某导弹随动系统改进设计

2015-12-20姜晓庄

电子科技 2015年2期

姜晓庄

(中国空空导弹研究院主机部，河南洛阳 471000)

对于近距格斗导弹，快速捕获目标是抢先发射导弹的前提。但为了改善背景干扰和光学系统设计中的困难，红外空空导弹大都采用小瞬时视场角。因此，第一、二代导弹大都采用定轴瞄准、发射。飞行员必须将自己飞机对准敌机的6点钟位置，捕获目标困难。随着飞机、火控技术的发展，第三代导弹已采用了离轴发射技术，其是在发射装置内或机上“导弹辅助系统”内加装随动扫描及截获电路，将导弹位标器陀螺轴和雷达天线轴构成一个随动系统。该系统使导弹视线可与雷达天线在较大锥角内随动，附加扫描使得导引头扑获场进一步扩大。该设计在AIM－9系列导弹发控系统“响尾蛇扩大截获方式”(Sidewindez Expanded Acguisition Mode，SEAM)。随动电路装在机上“导弹辅助系统”内;发射装置均采用该离轴发射技术。作为第四代空空导弹的离轴发射技术，其离轴范围已扩大到±60°～±90°，如R－73和AIM－9X导弹等。本文简述了一种导弹随动系统，并在该系统分析的基础上针对其存在的问题提出了一些改进措施。后通过仿真及试验验证了其改进的有效型。

1 系统概述

由载机火控雷达或头盔瞄准具向导弹发控系统提供目标视线角位置qt(雷达天线或头盔视线)在飞机坐标系的投影信息yP和zP(以下简称雷达投影)，处理后得uLOS作为角度随动的输入;驱动位标器陀螺随动，产生导弹视线相对于弹轴的角度反馈信号uφ，形成闭环控制，使导弹视线OS与目标视线OT随动;导弹离轴角信号uφ经过计算生成导弹视线在飞机坐标系的投影信息yR和zR(以下简称位标器投影)供飞机平显显示。

随动系统原理框图如图1所示。由火控雷达、发控电路和导弹位标器组成。来自火控雷达的目标位置信息经发控电路处理后控制位标器伺服机构驱动位标器陀螺视线轴跟踪雷达天线轴，并由位标器测角电路输出构成角度反馈。由此可见，该系统被控对象是位标器陀螺转子，使位标器视线追踪目标视线，以捕获目标。

图1 随动系统原理框图

图1中，OT、OS和 OA，分别是目标(雷达或头盔)、导弹和飞机视线;qt、qs、qa分别是目标、导弹和飞机视线角;ε=qt－qs随动误差角;φ=qs－qa为位标器离轴角。

由系统传递函数推得稳态时，qs=qt，φ=qs－qt。所以随动系统使导弹视线与目标视线重合;位标器离轴角的大小由导弹视线及飞机视线夹角决定。

1.1 随动控制信号的生成

该随动系统采用极坐标信号完成随动功能，其设计如下:

雷达投影yP和zP表达式为

其中，A为雷达坐标中目标方位角;E为雷达坐标中目标俯仰角;UR为雷达投影比例系数。

将雷达投影转yP和zP换为极坐标形式电压方程

考虑导弹在飞机上的安装角Φm(后视顺时转为正)和ωr方向(前视顺时转)，随动指令在弹坐标系电压方程为

其中，Φm为导弹安装角;kφ为角度电压系数;所以式(4)即为位标器随动时的控制电压方程。

1.2 位标器投影的生成

当导弹视线与目标视线重合时，位标器方位角、俯仰角与雷达方位角俯仰角重合，uφ=uLOS。通过计算求得位标器投影值为

其中，A为雷达坐标中目标方位角;E为雷达坐标中目标俯仰角;Um为位标器投影比例系数(下文设UR=Um)。

2 系统实现中存在的问题

当整个随动系统的信号转换、生成及解调过程不产生误差，则随动最终结果为导弹视线与目标视线重合，若转换过程中某一个过程出现偏差，则会出现导弹视线与目标视线不重合影响导弹截获目标的能力。

该系统中雷达投影yP和zP为数字信号，飞机通过总线将信息传输给发射装置进行坐标装换，后发射装置通过数模转换生成极坐标信号，用于驱动导弹运动。通过测角机构得到的位标器的离轴角信号为模拟的极坐标信号，发射装置通过解调将其转换为直角坐标系下的直流电压信号，再通过模数转换生成数字信号，通过总线传送为飞机。从而飞机可知导弹视线是否与目标视线重合。

在整个转换过程中有两个主要部分需要调试:一为从直角坐标向极坐标信号时随动控制信号生成过程;二为极坐标到直角坐标信号的解调。

随动控制信号的生成过程数学过程如下:数字处理器根据雷达投影信号及基准信号进行计算，通过数模转换生成特定幅值和相位的随动控制信号，因数字信号输出为模拟信号时因其输出的不连续性，其生成信号为阶梯状正弦波信号，该信号需要经过滤波移相幅值调整后才能正式使用，而滤波和移相的调试困难且精度难以控制，容易造成误差。

yR和zR生成的解调数学过程如下:基准信号的数学表达式为

将基准信号Y0由正弦信号转变为方波信号为

经傅里叶级数展开

将方波信号与离轴角信号进行乘法运算

通过低通滤波将高次谐波滤掉得

滤波后的直流电压信号经过模数转换生成数字信号。

对比两个过程，随动控制信号的生成过程，存在滤波移相的问题，容易产生误差，而位标器投影解调过程相对容易，最终误差较小。下面介绍一种方法，在调试完一种过程后，另一个过程经简单调试，能通过动态的过程完成自动修正。

3 解决方法及效果

3.1 改进方法

对于原系统，若存在yP和zP的处理误差εy和εz，则由系统传递函数推得稳态时

其中，q's为含误差的目标视线;qt为导弹视线。即

改进后的随动系统如图2所示，其系统稳定状态时

由上式可推出稳定状态时

对于该系统而言，不同个体的εy和εz可能存在差异，而积分是个动态过程，所以对于不同个体甚至是动态误差，该方法都可以进行补偿。

图2 改进后的随动系统

3.2 改进效果

图3为未修正时的仿真结果，条件为yP=5和zP=6的为中心的正弦扫描，扫描幅度为1，处理误差εy=－0.2yP。图4为修正后的仿真结果，经对比可发现，未更改时存在较大误差。更改后误差在稳定后基本消失。同时对比两图可发现，由于存在补偿积分，可能导致在初始随动过程中造成随动到目标视线与导弹视线重合后，导弹视线再次偏离目标视线的情况发生。通过适当选择积分比例系数，可削弱初始随动偏离的距离。