鸭舵式二维弹道修正引信发展综述*

刘宗源，高敏，宋卫东，王毅

(陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003)

0 引言

随着现代战争作战样式的革新，精确打击能力成为衡量武器装备性能的重要指标。目前装备部队的精确制导武器中，导弹无疑是种类最多、精度最高、效能最好的。但是由于造价昂贵，不能大量装备。为了节约精确打击的成本，弹道修正技术应运而生，使常规武器制导化得到了长足的发展。在技术实现上，通过在传统弹药的基础上加装惯性模块、控制模块、制导模块、执行机构等模块，使其具备精确打击能力[1]。

弹道修正弹在20世纪末和21世纪初的局部战争中得到了广泛的应用，其高效的打击能力奠定了在现代战争中不可替代的地位。经过几十年的发展，由最初的一维弹道修正到如今的二维弹道修正，弹道修正弹的精度实现了稳步提高。最新出现的鸭舵式二维弹道修正弹，由于其强大的弹道修正能力，已经成为各国争相研制的对象，并有多种型号的产品加入部队装备序列。

1 弹道修正弹发展历程

弹道修正弹的概念由美国于20世纪70年代提出，被称做“末端修正的旋转稳定弹(terminally corrected spinning pro-jectile，TCSP)”。区别于导弹的准确命中目标，弹道修正弹是通过修正引信对飞行过程中造成的偏差进行修正，缩小落点的圆概率半径，达到提高打击精度的目的。

其采用的精确制导组件具有2个重要优势：一是研发周期短，成本低；二是实用性强，便于对库存弹药进行升级[2]。目前，美、英、法、德、以色列、南非等国都正在研制能够安装在常规弹药上的弹道修正引信。

2003年美国专利“二维射弹弹道修正器”首次介绍了CCF(course correcting fuze)模式。该引信装有微调减速板、旋转减速板和主减速板3种减速板，分别在弹道初段、中段、末段进行修正。射程修正通过增阻减速法实现，横向偏差修正通过弹丸减旋实现。2005年实弹射击验证了二维弹道修正引信的概念，在射程为45 km左右时，弹丸落点的圆概率误差(circle of error probability，CEP)能控制在50 m以内。CCF修正组件如图1所示。

图1 CCF修正组件Fig.1 Course correcting fuze

2005年，阿连特技术系统(Alliant Techsystems Inc)公司提出PGK(precision guidance kit)方案，利用固定鸭舵的控制修正弹道，参与了美国陆军提出二维弹道修正组件技术项目招标。提出采用GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)组合测量弹道参数、飞行姿态信息[3]，以及利用磁力矩电机控制修正组件减旋、稳定在某滚转位置。安装PGK的155 mm炮弹于2013年进行成功试射，发射的5枚炮弹距离目标均不超过25 m。使用类似的方案，用一年时间成功研制了迫弹二维弹道修正引信(mortar guidance kit,MGK)，并于2011年3月装备驻阿美军投入实战，精度达到10 m以内。PGK是早期二维修正弹的代表，利用固定鸭舵进行修正，为后续的发展建立了系统的模式。MGKS与PGK如图2所示。

图2 MGK与PGKFig.2 MGK and PGK

BAE系统公司下属的以色列Rokar分公司正在研制“银弹”(silver bullet)弹道修正引信，2007年开展了大量飞行试验(图3)。它使用基于GPS的制导方式，采用整体减旋，前端装有2对可动鸭舵，分别用于减旋和修正。配用于标准155 mm弹药，能将精度提高到20 m以内，具备海陆两栖作战能力[4]。罗卡公司与韩国承包商在2015年共同对“银弹”进行了实弹打靶试验，取得较好的效果。

图3 银弹Fig.3 Silver bullet

另外，南非丹尼尔动力公司与英国UTC宇航系统公司联合研制AcuFuze精确炮兵引信。该引信采用类似“银弹”的技术方案，可动鸭舵导转舵面更小，采用了特殊设计的惯性测量单元(IMU)提高姿态、加速度信息，具有更好的抗干扰能力。以色列宇航工业公司IAI(Israel Aerospace Industries)在2010年法国萨托里防务展展出的TopGun二维弹道修正引信，利用2对鸭翼对155 mm弹丸进行控制，将标准的155 mm炮弹转换为精确制导的炮弹，CEP达到20 m以内。TopGun采用的控制方案类似于导弹，采用GPS/INS(inertial navigation system)提供弹道参数，通过安装在引信上的4片弹翼进行弹道的二维修正。

