第4章遥控制导

第四章遥控制导,教学内容：4.1概述4.2遥控指令制导4.2.1有线指令制导4.2.2无线指令制导4.2.3电视指令制导4.3遥控制导指令形成原理4.3.1导引误差信号4.3.2校整与补偿信号4.3.3遥控制导指令形成4.4无线电波束制导教学目标：1.了解遥控制导特点2.掌握指令信号形成原理3.掌握线扫描雷达角跟踪原理,4.1概述,定义：遥控制导是指由制导站向导弹发射引导信息（指令或波束），以导引其飞向目标的制导技术。分类：1）指令制导2）波束制导应用：遥控制导常用于地空导弹系统中，目前在一些空地、空空和战术巡航导弹中也得到了应用。在现代导弹系统中，指令制导常被用于复合制导的中段，以提高导弹作用距离。优点：作用距离远，受天气的影响较小。缺点：随距离增加，制导精度差，同时易于被干扰。,4.2遥控指令制导,制导站向导弹发射引导指令信息。组成：制导站设备+弹上设备制导站设备：导弹/目标观测跟踪设备、制导参数计算设备、指令发射设备。连续指令：操纵导弹运动指令；不连续指令：发动机停火指令、引信解保和战斗部起爆指令、导弹俯冲指令等。弹上设备：指令接收设备、控制系统。根据指令传输形式不同，分为有线和无线两大类。,4.2.1有线指令制导,手动有线制导：射手利用光学观测跟踪装置完成对目标（十字架对准目标）和导弹的跟踪，并根据偏差控制操纵杆形成指令。半自动有线制导：射手利用目标光学观测跟踪装置完成对目标的跟踪，导弹测角仪与目标光学观测跟踪装置同伺服平台共光轴，其自动测量导弹飞行偏差并形成制导指令。,有线制导典型应用：反坦克导弹,第一代：射手通过手柄控制导弹飞向目标，对射手的训练要求较高，但有不易受干扰的优点。典型产品有法国的SS-10和原苏联的AT-3。第二代：射手只需将瞄准具对准目标，导弹便会自动飞过去，大大提高了命中率，使用过程也变得更加简单，典型产品有“红箭-8”、美国的“陶”，欧洲的“霍特”、“米兰”等。第三代：采用热成像、毫米波等先进制导技术，改用光纤导线，或采用无线制导，导弹射出去就不再需要射手控制，做到了“发射后不用管”，其典型产品有美国的“标枪”、以色列的“长钉”等。,我国的反坦克导弹,红箭73（第1代）：目视瞄准、跟踪，导线传输指令、手控制导，命中率不大于90。红箭8（第2代）：光学瞄准跟踪，红外半自动制导、有线传输指令，命中概率90。红箭9（第3代）：光学瞄准、电视测角、激光驾束制导、三点导向和数字化控制。发射后，射手只需将瞄准线对准目标，制导装置会自动发出激光指令，控制导弹飞向目标。红箭9A（红箭9改进型）：毫米波制导，比红箭9的激光指令制导方式提高了抗干扰能力。发射装置将毫米波作为传输指令的载波或基波，把导弹偏离目标的信息及修正指令发送给正在飞向目标的导弹，导弹即可不断地修正飞行轨迹，直到命中目标。美军“海尔法”反坦克导弹的改进型“长弓海尔法”也采用了毫米波制导。,红箭8,4.2.2无线指令制导,指令通过指令发射装置以无线电的方式传送给导弹。包括：雷达指令制导：利用雷达对目标、导弹进行观测的指令制导技术。电视指令制导：利用电视摄像头获取目标信息进行跟踪导引的指令制导技术。,4.2.2无线指令制导-双雷达指令制导,制导站设备：两部雷达（目标/导弹跟踪雷达），指令发射设备和指令解算装置。弹上设备：指令接收机和控制系统。,双雷达指令制导系统工作原理图,目标(导弹)跟踪雷达：跟踪目标(导弹)、测量目标(导弹)坐标参数，送入解算装置。解算装置：根据导弹和目标坐标及所用导引规律形成制导指令，编码后由指令发射设备送给弹上指令接收机。指令接收机：接收指令发射设备发送的导引指令，并送入控制系统。控制系统：控制导弹飞行轨迹。,双雷达指令制导优缺点,优点：可以采用在命中点附近法向加速度小的导引方法，如前置角法，这样可以减小脱靶量。