CN102012192A - 一种确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的方法，包括以下步骤：(1)确定整个导弹制导控制系统框图；(2)确定控制系统框图每个方框的数学模型；(3)将超前校正网络的数学模型串入控制系统框图；(4)根据系统对导入段弹道的收敛速度要求，设计超前校正网络；(5)设计激光环节传递系数，使其阶跃响应曲线与超前校正网络的阶跃响应曲线最接近。步骤(5)中得到的激光环节传递系数的设计结果即为通过本发明确定的导弹激光信息场初始定焦参数。使用本发明所提出的方法，可快速准确的设计激光驾束制导信息场初始定焦参数，并且满足系统对导入段弹道的收敛速度要求。

Description

一种确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的方法

技术领域

本发明涉及一种激光驾束制导信息场初始定焦参数的设计方法，属于激光驾束制导领域，尤其适用于激光驾束制导炮射导弹初始定焦规律的设计。

背景技术

激光驾束制导体制是现代精确制导技术的重要组成部分。由于具有制导精度高、抗主动干扰能力强、弹上装置结构简单、成本低等诸多优点，激光驾束制导体制已被国内外多种反坦克导弹及防空导弹所采用，如欧洲的“中程催格特”反坦克导弹、俄罗斯的9M119炮射导弹、瑞典的RBS70防空导弹等。

采用激光驾束制导体制时，在导弹发射前或发射瞬间，制导仪首先在空间形成一圆锥形激光信息场，该信息场一般与瞄准线同轴并指向目标。开始时制导光斑定焦在某一距离上，并保持一定时间。导弹发射后，经过一段无控飞行弹道后进入锥形激光信息场，弹尾的激光接收机接收编码的激光信号，并输出与接收到的编码对应的电压信号，形成控制指令，使导弹向信息场中心线运动，消除初始导入误差。当导入过程基本结束，导弹飞至定焦制导光斑时，制导仪开始按预先设计好的变焦规律进行变焦，制导光斑不断前移，保证导弹在飞行过程中所处的激光信息场截面直径基本不变，此时导弹稳定在信息场中心线附近飞行，直至命中目标。

对激光信息场进行编码调制是保证导弹准确判断自身在信息场中的位置并修正弹道偏差的关键环节，是激光驾束制导的关键技术之一。实现激光调制的方法有很多种，目前在工程上得到较好应用的是调制盘空间频率编码方案，该方案抗干扰性能好、解码方式简单，易实现。在调制系统进行调制时，刻有内、外两组光栅的调制盘在电动机带动下以某一恒定转速旋转。当载有f₁、f₅和f₂三个频率的外光栅自上至下依次通过激光波束时，使波束包含有f₁、f₅和f₂三个频率的激光脉冲信号，并形成偏航方向的编码信息；当载有f₃、f₅和f₄三个频率的内光栅自左向右切割激光波束时，使波束包含有f₃、f₅和f₄三个频率的激光脉冲信号，并形成俯仰方向编码信息。信息场编码展开示意图如图1所示。当处于激光信息场中的导弹尾部激光接收机接收到激光脉冲信号后，经弹上电路处理，检出各频率所占时间，就可确定导弹在激光场中的位置。

在激光驾束制导波束中，由制导仪出光口出发的任何一条射线上激光脉冲编码都是相同的，这意味着当导弹位于该射线上时，不管其距激光信息场中心线的实际线偏差有多大，弹上激光接收机的输出电压信号都是一样的。

在激光驾束制导系统设计中，制导仪的变焦特性主要取决于导弹飞行距离随时间的变化规律，设计方法和原则比较成熟；相对而言，关于激光制导信息场初始定焦参数的确定问题，目前尚未提出成熟的设计方法和原则。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，在分析初始圆锥形信息场对导弹制导控制系统作用效果的基础上，提供一种激光驾束制导信息场初始定焦参数的确定方法。

由激光驾束制导原理可知，当导弹在初始段锥形激光信息场中飞行时，导弹距波束中心线的实际线偏差与弹上激光接收机输出的电压信号之间的传递系数(以下简称激光环节传递系数)是逐渐减小的。在导弹飞行速度一定的情况下，传递系数的变化规律取决于激光驾束制导信息场的初始定焦参数，即取决于制导光斑的初始定焦位置及定焦时间。鉴于此，本发明考虑首先根据导弹系统制导和控制的需要确定激光环节传递系数变化规律，然后据此设计激光信息场初始定焦特性。

激光环节传递系数K_laser的变化规律可描述为

$K_{\mathrm{laser}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{D_1}{D_0+\frac{t}{t_1}(D_1-D_0)}& t\≤t_1\\ K_1& t>t_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，D₁为制导光斑直径，D₀为导弹进入激光信息场时所处光斑(以下简称导弹入射光斑)的直径，t为时间，其零点取为导弹进入激光信息场时刻，t₁为制导仪开始变焦时间，零点也取为导弹进入激光信息场时刻，K₁为t₁时刻激光环节的传递系数。

