精确制导弹药低成本制导控制系统设计

陈法扬，薛 琥

（中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

精确制导弹药低成本制导控制系统设计

陈法扬，薛 琥

（中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

针对精确制导弹药制导控制系统低成本的迫切需求，提出了一种弹载低成本制导控制系统设计方法。建立了一种弹载制导控制系统低成本体系架构，从功能、硬件、软件等方面对其进行了GNC一体化设计，并在此基础上提出了一种基于ARM处理器的一体化制导计算机设计方法。针对MEMS导航系统精度低、噪声大特点，设计了一种惯性/卫星数字制导方案。该低成本制导控制系统设计方法可有效减少系统冗余硬件，降低成本，实现较高的制导控制精度，满足未来低成本精确制导武器的需求。

低成本，GNC一体化，ARM处理器，惯性/卫星数字制导

0 引言

近二十年来，随着电子技术、计算技术、MEMS技术的飞速发展，精确制导弹药的研究和应用在世界范围内受到了普遍的重视，成为当前航空武器领域的研究热点之一，比如美国已经装备的低成本制导弹药JDAM（联合制导攻击武器）、SDB（小直径炸弹），以及正在研制的低成本巡飞弹等项目。

但是作为弹药的关键核心，现有制导控制系统通常采用分离式设计，包含制导计算机、惯性测量组件、卫星导航接收机、舵机控制器、电动伺服舵机等部件；部件之间采用外部总线进行信息交互；各部件具备独立的电源、数字计算机、机箱，采用电缆连接；这种系统架构导致产品成本高、体积大，不能很好地对接低成本制导弹药巨大的应用需求。迫切需要开展低成本、小型化制导控制系统研究，以适应部队大批量采购。

本文提出了一种精确制导弹药低成本制导控制系统设计方案。该方案综合采用了GNC（制导、导航、控制）一体化设计技术、基于ARM处理器的高度一体化制导计算机设计技术、基于MEMS信息的惯性/卫星数字制导技术等关键技术，可有效降低制导控制系统成本、体积，实现较高的制导控制精度，满足未来精确制导武器需求。

1 体系架构

本方案中低成本制导控制系统采用惯性/卫星数字制导体制，以高速ARM处理器为核心处理平台，配置MEMS IMU、卫星导航接收机等传感器，采用电动舵机为执行机构，采用嵌入式实时多任务操作系统对卫星定位解算、惯性导航解算、组合导航解算、制导控制律解算、电气控制、弹上任务管理等功能任务等进行实时调度管理，确保在单处理器架构下高效、协调地完成制导弹药精确制导控制任务［1］。低成本制导控制系统体系架构如图1所示。

2 GNC一体化设计技术

针对精确制导弹药低成本制导控制系统要求，采用GNC一体化设计思想将传统的卫星导航系统、组合导航系统、飞行控制系统在结构、硬件、软件上进行一体化设计，遵循功能模块化、通用化、组合化的设计理念，对软硬件资源进行统筹规划，达到资源最优配置、降低成本、提高性能的目的［2］。

2.1 硬件一体化

将传统的卫星导航系统、组合导航系统和飞行控制系统中的电子线路部分按电源模块、处理器模块、接口通讯模块等进行分解，并重新整合，将相同的功能模块合并，形成新的模块化功能板，功能板之间采用PC104连接器进行信号交联。采用单处理器的计算机体系结构，完成卫星导航、组合导航和制导控制任务解算。采用层叠式机箱结构，将制导计算机、伺服驱动电路、卫星接收机射频电子和惯性测量组件集成到一个机箱内，利用一体化电源对上述功能部件统一供电。使得整个系统结构紧凑、体积减小、便于安装使用。

硬件一体化设计可大幅减少系统内部冗余器件、部件间交联接插件等硬件资源，达到降低成本、减小体积、提高系统可靠性的目的。

2.2 软件一体化

将传统弹载软件按卫星导航、组合导航、飞行控制等功能分解、合并，按照数据流划分为不同计算任务；采用嵌入式实时操作系统对任务按优先级管理，实施抢占式任务调度机制，确保在单处理器架构下高效、协调地完成卫星导航、组合导航、制导控制及伺服控制等功能。软件一体化设计科大幅减少软件代码，减小部件间信息传输延迟，提升系统性能。

一体化系统中，各功能作为一体化软件的不同任务，各功能模块间信息采用软件变量传值，在目前高速处理器情况下几乎无时间延迟。而传统分立系统各功能模块间普遍采用数据总线传递信息，时间延迟较大。两者信息传输延迟情况分别见图2及图3所示。

弹载制导控制系统闭环工作过程中，一体化系统信息传输延迟可减小约15 ms，对于带宽为2 Hz的制导控制系统，可提高系统稳定裕度约10.8°。

3 基于ARM的一体化制导计算机设计

为了充分减少制导计算机元器件种类及数量、提高制导计算机集成度，本文提出了一种基于“单核ARM处理器”的高度一体化制导计算机设计方案。ARM处理器相对于传统的DSP、POWER PC等处理器，具有技术更新快、性能先进、集成度高、成本低等优点［3-4］。

综合评估低成本制导控制系统各计算任务的运算速度、计算精度、存储容量以及IO资源需求，本方案选用TI公司的RM48L952处理器作为CPU，一体化制导计算机方案设计如下：

