制导炮弹导引控制一体化设计技术

第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　海军战略由近海防御型向近海防御与远海护卫型的转变，以及由海到陆、由海制陆、垂直包围等海战思想的发展进步，都对舰炮武器提出了更高要求：对海、对岸具有远程精确打击与持续火力支援的能力[1]。舰炮仅仅是发射平台，在对目标毁伤的有效性方面，至关重要的是弹药的终端效应。随着微电子、导航、探测与控制等领域高新技术的日新月异，一种低成本、高精度的舰炮制导炮弹应运而生[2]，它能够实现态势感知、电子侦察与精确打击等多种作战效果[3]，不仅比导弹射速高、效费比高、持续作战能力强，而且较常规弹药射程远、脱靶量小[4]，能够对近岸指挥所、舰艇、装甲等固定目标与机动目标进行远程压制和精确打击，为登陆部队提供持续可靠的海上火力支援[5]。
　　导引与控制系统是舰炮制导炮弹执行作战任务的关键。其中，导引系统的主要功能是测量弹体与目标的相对运动信息，根据预设的导引方法得到命中目标所需的导引指令[6]；控制系统主要根据导引指令与弹体运动状态，按照设定的控制方法形成控制指令，驱动执行机构产生适当的操纵力与力矩，改变弹体的姿态与速度方向，并克服风等不确定干扰，以保证飞行稳定，*终准确地命中目标[7]。
　　导引与控制系统的常规设计方式是忽略两子系统之间的耦合作用，在分离设计完成后再联调整合，适用于攻击固定目标或低速非机动目标，因其原理简单、易于实现而得到了广泛应用，但前提是需要满足时标分离条件[8]，即控制系统的时间常数远小于导引系统，所以难以对整合后系统的稳定性进行理论证明。随着攻防装备体系的快速升级，弹体与目标的速度和机动能力均得到了提升，导引系统中各状态的变化更为剧烈，两子系统之间的耦合关系更为紧密，使得上述前提难以成立[9]，容易导致脱靶量较大、终端攻击角度不理想等结果，系统的稳定性与可靠性也难以满足战技指标要求，那么就需要对两子系统重新进行设计与联调，致使设计成本增加、研发周期延长[10]。
　　辩证唯物主义的基本原理已明确指出：当系统的各部分以有序、合理、优化的结构形成整体时，整体功能会大于各部分功能之和[11]。因此，为了提高制导系统的整体性能，需要基于常规设计方式，先初步运用两子系统之间的联系，即在设计导引方法时考虑控制系统的动态特性，以过载作为连接两子系统的桥梁，进行导引控制近似一体化(approximate integrated guidance and control， AIGC)设计[12]；进而充分考虑两子系统之间的耦合作用，将准气动角当作两子系统的纽带，进行导引控制一体化(integrated guidance and control， IGC)设计[13]。IGC与AIGC在本质上都是先通过合适的状态量构建出两子系统的直接联系，形成一个串级型的严反馈闭环系统，然后根据弹目相对运动与弹体运动状态，主动开发运用两子系统之间的耦合关系以降低保守性、增强稳定性，通过合适的设计方法直接解算出过载控制指令或执行器操纵指令[14]。鉴于上述优势，将先进的控制理论与工程技术应用于高超声速飞行器?[15]、导弹[16]等高速运动飞行器的IGC设计，是导引与控制领域中的重要发展趋势，但目前鲜见关于旋转类飞行器IGC设计的研究，如何妥善处理飞行器的旋转特性，使得系统在满足考虑多项约束的同时保持一致*终有界(uniformly ultimately bounded， UUB)，仍然是该领域中涉及未深的问题。
　　相较于上述非旋转类飞行器，舰炮制导炮弹具有明显的特征，如研发成本低、舱室体积小、控制能力弱和弹体旋转等。成本低、体积小就必然需要导引与控制两子系统共享昂贵的传感器[17]；弹体旋转进一步增强了质心导引与姿态控制之间、俯仰与偏航通道之间的耦合关系，也提高了弹目相对运动、弹体动力学与运动学等模型的非线性程度，使作用在弹体上的力与力矩同两子系统状态的联系更加密切[18]。在末制导段飞行过程中，制导性能难免会受到多项客观因素的约束：为了达到更好的毁伤效果，常需要以期望攻击角命中目标[19]；弹体旋转使准确测量视线角速度变得困难，这对弹载传感器提出了很高的要求[20]；舵机作为唯一可控制的执行机构，其偏转范围受到限制，导致其所能够提供的操纵力与力矩有限[21]；传动齿隙会降低舵机的动态性能[22]。弹体旋转与多约束给IGC设计带来了新的挑战，尤其在系统重要状态的有限时间收敛性，以及系统一致*终有界等方面。
