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1、飞行器制导与控制技术飞行器制导与控制技术制导概念及制导律制导概念及制导律主讲教师：熊芬芬主讲教师：熊芬芬主讲教师：熊芬芬主讲教师：熊芬芬Beijing Institute of Technology 图图.导弹制导控制系统示意图导弹制导控制系统示意图Beijing Institute of Technology 第五章第五章 制导相关概念及制导律制导相关概念及制导律1.1.制导方案制导方案：飞行器整个飞行过程中的涉及到的制导方法(采用何种元件、如何测得导弹和目标的位置)、制导律等，如：初始段利用程序制导，中段利用惯性制导，末段利用自寻的制导。自寻的制导、遥控指令制导、方案制导、惯性制导、复合制
2、导2.2.制导律：制导律：导弹飞向目标的规律，决定飞行轨迹。3.3.几种常见的制导方式：几种常见的制导方式：轨迹跟踪制导、预测制导。3Beijing Institute of Technology 5.1 5.1 制导方案制导方案4制导方案由弹道形式决定制导方案由弹道形式决定采取什么样的制导方案，与什么有关呢？采取什么样的制导方案，与什么有关呢？飞行器的弹道形式决定过了制导方案！飞行器的弹道形式决定过了制导方案！Beijing Institute of Technology 制导方案分类制导方案分类5制制导导系系统统Beijing Institute of Technology 实际上制导方式
3、很多实际上制导方式很多、很很乱乱，不易不易理清理清、也也不易不易理解，理解，建议采用如下方式建议采用如下方式分类分类和理解。和理解。1 1）飞行器飞行器相对于惯性空间的相对于惯性空间的导引导引，导弹需导弹需提前预知目标提前预知目标的运动信息的运动信息 惯性导航惯性导航（误差随时间累积）（误差随时间累积）程序程序制导（不能自适应随机扰动）制导（不能自适应随机扰动）GPS/星光星光/GLONASS/伽利略伽利略/北斗北斗 地形地形/图像图像匹配匹配2 2）飞行器飞行器相对目标运动的导引，相对目标运动的导引，导弹需导弹需实时感知目标的实时感知目标的运动信息运动信息 指令制导指令制导 寻寻的制导的制导
4、6Beijing Institute of Technology 提前预知目标的运动信息：提前预知目标的运动信息：惯导、程序制导、惯导、程序制导、GPS目标信息提前已知，目标不在制导回路中导弹监测系统导航计算机执行机构、操纵导弹7Beijing Institute of Technology 实时感知目标的运动信息：实时感知目标的运动信息：指令制导指令制导、寻的制导寻的制导目标信息实时监测，目标在制导回路中导弹监测系统导航计算机目标监测系统8Beijing Institute of Technology 5.1.1 5.1.1 程序制导程序制导l导引导弹按导引导弹按预先拟制好预先拟制好的计划飞
5、行，导弹在飞行中的导的计划飞行，导弹在飞行中的导引指令根据导弹的实际引指令根据导弹的实际参量值参量值与与预定值预定值的的偏差偏差来形成来形成.l程序制导也称程序制导也称方案制导系统方案制导系统,自主制导系统l应用场景：垂直发射转弯、机载应用场景：垂直发射转弯、机载/舰载发射离轨、越肩舰载发射离轨、越肩发射、巡航弹主动段等发射、巡航弹主动段等.l执行方式：控制弹道曲线、控制弹体姿态执行方式：控制弹道曲线、控制弹体姿态.l特点：特点：设备简单，制导系统与外界无联系，抗干扰性好设备简单，制导系统与外界无联系，抗干扰性好.通常不能独立完成全程导航，单从制导技术层面讲，没有什么通常不能独立完成全程导航，
