直升机综合飞行火力控制技术介绍和误差分析

1、直升机综合飞行/火力控制技术介绍和误差分析大纲IFFC概念的提出、研究发展及概述武装直升机IFFC关键技术IFFC构型及设计方法评估技术及指标电子设备体系结构IFFC构型及工作原理关键模块的技术路线飞行控制系统火控解算目标状态估计器飞/火耦合器设计时评估技术：性能评价仿真时评估技术：评估模型评估指标火控误差源分析超控耦合器综合飞行/火力控制概念的提出战术任务精度高、攻击有效确保生存火力控制：提供正确命中和摧毁敌方目标的有效手段飞行控制：有效地跟踪目标的战术机动，提高自我生存力驾驶员“机动无法攻击”“攻击不能机动”工作负担大连续作战能力差人工瞄准操纵飞机武器发射和投放?综合飞行/火力控制概念的提

2、出综合飞行/火力控制：IFFCIntegrated Flight/Fire Control基本思想：通过飞行/火力耦合器把飞行控制系统和火力控制系统综合起来，形成一个闭环武器自动攻击、投放的系统。也就是说，通过将飞机平台和传感器结合在一起，达到控制飞机的航迹和姿态，帮助驾驶员自动实现瞄准攻击的目的。 综合飞行/火力控制概念的提出战术任务精度高、攻击有效确保生存火力控制：提供正确命中和摧毁敌方目标的有效手段飞行控制：有效地跟踪目标的战术机动，提高自我生存力驾驶员IFFC“机动无法攻击”“攻击不能机动”工作负担大连续作战能力差攻击瞄准自动化提高武器投放精度提高生存能力扩大投放包线人工瞄准操纵飞机武

3、器发射和投放耦合瞄准自动调整轨迹和姿态自动/半自动武器投放直升机IFFC技术的研究发展国外上世纪八十年代，以UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”为样机开展武装直升机IFFC试验性工作，并作了初步的原理验证与效益评估。上世纪九十年代初，由美国的Sikorsky飞机公司提交了有关武装直升机综合飞行火力控制的问题描述和概念定义的正式文件，并通过军方评审，从而完成了系统定义，初步确定了实现该综合系统的结构方案与技术途径 。上世纪九十年代，以RAH-66为代表，在武装直升机上正式实现了IFFC技术，开展了综合飞行火力控制的飞行员闭环综合仿真试验 。国内国内有武装直升机IFFC技术的局部研究，但缺乏全

4、面深入的研究和具体实现武装直升机国内外研究进展直升机IFFC技术概述在转弯机动中投放空/地炸弹空/地射击攻击（迅猛机动遭遇）空/空射击在固定翼IFFC中没有在转弯机动中发射导弹沿精确规定的航线地面投影部署精密武器：智能传感器、地雷、装有引信的武器等空/地组合火箭/旋转式机炮攻击（迅猛机动遭遇）空/地组合火箭/旋转式机炮攻击导弹发射的空/空瞄准状态以与本机速度矢量的夹角很大的角度发射导弹固定翼攻击机IFFC功能武装直升机IFFC功能直升机IFFC技术概述发射前机动发射后机动耦合瞄准武器包线管理反冲补偿导弹指向IFFC功能模态分析直升机IFFC技术概述耦合瞄准：实现了自动机动攻击功能，能极大地减轻

5、驾驶员射击时的工作负担；发射前/后机动：改善了低速与悬停时火箭弹的发射能力，增强了机动逃逸性能；武器包线管理：使飞行员驾驶飞机作机动飞行时，能保证转塔机炮和目标获取系统仍指向目标；反冲补偿：能改善火炮/火箭弹发射时引起的角度暂态响应，提高瞄准精度。直升机IFFC技术概述武器IFFC模态耦合瞄准机炮反冲补偿增强火力控制武器包线管理综合燃油管理固定机炮炮塔式机炮火箭弹红外制导导弹激光制导导弹IFFC耦合瞄准极大地提高了固定武器发射的准确性与快速性，火箭与固定机枪类的瞄准误差在IFFC模态下减少50%，在全自动模态减少量达75%。在IFFC模态下，火箭、固定机枪与“毒刺”导弹的占位时间分别减少44%

