人在回路對導彈制導性能的影響研究

唐道光　張公平　杜肖　夏群利　溫求遒

摘 要： 為了研究人在回路制導方式對導引頭控制系統及對比例導引和彈道成型等典型末制導回路的影響， 本文在固有射手模型的基礎上建立了數字傳輸人在回路導引頭模型， 對比分析了自尋的模式、 光纖傳輸人在回路和無線電數字傳輸人在回路導引頭模型的特性； 基于無線電數據傳輸的人在回路模式必然存在的較大的數據傳輸延時環節， 對比研究了不同數據傳輸延時對導引頭控制系統穩定性和快速性的影響。將自尋的導引頭模型、 光纖傳輸人在回路導引頭模型和無線電數字傳輸導引頭模型分別引入比例導引及彈道成型制導回路中， 對比分析了三種模型對制導回路脫靶量的影響； 在此基礎上分析了延時500 ms時在延時和角度約束條件的脫靶量變化規律及最小末制導時間分布特點， 進一步在特定任務下分析了其對導彈飛行過程中過載變化及探測器誤差的影響， 探討了人在回路制導模式在比例導引及彈道成型制導律中的可行性。

關鍵詞： 人在回路； 紅外圖像制導； 數據鏈； 制導精度； 非線性系統

中圖分類號： TJ765.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0024-07

0 引 言

紅外成像制導體制作為一種先進的制導方式已經廣泛地應用于空地導彈中。但是， 受圖像識別技術限制， 導引頭工作時易發生目標丟失及錯誤捕獲。采用人在回路制導模式能夠準確地發現、 捕獲目標， 提高導彈命中率， 是實現中遠程空地圖像制導導彈精確打擊的重要手段。

射手環節和數據鏈環節是人在回路制導方式的兩大重要模塊。由于射手均是經過訓練的特殊人群， 其動力學特性較為穩定， 但是射手根據載機顯示圖像辨識目標會受到復雜背景環境的影響， 從而增加反應時間。數據鏈環節包括光纖通訊及無線電通信。光纖通信耗時短， 有利于導彈快速響應， 且抗干擾能力強， 但是受到作用距離及彈上安裝的限制。無線電數字通信能夠提高導彈的作戰靈活性， 節約彈上空間， 但是其較長的數據傳輸時間及人在回路制導模式會影響導引頭控制特性， 帶來制導系統穩定性問題。

目前國內外關于人在回路制導方式對制導回路的影響研究主要集中在光纖制導條件下， 射手動力學中的延時造成的影響。趙軍民等人[1]對人在回路圖像制導導彈射手模型建模技術進行了研究， 采用系統辨識的方式得到了包含高階系統和延時環節的射手模型。文獻[2-8]主要針對電視制導方式延時對制導系統穩定性及制導精度進行了研究。國外[9-12]對于人在回路制導系統的研究較多， 具有代表性的如美國戰斧導彈、 斯拉姆等。但是國內對于大延時無線電數字傳輸的人在回路體制對比例導引末制導及彈道成型末制導精度的影響規律的研究較少。

本文基于無線電數字傳輸條件下人在回路制

導體制， 分析了射手模型和數據傳輸延時對導引頭控制系統的穩定性和快速性帶來的影響， 以及包含有射手動力學和數據傳輸延時環節的導引頭模塊對比例導引及彈道成型制導回路特性的影響。

1 導引頭模型建立

人在回路導引頭模型由信號傳輸延時環節、 采樣保持環節、 射手模型環節和導引頭穩定回路四個功能模塊組成， 如圖1所示。 其功能分別為制導指令/圖像傳輸、 信號采集、 人工導引和穩定光軸指向。

1.2 數據傳輸模型

航空兵器 2018年第3期

唐道光， 等： 人在回路對導彈制導性能的影響研究

數據傳輸延時環節包括圖像壓縮算法、 數據編碼、 信號發射及接收、 數據解碼等。在本文分析中將其等效為純延時環節e-τs， τ分別為200 ms， 350 ms和500 ms。

2 導引頭特性分析

2.1 導引頭快速性分析

自尋的制導模式中目標的辨識和捕獲均由彈載計算機自行完成， 不存在射手動力學和反應延時環節[13]； 人在回路制導方式必然存在數據傳輸， 當采用光纖傳輸時總的延時環節只考慮射手模型中的反應延時e-τrs， 當采用無線電數據傳輸時， 由于硬件水平和算法的不同， 延時時間也不相同。考慮相同射手辨識同一目標時， 反應延時e-τrs相同， 仿真條件均取τr=0.15 s， 數據傳輸延時τ分別為200 ms， 350 ms和500 ms， 建立自尋的導引頭模型與人在回路導引頭模型如圖3～4所示。

