第5章-制导方案及制导律

飞行器制导与控制技术——制导概念及制导律主讲教师：熊芬芬[e-mail]nology图.导弹制导控制系统示意图BeijingInstituteofTechnology第五章制导相关概念及制导律1.制导方案：飞行器整个飞行过程中的涉及到的制导方法(采用何种元件、如何测得导弹和目标的位置)、制导律等，如：初始段利用程序制导，中段利用惯性制导，末段利用自寻的制导。自寻的制导、遥控指令制导、方案制导、惯性制导、复合制导2.制导律：导弹飞向目标的规律，决定飞行轨迹。3.几种常见的制导方式：轨迹跟踪制导、预测制导。3BeijingInstituteofTechnology5.1制导方案4制导方案由弹道形式决定采取什么样的制导方案，与什么有关呢？飞行器的弹道形式决定过了制导方案！BeijingInstituteofTechnology制导方案分类5制导系统BeijingInstituteofTechnology实际上制导方式很多、很乱，不易理清、也不易理解，建议采用如下方式分类和理解。1）飞行器相对于惯性空间的导引，导弹需提前预知目标的运动信息惯性导航（误差随时间累积）程序制导（不能自适应随机扰动）GPS/星光/GLONASS/伽利略/北斗地形/图像匹配2）飞行器相对目标运动的导引，导弹需实时感知目标的运动信息指令制导寻的制导6BeijingInstituteofTechnology提前预知目标的运动信息：惯导、程序制导、GPS目标信息提前已知，目标不在制导回路中导弹监测系统导航计算机执行机构、操纵导弹7BeijingInstituteofTechnology实时感知目标的运动信息：指令制导、寻的制导目标信息实时监测，目标在制导回路中导弹监测系统导航计算机目标监测系统8BeijingInstituteofTechnology5.1.1程序制导导引导弹按预先拟制好的计划飞行，导弹在飞行中的导引指令根据导弹的实际参量值与预定值的偏差来形成.程序制导也称方案制导系统,自主制导系统应用场景：垂直发射转弯、机载/舰载发射离轨、越肩发射、巡航弹主动段等.执行方式：控制弹道曲线、控制弹体姿态.特点：设备简单，制导系统与外界无联系，抗干扰性好.通常不能独立完成全程导航，单从制导技术层面讲，没有什么关键问题.9BeijingInstituteofTechnology5.1.2惯性导航（INS，InertialNavigationSystem）利用弹上惯性元件，测量导弹相对于惯性空间的运动参数，由制导计算机计算出导弹的速度、位置及姿态等参数，形成控制信号，导引导弹完成预定飞行任务的一种自主制导系统。惯导基本概念INS（inertialnavigationsystem）IMU（inertialmeasurementunit）惯性导航的传感器技术MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）惯性导航的原理平台式;捷联式（姿态解算）惯性导航的优缺点及修正方法位置信息修正;姿态信息修正10BeijingInstituteofTechnology5.1.3卫星导航组合导航(INS/GPS)松组合、紧组合、超紧组合卡尔曼滤波技术卫星导航的精度与频率卫星导航接收天线与仿真位置信息、速度信息、转速GPS信号模拟器11BeijingInstituteofTechnology5.1.4自寻的制导（homingguidance）利用弹上导引头感受目标辐射或反射的能量(如无线电波、红外线、激光、可见光、声音等)，测量目标、导弹相对运动参数，并形成相应的导引指令，控制导弹飞行，使导弹飞向目标的制导系统。声学自寻的系统：多用于水下自寻的鱼雷雷达自寻的系统：广泛应用的自寻的制导系统，因为很多军事上的重要目标本身就是电磁能的辐射源，如雷达站、无线电干扰站、导航站等等。分类：主动式、半主动式、被动式；按照频率12BeijingInstituteofTechnology(a)主动式13照射目标的能源在导弹上，对目标辐射能量，同时有导引头接收目标反射回来的能量的寻的制导方式.采用主动寻的制导的导弹，当弹上的主动导引头截获目标并转入正常跟踪后，就可以完全独立地工作，不需要导弹以外的任何信息。随着能量发射装置的功率增大，系统作用距离也增大，同时弹上设备的体积和重量也增大，弹上不可能有功率很大的发射装置。因而主动式寻的系统作用的距离一般不是太远，已实际应用的典型的主动式寻的系统主要是雷达寻的系统。BeijingInstituteofTechnology（b）半主动式照射目标的能源不在导弹上，弹上只有接收装置，能量发射装置设在导弹以外的制导站或其他位置。功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比主动式要大。