6、、65%、43%。 耦合瞄准大大减轻了飞行员工作负担，IFFC模态下，投射火箭弹、固定机枪枪弹与“毒刺”导弹时，飞行员工作负担分别减少56%、57%、67%。 IFFC能增加多目标环境下同时攻击威胁个数。 武装直升机IFFC关键技术：IFFC构型及工作原理IFFC控制构型工作原理由机载跟踪雷达给出的目标测量信息，经目标状态估计器提供目标的运动状态信息，由机载自身传感器提供本机信息，经火控解算给出瞄准偏差信号，一方面通过平视显示器传给驾驶员，另一方面，将该信息输送给飞行/火力耦合器，由飞行/火力耦合器产生控制指令送至飞行控制系统，由飞行控制系统产生相应操纵指令，操纵飞机机动，使瞄准偏差趋向于零，

7、从而自动完成对目标的瞄准、攻击和投放。 武装直升机IFFC关键技术：功能分析功能分析1. 内回路：飞行控制回路2. 中回路：空间指向跟踪回路3. 外回路：战术任务回路武装直升机IFFC关键技术：功能分析飞行控制回路 多自由度解耦控制功能；姿态响应类型（AC）、速率响应类型（RC）； 飞控系统的设计为关键；空间指向回路 多模态飞行/火力协调控制功能；HH、DH、PH、RCDH、RCHH、ACAH、TRC； 飞/火协调控制器设计为关键战术任务回路 实现空-空机炮、空-空导弹、空-地机炮、空-地导弹等IFFC模态； 火控解算驱动机体运动形式；火控解算、目标状态估计器设计为关键武装直升机IFFC关键技

8、术：飞行控制系统综合飞行/火力控制系统表现为火力控制系统与飞行控制系统相结合，并以飞行控制系统为纽带实现系统综合的功能。由于武装直升机在进入火力攻击状态时，经常处于控制信号的作用或驾驶员的操纵下，飞行方向不断变化，要求对飞机姿态的控制具有较高的快速性和准确性，以便有效地实现对目标的跟踪瞄准。飞行控制系统结构与性能的好坏对综合控制系统的效果有着直接影响。 IFFC中的作用：飞控系统设计要求：1）增稳；2）对输入指令良好的响应特性；3）调整或消除飞机轴间的交叉耦合效应 。ADS-33武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统经典控制系统设计方法：通常是在直升机整个飞行包线范围内选择几个典型的飞行状态

9、点进行设计，然后再在整个飞行包线内进行仿真微调控制器参数，控制方法虽然简单，但是却非常耗时，而且控制器的鲁棒性差，得到的通常是适当胜任的设计而不是最佳设计，不能保证在以后高性能直升机的设计上是胜任的。特别是，当系统有多个耦合输入和输出时，用经典控制法来设计其的控制器是非常困难。 飞行控制律设计方法：现代多变量控制律设计方法：线性二次调节器设计、多变量模型跟踪方法、H设计法、综合方法、反馈线性化设计、模糊控制设计方法、神经网络设计方法等。 武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统多变量模型跟踪方法： 结构简单，各模块意义明确 ，便于调整参数； 对任务剪裁飞行控制律和重构飞行控制律有吸引力。武装直

10、升机IFFC关键技术：飞行控制系统多模态电传飞行控制系统：先进AH-64电传操纵系统的控制律结构武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统多模态电传飞行控制系统：RAH-66电传操纵系统的控制律结构武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统RAH-66电传操纵系统的控制律结构：基本飞行控制系统（PFCS）自动飞行控制系统（AFCS）PFCS包含基本控制率，可靠性高，即使发生故障也能保证最低要求的飞行能力；PFCS的指令形成功能块中对消飞机的固有响应 ；为避免大机动飞行造成的门限饱和， RAH-66加入了前馈角速率指令模型以及相应的反馈回路，速率反馈回路仅在PFCS工作时接通 。AFCS主要用于增强

