卡尔曼滤波对弹目视线角进行估计。数字仿真实验结果表明:在小扰动条件下,弹目视线倾角与偏角末制导段的均方根误差分别为0.182与1.668,其最大估计误差分别为0.259与2.913,具有较好的估计精度与鲁棒性能。     

捷联导引头视线角速率估计算法

研究了一种用于估计制导弹药与目标之间的视线角速率算法的推导与实现.低成本的捷联导引头的测量信息中包含了弹目在相对运动中形成的视线角和弹体姿态两部分信息,首先设计解耦算法将弹体姿态信息去除,然后采用扩展卡尔曼滤波(EKF)以及α-β滤波这两种算法分别对视线角和视线角速率进行估计,最终的仿真结果表明采用EKF算法能比α-β滤波算法得到更加精确的估计值.     

捷联式光学导引头特性与多维度最优制导律

为实现捷联式光学成像导引头与制导系统一体化设计,建立了全捷联制导与控制系统,根据捷联导引头特性进行制导与控制原理研究。首先,建立了全捷联导引头与陀螺的数学模型;接着,针对捷联导引头无法精确提取视线角速率的问题,提出姿态驾驶仪与视线角积分比例导引相结合的控制与制导方案,并分析了导引头体视线角、刻度因数、导航比和系统稳定区域之间的关系;然后,推导了全捷联制导系统最优制导律以提高制导系统响应速度;最后,进行了控制与制导系统飞行仿真,仿真结果表明:捷联式制导与控制系统能对静止与运动目标（速度为60 km/h）进行有效攻击,最大射击误差分别为1.49 m与2.62 m;系统误差、陀螺零偏与零偏稳定性对制导系统精度影响较大。捷联导引头制导与控制系统能满足空对地系统对静止与低速运动目标的攻击要求。     

一种实时视轴跟踪的IRST系统像移补偿控制技术

针对面阵凝视器件运用到红外搜索跟踪(IRST)系统中出现的图像拖尾问题,为解决方位搜索转台变速运动下高质量的IRST系统像移补偿,提出一种实时视轴跟踪的IRST系统像移补偿控制技术。基于方位搜索转台速率实时感知的振镜高速、高精度控制策略,实现了对像移的准确补偿。采用高精度M/T测速算法实现了像移的准确计算,通过对振镜电机建立控制系统模型,开展了振镜补偿控制算法仿真研究。实验室成像测试结果表明,在方位搜索转台任意变速运动下,靶标成像清晰无拖尾,成像效果与凝视型几无差别。     

捷联成像制导系统的若干问题探讨

对比捷联成像导引头和传统成像导引头的特点,指出捷联成像寻的制导技术应用到实际的导弹系统中,需要解决视线角速率提取、数学平台的实现以及制导和控制系统综合设计等问题。给出了各坐标系之间的转换关系,据此推导了捷联成像寻的制导的弹体姿态解耦算法。针对捷联成像导引头的大测量噪声以及系统的非线性,介绍了采用Unscented卡尔曼滤波器估计视线角速率的基本原理,并对捷联成像制导与控制系统进行了分析,给出了制导与控制系统综合设计的思路。     

红外制导弹药协同定位跟踪方法研究

针对红外制导导弹无法直接测量弹目距离、视线角速度及目标加速度等制导信息,且单枚导弹的可观测量少,目标定位误差大的问题,考虑红外导引头的测量特性,利用多枚导弹与目标的几何关系对目标进行协同定位。建立多枚导弹对目标的协同跟踪模型,通过计算导弹间相对运动关系估算弹目距离,并将其作为伪量测量,结合导引头测角信息构建新的量测方程,利用卡尔曼滤波估计出弹目距离和视线角速度等制导信息。针对机动目标,研究了一种基于交互式多模型滤波方法,利用多个目标机动模型加权融合的方法来估计真实目标机动模型。数学仿真表明该方法有效提高了对固定/机动目标的估计精度。     

