CN110658839B - 一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法，通过引入虚拟光轴的新概念，实现了惯性空间目标视线角速度的重构。复合控制方案的使用有效减小了跟踪回路动态误差，同时降低了CCD量化噪声的影响。

Description

一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法。
背景技术
相比于传统动力陀螺式和框架式导引头，捷联式导引头的探测器直接刚性地与弹体固联，取消了活动机构，结构简单，可以有效地对整弹进行小型化设计，并降低制造成本，提高可靠性。然而，捷联式导引头不能直接输出视线角速率，需要探测器和惯性器件合成得到视线角速率。对于捷联导引头来说，在制导律设计时需要先完成视线角速率的估计，进而使用适用于捷联制导体制的制导律。
对于捷联式导引头，理论上可以通过下面两种方法来获得惯性视线角速率：
(1)将弹体姿态信息反馈到导引头输出端的去耦方法，即将弹体姿态角或角速率信息同导引头的输出信息相结合，具体可以通过弹体姿态角和捷联导引头输出视线角相加后微分，或者将捷联导引头输出视线角微分后与弹体角速率信号相加来得到惯性视线角速率；
(2)将弹体姿态信息反馈到导引头角跟踪回路的去耦方法，即将弹体姿态角或其角速率信息反馈到导引头的角跟踪系统来稳定导引头视轴，从而实现弹体姿态扰动的去耦，得到相对于惯性空间的视线角速率。
然而，将弹体姿态信息反馈到导引头输出端的去耦方法对于某些寻的导弹的典型参数而言，制导回路是不稳定的，若要使制导回路稳定，必须将导引头角跟踪系统的带宽增加到足够大，这样便意味着导引头的跟踪带宽会远大于跟踪预计的机动目标需要的带宽，从而会使系统对噪声更敏感而降低信噪比；将弹体姿态信息反馈到导引头角跟踪回路的去耦方法对于寻的导弹的典型参数而言，制导回路是稳定的，但其中仍然采用了微分网络。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了减小导引头跟踪回路动态误差，实现惯性空间中目标视线角速度的重构，本发明设计一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法。
本发明的技术方案是：一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法，包括以下步骤：
步骤一：根据捷联导引头视线角q和弹体姿态角θ，两者相减得到λ，计算公式为λ＝q-θ；
通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm，计算公式为：
λm＝λ·JS1＝q-θ；
步骤二：经过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6，与
Figure GDA0003716519460000021
作差，输出
Figure GDA0003716519460000022
积分得到qt，计算公式为
Figure GDA0003716519460000023
步骤三：弹体姿态角θ通过滤波估计计算模块JS2得到弹体姿态角测量值θm，计算公式为：θm＝θ·JS2＝θ
步骤四：将步骤二得到的qt和步骤三得到的θm，经过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt，计算公式为
λt＝(qt-θm)·JS4＝qt-θm
步骤五：根据步骤一得到的λm和步骤四得到的λt，经λm-λt得到误差角Δq；
步骤六：误差角Δq经过虚拟失调角计算模块JS5反馈通过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6；
步骤七：叠加基于惯导信息与目标坐标粗略信息的目标视线角速度重构值
Figure GDA0003716519460000024
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure GDA0003716519460000025
计算公式为
Figure GDA0003716519460000026
上式中，
Figure GDA0003716519460000027
为虚拟光轴惯性空间目标实现角速度重构值；Δq为误差角；JS5、JS6分别是虚拟失调角计算模块和虚拟光轴惯性空间指向角速度模块；
Figure GDA0003716519460000028
为前馈信号的目标视线角速度重构值；Kp、Ki、Kd为PID控制器的参数。
发明效果
本发明的技术效果在于：通过引入虚拟光轴的新概念，实现了惯性空间目标视线角速度的重构。复合控制方案的使用有效减小了跟踪回路动态误差，同时降低了CCD量化噪声的影响。
附图说明
图1导引头系统结构图
图2方法流程图
具体实施方式
参见图1—图2，该发明以捷联图像导引头信息和惯导信息为基础，采用类似于常平架式图像导引头的工作原理，在惯性空间中定义一个虚拟光轴，通过稳定回路和跟踪回路的作用，使其跟踪目标视线方向，而跟踪回路控制指令即为惯性空间目标视线角速度的测量值。如图1所示，跟踪回路控制算法的设计，是实现制导信息提取的基础。在这里釆用复合控制方案，反馈控制采用PID控制，前馈信号为目标视线角速度重构值，接入点在PID控制器之后。
需要注意的是，目标视线角速度重构值来源于惯导信息与目标坐标的粗略信息，为直角坐标系下弹目相对运动学求取的目标视线角速度，假定已知目标运动速度，缺省值为零。
由于采用了目标坐标的粗略信息，该重构值在接近目标时误差较大。为了避免这种误差对制导精度的影响，前馈信号在接近目标时逐渐去除。
图1中，JS1:弹体坐标系目标视线角测量，滤波估计和差补计算模块
JS2:弹体姿态角测量，滤波估计计算模块；
JS3:虚拟光轴惯性空间指向角计算模块；
JS4:虚拟光轴弹体系指向角重构及匹配滤波计算模块；
JS5:虚拟失调角计算模块；
JS6:虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块。
q：视线角
Figure GDA0003716519460000041
虚拟光轴惯性空间目标视线角速度重构值；
qt：虚拟光轴惯性空间目标视线角重构值；
Figure GDA0003716519460000042
作为前馈信号的目标视线角速度重构值；
θ：弹体姿态角
θm：弹体姿态角测量值
t：失调角；
λm：失调角测量值；
λt：虚拟失调角；
Δq：误差角；
JS1＝1；JS2＝1；JS3＝1/s；JS4＝1；JS5＝1；JS6＝Kp+Ki/s+Kd·s为各个计算模块的近似传递函数。
下面结合图1以及图2对本发明做进一步详细说明。
步骤一：用由捷联导引头工作部分框图得到的联导引头视线角q除去弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm，计算公式为λm＝λ·JS1＝q-θ；
步骤二：由图1可知
Figure GDA0003716519460000043
系统输出
Figure GDA0003716519460000044
积分得到qt，减去弹体姿态角θ的测量值θm，θm＝θ·JS2＝θ，通过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt,计算公式为λt＝(qt-θm)·JS4＝qt-θm；
步骤三：得到误差角Δq＝λm-λt，将误差角经过虚拟失调角计算模块JS5反馈通过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6，叠加基于惯导信息与目标坐标粗略信息的目标视线角速度重构值
Figure GDA0003716519460000045
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure GDA0003716519460000046
计算公式为
Figure GDA0003716519460000047
首先，捷联导引头视线角q除去弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm；同时，系统输出
Figure GDA0003716519460000048
积分得到qt，减去弹体姿态角θ的测量值θm，通过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt；
然后，将误差角Δq＝λm-λt经过虚拟失调角计算模块JS5反馈通过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6，叠加基于惯导信息与目标坐标粗略信息的目标视线角速度重构值
Figure GDA0003716519460000051
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure GDA0003716519460000052
图1所示导引头系统的输入/输出特性为：
Figure GDA0003716519460000053
其中，当比例系数Kp＞＞Ki，Kd较大时，式(1)可以表示表示为：
Figure GDA0003716519460000054
其中，前馈信号
Figure GDA0003716519460000055
的加入有效减小了导引头系统动态误差，提高了跟踪回路的响应速度，且只会改变系统零点，不涉及系统稳定性问题。由于前馈信号采用了目标坐标的粗略信息，该重构值在接近目标时误差较大，为了避免这种误差对制导精度的影响，前馈信号在接近目标时逐渐去除。
由式(2)可知，惯性空间目标视线角速重构值
Figure GDA0003716519460000056
能够很快地跟踪目标视线惯性空间角速度
Figure GDA0003716519460000057
的动态特性。故可得到结论，跟踪回路釆用复合控制方案，虚拟光轴惯性空间指向角速度可作为目标视线惯性空间角速度的估计值。

