CN109780933B - 一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法,可以有效降低火箭飞行过程中的法向过载,并保证较高的命中精度。步骤如下:通过地面火控设备测得地面惯性坐标系下的目标运动状态,变换到箭上惯性坐标系中,并传输给箭上计算机;箭上计算机根据目标运动状态、火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置、以及单兵制导火箭的装定速度,估计火箭击中目标所需飞行时间,计算弹目交会点;当前导引周期,控制火箭以弹目交会点为目标点,按照设定的导引律,飞向目标点;当前导引周期结束时,通过箭上计算机解算得到目标在箭上惯性坐标系中的位置信息,解算火箭击中目标的剩余飞行时间,更新弹目交会点;进入下一个导引周期,重复执行直到火箭击中目标。
Description
技术领域
本发明涉及制导武器导引技术领域,具体涉及一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法。
背景技术
单兵无控火箭作为一种传统的单兵武器,在攻击装甲车辆、建筑工事以及低空目标时发挥着重要的作用。但是,在攻击移动目标尤其是机动能力较强的移动目标时,传统的无控单兵火箭在精度上有着明显的不足。
首先,单兵无控火箭没有制导控制功能,在攻击移动目标时,需要依靠射手估计目标运动状态,通过预判火箭击中目目标时的交会点,使火箭以一个超前角发射来攻击目标。这种攻击方法对射手的操作要求非常高,过于依赖射手对目标运动状态的估计和发射角度的选择,在射手对目标运动状态估计不足或者发射角有偏差时,往往会造成脱靶。
制导化改造可以显著提高单兵火箭的精度,降低对射手的要求,目前单兵制导火箭通常采用三点法、比例导引等传统导引律或预测交会点导引律来完成导引过程。然而,传统的导引律一般以导弹作为导引对象,需要导弹具有足够大的机动过载能力才能保证导引精度,而单兵火箭由于外形尺寸、飞行速度、制造成本等因素的限制,其可用机动过载通常不可能太大,这就可能导致火箭的可用过载小于导引律所需求的需用过载,这种情况也会造成火箭脱靶,大大降低了对目标的毁伤能力。
预测交会点导引律可大幅度降低对制导火箭过载能力的要求,然而,目前采用的的预测交会点导引律对于目标级火箭弹运动状态都是射前计算的,一旦预测点装定给系统就不能再调整,而火箭在飞行过程中由于风、气温、发动机参数等因素的影响,会存在时间-射程规律的散布,这将大福度降低单兵制导火箭的精度。
因此,要想提高单兵火箭对移动目标的打击能力,需要一种能以较小的需用过载导引火箭攻击移动目标,同时又能够依据火箭弹飞行状态实时预估交会点位置的导引方法。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法,该方法可以有效降低火箭飞行过程中的法向过载,并保证较高的命中精度。
为达到上述目的,本发明的技术方案为:一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法,采用本方法对单兵制导火箭打击目标的过程进行导引,该方法包括如下步骤:
步骤一、确定锁定目标时刻,建立由地面惯导形成的地面惯性坐标系,以锁定目标时刻的地面惯性坐标系的状态作为地面惯导的解算零点,通过地面火控设备测得地面惯性坐标系下的目标运动状态,包括目标的加加速度、加速度、速度以及位置。
步骤二、将地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,并传输给箭上计算机。
步骤三、箭上计算机根据步骤一测得的目标运动状态、箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置、以及单兵制导火箭的装定速度,估计火箭在击中目标时所需的飞行时间,并计算弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置。
步骤四、在当前导引周期,控制火箭以弹目交会点为目标点,按照设定的导引律,飞向该目标点。
步骤五:当前导引周期结束时,通过箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的速度和位置,通过箭上计算机解算得到当前时刻目标在箭上惯性坐标系中的位置信息,解算火箭击中目标的剩余飞行时间,并更新弹目交会点。
进入下一个导引周期,返回步骤四,直到火箭击中目标。
进一步地,步骤一中,地面惯性坐标系为O0x0y0z0,其中以锁定目标时刻地面惯导所在位置为原点O0,三个轴O0x0、O0y0以及O0z0分别为锁定目标时刻地面惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系。
进一步地,步骤二中,箭上惯导形成的箭上惯性坐标系为Oxyz,其中以锁定目标时刻箭上惯导所在位置为原点O,三个轴Ox、Oy以及Oz分别为该锁定目标时刻箭上惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系;
将地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,具体为:
解算箭上惯性坐标系Oxyz与地面惯导坐标系O0x0y0z0的相对关系;
滚转角γ:将包含Ox轴且垂直于面O0x0z0的平面记为Ox’z’平面,Oy轴与Ox’z’平面的夹角;沿Ox轴顺正方向前视,若Oy轴在Ox’z’平面右侧,则γ为正;反之为负。
偏航角ψ:Ox轴在O0x0z0平面内的投影Ox’轴与O0x0轴之间的夹角,迎O0y0轴俯视,若由O0x0轴转至Ox’轴是逆时针旋转,则ψ角为正;反之为负。
地面惯性坐标系O0x0y0z0与箭上惯性坐标系Oxyz中坐标的相对关系为:
进一步地,步骤三具体为:
步骤一测得的目标运动状态包括加加速度:其中分别为目标的加加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,加速度:其中分别为目标的加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,速度:其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,位置:为目标位置在地面惯性坐标系中的坐标。
则目标在箭上惯性坐标系中的初始运动状态包括加加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始位置
目标在箭上惯性坐标系中的运动状态为:
加速度:
速度:
位置:
目标到火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置的距离随时间变化关系为:
此位置就是弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置。
进一步地,当前导引周期为第k个导引周期,步骤五中,当前导引周期结束时,通过箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的速度为和位置为通过箭上计算机解算得到当前时刻目标在箭上惯性坐标系中的位置为预设导引周期为ΔT。
目标到第k个导引周期的火箭位置的距离随时间变化关系为:
有益效果:
本发明所提供的单兵制导火箭动态目标预测导引方法,能够解决目前单兵火箭打击移动目标时不能兼顾火箭过载能力和命中精度的问题,该方法采用地面火控设备探测目标运动状态,并通过装定的火箭速度方案预测弹目交会点位置,比射手人工操作设定发射角更精确;采用以预测的弹目交会点为目标导引火箭飞行,本质上是导引火箭飞向一个基本为固定或者移动范围较小的目标,相比于目前攻击移动目标的导引方法,所需法向过载较小,降低了对火箭的设计要求和难度;采用惯导实时解算火箭飞行速度,并以此修正弹目交会点位置,避免了由于火箭飞行状态不同带来的弹目交会点预测误差,提高了火箭命中目标的概率。
附图说明
图1为本发明提供的单兵制导火箭动态目标预测导引方法流程图;
图2为地面惯导形成的地面惯性坐标系O0x0y0z0与弹上惯导形成的弹上惯性坐标系Oxyz之间关系示意图。
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。
本发明提供了一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其流程如图1所示,采用本方法对单兵制导火箭打击目标的过程进行导引,该方法包括如下步骤:
步骤一、确定锁定目标时刻,建立由地面惯导形成的地面惯性坐标系,以锁定目标时刻的地面惯性坐标系的状态作为地面惯导的解算零点,通过地面火控设备测得地面惯性坐标系下的目标运动状态,包括目标的加加速度、加速度、速度以及位置。
本发明实施例中所建立的地面惯性坐标系为O0x0y0z0,其中以锁定目标时刻地面惯导所在位置为原点O0,三个轴O0x0、O0y0以及O0z0分别为锁定目标时刻地面惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系。
步骤二、将地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,并传输给箭上计算机。
箭上惯导形成的箭上惯性坐标系为Oxyz,其中以锁定目标时刻箭上惯导所在位置为原点O,三个轴Ox、Oy以及Oz分别为该锁定目标时刻箭上惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系。
将地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,具体为:
解算箭上惯性坐标系Oxyz与地面惯导坐标系O0x0y0z0的相对关系;
滚转角γ:将包含Ox轴且垂直于面O0x0z0的平面记为Ox’z’平面,Oy轴与Ox’z’平面的夹角;沿Ox轴顺正方向前视,若Oy轴在Ox’z’平面右侧,则γ为正;反之为负;
偏航角ψ:Ox轴在O0x0z0平面内的投影Ox’轴与O0x0轴之间的夹角,迎O0y0轴俯视,若由O0x0轴转至Ox’轴是逆时针旋转,则ψ角为正;反之为负;
地面惯性坐标系O0x0y0z0与箭上惯性坐标系Oxyz中坐标的相对关系为:
步骤三、箭上计算机根据步骤一测得的目标运动状态、箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置、以及单兵制导火箭的装定速度,估计火箭在击中目标时所需的飞行时间,并计算弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置。
本发明实施例中,步骤一测得的目标运动状态包括加加速度:其中分别为目标的加加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,加速度:其中分别为目标的加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,速度:其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,位置:为目标位置在地面惯性坐标系中的坐标。
则目标在箭上惯性坐标系中的初始运动状态包括加加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始位置
目标在箭上惯性坐标系中的运动状态为:
加速度:
速度:
位置:
目标到火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置的距离随时间变化关系为:
此位置就是弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置。