如圖5所示系統時域響應曲線， 延時越長增益越小， 穩定誤差角越大， 易導致目標出探測器視

場。調整系統時域響應超調量為20%， 獲得特性

參數如表2所示。人在回路導引頭模型中存在的

數據傳輸延時環節， 對開環傳遞函數的幅值沒有影響， 但是會帶來較大的相位滯后， 系統真實閉環帶寬應采用ω-45°， 導致時間常數增加， 嚴重影響導引頭跟蹤快速性。

2.2 導引頭穩定性分析

不同相位裕度條件下的穩定域如圖6所示。穩定域與總延時τZ、 增益K、 相位裕度Φm關系曲線可知， 相位裕度值越大， 其穩定域越小， 則在固定延時條件下設計的開環增益越小， 如此會影響導引頭的跟蹤快速性。 當數據傳輸延時為500 ms時， 開環增益K≤0.85； 延時為350 ms時， 開環增益K≤0.99； 延時為200 ms時， 開環增益K≤1.26。

3 制導特性分析

3.1 人在回路對比例導引的影響

仿真條件： 相對速度Vc=150 m/s， 導彈與目標位于同一水平面， 比例導引初始速度指向偏差θv=5°， 駕駛儀時間常數Tg=0.3 s， 比例導引導航系數N=4， Tgo為末制導時間， 導引頭模型包括自尋的模型， 光纖通信人在回路模型， 延時分別為200 ms， 350 ms， 500 ms無線電通信人在回路模型， 其原理框圖如圖7所示。比例導引脫靶量隨末制導時間變化曲線如圖8所示。

自尋的模式下， 比例導引脫靶量在10倍的制導時間常數時即可收斂于0； 而人在回路制導模式下， 由于人動力學及數據傳輸延時的存在使得脫靶量明顯增加， 并且隨著數據傳輸延時時長的增加脫靶量關于相對飛行時間（T/t0.63）的靈敏度增加， 穩定性變差， 收斂速度變慢， 末制導時間T≥13t0.63時方可收斂于0。

選取傳輸延時τ=500 ms， 不同初始速度指向偏差及落角約束條件下脫靶量變化曲線如圖9所示。分析可知比例導引制導回路中， 脫靶量的收斂時間隨速度指向偏差角的增加而增加。

3.2 人在回路對彈道成型的影響

仿真條件： 相對速度Vc=150 m/s， 彈道成型落角約束qF=-60°， 駕駛儀時間常數Tg=0.3 s， 彈道成型導航系數N1=4， N2=2， 導引頭模型包括自尋的模型、 光纖通信人在回路模型， 延時分別為200 ms， 350 ms， 500 ms無線電通信人在回路模型， 原理框圖如圖10所示。 彈道成型脫靶量隨未制導時間變化曲線如圖11所示。

分析圖11可知， 自尋的模式彈道成型制導脫靶量收斂時間為12倍的制導時間常數， 當采用人在回路制導模式時， 收斂時間明顯增加為T≥30t0.63， 為上文分析的比例導引彈道脫靶量收斂時間的2倍。對比圖8與圖11可知， 彈道成型脫靶量收斂曲線不存在震蕩現象， 其脫靶量隨著末制導時間的增加而減小。

圖12分析了數據傳輸延時為500 ms時， 脫靶量曲線隨落角約束變化規律， 收斂時間隨期望落角增加而增加， 對比圖9可知人在回路制導模式下彈道成型脫靶量對角度約束更為敏感。

3.3 人在回路制導耗時分析

由上文分析可知， 導彈脫靶量受到角度約束（θv和qF）和數據傳輸延時綜合影響， 取1 m為約束脫靶量， 分析得到如圖13所示的脫靶量收斂耗時分布圖。

分析圖中數據可知， 脫靶量收斂至1 m， 所需時長與角度約束和延時長短成正比。采用比例導引制導律時， 其相對于延時長短的靈敏度大于相對于角度約束的靈敏度； 采用彈道成型制導律， 其相對于延時長短和角度約束靈敏度相同。在相同延時及角度約束綜合影響下， 脫靶量收斂至最優值， 比例導引所需時長約為彈道成型所需時長的0.5倍， 故而對制導方案影響較小。

