CN108387151B - 一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，包括伺服电机、偏置安装轴、激光接收器、光电码盘、控制计算机、联轴器和滚转陀螺仪；伺服电机与导弹固定连接，光电码盘用于测量伺服电机的电机轴相对弹体旋转的角度β；联轴器用于连接伺服电机的电机轴和偏置安装轴，伺服电机的电机轴和偏置安装轴之间有一偏置角r，偏置安装轴的一端固定连接激光接收器；激光接收器用于测量激光接收器中心线相对激光束的入射角p₂和方位角q₂；滚转陀螺仪用于测量导弹滚转运动姿态角γ；控制计算机利通过导弹相对激光波束姿态角度的算法得到导弹相对激光波束俯仰方向的姿态角θ和偏航方向的姿态角φ。

Description

一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统

技术领域

本发明涉及驾束制导的技术领域，具体涉及一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统。

背景技术

现代战争的主要特点是快速、全天候作战和远距离攻击目标命中率高，以达到远离本土而能打赢任何一场局部战争的目的。由于激光具有单色性好、方向性好、相干性及高亮度的特点，激光制导技术在战争中愈来愈重要。激光制导技术是继电视、雷达、红外制导之后又一类制导方式。激光制导武器具有制导精度高，抗干扰能力强，结构简单，体积小，成本低廉等优点，再加上激光器技术的迅速发展和国防的需要，各类激光制导武器得到迅速的发展，成为当今各国竞相研制和装备的武器。

激光驾束制导是激光制导的一种，激光驾束制导的工作过程为：作战人员以最佳的角度发射导弹，使导弹进入经调制的激光波束中，进入波束的方向要尽可能与激光束轴线的方向一致，弹体在飞行过程中，弹体上的激光接收器接收到激光器直接照射的激光信号，从中处理出制导所需的误差量，即弹体和轴线偏离的方向和大小。并将这个误差量送入弹上的控制系统，由控制系统控制弹的飞行方向和姿态，始终保持弹与激光束的重合，并最终命中目标，故称为激光驾束制导。然而现有的激光驾束制导系统只能测量出导弹相对激光束轴线的线偏差，这大大限制了导弹的控制性能，如果能够测量出导弹与激光波束的相对姿态角，则可以对弹目交汇姿态、导弹飞行过程中姿态角运动等进行有效控制，大幅度提升驾术制导系统的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，能够测量导弹相对激光波束姿态角。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，包括伺服电机、偏置安装轴、激光接收器、光电码盘、控制计算机、联轴器和滚转陀螺仪；

伺服电机与导弹固定连接，且伺服电机的电机轴与导弹的弹轴重合；

光电码盘用于测量伺服电机的电机轴相对弹体旋转的角度β；

联轴器用于连接伺服电机的电机轴和偏置安装轴，伺服电机的电机轴和偏置安装轴之间有一偏置角r，所述偏置角r应保证导弹的弹轴在任何情况下都处于激光接收器的探测视场范围内；

偏置安装轴的一端固定连接激光接收器；

激光接收器用于测量激光接收器中心线相对激光束的入射角p₂和方位角q₂；

滚转陀螺仪用于测量导弹滚转运动姿态角γ；

控制计算机利用电机轴相对弹体旋转的角度β、偏置角r、激光接收器相对激光束的入射角p₂和方位角q₂以及导弹滚转运动姿态角γ通过导弹相对激光波束姿态角度的算法得到导弹相对激光波束俯仰方向的姿态角θ和偏航方向的姿态角φ。

进一步地，所述导弹相对激光波束姿态角度算法为：

式中，

进一步地，控制计算机利用电机轴相对弹体旋转的角度β、偏置角r、激光接收器相对激光束的入射角p₂和方位角q₂以及导弹滚转运动姿态角γ通过伺服跟踪角度算法计算出控制伺服电机旋转的控制指令q₁控制电机轴相对弹体旋转

的角度β等于q₁。

进一步地，所述伺服跟踪角度算法为：

有益效果：

1、本发明提供的偏置跟随激光测量系统，提供了导弹相对激光波束姿态角度的算法，可以准确快速地计算出导弹相对激光波束的姿态角。

2、本发明提供的偏置跟随激光测量系统，其通过伺服跟踪角度算法生成的控制指令控制伺服电机带动激光接收器跟随激光入射方向旋转，可以显著增大激光接收器的探测视场范围，从而有效降低导弹大机动飞行时捕捉不到激光束的情况。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的数据流示意图；

图3(a)为本发明的探测视场范围正视图；

图3(b)为本发明的探测视场范围俯视图；

图4为本发明的激光接收器坐标系和基准坐标系定义示意图；

图5为本发明的激光接收器相对激光射线的角度示意图；

图6为本发明的激光接收器与伺服电机相对位置示意图；

图7为本发明测量的导弹相对激光射线姿态角示意图。

其中，1.伺服电机，1-1.伺服电机的电机轴，2.偏置安装轴，3.激光接收器，3-1.位置敏感探测器，4.光电码盘，5.控制计算机，6.联轴器，7.滚转陀螺仪。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，包括伺服电机1、偏置安装轴2、激光接收器3、光电码盘4、控制计算机5、联轴器6和滚转陀螺仪7；

