捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)

前言

導(dǎo)引頭技術(shù)是精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的核心技術(shù)之一，用于完成對目標的自主搜索、識別與跟蹤。在末制導(dǎo)段，導(dǎo)引頭的性能對成功攔截目標至關(guān)重要，較差的性能會導(dǎo)致導(dǎo)彈脫靶量增大，從而降低攔截目標的概率。為滿足現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)展的需要（如要求體積小、自主性強、能對付大機動目標）以及隨著高性能數(shù)字信號處理器的快速發(fā)展，導(dǎo)引頭的小型化、數(shù)字化需求就顯得尤為迫切。直接采用速率陀螺穩(wěn)定視線的技術(shù)受到限制，為此，必須尋求新的穩(wěn)定技術(shù)來實現(xiàn)視線穩(wěn)定。捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)是一項比較新型的數(shù)字技術(shù)，屬于導(dǎo)引頭的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)對該技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段。捷聯(lián)穩(wěn)定方式的基本原理為：將慣性器件固聯(lián)在導(dǎo)引頭基座上，通過坐標變換實現(xiàn)視線穩(wěn)定。捷聯(lián)穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)的意義在于：（1）對于減小導(dǎo)引頭體積，降低研制成本，解決空間上有限制的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用問題有現(xiàn)實意義；（2）可以利用導(dǎo)彈自動駕駛儀慣導(dǎo)組合中的高精度的陀螺傳感器信息，獲得彈體運動角速度，通過解算來穩(wěn)定視線指向，這樣，同一慣性器件既可以用于視線平臺的穩(wěn)定，又可以為飛行控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定與控制需要的彈體角速率信息，不僅節(jié)省了陀螺，同時也為導(dǎo)引頭與制導(dǎo)控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計提供可能性；（3）捷聯(lián)穩(wěn)定控制技術(shù)也可以用于解決其他領(lǐng)域體積受限運動載體上平臺的穩(wěn)定問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。本書對捷聯(lián)式導(dǎo)引頭穩(wěn)定控制與角跟蹤技術(shù)進行了系統(tǒng)而深入的論述。重點介紹捷聯(lián)式導(dǎo)引頭視線平臺的穩(wěn)定控制技術(shù)及相應(yīng)角跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計方法。對采用該技術(shù)所引起的其他問題，如捷聯(lián)穩(wěn)定算法的實現(xiàn)、用于比例導(dǎo)引的視線角速率提取和平臺控制系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計等問題進行綜合考慮，為體積受限制的導(dǎo)引頭視線穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)提供新的設(shè)計思路與方法，為工程化的導(dǎo)引頭捷聯(lián)穩(wěn)定平臺提供理論指導(dǎo)。本書以實際工程應(yīng)用為背景，立足于國防技術(shù)前沿，從導(dǎo)引頭系統(tǒng)小型化需求出發(fā)，引出捷聯(lián)穩(wěn)定技術(shù)，全面介紹捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)的可行性及具體實現(xiàn)方法，并對其數(shù)學建模與仿真、工程應(yīng)用及研究進展等相關(guān)問題進行了比較系統(tǒng)而深入的闡述。全書分為12章。第1章為緒論，主要介紹工程應(yīng)用背景與意義、國內(nèi)外研究動態(tài)和發(fā)展趨勢以及本書的主要內(nèi)容和特色。第2-4章介紹本書的理論基礎(chǔ)，其中：第2章介紹轉(zhuǎn)動剛體運動學與動力學基本理論；第3章介紹魯棒控制理論及其數(shù)學基礎(chǔ)；第4章介紹目標跟蹤與濾波理論。第5～9章為本書的技術(shù)應(yīng)用部分，其中：第5章介紹導(dǎo)引頭視線平臺的空域穩(wěn)定技術(shù)，概括目前采用的幾種穩(wěn)定形式，說明捷聯(lián)穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用特點；第6章根據(jù)捷聯(lián)式導(dǎo)引頭天線平臺的結(jié)構(gòu)特點及穩(wěn)定原理，系統(tǒng)地建立了導(dǎo)引頭兩自由度穩(wěn)定平臺動力學模型，并對其耦合特性進行仿真分析；第7章對捷聯(lián)穩(wěn)定天線平臺的穩(wěn)定性進行深入研究，并給出了天線平臺捷聯(lián)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的2種具體實現(xiàn)方法及其仿真結(jié)果。