4 實例分析

基于上述分析， 進一步根據實例研究人在回路制導方式對導彈飛行參數影響。紅外成像探測器作用距離R=4 500 m， 飛行速度Vc=150 m/s， 導彈高度H=100 m， 無線電傳輸延時τ=500 ms， 彈道成型落角約束qF=-40°。

比例導引飛行參數變化曲線如圖14所示， 彈道成型飛行參數變化曲線如圖15所示。

由圖14～15知， 比例導引彈目視線角速率逐漸趨于0后由于存在一定的脫靶量， 導彈飛越目標使得探測器誤差角突然增大（在工程應用中常采用框架角限幅等措施， 避免比例導引末端視線角速度突然增加對過載指令的影響）， 而彈道成型彈目視線角速率絕對值穩定增加， 從而使得探測器誤差角不斷增大， 最終導致目標超出導引頭視場。在相同作戰條件下， 由于比例導引彈道較為平直， 過載需求小， 延時對其造成影響小， 而彈道成型彈道為了實現大角度侵徹， 彈道曲率大， 視線角速率及過載均較大， 故而受數據傳輸延時影響導致的脫靶量較為明顯， 如表3所示。

綜上所述， 在作戰距離較遠時， 比例導引彈道中可使用無線數據傳輸， 而彈道成型彈道很難實現。為了解決上述問題， 可通過兩方面解決：（1）提高硬件水平及算法， 縮短延時時間從而使脫靶量在可容忍范圍內； （2）從中制導段即利用慣導信息采用彈道成型制導律， 如圖16所示， 在末制導起控點（O2點）形成與qF相反的速度指向θv， 以減小末段過載需求， 在保證命中精度的同時實現大落角侵徹， 增加毀傷效能。末制導起控點具有不同θv時的脫靶量仿真結果如表4所示。

根據表4分析可知， 在中制導段開始采用彈道成型制導律， 導彈到達O2時， 當θv≥20°時， 在保證落角約束qF≈-40°的同時能夠有效減小脫靶量和探測器誤差角。

5 結 論

由于射手環節和數據鏈環節是人在回路制導方式的兩大重要模塊， 這兩部分模塊形成了制導回路中的大延時特點。本文對比分析了自尋的、 光纖傳輸人在回路制導模式及無線電傳輸人在回路制導模式下導引頭特性。并將上述模型分別引入比例導引及彈道成型制導回路中， 分析了在延時和角度約束條件影響下的脫靶量變化規律及最小末制導時間分布特點， 進一步在特定任務下分析了其對導彈飛行過程中過載變化及探測器誤差的影響， 得出以下結論：

（1） 射手模型雖然是一種不確定性模型， 但是由于射手均是經過訓練的特殊人群， 動力學部分區別較小， 造成射手模型主要區別是由于復雜戰場環境造成的射手對目標的反應延時， 故而人在回路制導方式應用于典型末制導彈道時應盡量規劃出易于探測器成像的彈道。

（2） 延時時長的大小影響導引頭控制穩定性、 跟蹤快速性及探測能力。延時越長， 控制系統穩定域越小， 時間常數越大， 穩定跟蹤目標的誤差角越大， 目標出視場的概率越高， 故而在實際工程應用中亟需提高無線電數字通信水平， 保證其在可靠、 安全的通信條件下具有較快的通信速率。

（3） 無線電通訊人在回路制導方式中數據傳輸延時造成的信息滯后是造成導彈大脫靶量的主要因素， 而脫靶量的收斂形式由制導律決定。彈道成型彈道較比例導引彈道對于延時影響的靈敏度更高， 彈道成型脫靶量收斂所需時間約為比例導引脫靶量收斂的2倍。故而， 在進行人在回路制導模式的總體設計時應根據作戰任務綜合考慮射手辨識延時、 數據傳輸延時、 末制導精度和末制導時間等因素選擇合適的末制導律。

（4） 為了能夠將具有大延時特點的人在回路制導模式應用于典型末制導中， 采用比例導引制導方式時， 只要保證較高的中末制導交接班精度和較長的末制導時間， 即可減小脫靶量。而在彈道成型彈道中， 若要求較大的落角， 則需要在中制導開始階段就借助于彈上慣導器件進行彈道成型制導。

參考文獻：

[1] 趙軍民， 胡國懷， 段辰璐， 等. “人在回路” 圖像制導導彈射手建模技術研究[J]. 彈箭與制導學報， 2012， 32（4）： 74-76.

