鴨舵式二維彈道修正引信發展綜述*

劉宗源，高敏，宋衛東，王毅

(陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003)

0 引言

隨著現代戰爭作戰樣式的革新，精確打擊能力成為衡量武器裝備性能的重要指標。目前裝備部隊的精確制導武器中，導彈無疑是種類最多、精度最高、效能最好的。但是由于造價昂貴，不能大量裝備。為了節約精確打擊的成本，彈道修正技術應運而生，使常規武器制導化得到了長足的發展。在技術實現上，通過在傳統彈藥的基礎上加裝慣性模塊、控制模塊、制導模塊、執行機構等模塊，使其具備精確打擊能力[1]。

彈道修正彈在20世紀末和21世紀初的局部戰爭中得到了廣泛的應用，其高效的打擊能力奠定了在現代戰爭中不可替代的地位。經過幾十年的發展，由最初的一維彈道修正到如今的二維彈道修正，彈道修正彈的精度實現了穩步提高。最新出現的鴨舵式二維彈道修正彈，由于其強大的彈道修正能力，已經成為各國爭相研制的對象，并有多種型號的產品加入部隊裝備序列。

1 彈道修正彈發展歷程

彈道修正彈的概念由美國于20世紀70年代提出，被稱做“末端修正的旋轉穩定彈(terminally corrected spinning pro-jectile，TCSP)”。區別于導彈的準確命中目標，彈道修正彈是通過修正引信對飛行過程中造成的偏差進行修正，縮小落點的圓概率半徑，達到提高打擊精度的目的。

其采用的精確制導組件具有2個重要優勢：一是研發周期短，成本低；二是實用性強，便于對庫存彈藥進行升級[2]。目前，美、英、法、德、以色列、南非等國都正在研制能夠安裝在常規彈藥上的彈道修正引信。

2003年美國專利“二維射彈彈道修正器”首次介紹了CCF(course correcting fuze)模式。該引信裝有微調減速板、旋轉減速板和主減速板3種減速板，分別在彈道初段、中段、末段進行修正。射程修正通過增阻減速法實現，橫向偏差修正通過彈丸減旋實現。2005年實彈射擊驗證了二維彈道修正引信的概念，在射程為45 km左右時，彈丸落點的圓概率誤差(circle of error probability，CEP)能控制在50 m以內。CCF修正組件如圖1所示。

圖1 CCF修正組件Fig.1 Course correcting fuze

2005年，阿連特技術系統(Alliant Techsystems Inc)公司提出PGK(precision guidance kit)方案，利用固定鴨舵的控制修正彈道，參與了美國陸軍提出二維彈道修正組件技術項目招標。提出采用GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)組合測量彈道參數、飛行姿態信息[3]，以及利用磁力矩電機控制修正組件減旋、穩定在某滾轉位置。安裝PGK的155 mm炮彈于2013年進行成功試射，發射的5枚炮彈距離目標均不超過25 m。使用類似的方案，用一年時間成功研制了迫彈二維彈道修正引信(mortar guidance kit,MGK)，并于2011年3月裝備駐阿美軍投入實戰，精度達到10 m以內。PGK是早期二維修正彈的代表，利用固定鴨舵進行修正，為后續的發展建立了系統的模式。MGKS與PGK如圖2所示。

圖2 MGK與PGKFig.2 MGK and PGK

BAE系統公司下屬的以色列Rokar分公司正在研制“銀彈”(silver bullet)彈道修正引信，2007年開展了大量飛行試驗(圖3)。它使用基于GPS的制導方式，采用整體減旋，前端裝有2對可動鴨舵，分別用于減旋和修正。配用于標準155 mm彈藥，能將精度提高到20 m以內，具備海陸兩棲作戰能力[4]。羅卡公司與韓國承包商在2015年共同對“銀彈”進行了實彈打靶試驗，取得較好的效果。

圖3 銀彈Fig.3 Silver bullet

另外，南非丹尼爾動力公司與英國UTC宇航系統公司聯合研制AcuFuze精確炮兵引信。該引信采用類似“銀彈”的技術方案，可動鴨舵導轉舵面更小，采用了特殊設計的慣性測量單元(IMU)提高姿態、加速度信息，具有更好的抗干擾能力。以色列宇航工業公司IAI(Israel Aerospace Industries)在2010年法國薩托里防務展展出的TopGun二維彈道修正引信，利用2對鴨翼對155 mm彈丸進行控制，將標準的155 mm炮彈轉換為精確制導的炮彈，CEP達到20 m以內。TopGun采用的控制方案類似于導彈，采用GPS/INS(inertial navigation system)提供彈道參數，通過安裝在引信上的4片彈翼進行彈道的二維修正。

