姜曉莊

(中國空空導(dǎo)彈研究院主機(jī)部，河南洛陽 471000)

對(duì)于近距格斗導(dǎo)彈，快速捕獲目標(biāo)是搶先發(fā)射導(dǎo)彈的前提。但為了改善背景干擾和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的困難，紅外空空導(dǎo)彈大都采用小瞬時(shí)視場角。因此，第一、二代導(dǎo)彈大都采用定軸瞄準(zhǔn)、發(fā)射。飛行員必須將自己飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)敵機(jī)的6點(diǎn)鐘位置，捕獲目標(biāo)困難。隨著飛機(jī)、火控技術(shù)的發(fā)展，第三代導(dǎo)彈已采用了離軸發(fā)射技術(shù)，其是在發(fā)射裝置內(nèi)或機(jī)上“導(dǎo)彈輔助系統(tǒng)”內(nèi)加裝隨動(dòng)掃描及截獲電路，將導(dǎo)彈位標(biāo)器陀螺軸和雷達(dá)天線軸構(gòu)成一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使導(dǎo)彈視線可與雷達(dá)天線在較大錐角內(nèi)隨動(dòng)，附加掃描使得導(dǎo)引頭撲獲場進(jìn)一步擴(kuò)大。該設(shè)計(jì)在AIM－9系列導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)“響尾蛇擴(kuò)大截獲方式”(Sidewindez Expanded Acguisition Mode，SEAM)。隨動(dòng)電路裝在機(jī)上“導(dǎo)彈輔助系統(tǒng)”內(nèi);發(fā)射裝置均采用該離軸發(fā)射技術(shù)。作為第四代空空導(dǎo)彈的離軸發(fā)射技術(shù)，其離軸范圍已擴(kuò)大到±60°～±90°，如R－73和AIM－9X導(dǎo)彈等。本文簡述了一種導(dǎo)彈隨動(dòng)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上針對(duì)其存在的問題提出了一些改進(jìn)措施。后通過仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證了其改進(jìn)的有效型。

1 系統(tǒng)概述

由載機(jī)火控雷達(dá)或頭盔瞄準(zhǔn)具向?qū)棸l(fā)控系統(tǒng)提供目標(biāo)視線角位置qt(雷達(dá)天線或頭盔視線)在飛機(jī)坐標(biāo)系的投影信息yP和zP(以下簡稱雷達(dá)投影)，處理后得uLOS作為角度隨動(dòng)的輸入;驅(qū)動(dòng)位標(biāo)器陀螺隨動(dòng)，產(chǎn)生導(dǎo)彈視線相對(duì)于彈軸的角度反饋信號(hào)uφ，形成閉環(huán)控制，使導(dǎo)彈視線OS與目標(biāo)視線OT隨動(dòng);導(dǎo)彈離軸角信號(hào)uφ經(jīng)過計(jì)算生成導(dǎo)彈視線在飛機(jī)坐標(biāo)系的投影信息yR和zR(以下簡稱位標(biāo)器投影)供飛機(jī)平顯顯示。

隨動(dòng)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。由火控雷達(dá)、發(fā)控電路和導(dǎo)彈位標(biāo)器組成。來自火控雷達(dá)的目標(biāo)位置信息經(jīng)發(fā)控電路處理后控制位標(biāo)器伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)位標(biāo)器陀螺視線軸跟蹤雷達(dá)天線軸，并由位標(biāo)器測角電路輸出構(gòu)成角度反饋。由此可見，該系統(tǒng)被控對(duì)象是位標(biāo)器陀螺轉(zhuǎn)子，使位標(biāo)器視線追蹤目標(biāo)視線，以捕獲目標(biāo)。

圖1 隨動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

圖1中，OT、OS和 OA，分別是目標(biāo)(雷達(dá)或頭盔)、導(dǎo)彈和飛機(jī)視線;qt、qs、qa分別是目標(biāo)、導(dǎo)彈和飛機(jī)視線角;ε=qt－qs隨動(dòng)誤差角;φ=qs－qa為位標(biāo)器離軸角。

由系統(tǒng)傳遞函數(shù)推得穩(wěn)態(tài)時(shí)，qs=qt，φ=qs－qt。所以隨動(dòng)系統(tǒng)使導(dǎo)彈視線與目標(biāo)視線重合;位標(biāo)器離軸角的大小由導(dǎo)彈視線及飛機(jī)視線夾角決定。

1.1 隨動(dòng)控制信號(hào)的生成

該隨動(dòng)系統(tǒng)采用極坐標(biāo)信號(hào)完成隨動(dòng)功能，其設(shè)計(jì)如下:

雷達(dá)投影yP和zP表達(dá)式為

其中，A為雷達(dá)坐標(biāo)中目標(biāo)方位角;E為雷達(dá)坐標(biāo)中目標(biāo)俯仰角;UR為雷達(dá)投影比例系數(shù)。

將雷達(dá)投影轉(zhuǎn)yP和zP換為極坐標(biāo)形式電壓方程

考慮導(dǎo)彈在飛機(jī)上的安裝角Φm(后視順時(shí)轉(zhuǎn)為正)和ωr方向(前視順時(shí)轉(zhuǎn))，隨動(dòng)指令在彈坐標(biāo)系電壓方程為