　　本书以旋转舰炮制导炮弹为研究对象，在其打击近岸固定目标或机动目标的末制导段，着眼于设计模型、设计方法、数学仿真与半实物仿真(hardware in the loop simulation， HILS)等方面，对多约束IGC设计方法展开系统研究，所提出的设计模型与设计方法不仅适用于舰炮制导炮弹，而且能够应用于制导迫弹、制导火箭弹等其他旋转类飞行器，在经过适当简化后还可以适用于非旋转类飞行器，这对于IGC研究思路的拓宽、设计方法的完善、适用范围的扩大以及工程应用的推进，都具有一定的理论意义与实践价值。
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 舰炮制导炮弹
　　自20世纪90年代以来，国际热点地区爆发的局部战争多数从海上发起，各军事强国都将以海制岸的作战能力看作现实需求而颇为重视。由于舰炮制导炮弹很好地迎合了现代高科技作战对远程化、信息化、精确化和高消耗性武器的需要，填补了导弹与传统弹药之间的空白，并且不需要特殊的发射平台，有效地缩短了研发周期，降低了研发成本，被视为提高舰炮武器作战效能的重要途径。舰炮制导炮弹的主要发展历程[23]如表1.1所示。
　　表1.1 舰炮制导炮弹的主要发展历程
　　时间 技术特点 作战目标 代表 20世纪80年代 炮射制导弹药舰上应用 中程攻击 Dead Eye型 20世纪90年代 增程、控制技术 远程攻击 弹道修正弹 21世纪 增程、制导、控制技术 远程精确攻击 LRLAP型
　　为了便于对舰炮制导炮弹进行IGC设计方法的研究，下面对国外主要型号舰炮制导炮弹的重要性能参数进行梳理与总结，以期能够较为全面地掌握舰炮制导炮弹的主要结构、基本原理及技术特征。
　　1. 美国155mm远程对陆攻击炮弹
　　远程对陆攻击炮弹(long range land attack projectile， LRLAP)是BAE系统公司为155mm先进舰炮系统所研制的，如图1.1所示，弹长为2.4m，质量为118kg，采用火箭助推与滑翔增程技术，射程185km，圆概率误差(circular error probable， CEP)20m，射速为12发/min，采用全球定位系统(global positioning system， GPS)/惯性导航系统(inertial navigation system， INS)制导技术，工程与制造研发阶段于2014年结束，并进行了大量射击实验[23]。先进舰炮系统发射LRLAP的概念图如图1.2所示。
　　图1.1 远程对陆攻击炮弹
　　图1.2 先进舰炮系统发射LRLAP的概念图
　　2. 美国127mm EX-171增程制导炮弹
　　为了满足美国海军陆战队对远程精确舰炮制导炮弹的需求，德州仪器公司针对Mk45-Mod4式127mm舰炮研发了增程制导炮弹(extended range guided munition， ERGM)，如图1.3所示。该炮弹头部为制导装置和鸭舵，中部为杀爆战斗部，尾部为火箭发动机和尾翼，弹长为1.86m，质量为48.8kg，采用火箭助推与滑翔增程技术[24]，射程100km，CEP5m，射速为10发/min，采用GPS/INS制导技术，具备打击移动目标、多发同时弹着、大落角攻击的能力，在2010年的靶场实验中准确命中了74km外的目标。
　　图1.3 127mm EX-171增程制导炮弹
　　3. 美国127mm多业务标准制导炮弹