缺点：（1）系统庞大复杂（2）目标和导弹测量坐标系不配合会带来误差。,4.2.2无线指令制导-单雷达指令制导,地面制导站设备：一部雷达，指令发射设备和制导指令解算装置。弹上设备：指令接收设备、询问应答设备和控制系统。,单雷达指令制导系统与双雷达指令制导系统相比制导站设备简化。但需要解决两个问题：(1)雷达必须在对目标进行跟踪的同时对导弹进行观测；(2)雷达必须能将导弹和目标的信号区分开来。关于单雷达指令制导系统中跟踪雷达对目标和导弹的跟踪：(1)对目标的跟踪：与双雷达指令制导系统相同。(2)对导弹的跟踪：导弹进入制导波束后，弹上应答机不断向制导站返回询问应答信号，制导站根据应答信号跟踪导弹，测量其坐标数据。,跟踪雷达包括方位和俯仰两个通道：方位天线：在水平方向以一定的区间进行扫描的扁平波束；俯仰天线：在垂直方向以一定的区间进行扫描的扁平波束。两个天线共同扫描的结果是在空间形成一个十字形的扫描区域。雷达角跟踪系统的任务是保证目标始终位于十字形扫描区域的中央。若目标偏离扫描线中央位置，则重合部分面积不等，则输出一个信号至天线伺服系统，调整天线轴对准目标，使回波包络对准A/2处。,方位通道线扫描图示,当方位波束对角度区间A进行扫描时，若目标正好位于A/2方位，则雷达在A/2位置附近收到一组回波脉冲（图A），脉冲包络（图B）。第一重合脉冲第二重合脉冲,线扫描雷达角跟踪原理如左图。如果双波门（第一和第二重合脉冲）平分回波脉冲，则时间鉴别器输出误差为0，角度脉冲的中心位置表示目标所在的角度。如果目标偏移，则形成误差信号送入控制器，移动波门位置，直至对准。,区分目标和导弹是靠弹上应答器来完成的。坐标参数测量：制导站根据发询问信号与接收到弹上应答信号的时间差来确定制导站和导弹之间的距离；收到应答信号时的天线扫描角度即为导弹所在方向。上述两种指令制导系统，是由地面站对目标和导弹进行观测，因而：弹上设备较少；由于地球有一定曲率，受到视线距离的限制；随着被测对象与地面观测站距离增加，观测误差增加。,4.2.3电视指令制导,主要器件有导弹头部的摄像头和制导站的电视接收机、指令发射机等。导弹发射后，其头部的摄像头不断地将目标及其周围环境摄取下来，把信号发回制导站。制导站的电视接收机将图像显示出来，导弹操纵员调整目标图像至荧光屏十字线中心的过程，就是向导弹发出指令的过程。若荧光屏上上的十字线中心对准目标图像，导弹就会准确命中目标。这种制导方式可使制导站对攻击情况一目了然，在多目标的情况下，便于操纵员选择最重要的目标进行攻击，导弹发射后，装有制导站的车辆、舰船或飞机即可退出目标区，以保证其安全。但它受能见度影响大，而且容易受电子干扰。,C-704KD空射反舰导弹电视制导导引头与显示屏,制导指令由采用的导引方法及各种导引误差的补偿方法所决定。仅有误差信号控制导弹飞行能否使导弹准确沿理想路线飞行?需要考虑如下几种情况:1）运动惯性系统响应有滞后性，从收到误差信号到获得足够大的控制力以产生所需的法向加速度需要一个过渡过程；2）目标机动过载受到限制，由控制系统产生的法向控制力不能满足所需法向加速度的要求,导致导弹实际弹道相对于理想弹道有偏差；3）误差信号过大若误差信号过大，控制系统将产生很大的控制力，引起弹体剧烈振动，弹体回复稳定状态所需时间较长；4）重力因素俯仰控制方向重力导致轨迹下沉。,4.3遥控制导指令形成,平面、平面线偏差分别为：,三点重合法的误差信号就是线偏差信号,平面、平面角偏差分别为：,4.3.1目标运动和干扰导致的实际弹道相对理想弹道的偏差,导弹和目标的位置及运动参数,导弹的线偏差描述,前置角法的误差信号是线偏差信号+前置角引入偏差。,前置角引入偏差：,前置角法的误差信号：,4.3.2动态误差补偿信号,动态误差是动态弹道（导弹实际飞行的弹道）与理想弹道之间的线偏差。