人在回路对导弹制导性能的影响研究

唐道光　张公平　杜肖　夏群利　温求遒

摘 要： 为了研究人在回路制导方式对导引头控制系统及对比例导引和弹道成型等典型末制导回路的影响， 本文在固有射手模型的基础上建立了数字传输人在回路导引头模型， 对比分析了自寻的模式、 光纤传输人在回路和无线电数字传输人在回路导引头模型的特性； 基于无线电数据传输的人在回路模式必然存在的较大的数据传输延时环节， 对比研究了不同数据传输延时对导引头控制系统稳定性和快速性的影响。将自寻的导引头模型、 光纤传输人在回路导引头模型和无线电数字传输导引头模型分别引入比例导引及弹道成型制导回路中， 对比分析了三种模型对制导回路脱靶量的影响； 在此基础上分析了延时500 ms时在延时和角度约束条件的脱靶量变化规律及最小末制导时间分布特点， 进一步在特定任务下分析了其对导弹飞行过程中过载变化及探测器误差的影响， 探讨了人在回路制导模式在比例导引及弹道成型制导律中的可行性。

关键词： 人在回路； 红外图像制导； 数据链； 制导精度； 非线性系统

中图分类号： TJ765.3 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0024-07

0 引 言

红外成像制导体制作为一种先进的制导方式已经广泛地应用于空地导弹中。但是， 受图像识别技术限制， 导引头工作时易发生目标丢失及错误捕获。采用人在回路制导模式能够准确地发现、 捕获目标， 提高导弹命中率， 是实现中远程空地图像制导导弹精确打击的重要手段。

射手环节和数据链环节是人在回路制导方式的两大重要模块。由于射手均是经过训练的特殊人群， 其动力学特性较为稳定， 但是射手根据载机显示图像辨识目标会受到复杂背景环境的影响， 从而增加反应时间。数据链环节包括光纤通讯及无线电通信。光纤通信耗时短， 有利于导弹快速响应， 且抗干扰能力强， 但是受到作用距离及弹上安装的限制。无线电数字通信能够提高导弹的作战灵活性， 节约弹上空间， 但是其较长的数据传输时间及人在回路制导模式会影响导引头控制特性， 带来制导系统稳定性问题。

目前国内外关于人在回路制导方式对制导回路的影响研究主要集中在光纤制导条件下， 射手动力学中的延时造成的影响。赵军民等人[1]对人在回路图像制导导弹射手模型建模技术进行了研究， 采用系统辨识的方式得到了包含高阶系统和延时环节的射手模型。文献[2-8]主要针对电视制导方式延时对制导系统稳定性及制导精度进行了研究。国外[9-12]对于人在回路制导系统的研究较多， 具有代表性的如美国战斧导弹、 斯拉姆等。但是国内对于大延时无线电数字传输的人在回路体制对比例导引末制导及弹道成型末制导精度的影响规律的研究较少。

本文基于无线电数字传输条件下人在回路制

导体制， 分析了射手模型和数据传输延时对导引头控制系统的稳定性和快速性带来的影响， 以及包含有射手动力学和数据传输延时环节的导引头模块对比例导引及弹道成型制导回路特性的影响。

1 导引头模型建立

人在回路导引头模型由信号传输延时环节、 采样保持环节、 射手模型环节和导引头稳定回路四个功能模块组成， 如图1所示。 其功能分别为制导指令/图像传输、 信号采集、 人工导引和稳定光轴指向。

1.2 数据传输模型

航空兵器 2018年第3期

唐道光， 等： 人在回路对导弹制导性能的影响研究

数据传输延时环节包括图像压缩算法、 数据编码、 信号发射及接收、 数据解码等。在本文分析中将其等效为纯延时环节e-τs， τ分别为200 ms， 350 ms和500 ms。

2 導引头特性分析

2.1 导引头快速性分析

自寻的制导模式中目标的辨识和捕获均由弹载计算机自行完成， 不存在射手动力学和反应延时环节[13]； 人在回路制导方式必然存在数据传输， 当采用光纤传输时总的延时环节只考虑射手模型中的反应延时e-τrs， 当采用无线电数据传输时， 由于硬件水平和算法的不同， 延时时间也不相同。考虑相同射手辨识同一目标时， 反应延时e-τrs相同， 仿真条件均取τr=0.15 s， 数据传输延时τ分别为200 ms， 350 ms和500 ms， 建立自寻的导引头模型与人在回路导引头模型如图3～4所示。