11、飞机任务能力和操纵品质，AFCS指令通过指令限制环节与PFCS连接，当AFCS发生故障时，限制环节通过逻辑分析切断其输出，实现故障隔离；AFCS的指令模型模块用于生成期望的状态响应。 多模态电传飞行控制系统：武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统HACT验证机电传操纵系统的控制律结构HACT的关键概念：武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统状态识别：系统基于飞行器和环境测量自动辨识飞行状态和任务策略。它的挑战在于要在整个飞行包线内、在任何环境条件下，以及实时地动态识别飞行状态。 无忧虑机动：用来描述预测和提示结构及气动限制超出开始的术语，它用某种方式帮助驾驶员避免出现这些超出现象。适当地操

12、作，无忧虑机动可以使驾驶员能够直观地利用真实的飞行器飞行包线，而不必因为对包线接近程度的不确定而预留很大的安全边界。带来的困难和下面的情况有关：开发一个复杂的系统，要其能够预测多重及可能冲突的超出数的开始，以及能以一种减轻驾驶员负担的方式通知这些信息给驾驶员。 任务剪裁：用来描述自动模式转换到适当的飞行控制响应类型的术语。当与状态识别耦合后，任务剪裁将允许飞行器飞行品质能根据操纵状况自动优化，而不必要求驾驶员人工选择控制律。它的挑战在于增益的转换要以驾驶员可以接受的平滑的方式进行。 武装直升机IFFC关键技术：火控解算主要解决各种机载航空武器在投放时如何达到投放条件以及如何控制它们的投放时机、

13、方向等问题。空对地射击火力控制主要解决攻击机对地面目标投放模型武器进行攻击时的瞄准建模问题，它依照一定的算法使攻击机上发射的弹丸落到计算出的命中目标点，从而击中地面目标，完成对地攻击任务。 IFFC中的作用：火控系统发展过程：扰动光环瞄具将陀螺测量的本机角速率作为视线角速率进行火控解算，只要驾驶员跟踪目标时使中心光点保持在目标上，则本机机体角速率就能与视线角速率相等,这就要求驾驶员必须在飞机跟踪过程中始终把中心光点保持在目标上，这一点往往是比较困难的。通常使用的前置计算光学瞄准具(LCOS)就是扰动光环瞄准具的一个实例。扰动光环瞄准具指挥仪型瞄准具武装直升机IFFC关键技术：火控解算常见的火控

14、解算模型：两者的主要区别是测量视线角速率的方法不同指挥仪型瞄具通过角跟踪雷达或光电跟踪器和卡尔曼滤波器交联使用来获取目标视线角速率。这样，就使得指挥仪系统比扰动光环系统复杂的多，计算量也比较大。但相应的，其跟踪!截获目标的能力以及炮线角的解算精度也大为提高。火控解算示例：武装直升机IFFC关键技术：火控解算建立适用于在武装直升机上用机枪（或火箭弹）攻击坦克等地面目标的火控系统模型，设计其火控算法，解算结果为弹丸飞行时间 及机体坐标系中的期望武器轴线指向角 及 。火力控制原理框图：相对和绝对坐标系中空对地射击前置跟踪瞄准状态的矢量图 ：武装直升机IFFC关键技术：火控解算火控解算过程：合适的坐标

15、系中建立的瞄准状态矢量图；列写火控命中方程组；结合目标与本机的运动参数和本机飞行姿态以及弹丸的弹道规律，解算出期望的武器轴线指向 武装直升机IFFC关键技术：火控解算火控命中方程组：经过一个弹丸飞行时间 后，目标的距离矢量为当前距离向量与补偿目标运动的提前量之和：同时外弹道轨迹确定的弹丸发射后经时间 飞过的距离矢量为： 若不考虑侧偏量的影响。则上式变为： 要构成正确的瞄准攻击，必须使弹丸飞行时间 后，弹丸与目标在命中点相遇，即有如下的向量方程成立： 也即是有火控解算基本方程 ：_最终解算方程：火控算法的关键之处：武装直升机IFFC关键技术：火控解算建立估算下发弹丸指令校正值的脱靶量递推模型 原

