第5章 制导方案及制导律

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 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 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 、复合制导 制导律：制导律：导弹飞向目标的规律，决定飞行

2、轨迹。 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。 3 Beijing 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 实际上制导方式很多实际上制导方式很多、很乱、很乱

3、，不易理清、不易理清、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）飞行器相对于惯性空间的导引飞行器相对于惯性空间的导引，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（误差随时间累积）惯性导航（误差随时间累积） 程序制导（不能自适应随机扰动）程序制导（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/ /图像匹配图像匹配 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 寻的制导寻的制导 6 Bei

4、jing 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 7 Beijing 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 8 Beijing 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

5、导弹按预先拟制好预先拟制好的计划飞行，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.

6、. 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，单从制导技术层面讲，没有什么 关键问题关键问题. . 9 Beijing 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

7、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-Electro-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 10 Beijing 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

8、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 11 Beijing 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

9、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、半主动式、被动式；按照频率 12 Beijing 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

10、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 Technol

11、ogy （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。量发射装置设在导弹以外的制导站或其他位置。 功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比 主动式要大。主动式要大。 14 Beijing 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

12、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。 15 Beijing 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、空对地导弹和某些弹道导弹，用于一般用于

13、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。 16 Beijing 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 导引头装置及其工作原理导引头装置及其工作原理 l 波段波段 l 目标识别、成像技术目标识别、成像技术 l 信号处理、滤波技术信号处理、滤波技术 l 捷联导引头捷联导引头的概念的概念 17 Beijing Institute of Technology 广播：87.5MHz108.0MHz 雷达: 300MHz40GHz 毫米波：40GHz3

14、00GHz 亚毫米波： 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

15、上的制导设备弹上的制导设备感受它偏离波束感受它偏离波束 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，制导站发出的目标。在多数波束制导系统中，制导站发出的波束应始终跟波束应始终跟 踪目标踪目标。 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：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，并在位置和其他运动参数，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

16、 向目标。向目标。 19 Beijing Institute of 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

17、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。 20 Beijing 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 effe

18、ct 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 矢量方向的约束）矢量方向的约束） 21 ( , )af r Beijing Institute of Technology a) 需用法向过载的计算？需用法向过载的计算？ 需用法向过载：需用法向过载： 三点法导引的导弹运动方程组：三点法导引的导弹运动方程组： 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 y aV 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 导引弹道动力学分析模型得到导引

19、弹道动力学分析模型得到 c)需用舵偏角的计算需用舵偏角的计算 导引弹道动力学分析模型得到导引弹道动力学分析模型得到 z z zB z m m z Ma B 23 Beijing Institute of Technology d) 最优导引律最优导引律(Optimal Guidance Law, OGL) 为克服为克服目标机动目标机动和测量噪声等不确定因素的影响，提高和测量噪声等不确定因素的影响，提高 追踪导引性能，追踪导引性能，20 世纪世纪60 年代年代最优控制技术最优控制技术被广泛用被广泛用 于导引律的研究。于导引律的研究。 它可以考虑导弹目标的动力学问题，并可考虑制导过它可以考虑导弹目

20、标的动力学问题，并可考虑制导过 程起点或终点的程起点或终点的约束条件约束条件或其它约束条件，如终端脱靶或其它约束条件，如终端脱靶 量最小、最短时间、最小控制能量、导弹和目标的量最小、最短时间、最小控制能量、导弹和目标的交会交会 角要求（带落脚约束的制导律）角要求（带落脚约束的制导律）等。等。 大部分研究是基于大部分研究是基于线性化线性化追踪运动方程，仅适用于较小追踪运动方程，仅适用于较小 的视线角范围。的视线角范围。 追踪性能主要取决于捕获剩余时间追踪性能主要取决于捕获剩余时间 tgo 24 Beijing 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 目标的机动大小和方式难以准确测量和预测目标的机动大小和