参照公式(1)，激光环节传递系数的变化对导弹制导控制系统的性能的影响可描述为：当导弹刚进入信息场时，激光环节传递系数最大，其将对实际线偏差产生一个“放大作用”，进而“放大”控制指令，控制导弹加速向信息场中心运动。在导弹向激光信息场中心运动过程中，随着导弹飞行距离(飞行时间)的增大，激光环节传递系数逐渐减小，其对控制指令的“放大”作用也逐渐减小，这将有助于减小由于导弹向信息场中心快速运动而产生的超调量。

由上述分析可见，初始段锥形信息场对驾束制导导弹的导入段弹道特性具有直接的影响。导弹在锥形激光信息场内运动时，激光环节传递系数是时变的，系统的时变特性无疑增大了信息场初始定焦参数设计的难度。通过对锥形信息场影响导弹导入段弹道的过程进行分析，本发明提出：激光驾束制导初始锥形激光信息场对导弹系统制导控制过程的作用可以近似为一个超前校正网络，并可通过校正网络的设计确定制导光斑的初始定焦位置及定焦时间。

本发明提供了一种确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的方法，包括以下步骤：

(1)确定整个导弹制导控制系统框图；

(2)确定控制系统框图每个方框的数学模型，亦即确定每个方框的数学表达式及其参数具体数值；

(3)超前校正网络的数学模型如式(2)所示，选择不同的α和T代入该数学模型，然后将该数学模型串联进步骤(2)所确定的控制系统框图的前向通路中；

$K_a\left(s\right)=\frac{\mathrm{\αTs}+1}{\mathrm{Ts}+1}---\left(2\right)$

(4)对步骤(3)获得的控制系统框图输入阶跃信号，看其是否满足系统对导入段弹道的收敛速度要求，如果满足，则将该组数学模型作为设计结果，否则返回步骤(3)重新选择α和T；

(5)将激光环节传递系数K_laser的变化规律描述为

$K_{\mathrm{laser}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{D_1}{D_0+\frac{t}{t_1}(D_1-D_0)}& t\≤t_1\\ K_1& t>t_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，D₁为制导光斑直径，D₀为导弹进入激光信息场时所处光斑(以下简称导弹入射光斑)的直径，t为时间，其零点取为导弹进入激光信息场时刻，t₁为制导仪开始变焦时间，零点也取为导弹进入激光信息场时刻，K₁为t₁时刻激光环节传递系数；

对于式(1)，选择不同的D₀和t₁然后将式(1)的阶跃响应曲线与步骤(4)获得的式(2)的阶跃响应曲线相对比，选择最接近的那组D₀和t₁作为式(1)，亦即激光环节传递系数的设计结果，其中式(1)中D₁已由系统给定；

步骤(5)中得到的D₀和t₁的值，即为通过本发明确定的导弹激光信息场初始定焦参数。

使用本发明所提出的方法，可快速准确的设计激光驾束制导信息场初始定焦参数，并且满足系统对导入段弹道的收敛速度要求，从而为导弹的变焦规律的设计奠定基础。

附图说明

图1激光信息场编码展开示意图；

图2激光驾束制导炮射导弹制导控制系统框图；

图3制导控制系统伯德图；

图4扩展制导控制系统框图；

图5扩展制导控制系统的阶跃响应曲线；

图6扩展制导控制系统伯德图；

图7模型阶跃响应曲线；

图8初始锥形信息场状态；

图9系统阶跃响应曲线

图中，1为目标位置，2为控制场中心，3为导弹入射光斑，4为制导光斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。

本实施例为针对某激光驾束炮射导弹作出的初始定焦参数的设计。该激光驾束炮射导弹发射初速为250m/s，制导仪连续变焦过程中制导光斑直径D₁＝6m、激光环节传递系数K₁＝1，导弹最小射程要求为200m。由于导入段飞行时间很短，下面假设导弹在导入过程中速度保持不变。这种假设对本文所述方法不是必须的，但可以使对方法的描述和讨论过程得到简化。

使用本发明确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的具体过程为：

(1)确定整个导弹制导控制系统框图。

以该激光驾束炮射导弹偏航通道为例，其控制系统框图结构如图2所示。其中，G(s)为导弹动力学，A(s)为舵机动力学，K(s)为控制器，s为复变量，z_t为导弹质心的期望z坐标，z_m为导弹质心的实际z坐标，Δz为z向偏差。