內(nèi)容概要

本書共分12章，立足于國防技術(shù)前沿，系統(tǒng)、全面地介紹了捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)的工程應(yīng)用背景、動力學模型、穩(wěn)定控制原理及其數(shù)字實現(xiàn)方法、魯棒控制器設(shè)計、角跟蹤技術(shù)、MATLAB建模與仿真、研究進展及展望等。本書內(nèi)容翔實，覆蓋面廣，具有系統(tǒng)性和專業(yè)性強、著作內(nèi)容自成體系等特點，并具有一定的實用價值。    本書主要為從事制導(dǎo)與伺服控制專業(yè)的科研人員和工程技術(shù)人員提供理論和實踐指導(dǎo)，也適合作為高等學校自動控制、電子信息、導(dǎo)航與制導(dǎo)控制等相關(guān)專業(yè)的大學高年級本科生和研究生的教學參考用書，也可供從事相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員和科研人員參考。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　工程應(yīng)用背景與意義　1.2　國內(nèi)外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢　　1.2.1　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭與制導(dǎo)控制一體化技術(shù)研究狀況　　1.2.2　視線穩(wěn)定平臺及其控制技術(shù)研究狀況　　1.2.3　目標跟蹤與視線角速率提取技術(shù)研究狀況　　1.2.4　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢　1.3　本書的主要內(nèi)容和特色第2章　轉(zhuǎn)動剛體運動學與動力學理論　2.1　剛體運動學　　2.1.1　點的位置向量及其表示方法　　2.1.2　方向余弦矩陣及其正交性　　2.1.3　剛體的歐拉(Euler)角　　2.1.4　哥氏(Coriolis)定理　2.2　四元數(shù)與剛體定位　　2.2.1　四元數(shù)基本理論　　2.2.2　四元數(shù)描述剛體定點轉(zhuǎn)動　　2.2.3　四元數(shù)微分方程及其數(shù)值求解　　2.2.4　四元數(shù)與方向余弦、歐拉角的關(guān)系　2.3　剛體動力學　　2.3.1　轉(zhuǎn)動慣量　　2.3.2　剛體動量矩與動量矩定理　　2.3.3　歐拉動力學方程　2.4　本章小結(jié)第3章　魯棒控制理論　3.1　魯棒控制數(shù)學基礎(chǔ)　　3.1.1　空間概念　　3.1.2　矩陣的奇異值　　3.1.3　向量和矩陣的范數(shù)　　3.1.4　信號和系統(tǒng)的范數(shù)　　3.1.5　H 范數(shù)與Riccati方程　　3.1.6　靈敏度函數(shù)和補靈敏度函數(shù)　　3.1.7　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性　　3.1.8　李雅普諾夫方程　　3.1.9　線性分式變換　3.2　魯棒控制基本思想　3.3　不確定性的描述　　3.3.1　非結(jié)構(gòu)不確定性　　3.3.2　結(jié)構(gòu)不確定性　3.4　H 控制理論　　3.4.1　H 標準控制問題　　3.4.2　H 標準控制包含的控制問題　　3.4.3　不確定系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性與魯棒性能　3.5　本章小結(jié)第4章　目標跟蹤與濾波理論　4.1　卡爾曼濾波理論　　4.1.1　卡爾曼濾波的基本思想　　4.1.2　離散型卡爾曼濾波基本方程　　4.1.3　卡爾曼濾波器運行機制　　4.1.4　連續(xù)隨機系統(tǒng)的離散化　4.2　目標機動模型　　4.2.1　常速度模型　　4.2.2　常加速度模型　　4.2.3　相關(guān)噪聲模型　4.3　常增益目標跟蹤濾波器　　4.3.1　α-β-γ濾波器　　4.3.2　α-β濾波器　4.4　本章小結(jié)第5章　導(dǎo)引頭視線平臺空域穩(wěn)定技術(shù)　5.1　導(dǎo)引頭概述　5.2　空域穩(wěn)定原理　　5.2.1　直接視線穩(wěn)定　　5.2.2　間接視線穩(wěn)定　5.3　空域穩(wěn)定方式　　5.3.1　動力陀螺穩(wěn)定　　5.3.2　積分陀螺穩(wěn)定　　5.3.3　速率陀螺穩(wěn)定　　5.3.4　捷聯(lián)穩(wěn)定　5.4　速率陀螺穩(wěn)定平臺性能分析　　5.4.1　穩(wěn)定平臺構(gòu)成與原理　　5.4.2　穩(wěn)定回路控制系統(tǒng)分析　　5.4.3　穩(wěn)定平臺性能評估　　5.4.4　穩(wěn)定平臺系統(tǒng)設(shè)計原則　5.5　捷聯(lián)穩(wěn)定平臺　　5.5.1　捷聯(lián)穩(wěn)定平臺概念　　5.5.2　捷聯(lián)穩(wěn)定需要解決的問題　5.6　本章小結(jié)第6章　捷聯(lián)式天線平臺系統(tǒng)動力學模型　6.1　平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與坐標系定義及變換　　6.1.