产生原因：动态导引误差是在导弹机动时，由于控制系统的惯性以及灵敏度有限所引起的。,1)P点，控制指令等于零，舵机在中间位置；2)导弹沿运动弹道P点切线方向运动，并趋近于A。灵敏度固定的控制系统在最初时刻显示不出失调参数，因而控制指令仍为零。3）当失调值达到h0时，控制系统产生控制指令，舵机转动一角度，导弹将接近运动弹道1。4)当导弹出现在运动弹道上的点B时，控制指令再一次变为零值，并且导弹继续沿该点的切线方向运动。动态弹道与运动弹道存在距离hd，即动态导引误差。,理想弹道为直线弹道时，制导系统若无误差，导弹的飞行不产生动态误差；理想弹道为曲线弹道时，制导系统若无误差，导弹的飞行存在动态误差（导弹沿与理想弹道曲率相同的弹道飞行）。原因：曲线理想弹道-需要改变飞行方向-产生法向加速度-偏离理想弹道-形成引导指令信号-飞行方向改变动态误差与理想弹道曲率有关：理想弹道曲率越大，动态误差也越大。,为了使导弹沿运动弹道运动，即为了使动态弹道和运动弹道相重合，在控制指令电压中必须加入正比hd值的信号，在它的作用下，导弹舵机可以补充转动某一角度，使导弹得到补充加速度。这种消除动态误差的方法称为补偿法。,4.3.3重力补偿信号,弹道倾角。完全补偿有困难，一般在遭遇区要求有准确的补偿，重力补偿信号可取,重力补偿,导弹重力的垂直于速度矢量的分量所引起的导弹偏离运动也将形成导引误差。弹道重力补偿信号仅加在俯仰通道。,4.3.4阻尼信号,仅考虑俯仰面、水平面线偏差、前置角、动态导引误差补偿信号、重力补偿信号时的制导指令为由上式可以看出，指令信号包括两部分：一是根据导引规律要求形成的误差控制信号（失调信号），二是引入的各种补偿信号。,由自动调节原理可知，阻尼信号是失调信号的导数，如果将阻尼信号引入控制指令信号，可使过渡过程尽快衰减而达到稳定值。,导弹接近运动弹道过程中有振荡特性，要经过一段时间才能接近轨道。其结果增加了导弹的过载，同时也降低了导引精度。因而必须引入阻尼信号，这时任何时刻的指令控制电压应加入一项，即,式中b为比例系数。因此，加入阻尼信号后的指令控制信号为,由于阻尼信号UJ的符号可正可负，在某一时刻，指令的大小将和失调信号与阻尼信号的和成比例。在另一时刻，则和它们的差成比例。结果，随着导弹接近运动弹道，在某一时刻，失调信号与阻尼信号大小相等，则指令控制电压为零。导弹在通过这个点之后，失调参数开始减小，失调信号小于阻尼信号，因此，指令变为相反的符号。这导致在导弹接近运动弹道前，舵机已停在中间位置，并且随后向相反方向转动某一角度。这就减小了导弹接近运动弹道的速度。结果导弹将更平稳地接近运动轨道。,4.1.4指令传输信道,在指令制导系统中，制导站要对每发导弹发出好几种指令信号，如俯仰通道信号，偏航通道指令信号，无线电引信起动指令及讯问信号等等。为了提高命中目标的概率，有时要发射好几发导弹，因而导引站的指今天线往往要发送出十几种至几十种的指令信号，所有这些信号要清楚准确地为导弹接收。指令传输通道实质上一个无线电多路传输系统。通常的多路传输工作方式有频分多路、时分多路及复合划分多路传输等。,频分多路传输系统,首先把指令用一个低频（副载频）进行调制（前置调制）；然后把携带指令信息的副载频调于主载频上发射出去（二次调制）。调制方式：调幅、调频、调相,4.1.5地空导弹指令制导回路,1)导弹坐标测量系统。2)制导参数计算设备和控制指令产生设备。3)无线电控制通道。4)装有稳定系统的地空导弹。5)导弹运动学环节。6)目标及目标坐标测量系统。,4.4无线电波束制导,波束制导（驾束制导），主要包括：雷达波束制导和激光波束制导(星光导弹)。雷达波束制导是无线电指令制导的一个特例。地面制导站向导弹发送的不是引导指令，而是雷达波束。