3.1 处理器及存储器设计

①处理器采用64位双精度浮点数运算模式，工作主频220 MHz；

②存储器：采用ARM芯片自带的具有ECC功能的3M flash和256k RAM。

3.2 接口设计：

①串口通讯：采用处理器自带的标准串行外设接口（SPI）及CAN总线控制器实现；

②A/D采集：采用ARM芯片自带的10/12-位多缓冲ADC模块实现；

③DI、DO：采用处理器自带的GIO模块实现。

④伺服控制PWM：利用ARM自带的高端定时器N2HET1实现。

该方案中的基于ARM处理器一体化制导计算机方案，充分利用了ARM处理器片上自带存储器、接口资源，相对于传统的DSP+FPGA制导计算机架构，可大幅缩减元件器种类及数量，显著提高制导计算机集成度，减小体积、降低成本。

4 MEMS惯性/卫星数字制导技术

4.1 数字导引头构建

由于成本约束，低成本制导弹药一般没有导引头，为了实现针对固定目标的精确导引，本方案中采用了基于惯性/卫星信息的数字制导技术。制导炸弹在飞行过程中，根据MEMS惯性/卫星组合导航系统实时输出的位置、速度、姿态等导航信息以及目标位置信息实时生成虚拟的炸弹精确制导信息。弹目视线坐标系中俯仰、偏航平面的导引信号计算公式如式（1）、式（2）所示。

其中：ays、azs分别为视线坐标系统下纵向通道、偏航通道制导指令；K1、K2分别为纵向通道、偏航通道导引比例系数；V1、V2、V3分别为视线坐标系下前向、法向、侧向速度，R为弹目距离。

4.2 制导律设计

低成本制导控制系统中MEMS导航系统提供的位置、姿态、速度、角速度、加速度信息均用于制导控制律解算，其精度差、高噪声的特性可能导致制导控制精度较低［5］。

针对该问题，俯仰通道采用带弹道末端落角约束的增强型比例导引，即将俯仰通道弹道规划为前端平缓、末端大落角攻击，以减小高度测量误差对命中精度的影响［6］。俯仰通道弹道特性如图4所示，导引指令如式（3）所示，其中为弹道末端落角指令，θf为弹体姿态角。

偏航通道采用带侧偏修正的增强型比例导引，以减少航向测量误差对制导控制精度的影响。偏航通道导引指令如式（4）所示，其中RZ为弹道侧向偏差。

仿真表明：在当前MEMS惯性/BD2组合导航系统水平位置误差 10 m（1σ）、高程误差 15 m（1σ）、航向角误差2°/1 min（1σ）的误差条件，采用该MEMS惯性/卫星数字制导技术，制导弹药命中精度能够达到11 m（1σ），可满足目前绝大部分精确制导弹药使用要求。另外，该制导技术节省了末端导引设备，大幅降低制导炸弹成本，而且使得制导炸弹具有昼夜作战、发射后不管等优点。

5 结论

综合采用了GNC一体化设计技术，基于ARM处理器的高度一体化制导计算机设计技术，惯性/卫星数字制导技术，该低成本制导控制系统设计方案可有效减少制导控制系统冗余硬件及软件规模，其硬件成本可较普通分立制导控制系统减少约40%，软件代码规模可减少约30%。另外，该设计方案满足弹载制导控制系统小型化、低成本、集成度高的发展趋势，且具有较高的制导控制精度。根据本文设计的低成本制导控制系统已应用在某型精确制导弹药，并经过多次飞行试验验证。

［1］杨军.现代导弹制导控制系统设计［M］.北京：航空工业出版社，2005.

［2］王婷.驾束制导导弹一体化制导控制系统设计［J］.西北工业大学学报，2009，7（2）：173-176.

［3］张伟.弹载中制导计算机设计方法研究［J］.航空计算技术，2009，39（1）：123-127.

［4］左清清.低成本火箭弹弹载计算机的设计［J］.电子技术设计与应用，2015，17（1）：57-59.

［5］杨永亮.低成本制导火箭弹飞行控制系统设计与仿真［J］.测控技术，2014，3（3）：90-93.

［6］过崇伟.有翼导弹系统分析与设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

Design of Low Cost Guidance and Control System For Precision Guided Munitions

CHEN Fa-yang，XUE Hu
（Xi’an Flight Automatic Control Researching Institute，Xi’an 710065，China）

Aiming at the urgent demand of the low cost of the precision guidance and control system for the guidance ammunition，a design method of low cost guidance and control system of missiles is put forward.Firstly，a guidance and control system architecture with low cost is established，then GNC integrated design has made from function，hardware and software and so on.On this basis a design of inte1guidance computer based on ARM is put forward.Finally，aiming at the characters of MEMS，a digital guidance scheme of satellite and inertia has designed。This design can effectively reduce the redundant hardware，reduce the cost of system，achieve high precision，and meet the need of the future precision guided weapons of low cost.

low cost，GNC integrated，ARM，digital guidance

TJ765.2

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.38

1002-0640（2017）11-0178-03

2016-09-21

2016-10-29

陈法扬（1984- ），男，江苏人，硕士，工程师。研究方向：导弹制导控制系统总体设计。