制导仿真试验室视线误差修正方法研究*

刘志永 许 轲 褚建川

(1.航空制导武器航空科技重点实验室 洛阳 471099)(2.中国空空导弹研究院 洛阳 471099)

制导仿真试验室视线误差修正方法研究*

刘志永1,2许 轲1,2褚建川1,2

(1.航空制导武器航空科技重点实验室 洛阳 471099)(2.中国空空导弹研究院 洛阳 471099)

论文研究了飞行模拟器滚转通道的耦合模型和基于此对仿真试验室的弹目视线的修正的问题。飞行模拟器是构成弹目相对运动的重要环节,飞行模拟器在转动过程中其滚转通道存在耦合现象,这对导弹制导回路的试验精度造成影响。根据飞行模拟器的跟踪特性,论文利用参数识别的方法来建立飞行模拟器滚转通道耦合数学模型,根据耦合模型的数据输出,来修正目标的指示角度,从而减小制导试验室的误差。通过仿真和测试,验证了所设计方法的有效性和实用性。

系统辨识; 视线修正; 制导仿真

Class Number E927

1 引言

三轴飞行模拟器是导弹射频制导回路半实物仿真系统的关键设备之一。它的主要作用是模拟导弹在空中飞行时姿态的变化。半实物仿真系统中的射频天线阵主要是模拟目标的角运动。这样,导弹和目标的相对角运动就构成了弹目视线变化。飞行模拟器本身是一类由控制器、传感器、驱动器和被控对象组成的复杂系统,通常其各个框架间存在着惯量及动力学的耦合[1～2]。由于飞行模拟器是模拟弹目视线变化的重要设备,其框架间的动力学耦合对制导系统精度有着重要影响,因此应对这一现象进行研究。

某射频试验室的飞行模拟器在进行制导回路试验是在其滚转通道锁死的。飞行模拟器在进行俯仰和偏航运动时,滚转通道不进行转动,但是其上安装的陀螺却敏感到角度的转动,这反映出飞行模拟器的动力学耦合现象。如果在仿真中不考虑这一耦合现象,会给制导系统的精度带来误差。由于转台系统设计复杂,存在很多非线性环节,基于机理分析建立转台数学模型十分困难,考虑到转台系统具有良好输入、输入的可测性,本文采用系统辨识的方法,建立较为精确的转台通道耦合数学模型,并利用该模型实现对制导系统的视线角进行修正,减小仿真系统的误差。

2 飞行模拟器耦合现象分析

飞行模拟器是一个机电一体化的系统,采用立式台体结构,由内、中、外三环构成,分别用于模拟导弹的滚转、俯仰和偏航方向的姿态变化。三轴转台的框架结构如图1所示,外框又称方位,垂直放置；中框又称俯仰,水平放置,可以绕Y轴转动；内框又称自旋环,安装在中框架上,可以绕X轴转动,还可以随中框一起绕Y轴转动,在某射频仿真实验室内其内框轴是不转动的。

三轴飞行模拟器的动力学耦合是指各框架间的惯性力矩的交叉耦合和框架减的陀螺效应。当模拟器各轴存在角加速度时,特别是在做制导回路试验时,角加速度较大,各框架间存在着由角加速度引起的惯性力矩的交叉耦合。当俯仰和偏航进行转动时,就造成了在滚转框架轴上产生“耦合”力矩,导致导弹陀螺敏感到滚转角度的转动。

图2～4是某次射频制导仿真试验中的一组曲线。在弹体偏航通道进行较大摆动时,如果飞行模拟器不存在耦合现象,那么弹体的滚转角应该保持如图4所示的-45.5°不变。而实际情况是飞控组件陀螺计在转台滚转通道锁死的情况下,敏感到角度的变化。而此时仿真模型是根据计算导弹只有俯仰、偏航运动及滚转角不转动来计算弹目相对运动,来进行闭环系统试验工作,这样就对仿真系统造成了误差。

由于飞行模拟器滚转通道没有转动,而导弹上陀螺敏感到滚转角度转动,为了减小试验室系统的误差,可以考虑实时修正目标的角运动,从而来补偿飞行模拟器滚转所造成的误差,而要获得飞行模拟器滚转通道耦合的实时输出,就要获取飞行模拟器滚转通道较为精确的耦合数学模型。

3 飞行模拟器滚转通道耦合数学模型建立

三轴飞行模拟器设计复杂,存在较多的非线性环节,采用二阶原理建立的模型精度无法满足系统制导精度需要。系统辨识法是将所测系统视为黑箱系统,通过系统输入、输出及动态过程来描述系统的模型,具有较高的模型精度。

3.1 系统辨识原理

系统辨识是在输入和输出数据惯测的基础上,在制定一组类型中,确定一个与所观测系统等价的模型的方法。系统辨识的要素包括数据、模型和准则。辨识的过程就是留用所观测的系统输入、输出数据,根据所选择的准则,确定与所测系统拟合度最高的模型。系统辨识的内容包括辨识试验、模型辨识和模型检验。在本文中只讨论模型辨识问题。

3.2 系统辨识方法

最小二乘法是系统辨识最常用的方法,假设SISO系统动态过程的数学模型为

A(z-1)z(k)=B(z-1)u(k)+n(k)

(1)

其中u(k),z(k)为输入输出量,n(k)为噪声。

式中A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anaz-na,B(z-1)=b1z-1+b2z-2+…bbbz-nb,展开后可得z(k)= -a1z(k-1)-a2z(k-2)-…-anaz(k-na) +b1u(k-1)+b2u(k-2)+…bnbz(k-nb)

(2)

