干擾條件下反艦導彈導引頭伺服系統研究

吳忠德，尚永爽，孫偉超

（1.海軍航空工程學院，煙臺264001；2.解放軍94973部隊，杭州310021）

0 引 言

反艦導彈導引頭伺服系統是反艦導彈系統的重要組成部分，它的精度直接影響到反艦導彈的制導精度［1－2］。它通過測量反艦導彈與艦船目標之間的目標角誤差信號，利用導引頭伺服系統控制回波天線向著消除目標角誤差的方向旋轉，進而實現導引頭對艦船目標的跟蹤，使得反艦導彈可以準確地攻擊艦船目標。

通常情況下，反艦導彈導引頭采用單脈沖測角技術。由于彈載設備體積受限，導引頭測角系統的角分辨力和抗角度干擾的性能較差；導引頭接收機的輸出信號是一個迭加有熱噪聲、干擾及雜波的目標回波信號［3－4］；同時，閃爍干擾也是一種對抗反艦導彈的有效干擾方式，它通過若干個在角度上不能分辨的干擾源相互配合，使導引頭產生很大的測角誤差。以上噪聲干擾和角閃爍干擾等跟蹤誤差會使反艦導彈導引頭丟失艦船目標，導致反艦導彈脫靶。所以研究反艦導彈導引頭伺服系統具有重要的作用和意義，它決定了導引頭能否快速地發現目標、平穩地跟蹤目標和準確地測量目標位置參數。

本文利用Simulink軟件對反艦導彈導引頭伺服系統的建模和仿真進行研究。首先根據導引頭伺服系統結構，在干擾條件下對導引頭角穩定回路、角跟蹤回路和角預定回路進行分析，建立導引頭伺服系統數學模型；為提高導引頭抗干擾能力，在角跟蹤回路中引入Kalman濾波器，通過濾波可以為系統提供精確的目標數據；然后結合工程實際，構建導引頭伺服系統的Simulink［5］控制模型，并進行動態仿真分析；最后得到系統的響應速度和跟蹤精度等動態響應結果。

1 導引頭伺服系統結構

導引頭伺服系統是一個多參數調整、多回路反饋控制系統，如圖1所示。在反艦導彈導引頭伺服結構中，目標跟蹤的信息處理具有相當重要的意義。在復雜的戰場環境下，反艦導彈導引頭通過所獲得的艦船目標回波信息消除噪聲干擾和目標角閃爍干擾等跟蹤誤差的影響，獲取真實的艦船目標回波信息；然后根據真實目標回波信息準確地估計目標的距離、速度和角度，提供給反艦導彈制導控制系統，以引導導彈精確打擊目標。

圖1 導引頭伺服系統結構圖

導引頭伺服系統主要完成角穩定回路、角跟蹤回路和角預定回路3種工作狀態。其中，角穩定回路工作狀態主要功能為利用跟蹤角誤差信號去控制回波天線向著消除目標角誤差的方向旋轉，進而實現跟蹤目標角度上的穩定；角跟蹤回路工作狀態主要功能是為導引頭伺服系統提供良好的動態角跟蹤性能，確保導引頭能夠對強機動目標具有較高的精度和較好的穩定性；角預定回路工作狀態主要功能是為精確控制回波天線指定預定方向，保證反艦導彈導引頭能夠準確截獲目標［6］。

導引頭伺服系統是按照誤差控制的閉環控制原理而設計的，它包括前向通道和反饋通道。前向通道是指根據指令驅動電機，控制天線指向變化的通道；反饋通道是指利用跟蹤接收機獲取天線指向與衛星位置之間的誤差，并反饋給控制系統的通道。

從控制系統的觀點看，導引頭伺服系統是采用電流反饋回路、速度反饋回路和位置反饋回路組成的閉環控制系統。系統的控制目標是使跟蹤角誤差信號趨向于零，使導引頭天線指向能夠自動、連續和精確地反映出目標位置的變化，從而實現自動跟蹤。

2 數學模型建立

2.1 角穩定回路

角穩定回路直接影響著隔離載體擾動和位置伺服精度，是保證導引頭伺服系統性能的重要環節。角穩定回路原理如圖2所示，其主要由電機、減速器、速率陀螺和校正裝置等構成，是角跟蹤回路的內回路。

導引頭通過回波天線接收艦船目標信號，并將接收到的艦船目標信號進行濾波等信息處理后，得到相應的跟蹤角誤差信號，然后利用伺服系統去控制回波天線向著減小角誤差信號的方向旋轉，進而實現艦船目標的角度穩定控制［7－8］。

圖2 角穩定回路原理圖

圖2中，uε為導引頭伺服系統的角誤差電壓信號，ug為速率陀螺的輸出電壓，ω為回波天線轉速，為擾動角速度。采用速率陀螺反饋構成角穩定回路，它是一種二自由度陀螺，能夠輸出一個正比于導引頭傳動機構敏感軸的角速度電壓信號。