(2)确定控制系统框图每个方框的数学模型，亦即每个方框的数学表达式及其参数具体数值。

舵机动力学A(s)可近似为一个惯性环节，如式(3)所示：

$A\left(s\right)=\frac{180}{s+180}---\left(3\right)$

控制器K(s)由一个PID校正网络和一个惯性环节构成。综合考虑全弹道上控制系统性能指标要求及导弹动力学特性变化范围，将其设计为

$K\left(s\right)=\frac{0.0236s^2+0.0613s+0.0399}{0.0615s^2+s}---\left(4\right)$

对于初始导入段弹道，导弹动力学可近似为

$G\left(s\right)=\frac{743600}{s^2+14.56s+2704}---\left(5\right)$

此时，附图2所示系统的开环bode图如图3所示。

(3)选择不同的α和T代入式(2)，然后将式(2)串入步骤(2)所确定的控制系统框图，获得扩展后的系统框图，如图4所示。再将z_t设为阶跃信号，看z_m是否满足收敛速度要求，如果满足，则将该组α和T作为超前校正网络设计参数，否则重新选择α和T。

该某激光驾束炮射导弹系统对导入段弹道的收敛速度要求为0.6s，通过将α设计成3，T设计成0.3，获得了满足该收敛要求的超前校正网络K_α，如式(6)所示：

$K_a\left(s\right)=\frac{0.9s+1}{0.3s+1}---\left(6\right)$

扩展制导控制系统的阶跃响应曲线如图5所示，满足设计要求。

扩展制导控制系统的bode图如图6所示，和附图3比较，扩展后系统的开环截止频率由原来的6.38rad/s提高到15.3rad/s，显著提高了系统的带宽水平。

(4)对于式(1)，选择不同的D₀和t₁然后将式(1)的阶跃响应曲线与步骤(3)获得的超前校正网络K_α的阶跃响应曲线相对比，选择最接近的那组D₀和t₁作为式(1)的设计结果，其中式(1)中D₁已由系统给定。

对于该某激光驾束炮射导弹初始定焦参数设计，当选择D₀＝2m、t₁＝0.8s时，式(1)和式(6)的阶跃响应相近，如图7所示，这里D₁＝6。

当选择D₀＝2m、t₁＝0.8s时，激光驾束制导初始锥形信息场如图8所示，制导光斑被定焦在300m处，持续时间1.2s。

以阶跃指令为输入，对附图2所示原系统、附图4所示超前校正网络扩展系统以及采用式(1)代替超前校正网络形成的实际驾束系统的阶跃响应曲线进行了对比，如图9所示。由对比结果可见，驾束系统的阶跃响应虽然没有完全与扩展系统重合，但它们的响应曲线在收敛趋势上是相当接近的，收敛速度都明显高于原系统。比较驾束系统与原系统，驾束系统响应曲线收敛于阶跃指令幅值20％以内的时间较原系统缩短0.339s，对于250m/s的飞行速度，相应飞行距离缩短84.75m；驾束系统响应曲线收敛于阶跃指令幅值10％以内的时间较原系统缩短0.412s，相应飞行距离缩短103m。考虑到导弹进入波束前还要飞行100m，导弹的最小攻击距离点发生在其进入波束后0.4s，由图9可见，初始段锥形信息场对系统满足最小射程要求起到了至关重要的做用。

上述对比结果表明，本发明所提出的借助于超前校正网络确定激光驾束信息场初始定焦参数的方法是可行的。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种确定激光驾束制导信息场初始定焦参数的方法，包括以下步骤：

(1)确定整个导弹制导控制系统框图；

(2)确定控制系统框图每个方框的数学模型，亦即确定每个方框的数学表达式及其参数具体数值；

(3)超前校正网络的数学模型如式(2)所示，选择不同的α和T代入该数学模型，然后将该数学模型串联进步骤(2)所确定的控制系统框图的前向通路中；

$K_a\left(s\right)=\frac{\mathrm{\αTs}+1}{\mathrm{Ts}+1}---\left(2\right)$

(4)对步骤(3)获得的控制系统框图输入阶跃信号，看其是否满足系统对导入段弹道的收敛速度要求，如果满足，则将该组数学模型作为设计结果，否则返回步骤(3)重新选择α和T；

(5)将激光环节传递系数K_laser的变化规律描述为

$K_{\mathrm{laser}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{D_1}{D_0+\frac{t}{t_1}(D_1-D_0)}& t\≤t_1\\ K_1& t>t_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，D₁为制导光斑直径，D₀为导弹进入激光信息场时所处光斑(以下简称导弹入射光斑)的直径，t为时间，其零点取为导弹进入激光信息场时刻，t₁为制导仪开始变焦时间，零点也取为导弹进入激光信息场时刻，K₁为t₁时刻激光环节传递系数；

对于式(1)，选择不同的D₀和t₁，然后将式(1)的阶跃响应曲线与步骤(4)获得的式(2)的阶跃响应曲线相对比，选择最接近的那组D₀和t₁作为式(1)，亦即激光环节传递系数的设计结果，其中式(1)中D₁已由系统给定；

步骤(5)中得到的D₀和t₁的值，即为通过本发明确定的激光驾束制导信息场初始定焦参数。

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