航空航天技术――制导系统技术

1制导系统技术1导弹制导原理概述2自主制导系统3遥控制导系统4自动寻的制导系统21导弹制导原理概述制导系统是完全操纵导弹飞向目标任务的所有设备的总和。导弹从准备发射到摧毁目标，需要经过发射控制、飞行控制、爆炸控制三个阶段。我们这里只讨论狭义的制导系统，包括从探测导弹及目标的相对位置形成控制指令，到操纵导弹飞行的所有设备，也就是飞行控制系统，这些设备的作用是使导弹保持在理想弹道附近飞行。1.1导弹制导原理概述3导弹制导系统从功能上可分为导引系统和控制系统两部分。4导弹制导系统分类52自主制导系统2.1自主制导系统概述制导系统与目标、制导站不发生联系的制导系统，称为自主制导系统。（1）自主制导系统定义导弹发射前，预先确定了导弹的弹道。导弹发射后，弹上制导系统的敏感元件不断测量预定的参数，如导弹的加速度、导弹的姿态角、天体位置、地貌特征等，这些参数在弹上经适当处理，与预定弹道该时刻的参数进行比较，一旦出现偏差，便产生引导指令，使导弹飞向预定的目标。（2）自主制导系统基本原理6自主制导系统中，由于导弹在飞行过程中不与目标、制导站发生联系，故隐蔽性好，不易被干扰。导弹的射程远，制导精度也较高。但导弹一旦发射出去，其飞行弹道就不能再改变，所以只能攻击固定目标或已知其飞行轨迹的目标。（3）自主制导系统优缺点自主制导系统一般用于弹道导弹、巡航导弹和某些战术导弹的初始飞行段。（4）自主制导系统适用范围72.2测量、敏感装置特性：定轴性——陀螺转子主轴在惯性空间方位保持不变。(1)陀螺仪陀螺仪模型图1—转子；2—内环；3—外环组成：转子、内环架、外环架等组成；8需要指出，陀螺仪的定轴性的条件是没有外力矩的作用，实际上，由于轴承与传感器存在摩擦，以及陀螺仪本身制造上的不对称和不平衡等原因，经常有干扰力矩作用在陀螺仪上，它引起转子轴的缓慢进动，使之渐渐地偏离其原始方向，这种现象称为陀螺仪的漂移。陀螺仪的缓慢进动角速度称为漂移率或漂移速度，通常用每小时漂移的度数来表示。漂移率是衡量陀螺稳定性和工作精度的重要指标，它严重地影响到制导的精度。例如射程为10000km的洲际导弹，其陀螺稳定平台的常值漂移率为0.02°／h，引起约400m的落点偏差。9减小漂移率可采用增加转子的动量矩和减小干扰力的办法。为了减小支架轴承所导致的摩擦力矩，出现了液浮陀螺仪，气浮陀螺仪，挠性陀螺仪，静电陀螺仪，激光陀螺仪以及半球式固体波陀螺仪等。10（2）定位陀螺仪定位陀螺仪简图1—滚转传感器；2—俯仰传感器；3—外环；4—内环定位陀螺仪有三个自由度，能测量导弹两个方向的角偏移，采用了滚转电位计l和俯仰电位计2作为传感器。11（3）速率陀螺仪速率陀螺具有两个自由度，它是用来测量导弹绕某一坐标轴的转动角速度的。它应用陀螺的进动特性。12（4）积分陀螺仪在速率陀螺仪的基础上取消恢复弹簧，加大阻尼约束，能测量导弹一个方向的角偏移；13（5）加速度计弹簧-质量块式加速度计简图14（6）飞行高度表为了测量导弹的飞行高度，可采用气压式高度表以及脉冲式或连续波式的无线电高度表。气压式高度表用普通气密性的真空气压盒作为构件，真空式气压盒随着外界压力的不同而改变它的体积。气压式高度表测出的是绝对高度，也就是距海平面的高度。无线电高度表测出的是相对高度，即导弹距地面的高度无线电高度表工作原理152.3惯性制导系统惯性制导系统是一种利用装在弹上的惯性仪表测量导弹运动的速度和坐标而形成指令信息来导引导弹的系统。这种制导系统的基本原理是应用惯性加速度计，在三个互相垂直轴的方向上测出导弹质心运动的加速度分量，然后用相应的积分装置将加速度分量积分一次得到速度分量，把速度分量再积分一次得到坐标分量。由于导弹发射点的坐标和初始速度是已知的，因而可以计算出导弹在每一时刻的速度值和坐标值。把这些值与程序值进行比较，便能得出偏差量而进行修正。这样就保证了导弹沿着预先规定的运动程序飞向目标。（1）作用（2）工作原理16平台惯导系统（3）种类由于导弹在飞行过程中姿态是在不断变化的，如果直接将加速度计安装在弹体上，则加速度计敏感轴的方向将随之变化，这样一来，测量出的加速度就不再是原定方向上的加速度。