如图5所示系统时域响应曲线， 延时越长增益越小， 稳定误差角越大， 易导致目标出探测器视

场。调整系统时域响应超调量为20%， 获得特性

参数如表2所示。人在回路导引头模型中存在的

数据传输延时环节， 对开环传递函数的幅值没有影响， 但是会带来较大的相位滞后， 系统真实闭环带宽应采用ω-45°， 导致时间常数增加， 严重影响导引头跟踪快速性。

2.2 导引头稳定性分析

不同相位裕度条件下的稳定域如图6所示。稳定域与总延时τZ、 增益K、 相位裕度Φm关系曲线可知， 相位裕度值越大， 其稳定域越小， 则在固定延时条件下设计的开环增益越小， 如此会影响导引头的跟踪快速性。 当数据传输延时为500 ms时， 开环增益K≤0.85； 延时为350 ms时， 开环增益K≤0.99； 延时为200 ms时， 开环增益K≤1.26。

3 制导特性分析

3.1 人在回路对比例导引的影响

仿真条件： 相对速度Vc=150 m/s， 导弹与目标位于同一水平面， 比例导引初始速度指向偏差θv=5°， 驾驶仪时间常数Tg=0.3 s， 比例导引导航系数N=4， Tgo为末制导时间， 导引头模型包括自寻的模型， 光纤通信人在回路模型， 延时分别为200 ms， 350 ms， 500 ms无线电通信人在回路模型， 其原理框图如图7所示。比例导引脱靶量随末制导时间变化曲线如图8所示。

自寻的模式下， 比例导引脱靶量在10倍的制导时间常数时即可收敛于0； 而人在回路制导模式下， 由于人动力学及数据传输延时的存在使得脱靶量明显增加， 并且随着数据传输延时时长的增加脱靶量关于相对飞行时间（T/t0.63）的灵敏度增加， 稳定性变差， 收敛速度变慢， 末制导时间T≥13t0.63时方可收敛于0。

选取传输延时τ=500 ms， 不同初始速度指向偏差及落角约束条件下脱靶量变化曲线如图9所示。分析可知比例导引制导回路中， 脱靶量的收敛时间随速度指向偏差角的增加而增加。

3.2 人在回路对弹道成型的影响

仿真条件： 相对速度Vc=150 m/s， 弹道成型落角约束qF=-60°， 驾驶仪时间常数Tg=0.3 s， 弹道成型导航系数N1=4， N2=2， 导引头模型包括自寻的模型、 光纤通信人在回路模型， 延时分别为200 ms， 350 ms， 500 ms无线电通信人在回路模型， 原理框图如图10所示。 弹道成型脱靶量随未制导时间变化曲线如图11所示。

分析图11可知， 自寻的模式弹道成型制导脱靶量收敛时间为12倍的制导时间常数， 当采用人在回路制导模式时， 收敛时间明显增加为T≥30t0.63， 为上文分析的比例导引弹道脱靶量收敛时间的2倍。对比图8与图11可知， 弹道成型脱靶量收敛曲线不存在震荡现象， 其脱靶量随着末制导时间的增加而减小。

图12分析了数据传输延时为500 ms时， 脱靶量曲线随落角约束变化规律， 收敛时间随期望落角增加而增加， 对比图9可知人在回路制导模式下弹道成型脱靶量对角度约束更为敏感。

3.3 人在回路制导耗时分析

由上文分析可知， 导弹脱靶量受到角度约束（θv和qF）和数据传输延时综合影响， 取1 m为约束脱靶量， 分析得到如图13所示的脱靶量收敛耗时分布图。

分析图中数据可知， 脱靶量收敛至1 m， 所需时长与角度约束和延时长短成正比。采用比例导引制导律时， 其相对于延时长短的灵敏度大于相对于角度约束的灵敏度； 采用弹道成型制导律， 其相对于延时长短和角度约束灵敏度相同。在相同延时及角度约束综合影响下， 脱靶量收敛至最优值， 比例导引所需时长约为弹道成型所需时长的0.5倍， 故而对制导方案影响较小。

4 实例分析

基于上述分析， 进一步根据实例研究人在回路制导方式对导弹飞行参数影响。红外成像探测器作用距离R=4 500 m， 飞行速度Vc=150 m/s， 导弹高度H=100 m， 无线电传输延时τ=500 ms， 弹道成型落角约束qF=-40°。