Zhao Junmin， Hu Guohuai， Duan Chenlu， et al. The Research on Shooter Modeling in the ImagedGuided Missile of “PeopleintheLoop”[J]. Journal of Projectiles， Rockets， Missiles and Guidance， 2012， 32（4）： 74-76. （in Chinese）

[2] 韓統， 吳別林， 魏賢智， 等. 時間延遲對電視末制導系統穩定性的影響[J]. 火力與指揮控制， 2006， 31（1）： 38-40， 44.

Han Tong， Wu Bielin， Wei Xianzhi， et al. Time Delay Effects on Stability of AGM System with TVCommand Guidance[J]. Fire Control and Command Control， 2006， 31（1）： 38-40， 44. （in Chinese）

[3] 李欣， 鄭志強， 李鵬， 等. 時間延遲對電視指令制導系統穩定回路的影響[J]. 航空兵器， 2010（5）： 30-32， 38.

Li Xin， Zheng Zhiqiang， Li Peng， et al. Time Delay Effects on Stable Loop of AGM System with TVCommand Guidance[J]. Aero Weaponry， 2010（5）： 30-32， 38. （in Chinese）

[4] 江洋溢， 高士英， 劉勤. 數據鏈延遲對捕控指令電視末制導精度的影響[J]. 彈箭與制導學報， 2004， 24（1）： 118-120， 123.

Jiang Yangyi， Gao Shiying， Liu Qin. Data Link Delay Effects on Weapon Accuracy of AGM with TVCommand Guidance[J]. Journal of Projectiles， Rockets， Missiles and Guidance， 2004， 24（1）： 118-120， 123. （in Chinese）

[5] Zhang Jian， Li Hua， Li Bin， et al. A Search of the Research on SoldierintheLoop Target Acquisition Performance Modeling of Infrared Imaging System[C]∥Proceedings of SPIE， International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009： Advances in Infrared Imaging and Applications， 2009： 73831S-73831S-7.

[6] 曹邦武， 姜長生， 關世義， 等. 電視指令制導空地導彈垂直命中目標的末制導系統研究[J]. 宇航學報， 2004， 25（4）： 393-397.

Cao Bangwu， Jiang Changsheng， Guan Shiyi， et al. Research on the Vertical Intercept Terminal Guidance System of TVCommandGuidance AirtoGround Missile[J]. Journal of Astronautics， 2004， 25（4）： 393-397. （in Chinese）

[7] 張延風. 射手參與識別目標的圖像制導中的凝視搜索技術[J]. 兵工學報， 2002， 23（2）： 205-208.

Zhang Yanfeng. SteppedStaring Searching Technique for an Imaging Guidance Missile in TargetIdentification[J]. Acta Armamentarii， 2002， 23（2）： 205-208.（in Chinese）

[8] 王宏波， 莊志洪， 張清泰， 等. 終端紅外圖像制導信息處理技術研究[J]. 兵工學報， 2004， 25（6）：689-693.

Wang Hongbo， Zhuang Zhihong， Zhang Qingtai， et al. Infrared Image Guidance Information Processing for the Endgame[J]. Acta Armamentarii， 2004， 25（6）： 689-693.（in Chinese）

[9] Levison W H， Papazian B. The Effects of Time Delay and Simulator Mode on ClosedLoop Pilot/Vehicle Performance： Model Analysis and Manned Simulation Results[C]∥Flight Simulation Technologies Conference， Monterey， CA， 1987.

[10] White A， Zhu G M， Choi J. HardwareintheLoop Simulation of Robust GainScheduling Control of PortFuelInjection Processes[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2011， 19（6）： 1433-1443.

[11] Anderson M R. Standard Optimal Pilot Models[C]∥Guidance， Navigation， and Control Conference， Scottsdale， A2， 1994： 750-756.

[12] Mitchell G E， Gander J F. Impact of Time Delays on the JTIDS Network[C]∥ Proceedings of the IEEE 1990 National Aerospace and Electronics Conference， Dayton， OH， 1990： 440-445.

[13] 蔡毅. 光電精確制導武器[M]. 北京： 兵器工業出版社， 2013.

Cai Yi. Photoelectric Precision Guided Weapon [M]. Beijing： Publishing House of Ordnance Industry， 2013.（in Chinese）

[14] 胡壽松. 自動控制原理[M]. 北京：科學出版社， 2011.

Hu Shousong. Automatic Control Theory[M]. Beijing： Science Press， 2011. （in Chinese）

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