　　127mm多业务标准制导炮弹(multi service standard guided projectile， MS-SGP)由BAE系统公司研制，射程100km，CEP10m，射速为10发/min，采用GPS/INS制导技术，配备光电或红外导引头，配用16.3kg杀爆战斗部，可以由Mk45舰炮等通用平台发射，能够提供经济可承受的远程精确火力支援，已达到6级技术成熟度，具有再瞄准能力。
　　4. 法国155mm“鹈鹕”炮弹
　　155mm“鹈鹕”炮弹由法国地面武器工业集团公司研制，CEP10m，采用GPS/INS制导技术，有远程和超远程两型：远程型弹长为0.9m，质量为47kg，采用滑翔增程技术，射程60km，携载63枚多用途子炸弹或3枚“博纳斯”攻顶子弹药；超远程型弹长为1.4m，质量为61kg，前部、中部、后部分别为控制舱、战斗部、火箭发动机，运用火箭助推与滑翔增程技术，射程85km，携载77枚多用途子炸弹或4枚“泥鸽”子炸弹。
　　5. 意大利127mm“火山”炮弹
　　127mm“火山”炮弹是奥托 梅莱拉公司为意大利海军的127mm舰炮研发的远程制导炮弹，如图1.4所示。该炮弹由固定头部、战斗部和可自由旋转的尾部组成，头部设有4片鸭舵，通过次口径与尾翼稳定设计使初速1200m/s，射速为35发/min，采用GPS/INS制导技术，配用15kg破片战斗部，有B-精确制导型、C-远程型两型[25]：B-精确制导型炮弹长为0.95m，质量为29kg，采用滑翔增程技术，射程90km，CEP20m，装有针对舰艇的红外引信，配用半穿甲战斗部，在2500m高度、距目标约6000m时，启动寻的系统；C-远程型炮弹质量为39kg，采用火箭助推与滑翔增程技术，射程120km，CEP20m，用于对陆攻击，滑翔阶段以超声速飞行，具备多发同时弹着、大落角攻击的能力。
　　图1.4 127mm“火山”炮弹
　　6. 英国155mm低成本制导炮弹
　　英国155mm低成本制导炮弹(low cost guided projectile， LCGP)弹长为1.62m，质量为45kg，采用火箭助推与滑翔增程技术，射程150km，在100km以外的射程上CEP30m，采用GPS/INS制导技术，配用子母战斗部，采用复合材料、惯性测量单元与微机电系统等高新技术，降低了研发成本，如图1.5所示。
　　图1.5 155mm低成本制导炮弹
　　将上述国外舰炮制导炮弹的主要性能指标归纳于表1.2。可见国外舰炮制导炮弹型号的主要技术特征为口径大、射程远、精度高、成本低与器件微小型化等，采用鸭式气动布局，通过尾翼增强弹体飞行稳定性，采用火箭助推与滑翔增程技术、GPS/INS制导技术，执行机构采用电动舵机进行双通道控制，且具备攻击机动目标、大落角攻击、多发同时弹着等能力，为我国在该领域的研究与发展提供了值得借鉴的思路和经验。
　　表1.2 国外舰炮制导炮弹的主要性能指标
　　由于作战任务的需要，并且考虑到弹体旋转、弹载器件性能[26]等因素的影响，弹体在末制导段飞行过程中，制导性能难免会受到多种客观因素的约束，主要包括攻击角约束、视线角速度测量受限和执行器控制饱和等，这给导引与控制方法的设计带来了诸多困难。若要求弹体在满足上述约束的同时，仍然具有较小的脱靶量，并且系统具有UUB等重要性能，仅满足脱靶量要求的经典制导设计方法显然已捉襟见肘。因此，研究满足多项条件约束的导引与控制方法具有重要的理论价值和广泛的应用前景，正吸引着众多专家学者投入其中。
　　1. 攻击角约束
　　为了获得更好的毁伤效果，常常需要结合目标易损特性，使弹体在命中目标时满足期望的攻击角，以发挥战斗部的*大效能。如图1.6所示，在打击水面舰艇等纵横比较大的目标时，需要横向切入攻击，当攻击装甲坦克、碉堡工事等四周坚固但顶端薄弱的目标时，以大角度攻顶更为合

《制导炮弹导引控制一体化设计技术》从基础理论与作战实际结合的角度出发，针对制导炮弹在末制导段中存在的多项客观约束条件，对制导炮弹导引控制一体化设计技术进行较为全面系统的分析，其基本原理和分析处理的方法具有普遍意义，对其他旋转类和非旋转类飞行器也具有一定的适用性与参考价值。《制导炮弹导引控制一体化设计技术》主要内容包括：舰炮制导炮弹的导引控制一体化设计模型；带多约束的导引控制近似一体化设计方法；考虑多约束的导引控制一体化通道独立设计方法；含多约束的导引控制一体化全状态耦合设计方法；导引控制一体化设计的半实物仿真研究等。