14BeijingInstituteofTechnology（c）被动式D—导弹；M—目标目标本身就是辐射源，不需要发射装置，由弹上导引头直接感受目标辐射的能量，导引头将以目标的特定物理特性作为跟踪的信息源。•被动式自寻的系统的作用距离不大，典型的被动式自寻的系统是红外自寻的系统。15BeijingInstituteofTechnology自寻的制导系统的组成自寻的系统的制导设备全部在弹上，具有发射后不管的特点，可攻击高速目标，制导精度较高。靠来自目标辐射或反射的能量来测定导弹的飞行偏差，作用距离有限，抗干扰能力差。一般用于空对空、地对空、空对地导弹和某些弹道导弹，用于巡航导弹的末飞行段，以提高末段制导精度。16BeijingInstituteofTechnology自寻的制导系统涉及关键技术导引头装置及其工作原理波段目标识别、成像技术信号处理、滤波技术捷联导引头的概念17BeijingInstituteofTechnology广播：87.5MHz~108.0MHz雷达:300MHz~40GHz毫米波：40GHz～300GHz亚毫米波：300GHz～400GHz激光：远红外、近红外、红、蓝、绿、紫外18自寻的制导另一种分类方式：按照频段波普BeijingInstituteofTechnology5.1.5遥控指令制导系统•根据导引指令在制导系统中形成的部位不同，遥控制导分为：波束制导(BeamRiding)：制导站发出波束(无线电波束、激光波束)，导弹在波束内飞行，弹上的制导设备感受它偏离波束中心的方向和距离，并产生相应的导引指令，操纵导弹飞向目标。在多数波束制导系统中，制导站发出的波束应始终跟踪目标。遥控指令制导：由制导站的导引设备同时测量目标、导弹的位置和其他运动参数，并在制导站形成导引指令，该指令通过无线电波或传输线传送至弹上，弹上控制系统操纵导弹飞向目标。19BeijingInstituteofTechnology5.1.6复合制导•当对制导系统要求较高时，如导弹必须击中很远的目标或者必须增加对远距离的目标命中率，可把上述几种制导方式以不同的形式组合起来，以进一步提高制导系统的性能。•例如，在导弹飞行初始段用自主制导，将导弹导引到要求的区域，中段采用遥控指令制导，比较精确地把导弹导引到目标附近，末段采用自寻的制导，这不仅增大了制导系统的作用距离，而且提高了制导精度。20BeijingInstituteofTechnology5.2制导律制导律的选择对导弹的命中精度至关重要三点法、前置角法（对导弹质心位置的约束）速度追踪、改进追踪法（对导弹姿态的约束）平行接近、ZEM（zeroeffectmiss）比例导引、各种改进的比例导引（对导弹速度矢量方向的约束）21(,)afrBeijingInstituteofTechnologya)需用法向过载的计算？•需用法向过载：•三点法导引的导弹运动方程组：参考：于建桥《战术导弹总体设计》yaV22需用过载可用过载BeijingInstituteofTechnologyb)需用攻角的计算•导引弹道动力学分析模型得到c)需用舵偏角的计算•导引弹道动力学分析模型得到zzzBzmmzMaB23BeijingInstituteofTechnologyd)最优导引律(OptimalGuidanceLaw,OGL)•为克服目标机动和测量噪声等不确定因素的影响，提高追踪导引性能，20世纪60年代最优控制技术被广泛用于导引律的研究。•它可以考虑导弹－目标的动力学问题，并可考虑制导过程起点或终点的约束条件或其它约束条件，如终端脱靶量最小、最短时间、最小控制能量、导弹和目标的交会角要求（带落脚约束的制导律）等。•大部分研究是基于线性化追踪运动方程，仅适用于较小的视线角范围。•追踪性能主要取决于捕获剩余时间tgo24BeijingInstituteofTechnologye)基于现代控制理论的导引律•目标的机动大小和方式难以准确测量和预测•任意机动飞行的目标以及具有不确定参数摄动情况下的追踪非线性导引律。•研究方法：非线性控制理论和人工智能方法。•目的：提高导引算法在各种不确定因素条件下的有效性和鲁棒性，并且可处理复杂的非线性追踪动态问题。25BeijingInstituteofTechnologyf）制导律展望•三维导引律•考虑导弹自动驾驶仪动特性的导引律•攻击角度约束导引律•复合制导•协同制导26BeijingInstituteofTechnology多导弹协同中几种典型的制导约束条件BeijingInstituteofTechnology5.3几种常见的制导方式标准轨道制导方法•轨迹跟踪制导：惯性位置导航（也包括INS/GNSS组合导航）是最常用的轨迹跟踪制导方法预测制导方法•弹道预测：数值积分或近似解析算法预测落点•零控脱靶量(ZeroEffectMiss,ZEM)