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置　　6.1.2　坐標系定義與坐標變換　6.2　平臺框架運動學關(guān)系　　6.2.1　框架角速度　　6.2.2　框架角加速度　6.3　平臺框架動力學建模及其特性分析　　6.3.1　內(nèi)框動力學模型　　6.3.2　外框動力學模型　　6.3.3　動力學模型仿真分析　6.4　天線平臺控制對象數(shù)學模型　6.5　本章小結(jié)第7章　捷聯(lián)式天線平臺的穩(wěn)定性能研究及其數(shù)字控制技術(shù)　7.1　捷聯(lián)穩(wěn)定原理　7.2　捷聯(lián)式天線平臺的穩(wěn)定控制方案及穩(wěn)定性能研究　　7.2.1　天線平臺的捷聯(lián)穩(wěn)定方案　　7.2.2　捷聯(lián)穩(wěn)定性能仿真分析　7.3　捷聯(lián)式天線平臺的2種穩(wěn)定實現(xiàn)方法　　7.3.1　角速度補償方法　　7.3.2　角位置補償方法　　7.3.3　仿真結(jié)果與分析　7.4　捷聯(lián)式天線平臺數(shù)字穩(wěn)定技術(shù)及仿真　　7.4.1　天線捷聯(lián)穩(wěn)定的離散遞推算法　　7.4.2　數(shù)字仿真結(jié)果　7.5　本章小結(jié)第8章　捷聯(lián)式天線平臺魯棒兩自由度H 控制器設(shè)計　8.1　具有擾動補償?shù)聂敯魞勺杂啥菻 控制器的提出　　8.1.1　魯棒兩自由度H 控制器結(jié)構(gòu)　　8.1.2　魯棒兩自由度H 控制器性能　8.2　模型的不確定性分解及標準H 控制問題的形成　　8.2.1　模型的不確定性分解　　8.2.2　化為標準H 控制問題　　8.2.3　廣義受控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)　8.3　捷聯(lián)式天線穩(wěn)定平臺系統(tǒng)不確定性模型的建立　　8.3.1　控制對象數(shù)學模型的不確定性分析　　8.3.2　系統(tǒng)參數(shù)描述及穩(wěn)定性判定　8.4　捷聯(lián)式天線穩(wěn)定平臺具有擾動補償?shù)聂敯魞勺杂啥菻 控制器設(shè)計　　8.4.1　期墊性能要求　　8.4.2　權(quán)函數(shù)的選取　　8.4.3　設(shè)計及仿真結(jié)果　8.5　本章小結(jié)第9章　捷聯(lián)式天線平臺的角跟蹤系統(tǒng)設(shè)計　9.1　角跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計思想　9.2　角跟蹤系統(tǒng)數(shù)學建?！?.3　機動目標跟蹤及視線角速率的估計　　9.3.1　單通道濾波模型　　9.3.2　仿真結(jié)果與分析　9.4　雙通道耦合目標跟蹤濾波器設(shè)計　　9.4.1　兩通道耦合濾波模型建立　　9.4.2　濾波參數(shù)的確定　9.5　目標跟蹤濾波與捷聯(lián)穩(wěn)定控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真　9.6　本章小結(jié)第10章　MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計工具介紹　　10.1　基于SIMuLINK模型的圖形用戶接口工具　10.2　MATLAB工具箱　　10.2.1　控制系統(tǒng)工具箱　　10.2.2　魯棒控制工具箱　10.3　基于MATLAB／dSPACE的半實物仿真工具　　10.3.1　MATLAB／dSPACE半實物仿真思想　　lO.3.2　MATLAB／dSPACE集成仿真系統(tǒng)　　10.3.3　利用dSPACE進行控制系統(tǒng)的開發(fā)　10.4　本章小結(jié)第11章　捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺MATLAB數(shù)學建模與仿真　11.1　SIMULINK建模　　　11.1.1　穩(wěn)定平臺框架動力學SIMULINK建?！　?1.1.2　穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)匹配濾波模型　11.2　M語言建模仿真　　11.2.1　魯棒控制器設(shè)計仿真　　1j.2.2　跟蹤濾波器設(shè)計仿真　11.3　SIMULINK與M語言混合建模仿真　　11.3.1　速度與位置捷聯(lián)穩(wěn)定性能比較仿真　　11.3.2　捷聯(lián)穩(wěn)定與跟蹤濾波聯(lián)合仿真　　11.3.3　捷聯(lián)穩(wěn)定跟蹤與制導(dǎo)控制一體化仿真　11.4　本章小結(jié)第12章　捷聯(lián)導(dǎo)引頭技術(shù)研究進展及展望　12.1　概述　12.2　捷聯(lián)穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用　　12.2.1　捷聯(lián)穩(wěn)定算法的實現(xiàn)　　12.2.2　速率陀螺安裝位置對捷聯(lián)穩(wěn)定算法的影響　12.3　全捷聯(lián)式導(dǎo)引頭制導(dǎo)技術(shù)　　