目录
前言
主要符号说明
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 舰炮制导炮弹 2
1.2.2 考虑约束的导引与控制设计方法 6
1.2.3 导引控制近似一体化设计方法 11
1.2.4 导引控制一体化设计方法 13
1.2.5 导引与控制领域半实物仿真技术 19
1.3 目前研究存在的主要问题 21
1.4 本书主要内容 22
第2章 舰炮制导炮弹的导引控制一体化设计模型 25
2.1 坐标系建立与坐标系转换 25
2.1.1 坐标系建立 25
2.1.2 坐标系转换 27
2.2 舰炮制导炮弹的六自由度模型 31
2.2.1 质心运动的动力学方程 31
2.2.2 质心运动的运动学方程 32
2.2.3 绕质心转动的动力学方程 32
2.2.4 绕质心转动的运动学方程 33
2.2.5 角参量几何关系方程 34
2.2.6 作用力 35
2.2.7 作用力矩 40
2.2.8 风对作用力与作用力矩的影响 43
2.3 目标模型弹目相对运动模型 46
2.3.1 目标的三自由度模型 46
2.3.2 弹目相对运动模型 48
2.4 导引控制近似一体化设计模型 50
2.4.1 通道独立设计模型 51
2.4.2 通道耦合设计模型 53
2.5 导引控制一体化设计模型 54
2.5.1 通道独立设计模型 54
2.5.2 全状态耦合设计模型 59
2.6 本章小结 61
第3章 带多约束的导引控制近似一体化设计方法 63
3.1 基于动态面滑模的通道独立设计方法 63
3.1.1 问题描述 63
3.1.2 俯仰通道设计方法与稳定性分析 64
3.1.3 偏航通道设计方法 72
3.1.4 仿真结果与分析 73
3.2 考虑通道耦合的块动态面滑模设计方法 79
3.2.1 问题描述 79
3.2.2 设计方法与稳定性分析 79
3.2.3 仿真结果与分析 85
3.3 本章小结 90
第4章 考虑多约束的导引控制一体化通道独立设计方法 91
4.1 通道独立的动态面滑模与自适应Nussbaum增益设计方法 91
4.1.1 问题描述 91
4.1.2 俯仰通道设计方法与稳定性分析 92
4.1.3 偏航通道设计方法 98
4.1.4 仿真结果与分析 99
4.2 基于动态面滑模与自适应模糊的通道独立设计方法 104
4.2.1 问题描述 104
4.2.2 俯仰通道设计方法与稳定性分析 105
4.2.3 偏航通道设计方法 110
4.2.4 仿真结果与分析 112
4.3 考虑舵机齿隙的动态面滑模设计方法 117
4.3.1 问题描述 117
4.3.2 俯仰通道设计方法与稳定性分析 121
4.3.3 偏航通道设计方法 125
4.3.4 仿真结果与分析 128
4.4 本章小结 132
第5章 含多约束的导引控制一体化全状态耦合设计方法 134
5.1 考虑全状态耦合的块动态面滑模设计方法 134
5.1.1 问题描述 134
5.1.2 设计方法与稳定性分析 135
5.1.3 仿真结果与分析 141
5.2 基于自适应模糊与块动态面滑模的全状态耦合设计方法 146
5.2.1 问题描述 146
5.2.2 设计方法与稳定性分析 147
5.2.3 仿真结果与分析 151
5.3 本章小结 157
第6章 导引控制一体化设计的半实物仿真研究 158
6.1 仿真研究需求与系统相似关系 158
6.2 系统总体方案 160
6.2.1 系统架构设计 160
6.2.2 硬件方案设计 162
6.2.3 软件方案设计 172
6.2.4 系统误差分析 175
6.3 半实物仿真测试 177
6.4 本章小结 185
参考文献 186