国内方面，针对二维弹道修正弹进行了大量的研究论证，对关键技术的掌握逐渐成熟。军械工程学院王毅等人开发了一类具有固定鸭翼的二维弹道修正引信的制导和控制策略[5]，研究了偏差运动的校正控制机制，并进行了模拟仿真实验。北京理工大学张冬旭设计了一种二维弹道修正机构样机，搭建了配套的仿真测试系统，利用扩展滑膜观测器处理工作中的抖振问题，提高了角度控制的精度。沈阳理工大学乔磊根据二维弹道修正原理及固定舵控制方案，选择先减旋再固定的控制策略控制舵机[6]，通过对位置检测系统和力矩分析2个重要因素分析，论证了2种固定舵舵机控制方法。

2 弹道修正原理

由于修正机构、气动布局、设计要求的差异，导致了修正方案选择不同。作为弹道修正指令响应的关键部件，修正机构的质量和效率决定了弹道修正的精度。根据修正机构可将修正方案分为3类：增阻方案、脉冲方案、鸭舵方案。当前的主流方案是利用鸭舵进行方向修正的方法，利用调节弹箭所受的气动力，控制飞行过程的舵面升力、阻力及铰链力矩。

作为执行机构的鸭舵可以根据修正控制原理分为2类：固定舵和可动翼。PGK采用的就是基于固定舵的修正方式，结构组成主要包括弹道测量模块、固定鸭舵、控制电机、电机制动控制模块、安全保险装置等。修正组件上固定2对气动舵面，一对偏角大小相同，方向相反，称为差动舵；另一对偏角方向和大小相同，产生修正弹道的气动力，称为同向舵。

修正引信和弹体通过轴承连接，飞行过程中由获取的卫星信号计算得到位置和速度信号，需要进行修正时，根据姿态测算组件对当前引信滚转角、角速度的测量，然后经过计算机对弹道偏差的解算，得出引信相对大地的稳定滚转位置。随着控制信号的输入，减旋装置将修正引信制动，将整体引信固定在一定的滚转角，利用同向舵产生的升力调整飞行轨迹，从而改善落点圆概率误差。

鸭舵式弹道修正引信的修正过程可分为3个阶段。第1阶段是弹道测量系统获取飞行弹道诸元，弹载计算机根据飞行弹道诸元预测弹丸落点、计算落点偏差、弹道偏差修正量。第2阶段是采集弹体运动信息，利用姿态解算模块解算当前滚转角和滚转角速率。同时，弹载计算机根据弹道修正量计算停转滚转角，以及产生当前修正所需的控制信号。第3阶段是通过选择的制动方案和控制算法，将修正机构稳定在需要的滚转角度，利用产生的弹道修正力矩减小与标准弹道的偏差。固定舵修正引信通过磁力矩电机提供制动力矩，以抵消促使引信滚转的合力矩，控制引信静止，利用同向舵产生修正力，理论射击精度可达到30 m以内，射程损失小于10%。可动翼修正引信则通过转动差动舵的舵片产生制动力矩，达到先减旋后静止的控制目的，随后利用同向舵的偏转提供弹道修正力。其理论射击精度达到了10 m以内，并且由于采用小型化舵机方案及优化了结构设计，质量得到进一步减小，使得射程损失小于6%。鸭舵式二维弹道修正引信原理框图如图4所示。

图4 鸭舵式二维弹道修正引信原理框图Fig.4 Correction principle of canard-type two-dimensional trajectory correction fuze

3 关键技术

根据对鸭舵式二维弹道修正弹原理的分析，通过简单划分，其修正过程的3个阶段所涉及的关键技术有：弹道探测、滚转角测量、鸭舵控制算法。

3.1 弹道探测

常规的弹道探测能够实时提供弹体位置信息，弹道解算则是利用测量数据得到真实弹道的常用手段，是实现落点预测和偏差估计的前提。

目前主要采用的弹道探测方法有2种：雷达测量、卫星定位。前者利用火控雷达实现目标的跟踪，实时提供目标的位置信息，并利用弹体陀螺仪测量信息获知姿态信息。随着测量组件的小型化的发展，后者采用GPS/IMU组合测量弹体位置和姿态信息，实时将数据传递给弹载计算机，然后经过计算机程序解算得到下一时刻的弹道。鉴于信息化战争对武器系统的要求，利用卫星定位的方法显然更符合实战要求。

受气象因素、器件干扰、累积误差等影响，外弹道测量所得的数据并不准确，因此对测量数据的滤波成为弹道探测的关键问题。针对弹道预测的精度问题，利用非线性卡尔曼滤波对建立的弹道测量模型进行滤波[7-8]，能够滤除75%左右的参数误差。目前，已经有大量学者对快速准确预估落点提出了相关理论[9]，能够有效处理落点预报的随机噪声和累积误差。