导弹在波束内飞行，弹上制导设备能感知导弹偏离波束中心的方向和距离并产生相应的引导指令，操纵导弹飞向目标。分为单雷达波束制导系统和双雷达波束制导系统。,等强信号线：采用圆锥扫描雷达时，雷达天线辐射“笔状/针状”波束(TSE5000跟踪雷达的波束宽度1.1)，使波束的最强方向偏离天线轴一个小角度，当波束在空间绕天线轴旋转时，在波束旋转的中心线上（天线光轴）各点的信号强度不随波束的旋转而改变，这个中心线称为波束的等强信号线（电轴）。对发射天线和发射机的要求：（）必须形成形状精确的波束；（）发射机功率必须保持不变。,4.4.1单雷达波束制导,工作过程示意图,导弹线偏差形成的前提是目标位于等强信号线上。当目标不位于等强信号线，必须驱动天线伺服机构使等强线指向目标。,单雷达波束制导系统工作原理图,Ya（t=0),Za,天线圆锥扫描目标测量与跟踪,天线圆锥扫描图导弹接收机输出(正弦调制的脉冲信号),目标位于处,目标位于/2处,天线圆锥扫描导弹接收机输出包络,当导弹偏离等强信号线方向，则导弹接收机接收经正弦调制的脉冲信号。调制频率等于波束的旋转频率，调制深度和导弹偏离等强信号线的偏差角成正比，相位取决于导弹偏离等强信号线的方向。调幅信号脉冲包络表达式为：,Um0：未调制脉冲的幅度；m：调制度；,天线圆锥扫描偏差信号获取,圆锥扫描机构同步产生两路基准信号，送至弹上经相位检波，从而有,滤去上式中的高频项，即分别得到形成线偏差的方位角和高低角偏差项。代入线偏差表达式形成制导指令。,参考天线圆锥扫描图可知导弹在Ya（平面）和Za（平面）方向的线偏差分别为,距离测量误差信号中提取,天线圆锥扫描基准信号产生,基准信号应与波束的圆锥扫描完全同步。基准信号由扫描电机带动天线辐射器和基准信号产生器的发电机转子同步旋转，定子上的两对绕组便感应出相位相差90的两个正弦电压，这两个正弦电压便可作为基准信号。,收发开关,发射机,扫描电机,弹上接收机,检波器,基准信号产生器,误差信号解调器,伺服控制系统,基准信号,波束导引中的一些问题,（1）单雷达波束导引只能使用重合法，弹道比较弯曲，制导误差较大。（2）在角误差一定情况下，随制导距离增加，制导的线偏差增加。因此要减小导引误差，必须减小波束宽度，一般为4-6。但减小波束宽度导致的另一问题是发射时很难将导弹导入窄波束中。（3）弹上接收设备应采用圆极化天线。因导引头扫描时辐射的电磁波极化方向也旋转，为避免极化调制引起的导引误差，弹上应采用圆极化天线。（4）合理布置天线位置，或在发动机燃料中添加能迅速消除电离的物质，如四乙基铅等，避免尾焰对导引信号的反射、吸收及杂乱振幅调制。,宽波束（低能）导入窄波束（高能）导引系统,为了保证导弹射入波束之中，可以另加一套宽波束系统的办法。宽波束的宽度一般为20-60。当导弹射入宽波后，可控制导弹进入等强信号区中。宽波束和窄波束的电轴是近似一致的。因此只要导弹进入宽波束的等强信号区内，也一定位于窄波束作用区内。这时导弹中自动完成由宽波束控制转为窄波束控制的转换。,宽窄波束和时间机构,采用时间机构来补偿由于导弹随着与雷达距离增大而增加的导引误差。装有时间机构后，可使在同样误差角的情况下，离发射时间越长，即距导引雷达越远，误差信号的放大量越大，从而控制信号也大，导弹就能以比原来较快的速度回到等信号区去。图示采用宽窄波束和时间机构后的弹上主要设备。,4.4.2双雷达无线电波束制导,计算机根据导引规律和目标坐标，对导引雷达的波束方向产生控制信号导引导弹飞行。弹上的位标器能不断测定出导弹偏离等强信号方向的大小，并产生控制信号，使导弹沿等强信号线方向前进。,双波束有两部雷达：目标跟踪雷达和导弹导引雷达。目标跟踪雷达测量目标坐标瞬时量（高低角、方位角）并将其送人计算机。计算机进行视差补偿计算。导弹在某一时刻发射，随后被引进导引雷达的波束。,波束制导