國內方面，針對二維彈道修正彈進行了大量的研究論證，對關鍵技術的掌握逐漸成熟。軍械工程學院王毅等人開發了一類具有固定鴨翼的二維彈道修正引信的制導和控制策略[5]，研究了偏差運動的校正控制機制，并進行了模擬仿真實驗。北京理工大學張冬旭設計了一種二維彈道修正機構樣機，搭建了配套的仿真測試系統，利用擴展滑膜觀測器處理工作中的抖振問題，提高了角度控制的精度。沈陽理工大學喬磊根據二維彈道修正原理及固定舵控制方案，選擇先減旋再固定的控制策略控制舵機[6]，通過對位置檢測系統和力矩分析2個重要因素分析，論證了2種固定舵舵機控制方法。

2 彈道修正原理

由于修正機構、氣動布局、設計要求的差異，導致了修正方案選擇不同。作為彈道修正指令響應的關鍵部件，修正機構的質量和效率決定了彈道修正的精度。根據修正機構可將修正方案分為3類：增阻方案、脈沖方案、鴨舵方案。當前的主流方案是利用鴨舵進行方向修正的方法，利用調節彈箭所受的氣動力，控制飛行過程的舵面升力、阻力及鉸鏈力矩。

作為執行機構的鴨舵可以根據修正控制原理分為2類：固定舵和可動翼。PGK采用的就是基于固定舵的修正方式，結構組成主要包括彈道測量模塊、固定鴨舵、控制電機、電機制動控制模塊、安全保險裝置等。修正組件上固定2對氣動舵面，一對偏角大小相同，方向相反，稱為差動舵；另一對偏角方向和大小相同，產生修正彈道的氣動力，稱為同向舵。

修正引信和彈體通過軸承連接，飛行過程中由獲取的衛星信號計算得到位置和速度信號，需要進行修正時，根據姿態測算組件對當前引信滾轉角、角速度的測量，然后經過計算機對彈道偏差的解算，得出引信相對大地的穩定滾轉位置。隨著控制信號的輸入，減旋裝置將修正引信制動，將整體引信固定在一定的滾轉角，利用同向舵產生的升力調整飛行軌跡，從而改善落點圓概率誤差。

鴨舵式彈道修正引信的修正過程可分為3個階段。第1階段是彈道測量系統獲取飛行彈道諸元，彈載計算機根據飛行彈道諸元預測彈丸落點、計算落點偏差、彈道偏差修正量。第2階段是采集彈體運動信息，利用姿態解算模塊解算當前滾轉角和滾轉角速率。同時，彈載計算機根據彈道修正量計算停轉滾轉角，以及產生當前修正所需的控制信號。第3階段是通過選擇的制動方案和控制算法，將修正機構穩定在需要的滾轉角度，利用產生的彈道修正力矩減小與標準彈道的偏差。固定舵修正引信通過磁力矩電機提供制動力矩，以抵消促使引信滾轉的合力矩，控制引信靜止，利用同向舵產生修正力，理論射擊精度可達到30 m以內，射程損失小于10%。可動翼修正引信則通過轉動差動舵的舵片產生制動力矩，達到先減旋后靜止的控制目的，隨后利用同向舵的偏轉提供彈道修正力。其理論射擊精度達到了10 m以內，并且由于采用小型化舵機方案及優化了結構設計，質量得到進一步減小，使得射程損失小于6%。鴨舵式二維彈道修正引信原理框圖如圖4所示。

圖4 鴨舵式二維彈道修正引信原理框圖Fig.4 Correction principle of canard-type two-dimensional trajectory correction fuze

3 關鍵技術

根據對鴨舵式二維彈道修正彈原理的分析，通過簡單劃分，其修正過程的3個階段所涉及的關鍵技術有：彈道探測、滾轉角測量、鴨舵控制算法。

3.1 彈道探測

常規的彈道探測能夠實時提供彈體位置信息，彈道解算則是利用測量數據得到真實彈道的常用手段，是實現落點預測和偏差估計的前提。

目前主要采用的彈道探測方法有2種：雷達測量、衛星定位。前者利用火控雷達實現目標的跟蹤，實時提供目標的位置信息，并利用彈體陀螺儀測量信息獲知姿態信息。隨著測量組件的小型化的發展，后者采用GPS/IMU組合測量彈體位置和姿態信息，實時將數據傳遞給彈載計算機，然后經過計算機程序解算得到下一時刻的彈道。鑒于信息化戰爭對武器系統的要求，利用衛星定位的方法顯然更符合實戰要求。

受氣象因素、器件干擾、累積誤差等影響，外彈道測量所得的數據并不準確，因此對測量數據的濾波成為彈道探測的關鍵問題。針對彈道預測的精度問題，利用非線性卡爾曼濾波對建立的彈道測量模型進行濾波[7-8]，能夠濾除75%左右的參數誤差。目前，已經有大量學者對快速準確預估落點提出了相關理論[9]，能夠有效處理落點預報的隨機噪聲和累積誤差。