步骤四、在当前导引周期,控制火箭以弹目交会点为目标点,按照设定的导引律,飞向该目标点;
步骤五:当前导引周期结束时,通过箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的速度和位置,通过箭上计算机解算得到当前时刻目标在箭上惯性坐标系中的位置信息,解算火箭击中目标的剩余飞行时间,并更新弹目交会点;
进入下一个导引周期,返回步骤四,直到火箭击中目标。
目标到第k个导引周期的火箭位置的距离随时间变化关系为:
综上,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 (5)
1.一种单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其特征在于,采用本方法对单兵制导火箭打击目标的过程进行导引,该方法包括如下步骤:
步骤一、确定锁定目标时刻,建立由地面惯导形成的地面惯性坐标系,以锁定目标时刻的地面惯性坐标系的状态作为地面惯导的解算零点,通过地面火控设备测得所述地面惯性坐标系下的目标运动状态,包括目标的加加速度、加速度、速度以及位置;
步骤二、将所述地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,并传输给箭上计算机;
步骤三、所述箭上计算机根据步骤一测得的目标运动状态、箭上惯导测得火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置、以及单兵制导火箭的装定速度,估计所述火箭在击中目标时所需的飞行时间,并计算弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置;
步骤四、在当前导引周期,控制火箭以弹目交会点为目标点,按照设定的导引律,飞向该目标点;
步骤五:当前导引周期结束时,通过所述箭上惯导测得火箭在所述箭上惯性坐标系中的速度和位置,通过箭上计算机解算得到当前时刻目标在所述箭上惯性坐标系中的位置信息,解算火箭击中目标的剩余飞行时间,并更新弹目交会点;
进入下一个导引周期,返回步骤四,直到火箭击中目标。
2.如权利要求1所述的单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其特征在于,所述步骤一中,所述地面惯性坐标系为O0x0y0z0,其中以锁定目标时刻地面惯导所在位置为原点O0,三个轴O0x0、O0y0以及O0z0分别为锁定目标时刻地面惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系。
3.如权利要求1所述的单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其特征在于,所述步骤二中,所述箭上惯导形成的箭上惯性坐标系为Oxyz,其中以锁定目标时刻箭上惯导所在位置为原点O,三个轴Ox、Oy以及Oz分别为该锁定目标时刻箭上惯导三个陀螺的敏感轴方向,这三个轴正交并构成右手坐标系;
所述将所述地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中,具体为:
解算箭上惯性坐标系Oxyz与地面惯导坐标系O0x0y0z0的相对关系;
所述相对关系包括滚转角γ、俯仰角θ和偏航角ψ;
滚转角γ:将包含Ox轴且垂直于面O0x0z0的平面记为Ox’z’平面,Oy轴与Ox’z’平面的夹角;沿Ox轴顺正方向前视,若Oy轴在Ox’z’平面右侧,则γ为正;反之为负;
俯仰角θ:Ox轴与O0x0z0平面的夹角;Ox轴指向O0x0z0平面上方,θ角为正;反之为负;
偏航角ψ:Ox轴在O0x0z0平面内的投影Ox’轴与O0x0轴之间的夹角,迎O0y0轴俯视,若由O0x0轴转至Ox’轴是逆时针旋转,则ψ角为正;反之为负;
地面惯性坐标系O0x0y0z0与箭上惯性坐标系Oxyz中坐标的相对关系为:
L(γ,θ,ψ)为转换矩阵;
通过所述转换矩阵L(γ,θ,ψ)将所述地面惯性坐标系下的目标运动状态变换到箭上惯导形成的箭上惯性坐标系中。
4.如权利要求3所述的单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其特征在于,所述步骤三具体为:
所述步骤一测得的目标运动状态包括加加速度:其中分别为目标的加加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,加速度:其中分别为目标的加速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,速度:其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,位置:为目标位置在地面惯性坐标系中的坐标;
则目标在箭上惯性坐标系中的初始运动状态包括加加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始加速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始速度其中分别为目标的速度在地面惯性坐标系三个轴O0x0、O0y0以及O0z0上的分量,初始位置
目标在箭上惯性坐标系中的运动状态为:
加速度:
速度:
位置:
目标到火箭在箭上惯性坐标系中的初始位置的距离随时间变化关系为:
此位置就是弹目交会点在箭上惯性坐标系中的位置。
5.如权利要求4所述的单兵制导火箭动态目标预测导引方法,其特征在于,
当前导引周期为第k个导引周期,所述步骤五中,当前导引周期结束时,通过所述箭上惯导测得火箭在所述箭上惯性坐标系中的速度为和位置为通过箭上计算机解算得到当前时刻目标在所述箭上惯性坐标系中的位置为预设导引周期为ΔT;
目标到第k个导引周期的火箭位置的距离随时间变化关系为:
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