6、单从制导技术层面讲，没有什么关键问题关键问题.9Beijing Institute of Technology 5.1.2 5.1.2 惯性导航惯性导航（INS，Inertial Navigation System）l利用弹上惯性元件，测量导弹相对于惯性空间的运动参数，由制导计算机计算出导弹的速度、位置及姿态等参数，形成控制信号，导引导弹完成预定飞行任务的一种自主制导系统。l惯导基本概念惯导基本概念 INS（inertial navigation system）IMU（inertial measurement unit）l惯性导航的传感器技术惯性导航的传感器技术 MEMS（Micro-Elec
7、tro-Mechanical Systems）l惯性导航的原理惯性导航的原理 平台式;捷联式（姿态解算）l惯性导航的优缺点及修正方法惯性导航的优缺点及修正方法 位置信息修正;姿态信息修正10Beijing Institute of Technology 5.1.3 5.1.3 卫星导航卫星导航l组合导航组合导航(INS/GPS)(INS/GPS)松组合、紧组合、超紧组合松组合、紧组合、超紧组合 卡尔曼滤波技术卡尔曼滤波技术l卫星导航的精度与频率卫星导航的精度与频率l卫星导航接收天线与仿真卫星导航接收天线与仿真 位置信息、速度信息、转速位置信息、速度信息、转速 GPS GPS信号模拟器信号模拟器
8、11Beijing Institute of Technology 5.1.4 自寻的制导（自寻的制导（homing guidance）l利用弹上导引头导引头感受目标辐射或反射的能量(如无线电波、红外线、激光、可见光、声音等)，测量目标、测量目标、导弹相对运动参数导弹相对运动参数，并形成相应的导引指令，控制导弹飞行，使导弹飞向目标的制导系统。l声学自寻的系统声学自寻的系统：多用于水下自寻的鱼雷l雷达自寻的系统雷达自寻的系统：广泛应用的自寻的制导系统，因为很多军事上的重要目标本身就是电磁能的辐射源，如雷达站、无线电干扰站、导航站等等。l分类：主动式、半主动式、被动式；按照频率分类：主动式、半主动
9、式、被动式；按照频率12Beijing Institute of Technology (a)(a)主动式主动式13照射目标的能源在导弹上，对目标辐射能量，同时有照射目标的能源在导弹上，对目标辐射能量，同时有导引头导引头接收目标反射回来的能量的寻的制导方式接收目标反射回来的能量的寻的制导方式.采用主动寻的制导的导弹，采用主动寻的制导的导弹，当弹上的主动导引头截获目当弹上的主动导引头截获目标并转入正常跟踪后，就可标并转入正常跟踪后，就可以完全独立地工作，以完全独立地工作，不需要不需要导弹以外的任何信息导弹以外的任何信息。随着能量发射装置的功率增大，系统作用距离也增大，同时弹上设备随着能量发射装置
10、的功率增大，系统作用距离也增大，同时弹上设备的体积和重量也增大，弹上不可能有功率很大的发射装置。的体积和重量也增大，弹上不可能有功率很大的发射装置。因而主动式寻的系统因而主动式寻的系统作用的距离一般不是太远作用的距离一般不是太远，已实际应用的典型的，已实际应用的典型的主动式寻的系统主要是主动式寻的系统主要是雷达寻的系统雷达寻的系统。Beijing Institute of Technology （b b）半主动式）半主动式照射目标的能源不在导弹上，弹上只有接收装置，能量照射目标的能源不在导弹上，弹上只有接收装置，能量发射装置设在导弹以外的制导站或其他位置。发射装置设在导弹以外的制导站或其他位置
11、。功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比主功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比主动式要大。动式要大。14Beijing Institute of Technology （c c）被动式）被动式 D导弹；导弹；M目标目标目标本身就是辐射源，不需要发射装置，由弹上导引目标本身就是辐射源，不需要发射装置，由弹上导引头直接感受目标辐射的能量，导引头将以目标的特定头直接感受目标辐射的能量，导引头将以目标的特定物理特性作为跟踪的信息源。物理特性作为跟踪的信息源。被动式自寻的系统的被动式自寻的系统的被动式自寻的系统的被动式自寻的系统的作用距离不大作用距离不大作用距离不大作用距离不大，典型的