3.2 滾轉角測量

由于高速旋轉的彈丸，彈體轉速一般都高達每秒上百轉，遠高于修正機構響應速度，為了實現有效修正就要對引信進行減旋。另一方面，為了實現對彈道的修正，需要引信停止在需要的滾轉角位置上，產生適當的修正力矩。因此，滾轉姿態信息對于彈道修正極為重要，該類數據的測量精度直接影響彈道偏差的修正效果。

測量滾轉角的方法主要有以下4種:地磁傳感器法、加速度計法、太陽方位角法、陀螺儀法。后3種方法存在安裝難度大、易受氣象干擾、抗過載能力弱等問題，不符合高旋彈修正引信的設計要求。因此利用地磁測量組件獲取滾轉信息成為常用的手段，傳感器輸出的曲線呈現正余弦狀，利用零點檢測法或極值檢測法即可獲得轉速。并且，隨著MEMS(microelectro mechanical systems)技術的發展，與地磁傳感器組合測量滾轉角取得了更好的效果。利用彈載MEMS陀螺儀測量偏航角，結合地磁信息解算滾轉角，提高了測量精度。

由于地磁場強度很弱，在地磁數據采集過程中，容易受到傳感器自身誤差、環境磁干擾彈體剩磁以及內部線圈感生磁場等干擾[10-14]。以上干擾信號經過復合后，將嚴重影響地磁傳感器模塊輸出信號的精度。經過綜合分析，首先建立系統的誤差模型，采用擴展卡爾曼濾波器處理隨機噪聲，再利用橢圓補償法處理鐵磁材料引起的軟、硬磁誤差[15-16]，得到準確的地磁數據。最終，通過地磁信號在地理坐標系與彈體坐標系轉化關系建立滾轉角解算模型。

3.3 鴨舵控制算法

Ahmed Elsaadany通過分析修正機構對彈體空氣動力學參數的影響[17]，發現基于鴨舵的修正引信對彈道偏移具有很強的修正能力。利用鴨舵方案的二維彈道修正彈成為爭相發展的焦點，對舵機的控制算法成為制約精度問題的關鍵因素。所以，對舵機偏轉角度的精準、快速控制成為修正執行的關鍵。

為了提高控制系統的控制品質，進一步改善舵機的控制性能，需要設計對鴨舵方案的智能控制算法，提高系統的靜態特性和動態響應。通常以DSP(digital signal processing)數據處理技術為基礎，采用位置環、轉速環PID(proportion，integral，derivative)控制算法設計控制軟件，實現對雙通道舵機的一體化控制[18-19]。雙閉環舵機控制系統，輸入為舵機的控制電壓，經轉速環運算后，輸出引信的實際轉速。該轉速與期望轉速進行比較，偏差量經算法處理后，繼續經過轉速環處理，直至偏差為0。轉速環的輸出量作為位置環的輸入，經舵機系統的轉化，輸出修正引信的滾轉角，并實現高速響應和穩定跟隨。Seunghwan Kim研究了舵片偏轉角度對姿態運動的影響，運用設計的駕駛儀輸出舵控信號[20]，針對特殊控制信號對舵機執行機構產生的擾動提出了解決方案，實現了對舵機的精準、穩定控制。

不同類型修正機構的控制算法也不同，在建立可動翼控制回路時，要在閉環回路中考慮轉速、滾轉角、舵片位置、彈道偏差、舵機參數等因素。經典PID控制方式，結構簡單，參數易于調整，是目前工程中最為常用的。針對電動舵機控制算法設的改進，主要是對其采用模糊算法、小波濾波算法、遺傳算法、滑膜變結構算法與PID進行融合。主要不足是算法會在一定環境下帶來各種附加效應，降低了舵機的工作效率，需綜合控制回路的影響因素對算法進行改進。

4 結束語

彈道修正彈經過近幾十年的發展，歷經由一維修正向二維修正的轉變，利用鴨舵修正的方法成為主流。利用鴨舵進行彈道修正的方案能夠滿足高轉速、高精度、高過載、小型化、抗干擾的要求，提高了彈道修正效率。隨著微機械電子技術、電路集成技術、舵機控制技術的發展，鴨舵方案得到了足夠的技術支撐，取得了較大的研究進展。

由于固定舵的舵片是不可調的，舵片偏轉角度的限定導致其修正效果能力有限。為了進一步提高控制效果，可動翼方案選用伺服電機帶動舵片偏轉，實現了舵片隨彈道偏差調節的功能。國外已經出現了相關類型的產品，并經受了射擊實驗的嚴峻考驗，隨著國內科研機構的研究逐漸深入，相信國產的可動翼二維修正彈不久就會進入我軍裝備序列。