捷聯(lián)導引頭穩(wěn)定與跟蹤技術

前言

導引頭技術是精確制導戰(zhàn)術導彈的核心技術之一，用于完成對目標的自主搜索、識別與跟蹤。在末制導段，導引頭的性能對成功攔截目標至關重要，較差的性能會導致導彈脫靶量增大，從而降低攔截目標的概率。為滿足現(xiàn)代戰(zhàn)術導彈發(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)定視線的技術受到限制，為此，必須尋求新的穩(wěn)定技術來實現(xiàn)視線穩(wěn)定。捷聯(lián)導引頭穩(wěn)定與跟蹤技術是一項比較新型的數(shù)字技術，屬于導引頭的關鍵技術之一，國內對該技術的應用還處于起步階段。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)定與跟蹤技術的意義在于：（1）對于減小導引頭體積，降低研制成本，解決空間上有限制的戰(zhàn)術導彈應用問題有現(xiàn)實意義；（2）可以利用導彈自動駕駛儀慣導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，同時也為導引頭與制導控制系統(tǒng)的一體化設計提供可能性；（3）捷聯(lián)穩(wěn)定控制技術也可以用于解決其他領域體積受限運動載體上平臺的穩(wěn)定問題，具有廣闊的應用前景。本書對捷聯(lián)式導引頭穩(wěn)定控制與角跟蹤技術進行了系統(tǒng)而深入的論述。重點介紹捷聯(lián)式導引頭視線平臺的穩(wěn)定控制技術及相應角跟蹤系統(tǒng)的設計方法。對采用該技術所引起的其他問題，如捷聯(lián)穩(wěn)定算法的實現(xiàn)、用于比例導引的視線角速率提取和平臺控制系統(tǒng)的魯棒性設計等問題進行綜合考慮，為體積受限制的導引頭視線穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)提供新的設計思路與方法，為工程化的導引頭捷聯(lián)穩(wěn)定平臺提供理論指導。本書以實際工程應用為背景，立足于國防技術前沿，從導引頭系統(tǒng)小型化需求出發(fā)，引出捷聯(lián)穩(wěn)定技術，全面介紹捷聯(lián)導引頭穩(wěn)定與跟蹤技術的可行性及具體實現(xiàn)方法，并對其數(shù)學建模與仿真、工程應用及研究進展等相關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，主要介紹工程應用背景與意義、國內外研究動態(tài)和發(fā)展趨勢以及本書的主要內容和特色。第2-4章介紹本書的理論基礎，其中：第2章介紹轉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；第4章介紹目標跟蹤與濾波理論。第5～9章為本書的技術應用部分，其中：第5章介紹導引頭視線平臺的空域穩(wěn)定技術，概括目前采用的幾種穩(wěn)定形式，說明捷聯(lián)穩(wěn)定技術的應用特點；第6章根據捷聯(lián)式導引頭天線平臺的結構特點及穩(wěn)定原理，系統(tǒng)地建立了導引頭兩自由度穩(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)方法及其仿真結果。

內容概要

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

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　工程應用背景與意義　1.2　國內外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢　　1.2.1　捷聯(lián)式導引頭與制導控制一體化技術研究狀況　　1.2.2　視線穩(wěn)定平臺及其控制技術研究狀況　　1.2.3　目標跟蹤與視線角速率提取技術研究狀況　　1.2.4　國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢　1.3　本書的主要內容和特色第2章　轉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、歐拉角的關系　2.3　剛體動力學　　2.3.1　轉動慣量　　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　本章小結第3章　魯棒控制理論　3.1　魯棒控制數(shù)學基礎　　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　非結構不確定性　　3.3.2　結構不確定性　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　本章小結第5章　導引頭視線平臺空域穩(wěn)定技術　5.1　導引頭概述　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)結構與坐標系定義及變換　　6.1.1　系統(tǒng)結構配置　　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　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　仿真結果與分析　7.4　捷聯(lián)式天線平臺數(shù)字穩(wěn)定技術及仿真　　7.4.1　天線捷聯(lián)穩(wěn)定的離散遞推算法　　7.4.2　數(shù)字仿真結果　7.5　本章小結第8章　捷聯(lián)式天線平臺魯棒兩自由度H 控制器設計　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 控制器結構　　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 控制器設計　　8.4.1　期墊性能要求　　8.4.2　權函數(shù)的選取　　8.4.3　設計及仿真結果　8.5　本章小結第9章　捷聯(lián)式天線平臺的角跟蹤系統(tǒng)設計　9.1　角跟蹤系統(tǒng)總體設計思想　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　仿真結果與分析　9.4　雙通道耦合目標跟蹤濾波器設計　　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　本章小結第10章　MATLAB控制系統(tǒng)設計工具介紹　　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?！　　?1.1.1　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　魯棒控制器設計仿真　　1j.2.2　跟蹤濾波器設計仿真　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)定跟蹤與制導控制一體化仿真　11.4　本章小結第12章　捷聯(lián)導引頭技術研究進展及展望　12.1　概述　12.2　捷聯(lián)穩(wěn)定技術的應用　　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)式導引頭制導技術　　12.3.1　坐標系定義與坐標變換　　12.3.2　捷聯(lián)式干涉儀導引頭系統(tǒng)組成　　12.3.3　相位干涉儀導引頭捷聯(lián)解耦技術　　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)式導引頭在多模復合制導中的應用　　12.4.1　多模復合尋的制導技術　　12.4.2　捷聯(lián)式導引頭在雙模復合尋的制導中的應用　12.5　導引頭技術發(fā)展趨勢　　12.5.1　軟件雷達導引頭技術　　12.5.2　智能導引頭技術　12.6　本章小結參考文獻

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)式導引頭的遠程穩(wěn)定，省略了萬向支架內框架上的2個陀螺，使得制導與飛行控制逐漸融合，一體化設計增強，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、導引頭機電平臺等系統(tǒng)的關系及工作原理；另一方面，由于導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引頭處的振動干擾，因此，有必要對捷聯(lián)式導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)術導彈應用，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)定結構（框架式傳感器、慣性反饋、質量穩(wěn)定）要求把基座運動環(huán)境信息作為一個設計參數(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，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計，這需要考慮陀螺的剛度系數(shù)與動態(tài)響應，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對目標位置即視線角的測量，為實現(xiàn)比例導引，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)的機械結構和動力學模型，同時要了解有關坐標系的具體規(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)導引頭穩(wěn)定與跟蹤技術》由國防工業(yè)出版社出版。

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