3.2 滚转角测量

由于高速旋转的弹丸，弹体转速一般都高达每秒上百转，远高于修正机构响应速度，为了实现有效修正就要对引信进行减旋。另一方面，为了实现对弹道的修正，需要引信停止在需要的滚转角位置上，产生适当的修正力矩。因此，滚转姿态信息对于弹道修正极为重要，该类数据的测量精度直接影响弹道偏差的修正效果。

测量滚转角的方法主要有以下4种:地磁传感器法、加速度计法、太阳方位角法、陀螺仪法。后3种方法存在安装难度大、易受气象干扰、抗过载能力弱等问题，不符合高旋弹修正引信的设计要求。因此利用地磁测量组件获取滚转信息成为常用的手段，传感器输出的曲线呈现正余弦状，利用零点检测法或极值检测法即可获得转速。并且，随着MEMS(microelectro mechanical systems)技术的发展，与地磁传感器组合测量滚转角取得了更好的效果。利用弹载MEMS陀螺仪测量偏航角，结合地磁信息解算滚转角，提高了测量精度。

由于地磁场强度很弱，在地磁数据采集过程中，容易受到传感器自身误差、环境磁干扰弹体剩磁以及内部线圈感生磁场等干扰[10-14]。以上干扰信号经过复合后，将严重影响地磁传感器模块输出信号的精度。经过综合分析，首先建立系统的误差模型，采用扩展卡尔曼滤波器处理随机噪声，再利用椭圆补偿法处理铁磁材料引起的软、硬磁误差[15-16]，得到准确的地磁数据。最终，通过地磁信号在地理坐标系与弹体坐标系转化关系建立滚转角解算模型。

3.3 鸭舵控制算法

Ahmed Elsaadany通过分析修正机构对弹体空气动力学参数的影响[17]，发现基于鸭舵的修正引信对弹道偏移具有很强的修正能力。利用鸭舵方案的二维弹道修正弹成为争相发展的焦点，对舵机的控制算法成为制约精度问题的关键因素。所以，对舵机偏转角度的精准、快速控制成为修正执行的关键。

为了提高控制系统的控制品质，进一步改善舵机的控制性能，需要设计对鸭舵方案的智能控制算法，提高系统的静态特性和动态响应。通常以DSP(digital signal processing)数据处理技术为基础，采用位置环、转速环PID(proportion，integral，derivative)控制算法设计控制软件，实现对双通道舵机的一体化控制[18-19]。双闭环舵机控制系统，输入为舵机的控制电压，经转速环运算后，输出引信的实际转速。该转速与期望转速进行比较，偏差量经算法处理后，继续经过转速环处理，直至偏差为0。转速环的输出量作为位置环的输入，经舵机系统的转化，输出修正引信的滚转角，并实现高速响应和稳定跟随。Seunghwan Kim研究了舵片偏转角度对姿态运动的影响，运用设计的驾驶仪输出舵控信号[20]，针对特殊控制信号对舵机执行机构产生的扰动提出了解决方案，实现了对舵机的精准、稳定控制。

不同类型修正机构的控制算法也不同，在建立可动翼控制回路时，要在闭环回路中考虑转速、滚转角、舵片位置、弹道偏差、舵机参数等因素。经典PID控制方式，结构简单，参数易于调整，是目前工程中最为常用的。针对电动舵机控制算法设的改进，主要是对其采用模糊算法、小波滤波算法、遗传算法、滑膜变结构算法与PID进行融合。主要不足是算法会在一定环境下带来各种附加效应，降低了舵机的工作效率，需综合控制回路的影响因素对算法进行改进。

4 结束语

弹道修正弹经过近几十年的发展，历经由一维修正向二维修正的转变，利用鸭舵修正的方法成为主流。利用鸭舵进行弹道修正的方案能够满足高转速、高精度、高过载、小型化、抗干扰的要求，提高了弹道修正效率。随着微机械电子技术、电路集成技术、舵机控制技术的发展，鸭舵方案得到了足够的技术支撑，取得了较大的研究进展。

由于固定舵的舵片是不可调的，舵片偏转角度的限定导致其修正效果能力有限。为了进一步提高控制效果，可动翼方案选用伺服电机带动舵片偏转，实现了舵片随弹道偏差调节的功能。国外已经出现了相关类型的产品，并经受了射击实验的严峻考验，随着国内科研机构的研究逐渐深入，相信国产的可动翼二维修正弹不久就会进入我军装备序列。