伺服电机1与导弹固定连接，且伺服电机1的电机轴与导弹的弹轴重合；

光电码盘4用于测量伺服电机1的电机轴相对弹体旋转的角度β；

联轴器6用于连接伺服电机1的电机轴和偏置安装轴2，伺服电机1的电机轴和偏置安装轴2之间有一固定的偏置角r，所述偏置角r应保证导弹的弹轴在任何情况下都处于激光接收器3的探测视场范围内，如图3(a)所示；

偏置安装轴2的一端固定连接激光接收器3；

激光接收器3用于测量激光接收器3中心线相对激光束的入射角p₂和方位角q₂；激光接收器3包含位置敏感探测器3-1，位置敏感探测器3-1可以记录光斑的位置信息并解算出激光接收器3相对激光射线的角度信息；

滚转陀螺仪7用于测量导弹滚转运动姿态角γ；导弹在激光场内飞行时，滚转陀螺仪7测出导弹当前滚转运动姿态角γ；

如图2所示，滚转陀螺仪7、激光接收器3和光电码盘4上传角度信息给控制计算机5，控制计算机5一方面将电机轴相对弹体旋转的角度β、偏置角r、激光接收器3相对激光束的入射角p₂和方位角q₂以及导弹滚转运动姿态角γ通过导弹相对激光波束姿态角度的算法计算得到导弹相对激光波束俯仰方向的姿态角θ和偏航方向的姿态角φ；

所述导弹相对激光波束姿态角度算法为：

式中，

控制计算机5另一方面通过伺服跟踪角度算法计算出控制伺服电机1旋转的控制指令q₁，控制电机轴相对弹体旋转的角度β等于q₁；伺服电机1通过联轴器6带动偏置安装的激光接收器3跟随激光入射方向旋转，

所述伺服跟踪角度算法为：

伺服跟踪角度算法的核心思想是始终保持激光射线在位置敏感探测器上的光斑M和B'的连线B'M与线段B'y'₂之间的夹角最小，如图3(b)所示，图3(b)中B'y'₂为激光接收器坐标系中的By₂在位置敏感探测器平面上的投影。

上述两个算法的推导过程如下：

建立地面坐标系、激光接收器坐标系和基准坐标系，定义如下：

地面坐标系Axyz：地面坐标系Axyz是与地球表面固连的坐标系，坐标系原点A通常选取在导弹发射点上；Ax轴为弹道面与水平面交线，指向目标为正；Ay轴沿垂线向上，Az轴与其他两轴垂直并构成右手坐标系。

激光接收器坐标系Bx₂y₂z₂：坐标系的原点B取在激光接收器聚焦点处；Bx₂轴与激光接收器的中心轴重合，指向偏置安装轴方向为正；By₂轴与Bx₂轴垂直，位于与位置敏感探测器平面平行的平面内，By₂轴方向取激光接收器相对电机轴偏置的方向为正；Bz₂轴垂直于Bx₂y₂平面，其方向按右手坐标系确定，如图4所示。激光接收器坐标系与激光接收器本体固连，是一个动坐标系。

基准坐标系Ox₁y₁z₁：坐标系的原点O取在伺服电机底端圆心处；Ox₁轴与电机轴线重合，指向导弹头部方向为正；Oy₁轴位于弹体纵向对称面内与Ox₁轴垂直，指向上为正；Oz₁轴垂直于Ox₁y₁平面，方向按右手直角坐标系确定，如图4所示。基准坐标系与弹体固连。

激光射线与激光接收器坐标系的夹角可由两个角度确定，如图5所示，定义如下：

入射角p：激光射线与Bx₂轴负半轴的夹角，迎By₂轴观察，激光射线在By₂z₂平面右侧p角为正，考虑到实际情况，激光射线只会以正入射角射入激光接收器。

方位角q：激光射线在By₂z₂上的投影与By₂轴之间的夹角，迎Bx₂轴方向观察，投影由By₂轴逆时针旋转得到则q角为正，反之为负，夹角范围-180°～180°。

激光接收器与伺服电机的夹角可由两个角度确定，如图6所示，定义如下：

偏置角r：偏置安装轴与电机轴之间的夹角。

旋转角β：By₂轴在Oy₁z₁平面内的投影与Oy₁轴之间的夹角，迎Ox₁轴方向观察，投影由Oy₁轴逆时针旋转得到β角为正，反之为负，夹角范围-180°～180°。

基准坐标系与地面坐标系的夹角可由三个角度(欧拉角)确定，但是考虑到求解导弹相对激光波束姿态角的过程中，激光接收器相对激光射线的入射角已经包含导弹俯仰角和偏航角的变化，故坐标转换时只需考虑滚转角的影响，定义如下：