12.3.1　坐標系定義與坐標變換　　12.3.2　捷聯(lián)式干涉儀導(dǎo)引頭系統(tǒng)組成　　12.3.3　相位干涉儀導(dǎo)引頭捷聯(lián)解耦技術(shù)　　12.3.4　天線罩引起的干涉儀測相誤差及補償措施　　12.3.5　捷聯(lián)解耦性能的誤差分析　12.4　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭在多模復(fù)合制導(dǎo)中的應(yīng)用　　12.4.1　多模復(fù)合尋的制導(dǎo)技術(shù)　　12.4.2　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭在雙模復(fù)合尋的制導(dǎo)中的應(yīng)用　12.5　導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展趨勢　　12.5.1　軟件雷達導(dǎo)引頭技術(shù)　　12.5.2　智能導(dǎo)引頭技術(shù)　12.6　本章小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：5.5.2捷聯(lián)穩(wěn)定需要解決的問題采用彈上慣性測量裝置的陀螺來實現(xiàn)捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的遠程穩(wěn)定，省略了萬向支架內(nèi)框架上的2個陀螺，使得制導(dǎo)與飛行控制逐漸融合，一體化設(shè)計增強，但同時系統(tǒng)性影響因素也在增加，因此，有必要探索飛行器空間視線、運動參數(shù)、飛行干擾、導(dǎo)引頭機電平臺等系統(tǒng)的關(guān)系及工作原理；另一方面，由于導(dǎo)引頭速率回路采用遠程穩(wěn)定控制，無法直接補償飛行器氣動彈性在導(dǎo)引頭處的振動干擾，因此，有必要對捷聯(lián)式導(dǎo)引頭跟蹤精度的影響因素、視線角速率提取方法等進行研究。采用捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺的優(yōu)點是減小了導(dǎo)引頭體積，而且降低了研制成本，尤其適用于空間上有限制的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用，但也帶來了如下新的問題。1）彈體姿態(tài)的耦合加劇，測量誤差增大一個標準的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（框架式傳感器、慣性反饋、質(zhì)量穩(wěn)定）要求把基座運動環(huán)境信息作為一個設(shè)計參數(shù)來考慮。這些系統(tǒng)中，慣性傳感器位于穩(wěn)定平臺上，因此傳感器運動幅度要低于基座運動幅度。在捷聯(lián)系統(tǒng)中，捷聯(lián)前饋傳感器測量基座運動，并且直接輸入（經(jīng)坐標變換，可能還有增益和相位補償后）萬向支架控制器的求和環(huán)節(jié)。該信號用于補償基座運動擾動，擾動是由萬向支架上的相對角度傳感器測出的，因此對于捷聯(lián)穩(wěn)定控制技術(shù)，最重要的是控制參數(shù)（如慣性傳感器比例系數(shù)和萬向支架傳感器遞增線性度）的要求都較高。2）匹配濾波捷聯(lián)穩(wěn)定方式是一種前饋補償，前饋信號的測量精度和匹配濾波器的確定是至關(guān)重要的。要獲得精度較高的彈體角速度信號，對陀螺的測量精度和帶寬要求較高，這在工程實現(xiàn)中是比較困難的，因為目前我國慣性器件的發(fā)展水平還比較低。在這種情況下，補償精度主要取決于匹配濾波器的設(shè)計，這需要考慮陀螺的剛度系數(shù)與動態(tài)響應(yīng)，而且工程實現(xiàn)中必然引入方法誤差，特別當彈體擾動頻譜較寬時會產(chǎn)生較大的補償剩余，因此只能是在某一頻段實現(xiàn)補償。3）慣性視線角速率的測量捷聯(lián)穩(wěn)定后，失去了直接測定視線角速率的能力，而只能提供彈體坐標系內(nèi)對目標位置即視線角的測量，為實現(xiàn)比例導(dǎo)引，必須對視線角進行微分。由于實際中存在測量噪聲，因此如何實現(xiàn)微分運算是一個難點。4）捷聯(lián)穩(wěn)定控制算法捷聯(lián)穩(wěn)定平臺是一種數(shù)字平臺，控制算法是天線捷聯(lián)穩(wěn)定技術(shù)的核心。研究該算法，需要深入了解天線平臺系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和動力學模型，同時要了解有關(guān)坐標系的具體規(guī)定及其相互變換。數(shù)字系統(tǒng)需要不斷解算彈體的空間姿態(tài)和進行坐標變換，這就要進行大量的矩陣運算。算法中采樣時間的選取也是需要重點考慮的，該采樣時間影響捷聯(lián)系統(tǒng)的空間穩(wěn)定特性。

編輯推薦

《捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)》由國防工業(yè)出版社出版。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù) PDF格式下載

---