Claims (1)

1.一种基于虚拟光轴的捷联导引头制导信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据捷联导引头视线角q和弹体姿态角
Figure FDA0003716519450000011
两者相减得到λ，计算公式为
Figure FDA0003716519450000012
通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm，计算公式为：
λm＝λ·JS1＝q-θ；
步骤二：经过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6，与
Figure FDA0003716519450000013
作差，输出
Figure FDA0003716519450000014
积分得到qt，计算公式为
Figure FDA0003716519450000015
步骤三：弹体姿态角
Figure FDA0003716519450000016
通过滤波估计计算模块JS2得到弹体姿态角测量值
Figure FDA0003716519450000017
计算公式为：
Figure FDA0003716519450000018
步骤四：将步骤二得到的qt和步骤三得到的
Figure FDA0003716519450000019
经过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt，计算公式为
Figure FDA00037165194500000110
步骤五：根据步骤一得到的λm和步骤四得到的λt，经λm-λt得到误差角Δq；
步骤六：误差角Δq经过虚拟失调角计算模块JS5反馈通过虚拟光轴惯性空间指向角速度计算模块JS6；
步骤七：叠加基于惯导信息与目标坐标粗略信息的目标视线角速度重构值
Figure FDA00037165194500000111
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure FDA00037165194500000112
计算公式为
Figure FDA00037165194500000113
上式中，
Figure FDA00037165194500000114
为虚拟光轴惯性空间目标实现角速度重构值；Δq为误差角；JS5、JS6分别是虚拟失调角计算模块和虚拟光轴惯性空间指向角速度模块；
Figure FDA00037165194500000115
为前馈信号的目标视线角速度重构值；Kp、Ki、Kd为PID控制器的参数，JS1＝1；JS2＝1；JS3＝1/s；JS4＝1；JS5＝1；JS6＝Kp+Ki/s+Kd·s为各个计算模块的近似传递函数。
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