16、因分析：脱靶量是很复杂的随机过程，其参数随环境、飞机与目标的机动情况等而变化，绝对准确的模型在实际中是几乎得不到的，也很难用一个数学模型去适应于各种条件，所以根据此模型得到的校正值只在一定条件下才会是最佳，使得闭环校正后会存在一定的残差。应对措施：1. 采用自校正闭环算法以增强鲁棒性； 2. 应有消除残差的措施，当前采用较多的为灰色残差模型预测方法。 武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器火控解算除需要一些攻击机的状态参数外，还需要目标的速度、加速度及瞄准线角速度等运动参数；受现有测量环境与仪器精度的影响，机载测量装置测得的参数常混有较大的误差成分(噪音)，精度不高，不能直接用于火力控制系

17、统的解算，必须经过滤波处理； 有些参数(如目标的加速度)尚无法直接测量 必要性：目的：提高测量参数精度；得到不可测参量的估值。武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器根据瞄准装置对目标的跟踪，获得在飞机机体轴系中目标的斜距、方位角、高低角(有时还包括它们的变化率)；利用合适的滤波算法估计出火控解算所要求的目标运动参数，作为火控解算模块的输入量。IFFC中的作用：目标状态估计器的关键技术：建立较合理的目标机动模型；选择合适的滤波器，改进滤波手段。 武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器目标机动模型：建模方法建模的一般原则： 使模型符合实际，同时又便于数学处理。 建模方法1：不考虑目标机动，

18、常用的有常速（CV）模型和常加速模型（CA）特点是模型简单，易于数学处理，实时性高，但精度低，在目标机动较大时，会带来较严重误差。建模方法2：为机动目标模型，即为提高模型的准确度考虑目标的机动性。 该类模型中，描述机动目标加速度是建模的核心。由于目标机动形式的多样性和随机性，要建立正确的目标加速度模型是十分困难的，常采用的加速度模型为一阶与二阶高斯-马尔科夫过程模型、当前统计模型等。 武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器目标机动模型：跟踪坐标系直角坐标系：状态的线性外推（目标状态模型）和非线性的状态更新（测量模型）视线（极）坐标系：非线性的状态外推和线性的状态更新北天东坐标系：直角坐标系

19、与视线坐标系的折衷混合坐标系：结合了直角坐标系与视线坐标系二者的一些优点跟踪坐标系的选择对于滤波器的稳定性、跟踪性能及计算量有较大的影响武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器直角坐标系下目标机动模型目标状态模型测量模型武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器对状态估值最有效也是最常用的方法为卡尔曼滤波技术：固定参数的卡尔曼滤波算法，常增益卡尔曼滤波算法、自适应卡尔曼滤波算法等 针对大机动目标的情况还出现了一些非线性算法 滤波算法如何在保证实时性的前提下提高估值精度仍有待进一步的研究 武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器Extended Kalman 滤波算法（EKF）武装直升机IF

20、FC关键技术：目标状态估计器Extended Kalman 滤波算法（EKF）武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器飞/火耦合器为综合飞行火力控制系统的核心，是联系飞行控制系统与火力控制系统的枢纽，它将原来分离的火力控制系统和飞行控制系统有机地综合到一起，实现了综合控制的概念。 IFFC中的作用：工作原理：主要功能是耦合瞄准，即将火控解算得到的期望机炮轴线指向与直升机的实际机炮轴线进行比较，利用误差信号生成合适的飞控系统与武器随动系统的控制指令，从而操纵直升机和武器轴线运动，消除瞄准误差。 武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器飞火耦合器的设计应满足飞火基本控制原理：令射击瞬间距离向量 和

21、命中时所要求的向量 之间的角误差e等于零；为IFFCS提供合适的系统阻尼，使消除瞄准误差快速而无振荡； 在飞控系统操纵权限内满足火飞操纵要求； 协调飞控与武器随动系统的指令分配； 应限制自动操纵指令和直升机过载，以确保安全； 在飞行包线内，系统具有足够的鲁棒性。 设计要求：武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器设计方法：经典控制、现代控制、H 控制、专家系统控制、神经网络控制，以及采用PID结构、数学仿真寻优等方法方法比较： 考虑到综合飞行火力控制系统的复杂性，应用经典或现代控制理论 方法会有较大困难，且难以保证性能。 而仿真寻优方法结构简单明确，易于调整，通过仿真调参能保证性能。武装直升机