12、被动式自寻，典型的被动式自寻，典型的被动式自寻，典型的被动式自寻的系统是的系统是的系统是的系统是红外自寻的系统红外自寻的系统红外自寻的系统红外自寻的系统。15Beijing Institute of Technology 自寻的制导系统的组成自寻的制导系统的组成自寻的系统的制导设备全部在弹上，具有自寻的系统的制导设备全部在弹上，具有发射后不管发射后不管的特点，的特点，可攻击高速目标，可攻击高速目标，制导精度较高制导精度较高。靠来自目标辐射或反射的能量来测定导弹的飞行偏差，靠来自目标辐射或反射的能量来测定导弹的飞行偏差，作用距作用距离有限，抗干扰能力差离有限，抗干扰能力差。一般用于空对空、地对空
13、、空对地导弹和某些弹道导弹，用于一般用于空对空、地对空、空对地导弹和某些弹道导弹，用于巡航导弹的巡航导弹的末飞行段末飞行段，以提高末段制导精度。，以提高末段制导精度。16Beijing Institute of Technology 自寻的制导系统涉及关键技术自寻的制导系统涉及关键技术l导引引头装置及其工作原理装置及其工作原理l波段波段l目目标识别、成像技、成像技术l信号信号处理、理、滤波技波技术l捷捷联导引引头的概念的概念17Beijing Institute of Technology 广播：87.5MHz108.0MHz雷达:300MHz40GHz毫米波：40GHz300GHz亚毫米波：
14、300GHz400GHz激光激光：远红外、近红外、：远红外、近红外、红、蓝、绿、紫外红、蓝、绿、紫外18自寻的制导另一种分类方式：按照频段波普自寻的制导另一种分类方式：按照频段波普Beijing Institute of Technology 5.1.5 遥控指令制导系统遥控指令制导系统根据导引指令在制导系统中形成的部位不同，遥控制导分为：根据导引指令在制导系统中形成的部位不同，遥控制导分为：波束制导波束制导(Beam Riding)：制导站发出波束制导站发出波束(无线电波束、激光无线电波束、激光波束波束)，导弹在波束内飞行，导弹在波束内飞行，弹上的制导设备弹上的制导设备感受它偏离波束感受它偏
15、离波束中心的方向和距离，并产生相应的导引指令，操纵导弹飞向目中心的方向和距离，并产生相应的导引指令，操纵导弹飞向目标。在多数波束制导系统中，制导站发出的标。在多数波束制导系统中，制导站发出的波束应始终跟踪目波束应始终跟踪目标标。遥控指令制导遥控指令制导：由制导站的导引设备同时测量目标、导弹的位：由制导站的导引设备同时测量目标、导弹的位置和其他运动参数，并在置和其他运动参数，并在制导站制导站形成导引指令，该指令通过无形成导引指令，该指令通过无线电波或传输线传送至弹上，弹上控制系统操纵导弹飞向目标。线电波或传输线传送至弹上，弹上控制系统操纵导弹飞向目标。19Beijing Institute of
16、 Technology 5.1.6 复合制导复合制导当对制导系统要求较高时，如导弹必须击中很远的目标当对制导系统要求较高时，如导弹必须击中很远的目标或者必须增加对远距离的目标命中率，可把上述几种制或者必须增加对远距离的目标命中率，可把上述几种制导方式以不同的形式组合起来，以进一步提高制导系统导方式以不同的形式组合起来，以进一步提高制导系统的性能。的性能。例如，在导弹飞行初始段用自主制导，将导弹导引到要例如，在导弹飞行初始段用自主制导，将导弹导引到要求的区域，中段采用遥控指令制导，比较精确地把导弹求的区域，中段采用遥控指令制导，比较精确地把导弹导引到目标附近，末段采用自寻的制导，这不仅增大了导引