其中，Φm為導(dǎo)彈安裝角;kφ為角度電壓系數(shù);所以式(4)即為位標(biāo)器隨動(dòng)時(shí)的控制電壓方程。

1.2 位標(biāo)器投影的生成

當(dāng)導(dǎo)彈視線與目標(biāo)視線重合時(shí)，位標(biāo)器方位角、俯仰角與雷達(dá)方位角俯仰角重合，uφ=uLOS。通過計(jì)算求得位標(biāo)器投影值為

其中，A為雷達(dá)坐標(biāo)中目標(biāo)方位角;E為雷達(dá)坐標(biāo)中目標(biāo)俯仰角;Um為位標(biāo)器投影比例系數(shù)(下文設(shè)UR=Um)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中存在的問題

當(dāng)整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換、生成及解調(diào)過程不產(chǎn)生誤差，則隨動(dòng)最終結(jié)果為導(dǎo)彈視線與目標(biāo)視線重合，若轉(zhuǎn)換過程中某一個(gè)過程出現(xiàn)偏差，則會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)彈視線與目標(biāo)視線不重合影響導(dǎo)彈截獲目標(biāo)的能力。

該系統(tǒng)中雷達(dá)投影yP和zP為數(shù)字信號(hào)，飛機(jī)通過總線將信息傳輸給發(fā)射裝置進(jìn)行坐標(biāo)裝換，后發(fā)射裝置通過數(shù)模轉(zhuǎn)換生成極坐標(biāo)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)。通過測角機(jī)構(gòu)得到的位標(biāo)器的離軸角信號(hào)為模擬的極坐標(biāo)信號(hào)，發(fā)射裝置通過解調(diào)將其轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的直流電壓信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，通過總線傳送為飛機(jī)。從而飛機(jī)可知導(dǎo)彈視線是否與目標(biāo)視線重合。

在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中有兩個(gè)主要部分需要調(diào)試:一為從直角坐標(biāo)向極坐標(biāo)信號(hào)時(shí)隨動(dòng)控制信號(hào)生成過程;二為極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)信號(hào)的解調(diào)。

隨動(dòng)控制信號(hào)的生成過程數(shù)學(xué)過程如下:數(shù)字處理器根據(jù)雷達(dá)投影信號(hào)及基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換生成特定幅值和相位的隨動(dòng)控制信號(hào)，因數(shù)字信號(hào)輸出為模擬信號(hào)時(shí)因其輸出的不連續(xù)性，其生成信號(hào)為階梯狀正弦波信號(hào)，該信號(hào)需要經(jīng)過濾波移相幅值調(diào)整后才能正式使用，而濾波和移相的調(diào)試?yán)щy且精度難以控制，容易造成誤差。

yR和zR生成的解調(diào)數(shù)學(xué)過程如下:基準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

將基準(zhǔn)信號(hào)Y0由正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)為

經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)展開

將方波信號(hào)與離軸角信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算

通過低通濾波將高次諧波濾掉得

濾波后的直流電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)。

對(duì)比兩個(gè)過程，隨動(dòng)控制信號(hào)的生成過程，存在濾波移相的問題，容易產(chǎn)生誤差，而位標(biāo)器投影解調(diào)過程相對(duì)容易，最終誤差較小。下面介紹一種方法，在調(diào)試完一種過程后，另一個(gè)過程經(jīng)簡單調(diào)試，能通過動(dòng)態(tài)的過程完成自動(dòng)修正。

3 解決方法及效果

3.1 改進(jìn)方法

對(duì)于原系統(tǒng)，若存在yP和zP的處理誤差εy和εz，則由系統(tǒng)傳遞函數(shù)推得穩(wěn)態(tài)時(shí)

其中，q's為含誤差的目標(biāo)視線;qt為導(dǎo)彈視線。即

改進(jìn)后的隨動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)

由上式可推出穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)

對(duì)于該系統(tǒng)而言，不同個(gè)體的εy和εz可能存在差異，而積分是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，所以對(duì)于不同個(gè)體甚至是動(dòng)態(tài)誤差，該方法都可以進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 改進(jìn)后的隨動(dòng)系統(tǒng)

3.2 改進(jìn)效果

圖3為未修正時(shí)的仿真結(jié)果，條件為yP=5和zP=6的為中心的正弦掃描，掃描幅度為1，處理誤差εy=－0.2yP。圖4為修正后的仿真結(jié)果，經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，未更改時(shí)存在較大誤差。更改后誤差在穩(wěn)定后基本消失。同時(shí)對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，由于存在補(bǔ)償積分，可能導(dǎo)致在初始隨動(dòng)過程中造成隨動(dòng)到目標(biāo)視線與導(dǎo)彈視線重合后，導(dǎo)彈視線再次偏離目標(biāo)視線的情況發(fā)生。通過適當(dāng)選擇積分比例系數(shù)，可削弱初始隨動(dòng)偏離的距離。

圖3 改進(jìn)前隨動(dòng)效果圖

圖4 改進(jìn)后隨動(dòng)效果圖

4 結(jié)束語

本文介紹了導(dǎo)彈隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史后，分析了某導(dǎo)彈隨動(dòng)系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，并針對(duì)其隨動(dòng)精度難以調(diào)試的特點(diǎn)，提出了一種方法，在控制回路中增加一級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)了隨動(dòng)誤差的動(dòng)態(tài)調(diào)整。經(jīng)過仿真，使用該方法后，隨動(dòng)精度得到了提升，同時(shí)調(diào)試步驟得到簡化，后經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證，隨動(dòng)達(dá)到了較好的效果，可以滿足系統(tǒng)需求。

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