22、IFFC关键技术：飞/火耦合器设计方法：PID结构、数学仿真寻优不具备鲁棒性功能单一结构形式不统一不适应全自动攻击作战火飞耦合器的任务就是根据指令炮线角和本机的现有姿态向量，确定出应施加于飞控系统的指令信号 武装直升机IFFC关键技术：设计、分析关键技术总结综合系统中子系统之间的功能耦合作用分析综合控制系统的控制结构以及子系统之间的耦合协调控制结构 满足综合控制系统需求的飞行控制器设计方法 满足综合控制系统需求的耦合协调控制器设计方法 综合控制系统的性能评价方法 武装直升机IFFC关键技术：评估技术及指标评估技术设计时的性能评估： 从IFFC的功能分析入手，明确飞行控制回路、空间指向回路、战术

23、任务回路的物理意义以及性能需求；结合ADS-33规范和各种稳态性能要求提出完整的IFFC性能评价指标；最后根据各回路的物理意义剪裁指标来进行性能评价。 仿真（实时/非实时）、试飞时的性能评估： IFFC的性能最终要在现实威胁条件下进行飞行试验证实，但初步结果可以采用仿真方法得到。该方法包括有关飞机、飞行控制、武器和目标/威胁性能的一些关键因素。 为确定各种情况下的系统精度，通常需要进行蒙特卡罗运算。 武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术飞行控制回路的性能评价性能需求为： 使直升机系统解耦，改善系统的回路频率特性和稳定性； 以被控量的速率作为设计目标，也即是采用角速率指令响应形式(RC)。

24、性能指标为： ADS-33的轴间耦合：总距操纵引起的偏航； 迅猛机动飞行时俯仰引起滚转及滚转引起俯仰的耦合。 ADS-33的带宽和相位延迟指标 武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术空间指向回路的性能评价性能需求为： 是否能迅速把飞机的姿态调整到指定方向，当为定常指向时，稳态误差 应为零，对于以匀速变化的指向，允许有一定的稳态误差。 性能指标为： ADS-33的快速性指标 ：从一个稳定姿态过渡到另一稳定姿态所需的 姿态角改变应尽可能快的完成 。武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术战术任务回路的性能评价性能需求为： 快速性直接体现了系统的作战效能； 稳定性是系统安全的根本保证； 实现对目标

25、的快速、持续瞄准。性能指标为： 快速性：瞄准精度、瞄准过渡时间、振荡次数、瞄准持续时间； 稳定性：幅值裕量、相角裕量 武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术仿真评估模型武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术仿真评估流程：任务场景想定选定验证IFFC功能：耦合瞄准、发冲补偿、武器包线约束设定目标、本机初始状态：a）目标运动特性，与本机相对位置等；b）本机运动特性（悬停、低速或巡航等）选定武器装备：机炮（固定、炮塔）、火箭弹、导弹作战任务武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术仿真评估流程：对比仿真类型Baseline（基本模态）：无耦合增稳功能的任务，飞行员仅仅依靠武器自身与相关的IFFC提

26、示符完成武器瞄准和保持飞机在约束范围内的任务； IFFC（正常模态）：提供IFFC的各项功能，诸如耦合瞄准、发射前/后机动、武器包线约束、反冲补偿等，但飞行员必须手动投放武器； Full Auto（全自动模态）：除具有IFFC正常模态的各项功能外，还提供(+、-)90度的姿态方位投射窗口，并能自动释放固定武器，具有最最后命中点的耦合瞄准功能。 武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术仿真评估流程：仿真数据处理任务载荷因子（TLX：Task Load Index）发射机会（EO：Engagement Opportunities）跟踪目标（#T：targets tracked）攻击目标（#A：targets attacked）武装直升机IFFC关键技术：性能评估指