光电跟瞄系统瞄准精度测试技术

为了提高多传感器光电跟瞄系统瞄准精度,提出了多传感器光电跟瞄系统瞄准精度测试的3种方法:像纸法、CCD法和靶标法。系统采用宽光谱大口径平行光管,结合光电跟瞄系统的激光、红外和电视分系统,实现激光与红外/电视瞄准线高精度测试。详细介绍了每种测试方法的工作原理和主要误差来源,建立了实验测试环境,分别用像纸法、CCD法和靶标法对同一光电跟瞄系统红外、电视、激光传感器的瞄准线之间的偏差进行了测试和误差分析。结果表明,靶标法测试误差源少,精度能够达到4″,适用于高精度光电跟瞄系统瞄准精度测试。     

基于RBF的带落角约束的最优滑模导引律设计

根据防空导弹打击目标的作战特点,提出一种基于RBF网络的带终端落角约束的最优滑模变结构导引律。首先应用最优控制理论和变结构控制理论设计基于视线角和视线角速度的最优滑模变结构导引律,然后应用RBF网络对所设计导引律中的变结构项的增益进行调节。仿真结果表明,所提出的导引律不仅能减弱系统抖振,而且能够同时满足命中精度和命中期望角的要求,对目标机动具有很好的鲁棒性。     

捷联式光学导引头视线角速率解耦与估计

为准确估计捷联导引头视线角速率,建立了全捷联导引头数学模型,根据弹目运动相对关系进行视线角速率解耦与估计算法研究。首先,建立了全捷联导引头数学模型,并利用Taylor 级数对其进行线性化;接着,根据弹目运动几何学与坐标系相对关系推导视线角速率解耦算法;然后,针对捷联导引头无法直接测量体视线角速率的问题,提出微分+稳态Kalman 滤波方法估计体视线角速率;最后,建立视线角速率解耦与估计算法验证系统并进行仿真实验,结果表明:解耦算法绝对误差小于510-5 rad/s,相对误差小于0.3%,验证了解耦算法的正确性;在包含导引头数学模型的条件下,采用角频率为19.2 rad/s 的稳态Kalman 滤波器,视线角速率估计误差小于410-3 rad/s,较直接微分方法的估计误差提高近一个量级。视线角速率解耦与估计算法同时能满足制导系统对精度与动态性能的要求。     

利用序列图像解算目标视线角速率的方法

针对目标跟踪处理系统中的视线角速率提取问题,提出一种利用单成像探测器所得序列图像求导视线角速率的方法。利用序列图像中的运动目标图像坐标解算得到体视线角,通过图像匹配得到弹体姿态角,进而求解得到视线角速率。实验结果表明:结合图像跟踪算法可实时得到体视线角,使用图像匹配可以较好地解算得到弹体姿态角,解算结果误差小于5%;在体视线角和弹体姿态角均包含噪声的前提下,使用卡尔曼滤波可以较好地还原视线角速率。该方法适用于微小型飞行器制导探测,可以省去陀螺仪等惯性元件,实现探测装置的轻量化、小型化,具有实际的应用价值。     

舰载光电全息显控系统

针对舰载光电设备易受到载体摇摆、武器震动、烟雾,或是受到大气、云雾、海面杂波等环境影响而导致跟踪失败的情况,研制了能为伺服系统提供高精度的二次引导及控制视轴跟踪低空掠海目标的全息显控系统。将CA模型、有限记忆的最小二乘滤波和创新提出的"近似-比较"超低空控制技术相结合,提出了一种稳定跟踪低空掠海目标特别是为伺服系统提供跟丢目标角度信息的全息控制策略。介绍了该系统硬件设计与实现。试验证明,该全息显控系统在为光电设备提供外部控制信息和对外引导设备提供反馈信息的同时,能够连续6s提供比雷达引导精度高11.8′的二次引导数据及控制视轴稳定跟踪低空掠海目标的能力,实现了舰载光电设备全自动的无人职守。