则系统式(1)可化成最小二乘格式:

z(k)=hτ(k)θ+n(k)

(3)

根据最小二乘一次完成算法,其参数估计值为

(4)

参数递推估计,就是当被辨识系统在运行时,每次取得一次新的观测数据后,就在前次估计结果的基础上,利用新引入的观测数据对前次估计的结果,根据递推算法进行修正,减少估计误差,从而递推出新的参数估计值。随着新观测数据的逐次引入,逐次进行参数估计,直到参数估计值达到满意的精度程度为止。

最小二乘递推算法为

(5)

4 仿真试验室的视线计算与修正

射频半实物仿真系统计算过程中,可以根据惯性系下的目标和导弹三向相对距离,从而算出目标的方位角和高低角。

高低角为

bet=asin(YO/R)

(6)

方位角为

zh_alfa=atan(ZO/XO)

(7)

其中XO,YO,ZO为惯性系下的量,R=sqrt(XO^2+YO^2+ZO^2)。

考虑在视线坐标系下单位矢量[1]T,投影的惯性系下的矢量为[x,y,z]T,则

[x,y,z]T=AIRT*ARAT*[1,0,0]T

(8)

其中AIR为惯性坐标系到弹体坐标系的转换矩阵,ARA为弹体到视线的坐标转换矩阵。

其中φm,θm,γm为弹体姿态角。

滚转通道的耦合角度,可以利用第3节介绍的转台滚转通道耦合数学模型实时求出,进而可求得单位矢量投影到惯性系下高低角和方位角为

bet′=asin(y′)

(9)

zh_alfa′=atan(z′/x′)

(10)

将式(9)和式(10)计算的高低角和方位角送给射频天线阵,可以保证在弹体敏感到耦合滚转角度的情况下,保持外部仿真模型视线始终指向目标,从而利用目标角度的变化来降低由于飞行模拟器耦合带给系统的误差。

5 仿真结果与分析

利用参数辨识对三轴飞行模拟器的滚转通道耦合模型进行辨识,通过对飞行模拟器的耦合分析和试验数据的观察,认为飞行转台的外框架与内框架存在耦合现象,所以以实际的弹体偏航角作为系统的输入,三轴飞行模拟器的滚转通道在锁死的初始角度为-45.5°状态下,以内框架的飞控陀螺敏感到滚转角与初始角度的差值为输出,利用第3部分介绍的最小二乘法对滚转通道耦合模型进行辨识,得出三轴飞行模拟器滚转通道耦合模型的传递函数为

(11)

其中PSI,GAM分别为导弹偏航角和耦合输出滚转角。

利用偏航角输入和滚转耦合模型的传递函数对试验数据进行验证,如图5所示。

由上述结果可知,利用参数识别的方法建立飞行模拟器的滚转通道的模型,产生的模型输出与实际输出结果相似,最大误差处不到0.2°,说明对飞行模拟器耦合现象较好的识别精度,利用模型的输出,通过利用式(9)和AA(10)可以对目标角度进行修正,来降低飞行模拟器通道耦合所带来的系统误差。

6 结语

本文针对飞行模拟器系统的耦合现象给射频试验室制导系统带来误差,分析了飞行模拟器的耦合问题,利用参数识别的方法建立飞行模拟器滚转通道较为精确地耦合数学模型,利用数学模型的输出结果来修正目标指示角度,从而减小制导系统的误差,具有较好的工程实用性。

[1] 梅晓榕,陈明,张卯瑞.三轴仿真转台的建模与仿真[J].系统仿真学报,2001,13(3):278-279.

[2] 扈宏杰,于艳松.飞行转台耦合力矩分析及其补偿控制[J].系统仿真学报,2006,18(增刊2):886-891.

[3] 石贤良,吴成富.基于MATLAB的最小二乘法参数识别与仿真[J].微处理机,2005,12:45-46.

[4] 丁峰.系统辨识(2):系统描述的基本模型[J].南京信息工程大学学报,2011,3(2):97-117.

[5] 蔡金狮.飞行系统辨识学[M].北京:国防工业出版社,2003:125-155.

[6] 钱杏芳,林瑞雄,赵亚男.导弹飞行力学[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

[7] 孟秀云.导弹制导与控制原理[M].北京:北京理工大学出版社,2003.

[8] 郭晶.三轴转台设计问题研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1995.

[9] 刘春芳,吴盛林.三轴飞行模拟仿真转台的设计及控制问题研究[J].中国惯导技术学报,2003(1):62-65.

[10] 陆军杰. 射频仿真系统误差分析[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001.

[11] 梁艳青,崔彬,刘晓宁.阵列式射频目标仿真系统中的目标控制方法[J].航空兵器,2007,2(1):36-39.

Correcting LOS of Simulation Laboratory of Guidance

LIU Zhiyong1,2XU Ke1,2CHU Jianchuan1,2

(1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Luoyang 471099)(2. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471099)

Coupling model of the flight simultion roller channel and the way of correcting the line of sight are studied. The flight simultion is an important tache of the relative movement of missile and target. The coupling phenomenon is existed in the roller channel when the flight simultion was running. This phenomenon will impact the precision of the missile loop of guidance. Through identification experiment design, this paper establishes the mathmatical coupling model for the roller channel of the flight simulation. Based on the output of the model, the angle of the target can be modified. The results show the effectiveness of the proposed method.

system identification, correcting of LOS, simulation of guidance

2016年10月11日,

2016年11月25日

刘志永,男,硕士研究生,工程师,研究方向:射频制导与仿真。许轲,男,高级工程师,研究方向:射频制导仿真设计。褚建川,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:射频制导总体设计。

E927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.017