为了解决这一问题，可以将加速度计安装在陀螺稳定平台上，利用平台提供一个在空间稳定不变的加速度测量基准。17陀螺稳定平台18捷联惯导系统加速度计组件陀螺仪组件载体加速度信息载体角运动信息导航计算机进行姿态解算，位置、速度、路程计算姿态速度及路程位置控制信号这种系统直接把陀螺仪和加速度计与弹体固连，用计算机来处理导弹姿态角变化对加速度输出的影响，也就是用计算机代替平台的作用。其缺点是加速度计直接与导弹固连而处于相当苛刻的振动环境之中，因而影响导引精度。其优点是简化了系统，可靠性高。19惯性制导系统完全自动地制导导弹飞行，具有很强的抗干扰能力。但是，由于该系统中陀螺仪存在着漂移误差，这种误差会积累，对于飞行时间长（射程大）的导弹，误差就增大。所以，惯性制导系统一般不单独使用。如单独使用，则对陀螺仪的精度要求就非常高。20利用测量恒星的方法来确定导弹在地面的位置；一般测量两个恒星的位置。2.4天文制导系统21天文制导系统完全自动化，不受外界干扰，其准确度取决于设备中仪器的误差。但是，利用天文制导系统，一旦六分仪看不见恒星时，则整个系统就陷于停顿，所以天文制导一般不单独使用，往往和惯性制导系统一起使用，以它作为整个制导系统的校正装置。天文制导系统的设备复杂、重量大，故一般用于远程导弹上。222.5多普勒制导系统利用多普勒效应。多普勒系统能用于各种气候条件和地形条件，由于测量仪器的发展完善和小型化，目前可用于各种飞行器上。但由于测量仪器的积累误差，多普勒系统会随着射程的增加而使误差放大。导弹在飞行中有发射信号，故可能被对方发现进行干扰。所以，多普勒系统往往用于复合制导系统中，用来校正其它系统的误差。23多普勒系统方框图1—积分器；2—频率计；3—放大器；4—混频器；5—发射机；6—接收机；7—天线一个波束：只能测速度和射程两个波束：纵向、横向速度242.6图像匹配制导系统利用地球表面的某些特征确定导弹位置：地形起伏无线电波反射微波辐射红外辐射25262.7程序制导•程序制导是预先将导弹命中目标所需要的飞行弹道，存储在程序控制机构内。导弹发射后，弹上程序控制机构按照预先安排好的飞行方案，按时输出控制指令，按部就班地控制导弹按预定弹道飞向目标。程序制导系统又称为“方案制导系统”。•其优点是设备简单，制导系统与外界无联系，抗干扰性好，但导引误差会随飞行时间的增加而增加。•程序制导常用于弹道导弹的主动段、有翼战术导弹的初始段和中段制导以及无人驾驶侦察机和靶机的全程制导。273遥控制导系统3.1遥控制导系统概述由导弹以外的制导站向导弹发出引导信息的制导系统，称为遥控制导系统。遥控系统根据导引信号形式的不同，可分为指令系统波束制导系统无线电导航制导系统（1）遥控制导系统定义（2）遥控制导系统分类28遥控制导系统的制导精度较高，作用距离可以比自寻的稍远些，弹上制导设备简单。但其制导精度随导弹与制导站的距离增大而降低，且易受外界干扰。（3）遥控制导系统优缺点（4）遥控制导系统适用范围遥控制导系统多用于地对空导弹和一些空对空、空对地导弹，有些战术巡航导弹也用遥控指令制导来修正其航向。早期的反坦克导弹多采用有线遥控指令制导。293.2指令系统指令系统中导弹的运动规律是由指控点决定的。为了形成导引信号，指控点必须不断地根据目标和导弹的运动参数和导引方法进行计算，计算出导弹在航迹上的误差，形成指令信号送给导弹。因此，指控点必须不断地对目标和导弹进行观测。指令制导系统包括观测装置、指令形成装置、控制线等部分。通常指令制导系统可分为：有线指令系统、无线电指令系统、电视指令系统等。30（1）有线指令制导系统有线指令制导导弹1—光学仪器；2—指令仪器；3—导线的线圈在有线指令制导系统中最简单的一种是目视跟踪、手动控制的有线制导系统。下图所示为一目视跟踪、手控、有线制导的反坦克导弹。31这种系统的优点是设备简单，成本低，不易受敌方干扰。但是由于要射手手控发送指令，因而要对射手训练很严格，而且作战效果与射手的生理、精神状态有关。