滚转角γ：Oy₁轴与包含Ox₁轴的铅垂平面之间的夹角。顺Ox₁轴观察，若Oy₁轴位于铅垂面的右侧，则γ角为正，反之为负。

下面推导激光接收器坐标系到基准坐标系的转换矩阵：

为研究方便，将基准坐标系与激光接收器坐标系的原点及对应坐标轴重合，第一次以角速度绕基准坐标系Oz₁轴旋转-r角，得到Ox₂y'z₁坐标系。基准坐标系与经第一次旋转后形成的过渡坐标系Ox₂y'z₁之间关系以矩阵形式表示为：

式中

第二次以角速度绕过渡坐标系Ox₂轴旋转β角，转到B(O)x₂y₂z₂坐标系。过渡坐标系与激光接收器坐标系之间的关系以矩阵形式表示为：

式中

将式(1)代入式(3)，计算得到：

令L(β,-r)＝L(β)L(-r)(6)

则

由此可得出激光接收器坐标系到基准坐标系之间的转换矩阵：

接下来推导伺服跟踪角度算法和导弹相对激光波束姿态角度算法。

(一)伺服跟踪角度算法

导弹在激光场中飞行时，激光接收器接收到激光束后可以识别出激光射线的入射角p₂和方位角q₂，如图5所示，滚转陀螺仪测量出当前导弹的滚转角γ。为方便计算，假设位置敏感探测器中心到聚焦点处的长度l为1，由几何关系可以求出激光射线在位置敏感探测器上光斑的位置坐标为

(-1,tanp₂cos(q₂+γ),tanp₂sin(q₂+γ))，将其转换到基准坐标系中，得到坐标为：

展开可得：

根据图5几何关系可以求出基准坐标系下激光接收器相对激光射线的方位角为：

导弹飞行过程中，控制计算机解算出q₁角度，该角度作为控制指令，控制伺服电机的旋转角β等于q₁，带动偏置安装的激光接收器旋转，即可保证激光接收器时刻指向激光入射方向。若激光接收器未接收到激光波束，则伺服电机以固定的旋转角速度旋转搜索激光束。

(二)导弹相对激光波束姿态角度算法

定义导弹相对激光束俯仰和偏航方向的姿态角分别为θ角和φ角，如图7所示。当激光射线在导弹的弹轴下方入射θ角为正，反之为负；当激光射线在导弹的弹轴左侧入射φ角为正，反之为负。OC、OD分别为激光射线在Ox₁y₁和Ox₁z₁平面上的投影，OE、OF、OG分别为激光射线在基准坐标系Ox₁、Oy₁、Oz₁坐标轴上的投影，由式(10)可知E、F、G点的坐标分别为(x₁,0,0)、(0,y₁,0)、(0,0,z₁)。

根据θ角和φ角的定义可知：

式中

导弹发射后，由于初始段并不能保证激光接收器接收到激光束的信息，因此需要由控制计算机驱动伺服电机旋转扫描，当激光接收器敏感到激光束后，控制计算机通过伺服跟踪角度算法实时计算出控制伺服电机旋转的指令q₁，控制伺服电机的旋转角β等于q₁，带动偏置激光接收器跟随激光入射方向转动，实现对激光波束的稳定跟踪。同时控制计算机根据导弹相对激光波束姿态角度算法计算出导弹相对激光束俯仰和偏航方向的姿态角θ角和φ角。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，其特征在于，包括伺服电机(1)、偏置安装轴(2)、激光接收器(3)、光电码盘(4)、控制计算机(5)、联轴器(6)和滚转陀螺仪(7)；

伺服电机(1)与导弹固定连接，且伺服电机(1)的电机轴与导弹的弹轴重合；

光电码盘(4)用于测量伺服电机(1)的电机轴相对弹体旋转的角度β；

联轴器(6)用于连接伺服电机(1)的电机轴和偏置安装轴(2)，伺服电机(1)的电机轴和偏置安装轴(2)之间有一偏置角r，所述偏置角r应保证导弹的弹轴在任何情况下都处于激光接收器(3)的探测视场范围内；

偏置安装轴(2)的一端固定连接激光接收器(3)；

激光接收器(3)用于测量激光接收器(3)中心线相对激光束的入射角p₂和方位角q₂；

滚转陀螺仪(7)用于测量导弹滚转运动姿态角γ；

控制计算机(5)利用电机轴相对弹体旋转的角度β、偏置角r、激光接收器(3)相对激光束的入射角p₂和方位角q₂以及导弹滚转运动姿态角γ通过导弹相对激光波束姿态角度的算法得到导弹相对激光波束俯仰方向的姿态角θ和偏航方向的姿态角φ。

2.如权利要求1所述的一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，其特征在于，所述导弹相对激光波束姿态角度的算法为：

式中，

3.如权利要求1所述的一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，其特征在于，控制计算机(5)利用电机轴相对弹体旋转的角度β、偏置角r、激光接收器(3)相对激光束的入射角p₂和方位角q₂以及导弹滚转运动姿态角γ通过伺服跟踪角度算法计算出控制伺服电机(1)旋转的控制指令q₁，控制电机轴相对弹体旋转的角度β等于q₁。

4.如权利要求3所述的一种测量导弹相对姿态角的偏置跟随激光测量系统，其特征在于，所述伺服跟踪角度算法为：

式中，