比例导引飞行参数变化曲线如图14所示， 弹道成型飞行参数变化曲线如图15所示。

由图14～15知， 比例导引弹目视线角速率逐渐趋于0后由于存在一定的脱靶量， 导弹飞越目标使得探测器误差角突然增大（在工程应用中常采用框架角限幅等措施， 避免比例导引末端视线角速度突然增加对过载指令的影响）， 而弹道成型弹目视线角速率绝对值稳定增加， 从而使得探测器误差角不断增大， 最终导致目标超出导引头视场。在相同作战条件下， 由于比例导引弹道较为平直， 过载需求小， 延时对其造成影响小， 而弹道成型弹道为了实现大角度侵彻， 弹道曲率大， 视线角速率及过载均较大， 故而受数据传输延时影响导致的脱靶量较为明显， 如表3所示。

综上所述， 在作战距离较远时， 比例导引弹道中可使用无线数据传输， 而弹道成型弹道很难实现。为了解决上述问题， 可通过两方面解决：（1）提高硬件水平及算法， 縮短延时时间从而使脱靶量在可容忍范围内； （2）从中制导段即利用惯导信息采用弹道成型制导律， 如图16所示， 在末制导起控点（O2点）形成与qF相反的速度指向θv， 以减小末段过载需求， 在保证命中精度的同时实现大落角侵彻， 增加毁伤效能。末制导起控点具有不同θv时的脱靶量仿真结果如表4所示。

根据表4分析可知， 在中制导段开始采用弹道成型制导律， 导弹到达O2时， 当θv≥20°时， 在保证落角约束qF≈-40°的同时能够有效减小脱靶量和探测器误差角。

5 结 论

由于射手环节和数据链环节是人在回路制导方式的两大重要模块， 这两部分模块形成了制导回路中的大延时特点。本文对比分析了自寻的、 光纤传输人在回路制导模式及无线电传输人在回路制导模式下导引头特性。并将上述模型分别引入比例导引及弹道成型制导回路中， 分析了在延时和角度约束条件影响下的脱靶量变化规律及最小末制导时间分布特点， 进一步在特定任务下分析了其对导弹飞行过程中过载变化及探测器误差的影响， 得出以下结论：

（1） 射手模型虽然是一种不确定性模型， 但是由于射手均是经过训练的特殊人群， 动力学部分区别较小， 造成射手模型主要区别是由于复杂战场环境造成的射手对目标的反应延时， 故而人在回路制导方式应用于典型末制导弹道时应尽量规划出易于探测器成像的弹道。

（2） 延时时长的大小影响导引头控制稳定性、 跟踪快速性及探测能力。延时越长， 控制系统稳定域越小， 时间常数越大， 稳定跟踪目标的误差角越大， 目标出视场的概率越高， 故而在实际工程应用中亟需提高无线电数字通信水平， 保证其在可靠、 安全的通信条件下具有较快的通信速率。

（3） 无线电通讯人在回路制导方式中数据传输延时造成的信息滞后是造成导弹大脱靶量的主要因素， 而脱靶量的收敛形式由制导律决定。弹道成型弹道较比例导引弹道对于延时影响的灵敏度更高， 弹道成型脱靶量收敛所需时间约为比例导引脱靶量收敛的2倍。故而， 在进行人在回路制导模式的总体设计时应根据作战任务综合考虑射手辨识延时、 数据传输延时、 末制导精度和末制导时间等因素选择合适的末制导律。

（4） 为了能够将具有大延时特点的人在回路制导模式应用于典型末制导中， 采用比例导引制导方式时， 只要保证较高的中末制导交接班精度和较长的末制导时间， 即可减小脱靶量。而在弹道成型弹道中， 若要求较大的落角， 则需要在中制导开始阶段就借助于弹上惯导器件进行弹道成型制导。

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Abstract： To study the effects of soldierintheloop （SIL） on the typical guidance loop such as proportional navigation （PN） law and trajectory shaping guidance （TSG） law， SIL seeker model is established based on inherent soldier model， and the characteristics of homing mode， fiber optic transmission SIL and radio digital transmission SIL seeker models are compared. Because of the large delay of SIL with radio digital transmission， the influences of data transmission delay on stability and fast of seeker control system with different models are researcched.

By introducing these three models into the proportional navigation and trajectory shaping guidance loop， the influences on guidance loop miss distance are analyzed. Based on the simulation of guidance loop with proportional navigation law and trajectory shaping guidance law， the

variation of miss distance and the distribution of the minimum terminal guidance time in time delay and angle constraint conditions are analyzed when time delay is 500 ms. Under the condition of typical airtoground missile， the influences on overload and detector error are analyzed， and the feasibility of SIL guidance mode in proportional navigation law and trajectory shaping guidance law is discussed.

Key words： SIL； infrared image guidance； data link； guidance accuracy； nonlinear system