导弹的速度较低，一般不高于200m／s左右，否则射手来不急反应。导弹的射程，作战地形都严重受到限制，最大射程不超过4km。这种导弹是所谓的第一代反坦克导弹的制导方式。32光纤制导•控制指令通过光纤传给导弹的制导系统•由光纤、弹上导引头、制导发射装置•光纤传输的信息量大、频带宽、功耗低、自身辐射极小，所以光纤制导导弹的目标识别能力强、制导精度高、抗干扰性好。•美国陶式反坦克导弹后继型，射程大于10km，最大飞行速度350m/s33（2）无线电指令制导系统无线电指令制导系统有目视和雷达自动跟踪两种形式。目视系统与有线指令方式的区别是把导线换成无线电通讯线路。无线电发射机安装在指控点，而弹上装有接收机。操纵人员由光学装置观察目标和导弹，而用发射机发出无线电指令来控制导弹。这种系统易受干扰。无线电自动指令制导系统大多用在地（舰）对空导弹上。其工作原理是，目标飞行情况由指控点的搜索雷达获得，导弹只接受指控点的指令，并把自己本身的位置，飞行情况报告给地面指控点，导弹导向目标完全通过指控点的命令进行。34防空导弹的自动飞行制导系统方框图1—应答机；2—接收机；3—译码器；4—自动驾驶仪；5—发射机；6—编码器；7—防空导弹跟踪雷达；8—计算机；9—目标跟踪雷达35这种自动指令制导系统的优点是装在弹上的设备较简单。缺点是由于地面设备测量的是角度引导误差，所以导弹的导引误差（射程在20km时，导引误差约为50m）与飞行距离成比例。36（3）电视指令制导系统在导弹上应用的电视导引系统可分为两类，一类是属于自动寻的式电视制导系统；另一类是遥控式电视指令制导系统。前一类我们将在自动寻的式制导系统中介绍，后一类在这里作简要介绍。电视指令式制导示意图37电视指令式系统观测目标的基准在弹上，它和前面叙述的观测基准在指控站的情况不一样，是在导弹上测出目标相对导弹的位置。电视指令式系统的优点是导引精度高，操纵人员能选择目标；缺点是易受敌方干扰和天气的影响。383.3波束制导系统波束导引导弹示意图1—捕获波（宽、低能）；2—制导波（狭、高能）；3—追踪波39波束制导系统可分为无线电波束制导系统和激光波束制导系统两种。无线电波束制导系统可以看作是无线电指令制导系统的特例，它向导弹发出的不是指令，而是雷达波束。雷达在空间形成一个狭窄的锥形波束，导弹自动地沿雷达波束飞行，由雷达波束将导弹导向目标，弹上设备的任务是使导弹在整个飞行期间都保持在波束轴上。因而，在导弹上装有测定导弹偏离波束轴偏移量的装置和产生所需控制信号的装置。这种系统的优点是导弹上面的设备比较简单，其缺点是导引精度随飞行距离增加而降低。40激光波束制导系统的原理和无线电波束制导系统的原理相同，只不过将无线电波换成了激光波束。激光波束的优点是不易被干扰，精度高。但由于受功率等因素的限制，一般只用在近距离战术导弹，如反坦克导弹上。41为了对高速运动目标或多目标进行探测和跟踪，相控雷达阵得到了发展和应用。这种雷达的天线由几百个或几千个辐射元件排列成阵列，每个辐射元件都与计算机控制的移相器连接，用移相器来控制辐射元件所发射的无线电波的相位，可以按需要改变每个阵面场的相位分布，这样就形成了一个指向可以改变的波束，在空间实现扫瞄。这种雷达的天线没有机械运动，用电子扫瞄代替了机械扫瞄，扫瞄速度提高了百万倍。相控阵雷达简介42优点•波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；•一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；•目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；•对复杂目标环境的适应能力强；•抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高，即使少量组件失效仍能正常工作。缺点：•相控阵雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～