隔离度对滚仰式半捷联制导系统性能影响研究

　　摘 要：本文结合实际工程研制经验，分析了滚仰式半捷联制导系统的工作原理，针对隔离 度影响制导回路产生脱靶量的问题，在滚仰式半捷联制导系统模型中设计由隔离度产生的寄生回 路，从而研究隔离度对制导指令的影响以及制导系统稳定性受到干扰力矩等因素的影响;当滚转 框取不同角度时，以典型干扰作为系统误差输入，通过仿真计算分析了隔离度对基于比例导引律 的半捷联制导系统脱靶量的影响。仿真结果表明阻尼力矩、较大的导航比和迎头拦截模式下系统 稳定性降低，相同隔离度条件下，不同滚转框架角对脱靶量影响变化不一，但总体上负隔离度使 得系统稳定性更高。

　　关键词：制导律;滚仰导引头;稳定性;脱靶量;隔离度;框架角

　　0 引 言

　　滚仰式半捷联制导系统的导引头具有轻量化、 小型化、工程结构易实现、增大导引头离轴角等优 点，且探测器的瞬时视场比全捷联系统更小，目标 快速跟踪响应更快，工程应用前景广泛[1]。但因该 系统没有设计独立稳定平台，红外导引头不能直接 测量光轴相对惯性空间的角速率，制导系统无法利 用该信息来隔离弹体对光轴的扰动，引起寄生耦合 效应，系统产生等效增益大、弹体扰动耦合到导引 头光轴上等隔离度问题，从而导致制导系统震荡甚 至发散以及制导精度下降[2]。

　　隔离度定义为由弹体扰动引起的导引头输出 附加视线角速率相对于弹体姿态角速率的比值，表 征导引系统去耦弹体扰动的能力，其传递函数为 ( ) ( )/ ( ) G s q s s p =   ，其中 ( )s 为弹体姿态角速 率， q s( ) 为由弹体姿态角变化导致导引头输出的 附加视线角速率[3]。 工程上应用半捷联导引技术的制导武器主要 有美国的 AIM-9X Block II 和欧洲的 IRIS-T 空空导 弹等[4]，该技术可节省导弹负载空间，扩大攻击包 线和离轴角。

　　目前，学术和工程上对滚仰式半捷联 制导系统的隔离度研究工作主要涉及：寄生耦合回 路研究、视线角速率提取、制导精度分析和隔离度 影响因素等[5]。 祁载康、李富贵等不仅研究了弹目视线角速率 信号测量和提取品质受隔离度的影响，同时分析了 其引起的寄生回路对最优制导律性能的影响，表明 该寄生回路对制导稳定性和控制性都是不利的 [6][7];周桃品等从导引头隔离度引起的寄生耦合特 性和系统输出响应方面，仿真分析了制导系统稳定 性受到的影响[8];胡欧磊等针对半捷联制导系统， 设计了基于强跟踪无迹卡尔曼滤波(STUKF)的隔 离度在线补偿方法[9];胡洋等研究了包括对准误差、 干扰力矩、角速率测量误差等诱因对半捷联制导系 统隔离度的影响[10]。

　　此外，可应用于空空导弹的制导律形式同样决 定着制导系统性能的水平。结合目前弹载器件水 平，采用诸如最优制导律的空空导弹，需用末制导 时间短、需用末端过载小，可有效减小脱靶量、提 高拦截概率，提升导弹制导性能[7][11]。虽然目前研 究人员在特定制导问题下获得了一系列的最优制 导律，但这些最优制导律均未能准确考虑目标状态 估计。

　　同时，隔离度寄生回路对最优制导律的影响 较大，即使获取的估计信息准确，只有当隔离度小 于2%时，最优制导律的脱靶量才小于比例导引 律，而当估计信息存在误差时，只有更小的隔离度 才能满足系统性能指标，这在目前的工程应用上是 难以实现的[12]，加之工程上未能结合导引头量测水 平提供最优制导律的制导信息获取和装订方法，这使当前最优制导律的应用存在较大缺陷[13]。