導引頭伺服系統采用直流伺服電動機，建立電樞回路模型如圖3所示。

圖3 電樞回路模型

式中：U （t）為伺服系統的電機電樞電壓；R和L分別為電樞電路的電阻和電感，分別設置為L＝0.03H和R＝5Ω；i（t）為電樞電壓所產生的電樞電流；E＝k×ω（t）為電樞反電勢，其中k表示反電勢系數，設置為k＝0.45V·s／rad，ω（t）為電機轉速；km為電機轉矩系數，設置為km＝0.35N·m／A；M（t）為電樞電流產生的電磁轉矩；J為電機和負載折合到電機軸上的轉動慣量，設置為J＝0.3kg·m2。

2.2 角跟蹤回路

角跟蹤回路原理如圖4所示，在反艦導彈導引頭發現艦船目標后，伺服系統進入角跟蹤回路工作狀態，導引頭通過回波天線接收艦船目標信號，同時根據角誤差信號產生相應的控制電壓控制電機轉動，使回波天線向著減小跟蹤目標角誤差的方向旋轉。在角跟蹤回路工作狀態下，天線伺服系統是由電流反饋回路、速度反饋回路和位置反饋回路構成，其中電流反饋回路和速度反饋回路起到提高系統阻尼系數和增加系統頻帶寬度的作用，位置反饋回路起到改善系統目標跟蹤性能的作用。

圖4 角跟蹤回路原理圖

角跟蹤回路實際上由測角系統、濾波器和角穩定回路組成。由于反艦導彈導引頭抗干擾能力較差，以及接收機的輸出信號是一個迭加有熱噪聲、干擾及雜波的目標回波信號，導致失調角噪聲比較大，解決方法是在角跟蹤回路中引入Kalman濾波器，通過濾波可以為系統提供精確的目標數據。

角跟蹤回路數學模型如圖5所示。

圖5 角跟蹤回路模型

2.3 角預定回路

在角預定回路工作狀態下，天線伺服系統只接通放大校正環節、功率放大器以及電樞回路，其原理如圖6所示。

圖6 角預定回路原理圖

通常情況下，在反艦導彈發射前，需要根據系統提供的角預定信號產生相應的控制電壓，通過功率放大器放大驅動電機快速、準確地將回波天線的指向預先對準艦船目標或者前置一定的角度，使得在反艦導彈發射后，艦船目標的回波信號準確地落在回波天線波束范圍內，保證反艦導彈導引頭能夠順利地截獲目標。

圖6中，up表示角預定信號，uφ表示線性電位器輸出的并且與回波天線實際轉角成正比的電壓信號，Δu表示預定角誤差信號。角預定回路的控制器利用預定角誤差Δu產生控制指令，控制電機使回波天線向預定角位置旋轉，并且快速、準確地指向目標角度預定位置，即當uφ＝up時，Δu＝0，回波天線指向角裝定完畢并停止轉動。角預定回路的數學模型如圖7所示。

圖7 角預定回路數學模型

3 仿真分析

3.1 Simulink控制模型

根據第2節建立的伺服系統角穩定回路、角跟蹤回路和角預定回路數學模型，以某型反艦導彈導引頭為主要研究對象，并利用具有動態建模、仿真及綜合分析功能的Matlab／Simulink仿真環境，采用模塊化的建模思想，建立反艦導彈導引頭伺服系統的Simulink控制模型，如圖8所示。

圖8 導引頭伺服系統Simulink模型圖

3.2 仿真結果

將建立的反艦導彈導引頭伺服系統模型在Simulink中進行仿真，采樣周期為1ms，對于角跟蹤回路，輸入一個變化率為20°／s的三角波，導引頭伺服系統誤差曲線如圖9所示。可以看出，在一定的噪聲干擾和角閃爍擾動的情況下，角跟蹤回路可以快速穩定地跟隨輸入變化，具有較好的響應速度和跟蹤精度。

圖10為導引頭伺服系統角速度信號輸出，由仿真結果可知，校正后的系統在輸入為2°／s的角速度信號時，輸入和輸出曲線最終接近平行，平行線間的距離即為穩態跟蹤誤差，能很好地復現系統的輸入，這說明系統具有很好的跟蹤性能。

對于角預定回路，當系統的輸入為單位階躍響應，系統輸出如圖11所示，可以看到該導引頭伺服系統在0.5s的時間內快速響應達到了角預定區域，基本滿足角預定回路的性能要求。

圖9 導引頭伺服系統誤差曲線

圖10 導引頭伺服系統角速度信號輸出圖

4 結束語

在干擾條件下，通過對導引頭伺服系統進行數學建模，構建了導引頭伺服系統的Simulink控制模型；為提高導引頭抗干擾能力，在角跟蹤回路中引入Kalman濾波器，通過濾波可以為系統提供精確的目標數據；以某型導引頭為例進行動態仿真分析，得到了系統的動態響應結果，驗證了所給出方法的有效性，可以有效縮短系統開發時間，對于其它系統的研究具有一定的借鑒意義。

圖11 預定回路輸出圖

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