17、到目标附近，末段采用自寻的制导，这不仅增大了制导系统的作用距离，而且提高了制导精度。制导系统的作用距离，而且提高了制导精度。20Beijing Institute of Technology 5.2 制导律制导律l制导律制导律的选择对导弹的命中精度至关重要的选择对导弹的命中精度至关重要l三点法、前置角法三点法、前置角法（对导弹质心位置的约束）（对导弹质心位置的约束）l速度追踪、改进追踪法速度追踪、改进追踪法（对导弹姿态的约束）（对导弹姿态的约束）l平行接近、平行接近、ZEM（zero effect miss）l比例导引、各种改进的比例导引比例导引、各种改进的比例导引（对导弹速度（对导弹速度矢量
18、方向的约束）矢量方向的约束）21Beijing Institute of Technology a)需用法向过载的计算？需用法向过载的计算？需用法向需用法向过载：三点法三点法导引的引的导弹运运动方程方程组：参考：于建桥参考：于建桥战术导弹总体设计战术导弹总体设计22需用过载需用过载可用过载可用过载Beijing Institute of Technology b)需用攻角的计算需用攻角的计算导引引弹道道动力学分析模型得到力学分析模型得到c)需用舵偏角的计算需用舵偏角的计算导引引弹道道动力学分析模型得到力学分析模型得到 23Beijing Institute of Technology d)最优
19、导引律最优导引律(Optimal Guidance Law,OGL)为克服克服目目标机机动和和测量噪声等不确定因素的影响，提高量噪声等不确定因素的影响，提高追踪追踪导引性能，引性能，20 世世纪60 年代年代最最优控制技控制技术被广泛用于被广泛用于导引律的研究。引律的研究。它可以考它可以考虑导弹目目标的的动力学力学问题，并可考，并可考虑制制导过程起点或程起点或终点的点的约束条件束条件或其它或其它约束条件，如束条件，如终端脱靶端脱靶量最小、最短量最小、最短时间、最小控制能量、最小控制能量、导弹和目和目标的的交会交会角要求（角要求（带落脚落脚约束的制束的制导律）律）等。等。大部分研究是基于大部分研
20、究是基于线性化性化追踪运追踪运动方程，方程，仅适用于适用于较小小的的视线角范角范围。追踪性能主要取决于捕追踪性能主要取决于捕获剩余剩余时间 tgo24Beijing Institute of Technology e)基于现代控制理论的导引律基于现代控制理论的导引律目目标的机的机动大小和方式大小和方式难以准确以准确测量和量和预测任意机任意机动飞行的目行的目标以及具有以及具有不确定不确定参数参数摄动情况下的追踪情况下的追踪非非线性性导引律。引律。研究方法：研究方法：非非线性控制理性控制理论和和人工智能人工智能方法。方法。目的：提高目的：提高导引算法在各种不确定因素条件下引算法在各种不确定因素条件
21、下的有效性和的有效性和鲁棒性，并且可棒性，并且可处理复理复杂的非的非线性性追踪追踪动态问题。25Beijing Institute of Technology f）制导律展望）制导律展望三三维导引律引律考考虑导弹自自动驾驶仪动特性的特性的导引律引律攻攻击角度角度约束束导引律引律复合制复合制导协同制同制导26Beijing Institute of Technology 多导弹多导弹协同协同中几种典型的制导约束条件中几种典型的制导约束条件Beijing Institute of Technology 5.3 5.3 几种常见的制导方式几种常见的制导方式标准准轨道制道制导方法方法轨迹跟踪制导：惯性位置导航（也包括轨迹跟踪制导：惯性位置导航（也包括INS/GNSSINS/GNSS组合导组合导航）是最常用的轨迹跟踪制导方法航）是最常用的轨迹跟踪制导方法预测制制导方法方法弹道预测：数值积分或近似解析算法预测落点弹道预测：数值积分或近似解析算法预测落点零控脱靶量零控脱靶量(Zero Effect Miss,ZEM)