　　工程应用时，需考虑隔离度对制导信息的提取 精度和提取难度等方面的影响，必须严格控制导引 头隔离度的指标以抑制寄生回路的影响，而比例导 引律对隔离度影响的敏感度相对较低,且工程实现 技术成熟。当前科研人员对引头隔离度的研究中， 针对应用比例导引律的滚仰式半捷联制导系统涉 及较少，而这对于滚仰式导引头的工程研制却具有 非常现实的意义[14]。

　　1 制导系统建模

　　1.1 滚仰式半捷联制导系统工作原理

　　半捷联制导系统的特点在于导引头平台上没 有惯性陀螺，因此无法直接输出视线角速度这一常 规制导律所需要的制导信息;另外导引头在视线稳 定与跟踪时，需要利用弹体陀螺提供的惯性信息进 行控制。在制导系统闭合时，需要导引头提供视线 角速度信息，工程上可以采用视线角重构后微分的 方法，但这种方法由于引入微分而加大了误差，因 此采用卡尔曼滤波技术进行视线角速度的提取能 得到更高精度的视线角速度信息，该技术在此不再赘述。在搭建制导系统框图时，只考虑半捷联导引 头在制导大回路的功能属性，将其内部工作时序及 状态简化为一个传函，以实现制导大回路功能的完 善与简便[5]。

　　2 隔离度寄生回路稳定性分析

　　弹体相对导引头的扰动造成导引头输出附加 的弹目视线角速率 q ，制导系统利用叠加 q 后的 视线角速率计算输出包含扰动误差的制导指令 c a ， 舵控系统根据指令改变弹体运动姿态，产生附加弹 体扰动，该扰动又会使导引头输出叠加 q 的弹目 视线角速率信号，这样就形成了一个隔离度寄生回 路，使制导回路稳定性降低。

　　3 制导系统仿真与分析

　　综上可知，不同的外环滚转框架角  R ，对两个 通道上的寄生回路产生的实际制导指令影响各异。 本章将分析当滚转框取不同角度时，隔离度寄生回 路对制导性能的影响，以典型空空导弹为例。

　　4 结 论

　　本文通过使用比例导引律，取目标常值机动和 初始指向误差为典型的误差源，建立了包含滚仰导 引头隔离度寄生回路的两通道制导控制系统模型。 通过仿真分析了在给定隔离度和不同滚转框架角 的条件下，制导系统稳定性、制导指令和制导精度 受隔离度寄生回路的影响。

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　　由仿真结果可以得出以下结论：

　　(1)随着外环滚转框架角  R 在 0 ~90 范围内 增大，主通道脱靶量逐渐减小;而  R 分别在 0 ~45 和 45 ~90 范围内增大时，耦合通道的脱 靶量先增大后减小;当 R = 0 和 R  = 90 时耦合 通道的脱靶量相同，R = 22.5 和 R = 67.5 时情 况相同。

　　(2)隔离度相同时，滚转框偏转角度影响两通 道的脱靶量大小，而滚转框转动相同角度时，正的 隔离度将比负的隔离度引起更大的脱靶量幅值，负 的隔离度使得制导系统具有更高的稳定性。

　　(3)隔离度对制导稳定性的影响不仅随干扰力 矩变化，也会随着比例导引系数 N 和接近速度与导 弹速度的比值 Vc/Vm 的增大而减小。目标速度较 大时，迎头拦截比尾追攻击下的 Vc/Vm 大很多， 因此迎头攻击态势下寄生回路稳定性降低。随飞行 高度上升，表示导弹姿态响应的快速性的攻角时间 常数 T 显著增加，寄生回路稳定域变小，而制导时 间常数 Tg 则与稳定域正相关。

　　参考文献：

　　[1] Nesline F W，Paul Zarchan.Missile Guidance Design Tradeoffs for High Altitude Air Defense[J].AIAA Journal of Guidance，Control and Dynamics，1983，6(3) : 207 -212.

　　作者：胡一帆 1*，任宏光 1，杨 硕 2，张跃坤 1